número 04 primer semestre 2017 - INACAPen los procesos productivos de las tecnologías digitales...

ISSN

071

9-71

87

investigaciones aplicadas

sensado y control de temperatura y pH con tecnología Fpga

control de brazo mecánico mediante visión artificial

coMentaRios tÉcnicos

generación distribuida y los transformadores sst

industria 4.0: el rol de la opc Ua

número 04 > primer semestre 2017

R e p o r ta j e

Chile haciaun mundo 4.0



ÍndiceNúmero 04 > primer semestre 2017

04 INveStIgacIoNeS aplIcadaS

sensado y control de temperatura y pH con tecnologÍa Fpga

22reportaje

chile hacia un mundo

34comeNtarIo técNIco

industria 4.0: el rol de la

en una fábrica inteligente

03 editorial

39 noticias/agenda

40 en desarrollo

EEA ElEctricidad ElEctrónica

automatización

e e a 1

14 INveStIgacIoNeS aplIcadaS

control de posicionamiento y seguimiento de un brazo robótico mediante la visión artificial

OPCUA

26comeNtarIo técNIco

generación distribuida inteligente: el transformador en estado sólido (sst)

4.0

el Área electricidad y electrónica de INACAP es pionera en chile en la formación de

profesionales en dicho ámbito, con presencia en 21 sedes. una de cada tres personas que

se forman en esta disciplina en el país estudia en inacap. el Área contempla una oferta

que permite la articulación de carreras técnicas con profesionales en las rutas formativas de

electricidad, electrónica, automatización y sonido. todas las carreras del Área están acreditadas*.

el Área posee convenios con importantes empresas e instituciones del sector productivo, como la asociación de industria

eléctrica-electrónica (aie), la asociación nacional de empresas de eficiencia energética (anesco), telefónica i+d, legrand,

schneider, intrónica, iac, ministerio de energía y ministerio de educación nacional, de la enseñanza superior y de investigación

de la república Francesa, entre otras.

electricidad industrial mención instalaciones eléctricas

electromecánica

ingeniería en electricidad mención potencia

ingeniería en electricidad mención proyectos de instalaciones eléctricas

electrónica industrial ingeniería electrónica

automatización y control industrial ingeniería en automatización y control industrial

tecnología en sonido ingeniería en sonido

CArrerAs ProfesIoNAlesCArrerAs téCNICAs

2 e e a

(*) para información sobre carreras acreditadas, ver agencia, sedes, modalidades y jornadas en www.cnachile.cl.

Investigación y Desarrollo Chile

La Industria 4.0los múltiples desarrollos tecnológicos y de procesos que están confluyendo en la actividad industrial son tan

imponentes que se acuñó un término para referirse a este fenómeno: industria 4.0. el impacto de la introducción

en los procesos productivos de las tecnologías digitales como la inteligencia artificial, internet de las cosas (iot),

Bigdata y learning machine, realidad aumentada, y con todos los procesos interconectados, es comparado con

el de la máquina de vapor (1.0), la electrificación y la producción en cadena (2.0), y la automatización electrónica

y de ti (3.0).

en su propósito de impartir a sus estudiantes una educación pertinente y de calidad, y de contribuir al desarro-

llo y la productividad de nuestro país, el Área electricidad y electrónica de inacap promueve el involucramiento

de sus estudiantes con estos nuevos desarrollos, y con ello aportar al sector productivo chileno con las capacida-

des para transferir e integrar tecnologías inteligentes en los procesos de la industria nacional.

un camino para ello son las aplicaciones que los estudiantes desarrollan en la asignatura proyecto de título, la

que tiene como objetivo el diseño e implementación de soluciones tecnológicas que den respuesta a problemá-

ticas reales del entorno. esto permite la vinculación de los estudiantes con el sector productivo, generando una

plataforma de crecimiento profesional y posiblemente comercial. todo esto se desarrolla a partir de una docencia

que ofrece una experiencia educativa diferenciadora y de calidad, integrando la innovación educativa al proceso

formativo y al aporte al desarrollo tecnológico de los sectores productivos en las regiones en que inacap está

inserto. es lo que llamamos “enfoque aaVc”, por tratarse de un aprendizaje activo, Vinculado y colaborativo, y que

se constituye como una evolución de nuestro aprender Haciendo.

dos resultados de esta docencia son las investigaciones que abren la presente edición de eea: “sensado y

control de temperatura y pH con tecnología Fpga” y “control de posicionamiento y seguimiento de un brazo

robótico mediante la visión artificial”, desarrolladas por estudiantes de último año de ingeniería en electrónica en

el contexto del programa académico innovación y transferencia tecnológica de esta Área académica.

el reportaje al centro de esta publicación aborda el nivel de penetración de la industria 4.0 en nuestro país, visto

desde la mirada del estado, la academia, las empresas proveedoras de tecnologías habilitadoras y de empresas

pioneras en su aplicación a sus procesos productivos. todo esto con el fin de conocer las proyecciones y desafíos

para esta nueva tendencia.

Finalmente, los comentarios técnicos tratan de la industria 4.0 desde dos miradas bien particulares. la primera

explica las ventajas de la arquitectura unificada de la opc, para el control de materiales, bienes e información

dentro de un proceso industrial; en tanto la segunda exhibe las ventajas del transformador en estado sólido (sst)

y su versatilidad para vincularse con diversos procesos energéticos que pueden resultar en la generación y el uso

más inteligente de la energía.

dIrectoraMónica brevis

comIté edItorIalFabrizio andradesHéctor Henríquez

cristian Muñozricardo López

JoeL vega

edItorJuan pabLo viLcHes

perIodIStaSconstanza Hernández

esteban Herrera

dIreccIóN de arteaLeJandro esquiveL

foto portada123rF.coM

maIl de coNtacto

[email protected]

dIreccIóN webwww.inacap.cl/revista_eea

issn 0719-7187

ElEctricidad

ElEctrónica

automatización

publicación semestral del Área electricidad y electrónica

Mónica brevisdirectora

editorialEEA

e e a 3


4 e e a

yordy reyes González, ignacio apablaza Valenzuela y sebastian san martín de la Fuente son exalumnos de la carrera de ingeniería en electrónica de inacap santiago sur.

S e n S a d o y C o n t R o l d e t e m p e R at u R a

y p H C o n t e C n o l o g í a F p g a

Por YordY reYes, IgnacIo aPablaza Y sebastIán san Martín

trabajo desarrollado con national instruments como socio tecnológico, en el marco del convenio con la universidad tecnológica de chile inacap.

en los últimos años, los cultivos en invernade-

ros sufren de pérdidas debido a las fallas hu-

manas en la cosecha y a la falta de supervisión.

esto puede ser subsanado con la ayuda de la

electrónica y la automatización, aportando

de manera importante a la satisfacción de las

necesidades de las industrias de la agricultura.

este proyecto es un pequeño invernadero

prototipo, y nace con el fin de demostrar que

una Hidroponía nFt (Nutrient Film Technique)

en un sitio cerrado, puede ser utilizada para

optimizar el crecimiento de las cosechas, y al

mismo tiempo, permitir la realización de es-

tudios. el proyecto también está enfocado en

el desarrollo e implementación de estrategias

de control como la lógica difusa.

en el invernadero son controladas dos

variables: pH y temperatura. el control es del

tipo lazo cerrado, aplicando lógica difusa al

monitoreo de ambas variables. esto se visua-

liza a través de un computador mediante el

software labVieW.

> palabras clave: control, monitoreo, Hidroponía.

r e S u m e N

e e a 5

la agricultura es el conjunto de técnicas y conocimientos relativos al cultivo de la tierra (real academia española, 2016), y en ella se eng-loban los diferentes trabajos de tratamiento del suelo y los cultivos de vegetales. con el fin de crear un sistema autónomo para ser apli-cado en la industria agrícola, se ve la necesidad de optimizar el cre-

cimiento y cultivo de cosechas mediante un control constante que, adicional-mente, ayude a reducir las pérdidas provocadas por el error y negligencia humana. por esta razón se ha creado un prototipo de invernadero autónomo en términos de pH y temperatura ambiental. este sistema consta de un control para cultivos nFt (Nutrient Film Technique), además de los dispositivos necesa-rios que simulen un ambiente ideal para el posterior crecimiento de los culti-vos. la estrategia de control utilizada para ambas variables es la lógica difusa, mediante sensores ubicados tanto en los tubos como en el interior del inverna-dero. se han incluido también sensores de temperatura del agua y un sensor de dióxido de carbono (co

2), cuya función es monitorizar y mostrar en una

pantalla los valores obtenidos.

n investigaciones aplicadas

marco teórIcose denomina inteligencia artificial al estu-dio del comportamiento inteligente de las máquinas al percibir, razonar y actuar en sistemas complejos. la inteligencia artificial consta de tres ramas: redes neuronales, al-goritmos genéticos y lógica difusa (ponce, 2010).

la lógica difusa tiene sus raíces en la teo-ría de conjuntos difusos desarrollada por loft Zadeh en la década de los 60 (ponce, 2010), la que permite a un sistema computa-cional analizar información del mundo real en una escala entre lo verdadero y falso. la función de pertenencia indica el grado en que una variable lingüística (velocidad o aceleración, por ejemplo) pertenece a un va-lor lingüístico (división de la variable) que depende del contexto aplicado.

las reglas en los sistemas difusos permi-ten resolver problemas de control tanto li-neal como no lineal. estas describen por me-dio de palabras la relación que existe entre las variables lingüísticas de entrada y salida de un sistema.

el defuzificador es un método que se apli-ca a las reglas de una salida difusa para que estas sean interpretadas por otros sistemas, asociándolas a valores numéricos.

existen varias opciones de defuzificador, como el centro de área y los centros prome-diados, entre otras. en el tipo centro de área, primero se calcula en qué porcentaje se cumple cada regla. teniendo estas propor-ciones (valores difusos), se procede a calcu-lar el área de cada función de membresía de salida con base en estas áreas superpuestas entre sí.

este sistema de control con lógica difusa es aplicado en un invernadero hidropónico, es decir, donde las plantas son cultivadas sin suelo. esta técnica se utiliza mayoritaria-mente por falta de suelos adecuados. este tipo de cultivo es ventajoso porque gene-

FiGura 1. técnica laminar nutritiVa (nFt).

