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https://www.innovacioneducativa.unam.mx:8443/jspui/handle/123456789/7648Registro completo de metadatos
| Campo DC | Valor | Lengua/Idioma |
|---|---|---|
| dc.coverage.spatial | México | - |
| dc.coverage.temporal | 2021-2022 | - |
| dc.date.accessioned | 2023-12-05T00:41:26Z | - |
| dc.date.available | 2023-12-05T00:41:26Z | - |
| dc.date.issued | 2021 | - |
| dc.identifier.uri | https://www.innovacioneducativa.unam.mx:8443/jspui/handle/123456789/7648 | - |
| dc.description.abstract | 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. | - |
| dc.description.sponsorship | Dirección General de Asuntos del Personal Académico (DGAPA) | - |
| dc.language | es | - |
| dc.rights | Todos los derechos son propiedad de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) | - |
| dc.title | Implementación de gemelos digitales para la formación en automatización y control mediante la modalidad de enseñanza mixta | - |
| dc.type | Proyecto PAPIME | - |
| dcterms.bibliographicCitation | MUJICA ORTEGA, HOOVER. (2021). Implementación de gemelos digitales para la formación en automatización y control mediante la modalidad de enseñanza mixta. (Proyecto PAPIME). Dirección General de Asuntos del Personal Académico (DGAPA). UNAM. México. | - |
| dcterms.educationLevel | nivel superior | - |
| dcterms.provenance | Facultad de Ingeniería | - |
| dc.identifier.papime | PE109121 | - |
| dc.subject.keywords | automatización | - |
| dc.subject.keywords | Control automático | - |
| dc.subject.keywords | emulador de sistemas | - |
| dc.subject.keywords | enseñanza mixta | - |
| dc.subject.keywords | gemelos digitales | - |
| dc.subject.keywords | procesos industriales | - |
| dc.contributor.responsible | MUJICA ORTEGA, HOOVER | - |
| 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." | - |
| 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. | - |
| 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. | - |
| 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. | - |
| dc.description.area | 1. Área de las Ciencias Físico Matemáticas y de las Ingenierías | - |
| 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. | - |
| dcterms.educationLevel.SEP | Licenciatura | - |
| dcterms.callforproject | 2021 | - |
| dc.subject.DGAPA | Ingenierías | - |
| dc.description.products | "Curso-taller.Capacitación a profesores en el uso de las herramientas desarrolladas y programación de equipo de automatización y control: Se capacitó a 25 profesores de diversas entidades de adscripción gracias al curso impartido en el Programa de Actualización y Superación Docente (PASD licenciatura). Dicha capacitación tuvo por objetivo que los participantes identifiquen los componentes y conozcan el funcionamiento del controlador industrial Micro 870 y sean capaces de implementar y evaluar rutinas de control bajo el estándar IEC 61131-3 en el entorno de programación Connected Components Workbench. Este contenido temático sienta las bases para el uso y operación de herramientas de programación de controladores industriales y la incorporación a esquemas de emulación en el lazo." | - |
| dc.description.products | "Aplicación digital.Gemelo digital del proceso electroneumático: Como resultado de esta actividad, se presenta la implementación del gemelo digital de un proceso secuencial electro-neumático, para el cual se desarrolló el modelo tridimensional del proceso mediante la utilización de herramientas de diseño asistido por computadora con base en la información proporcionada por las hojas del fabricante e ingeniería inversa. Para describir la dinámica del sistema se propone un modelo matemático mediante ecuaciones diferenciales no lineales, este modelo es implementado en EmulPro que nos permite emular el proceso y mediante una conexión OPC, se conecta con su contraparte física. Se realizó una evaluación al gemelo digital en dos escenarios. En el primer escenario se evaluó la respuesta del sistema a la expulsión y retracción del émbolo. En el segundo escenario se evaluó en tiempo real el control de tres cilindros de doble efecto mediante una secuencia implementada con la metodología GRAFCET, programada en el lenguaje SFC bajo la norma IEC 61131-3, utilizando el controlador ControlLogix y el software Studio 5000 Logix Designer. Los resultados mostraron que el gemelo digital desarrollado puede ser utilizado para la evaluación rutinas de control secuencial." | - |
