Tecsup - Plataforma de aprendizaje a distancia en ......dustrial automation, robotics and process control among others. The objective of this work is to develop a platform of hardware

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Invest Apl Innov 2(2), 2008

Plataforma de aprendizaje a distanciaen automatización industrial empleando

laboratorios remotos

Distance learning environment in industrial automation using remotes laboratories

Alfredo Saire, Henry Gómez

Resumen

La cantidad de cursos a distancia que se encuentran dis-

ponibles en la actualidad en el área tecnológica es bas-

tante limitada, debido fundamentalmente a que sería

indispensable realizar el entrenamiento práctico o ejerci-

cios de laboratorio, empleando un equipo específico para

completar cada una de las actividades requeridas por el

contenido de un curso. Este es el caso, por ejemplo, de los

cursos de automatización industrial, robótica y control de

procesos entre otros.

El objetivo de este trabajo consiste en elaborar una pla-

taforma de hardware y software que permita utilizar el

equipamiento de los laboratorios de Tecsup en forma

remota, accediendo a ellos a través de redes Intranet y/o

Internet.

Abstract

In technology area, the amount of distance courses are

currently quite limited, mainly because in some cases

would be essential to carry out the practical training or

laboratory exercises using a specific equipment to com-

plete each of the activities required by the content of a

course. This is the case, for example for courses about in-

dustrial automation, robotics and process control among

others.

The objective of this work is to develop a platform of

hardware and software that enables use the equipment

of the laboratories of Tecsup in remotely accessing them

through Intranets and / or the Internet.

Palabras claves

Laboratorio remoto, laboratorio web, automatización,

educación a distancia.

Key words

Remote laboratory, web lab, automation, e-learning.

INTRODUCCIÓN

La educación superior en carreras de ingeniería aplicada,

especialmente en aquellas relacionadas con automatiza-

ción industrial, robótica e ingeniería de procesos requiere

de costoso equipamiento y modernas tecnologías que

encarecen ostensiblemente el costo de la educación. No

todas las instituciones de educación superior están en

condiciones de financiar el suficiente equipamiento para

garantizar una formación orientada a la práctica y además

personalizada, por ello es frecuente en los laboratorios de

experimentación tener a más de tres estudiantes interac-

tuando con un módulo o equipo experimental.

Esa experiencia práctica es valiosa para el estudiante y

marcará un hito en su proceso de aprendizaje. Sin em-

bargo, este tipo de enseñanza tradicional se ve afectado

por factores que degradan los resultados educativos, los

cuales ya fueron identificados por L.M. Jiménez y colabo-

radores [1] son:

La limitada disponibilidad de los laboratorios. Los

estudiantes sólo tienen acceso a estos en horarios poco

flexibles y con limitado tiempo de uso. No todos los es-

tudiantes tienen la misma curva de aprendizaje, algunos

requieren de más tiempo para afianzar los conocimientos

con la experimentación. Por tanto, el estudiante no puede

practicar libremente y analizar los aspectos que considere

necesarios o dar mayor énfasis a aspectos débiles de su

aprendizaje.

Limitado número de equipos disponibles. El alto costo

de los equipos obliga a adquirir un número limitado de

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Saire A. , Gómez H. – Plataforma de aprendizaje a distancia en automatización industrial empleando laboratorios remotos

estos, el cual, no guarda relación necesariamente con el

número de estudiantes matriculados en un laboratorio.

Esto obliga a compartir los equipos con tres o más com-

pañeros.

La evaluación práctica del estudiante se ve distor-

sionada. El profesor a cargo de un laboratorio tiene que

evaluar las competencias logradas en una técnica o en el

uso de un equipo en particular; sin embargo, no tiene el

tiempo suficiente para hacerlo en forma individual, por lo

que se adoptan mecanismos como asignación de roles y

desarrollo de tareas que se consolidan en la presentación

y sustentación de informes grupales. La nota obtenida me-

diante esta modalidad, no refleja necesariamente el nivel

del logro de resultados de aprendizaje de cada estudiante.

Ante estos inconvenientes de la educación orientada a la

práctica tradicional, surge como una alternativa interesan-

te el uso de los laboratorios remotos a través de Internet.

Esta modalidad, que en años recientes viene tomando

fuerza por el avance de las Tecnologías de la Información

y de las Comunicaciones (TICs) y por el abaratamiento del

equipamiento necesario, aporta los siguientes aspectos

positivos:

Mejora la disponibilidad de los equipos de laborato-

rio, pues proporcionan horarios fuera del tiempo de clase

para experimentación no presencial.