FiGura 2. inVernadero implementado.

ralmente se usan fertilizantes naturales, el periodo de crecimiento es menor y sus cos-tos de producción son más bajos.

la técnica laminar nutritiva (Figura 1) con-siste en una solución con nutrientes en recir-culación. por lo regular, en este tipo de cultivo se utilizan tubos de pVc, ya que son fáciles de manipular y permiten una buena circulación de la solución.

deScrIpcIóN del proyectose diseñó un modelo a escala para la imple-mentación del proyecto. para su construc-ción se consideraron las siguientes especifi-caciones:● el modelo es desmontable para facilitar

su transporte● posee una puerta para hacer un mante-

nimiento de los sensores

6 e e a

investigaciones aplicadas n

fina membrana de vidrio que separa dos solu-ciones diferentes.

el sensor dallas ds18b20 es un termómetro digital de alta precisión (hasta ±0.5°c en el rango de -10°c a 85°c) (integrated, 2016), y está equipado con una punta de acero inoxi-dable cuya función es protegerlo de ácidos y/o alcalinos. mide la temperatura del agua.

el sensor dHt11 (micropik, 2016) se carac-teriza por tener la señal digital calibrada por lo que asegura una alta calidad, ya que contiene un microcontrolador integrado de 8 bits. está constituido por dos sensores resistivos de temperatura y humedad del ambiente.

Finalmente, se utiliza un sensor de dióxido de carbono (mg811) con salida digital en un rango de 400 a 10.000 ppm.

dISpoSItIvoS de coNtrolen este proyecto se utilizó la Fpga1 compact rio modelo crio-9014 (instrument, national instrument, 2016), la que tiene como princi-pales características un procesador de 400 mhz, memoria de almacenamiento no volátil de 2 gB y una memoria dram de 128 mB. el equipo modelo ni 9474 (purdue, 2016) es un módulo de salida digital de ocho canales, el cual se utiliza para alimentar las tarjetas de los actuadores; sus salidas digitales son de alta velocidad de hasta 1 µs para tensión entre 5 V a 30 V. y el módulo ni 9215 (instrument, na-tional instrument, 2016) se utiliza para adqui-rir los datos de los sensores analógicos (sen-sor pH y co

2) a través de sus cuatro entradas

analógicas simultáneas con un rango de me-dida de ±10 V (Figura 5).

FiGura 3. estructura implementada para el sistema hidropónico.

FiGura 4. (a) sensor de pH.

(B) sensor de dióxido de carBono.

(c) sensor de temperatura de agua.

(d) sensor de temperatura y Humedad.

FiGura 5. (a) compact rio.

(B) módulo de salidas discretas ni 9474.

(c) módulo de entradas analógicas ni 9215.

● su estructura es de madera, por su facili-dad de construcción

● posee dos niveles, uno para los estan-ques y otro para el invernadero y contro-lador

● las dimensiones de la maqueta son 1,22 m de largo, 1,20 m ancho y 1,60 m de alto

la Figura 2 muestra el invernadero diseñado con sus dimensiones y la maqueta construida.

en el interior del invernadero el prototipo

utiliza tres tubos de pVc, con un largo de un metro (Figura 3).

SeNSoreS y compoNeNteSla Figura 4 muestra los 4 sensores utilizados en el proyecto.● sensor de pH● sensor de dióxido de carbono (co

2)

● sensor de temperatura de agua● sensor de temperatura y humedad ambientela determinación de pH consiste en medir

el potencial que se desarrolla a través de una

1. Field programmable gate array: es un arreglo de com-puertas programables en campo a partir de chips de sili-cio reprogramables. a diferencia de los procesadores de un pc, al programar un Fpga el chip se vuelve a cablear para implementar su funcionalidad en lugar de ejecutar una aplicación de software. ross Freeman, el cofundador de xilinx, inventó el Fpga en 1985 (instrument, national instrument, 2017).

e e a 7

tabla 2. descripción de terminales y componentes del circuito

dc1 pulso de entrada desde Fpga

dc2 alimentación externa 12 Vcd

Vi irF 540

r3 carga (Válvulas)


8 e e a

adicionalmente, para activar y desactivar los ventiladores, se diseñó una tarjeta electró-nica como interfaz desde el módulo ni 9474, la que considera una aislación óptica como se muestra en la Figura 6.

también para activar y desactivar las sole-noides y calefactores, se diseñó una tarjeta electrónica como interfaz desde el módulo ni 9474, la que considera un mosfet de potencia para el manejo de la corriente, como se muestra en la Figura 7.

equIpoS actuadoreSse utilizó una bomba de agua (Figura 8.a) ali-mentada por 12 Vdc con un rango de opera-ción de 350 gpH, la que se utiliza con el obje-tivo de hacer circular el agua por la tubería. las válvulas solenoides (Figura 8.b) tienen como función realizar el control de pH ver-tiendo soluciones ácidas o base al sistema hi-dropónico. los ventiladores (Figura 8.c) utili-zados son para disminuir la temperatura del invernadero y otro para aumentarla, con cuatro resistencias cerámicas que generan calor. y finalmente se utiliza dos focos led (Fi-gura 8.d) con el fin de alimentar las plantas con iluminación artificial.

dISeño de loS coNtroladoreS

se han diseñado dos controles de lazo cerra-do: con el primero se busca controlar la varia-ble de pH, y el segundo interviene la tempe-ratura ambiente del invernadero. las referencias son las variables que generalmen-te introduce el usuario e indican el comporta-miento de un sistema de control.

en este proyecto se han colocado dos refe-rencias, de las cuales una es personalizable por el usuario a través de una interfaz gráfica

FiGura 6. circuito interFaz para Ventiladores.

FiGura 7. circuito interFaz para solenoides y caleFactores.

tabla 1. descripción de terminales y componentes del circuito

V3 pulso de entrada desde Fpga 5 Vdc

r1, r2, r3, r4, r5 resistencia de carga (Ventiladores)

Vi energización alterna 220Vac

moc3021 optoacoplador usado para aislar la etapa de control y potencia

u3 y u5 scr tyn408 para la activación de los ventiladores

e e a 9


FiGura 8. actuadores (a) bomba de aGua. (b) VÁlVula solenoide. (c) Ventilador. (d) Foco led.

(Figura 9). en este sistema se ha introducido la referencia en las funciones de pertenencia de la lógica difusa, ya que el pH se debe manejar siempre en un rango entre 6 y 7. en este siste-ma además se ha colocado una referencia de temperatura, que puede ser manipulada des-de la interfaz gráfica. su rango está limitado entre 12°c y 35°c.

para medir las variables a controlar, se ha utilizado el sensor de temperatura ambiental y el sensor de pH detallados anteriormente. el sensor de pH se ha conectado al módulo aná-logo ni 9215, mientras que el sensor de tem-peratura ambiente a una tarjeta de desarrollo arduino, la que a su vez está conectada a un computador que realiza la lógica difusa.

las siguientes imágenes muestran el panel frontal (Figura 9.a) y el diagrama en bloques del software labVieW (Figura 9.b), el cual vi-sualiza la lectura y el correcto funcionamiento del sensor. como este es de tipo análogo, se realizó un escalamiento. dado que las señales entregadas son lineales al pH, se utiliza la ecuación de la recta para graficar el diagrama de bloques (Figura 9.a). se toman diez mues-tras para posteriormente calcular un prome-dio, las que son tomadas desde la entrada ai0 (Analog Input cero) cada 10 ms.

coNtrol dIfuSo ImplemeNtado eN coNtrolador compact rIo

control del pHel control de pH consta de una entrada y dos salidas, donde la primera corresponde a las muestras del sensor. por otra parte, las salidas de tipo numérico establecen el tiempo de ac-cionamiento de las válvulas. el rango de me-dida del pH es de 0 a 14, y las salidas envían un valor entre 0 y 30 segundos.

FiGura 9. (a) diaGrama de bloques de labVieW. (b) indicador de ph.

a

b

tabla 3. descripción de coordenadas de las Funciones de membresía

tabla 4. descripción de las Funciones de membresía para las salidas

tabla 5. descripción de las Funciones de membresía para las salidas

FiGura 10. descripción GrÁFica de las Funciones de membresía.

FiGura 11. Funciones de membresía para una salida.

FiGura 12. Funciones de membresía para una salida.

entrada pH tipo coordenadas

muy ácido trapezoidal 0 0 1 2

moderadamente ácido triangular 1 2,,5 4

ligeramente ácido triangular 3 4 5,5

neutro trapezoidal 4,5 6 7 8

ligeramente alcalino triangular 7,5 9 10,5

moderadamente alcalino triangular 10 11 13

muy alcalino triangular 12 13 14 14

Salidas pH

Subir pH tipo coordenadas

apagado impulso 0

subir suavemente triangular 0 10 20

subir moderado triangular 10 20 30

subir bruscamente triangular 20 30 40

Salidas pH

bajar pH tipo coordenadas

apagado impulso 0

Bajar suavemente triangular 0 10 20

Bajar moderado triangular 10 20 30

Bajar bruscamente triangular 20 30 40

muy ácido

moderadamente ácido

ligeramente ácido

neutro

ligeramente alcalino

moderadamente alcalino

muy alcalino

apagado

Bajar suavemente

Bajar moderado

Bajar bruscamente

apagado

subir suavemente

subir moderado

subir bruscamente

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 ph

rango

seg.

mem

bers

hip

(u)

mem

bers

hip

(u)

0 2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5 20 22,5 25 27,5 30 32,5 35 37,5 40

0 2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5 20 22,5 25 27,5 30 32,5 35 37,5 40

1

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0

1

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0

1 0 e e a


las funciones de membresía se muestran en la Figura 10, aplicadas para el control difu-so para el pH del agua, y la tabla 3 indica la entrada, el tipo y las coordenadas de las fun-ciones de membresía.

en las salidas de las funciones de membre-sías se ha colocado dos salidas que determinan el tiempo de accionamiento de las válvulas. las Figuras 11 y 12 muestran sus funciones de membresía y sus reglas.

en la Figura 13 se visualiza el control del pH con su respectiva lógica difusa. de acuerdo a la lectura del sensor, la toma de muestras y el promedio de las muestras, se activan o desac-tivan las respectivas válvulas de acuerdo a la evaluación realizada.

en la Figura 14 se puede ver el panel frontal para el usuario, donde se visualiza el pH, las acciones a realizar en el pH, en co

2 en ppm, y

la detención del sistema.

control de temperatura ambienteel control de la temperatura ambiente consta de dos variables de entrada y una de salida. las primeras corresponden al error (Figura 15) y la temperatura del invernadero (Figura 16), mientras que los resultados de esta lógica son expresados en una variable de salida que en-ciende y apaga el calefactor o el enfriador.

en la salida se ha colocado una variable que actúa en el funcionamiento de los venti-ladores o el calefactor, mientras que las fun-ciones de membresía se describen en la Figu-ra 17 y la tabla 8. como se puede apreciar, existen cinco funciones de membresía, para finalmente entregar un valor entre -1 y 1.

en la Figura 18 se presenta el panel frontal de la ventana de monitoreo, que permite vi-sualizar la temperatura ambiente y colocar su punto de consigna.

en la figura 19 se visualiza el control de temperatura con su respectiva lógica difusa. de acuerdo a la lectura entregada por el ar-duino, se comparan las entradas y se aplica a la lógica difusa. estos resultados son expresa-dos en el enfriador o el calefactor. n

FiGura 13. esquema de la proGramación del control de ph con lóGica diFusa.

