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https://www.innovacioneducativa.unam.mx:8443/jspui/handle/123456789/7648| Título : | Implementación de gemelos digitales para la formación en automatización y control mediante la modalidad de enseñanza mixta |
| Autor : | MUJICA ORTEGA, HOOVER |
| Fecha de publicación : | 2021 |
| Resumen : | Se busca desarrollar gemelos digitales asociados a procesos industriales para emularlos en tiempo real con el propósito de disponer de réplicas digitales. Estas herramientas interactivas son de interés para la formación de profesionales en ingeniería debido a que posibilitan el análisis, estudio, interacción, control y experimentación de estos sistemas. En esta propuesta, se diseñará e implementará el gemelo digital de una plataforma electroneumática compuesta por un conjunto de cilindros neumáticos instrumentados y el gemelo digital de una etapa del proceso de gasificación en la planta de composta de la UNAM. Adicionalmente, estas réplicas digitales tendrán la capacidad de comunicarse mediante la red con dispositivos físicos de control y supervisión ubicados en el Laboratorio de Automatización de la Facultad de Ingeniería. Todo este conjunto, contribuirá con la generación y fortalecimiento del conocimiento en temáticas relacionadas con la automatización, a través del aprendizaje basado en proyectos y la integración del uso de tecnologías para vincular la teoría y la práctica en el proceso de enseñanza aprendizaje, posibilitando el cumplimiento de los objetivos educacionales en la modalidad mixta y como respuesta al limitado número de procesos físicos con que se dispone y la imposibilidad de usarlos por las restricciones sanitarias actuales. |
| URI : | https://www.innovacioneducativa.unam.mx:8443/jspui/handle/123456789/7648 |
| metadata.dc.contributor.responsible: | MUJICA ORTEGA, HOOVER |
| metadata.dcterms.callforproject: | 2021 |
| metadata.dc.coverage.temporal: | 2021-2022 |
| metadata.dcterms.educationLevel: | nivel superior |
| metadata.dcterms.educationLevel.SEP: | Licenciatura |
| metadata.dc.description.objective: | Objetivo general: Implementar gemelos digitales con capacidad de comunicación en tiempo real para contribuir al fortalecimiento de la formación profesional de los estudiantes, a través del aprendizaje basado en proyectos y la integración del uso de tecnologías que vinculen la teoría y la práctica en el proceso de enseñanza-aprendizaje, posibilitando el cumplimiento de los objetivos educacionales en la modalidad de enseñanza mixta y como respuesta a las limitaciones de infraestructura y condiciones sanitarias actuales. Objetivos específicos: "Diseñar el modelo paramétrico tridimensional detallado del proceso de cilindros electroneumáticos y todos sus componentes. Obtener el modelo matemático del proceso electroneumático, expresado en ecuaciones diferenciales no lineales, donde se describa la dinámica y trayectorias de cada elemento. Generar el modelo paramétrico tridimensional de una sección del proceso de gasificación de la planta de composta UNAM y analizar su funcionamiento. Incorporar los gemelos digitales al emulador de procesos en tiempo real desarrollado en el Laboratorio de Automatización y establecer los conectores para la comunicación e interacción. Consolidar la metodología de aprendizaje basada en proyectos, la incorporación de rúbricas, guías de clase y acondicionar e instrumentar los equipos físicos disponibles. Evaluar el funcionamiento de todo el conjunto durante el proceso de enseñanza-aprendizaje en la modalidad no semipresencial o mixta." |
| metadata.dc.description.strategies: | En términos generales, la metodología sistemática que se pretende seguir para la consecución de los objetivos planteados inicia con el estudio del funcionamiento de los procesos físicos para posteriormente diseñar los modelos que describen de forma interactiva su funcionamiento. Por otro lado, la adopción de la metodología de aprendizaje basado en proyectos como herramienta para establecer y organizar las actividades que los estudiantes deben desarrollar como parte de las sesiones de clase ayudarán a consolidar los atributos del egresado que se persiguen en los planes de estudio, donde se estimulará el trabajo en equipo, la experimentación, la capacidad comunicativa, la planeación y dirección de proyectos y el liderazgo mostrado por el estudiante. Finalmente, es importante analizar el impacto del uso de los gemelos digitales en el logro de los objetivos de aprendizaje con el objetivo de fortalecer y adecuar las actividades planteadas en las sesiones de clase, para lo cual se emplearán herramientas como encuestas y formularios de opinión que servirán de referencia para la mejora continua de los productos generados. |