Incrementa el número de tareas o prácticas de la-

boratorio, ya que el estudiante tiene la posibilidad de

hacer más ejercicios de los que tendría acceso en forma

presencial.

Brinda horarios de acceso más amplios y flexibles, por-

que si no hay limitaciones de tiempo, el estudiante puede

permanecer mayor tiempo interactuando con los labora-

torios remotos.

Mejora el proceso de aprendizaje pues la experimen-

tación no presencial ayuda a fijar los conocimientos

teóricos.

Los laboratorios remotos no son un tema nuevo sino más

bien un tema de interés actual para muchas instituciones

educativas, sobre todo aquellas que tienen programas de

formación a distancia y que como el caso de Tecsup cons-

tituyen un complemento ideal a la formación que se da

a través del campus virtual y permite complementar de

manera eficiente la formación presencial.

FUNDAMENTOS

Las primeras experiencias de aprendizaje en laboratorios

remotos se desarrollaron originalmente en los Collabo-

ratories a partir de los años noventa en Estados Unidos

y en Europa en el Proyecto Dynacore a partir de 1996 en

España [2] Actualmente se están desarrollando investi-

gaciones con diferentes nombres y enfoques en diversas

latitudes.

El AutoLab [1] por ejemplo es un sistema que realiza la

monitorización y el control de un proceso discreto. Esta

controlado por un PLC a través de Internet y permite

al usuario remoto conocer el estado de los sensores y

mandar señales de control a los actuadores del proceso.

Mediante una interfaz gráfica accesible desde cualquier

navegador web es posible visualizar las imágenes del

proceso.

Figura 1. Arquitectura general de un laboratorio remoto.

Los laboratorios remotos residentes en diferentes cam-

pus integrados por Internet son también una experiencia

en proyectos de colaboración. Podemos mencionar, por

ejemplo, la plataforma Barcelona, Manaus y Santiago de

Cuba interconectadas por Internet [3]. El laboratorio re-

moto de Barcelona consta de un conjunto de distintos

accionamientos eléctricos que pueden ser accesados

remotamente mediante un entorno compacto, simple y

visual que permite a los alumnos programar los autóma-

tas y trabajar con los diferentes componentes que con-

forman la estación. Los únicos requerimientos para poder

trabajar con la plataforma son el software abierto de pro-

gramación CodeSys y una conexión a Internet para des-

cargar el programa al autómata y comprobar y supervisar

el funcionamiento gracias a una cámara IP.

El laboratorio de la EST-UEA (Manaus, Brasil) incorpora

diferentes tipos de accionamientos y automatizaciones

dentro del área de Mecatrónica, es decir, accionamientos

eléctricos y neumáticos unidos a los controladores de ro-


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bots y máquinas herramientas. Para su integración al sis-

tema de prácticas de enseñanza a distancia se utiliza un

PLC Wago 750-841 y un PLC Telemecanique TSX3722 con

módulo de Internet ETZ 410. A nivel de software de pro-

gramación se utiliza el software abierto CodeSys y una cá-

mara Web para que el alumno pueda supervisar el desa-

rrollo de la práctica cuando trabaja a través de Internet.

La plataforma instalada en la Universidad del Oriente de

Santiago de Cuba, dispone de un sistema Web que permi-

te el acceso al estado de todas las entradas y salidas del

autómata, así como a la información de la configuración

del PLC, entre otros datos adicionales. Con esta informa-

ción los usuarios pueden verificar el funcionamiento de

sus programas descargados al PLC. Se puede acceder a la

página de enlace del autómata a través de un hipervín-

culo incrustado en la plataforma Moodle junto con otros

documentos e información de interés para la realización

de las prácticas.

Una variante interesante es la utilización de software co-

mercial para entornos de laboratorio como el LabView

mencionado por Vargas, Hector y colaboradores [4]. La

arquitectura del entorno de experimentación consta de

un computador como servidor Web, que centraliza los

servicios y módulos de trabajo asociados a cada laborato-

rio remoto (applet Java y documentación) y realiza la ges-

tión de usuarios y recursos, interactuando con una base

de datos. De otra parte, cada planta del laboratorio es

controlada por un ordenador con LabView 8.2 y tarjetas

de adquisición de datos National Instruments. Las aplica-

ciones LabView desarrolladas realizan el cierre del lazo de

control en tiempo real e intercambian datos a través de

conexiones TCP/IP. En el lado del cliente, la interfaz con la

que un usuario manipula el laboratorio de forma remota

corresponde a un applet Java.

Un desarrollo mucho más sofisticado y bastante con-

fiable es el Campus Project del Instituto Tecnológico de

Massachusetts (MIT) que cuenta con el financiamiento de

Microsoft para aprovechar el potencial de los laboratorios

accesibles por Internet [5].

