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Revista del Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría, Ciudad de La Habana, Cuba

Vol. II, No. 3, 2011septiembre-diciembre

DIRECTOR Y EDITOR TÉCNICODr. Gonzalo González ReyVicerrectoría de Investigación y PosgradoInstituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría, Cujaee-mail: [email protected]

MIEMBROS DEL COMITÉ EDITORIALDr. José Pérez LazoVicedecano de Investigación. Facultad de Ingeniería Civile-mail:[email protected]. Alejandro Cabrera SarmientoVicedecano de Investigación. Facultad de Ingeniería Eléctricae-mail:[email protected]. Orestes Llanes SantiagoVicerrector de Investigación y Posgradoe-mail:[email protected]. Rafael Antonio Pardo GómezDirector del Centro de Investigaciones Hidráulicase-mail:[email protected]. Maria Sonia Fleitas TrianaVicedecana de Investigación. Facultad de Ingeniería Industriale-mail:[email protected]. Alejandro Rosete SuárezVicedecano Docente. Facultad de Ingeniería Informáticae-mail:[email protected]. Osvaldo Gozá LeónFacultad de Ingeniería Químicae-mail:[email protected]. Tania Rodríguez MolinerVicedecana de Investigación.Facultad de Ingeniería Mecánicae-mail:[email protected]. Agnes Sarolta Nagy SzonjasCentro de Investigación de Microelectrónicae-mail:[email protected]. Nilda Caballero StevensUnidad Docente Metalurgiae-mail:[email protected]. Leonardo Goyos PérezFacultad de Ingeniería Mecánicae-mail:[email protected]. Luz del Alba Raña GonzálezDirectora de Ingeniería del TransporteFacultad de Ingeniería Mecánicae-mail:[email protected]. Ramón González CaraballoDirector de Geociencias. Facultad de Ingeniería Civile-mail:[email protected]. Ángel Regueiro GómezDepartamento de Ingeniería Biomédica. Facultad deIngeniería Eléctricae-mail:[email protected]. Elsa Magdalena Herrero TunisCentro de Referencia de Enseñanza Avanzadae-mail:[email protected]

La correspondencia puede dirigirse a:Revista Cubana de IngenieríaCalle 114, No. 11901, e/ 119 y 127, Apartado 6028, Cujae,C.P.: 11901, Marianao, Ciudad de La Habana, Cuba.e-mail:[email protected]

REVISTA CUBANADE INGENIERÍAREVISTA CUBANADE INGENIERÍA

Dr. José Ricardo Díaz CaballeroDirección de Marxismo Leninismoe-mail:[email protected]

REVISORES INVITADOSDr. Alejandro Cabrera Sarmiento. Instituto Superior Poli-técnico José Antonio Echeverría. Cuba.MSc. José Luis Pérez Iglesias. Universidad de Salamanca.España.Ing. Raúl Gutiérrez Perucho. Tecnológico de MonterreyCampus Aguascalientes. México.

EDITOR EJECUTIVOYusnier Ferrer GranadoJefe de Departamento de Comunicacióne-mail:[email protected]

EDITORALic. Mayra Arada Oteroe-mail:[email protected]

DISEÑO DE CUBIERTAAlex Álvarez Martíneze-mail:[email protected]

DISEÑO INTERIORYaneris Guerra Turróe-mail:[email protected]

COMPOSICIÓN COMPUTARIZADA Y REALIZACIÓNMaritza Rodríguez Rodrígueze-mail:[email protected]

REVISORA DE TEXTOS EN INGLÉSNatasha Shanique Walker

Nuestra Revista pueder ser visitada a través del sitio web:http://rci.cujae.edu.cu

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PROPÓSITOS Y ALCANCE

VISIÓNLa Revista Cubana de Ingeniería se propone contribuir a la comunicación entre los

profesionales de la ingeniería y se concibe como un foro en el que se presentan artículoscientífico-técnicos en las variadas áreas de la ingeniería, con un destaque de resultadosnovedosos y aportes de relevancia para la profesión. De esta manera, la revista se proponecontribuir a la actualización de profesionales, investigadores, profesores y estudiantes deingeniería, a la discusión científica nacional e internacional y, por consiguiente, al desarrollotecnológico y científico de Cuba en el área de la ingeniería.

PÚBLICOLa Revista Cubana de Ingeniería se dirige especialmente a la comunidad académica y científica,

nacional e internacional, centrada en el tema de la ingeniería. Ingenieros, investigadores,profesores o gerentes que trabajen en alguna de las ramas de la ingeniería o en cualquierciencia o tecnología afín constituyen el universo de lectores y contribuyentes de la revista.

TEMÁTICA Y ALCANCE DE LA REVISTAUna lista, que no pretende ser completa, de los temas de interés para la revista incluye contenidosen la solución de problemas, aplicaciones y desarrollo de la ingeniería civil, eléctrica, electrónica,hidráulica, industrial, informática, química, mecánica, mecatrónica y metalúrgica, además decontenidos asociados con la ingeniería de materiales, bioingeniería, transporte, geofísica,reingeniería y mantenimiento. También se consideran apropiados, artículos orientados a laformación de las nuevas generaciones de ingenieros, incluidos los programas de estudio, lastecnologías educativas, la informática aplicada, la gerencia universitaria y las relaciones universidad-industria.

Puesto que la práctica de la ingeniería obliga cada vez más a la interacción de sus diversasdisciplinas, esta revista le asigna la primera prioridad de publicación a los artículos donde sepreste atención a la integración multidisciplinaria, a los desarrollos interdisciplinarios y a lasaplicaciones prácticas.

A fin de asegurar una alta calidad del contenido, todos los trabajos publicados serán arbitrados.