FiGura 14. indicadores de ph y co2.

e e a 1 1


FiGura 18. Visualización de maGnitudes de las Variables controladas.

1 2 e e a

tabla 6. descripción de las Funciones de membresía para el error

tabla 7. descripción de las Funciones de membresía para temperatura

tabla 8. descripción de las Funciones de membresía para la salida

FiGura 15. Funciones de membresía para el error.

FiGura 16. Funciones de membresía para temperatura.

FiGura 17. Funciones de membresía para la salida.

error tipo coordenadas

altamente negativo trapezoidal -30 -30 -10 0

negativo triangular -8 -3 -1

cero triangular 2 0 2

positivo triangular 1 3 8

altamente positivo trapezoidal 4 8 30 30

tº invernadero tipo coordenadas

extra frío trapezoidal -20 -20 -4,4 2

Frío triangular 0 4 8

Fresco triangular 4 9 14

Fresco templado triangular 10 15 20

templado triangular 16 21 26

cálido triangular 22 30 40

ext-alta trapezoidal 35 43 80 80

actuador tipo coordenadas

Baja bruscamente triangular -1,5 -1,25 -0,5

Bajar suavemente triangular -1 -0,5 0

mantener impulso 0

sube suavemente triangular 0 0,5 1

sube bruscamente triangular 0,5 1,25 1,5

altamente negativo

negativo

cero

positivo

altamente positivo

extra frío

Frío

Fresco

Fresco templado

templado

cálido

ext-alta

Baja bruscamente

Bajar suavemente

mantener

sube suavemente

sube bruscamente

-30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30

-5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

-1 -0,5 0 0,5 1 1,5

ºc

ºc

1

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0

1

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0


bIblIografía- instrument, n. (2016). national instrument. obtenido de http://www.ni.com/pdf/manuals/374126g.pdf- instrument, n. (04 de abril de 2017). national instrument. obtenido de www.ni.com/fpga/esa/- integrated, m. (2016). maxim integrated. obtenido de https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/ds18B20.pdf- micropik. (2016). micropik. obtenido de http://www.micropik.com/pdF/dht11.pdf- ponce, p. (2010). inteligencia atrificial con aplicaciones a la ingeniería. ciudad de mexico: alfaomega.- purdue. (2016). purdue. obtenido de https://wiki.itap.purdue.edu/download/attachments/65019659/ni9474- datasheet.pdf- real academia española. (29 de marzo de 2016). agricultura. obtenido de http://dle.rae.es/?id=19xQslH

conclusiones y recomendaciones

referente al caudal del agua, se reco-mienda que el nivel del estanque no sobrepase los 20 cm., ya que se puede provocar un sobrellenado en los tubos. cabe señalar que, por motivos de tiem-po y costo, se utilizó una fuente swit-ching de computador para realizar la alimentación de la mayoría de los dis-positivos, lo que cumple con el requeri-miento de consumo energético.

en la lógica difusa del control de pH no se puede aplicar una referencia, ya que el rango siempre tiene que mante-nerse entre 6,5 y 7,5. adicionalmente se debe considerar el grado de error del sensor. se utilizó un pH-metro de la marca martini para verificar la medición con un buffer de pH 10. el valor obteni-do por el sensor de la maqueta fue de 10,2, lo que equivale a un 2% de error.

en relación al sensor de humedad y temperatura ambiental (dHt11), al rea-lizar la medición dentro del invernade-ro el sensor marcó una temperatura de 26,0 °c y la termocupla del multímetro 27,3°c, por lo que podemos concluir que el sensor tiene una tasa de error de 4,76%.

el sensor de temperatura del agua, al realizar pruebas, marcó una temperatu-ra de 25,06°c, en comparación a una termocupla que obtuvo una tempera-tura de 24,3°c. por lo tanto, el margen de error fue del 3,1%.

el proceso fue automatizado con éxito y logra implementar el control sobre las variables, siendo la lógica di-fusa una herramienta que satisface el requerimiento de control. además, la interfaz creada en labVieW es intuitiva y sencilla para la comprensión y uso de un operador no experto.

e e a 1 3

FiGura 19. diaGrama de proGramación de lóGica diFusa.



gianny messina yanca e Ignacio rojas castro son egresados de la carrera de ingeniería en electrónica en inacap sede santiago sur.

C o n t r o l d e p o s i c i o n a m i e n to y s e g u i m i e n to d e u n b ra zo r o b ót i c o

m e d i a n te l a v i s i ó n a r t i f i c i a l

1 4 e e a

Por IgnacIo rojas Y gIannY MessIna

el proyecto corresponde a un robot asistente para personas con capacidad

motora reducida, quienes, por medio de este, podrán realizar tareas que por

su condición les resultan imposibles. la base teórica en la cual se susten-

ta este proyecto es la tecnología eye tracking, o seguimiento ocular, y los

robots manipuladores. el algoritmo fue realizado en el editor integrado de

matlab r2014a, donde también se creó la interfaz gráfica de usuario. para

lograr la interacción de la interfaz con el algoritmo y el brazo robot, se utilizó

la placa de desarrollo arduino mega como traductor de datos.

> palabras clave: robot, eye tracking.

r e S u m e N

e e a 1 5

el presente proyecto se refiere al diseño y construcción de un sistema de visión artificial que permita detectar y segmentar la posición del ojo humano, con el fin de ubicar el extremo efector de un brazo robótico. para esto, se integrarán técnicas de inteligencia artificial, como la visión artificial y los robots manipuladores, a un sistema de apoyo para que personas con capacidades motoras reducidas puedan utilizar este sistema.

en este trabajo se presentan los componentes generales del proyecto: ingeniería conceptual, básica y de detalle, a través de diagramas y características de los elementos seleccionados, con el fin de establecer una propuesta de solución tecnológica acorde a la necesidad descrita.

para alcanzar los objetivos propuestos, se ha considerado una metodología activa de trabajo, que in-cluyó el estudio del funcionamiento de los robots manipuladores típicos y las técnicas de visión artificial.

en cuanto a los contenidos que se abordan en esta fase, se encuentra una descripción del problema a intervenir; una propuesta tecnológica que da una solución a la necesidad hallada; detalle de las especifi-caciones técnicas de los equipos que se requieren para la ejecución del diseño; esquematización de los procesos a través de diagramas; y finalmente, se evidencian los criterios, los alcances, condiciones am-bientales y consideraciones básicas para el diseño de este sistema de inteligencia artificial.

1 6 e e a


eStudIoS de aNtecedeNteS el seguimiento ocular hace referencia a un conjunto de tecnologías que permiten moni-torizar el movimiento del ojo. esta técnica po-see al menos 100 años de estudio (Javal, 1994), y hoy en día contempla un amplio aba-nico de aplicaciones, donde destacan las áreas de neurología, marketing, cámaras de video y fotográficas, telefonía celular y desplazamien-to del entorno en sistemas de realidad virtual, entre otros (Hollister, 2014).

se espera que esta tecnología adquiera aplicaciones cada vez más interactivas con el entorno (gonzalez, 2012), aunque actualmen-te ya se puede encontrar como herramienta de interacción humano-computadora para discapacitados físicos y manejo robótico a dis-tancia. todas estas labores le permiten al usua-rio mantener las manos libres para utilizarlas en otras actividades.

este caso se enfoca en el eye tracking en el manejo robótico a distancia, específicamente a través de un brazo robótico, que controla su posicionamiento y trayectoria. esta aplicación cuenta con avances de investigadores de uni-versidades y con el reconocido icraFt (meleis, 2016), y se estima una gran proyección a futu-ro debido a la integración de la robótica en la industria (shahzad, 2010).

en el diseño de este sistema, es preciso uti-lizar dispositivos electrónicos, mecánicos y re-cursos computacionales para realizar los pro-totipos, las simulaciones y el desarrollo de la lógica y el control, estudiando diferentes tipos de tecnologías y aplicaciones que permitan cumplir el objetivo y satisfacer las necesidades actuales que requieran de este servicio.

compoNeNteS del robot aSISteNteun servomotor es un dispositivo similar a un motor de corriente continua, que tiene la ca-pacidad de ubicarse en cualquier posición dentro de su rango de operación y mantener-se estable en dicha posición. los servomoto-res hacen uso de la modulación por ancho de pulsos (pWm). para controlar la posición de los motores, se ha utilizado el modelo Futaba s3003 (Figura 1).

una estructura tipo pan tilt (Figura 2) es uti-lizada para armar un robot de dos grados de libertad, donde se incluyen los eslabones y el soporte para los servomotores.

como interfaz entre el entorno de proce-samiento de datos matlab y los servomoto-res, se utiliza la placa de desarrollo arduino mega (Figura 3), que está basada en el micro-controlador atmega2560. tiene 54 pines de

entradas/salidas digitales, catorce de las cua-les pueden ser utilizadas como salidas pWm; 16 entradas analógicas; 4 uarts (puertos se-riales por hardware); cristal oscilador de 16 mhz; conexión usB; jack de alimentación; conector icsp y botón de reseteo.

deSarrollo del algorItmo para la implementación de los algoritmos se utiliza matlab r2014a, que es una herramienta de software matemático que ofrece un entor-no de desarrollo integrado para la creación de algoritmos, visualización de datos, análisis de datos y cálculo numérico, con un lenguaje de programación propio.

un sistema de visión artificial incluye méto-dos para adquirir, procesar, analizar y com-prender las imágenes captadas, con el fin de producir información numérica para luego ser tratada por un computador. la Figura 4 pre-senta el esquema gráfico que describe el siste-ma a implementar.

VIsIóN ArtIfICIAl la visión artificial –o visión por computador– es la ciencia y la tecnología que permiten a las máquinas ver, extraer información de las imá-genes digitales, resolver alguna tarea o enten-der la escena que están visionando.

figura 1. Servomotor futaba S3003.

figura 2. piezas de estructura pan tilt.

figura 3. arduino mega.

e e a 1 7


actualmente, las aplicaciones de la visión artificial están muy extendidas y van desde el campo de la industria (contar botellas, comprobar defectos en una cadena de montaje, etc.), el campo de la medicina (re-cuento y búsqueda de células), hasta los sis-temas más complejos, que permiten a los robots orientarse en un entorno desconoci-do pasando por el reconocimiento de patro-nes a la realidad aumentada, entre otras (garcia, 2005).

en la actualidad, se utilizan cada vez más las técnicas de visión artificial en el campo del diseño interactivo mediante la relación con superficies multitáctiles y con tangibles, y el reconocimiento de gestos corporales. en este trabajo se presenta la metodología a se-guir para detectar el rostro y el movimiento del iris.

VIolA JoNesel detector de objetos Viola Jones, propuesto en 2001 por paul Viola y michael Jones, es la primera estructura de este tipo en proporcio-nar tasas competitivas en tiempo real. a pesar de que puede ser entrenado para detectar una variedad de clases de objetos, fue desa-rrollado principalmente para detectar rostros (Viola & Jones, 2001).