| metadata.dc.description.goals: | En concordancia con los objetivos planteados, se establecen las siguientes metas y productos que se esperan alcanzar durante el periodo de vigencia del proyecto: 1. Consolidar los modelos paramétricos encapsulados en animaciones detalladas e interactivas que serán incorporadas a la interfaz gráfica del emulador de procesos industriales en tiempo real, diseñado e implementado en el Laboratorio de Automatización. 2. Desarrollar el modelo matemático mediante la aproximación la dinámica del proceso, a través de un modelo entrada-salida, analizando las respuestas obtenidas por los sensores. Adicionalmente construir el modelo matemático considerando la formulación de Euler-Lagrange. 3. Implementar funciones o procedimientos que permitan resolver numéricamente los modelos matemáticos obtenidos para cualquier orden o dimensión del sistema con la mayor exactitud posible y sin comprometer la eficiencia computacional. 4. Establecer la comunicación entre los procesos físicos, el gemelo digital y los controladores industriales donde los estudiantes implementarán sus soluciones como evidencia del logro de habilidades y competencias. 5. Diseñar la interfaz gráfica de usuario, priorizando la funcionalidad y el grado de interacción que facilite y motive el aprendizaje. 6. Validar experimentalmente el conjunto y obtener indicadores del impacto que tiene en el aula, midiendo el grado de satisfacción del estudiante durante su formación académica e identificar las oportunidades de mejora de la herramienta. 7. Instrumentar el proceso enseñanza-aprendizaje de forma sincrónica y asincrónica con la ayuda de plataformas educativas, guías de clase, proyectos integradores y rúbricas de evaluación En términos cronográficos y considerando que el proyecto dura un año, se pretende generar resultados durante todo el proyecto, por lo tanto, ciertas metas serán alcanzadas de forma simultánea gracias a la colaboración de estudiantes de servicio social, dirección de tesis de licenciatura y el trabajo colegiado de los profesores participantes. |
| metadata.dc.description.selfAssessment: | Considerando que se alcanzaron todas las metas planteadas en el proyecto y en la mayoría de los casos con un mayor número de productos de los ofrecidos en la propuesta original, reconocemos 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 habitual en esta clase de proyectos, dificultades inherentes al desarrollo de las herramientas de tecnología de la información generadas en cada etapa, que por fortuna se lograron superar de forma satisfactoria. Finalmente, el gemelo digital implementado permitió que los estudiantes tengan una interacción realista durante las actividades formativas a distancia, generando un aprendizaje tan representativo como si se tratara de actividades con los equipos reales, sin embargo, es necesario potenciar aún más los productos desarrollados para mitigar los cambios tecnológicos que se presenten. Por otro lado, también será necesario continuar con el desarrollo para mejorar la plataforma que emula al gemelo digital y actualizar continuamente el material didáctico generado. |
| metadata.dc.description.goalsAchieved: | Meta 1: Los modelos paramétricos fueron generados con la ayuda de herramientas CAD como SolidWorks. Estos productos cuentan con el nivel de detalle suficiente como para realizar diagramas de explosión con los cuales es posible conocer las características internas de cada dispositivo, cualidades necesarias para la implementación de gemelos digitales. Meta 2: Se logró la obtención del modelo matemático para cada pistón neumático, dicha dinámica está compuesta por 4 ecuaciones diferenciales no lineales, donde los estados son: posición del vástago, velocidad de vástago, presión en la cavidad 1 y presión en la cavidad 2. Meta 3: Se implementaron 4 métodos numéricos para la resolución de las dinámicas descritas por las ecuaciones diferenciales ordinarias, estos son: Euler, Euler mejorado, Runge-Kutta y Dormand-Prince de 8vo orden. La herramienta de emulación determina el paso de integración y el método de forma automática dependiendo de la complejidad de sistema a emular y las especificaciones de exactitud en la solución numérica. Meta 4: La comunicación entre el gemelo digital y los controladores físicos o emulados se logró gracias a la implementación del protocolo OPC DA y OPC UA. Meta 5: Se mejoró la interfaz de usuario en el emulador de procesos, reemplazado la visualización que anteriormente se realizaba con HTML5 a una interfaz completamente tridimensional con OpenGL desarrollado con Embarcadero RAD Studio. Meta 6: La validación de la funcionalidad de los gemelos digitales y productos generados se realizaron durante el desarrollo de las guías de clase y proyectos de asignaturas como Controladores Industriales Programables y Control Distribuido e Integración SCADA. Prueba de ello son las evaluaciones, reportes, informes y encuestas realizadas por los estudiantes. Meta 7: La instrumentación del proceso enseñanza-aprendizaje donde se incorporó el uso de los gemelos digitales se realizó por medio de plataformas como Classroom, Zoom, VMware Workstation, Dropbox, Doodle, Teams, RSLinx Classic, FactoryTalk View, entre otras. Con las cuales fue posible alcanzar lo objetivos educacionales como resultado de la realización de las guías de clase y en casa sesión. |
| metadata.dcterms.provenance: | Facultad de Ingeniería |
| metadata.dc.subject.DGAPA: | Ingenierías |
| metadata.dc.type: | Proyecto PAPIME |
| Aparece en las colecciones: | 1. Área de las Ciencias Físico Matemáticas y de las Ingenierías |
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