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Vol. II, No. 3, 2011Tres números al año

SUMARIO/CONTENTS

LAS TIC COMO MEDIOS DE ENSEÑANZA EN LA FORMACIÓNDE COMPETENCIAS PROFESIONALES DE ESTUDIANTES DEINGENIERÍA/ THE ICT AS A TEACHING AID IN THEFORMATION OF PROFESSIONAL COMPETENCE WITHINENGINEERING STUDENTS

Gonzalo González ReyAlejandra García TollMaría Eugenia García Domínguez

APLICACIÓN DE LA SIMULACIÓN DE PROCESOS DURANTELA PRÁCTICA LABORAL DE ESTUDIANTES DE INGENIERÍAQUÍMICA / APLICATION OF THE SIMULATION PROCESSDURING THE WORKING PRACTICE OF CHEMICALENGINEERING STUDENTS

Mario J. Muñoz BatistaAlain Perez GonzálezOsvaldo Gozá LeónNelson Llovet de Armas

ENSEÑANZA DE LA INGENIERÍA

DISEÑO Y ANÁLISIS DE TIEMPO REAL DE UN CONTROLADORPARA MOTOR DE CORRIENTE DIRECTA / DESING AND REAL-TIME ANALYSIS OF A DIRECT CURRENT MOTOR

CONTROLLER

Reinier Torres LabradaMailén Sarmiento Fong

INGENIERÍA AUTOMÁTICA

5

REVISTA CUBANADE INGENIERÍAREVISTA CUBANADE INGENIERÍA

DESARROLLO MECATRÓNICO DE NUEVOS PRODUCTOSORIENTADO A LA CAPACIDAD TECNOLÓGICA DISPONIBLE /MECHATRONIC DEVELOPMENT OF NEW PRODUCTSORIENTED TO THE AVAILABLE TECHNOLOGICALCAPABILITY

Genovevo Morejón VizcaínoJose Ricardo Díaz CaballeroJosé Arzola Ruiz

59

EDITORIAL 4

INGENIERÍA INDUSTRIALLA CALIDAD COMO CULTURA, ESTRATEGIA DE FUTUROPARA LA EMPRESA CUBANA / QUALITY LIKE CULTURE IS AFUTURE STRATEGY FOR CUBAN COMPANY

Dayami Cruz Quesada

ESTUDIO Y CARACTERIZACIÓN DE CEMENTOS EXPANSIVOS/STUDY AND CHARACTERIZATION OF EXPANSIVECEMENT

Hugo Guerra MenéndezEduardo Peón AvésJulio E. Lanza Rodríguez

INGENIERÍA DE MATERIALES

49

45

53

37

INGENIERÍA CIVIL

INGENIERÍA MECÁNICA

PLANEACIÓN DE PROCESOS DE EMBUTICIÓN BASADA ENESTRATEGIAS DE INFORMACIÓN / PLANNING OF SHEETMETAL DRAWING PROCESSES BASED ON INFORMATIONSTRATEGIES

José Roberto Marty DelgadoYudieski Bernal AguilarAlexis Alonso Martínez

NO LINEALIDAD GEOMÉTRICA EN TORRESATIRANTADAS / NON LINEAR GEOMETRICANALYSIS IN GUYED MASTS

Vivian Elena Parnás Ingrid Fernández Lorenzo

PROBLEMAS SOCIALES DE LA CIENCIAY LA TECNOLOGÍA

25

15

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EDITORIAL .....................................................................................................Se ha dicho, y prácticamente hemos aceptado, que nos encontramos en una nueva era,reconocida como de la información, donde la tecnología resalta como un elemento importantepara el desarrollo de las actividades sociales. En este sentido, y a pesar de que posiblementeestos cambios y novedades generen riesgos a nuestra sociedad, no sería prudente negar laintroducción de las tecnologías de la información y las comunicaciones (TIC) en los diferentesámbitos de la vida social y particularmente en el desarrollo de la ingeniería y su enseñanza.

En la actualidad, las TIC impactan enormemente en la globalización del conocimiento y sereconocen como herramientas valiosas y muy utilizadas en la creación de sistemas de apoyo alaprendizaje y transmisión de experiencias educativas, mucho más cuando no requieren incluiruna importante componente práctica distintiva de los laboratorios convencionales. Este nuevoescenario ha permitido desarrollar en los procesos universitarios un entorno de enseñanza enespacios virtuales, donde además de potenciar la transmisión del conocimiento puede serenriquecido el autoaprendizaje del alumno.

En Cuba, la incorporación de las TIC a los procesos de enseñanza de la ingeniería ha implicadocambios trascendentales en la actividad académica de nuestras universidades. Las necesariasmodificaciones en el proceso educativo han incluido transformaciones de los medios de enseñanza,los modelos de enseñanza-aprendizaje y en los programas curriculares universitarios.Adicionalmente, es evidente que el modo de actuar del ingeniero cubano se ha enriquecido con eluso de los nuevos programas de simulación y modelado en entornos virtuales para la creación,estudio y análisis de procesos, sistemas y componentes de máquinas y equipos.

Un análisis de los temas tratados en este número revelan la importante aplicación que hacennuestros académicos e ingenieros de las TICs y los entonos virtuales para el modelado ysimulación en el desarrollo de estudios e investigaciones científicas, en un tiempo donde losproblemas asociados con el diseño y el análisis estructural son cada vez más complejos ymultidisciplinarios. En esta dirección, traemos a la consideración del lector en temas deenseñanza de la ingeniería dos artículos con evidencias de experiencias académicas enentornos virtuales de enseñanza, uno de ellos con referencia a un banco simulado paraprecalentamiento de una unidad de craqueo catalítico fluidizado y otro valorando aspectos de laformación de competencias profesionales haciendo uso de las TIC como medios de enseñanza.En temas de ingeniería aplicada, se presentan resultados derivados de modelos virtuales ymatemáticos orientados al análisis estructural de torres atirantadas en condiciones de carga ycomportamiento no lineal, a la simulación de procesos de embutido de chapas y al análisis detiempo real para un controlador de motores de corriente directa, entre otros.

De esta forma, Revista Cubana de Ingeniería, sigue contribuyendo con la divulgación deaquellos importantes resultados de investigaciones nacionales, que de forma general, ayudan ala comunicación, reconocimiento y buen desarrollo del trabajo e intercambio científico entre losprofesionales de la ingeniería, y aprovecha la oportunidad para desear a todos nuestros lectoresun feliz final de año y un buen inicio del próximo.

Dr. Gonzalo González Rey

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Recibido: 22 de mayo de 2011 Aprobado: 14 junio de 2011

Revista Cubana de Ingeniería, II(3), 5-11, 2011

Las TIC como medios de enseñanzaen la formación de competenciasprofesionales de estudiantes deingeniería

ENSEÑANZA DE LA INGENIERÍA

ResumenEn la actualidad, la aplicación de las tecnologías de la información y las comunicaciones en elproceso de enseñanza producen grandes cambios en las enseñanzas de las ingenierías. En estetrabajo se muestran algunas de las posibilidades de las Tecnologías de la Información y las Comuni-caciones (TIC) en el proceso docente-educativo como medios de enseñanza y en la formación de lascompetencias profesionales de estudiantes de la carrera de Ingeniería Mecánica. Los ejemplos deaplicación de las TIC como medios de enseñanza y la valoración de su impacto en la formación de lascompetencias profesionales son analizados después de un trabajo sistémico y sostenido en loscursos de Elementos de Máquinas de la disciplina de Mecánica Aplicada de la carrera de IngenieríaMecánica.

