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Título : Plataforma de emulación de procesos físicos para la evaluación de estrategias de control automático
Autor : MUJICA ORTEGA, HOOVER
MAYA ORTIZ, PAUL ROLANDO
Fecha de publicación : 2019
Resumen : Se busca desarrollar una herramienta computacional capaz de emular procesos industriales en tiempo real, a partir de la solución numérica de un conjunto de ecuaciones diferenciales ordinarias que describen a un determinado sistema. Este desarrollo pretende dotar al Laboratorio de Automatización de una plataforma efectiva de capacitación y entrenamiento para profesionales en ingeniería bajo un ambiente controlado, lo que contribuirá a alcanzar objetivos educacionales más elevados en el proceso de enseñanza-aprendizaje del control automático. Es ampliamente reconocido en la comunidad de automatización y control, que el hecho de no disponer de la infraestructura necesaria para la formación y capacitación de profesionales puede complicar el proceso enseñanza-aprendizaje, evitando que el estudiante adquiera las competencias necesarias para el desarrollo e implementación de sistemas de control en la industria. En tal sentido, se puede considerar que idealmente la enseñanza de automatización se debería realizar haciendo uso de procesos industriales físicos, funcionales e instalados para la práctica de los estudiantes. Sin embargo, esto puede resultar complicado en vista de que son equipos altamente costosos de adquirir y mantener, además no estarían disponibles para la cantidad de estudiantes que pueden requerir del equipo durante la sesión de práctica, además existen diferentes cuestiones que complican aún más la instalación de un proceso industrial en una institución académica, como el factor económico que es en buena parte el impedimento mayor ya que no solo se realiza un gasto inicial, también requiere gastos periódicos por diferentes conceptos. Por otro lado, podrían generarse riesgos a la salud, emisiones contaminantes y el uso de recursos extraordinarios, por lo que la instalación física de un sistema puede volverse más un problema que una solución.
URI : http://132.248.161.133:8080/jspui/handle/123456789/6190
metadata.dc.contributor.responsible: MUJICA ORTEGA, HOOVER
metadata.dc.coverage.temporal: 2019-2020
metadata.dcterms.educationLevel.SEP: Licenciatura
metadata.dc.description.objective: Dotar a la herramienta de software del protocolo de comunicación industrial OPC para garantizar la comunicación entre el controlador y el proceso físico emulado. Diseñar una interfaz amigable y acorde a los procesos formativos del laboratorio de automatización de la Facultad de Ingeniería. Obtener el modelo matemático de un proceso industrial para ser emulado. Implementar un solucionador de ecuaciones diferenciales no lineales en tiempo real.
metadata.dc.description.hypothesis: Para el desarrollo de este proyecto se establecen las siguientes hipótesis: Se pueden obtener modelos matemáticos, basados en ecuaciones diferenciales no lineales suficientemente descriptivos, que recreen los fenómenos físicos presentes en los procesos industriales. El uso de una herramienta computacional que emule procesos físicos en el aula permite la evaluación de estrategias de control y asegura el logro de los objetivos educacionales.
metadata.dc.description.strategies: En términos generales, la metodología que se pretende seguir para la consecución de los objetivos planteados es identificar un proceso industrial tipo, preferentemente de constante de tiempo no mayor a 5 minutos, obtener el modelo matemático partiendo de las leyes físicas que lo gobiernan, resolver el modelo matemático mediante métodos numéricos estándar, proponer una interfaz simple y efectiva para el usuario (estudiante), comunicar en tiempo real el controlador físico y el proceso emulado en software. Para la primera etapa, se estudiarán los intercambiadores de calor para determinar las dimensiones y parámetros a considerar, en vista del nivel de penetración de este tipo de procesos en la industria mexicana. Se identificarán los sub-sistemas que lo conforman, aprovechando las propiedades de almacenamiento y disipación de energía para la obtención de modelo matemático, que tendrá que ser validado primero en simulación con la ayuda de la herramienta Simulink. Respecto a la resolución numérica de los modelos obtenidos, se tiene contemplado el uso de los métodos Euler, Euler mejorado y Runge-Kutta de orden cuarto, con lo cual se garantiza un grado de precisión correcto y deberán ser implementados en funciones o procedimientos de nuestra herramienta de software. La comunicación OPC, la interfaz de usuario y toda la aplicación será implementada en Embarcadero RAD Studio, la cual permite el desarrollo de aplicaciones a múltiples plataformas o sistemas operativos. Se realizará la evaluación de la herramienta de software con la ayuda de un grupo de estudiantes y profesores durante las sesiones de clase, para obtener retroalimentación y establecer un plan de mejora del material de clase.