Otro entorno de laboratorios remoto actualmente en

funcionamiento es el que está disponible en el Instituto

Tecnológico de Monterrey (ITESM); el TeleLab [6] presenta

una plataforma de acceso remoto al laboratorio de auto-

matización y consta principalmente de tres partes: una

página web de libre acceso conteniendo toda la informa-

ción necesaria; un sistema de reservaciones para separar

las sesiones de trabajo en el laboratorio y una interfase

de acceso para realizar una práctica a distancia mediante

una cuenta y un password.

Trabajos previos sobre laboratorio accesibles por Internet

sugieren que el compartir los recursos mediante una ar-

quitectura sencilla es muy limitante y en lugar de facilitar

el acceso y el desarrollo de las experiencias remotas, es un

foco de frustraciones que conducen a la inutilización de

esta modalidad de enseñanza.

Empezaremos por distinguir los tres tipos de experimen-

tos de laboratorio que se pueden poner en línea a través

de Internet.

Experimentos tipo Batch o por lotes: en este tipo de ex-

periencias el estudiante especifica todos los parámetros

que gobiernan la ejecución de un experimento antes que

empiece el mismo. La sesión de laboratorio consiste en

enviar un protocolo de prueba con toda la información

necesaria para el experimento, ejecutar el experimento y

luego, adquirir la información para analizar los resultados.

Normalmente este tipo de experimentos se ejecutan de

manera rápida y no requieren de separación de sesiones.

Experimentos con sensores: en un experimento con sen-

sores el estudiante no puede usualmente especificar nin-

gún parámetro aunque sea posible seleccionar los datos

de un sensor en particular. En la ejecución del experimen-

to se recibe la información en forma digital o en gráficos

de tendencias. Este tipo de interfaces a veces muestran

herramientas para filtrar o procesar posteriormente la

información, como en el caso de aquellas que permiten

activar alarmas o envío de notificaciones por e-mail.

Los experimentos con sensores frecuentemente tienen

un flujo de datos muy asimétrico. Esto puede tomar desde

unos cuantos bits hasta un flujo de datos mucho mayor,

lo cual puede consumir mayor ancho de banda. Algunos

sensores envían la información de manera continua sin

garantizar si esta llega completa a su destino. Otros pue-

den almacenar temporalmente la información y median-

te comandos apropiados pueden ser accesados en forma

remota.

Experimentos interactivos: en un experimento inte-

ractivo, el estudiante típicamente configura una serie de

parámetros, inicia el experimento y luego monitorea su

desarrollo, pudiendo cambiar los parámetros de control

si es necesario. Un experimento interactivo puede ser

concebido conceptualmente como una secuencia de in-

tervalos de monitoreo y ajustes de control. En general, los


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intervalos de control tienen muchas de las características

de los experimentos tipo batch y los intervalos de moni-

toreo son como los experimentos con sensores. Los regis-

tros de una sesión experimental incluyen normalmente

la hora en que sucede un evento, y los datos que arrojan

los sensores, así como otra forma de documentación que

puede incluir imágenes o video.

PROCEDIMIENTO

Hardware del módulo experimental para configuración y monitoreo re-moto de redes AS-i:

La arquitectura que proponemos permite realizar algunas

experiencias en el campo de la automatización. Desarro-

llaremos en particular una por ser la más avanzada dentro

de las tareas que tenemos pendientes. El módulo experi-

mental para configuración y monitoreo de redes en pro-

tocolo Actuator Sensor Interface (AS-i), permite realizar

tareas de configuración, programación y monitoreo de un

proceso secuencial de variables discretas en un entorno

interactivo.

El proceso implementado en un módulo didáctico ADI-

RO (Figura 2) es un alimentador doble que consta de dos

surtidores removibles por gravedad para almacenamien-

to de cilindros o bloques con perfil cilíndrico de 50mm

de diámetro de lado. Un cilindro de doble efecto con

interruptores tipo reed y válvulas de control de flujo de

una vía, empuja la pieza trabajada para su retiro del sur-

tidor. Se tiene un microswitch fijado a la base de la pieza

de montaje para identificar la disponibilidad de la pieza

a trabajar. El cilindro neumático sin rodillo está previo al

surtidor.

Los elementos sensores y actuadores están conectados

a unidades esclavas Siemens convertidoras de protocolo

AS-i de cuatro entradas/cuatro salidas o dos entradas/

dos salidas.