Palabras clave: tecnologías de la información y las comunicaciones, TIC, virtualización, competenciaprofesional, estudiante, ingeniería mecánica, elementos de máquinas

Gonzalo González Rey Artículo OriginalCorreo electrónico:[email protected]

Alejandra García TollCorreo electrónico:[email protected]

María Eugenia García DomínguezCorreo electrónico:[email protected] Superior Politécnico José Antonio Echeverría, Cujae, La Habana, Cuba

INTRODUCCIÓNEn la actualidad, se ha podido corroborar que el desarrollo

vertiginoso de las Tecnologías de la Información y lasComunicaciones (TICs) ejercen gran influencia en losprocesos educativos en la Universidad y han promovidocambios trascendentales en las actividades de la educaciónsuperior y sus esferas de actuación. [1]

Con el objetivo de asimilar e integrar las Tecnologías de laInformación y las Comunicaciones en la educación superior,han sido introducidos en el proceso educativo modificacionesque contemplan transformaciones de los modelos deenseñanza-aprendizaje, los programas curricularesuniversitarios y el modo de funcionar de las institucionesacadémicas, [1] pero también se han producidos cambios yevoluciones de las competencias pedagógicas y tecnológicasde los profesores con la inclusión de nuevas formas y medios

de enseñanza, de manera que las aplicaciones de las TICsen el proceso docente-educativo se reconocen como efectivosmedios de enseñanza, con un fuerte impacto en el desarrollodel conocimiento orientado a la aprehensión de losfundamentos de la ingeniería moderna y en la formación delas competencias profesionales de estudiantes de carrerasde ingeniería.

Todo lo anterior ha sido motivación para que en este trabajose presenten resultados que muestran las posibilidades delas TIC en el proceso docente-educativo como medios deenseñanza y en la formación de las competenciasprofesionales de estudiantes de la carrera de IngenieríaMecánica, de manera que la experiencia de su aplicaciónpueda ser generalizada en diferentes disciplinas y cursosen las carreras de ingeniería. Los ejemplos mostrados deaplicación de las TIC como medios de enseñanza y la

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valoración de su impacto en la formación de las competenciasprofesionales son derivados de un trabajo sistémico ysostenido en los cursos de Elementos de Máquinas de ladisciplina de Mecánica Aplicada de la carrera de IngenieríaMecánica en el Instituto Superior Politécnico José AntonioEcheverría de La Habana,Cuba.

LAS TIC Y LOS PROCESOS EDUCATIVOSEN LA UNIVERSIDAD

La computación, la informática, los sistemas de redes, elcontrol automatizado, el correo electrónico y la multimedia,son entre otros, los objetos y bases de las Tecnologías de laInformación y las Comunicaciones (TIC) y constituyen actoresfundamentales del progreso socioeconómico de la sociedad.En la actualidad, se ha podido corroborar que el desarrollovertiginoso de estas tecnologías ejerce gran influencia enlas relaciones económicas, políticas y sociales de lahumanidad.

La incorporación de las TIC a los procesos educativos enla Universidad ha implicado cambios trascendentales en lasesferas de su actividad. Las modificaciones en el procesoeducativo han incluido transformaciones de los medios deenseñanza, los modelos de enseñanza-aprendizaje conevoluciones de las competencias pedagógicas y tecnológicasde los profesores, los programas curriculares universitariosy el modo de funcionar de las instituciones académicas. [2]

La experiencia de años en la docencia de pregrado, permiteidentificar la implementación de las TIC en el proceso docente-educativo como efectivas herramientas y medios deenseñanza, con un fuerte impacto en el desarrollo delconocimiento orientado a la aprehensión de los fundamentosde la ingeniería moderna y en la formación de lascompetencias profesionales de estudiantes de carreras deingeniería.

Un análisis integral de su impacto, permite afirmar que lasTIC seguirán modificando la forma de elaboración, adquisicióny transmisión de los conocimientos y permitirán a laeducación y la enseñanza una mejor manera de producir,organizar, difundir y controlar el saber, por lo que ellasconstituyen una herramienta importante para ser aplicadascon éxito en los procesos cognitivos y educativos del procesodocente-educativo que se desarrolla en la educación superior.

LAS COMPETENCIAS PROFESIONALESEN ESTUDIANTES DE INGENIERÍA

Aunque, como suele ocurrir en las ciencias pedagógicas,son varias las definiciones que pueden ser aceptables paraclarificar las competencias profesionales [3], [4], [5] se puededefinir la competencia profesional como: "el conjunto deconocimientos, habilidades y actitudes del sujeto coordinadase integradas en la acción, necesarias para ejercer unaprofesión, adquiridas a través de la experiencia en eltranscurso de su formación y ulterior desempeño profesional,que permiten al individuo resolver, de manera eficaz, autónoma

y flexible, problemas profesionales en contextos socialesespecíficos"... [6]

En la ingeniería moderna, la utilización eficiente de lasTecnologías de la Información y las Comunicaciones (TIC)constituye una actividad de primer orden en las competenciasdemandas a los profesionales actuales, si se tiene en cuentaque, a través de ellas, se logra un mejor manejo de losprocedimientos de captación y almacenamiento deinformación especializada y actualizada; un adecuadoprocesamiento de la información; una amplia divulgación delconocimiento y la información; y un reforzamiento de lacomunicación y el trabajo colaborativo entre grupos deespecialistas.

Por otro lado, estudios realizados [6], [7], [8] demuestranque el desarrollo de las competencias profesionales básicasen los jóvenes graduados cubanos tiene aún que avanzarpara lograr la graduación de un profesional de excelenciaque le permita insertarse en el actual desarrol locontemporáneo. Esta situación ha constituido y constituyeun problema en el ámbito profesional y educacional, enespecial en la educación superior, donde los profesores debenhacer uso de múltiples procedimientos y herramientas quecoadyuven a la graduación de profesionales con una sólidaformación básica, con habilidades para la solución de losproblemas más generales y frecuentes de su profesión, queincluyan la apropiación de los modos de actuación profesionalespecíficos característicos de la profesión, y que poseaademás un conjunto de habilidades profesionales generalesque le permitan alcanzar una formación integral cultural yeducativa en el sentido más amplio de estos términos.