Consta de tres etapas principales:

i) selección de características haar: to-dos los rostros humanos comparten al-gunas propiedades similares. estas regu-laridades pueden ser emparejadas usando estas características.

unas propiedades comunes en los rostros humanos son:

(a) la región de los ojos es más oscura que las mejillas-superiores.

(b) la región de puente de la nariz es más brillante que los ojos.

composición de propiedades de formación de rasgos faciales:

(a) ubicación y tamaño: los ojos, la boca, puente de la nariz.

(b) Valor: orientación de intensidad de los pixeles.

ii) Formación adaboost: el algoritmo ada-boost propone entrenar iterativamente una serie de clasificadores base, de tal modo que cada nuevo clasificador preste mayor atención a los datos clasificados anteriormente de ma-nera errónea, y los combine de tal modo que se obtenga un clasificador con elevadas pres-taciones. para ello, durante una serie de itera-ciones, se entrena a un clasificador que imple-

figura 4. descripción del sistema de procesamiento de imágenes.

menta una función asignándole un peso de salida, y lo añade al conjunto, de modo que la salida global del sistema se obtenga como combinación lineal ponderada de todos los clasificadores base (Viola & Jones, 2001).

iii) los clasificadores en cascada: a) Transformada de Hough esta es una técnica que permite descubrir

formas en una imagen. se basa en transformar puntos de la imagen en un espacio de pará-metros. la idea es encontrar curvas parametri-zables como rectas o círculos. en teoría, se pueden encontrar formas más complejas, pero el costo computacional crece rápida-mente. generalmente se realiza detección de bordes a la imagen, y luego se aplica la trans-formación. de esta forma son menos los pun-tos que hay que recorrer, y por lo tanto más rápido es el algoritmo (Ferreira & maqueira, 2004).

b) Transformada circular de Hough la ecuación del círculo tiene tres paráme-

tros: dos para el centro del círculo, uno para el radio. por ello hay circunferencias que pue-den ser parametrizables con la siguiente ecuación:

dIgItalIzacIóN proceSador de ImageN

módulode vISualIzacIóN

(x – a)2 + (y – b)2 = r2 (1)

por lo tanto, el espacio de parámetros de esta forma es de dimensión tres. esto dificulta el algoritmo al recorrer un espacio de dimen-sión dos, y encontrar máximos en espacio de dimensión tres.

edItor INtegrAdo de mAtlAb un script es un conjunto de instrucciones guardadas en un fichero de texto que son ejecutadas mediante un intérprete. para el caso de nuestro robot asistente, un script en el editor integrado de matlab, ejecutado so-lamente en código “m”, será nuestro progra-ma principal.

por otra parte, la etapa en la que el usuario de nuestro robot asistente interactúa con la ejecución de este programa, será a través de una interfaz gráfica de usuario en matlab.

la gui es un entorno de programación vi-sual disponible en matlab para realizar y ejecu-tar programas que necesiten ingreso continuo de datos. tiene las características básicas de todos los programas visuales como Visual Ba-sic o Visual c++.

en la Figura 5 se muestra la interfaz gráfica

desarrollada, que cuenta con indicadores hori-zontales y verticales del movimiento del iris y una ventana para el monitoreo y la detección ocular.

deteCtAr rostro de los algoritmos implementados se presenta un esquema general de la detección de rostro en la Figura 6. la adquisición se realiza por medio de una cámara web que digitaliza la imagen: se inician los detectores, para luego dar paso a una configuración de la cámara, y obtener como resultado un fotograma al que se le aplica el detector que obtiene el rostro.

segmeNtAr el oJo se presenta un esquema general de la seg-mentación del ojo izquierdo en la Figura 7. luego de la detección del rostro, se aplica el detector eye pair big, el cual destaca los ojos con un rectángulo; se aplica un recorte a la zona de los ojos, se muestra la imagen recor-tada y se aplica el detector left eye al rectán-gulo, donde se recorta el ojo izquierdo y final-mente se muestra.

destACAr el IrIs en la Figura 8 se presenta un esquema general para destacar el iris. una vez obtenido el ojo izquierdo, se aplica la transformada circular de Hough a la imagen para detectar el iris, que obtiene el centroide del iris y se marca con un círculo. posteriormente, la posición del cen-troide se debe convertir a grados para la eje-cución de los movimientos de los servomoto-res, ello implica un escalamiento que relaciona los pixeles y los grados.

esCAlAmIeNto en esta etapa se hizo uso de la ecuación de la recta (Figuras 9 y 10), para realizar la conver-sión de la posición en pixeles en la imagen, a posición de grados en los servomotores en ambos ejes.

la ecuación obtenida del ángulo en fun-ción de los pixeles es:

donde θ es el angulo en grados y Px es el número de pixeles.

figura 5. vista del entorno de desarrollo de guI.

figura 6. diagrama de la detección de rostro.

1 8 e e a


dIgItalIzacIóN

Se aplIca el detector

al fotograma

Se obtIeNe el roStro

proceSador de ImageN

Se obtIeNe el fotograma

Se INIcIaN loS detectoreS

Se coNfIgurala cámara

θ =12 . Px + 30 7

(2)

figura 7. diagrama de la segmentación del ojo.

figura 9. escalamiento del eje x.

figura 10. escalamiento del eje y.

posición en el eje "x"

posición en el eje "y"

Án

gu

lo e

n g

rad

os

Án

gu

lo e

n g

rad

os

posición en pixeles

posición en pixeles

figura 8. diagrama para destacar el iris.

e e a 1 9


Se obtIeNe el roStro

Se mueStra ImageN del ojo

IzquIerdo

Se aplIca el detector

"left eye" al recorte

recorte de ojo IzquIerdo

Se aplIca el detector "eye paIr bIg"

al roStro

Se aplIca traNSformada

cIrcular de HougH a la ImageN

Se mueStra ImageN del recorte

de ojoS

Se deStaca el IrIS coN uN círculo

azul

Se redImIeNSIoNa el recorte del ojo

IzquIerdo

Se mueStra ImageN de roStro coN loS ojoS deStacadoS

coN uN rectágulo

Se detecta el IrIS eN la ImageN

Se aplIca uN recorte a la zoNa

de loS ojoS

Se obtIeNe el ceNtroIde

Se mueStra ImageN del ojo

IzquIerdo

150

54

30

0

0

70

48

9

reFerencias- Ferreira, F., & maqueira, a. (19 de diciembre de 2004). grupo de tratamiento de imagenes - universidad la republica - uruguay. obtenido de https://iie.fing.edu.uy/investigacion/grupos/gti/timag/trabajos/2004/de-teccion_circulos/- garcia, e. (2005). Vision artificial. catalunya: uoc.- gonzalez, l. (2012). una aplicacion de herramientas eye traking. ingenieria de sistemas u. de chile, 95 - 118. obtenido de www.dii.uchile.cl~ris/risxxVi/gon-zales.pdf- Hollister. (2014). the verge. obtenido de www.thever-ge.com/2014/1/7/52841918/oculus-rift-- Javal, l. (01 de septiembre de 1994). Who named it. obtenido de www.whonamedit .com/doctor.cfm/3043.html- meleis, W. (25 de septiembre de 2016). northeastern news. obtenido de http://www.northeastern.edu/news/2012/05/engineering-capstone-offers-indepen-denceto-physically-disabled/- shahzad, m. (2010). control of articulted robot arm. - Viola, p., & Jones, m. (2001). robust real-time objetc detection.

coNcluSIoNeS y recomeNdacIoNeS

el proyecto presentado permitió integrar diversos conocimientos relacionados con el área profesional de la carrera ingeniería electrónica, tanto relacionados con robótica como con visión artificial, consolidando de esta manera competencias de especialidad propias del área de estudio.

en primer lugar, hay que destacar que el objetivo establecido al inicio de este proyec-to se cumplió en su totalidad, dado que se logró desarrollar el seguimiento ocular para establecer la posición del extremo efector de un brazo robótico. esto se concretó a tra-vés del diseño de un algoritmo utilizando técnicas de visión artificial, y los detectores de Viola Jones que permitieron una óptima segmentación ocular.

a su vez, los objetivos específicos se lograron gracias a técnicas como la transformada circular de Hough, que permitió obtener las coordenadas espaciales del iris. también se logró situar el extremo efector del brazo robot, a través de un escalamiento dentro del mismo algoritmo que permite enviar las coordenadas del iris a los actuadores, por me-dio del transductor. además, se llevó acabo la interfaz de usuario con las herramientas de interfaz gráfica de usuario (gui, por sus siglas en inglés) que integra matlab r2014a.

la ecuación obtenida que relación el ángulo en función de los pixeles es:

ImPlemeNtACIóN fINAlel esquema de la implementación (figura 11) considera el control de los servomoto-res con el uso de la interfaz de arduino mega, conectada a través del puerto serial con un computador. esta última captura la imagen desde una cámara web y realiza el procesamiento con los algoritmos ante-riormente descritos, que determinan la posición de centroide del iris y la convier-ten en ángulos, para luego ejercer el con-trol de movimiento de un brazo robótico (Figura 12). n

figura 11. esquema general de la implementación.

figura 12. Implementación final del brazo asistente controlado por el iris.

θ = 45 . Px + 9 48

(3)

2 0 e e a

Puerto Montt

osorno

reportaje

2 2 e e a

L a forma en la que el mundo concebía y construía sus productos, en la que se organizaban las fábricas, las cadenas de montaje, el mantenimiento, la eficiencia energética, la economía y más, está

cambiando gracias a la llamada cuarta revolución industrial. este concepto de “industria 4.0” fue acuñado por un representante del Gobierno de alemania hace algunos años para describir la “fábrica inteligente”, una visión de la fabricación informatizada con todos los procesos mutuamente interconectados gracias al internet de las cosas (iot).