La red AS-i, utiliza un cable estandarizado IDC de dos hilos

para interconectar los diferentes módulos AS-i. Estos mó-

dulos se alimentan con 24VDC y reciben la información

en modulación APM desde una estación maestra AS-i por

el mismo cable IDC. El Master AS-i es un micro PLC Pepper

+ Fuchs que interroga cíclicamente a las estaciones escla-

vas en intervalos menores a los 2 ms. y actualizan las se-

ñales de entrada y salida en su memoria para interactuar

con el proceso.

El master AS-i debe ser configurado con las direcciones de

las estaciones esclavas y los tipos de las unidades de en-

trada y salida existentes en la red. Debe ser programado

también con instrucciones de programación en lista de

instrucciones semejantes a las utilizadas en Step 5 de los

PLC Siemens. La configuración y programación del máster

AS-i se hace con ayuda del software AS-interface Control

de Bihl + Wiedermann descargable desde Internet.

El master AS-i, vía conexión RS 232, se conecta a un Ser-

vidor Serial Anybus. Este dispositivo, es un Gateway que

convierte los datos que recibe por el puerto serial y los

encapsula en protocolo TCP/IP para enviarlos por una

red Ethernet. Las conexiones a la red Ethernet del Servi-

dor Serial y de la cámara IP Dlink, se hacen a través de

un switch, de allí al servidor Web y finalmente a un router

que accede a Internet (Figura 3).

Todo este arreglo está disponible para la Intranet de Tec-

sup y también en el Internet, por ahora de manera res-

tringida mientras concluyen las pruebas para autenticar

usuarios y optimizar el sistema de separación de turnos.

En el lado del cliente, para poder acceder a todos estos re-

cursos, se debe descargar los drivers de la cámara, el soft-

ware de Bihl + Wiedermann y del Servidor serial Anybus.Figura 2. Laboratorio remoto de redes AS-i.


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Figura 4. Pantalla del módulo remoto AS-i en el lado del cliente.

Figura 3. Arquitectura del módulo remoto AS-i.


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La Figura 4 muestra la pantalla del módulo remoto AS-i

que observa el usuario en su computador. Se puede dis-

tinguir la imagen del proceso en tiempo real, la arquitec-

tura de la red AS-i, con las direcciones y los estados lógi-

cos de los sensores y actuadores. Se observa también el

flujo de datos del servidor serial y la ventana de edición

del programa del Master AS-i.

Software del módulo experimental de laboratorios remotos

A continuación se muestra el esquema de la arquitectura

de software de la solución propuesta que esta actualmen-

te en proceso de desarrollo. En dicho esquema se resalta el

empleo de un servidor Web, donde estará instalada la apli-

cación Web que atenderá las solicitudes de los usuarios.

En dicho servidor se incluirá además el software adicional

que permite controlar la operación de los módulos.

Base de datos: toda la información requerida para la ope-

ración del laboratorio debe estar almacenada en la base

de datos, la cual almacena información relacionada con el

curso, laboratorios a desarrollar y los ítems individuales de

cada tarea a ejecutar

Módulo de software de acceso a datos: este módulo

permite separar la lógica de la aplicación de acceso a la

base de datos. Esta permitirá que nuestra aplicación sea

independiente de la base de datos que se esté utilizando

y si hubiera cambios en el futuro en su estructura, única-

mente será necesario actualizar este módulo.

Módulo de software de acceso a hardware: este módu-

lo permite acceder físicamente al módulo a utilizar. Cada

módulo de hardware puede incluir diferentes interfaces

de acceso, pudiéndose utilizar interfaces Ethernet, RS232,

RS485, entre otros. Este módulo se encarga de todos los

detalles relacionados con los diferentes tipos de interfa-

ces a utilizar.

Módulo de software control de la lógica de la aplica-

ción: este módulo representa el componente principal de

la aplicación Web. Realiza todas las acciones requeridas

por la aplicación, desde la identificación de cada parti-

cipante hasta el control de las actividades realizadas en

cada sesión de laboratorio.

Módulo de software de interfaces de usuario: este mó-

dulo contiene los diferentes documentos y formularios

que serán utilizados por el usuario final para interactuar

visualmente con la aplicación. Los componentes visuales

a utilizar están separados de la lógica de la aplicación, por

lo tanto será independiente de la plataforma de software

utilizado para su implementación.

Metodología

Se ha aplicado el método de investigación exploratoria,

el cual nos ha permitido identificar los diversos avances

y proyectos que se han realizado actualmente en este

campo. Muchos de los proyectos existentes son opera-

cionales, funcionan, pero a su vez la mayoría representan

módulos muy específicos, es decir, que para adaptar un

nuevo módulo de hardware es necesario rediseñar todo

Figura 5. Estructura del software.