Todo lo antes mencionado, requiere de la introducción enel proceso educativo de determinadas actividades con unaconcepción tal, particularmente en el campo de las CienciasTécnicas, que promueva jóvenes profesionales conconocimientos, habilidades y valores, que le permitan poneral servicio de la humanidad el desarrollo de la ciencia y latecnología, con racionalidad económica, adecuado uso delos recursos humanos y materiales, minimizando el deteriorodel medio ambiente y preservando los principios éticos desu sociedad.

LAS TIC COMO MEDIOS DE ENSEÑANZADISTINTIVOS EN LA FORMACIÓN DECOMPETENCIAS PROFESIONALES

Las amplias posibilidades de las Tecnologías de laInformación y las Comunicaciones (TIC) en el procesodocente-educativo como medios de enseñanza y en laformación de las competencias profesionales de estudiantesde carreras de ingeniería son experiencias que pueden sergeneralizables y aplicadas en diferentes disciplinas y cursosasociados a las carreras de ingeniería.

A continuación se muestran algunas de las aplicacionesde las TIC en los cursos de Elementos de Máquinas de ladisciplina de Mecánica Aplicada en la carrera de Ingeniería

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Mecánica que se desarrolla en el Instituto SuperiorPolitécnico José Antonio Echeverría de La Habana, Cuba.

Sitio Web de Elementos de MáquinasEn los cursos de Elementos de Máquinas I y II el estudiante

dispone un sitio Web desarrollado especialmente comoapoyo a las clases presenciales, con total y libre acceso.La figura 1 muestra las imágenes iniciales del mencionadositio Web. Los materiales y la información disponible esvariada y en diferentes formatos. El sitio Web contieneinformación general y especializada para todos los temasde los cursos, además de servir como repositorio de artículos,catálogos, normas, animaciones y programas de cálculovinculados con todos los temas que son impartidos en clases.

Centro Virtual de Recursos de Elementos de MáquinasLos cursos de Elementos de Máquinas, en la disciplina

de Mecánica Aplicada, han hecho uso de un Centro Virtualde Recursos (CVR-Máquinas) en el proceso docente conprobadas facilidades para los alumnos de localizar recursosdigitales y mejor comprensión de los contenidos. [9]

La experiencia del trabajo con los estudiantes que empleanel Centro Virtual de Recursos (CVR) de Elementos deMáquinas permite afirmar que estos tipos de repositoriosson una forma práctica e importante para el intercambio deinformación y promover en los futuros profesionales lacompetencia en la utilización de las tecnologías deinformación y comunicación al tener que hacer un empleoconsciente del intercambio de opiniones por correoelectrónico, trabajar en listas de distribución y discusión,realizar consulta de bases de datos on-line, compilar módulosde documentos electrónicos en ficheros ftp y elaborardocumentos en formato pdf para publicar en el CVR.

Las figuras 2 y 3 muestran algunas de las funciones quepermite el CVR de Elementos de Máquinas, elaborado segúnmodelo desarrollado en el Centro de Referencia para laEducación de Avanzada (CREA) del Instituto SuperiorPolitécnico José Antonio Echeverría.

Adicionalmente, el trabajo con el CVR-Máquinas, hademostrado que brinda a los alumnos facilidades paralocalizar recursos (documentos, videos, enlaces a Web, etc.)de apoyo al desarrollo del proceso de enseñanza, demandaen el proceso docente una organización estructurada portemas muy acorde con la enseñanza de la Ingeniería yrequiere de los alumnos responsabilidad y dedicación alestudio con la posibilidad que el profesor tenga un control dela consulta de los recursos.

Materiales en ftpEn los cursos de Elementos de Máquinas I y II se disponen

de dos carpetas en el sitio de ftp de la Intranet de la Facultad.Esas dos carpetas funcionan como repositorio alternativo ymás actualizado de materiales digitales de apoyo a loscursos. Adicionalmente y en base a la experiencia de añosde uso de esta herramienta, se observa que cuando losprofesores del curso publican los materiales en el sitio de ftpnecesariamente deben tomar conciencia de organizar elcurso desde un inicio y establecer consecuentemente lasecuencia de actividades, el programa analítico y las "reglas"del curso.

La disponibilidad de variada información permite dictarpautas para una enseñanza flexible y abierta, donde la tomade decisiones sobre el aprendizaje depende de lasorientaciones del profesor y de la responsabilidad del alumnoen la consulta de otros materiales, propiciándose unacercamiento a modelos de enseñanza-aprendizajecentrados en el estudiante.

Fig. 1. Portal y primera página del sitio Web de cursos de Elementos de Máquinas.

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La figura 4 muestra la organización de uno de los directoriosprincipales de los cursos de Elementos de Máquinas I en elsitio de ftp y el desglose por contenido disponible de uno desus temas del programa del curso.

En general, publicar materiales en un sitio de ftp es unaforma efectiva de facilitar el acceso a estudiantes y profesoresa una información básica, de apoyo y didáctica de alta calidad(presentaciones, vídeos, efectos de animación, software, etc.).

Fig. 2. Portal y primera página de miembros del CVR de Elementos de Máquinas.

Fig. 3. Páginas del CVR de Elementos de Máquinas con acceso a los recursos publicados y con identificación del recursomás visitado.

Fig. 4. A la izquierda se muestra la organización de los directorios principales del curso de Elementos de Máquinas I en el sitiode ftp. A la derecha se muestra la organización del directorio del tema de Transmisiones por Correas (correa) con lecturas(artículos científico-técnicos), programas de computación, normas, presentaciones (ppt) y videos.

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Fig. 8. En la parte superior se observa una imagen devideo que describe particularidades constructivas deun rodamiento del tipo partido. La imagen inferiormuestra un complejo mecanismo de engranaje.

Materiales de apoyo didáctico en clasesEs indiscutible que una de las ventajas que ofrecen las

TIC como medios de enseñanza es la de permitir mejorespresentaciones de apoyo a las conferencias con dibujos eimágenes de calidad. Además de brindar la posibilidad dehacer uso de imágenes en movimiento que permiten un mejorentendimiento al alumno de la explicación del profesor y lograrcon una imagen lo que a veces sería imposible de explicarcon palabras en una conferencia. Las figuras 5, 6 y 7muestran algunas de las imágenes empleadas en laspresentaciones de los cursos de Elementos de Máquinas Iy II que facilitan la trasmisión de información profesor-alumnoy la comprensión de contenidos complejos y difíciles deexplicar fuera de un contexto práctico.