| dc.description.products | "Aplicación digital.Gemelo digital del procesos de gasificación de composta UNAM: El propósito principal del proceso de la planta de gasificación es transformar biomasa, principalmente lignocelulósica, en gas de síntesis (CO, H2) con alto poder calorífico para aplicaciones de calefacción y generación de electricidad. En dicho proceso ocurren fenómenos complejos y para su operación, estudio y control requiere de una descripción detallada de los equipos y sistemas que lo conforman. En este sentido, se desarrolló de un modelo tridimensional que se aproxima de la manera más fiel a la planta física, esto es, respetando las dimensiones y las características mecánicas y químicas visibles más relevantes, esto, para ser considerado como una referencia confiable para realizar estudios diversos sobre la planta, tanto en un ámbito académico como de capacitación profesional. Este modelo tridimensional, sirve como base para la realización de un gemelo digital de la planta en un emulador, con el cual se pueda analizar de forma segura y con alto grado de detalle el proceso y se puedan impulsar mejoras en este." | - |
| dc.description.products | "Prototipo.Instrumentación del proceso electroneumático: La plataforma electroneumática con que se dispone, está compuesta por seis cilindros de doble efecto con sus respectivas válvulas de regulación de flujo y sensores de posición de efecto reed de final de carrera, donde dos cilindros de doble efecto tienen finales de carrera neumáticos de accionamiento mecánico. Adicionalmente la plataforma cuenta con cuatro cilindros de simple efecto con sus respectivos finales de carrera y válvulas de regulación de flujo. Para el apartado de mando se cuenta con dos conjuntos de válvulas de control conformadas cada una por: tres válvulas de control de cinco vías y dos posiciones con accionamiento eléctrico; una válvula de retorno por muelle de 5 vías y dos posiciones con accionamiento eléctrico; tres válvulas de control de cinco vías y dos posiciones con accionamiento neumático; una válvula de retorno por muelle de 5 vías y dos posiciones con accionamiento neumático; un alimentador. Además se cuenta con dos temporizadores neumáticos positivos y dos negativos, se tienen cuatro válvulas lógicas and y cuatro válvulas or, que se utilizan para el diseño de circuitos neumáticos. Finalmente la plataforma cuenta con distribuidores de aire, dos unidades de mantenimiento, una botonera conformada por dos pulsadores eléctricos auto enclavados normalmente cerrados, dos botones eléctricos normalmente abiertos, dos pulsadores neumáticos y dos indicadores visuales de alimentación de aire. Debido a la cantidad de piezas de la plataforma electroneumática, para desarrollar el modelo tridimensional es necesario dividir el modelo en piezas, subensambles y ensambles, debido a que se cuenta con elementos compuestos por varias piezas internas que incluso tienen subensambles internos, como los cilindros neumáticos y las válvulas de control, además nos permite tener una mejor organización del ensamble completo, para posteriores modificaciones o incluso para agregar más elementos. Como resultado de la instrumentación realizada, esta plataforma ha sido reconfigurada, instrumentada e interconectada a los nuevos controladores programables con que dispone el laboratorio." | - |