Chile hacia un mundo

4.0

e e a 2 3

INduStrIa 4.0: ¿qué eS y por qué eS ImportaNte?

en un principio, la industria 4.0 se refería a una nueva manera de organizar los medios de producción en las

fábricas, capaces de adaptarse a las necesidades del mercado y de los consumidores a través de procesos más

eficientes. pero este concepto ha mutado, alcanzando una escala global, y su impacto y oportunidades han crecido de

manera sorprendente gracias a la digitalización y coordinación en todos los sectores productivos de la

economía. la industria 4.0 está caracterizada por la interconexión de máquinas y de sistemas en el propio

emplazamiento de producción, y también por un fluido intercambio de información con el exterior de las fábricas.

esta revolución industrial está centrada en la automatización y digitalización, gracias al iot y a los sistemas ciberfísicos, es decir,

redes virtuales capaces de controlar los procesos físicos, generar datos y transformarlos en información útil para mejorar la

eficiencia de los procesos. respecto al escenario nacional, la gerente de capacidades

tecnológicas de corfo, marcela angulo, asegura que “estamos trabajando para potenciar aquellos sectores estratégicos de la

economía donde chile tiene más oportunidades de ser protagonista de esta revolución tecnológica. Hemos sido muy cuidadosos para ver

dónde están esas oportunidades reales, y por ello estamos implementando, entre otras cosas, los programas estratégicos de

especialización inteligente, donde tenemos las fortalezas para potenciar y diversificar nuestra matriz productiva”.

para esto, corfo ha centrado sus esfuerzos en sectores específicos donde el potencial nacional es fuerte, como minería, agropecuaria,

ciudades inteligentes, astronomía (nuestro país contará con el 70% de la observación mundial), manufactura y la industria de servicios globales.

cómo eStá compueSta la INduStrIa 4.0los elementos clave para entender esta nueva revolución tecnológica mundial son: iot, Big data, computación en la nube, ciberseguridad, simuladores, sistemas de integración horizontal y vertical, fabricación aditiva (impresoras 3d), robots autónomos, realidad aumentada e inteligencia artificial. esta última tiene especial importancia, pues en ella descansa la capacidad de procesar e integrar los múltiples datos recibidos desde los diversos niveles y actores de los procesos, para generar decisiones que maximicen la eficiencia y eficacia.

“la cuarta revolución está llamada a cambiar las economías de los países, y por primera vez en la historia, chile está en un buen momento para ser un protagonista en algunos sectores y no un espectador. pero para esto, la industria debe ser mucho más especializada, debe tener más medios de colaboración, y en relación a los recursos tecnológicos, necesitamos una base mucho más sólida de recursos de internet”, asegura el gerente de desarrollo de ecosistema de telefónica i+d chile, Boris martínez.

esta revolución ofrece muchas posibilidades, poniendo énfasis en cambiar la forma en la que se trabaja, manera en que se enfocan los negocios y los procesos industriales. un gran ejemplo de cómo las industrias deben responder a estos cambios, es la empresa estadounidense John deere, la que comenzó vendiendo tractores y que hoy, además, ofrece agronomía de precisión basada en la información que obtienen los sensores de sus tractores. es decir, conocen exactamente el rendimiento de sus máquinas, la eficiencia de sus motores y poseen un control sobre el mantenimiento preventivo de ellos.

“con la llegada de la industria 4.0 te das cuenta de que no solo tus datos son importantes, sino que todo lo que influye en tu proceso también lo es. agregando más información, podemos generar más estrategias o mejorar comportamientos para ser más eficientes. la importancia de que internet sea el centro de esta revolución, es que hace que la información sea accesible desde cualquier lugar y permite que existan múltiples fuentes de información”, asegura Boris martínez.

para muchos expertos, este es el más grande desafío de especialización de capital humano de la historia. “la industr ia nacional necesita trabajadores con competencias digitales, necesitamos cientistas de datos, programadores. tenemos una gran demanda de trabajadores, de profesionales de niveles técnicos, universitarios y de postgrados. debemos incentivar que gente se reconvierta, que después de haber trabajado en la industria regrese a estudiar y a especializarse. estamos haciendo programas de seis meses que dejan en condiciones a la gente de entrar a la industria digital como trabajadores capacitados”, asegura marcela angulo desde las oficinas de corfo en santiago.

revolucIóN educacIoNal“necesitamos gente que con dos o tres años de preparación comiencen a ser productivos, por lo tanto la transferencia hacia una ingeniería civil debería adaptarse para que ese estudiante ya esté trabajando. no nos sirve gastar seis años aprendiendo temáticas que pasan a ser obsoletas rápidamente. no se puede seguir con la formación monodisciplinaria”, sentencia Boris martínez.

uno de los grandes problemas de las empresas nacionales es que no existen investigadores trabajando en ellas, debido a la falta de profesionales capacitados para realizar estos trabajos, lo que se transforma en una desventaja. es fundamental contar con capital humano con competencias para analizar los datos generados en las empresas, interpretarlos y crear acciones para ser más eficientes.

2 4 e e a

n reportaje

el asesor del Área electricidad y electrónica de inacap, cristián muñoz, señala que si bien las competencias técnicas son fundamentales, igual de importantes son las genéricas. “no basta solo con conocimiento de tecnologías digitales, sino que es primordial el dominio de habilidades cognitivas como la resolución de problemas, la comprensión profunda de temas específicos y la práctica de la metacognición, además de la autogestión, el trabajo en equipo, la capacidad emprendedora y el pensamiento creativo, entre otras”.

para marcela angulo, “las instituciones de educación superior deben tener la capacidad de estar en sintonía con la industria y con el sector productivo, para tener una oferta acorde a realidad demandada por el sector. por eso es fundamental contar con programas de especialización inteligente más un certero diagnóstico del problema”.

para cerrar esta brecha, inacap está desarrollando diversas iniciativas. una de ellas es un programa académico transversal a todas las carreras del Área electricidad y electrónica en conjunto a otras Áreas tales como agropecuaria y agroindustrial, mecánica y minería y metalurgia. este programa busca generar soluciones tecnológicas innovadoras que mejoren la productividad y eficiencia de la industria nacional, optimizando sus operaciones.

“el programa permite una transferencia formal y sistemática con empresas del sector productivo, aportando experiencia a los estudiantes en contextos reales de desempeño, contribuyendo en su inserción en el mundo laboral, además de permitir el desarrollo de investigaciones aplicadas por parte de los docentes y estudiantes acerca de problemáticas planteadas por las empresas”, declara cristián muñoz.

la INduStrIa NacIoNal adaptáNdoSe a uN Nuevo eSceNarIo muNdIalen un contexto como el nuestro, que requiere de un mayor desarrollo tecnológico y dinamismo, los entrevistados afirman que hay cambios de paradigma que se deben realizar y son muy importantes, “por ejemplo: la industria no necesita súper sensores exactos en las mediciones, que sean carísimos, necesitamos sensores que quizás no sean tan exactos, pero que sean económicos para que las empresas dispongan de ellos de manera abundante, y así tener un conocimiento general del panorama para ser más eficientes en el riego de precisión”, dice Boris martínez.

chile debe centrar sus esfuerzos en los sectores donde posee una ventaja competitiva dinámica respecto a otros países de la región, y aprovecharlas. para lograr un real desarrollo, además nuestro país necesita tener una banda ancha fuerte y constante. asimismo, se debe asegurar que los sistemas se estandaricen para que interoperen, fomentar la especialización del capital humano, fortalecer la industria tecnológica y a los proveedores de tecnologías de las industrias digitales. con esto ganado, la industria se digitalizará de manera completa.

si bien el desafío es enorme, las posibilidades de crecimiento y desarrollo son gigantescas. estamos viviendo un proceso que modificará las economías del mundo y cambiará un porcentaje sustancial de los trabajos actuales, modificando algunos o haciéndolos desaparecer de manera absoluta. es de esperar que de aquí a diez o 15 años, la forma de trabajar, de medir y de producir habrá cambiado de forma radical y en la universidad tecnológica de chile inacap ya estamos preparando a nuestros alumnos para esa realidad. n

e e a 2 5

reportaje n

comentario técnico

felipe ruiz allende es profesor y miembro del núcleo de ingeniería de la dirección de postgrados de la universidad tecnológica de chile inacap. máster en ingeniería en electrónica de la universidad politécnica de cataluña, con participación en el grupo de investigación epic-energy processing and integrated circuits, desarrollando investigación aplicada en eficiencia energética y microrredes con generación fotovoltaica.

2 6 e e a

por Felipe ruiz allende

el tRanSFoRmadoR en eStado Sólido

(SSt)

geneRaCión diStRibuida inteligente

los objetivos a largo plazo en chile en materia energética, se centran en la disminución del precio de la electricidad y en la consolidación de las energías renovables no convencio-nales en el mercado eléctrico. el ministerio de energía, a tra-vés de su política energética, propone una visión del sector

al año 2050, y uno de sus objetivos es contar con una producción des-centralizada y una gestión activa de la demanda [1]. la generación dis-tribuida es reconocida actualmente como una tendencia cada vez más generalizada, tanto a nivel mundial como en chile, gracias a la consoli-dación de las energías renovables no convencionales (ernc) en el mer-cado eléctrico internacional [2].

Junto al rápido desarrollo tecnológico, la producción descentralizada ha cobrado cada vez mayor relevancia, así como la gestión activa de la demanda en los sistemas energéticos y las redes inteligentes. es aquí donde la política energética tiene como meta lograr un sistema ener-gético completamente bidireccional, donde se puede producir y ges-tionar la energía, alcanzando niveles de generación distribuida y ges-tión de demanda similares a los de otros países de la organización para la cooperación y el desarrollo económicos (ocde).

ante este nuevo paradigma, las redes de distribución tendrán que ser más flexibles para dar cabida al aumento de la generación distribui-da. la creciente proliferación de recursos de energía renovable y nue-vas cargas importantes, como las estaciones de carga de vehículos eléctricos, han planteado muchos desafíos técnicos y operacionales a las redes de distribución [3]. sumado a esto, los consumidores de ener-gía, antes pasivos receptores, hoy pueden transformarse en activos pro-ductores gracias a los marcos regulatorios para la generación distribui-da [4]. sin embargo, el actual sistema de distribución eléctrica limita el uso de recursos de energía renovable y ofrece una pobre infraestructu-ra para hacer frente a estos nuevos desafíos.

el sistema eléctrico de potenciaun sistema eléctrico de potencia suele estar separado en tres partes: generación, transmisión y distribución. si nos detenemos en la distribu-ción, encontramos que esta opera con líneas, subestaciones y equipos que permiten prestar el servicio de distribuir la electricidad hasta los

e e a 2 7

consumidores finales. el nivel de tensión utilizado en distribución oscila entre los 12 kV y los 23 kV para distribución en media tensión (mt ), mientras que en baja tensión (Bt) se utilizan 380 V entre fases y 220 V fase-neutro, como se muestra en la Figura 1. la conversión de voltaje es realizada por el trasformador de distribución. este equipo es de gran importancia pues con él podemos cambiar la amplitud del voltaje, dis-minuyéndola para una operación más segura. sin embargo, un trans-formador de distribución no proporciona casi ninguna otra función e introduce características no deseadas en la red eléctrica moderna, en-tre las cuales se encuentran:

1) el voltaje de salida es una representación directa de la entrada. cual-quier característica no deseada de la entrada, como oscilaciones de tensión o variaciones de frecuencia, será representada en la salida.

2) la presencia de armónicos en las corrientes de carga se manifiesta en la corriente de entrada.

3) en general, los transformadores están diseñados para una máxima eficiencia a plena carga. esto da como resultado una pérdida en condiciones de baja carga.

4) la baja regulación de voltaje en los secundarios de los transforma-dores, debido a las variaciones de carga y el factor de potencia.

durante las últimas décadas, la electrónica de potencia –gracias a los convertidores de potencia– ha encontrado amplia aplicación en la me-jora de la calidad de potencia de sistema eléctrico. por ejemplo, hoy existen sistemas de transmisión flexibles de corriente alterna (Facts), dentro de los cuales podemos encontrar los compensadores estáticos

fIgurA 1. actual sistema de transporte y distribución eléctrica.