También el uso de videos permite disponer de otra ampliavariedad de recursos para motivar y facilitar el aprendizajedel estudiante. En la figura 8 se muestran imágenes de videospara explicar características de rodamientos partidos (muyespecializados) y la complejidad de un sistema detransmisión por engranajes empleado en la antigüedad y quemuestra el ingenio de los hombres desde épocas remotas.

Otros materiales de apoyo didáctico a las clasesAdemás de los medios de enseñanza desarrollados en

base a las TIC, otros pueden ser presentados, pero lanecesidad de no hacer extenso este reporte hace que solosean mencionados algunos:

1. Sitio Web de Diseño Mecánico en Emagister.com (WebMaster español). Ver figura 9.

2. Sitio Web de Transmisiones Mecánica en la Facultadde Ingeniería Mecánica de la Universidad de Buenos Aires(Argentina). Ver figura 10.

3.Curso a Distancia en el sitio Web MailxMail deFundamentos del Cálculo de Transmisiones Mecánicas.(reproducido por varios sitios imágenes). Ver figura 11.

Fig. 5. Imagen para explicar soluciones constructivas enengranajes de tornillo sinfín.

Fig. 6. Imagen para presentar problema de selección del pasoen cadena de transmisión.

Fig. 7. Imagen en movimiento para explicar la generación deuna rueda dentada.

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Fig. 9. Sitio Web de Diseño Mecánico con más de 5 900 miembros.

Fig. 10. Sitio Web de Transmisiones Mecánicas en la FIUBA (Argentina).

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RESULTADOS EN EL MEJORAMIENTODE COMPETENCIAS PROFESIONALESESPECÍFICAS EN ESTUDIANTES DEINGENIERÍA MECÁNICA

En sentido general, resultados derivados de la valoracióndel mejoramiento de las competencias profesionalesespecíficas en los estudiantes vinculados a los cursos conaplicación de las TIC como medios de enseñanza permitendeclarar de muy positiva esta experiencia basada en unamejor aprehensión y aplicación de conocimientos teóricos ytecnológicos.

Algunos resultados, como ejemplos que permiten validarla anterior afirmación, se observa en los resultadoscompilados y reflejados en las figura 12, 13, y 14. Estosresultados son valores promedios de evaluaciones sistémicasy continuas de las competencias profesionales específicasen los estudiantes vinculados a los cursos de Elementos deMáquinas antes mencionados.

Fig. 11. Web del curso Fundamentos del Cálculo de Transmisiones Mecánicas Industriales en el sitio Web deEmagister.con-Cursos.

33,43,84,24,6

1ra 2da 3ra 4ta

2007200520062004

Fig. 12. Promedio de notas en las evaluaciones parciales.Pueden notarse los mejores resultados en las pruebas segúnavanza el curso y el uso de las TIC como medios de enseñanza.Asignatura Elementos de Máquinas I. Alumnos de 4to. año.Carrera de Ingeniería Mecánica. Cujae, La Habana.

0

50

100

1er encuentro 2do encuentro 3er encuentro

2004

2005

20062007

Fig. 13. Promedio del uso de normas en las soluciones dediseño brindadas por los alumnos en el proyecto de curso.Puede notarse cómo aumenta la aplicación y reconocimientode las normas como herramienta del ingeniero según avanzael proyecto de curso y conocen de la disponibilidad de ellasen el sitio Web de la asignatura. Asignatura Elementos deMáquinas I. Alumnos de 4to. año. Carrera de IngenieríaMecánica. Cujae, La Habana.

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CONCLUSIONESLa verdadera importancia del rol de las Tecnologías de la

Información y las Comunicaciones (TIC) en la educaciónsuperior está dada por su flexibilidad para ser empleada comoherramienta en el desarrollo de mejores medios de enseñanzay la capacidad disponible para desarrollar competenciasprofesionales básicas y especificas a estudiantes de carrerasde ingeniería, mediante una excelente motivación yfacilidades para el acceso a materiales digitales que permitenaumentar la cantidad y calidad del conocimiento con elcontrol del profesor y el propio autocontrol del estudiante.

Los ejemplos de aplicación de las TIC como medios deenseñanza y la valoración de su impacto en la formación delas competencias profesionales que han sido presentadosen este trabajo son derivados de un trabajo sistémico ysostenido en los cursos de Elementos de Máquinas de ladisciplina de Mecánica Aplicada de la carrera de IngenieríaMecánica y puedan ser generalizados mediante su aplicaciónen diferentes cursos de carreras de ingeniería.

REFERENCIAS1. DÍAZ FERNÁNDEZ, Georgina. "Hacia una didáctica del

uso de las TIC como medio de enseñanza aprendizaje".En:Memorias del 7mo. Congreso Internacional de EducaciónSuperior – Universidad 2010, VIR 122 (La Habana, 8 al12 de Febrero de 2010), Cuba 2010. 12 pp.

2. PERÉZ-DELGADO, María Luisa. "Trabajo en equipo yuso de las nuevas tecnologías para facilitar la participaciónactiva del alumno en su proceso formativo". En: Memoriasde las Terceras Jornadas de Innovación Educativa-ElEspacio Europeo de Educación Superior: NuevasEstrategias Docentes (Zamora 22 al 24 de Junio de 2010),España 2010, pp. 118-126. ISBN: 978-84-7800-193-4.

3. GONZÁLEZ MAURA, Viviana. "¿Qué significa ser unprofesional competente? Reflexiones desde unaperspectiva psicológica", Revista Cubana de EducaciónSuperior. 2002, vol XXII, núm. 1, pp. 45 – 53. Disponibleen línea en: http://www.utan.edu.mx/documentos/

020406080

100

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20052007

Fig. 14. Porcentaje de alumnos que muestran habilidades enla identificación de las mediciones mecánicas de control y elestablecimiento de las tolerancias dimensionales de laspiezas. Puede notarse que la cantidad de alumnos que mejoranlas habilidades profesionales con una mejor comprensión delos contenidos de mediciones mecánicas aumentan segúnavanza la asignatura y disponen de los recursos digitaleslocalizados en el Centro Virtual de Recursos.

f o r m a t o s _ f o r m a c i o n _ x _ c o m p e t e n c i a s /profesional_competente.pdf [consulta: 10 febrero 2011].