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el módulo, lo cual requeriría un mayor tiempo para nues-

tros objetivos. Uno de ellos consiste en implementar los

módulos en el menor tiempo posible.

RESULTADOS

Los resultados obtenidos de esta primera experiencia con

laboratorios remotos son:

• Se cuenta con un módulo de experimentación con

redes AS-i, accesible remotamente, el cual permite

configurar, programar y manipular piezas plásticas

en un proceso discreto tipo Batch con ayuda de sen-

sores y actuadores electroneumáticos.

• Existe una plataforma de software que permite ad-

ministrar la información desde el cliente al servidor

y viceversa. Esto garantiza la independencia de los

detalles de implementación del acceso a la base de

datos de la aplicación Web resultante.

• Laseparacióndelainterfacedeusuariodelrestode

la aplicación permite el empleo de diferentes plata-

formas de diseño de interfaces para su elaboración.

• La separación de los diversos módulos propuestos

permite obtener una aplicación acoplada débilmen-

te entre sus diversos componentes, de tal forma que

cualquier actualización o modificación posterior no

requerirá mayor esfuerzo.

CONCLUSIONES

• Elempleodelaboratoriosremotospermitiráampliar

la gama de cursos que se pueden dictar en forma vir-

tual al tener acceso al equipamiento disponible en

las instituciones de educación superior.

• Esposible,atravésdeconveniosespecíficos,permitir

el empleo de laboratorios remotos de otras institu-

ciones, para un alumno sería transparente acceder

a través de nuestra aplicación Web a un laboratorio

que está físicamente implementado en una institu-

ción distante de nuestra ubicación.

• Eldiseñodemódulosqueutilicenentradasysalidas

genéricas o estándares ha facilitado la implemen-

tación de módulos fáciles de adaptar a través de la

solución propuesta. Esto permite obtener un nuevo

módulo y adaptarlo en un menor tiempo, además

permite reducir el tiempo de pruebas para obtener

una comunicación exitosa entre el módulo y la apli-

cación.

REFERENCIAS

[1] Jiménez, L.M., Reinoso, O., Puerto, R., Azorín, J.M. Laborato-

rios remotos para las prácticas de ingeniería de sistemas y

automática en la Universidad Miguel Hernández. (Alicante)

España, 2003.

[2] García Zubía, Javier. e-learning y WebLab. Departamento de

Arquitectura de Computadores, Automática y Electrónica y

Telecomunicaciones de la Universidad de la Rioja España.

[3] Molas, L., Ferrater, C., Gomis, O., Sudriá, A., Boix, A., Benítez,

I., Sicchar, R., Gomes, M., Roldán, F.V., Arias, K., Villafruela, L.

“Integración internacional de plataformas de enseñanza a

distancia de automatización con plcs”. Revista IEEE Ibero-

americana de Tecnologías del Aprendizaje. Num. 1. Vol 1.

Nov. 2006, Vigo, España.

[4] LabVIEW en la Enseñanza del Control: Laboratorios Virtuales

y Remotos de Automática. Héctor Vargas – UNED José Sán-

chez – UNED Sebastián Dormido – UNED.

[5] The Challenge of Building Internet Accessible Labs. Accessi-

ble en www.mit.edu.

[6] Entorno TeleLab, disponible en http://TeleLab.mty.itesm.mx

accesado en Setiembre 2008.

[7] Nuevas aportaciones didácticas de los laboratorios virtua-

les y remotos en la enseñanza de la Física. L. Rosado, J. R.

Herreros, Universidad Nacional de Educación a Distancia

(UNED), Juan del Rosal 16, 28040 Madrid, Spain.

[8] Moodle, accesado en setiembre del 2008 en : http://moodle.org.


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ACERCA DE LOS AUTORES

Alfredo Saire Huamán es

ingeniero electrónico con

estudios de Maestría en

Ingeniería de Sistemas. Ha

participado en diversos

proyectos relacionados con

Tecnologías de Información

en el Área de Investigación

y Desarrollo del Instituto de

Informática de la Universi-

dad Nacional de San Agustín

y en la Oficina de Registros

Públicos de Arequipa.

Henry Gómez Urquizo

es ingeniero electrónico,

egresado de la Maestría en

Ciencias con mención en

Automatización e Instru-

mentación y con estudios

de Doctorado en Ingeniería

de Producción. Realizó cur-

sos de especialización en

Electrónica de Potencia en

Colombia, Automatización

Industrial, Redes y Protoco-

los de Comunicación Indus-

trial en Alemania.


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