2 8 e e a

n comentario técnico

de voltaje Vars (volt-ampere reactive) y los compensadores estáticos síncronos de distribución statcom (static synchronous compensators), para abordar el problema del control de voltaje; los filtros de potencia activa apF (active power filters) para los problemas de armónicos; para combatir los problemas de huecos de tensión están los restauradores dinámicos de voltaje dVr (dynamic voltage restorers); para el control de flujo de potencia y estabilidad dimanada se utiliza el controlador unificado de flujo de potencia upFc (unified power flow controller), entre otros [4].

en la última década, otro convertidor de alta potencia, denominado transformador de estado sólido (solid state transformer, sst por sus si-glas en inglés), también conocido como transformador electrónico de potencia o transformador universal inteligente, ha atraído mucha aten-ción y ha sido ampliamente investigado para los sistemas de distribu-ción [5]–[10]. en la tabla 1 se observa una comparación de diversas tecnologías de trasformadores de estado sólido.

el primer concepto de sst fue propuesto por William mcmurray en 1968 [17] [18], como podemos observar en la Figura 2. la idea básica del sst es lograr la transformación de voltaje por aislamiento a alta fre-cuencia, por lo que se reduce el volumen y el peso en comparación con el transformador de distribución tradicional.

el concepto del ssten la Figura 3.a se puede observar el concepto básico de un sst: la fuente de corriente alterna que es rectificada (etapa ac/dc), pasa por una etapa de aislamiento de trasformación de corriente continua a continua (etapa dc/dc), para ser transformada nuevamente a corriente alterna (etapa dc/ac). en la figura 3.b se muestran los transformadores actuales que se usan en la distribución de potencia versus los transfor-madores de estado sólido.

se observa además de la configuración del sst que se pueden obte-ner algunas otras funcionalidades potenciales que no son propias del transformador tradicional. en primer lugar, el uso de dispositivos semi-conductores de estado sólido y de circuitos hace que la regulación de voltaje y corriente sea una posibilidad; de manera similar a los disposi-tivos Fact. esto trae ventajas tales como un control del flujo de la ener-gía y la compensación de huecos de tensión, entre otras, que no son

tabla 1. comparación de tecnoloGías del sst

figura 2. (a) convertidor de potencia ac-ac no resonante con un enlace de alta frecuencia como el propuesto en 1968 por mcmurray [17], con formas de onda de convertidor clave que ilustran la regulación de la tensión de salida retardando el disparo del puente lateral secundario. (b) una variante resonante (también mos-trada en una configuración ac-ac) que emplea el modo operativo hc-dcm, tam-bién de una patente presentada por mcmurray en 1968 [18] (los colores fueron agregados por los autores de [9]).

figura 3. transformador de estado sólido: (a) concepto básico; (b) transformador tradicional versus sst.

uniFleX [11] epri [12] Ge [13] abb [14] Freedm Gen ii [15] eth [16]

potencia 300 kVa 45 kVa 1mVa 1.2mVa 7.2-10 kVa 1m Va

Fases 3 1 1 1 1 3

Voltaje mt 3,3 kV 2,4 kV 13,8 kV 15 kV 10 kV 12 KV

Frecuencia trasformador 2 kHz 20 kHz 20 kHz 1.8 kHz 6 kHz 20 kHz

eficiencia 92% 96% 98% 95% 96% 98%

aplicación smart grid dc charge station substation traction smart grid ~

posibles para los transformadores tradicionales. en segundo lugar, los convertidores de fuente de tensión conectados desde el terminal se-cundario del sst podrían fácilmente soportar un bus de corriente con-tinua regulado, para una microrred dc o estaciones de cargas de vehí-culos eléctricos como se puede observar en la Figura 4.

topologías del sstla tecnología de los sst ha experimentado un rápido desarrollo duran-te las últimas dos décadas y hay numerosos proyectos en curso para seguir perfeccionándola [19]–[25], pues ha sido definida como un ele-mento clave en el desarrollo de las redes inteligentes [10]. para presen-tar las topologías y clasificarlas, las dividiremos según sus etapas de conversión y su modularidad. a continuación se presenta la primera clasificación.

e e a 2 9

comentario técnico n

la arquitectura de conversión de una etapa: consiste en una sola conversión de corriente alterna a corriente alterna ac/ac de una etapa. el sst se basa en el convertidor matricial directo, el cual ofrece alta densidad de potencia, número de componentes reducido, ausen-cia de elementos voluminosos y no tiene un bus dc. este concepto utiliza seis conmutadores de cuatro cuadrantes en el lado de media tensión (en inglés, medium Voltage o mV) y el de baja tensión (en in-glés, low Voltage o lV) [28]–[30]. (Figura 6)

la arquitectura de conversión de dos etapas: se basa en una conversión ac/dc aislada, ya sea en el lado de media tensión o en el lado de baja tensión, alimentando un enlace dc. el sst de dos etapas se puede realizar, ya sea con un enlace dc común o con enlaces dc separando los alimentados por transformadores de múltiples devana-dos. este convertidor matricial indirecto de tipo ac-ac ha sido patenta-do por general electric en 2008 [31].

la arquitectura de conversión de tres etapas: está compuesta por la conversión ac/dc en el lado de media tensión y el lado de baja tensión, mientras que el enlace lV-dc y el enlace mV-dc están conec-

figura 5. arquitectura de una etapa. convertidor matricial directo tanto en el lado de media tensión como en el lado de baja tensión.

figura 6. a) arquitectura de dos etapas con convertidor matricial en el lado de media tensión y en el lado de baja tensión convertidor basado en dc-link. b) ar-quitectura de dos etapas con convertidor basado en dc-link en la etapa de media tensión y en el lado de baja tensión convertidor matricial. c) ejemplo de la arqui-tectura con convertidor matricial en el lado de media tensión y en el lado de baja tensión convertidor basado en dc-link.

figura 4. trasformador en estado sólido (sst ) con integración de microrred corriente continua

a

c

b

tados con un convertidor dc/dc de alta frecuencia como se muestra en la Figura 7. esto permite el desacoplamiento del lado de la ac de baja frecuencia del lado de ac de baja tensión y el flujo de energía a través de la rectificación independiente de la conversión de dc/dc y las etapas de la inversión.

la segunda clasificación es por la modularidad, la cual se encuentra en función de la potencia procesada y su distribución por cada módu-lo convertidor de potencia que forma parte del sst. la arquitectura modular consiste en varios módulos utilizados como bloques de cons-trucción para todo el sistema, mientras que un sistema no modular se basa en una única estructura de potencia [33]. la arquitectura modular tiene varias ventajas para la escalabilidad de potencia y voltaje, para el mantenimiento y para la implementación de la estrategia de tolerancia a fallos [32].

estructura no modular: en esta estructura (Figura 8) no se utilizan los conceptos de módulos ni células, y su arquitectura utiliza un pe-queño número de semiconductores, controladores y sensores, así como un único transformador de alta frecuencia.

estructura semimodular: se basa en un único transformador de alta frecuencia multibobinado, y el voltaje del lado mV puede subdivi-dirse en enlaces dc de menor tensión, con lo que los dispositivos se-miconductores respectivos son de la clase lV. en las arquitecturas re-presentadas en la Figura 9, los convertidores del lado mV se basan en una conexión en serie de voltajes parciales independientes para traba-jar con niveles de voltaje menores, mientras que el lado lV todavía está construido con una sola etapa, sin escalabilidad de voltaje ni potencia.

estructura totalmente modular: la disposición totalmente modular subdivide la compleja estructura del convertidor en unidades estanda-rizadas, lo que permite diseñar y optimizar de forma independiente los diferentes módulos de conversión. esta disposición está representada por las estructuras basadas en enlace de corriente continua de los la-dos mV y lV, donde el flujo de potencia se procesa en los siguientes pasos: rectificación ac/dc, la conversión dc/dc y, finalmente, la inver-sión dc/ac. dependiendo del tipo de disposición de puente utilizado en el lado mV, los niveles intermedios del enlace de corriente continua están disponibles o no. la arquitectura totalmente modular permite la escalabilidad en voltaje y potencia. (Figura 10)

en la estructura totalmente modular, otro punto importante es la

3 0 e e a


Figura 8. lados mV y lV no modulares.

figura 7. célula unitaria de tres etapas de un sst [32].

figura 9. a) estructura semimodular conectada al lado de media tensión con ac-ceso intermedio y no modular en el lado de baja tensión. b) estructura semimodu-lar conectada al lado de media tensión sin acceso intermedio y no modular en el lado de baja tensión.

figura 10. estructura totalmente modular.


disponibilidad del bus dc o dc-link. en la Figura 11 se puede observar la posibilidad de disponibilidad.

Células de potencia para la construcción del sstcontinúa el análisis y selección constructiva del sst. esta selección se realiza de acuerdo a las etapas de conversión, la etapa ac/dc, dc/dc y dc/ac.

convertidores ac/dc: los convertidores multinivel son adecuados para aplicaciones de alto voltaje y de media potencia. de hecho produ-cen un voltaje de salida con un mayor número de niveles, lo que redu-ce la tensión del semiconductor (soportando un voltaje inverso menor) y mejora los espectros de calidad en comparación con los convertido-res de dos niveles. esta última ventaja permite el uso de componentes de filtro más pequeños [34]. ejemplos para implementar la conversión ac/dc en el lado de media tensión son:

• Rectificador Multinivel Neutral Point Clamped (NPC)• Rectificador Multinivel Puentes H en Cascada (CHB).

convertidor dc/dc: la conversión dc/dc aislada comienza por transformar una tensión continua constante en una forma de onda ac aplicada a un devanado primario del transformador de alta fre-cuencia, el que está acoplado magnéticamente a un devanado se-cundario, permitiendo una transferencia de potencia electromagné-tica altamente eficiente. el convertidor debe cumplir con los requisitos de bidireccionalidad, aislamiento, nivel de voltajes dc en media tensión y flexibilidad de la modulación. ejemplos para imple-mentar la conversión dc/dc son:

• Medio puente con condensador de salida en serie• Medio puente con enlace DC dividido• Puente completo• Puente NPC (multinivel).

convertidor dc/ac: un inversor es utilizado en esta etapa, en la que se convierte corriente continua en corriente alterna (etapa dc/ac). los ejemplos más comunes para implementar la conversión son:

• Inversor Multinivel Neutral Point Clamped (NPC)• Inversor Multinivel Puentes H en Cascada (CHB).

e e a 3 1

figura 11. disponibilidad del dc-link en la estructura del sst.

figura 12. a) para lograr mayores voltajes, el medio puente puede hacer uso de la configuración npc que también es útil para reducir pérdidas de conmutación [35]. b) puente completo en lado de media tensión y puente completo en lado de baja tensión. si se introduce un condensador en serie con el transformador, se obtiene la resonancia en serie dab (sr-dab).