4. COCCA, Jorge Alberto. "Competencias profesionales ycurrículo de ingeniería". Taller de la CONFEDI- FCEIA –UNR. Argentina. Agosto 2006. Presentación en ppt.Disponible en línea en: http://www.confedi.org.ar/compo-nent/option,com_docman/task,doc_view/gid,141/[consulta: 8 febrero 2011].

5. GALLART, María Antonia y JACINTO, Claudia.Competencias laborales: tema clave en la articulacióneducación-trabajo. Boletín de la Red Latinoamericana deEducación y Trabajo, CIID-CENEP, vol. 6, núm, 2.Diciembre 1995. Buenos Aires. Argentina. Disponible enlínea en:http://www.oei.es/oeivirt/fp/cuad2a04.htm[consulta: 8 febrero 2011].

6. IÑIGO BAJOS, Enrique et al. "El proceso de reproducciónsocial de los jóvenes profesionales en cuba. Análisis desu impacto en los graduados de 1996 al 2000". Informeal Ministerio de Educación Superior de Cuba. Centro deEstudios para el Perfeccionamiento de la EducaciónSuperior. Universidad de La Habana. Ciudad de LaHabana, Julio 2003. 20 pp.

7. GONZÁLEZ REY, Gonzalo et al. "Experiencias en laformación de competencias profesionales en estudiantesde ingeniería mecánica mediante el desarrollo deproyectos de cursos". En: Memorias de las PrimerasJornadas de Innovación Educativa (Zamora 19 al 22 deJunio de 2007), España 2007. 8 pp. Referido en línea en:http://dialnet.unirioja.es/servlet/articulo?codigo=2901942[consulta: 22 febrero 2011].

8. GONZÁLEZ REY, Gonzalo et al. "La actividad denormalización y el desarrol lo de competenciasprofesionales en estudiantes de ingeniería". RevistaCubana de Ingeniería, vol. 2, núm.1, pp. 13-20. Ciudadde La Habana, 2011.

9. ALONSO BECERRA, Alicia. et al. "Una experiencia paradesarrollar una comunidad virtual: Centro de Recursosde las Comisiones Nacionales de Carrera ".En: Memoriasdel 7mo. Congreso Internacional de Educación SuperiorUniversidad 2010, VIR 149 (La Habana, 8 al 12 de Febrerode 2010), Cuba 2010. 12pp.

AUTORESGonzalo González ReyIngeniero Mecánico, Doctor en Ciencias Técnicas, ProfesorPrincipal de Elementos de Máquinas, Facultad de IngenieríaMecánica, Instituto Superior Politécnico José AntonioEcheverría, Cujae, La Habana, Cuba.Miembro Académico de la Asociación Americana deFabricantes de Engranajes (AGMA), Miembro Experto enel Comité Técnico de Engranajes de la Organización parala Normalización Internacional (ISOTC60).

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Gonzalo González Rey - Alejandra García Toll - María Eugenia García Domínguez

R e v i s t a C u b a n a d e I n g e n i e r í a 13

Presidente del Comité Técnico de Normalización Cubanode Elementos de Máquinas.

Alejandra García TollIngeniera Mecánica, Máster en Diseño Mecánico, ProfesoraAuxiliar, Facultad de Ingeniería Mecánica, Instituto SuperiorPolitécnico José Antonio Echeverría, Cujae, La Habana, Cuba.Miembro del Comité Técnico de Normalización Cubano deElementos de Máquinas.

AbstractIn present days, the application of information and communication technologies (ICTs) in teachingprocesses has made great changes in engineering teaching. In this article, the possibilities that theapplication of ICTs offers in the educational process as a teaching aid are exposed. In the career ofMechanical Engineering during the courses of Machine Elements Design some ICTs application as ateaching medium are used in a systematic and consistent manner. After which, the impact of itsapplication is evaluated with regard to the formation of professional competence within mechanicalengineering students.

Key words: Information and communication technologies, ICT, virtualization, professional competence,student, mechanical engineering, machine elements

The ICT as a Teaching Aid in the Formation of Professional

Competence Within Engineering Students

Miembro Experto en el Comité Técnico de Engranajes de laOrganización para la Normalización Internacional (ISOTC60)

María Eugenia García DomínguezIngeniera Mecánica, Máster en Diseño Mecánico, ProfesoraAuxiliar, Facultad de Ingeniería Mecánica, Instituto SuperiorPolitécnico José Antonio Echeverría, Cujae, La Habana, Cuba.Miembro del Comité Técnico de Normalización Cubano deElementos de Máquinas

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Recibido: 6 de julio de 2011 Aprobado: 28 de agosto de 2011

Revista Cubana de Ingeniería, 3(II), 15-23, 2011

Aplicación de la simulaciónde procesos durante la práctica laboralde estudiantes de Ingeniería Química

ENSEÑANZA DE LA INGENIERÍA

ResumenEl éxito de los graduados de Ingeniería Química depende en gran medida de cuáles habilidades yaptitudes han incorporado durante su formación. Los empleadores de estos graduados no solo requie-ren que los mismos tengan un conocimiento acumulado de los principios básicos de la ingeniería,sino que además los puedan aplicar de manera creativa en la solución de problemas que se presentanen la práctica. Este trabajo trata acerca de una de las formas que contribuye a que los estudiantesadquieran habilidades importantes para su posterior desempeño dentro de las industrias de procesos.En la práctica laboral de los estudiantes de ingeniería de tercer año se introduce el uso del simuladorHYSYS para realizar la evaluación energética. Se muestra el esquema de simulación obtenido delbanco de precalentamiento de una unidad de craqueo catalítico fluidizado. El modelo es construido demanera tal que se utilizan los módulos predefinidos en HYSYS, sin embargo, para la evaluaciónenergética del horno se emplea la hoja de cálculo del programa donde se programan las expresionesque se utilizan para la evaluación energética de este tipo de equipamiento. Esto último da la posibili-dad desde el punto de vista metodológico de señalar acerca de la necesidad que a veces se tiene deutilizar modelos propios para la simulación de equipos específicos. Finalmente, el modelo de simula-ción es empleado para estudiar el comportamiento energético del sistema ante cambios en algunasde las variables de operación con mayores perturbaciones. Se demuestra entonces que la combina-ción de la simulación dentro de este tipo de asignaturas ayuda a mejorar el alcance de estas posibi-litando que los estudiantes se relacionen desde su formación con una de las técnicas más avanzadaspara el análisis de procesos en la actualidad.