| dc.description.products | "Simulador.Emulador de procesos en tiempo real: El laboratorio de automatización de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional Autónoma de México, motivada por el deseo de incrementar significativamente el nivel formativo y cognitivo de los profesionales en ingeniería que interactúan con sistemas de control distribuido, controladores industriales programables y supervisión e integración (SCADA, por sus siglas en inglés) [9], desarrolló una herramienta para la emulación de procesos, la primera versión llamada EmulSis, contaba con un proceso térmico y algunos métodos numéricos básicos para resolver la dinámica de los procesos. La versión actualizada de esta herramienta es EmulPro, donde se implementó un método numérico que dota de mayor exactitud a la emulación del proceso mediante la solución de las ecuaciones diferenciales ordinarias que describen su dinámica. Se optimizó el tiempo de ejecución para la solución de las ecuaciones del proceso y de todas las tareas involucradas en el ciclo de emulación, dando la posibilidad de reproducir el comportamiento de los procesos de una manera más realista. EmulPro cuenta con la capacidad de conectarse mediante OPC (Open Platform Comunication) a controladores industriales como Controladores Lógicos Programables (PLC, por sus siglas en inglés) o Controladores de Automatismos Programables (PAC, por sus siglas en inglés) en tiempo real, para actualizar el estado del proceso, esta conexión permite supervisar y controlar a distancia, por esta razón es un entorno adecuado para la implementación de gemelos digitales, ya que es un software optimizado con esta finalidad." | - |
| dc.description.products | "Tesis.Formación curricular de 2 estudiante de tesis: ""En este año, se logró dirigir a 8 estudiantes de licenciatura en sus trabajos de tesis y 1 informe de trabajo profesional. El trabajo de Matías Iglesias Ríos se enfocó en la implementación del gemelo digital del proceso secuencial electroneumático con que dispone el Laboratorio de Automatización, abarcando el diseño paramétrico tridimensional, la obtención del modelo matemático no lineal descrito en ecuaciones diferenciales, el diseño de la estrategia de control secuencial en GRAFCET y la evaluación en lazo cerrado. El examen profesional se realizó el 26 de octubre del 2021. Avance: 100%. El trabajo de Oscar Villafán Tapia está relacionado con el diseño del pre gemelo digital de un proceso de conversión de biomasa en gas de síntesis, el cual puede ser utilizado para alimentar generadores eléctricos y para corroborar el potencial energético de diferentes tipos de biomasa. Adicionalmente, estudió el funcionamiento y operación del proceso completo, para así desarrollar de diseño paramétrico tridimensional; el porcentaje de avance es del 80%. El trabajo de Jaime Rafael Cortés García está enfocado en la implementación de bombas trifásicas de impulsión de agua potable accionadas por variadores de frecuencia en un proceso hidráulico, una de las principales contribuciones de su trabajo radica en dotar al proceso de nuevos grados de libertad para evaluar estrategias de control y fortalecer las capacidades de los estudiantes en el control de procesos industriales. Avance del 75%. En el trabajo de Miguel García Santamaría, se diseña un modelo paramétrico de una planta hidráulica de dos tanques atmosféricos interconectados con ayuda de software CAD, se realiza el análisis del comportamiento dinámico para obtener el modelo matemático mediante ecuaciones diferenciales no lineales. Este desarrollo persigue la implementación del gemelo digital que servirá para desarrollar guías de clase y control en tiempo real. Avance 75%. El trabajo de Carlos Manuel Rubio Becerra, busca mejorar las funcionalidades del software EmulPro, el cual fue desarrollado en el laboratorio de Automatización de la FI; esta plataforma emula gemelos digitales de distinta índole, incorpora modelos matemáticos y añade animaciones de la planta física para mejorar la experiencia del usuario. Avance: 70% El trabajo de Rodrigo Robledo Castillo está enfocado en el desarrollo y validación del modelo matemático de una plataforma experimental para procesos de transferencia de calor. Avance del 60%. En el trabajo de Oscar Antonio Islas Bayona, se pretende evaluar el algoritmo de control por campo orientado de motores de inducción. Avance: 50% En el trabajo de Miguel Mar Gutiérrez, se está desarrollando un sistema de supervisión industrial con comunicación a través de la nube. Avance: 40% El informe profesional de Ezequiel Cano Bautista, describe su experiencia profesional de los últimos 30 en la operación, control y mantenimiento de una fabrica de papel. Avance 100%.""" | - |