beneficios del sst para la actual red de distribucióncomo se mencionó anteriormente, el sst es más que un simple reem-plazo del transformador convencional, proporciona muchas funciones importantes de red inteligente. también permite nuevas arquitecturas como las microrredes híbridas ac y dc y componentes de almacena-miento de energía. además, permite inyectar y absorber potencia reac-tiva. esto es de gran valor para una red de servicios públicos, ya que posibilita que las compañías de servicios eléctricos tengan la capaci-dad de un statcom de forma distribuida. por otra parte, este funciona-miento hace posible el control de voltaje con un desempeño superior a los obtenidos con los bancos de condensadores. también se puede controlar a un sst para que funcione bajo condiciones de factor de potencia unitario (pF = 1), lo que reduce significativamente las pérdi-das de alimentación asociadas con el flujo de potencia reactiva. otra capacidad del sst es la de funcionamiento similar a un dVr, permitien-do soportar huecos de tensión sin que las cargas se vean afectadas.

considerando las mejoras en la calidad de potencia de los servicios eléctricos, el sst permite desacoplar los armónicos de la red de HV y lV. los enlaces dc intermedios del sst pueden actuar como amorti-guadores de energía entre los dos sistemas de corriente alterna, el de HV y el de lV. por lo tanto, la potencia de entrada instantánea no es necesariamente igual a la potencia de salida instantánea. el sst se con-vierte esencialmente en una combinación de un transformador y un filtro activo de potencia. además de la mitigación armónica, también se puede lograr un cambio de fase arbitrario entre los dos sistemas de corriente alterna, además de una protección contra cortocircuito y la limitación de corriente. otra característica del sst es su capacidad para limitar la corriente de cortocircuito e interrumpir el fallo.

una de las características avanzadas del sst es su capacidad de sali-da dc, que luego se puede utilizar para formar una microrred dc y cargas de energía dc conectadas directamente. los dispositivos foto-voltaicos y de almacenamiento de energía también se pueden conec-tar directamente a la microrred dc sin pasar por una etapa de conver-sión dc/ac. esto tiene una ventaja en términos de eficiencia. durante la última década se han registrado grandes avances en las microrredes dc, por lo que han sido catalogadas como la próxima generación en tecnología. dentro de sus principales ventajas está la reducción o eli-minación de etapas de conversión, aportando un aumento entre un 5% y 15 % en la eficiencia [36].

este artículo discutió los beneficios que el concepto

sst podría traer para la red de distribución de próxima

generación, principalmente sus características inteli-

gentes. tal desarrollo es necesario, ya que la red de dis-

tribución está integrando cada vez más generación

distribuida. desde el punto de vista de la electrónica

de potencia, debe enfrentar los desafíos en el manejo

de alto voltaje de entrada y la conversión de energía

de alta frecuencia, donde los recientes avances en la

tecnología de dispositivos semiconductores de última

generación (sic de 15 kV) están permitiendo el desa-

rrollo del sst.

la introducción de la tecnología sst no es simplemente

un reemplazo del transformador actual de 50 Hz, sino

que requiere la adopción de un enfoque holístico. para

que el sst pueda ser económicamente viable en un fu-

turo próximo, se requiere avanzar en su producción en

serie, en el aumento de la fiabilidad y en su despliegue

en terreno.

Aplicaciones del sstpara finalizar, describimos algunas aplicaciones generales del sst en reemplazo del trasformador convencional debido a sus ventajas y fun-ciones adicionales. ejemplos de estas aplicaciones son:

locomotoras y sistemas de tracción. el transformador utilizado en los vehículos locomotores actuales es de 16,7 Hz y aporta ± 15% del peso total de la locomotora. el sst puede proporcionar una reducción significativa de peso. además, el sst también es capaz de mejorar la eficiencia y reducir emisiones electromagnéticas (en inglés: electro-magnetic interference o emi), armónicos y emisiones acústicas. [27]

generación de energía en alta mar. la generación en alta mar, ya sea de viento, marea o cualquier otra fuente, puede beneficiarse de la reducción de peso y tamaño. esta reducción conduce a plataformas costa afuera más pequeñas y por lo tanto más baratas. otra ventaja es que el sst puede alcanzar el factor de potencia unitario, aumentando así la eficiencia en la transmisión de potencia.

redes inteligentes. en los futuros sistemas eléctricos se espera que aumente el uso de la generación renovable, y esto requerirá un esquema de gestión de energía fundamentalmente distinto de los mé-todos clásicos. para una gestión rápida y eficaz de los cambios en dife-rentes cargas y fuentes, el sst puede utilizarse para ajustar dinámica-mente la distribución de energía en la red [26]. la función del sst descrita en este documento es similar a la de un enrutador, pero en lugar de administrar datos, el sst administrará el flujo de energía. n

3 2 e e a

c o n c l u s i o n e s


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e e a 3 3


bIblIografía

comentario técnico

3 4 e e a

darek Kominek es senior consulting manager de matriKon, en alberta, canadá.

El rol de la

OPCUAen una fábrica inteligente

INDUSTRIA 4.0

ImPortANCIA de lA INdustrIA 4.0si usted pregunta a cualquier fabricante o usua-rio sobre la importancia de la industria 4.0 en el futuro inmediato, seguramente la respuesta alu-dirá a características promisorias y a un efecto positivo en la industria de la automatización. el concepto de industria 4.0 se refiere a la cuarta etapa de la revolución industrial gracias al siste-ma que abarca y vincula fábricas, máquinas y procesos en red inteligentes. Hay que recordar que la primera revolución industrial fue el resul-tado de la mecanización de la producción con el uso del agua y la energía a vapor; la segunda in-trodujo la producción en masa con la ayuda de la energía eléctrica; mientras que la tercera revolu-ción fue la era digital, presenciando el uso de la electrónica e informática para automatizar aun más la producción.

impulsados por internet, los mundos reales y virtuales se están acercando entre sí para formar el “internet de las cosas”. en el futuro, la produc-ción industrial se caracterizará por la fuerte indi-vidualización de los productos a través de una producción con gran flexibilidad; por la amplia integración con los clientes y socios del negocio en los procesos empresariales que generará un gran valor agregado; y por la conexión de la pro-ducción con servicios de alta calidad.

por dareK KomineK

e e a 3 5

l término “indus-tria 4.0” se está ha-ciendo muy popular en este momento, y por muy buenas ra-zones. la referencia

de las grandes revoluciones industriales del pasado nos revela la importancia y el papel fundamental que va a desempe-ñar la “fábrica del futuro”, al tener todos sus componentes y sistemas interconec-tados.

este documento técnico explica el sig-nificado detrás del término industria 4.0, describe el funcionamiento de la arqui-tectura unificada opc (opc ua) y arroja luz sobre cómo ambos están relaciona-dos. los lectores aprenderán qué otros desafíos se pueden dominar igualmente al utilizar la tecnología opc (incrustación y enlazado de objetos para el control de procesos), que es actualmente parte de la industria 4.0.

artículo facilitado por iac, empresa con convenio

de colaboración con inacap

oPC uA y lA teCNologíA embebIdAlas tecnologías opc ua y opc embebida son sinónimos de conectividad abierta y son las más utilizadas en el mundo para el proce-so de intercambio de datos estandarizados y para la automatización. opc recoge y trans-porta los datos en una forma común de di-versos dispositivos, de sistemas de control y de aplicaciones a través de la empresa, y es el estándar de comunicación dominante en los mercados industriales, debido a su enfo-que simple en la estructuración y la recopila-ción de los datos de proceso. el diseño de esta norma permite que casi todos los datos de la industria puedan ser mostrados como una estructura de datos opc.

la paso siguiente en la evolución de la opc es la opc ua, y este aprovecha la arqui-tectura orientada a servicios (soa, por sus siglas en inglés) con protocolos indepen-dientes de la plataforma y con mecanismos de seguridad incorporados. las aplicaciones opc ua son fácilmente utilizadas en cual-quier ambiente, lo que permite que sea to-talmente escalables y que se ejecuten en cualquier nivel de la industria.


3 6 e e a

en la llamada “fábricas del futuro”, todos los componentes controlarán el proceso de pro-ducción de forma autónoma, algo posible gracias a su interconectividad. ya sea que esos componentes sean personas, máquinas, equipos o sistemas, todos estarán preparados para estar interconectados, para recopilar in-formación y compartirla. por lo tanto, los componentes del futuro se comunicarán au-tomáticamente si necesitan mantenimiento o ser intervenidos.

para que el concepto de industria 4.0 sea ejecutado con éxito o sea realmente una “in-dustria integrada”, hay algunos desafíos que primero deben ser superados. mientras que la industria está en la cúspide de la revolución industrial más reciente, la interconectividad está a la cola y es el eje central para lograr ha-bilitarla. un componente fundamental de este proceso es la tecnología opc ua, el es-tándar que permite la interoperabilidad en todos los niveles, de un dispositivo a otro, de un dispositivo a la empresa, y mucho más.

el rol de oPC uA eN lA INdustrIA 4.0data access (da) es una solución generaliza-da para la conectividad de datos, mientras que el estándar de conectividad opc ua pro-porciona el método para el intercambio de datos abierto más utilizado, seguro y fiable del mundo, que jugará un papel directo para que la industria 4.0 sea una realidad.

opc ua posee una arquitectura indepen-diente de la plataforma y es duradera en el tiempo, por lo que es totalmente compatible con los requisitos de la industria 4.0. además, opc ua facilita la integración de los compo-nentes “invisibles” en el intercambio perma-nente de datos de la “fábrica del futuro”, por lo que opc ua tendrá un papel importante en el internet de las cosas.

la tecnología opc ua embebida permite la conectividad abierta de dispositivos, sensores y controladores y ofrece claras ventajas para las empresas. gracias a los datos que entrega, los usuarios finales se benefician con una toma de decisiones aun más rápida, y la ar-quitectura de empresa integrada se convierte en una realidad. el concepto de esta industria integrada es el corazón de la industria 4.0.


los escenarios de uso para opc ua no se limitan al nivel de pc, pues gracias a la flexibilidad de las aplicaciones opc ua se puede desarrollar también para plataformas que no son Windows, como li-nux y los sistemas integrados que se ejecutan en rtos (real time operating system) o incluso en ambientes “de metal desnudo” donde no se utiliza un sistema operativo en absoluto.

este campo de aplicación en un nivel embebido es importante, ya que un gran número de sensores y dispositivos de bajo nivel generan datos necesa-rios de analizar. con los sistemas de automatiza-ción de hoy en día y con el auge de la industria 4.0, los usuarios deberían ser capaces de ver el com-portamiento de los procesos e instalaciones en tiempo real con el fin de comprenderlos mejor y maximizar su rentabilidad. los dispositivos están conectados a otros dispositivos y al mismo tiempo a aplicaciones para que el usuario pueda ver los datos, los cuales deben estar configurados correc-tamente para que se pueda transmitir correcta-mente los datos generados, optimizando los pro-cesos productivos. esta configuración es tan compleja que muchas instalaciones solamente muestran una cantidad limitada de los datos real-mente disponibles para el usuario.

si un servidor opc está embebido directamente en el dispositivo, se puede crear una solución ópti-ma para casi cualquier aplicación, permitiendo a los dispositivos industriales de la empresa estar conectados a todo. esto proporciona a los usuarios claras ventajas en términos de eficiencia, coste y funcionamiento de sus sistemas. opc ua ya se puede conectar actualmente desde el nivel em-presarial a los sistemas y componentes embebidos en la automatización.