Palabras clave: simulación de procesos, evaluación energética, banco de intercambio de calor.

Mario J. Muñoz Batista Artículo OriginalCorreo electrónico:[email protected]

Alain Pérez GonzálezCorreo electrónico:[email protected]

Osvaldo Gozá LeónCorreo electrónico:[email protected] Superior Politécnico José Antonio Echeverría, Cujae, La Habana, Cuba

Nelson Llovet de ArmasCorreo electrónico:[email protected]ía Ñico López, Regla, La Habana, Cuba

INTRODUCCIÓNLa educación universitaria cubana se encuentra en un

período de modificaciones importantes para lograr laadecuada preparación de sus profesionales. Los jóvenesgraduados son los encargados de conducir la vida económica,social y política del país, y hacerlo con la profesionalidadnecesaria. La entrada en vigor del nuevo plan de estudio, así

como nuevas estrategias de preparación de los jóvenesprofesores adiestrados confirman los esfuerzos a realizarpara alcanzar mejores condiciones en la formación.

En el área tecnológica, las carreras de ingenieríaconstituyen un pilar fundamental en el desarrollo industrial.Ante las crisis mundiales en varios de los sectores queafectan el desarrollo económico del país, los ingenieros sonlos encargados de utilizar los principios básicos de las

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ciencias naturales como herramientas para incrementar lacalidad de vida de la sociedad y preservar el entorno natural,bajo un esquema de desarrollo sostenible. [1] La situaciónmundial actual en varias esferas donde actúan directamentelos perfiles ingenieriles, hace necesaria la formación deingenieros que posean tres características fundamentales:excelencia en los campos académico y profesional,elevada formación personal, elevada formación social yhumanista. [1]

La Ingeniería Química es una de las especialidades quemayor cantidad de sectores industriales abarca, por lo queen dependencia de las necesidades de los territorios en loscuales las universidades ubican sus egresados, es necesarioque se adapte su currículo e introduzcan cursos orientadosa fortalecer la formación profesional que la región y el paísdemande. [2] Para esto es imprescindible lograr que funcionecorrectamente el ciclo de asignaturas básicas que incluyatópicos como: Matemáticas, Química, Física, ComputaciónAplicada, entre otras, lo que permitirá al estudiante obteneruna base teórico-práctica que le permita adquirir una visiónamplia de los fenómenos físicos que ocurren a su alrededor.Con esta formación el estudiante estará en condiciones deasimilar correctamente cursos clásicos de la carrera deIngeniería Química, tales como: Balances de Masa y Energía,Termodinámica, Operaciones Unitarias, Ingeniería de lasReacciones Químicas, y otras.

Paralelo a estas asignaturas, el vínculo laboral-investigativo(práctica laboral) juega un papel primordial en el desarrollode los ingenieros, porque tiene la característica de integrarun grupo importante de los conocimientos dados hasta esemomento de la carrera y aplicarlos a casos reales enprocesos industriales de relevancia en el entorno delestudiante, acordes con el medio socio-industrial en que sedesenvuelve. Se trata de estrechar mejor el vínculo entre loque ha sido un dilema en la enseñanza de la IngenieríaQuímica, o sea, mantener el contacto entre las necesidadesde la industria o incorporar nuevos conceptos científicos enel currículo de la carrera. [3] Entre las esferas en plenodesarrollo industrial del país y de una importancia estratégicase encuentra la industria del petróleo. Proyectos deremodelación de plantas existentes; de análisis delcomportamiento energético de procesos y/o subprocesos; [4]así como de construcción de nuevas refinerías justifican lanecesidad que los egresados de la carrera de IngenieríaQuímica terminen la especial idad con mayoresconocimientos. En este sentido, el rol de la universidad esimpartir a los futuros ingenieros químicos el bagaje conceptualnecesario para la operación, control y optimización de losprocesos de refinación del petróleo, sin incurrir en el errorque significaría incluir un número desmesurado deasignaturas o pretender suministrar al estudiante un volumenexagerado de conocimientos de diversa índole. [5]

En este trabajo se muestran los resultados de la aplicaciónde la simulación de procesos a la sección deprecalentamiento del inyecto de la Unidad de CraqueoCatalítico Fluidizado en que se desarrolló el vínculo laboral-investigativo de estudiantes de tercer año de la carrera deIngeniería Química. Estos resultados demuestran las

potencialidades que se pueden alcanzar en la formación denuevos ingenieros sobre la base del aprendizaje in situ ymuy estrechamente relacionado con la simulación deprocesos en una de las industrias primordiales para estaregión del país.

SIMULACIÓN DE PROCESOSEN INGENIERÍA QUÍMICA

La industria de refinación de petróleo es una de las máscomplejas, pues involucra una gran diversidad de procesostanto físicos como químicos. La mayoría de los autores queabordan el tema afirman que para el estudio de la ingenieríaquímica, esta industria es una muy buena oportunidad devinculación entre los conceptos básicos de la especialidady la práctica, lo que se debe en gran medida a que en estase encuentran presentes las más importantes operacionesy procesos unitarios que son objetos de estudio durante laetapa lectiva.

Una de las unidades más importantes en los esquemasde refinación de petróleo de las refinerías modernas es laUnidad de Craqueo Catalítico Fluidizado. Adicionalmente lacombinación de equipos donde pueden realizarse balancesde masa y energía concatenados en la misma plantaindustrial, constituyen un excelente ejemplo didáctico de laelaboración de un producto a gran escala. [1] Es por estoque se afirma que el análisis energético del banco deprecalentamiento del inyecto a esta unidad constituye unaexcelente herramienta didáctica para la aplicación de losconceptos impartidos en clases con aplicacioneseminentemente prácticas.

Apoyado en lo anterior, se han desarrollado para laasignatura Balance de Masa y Energía, en la Facultad deIngeniería Química del Instituto Superior Politécnico JoséAntonio Echeverría, ejercicios docentes en la sección deprecalentamiento de inyecto a la Unidad de CraqueoCatalítico Fluidizado de una refinería cubana. [6] Estosejercicios garantizan que los estudiantes de tercer año demanera creativa analicen y sugieran soluciones a problemasprácticos. Para ello, durante el desarrollo del proyecto utilizanla programación en Excel a partir de lo cual realizan unprofundo análisis del proceso en cuestión. No obstante, porlimitaciones de tiempo y de concepción de la asignatura, elanálisis no utiliza las potencialidades de los simuladores deprocesos profesionales, por lo que la práctica laboral es unaexcelente oportunidad para profundizar más en el sistemaestudiado y desarrollar habilidades en el uso de estosprogramas, lo cual es de gran importancia en la formaciónde los ingenieros en el contexto de la ingeniería químicaactual.