Desarrollar una plataforma computacional para la emulación de procesos industriales basados en modelos matemáticos suficientemente descriptivos, que permitan la evaluación de estrategias de control automático en tiempo real, enlazando a los controladores lógicos programables (PLC) con las estaciones de ingeniería donde se desarrollan las rutinas de control propuestas por los estudiantes.
metadata.dc.description.goals: Meta 1: Se eligió un proceso térmico. Esta clase de sistemas dinámicos están presentes en un gran número de industrias. Se encuentran en forma de calefactores, intercambiadores de calor, hornos, radiadores, entre otros. Los criterios para su elección se fundamentan en: la facilidad que representa para su estudio e interpretación física, posibilidad de implementar una plataforma experimental a escala para validar su dinámica y obtener un modelo matemático que cumpla con las características de gemelo digital y la facilidad de implementar estrategias de control mediante dispositivos industriales. Meta 2: En los procesos térmicos las variables de interés son la temperatura y el flujo de calor. Se propuso un modelo matemático de cinco ecuaciones diferenciales no lineales que fue validado con la ayuda de la plataforma experimental implementada. La metodología para obtener el modelo matemático consiste en considerar todos los flujos de calor involucrados en la dinámica del sistema, tomando como base la ley de enfriamiento de Newton. Meta 3.- Existen diversos métodos numéricos para obtener soluciones al problema de valor inicial, en este desarrollo se consideró cuatro métodos numéricos: Euler, Euler mejorado, Runge-Kutta de 4° y Dormand-Prince de 8°. La principal diferencia entre ellos radica en el grado de exactitud que alcanzan. Dotar al emulador de procesos con 4 métodos de resolución de ecuaciones diferenciales, se justifica debido a que se requiere, dependiendo del proceso a emular, menor desviación de la solución numérica respecto a la solución analítica en tiempo real. Meta 4.- Se logró implementar en el emulador de procesos la capacidad de comunicación OPC, este estándar industrial garantiza la interoperabilidad de diversos dispositivos de control y supervisión industrial, permitiendo así que la herramienta de software desarrollada pueda operar en lazo cerrado con cualquier dispositivo industrial. Este esquema se le conoce como Hardware-In-the-Loop y permitirá a los estudiantes alcanzar los objetivos educacionales de alto nivel cognitivo. Meta 5.- La interfaz de usuario está diseñada para que el estudiante perciba al emulador de procesos como una herramienta simple y de fácil interacción. Está compuesta por una representación gráfica del proceso, diagramas de tendencia que permiten la visualización la evolución del proceso, efectos sonoros y herramientas de comunicación con equipos de control industrial. Adicionalmente, se incluyó un asistente de instalación. Meta 6.- La validación experimental del emulador de procesos se realizó durante la impartición de clase en la materia de Controladores Industriales Programables, mostrando una gran aceptación entre los estudiantes y despertando su interés en continuar con el desarrollo de la herramienta. Los resultados alcanzados en la formación de los estudiantes se pueden ver reflejados en la rúbrica de evaluación y el logro de los atributos del egresado, estos están documentados en el FODO-30 del SGC.
metadata.dc.description.selfAssessment: Tomando en cuenta que se lograron cabalmente todas las metas planteadas en el proyecto y en algunos casos con un mayor número de productos de los ofrecidos originalmente, considero que esto fue posible gracias a la notable contribución de los participantes del proyecto, al apoyo del Departamento de Control y Robótica así como de DGAPA. Existieron, como es de esperar, dificultades inherentes al desarrollo de las herramientas de tecnología de la información generadas en este proyecto, que por fortuna se lograron superar. Sabemos que este tipo de desarrollos son de largo aliento y esperamos poder continuar con las siguientes etapas del proyecto hasta alcanzar un producto completamente consolidado.
metadata.dcterms.provenance: Facultad de Ingeniería
metadata.dc.subject.DGAPA: Ingenierías
automatización industrial
Control Automático
desarrollo de software
Emulador de sistemas
procesos físicos
sistemas dinámicos
metadata.dc.type: Proyecto PAPIME
metadata.dc.contributor.coresponsible: MAYA ORTIZ, PAUL ROLANDO
Aparece en las colecciones: 1. Área de las Ciencias Físico Matemáticas y de las Ingenierías

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