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3 8 e e a


conclusióncontrolar el flujo de materiales, de los bienes y de la informa-ción permitiendo una agilidad en la toma de decisiones y una simplificación de los reportes, son los beneficios que toda orga-nización espera de la revolución de la industria 4.0. materiales inteligentes informarán a las maquinas cómo necesitan ser pro-cesados; el mantenimiento y las reparaciones serán directa-mente ejecutados por los componentes de planta de las fabri-cas inteligentes; y líneas de producción rígidas serán transformadas en sistemas modulares y eficientes.

en resumen, todo el ciclo de vida de un producto podría es-tar plenamente documentado. aunque una industria 4.0 en pleno funcionamiento puede ser un concepto futurista en esta etapa, el progreso para llegar hasta allí ya está sucediendo y conducirá gradualmente a una transformación completa e inte-gral con grandes cambios en todos los niveles de la empresa. se espera que opc ua sea fundamental para este éxito, ya que permite el intercambio de datos a través de todos los niveles de una organización. n

“un componente fundamental de este proceso es la tecnología opc ua,

el estándar que permite la interoperabilidad en todos los niveles,

de un dispositivo a otro, de un dispositivo a la empresa,

y mucho más”.

la tecnología opc clásica, como predece-sora del opc ua, estableció una “revolución” en la conectividad de datos abierta, que rom-pió las barreras de la conectividad propietaria entre los sistemas de gestión y control y el resto de la empresa. ahora, opc ua extiende aun más este concepto gracias a su platafor-ma, a la independencia del sistema operativo y a su capacidad de modelado de datos, el que es completamente flexible. esto permite que opc ua represente de forma nativa los datos desde prácticamente cualquier fuente de datos de un lado, mientras que preserva la estructura de los datos y los presenta a los usuarios en un formato que puedan utilizar mejor. esto abstrae eficazmente los dispositi-vos de la capa física mediante la representa-ción fiel de estructuras de datos a través de modelos de datos ua consistentes.

una solución en esta línea es el Kit de de-sarrollo de software (sdK) embebido opc ua, de matrikon, diseñado especialmente para facilitar la creación de redes de dispositivos inteligentes y lo hace a través de la integra-ción de un servidor opc ua de alto rendi-miento directamente instalado en el disposi-tivo. este tipo de solución, la cual es escalable sobre cualquier clase de dispositivo, es real-mente única.

biblioGraFía- matrikon, "industry 4.0 - el rol de opc ua en una Fabrica inteligente", último acceso 2017, 27 de abril. disponible en https://www.matrikonopc.com/downloads/1317/whitepapers/index.aspx

red de proFesionales inacap del Área realiZa mesa de traBaJo para deFinir oBJetiVos 2017durante el pasado mes de enero, un grupo de exalumnos del Área electricidad y electrónica de inacap se reunió con autoridades del Área y de la dirección de egresados y empleabilidad, a fin de elaborar un plan de trabajo para todo 2017. entre las actividades consideradas está la realización de un encuentro nacional, la creación de un espacio virtual de difusión y una mesa directa, a fin de ofrecer más instancias que aporten valor y sirvan a la empleabilidad de los egresados del Área. Visítanos en: http://www.inacap.cl/tportalvp/electricidad-y-electronica/red/profesionales/red-de-profesionales

se lANZA CoNCurso “mI eNergíA, tu eNergíA”el 17 de mayo fue lanzado este concurso destinado a estudiantes de educación media para que presenten ideas que contribuyan al logro de los objetivos de la política energética 2050. estas deben ser expuestas en videos de no más de tres minutos y que respondan a la pregunta “¿cómo imaginas la energía del futuro?”. Junto con el lanzamiento del concurso, inacap y el ministerio de energía firmaron un convenio para seguir desarrollando actividades en torno al tema energético. más información: http://www.inacap.cl/web/2017/sites/mi-energia-tu-energia/index.html

carreras del Área de sonido de inacap péreZ rosales apoyan en lollapalooZa 2017los estudiantes formaron parte del staff técnico de audio del escenario aldea Verde del Festival internacional lollapalooza 2017, utilizando el equipamiento de amplificación con el que cuentan los alumnos para la realización de clases en sede. con estas actividades se aspira a fortalecer las relaciones e instancias de trabajo colaborativo con distintos grupos de interés, a fin de aumentar la contribución al desarrollo productivo, social y cultural de chile.

◗ Comienzan inscripciones a la competencia de Innovación y tecnología 2017actividad organizada por la universidad tecnológica de chile inacap que congrega a alumnos de todas las Áreas académicas y sedes, estudiantes de educación media, exalumnos, emprendedores y empresas, en torno a soluciones con base en tecnología para problemas reales del sector productivo. el 20 de junio tendrá lugar la Feria de innovación tecnológica en inacap los Ángeles.

nuestra Área se une con minería y metalurGia en inacap renca para Generar proyecto de innoVaciónes el primer proyecto de integración de Áreas académicas en esta sede de inacap, y consiste en la instala-ción de un dispositivo de bajo cos-to para controlar y mejorar el riego de las pilas durante la lixiviación en el proceso minero. el proyecto se enmarca en el convenio de inacap con telefónica i+d y fue presentado con gran éxito en la expo automati-zación 2016.

noticias / agenda

JuNIo

◗ Inscripciones al encuentro de proyectos finales de titulaciónconcurso dirigido a todos los alumnos de inacap que estén cursando la asig-natura de proyecto Final de título, a fin de que presenten las soluciones tecno-lógicas desarrolladas a partir de la inves-tigación aplicada a ciertos ejes temáticos que impactan en el sector productivo. los creadores del proyecto ganador reci-birán una beca para un curso corto en el extranjero de su especialidad.

20 de Agosto 10 y 31 de Agosto

◗ seminarios sobre el mercado eléctrico encuentros coorganizados por la universidad tecnológica de chile inacap y el ministerio de energía, en el que destacados especialis-tas abordarán la “perspectiva del mercado eléctrico y su impacto en la industria regional”. el día 10 se realizará en inacap puerto montt, mientras que el día 31 tendrá lugar en inacap osorno.

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en desarrollo

CAPACItACIóN VíA e-leArNINg sobre eXPosICIóN Al ruIdo y el rIesgo de lA sorderA lAborAl

proyecto de tÍtulo de ingenierÍa en sonido, inacap péreZ rosalesen esta investigación, los alumnos nicolás Herrera y diego Villalobos proponen una capacitación con metodología e-learning sobre la exposición al ruido ocupacional en chile y el riesgo de adquirir sordera laboral. la metodología quiere ser una alternativa a una deficiencia que actualmente presenta el protocolo de exposición ocupacional a ruido (prexor) (minsal, 2013) con respec-to a las capacitaciones obligatorias que se deben hacer a los trabajadores expuestos a ruido, pues no cuentan con una meto-dología para su realización ni tampoco se aborda detalladamente los contenidos que se deben impartir.

en su desarrollo se utilizó la metodo-logía propuesta en theory and practice of online learning (anderson & ellouni, 2004), que sugiere una infraestructura y modelo para la realización de una capacitación del tipo e-learning. los contenidos selecciona-dos para esta se basaron en las normativas de chile, reino unido, españa y estados unidos, junto con ideas del libro the noise manual (Berger, 2003). los contenidos se organizaron en un plan de estudio y se les asoció objetivos de aprendizaje que luego se evaluaron a un grupo de 60 voluntarios, de los cuales 39 cursaron la capacitación, con un 100% de aprobación.

oPtImIZACIóN del tAblero PlC de reJA meVA

proyecto de tÍtulo de ingenierÍa en automatiZación y control industrial, inacap concepción-talcaHuanoesta investigación de los alumnos anaís ara-vena y Héctor salgado abordó un problema de la empresa papeles Bio Bio, en la región homónima, el que consistía en el permanen-te mal estado del tablero de plc (control ló-gico programable) de la reja meva. este filtro, destinado a impedir el paso de sólidos de seis o más milímetros de diámetro en los pro-cesos de fabricación de papel, es regulado por un tablero que se deteriora rápidamente,

debido a que no suele estar bien protegido de la temperatura y la humedad y porque no hay una normativa al respecto. esto se traduce en fallas, problemas de seguridad y en costos para la empresa al reemplazar el equipo deteriorado.

la solución propuesta por los alumnos consistió en migrar el programa que se con-tenía dentro de la memoria del plc de la reja meva, hacia un segundo plc existente en la sala eléctrica de la planta de papeles Bio Bio. este cumple con las condiciones necesarias para la migración, utilizando así los recursos existentes, sin necesidad de realizar gastos mayores. las condiciones de hardware (módu-los libres) estaban dadas y la programación se pudo realizar una vez concluida la migración.

CoNtrol de lA temPerAturA del AlmIdóN eN lA INdustrIA del PAPel

proyecto de tÍtulo de ingenierÍa en automatiZación y control industrial, inacap concepción-talcaHuanolos alumnos sebastián castro y óscar Fuentealba diseñaron un mecanismo para la empresa papeles Bio Bio con el fin de mejorar el control de la temperatura del almi-dón, una materia prima esencial en la fabricación del papel. el control de tempera-tura en el proceso del almidón es actualmente deficiente porque se utilizan varios tipos de almidón que se deben cocinar a distintas temperaturas. Hoy no existe un ajuste de temperatura ya que el control actual es neumático y manual, por lo que el recurso almidón no siempre es utilizado de manera correcta.

para subsanar esta situación se analizó la estrategia actual de control, se realizó un estudio sobre la instrumentación presente en el lazo de temperatura y se diseñó una propuesta de solución (con planos y diagramas). se propone utilizar un contro-lador lógico programable el cual incorpora un bloque funcional dentro de listado operaciones para controlar continuamente la temperatura del almidón. también se propone una modificación de la interfaz gráfica en el proceso para integrar una ventana donde se podrá ingresar el valor deseado para el control, permitiendo al operador cambiar fácilmente la temperatura a la que se debe procesar el almidón dependiendo de sus características.

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El Sistema Integrado de Educación Superior INACAP y su Organismo Técnico de Capacitación INACAP están presentes, a través de sus 26 Sedes, en las 15 regiones del país.

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