| dc.description.products | "Instrumento de evaluación (rúbrica, lista de cotejo, examen, etc.).Rúbricas para la evaluación de guías de clase y actividades de aprendizaje basado en proyectos: Como parte de la metodología de evaluación sistemática aplicada a las actividades formativas en el Laboratorio de Automatización, se desarrollaron rúbricas del tipo analítica asociadas a las nuevas guías de clase que se generaron, así como a las actividades de proyectos en la asignatura Control Distribuido e Integración SCADA." | - |
| dc.description.products | "Práctica.Guías de clase para teoría y laboratorio: Se diseñaron y desarrollaron 2 nuevas guías de clase y actualizaron 10 guías de clase preexistentes, estas fueron generadas siguiendo los procedimientos de diseño y desarrollo del sistema de gestión de la calidad ISO 9001:2015 con que cuenta el Laboratorio de Automatización para la impartición de prácticas de laboratorio. En estas guías hacen uso de algunos de los productos desarrollados en el proyecto." | - |
| dc.description.products | "Artículo en memoria.Artículo en congreso nacional de control automático: Se presentó 1 artículo en el Congreso Nacional de Control Automático realizado en Guanajuato en octubre del 2021 y organizado por la Asociación Mexicana de Control Automático (ANCA) y la Universidad de Guanajuato (UG), este trabajo fue resultado de la investigación realizada por el estudiante Matías Iglesias Ríos." | - |
| dc.description.objectivesAchieved | Los objetivos fueron alcanzados satisfactoriamente y se puede destacar el nivel de detalle en los diseños paramétricos tridimensionales y los modelos matemáticos que conforman al gemelo digital resultante de este proyecto. Esto se ve reflejado en la capacidad de emplear dichos productos en las actividades académicas dentro de las materias relacionadas con la automatización y control, así como con la retroalimentación generada por los estudiantes durante la realización de las actividades académicas. Se adjunta un informe detallado de cada uno de estos subproductos en el repositorio suministrado por DGAPA. | - |
| dc.description.outcomes | La implementación del gemelo digital del proceso electroneumático, permitió a los estudiantes y profesores disponer de herramientas didácticas de formación académica que cubrieron la carencia o imposibilidad de usar los equipos físicos, además incorporó nuevas funcionalidades como la dilatación de tiempo, ajuste de parámetros, establecimiento de condiciones iniciales y perturbaciones; dichas características son necesarias para la formación y evaluación de capital humano en el diseño de estrategias de control automático. Este gemelo digital, constituye un elemento diferenciador en el proceso de enseñanza-aprendizaje a distancia. La incorporación de dicha herramienta computacional a la dinámica de la clase, aunado a las guías de clase y plataformas educativas, contribuyeron a que los estudiantes dispongan de un ambiente atractivo para el logro de habilidades y competencias a pesar de las sesiones a distancia. Por otro lado, la implementación de guías de clase permitió potenciar el pensamiento crítico y la formación de un criterio ingenieril en los estudiantes. Gracias al gemelo digital, los estudiantes pudieron evaluar de forma sistemática las estrategias de control que implementaron como parte de las clases. Con lo cual, lograron transitar por las etapas de análisis, síntesis y experimentación; impulsando el logro de niveles cognitivos más elaborados. Adicionalmente, para garantizar la ausencia de subjetividad en la evaluación durante las actividades a distancia, las rúbricas diseñadas fueron de gran ayuda. Estos desarrollos benefician a la FI, principalmente por las ventajas de escalabilidad e integración que permiten los gemelos digitales, con los cuales es posible hacer pruebas de algoritmos en sistemas emulados y así proteger la integridad de los activos, además de permitir acceder a los sistemas a un mayor número de personas al mismo tiempo, lo que aumenta la eficiencia en el aprendizaje de los estudiantes, permitiéndoles realizar prácticas de manera remota. | - |
| Aparece en las colecciones: | 1. Área de las Ciencias Físico Matemáticas y de las Ingenierías | |
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