Los egresados de Ingeniería Química deben estarpreparados para utilizar la simulación de procesos siempreque sea posible en el ámbito del ejercicio de la profesión. Lagarantía de un alto nivel de competencia en el uso de lasimulación se alcanza cuando esta simulación es empleada

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con juicio de manera paralela con las asignaturas de laespecialidad. [7] El potencial de la simulación comoherramienta de desarrollo ha sido probado muchas veces enla industria química, [8][9] en la actualidad es muy pocoprobable que se acepte o proponga algún cambio tecnológicosin haberlo simulado previamente.

La ingeniería química actual cuenta con potentesherramientas de simulación las cuales incluso van más alládel diseño, se utilizan para la evaluación, el diagnóstico y laoptimización de procesos. Todas estas ventajas hanpropiciado que la simulación de procesos sea una de lastécnicas de análisis de procesos más difundida, bienestablecida desde la mitad de los años sesenta yampliamente reportada en la literatura.

El desarrollo de simuladores de procesos a nivel mundialse ha desenvuelto a pasos agigantados. Muchos son lossimuladores de procesos profesionales que se encuentrandisponibles en el mercado, entre los que destaca el HYSYSy el Aspen Plus ambos propiedad de la compañía AspenTechnorteamericana. Por su interfaz amigable e interactiva, [10]excelentes resultados y cultura de uso a partir de las antiguasrelaciones entre la empresa petrolera cubana y el antiguodueño de este simulador (Hyprotech), es que HYSYS esutilizado con mayor frecuencia en las industrias del sectorpetrolero cubano, lo que brinda la posibilidad de realizarestudios de simulación conjuntamente entre la universidady la industria.

El éxito de esta herramienta como complemento en eldesarrollo profesional de los estudiantes de ingeniería químicase encuentra en la conjugación de los dos enfoques de lasimulación: simulación modular y orientada a ecuaciones.Es importante entonces hacer coincidir la aplicación de cadauno de los enfoques, demostrar al estudiante las ventajas ydesventajas de estos y lograr que sean capaces de realizaranálisis de procesos con un alto rigor científico.

CASO DE ESTUDIO: BANCODE PRECALENTAMIENTO DE INYECTO

En el caso de estudio se utiliza el simulador de procesosHYSYS para obtener un modelo de simulación del banco deprecalentamiento del inyecto a una Unidad de CraqueoCatalítico Fluidizado. Este permite comparar los resultadosobtenidos en el proyecto de curso de la asignatura Balancede Masa y Energía y los obtenidos durante la estancia en laindustria. Permite también profundizar el análisis del sistemaa partir de tener en cuenta otros equipos que pertenecen ala sección como son los enfriadores de tubo y coraza y losenfriadores del tipo caja de agua.

Como puede verse en la figura 1, la sección estudiadacomienza en los tanques 216 y 217 donde se almacena elinyecto o plato colector. Este es succionado por las bombasP-501 A y B para entrar a los intercambiadores de calorE-503 A y B donde el producto que cede calor es larecirculación de tope (TPA) de la torre fraccionadora T-501.

Luego intercambia calor en el E-504 donde el portador calóricoes el gas oi l l igero (LCO). El inyecto sigue suprecalentamiento en los intercambiadores E-505 A y B conla recirculación media de la torre fraccionadora (MPA). Alsalir el inyecto de los E-505 A y B entra al E-506, pero aquía diferencia de los otros intercambiadores el inyecto va porla coraza y el producto que cede calor, que es el Slurry(SPA), va por los tubos debido a que este, en su composición,tiene restos de catalizador que erosiona los metalesdestruyéndolos con facilidad. El SPA es el fluido más calientedel banco de intercambio, por eso es el cuarto en cedercalor. En este equipo también existe la posibilidad de desviarel inyecto con el objetivo de controlar el intercambio de caloren este.

En el horno F-501 el inyecto completa su precalentamientopara su posterior reacción. Este equipo está constituido pordos zonas, la de convección que es la de menor temperaturay la de radiación o de mayor temperatura. El inyecto entra ala zona de convección por cuatro pases ya que por ser lazona menos caliente se distribuye la masa para tratar deabsorber la mayor cantidad de calor posible, posteriormenteen la zona de radiación se unifican en dos pases por loslaterales del horno para finalmente unificarse en una líneacomún a la salida. La energía que se produce en el hornoestá dada por nueve quemadores múltiples que puedenalimentarse con fuel oil y gas combustible de formaindependiente o simultánea. Los gases producto de lacombustión son expulsados por la chimenea que seencuentra en la parte superior. Este equipo tiene un sistemade sobrecalentamiento de vapor en la zona de convección elcual es utilizado en la planta.

Para este estudio fue empleada la versión 2 delsimulador de procesos HYSYS legalmente adquirido porla empresa petrolera cubana. El objetivo de obtener elmodelo de simulación es evaluar energéticamente losequipos de intercambio de calor utilizando los modelosrecomendados por HYSYS y el horno de la secciónutilizando la hoja de cálculo de HYSYS, donde se deberáintroducir los modelos matemáticos para la solución delos balances de masa y energía necesarios para laevaluación de este equipo. Los intercambiadores de calorpertenecientes a la sección fueron simulados utilizandoel módulo: Intercambiador de Calor, modelo: Diseño deIntercambiador Weighted. Para completar el modelo desimulación fueron uti lizados también los módulos:Enfriador; para todos los enfriadores de la sección y losmódulos de División y Mezclado de corrientes (figura 2).

Una vez obtenido el modelo de simulación, este fue validadocon datos reales de la plata, donde se demostró que el mismoreproduce con un porcentaje de error aceptable elcomportamiento real del sistema.

Con la información obtenida del modelo fue realizada laevaluación de los intercambiadores de calor (tabla 1). Estosy los demás resultados que se exponen, fueron determinadosconsiderando como base de cálculo una hora.

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Fig. 1. Diagrama de flujo de proceso de la sección de precalentamiento.

Fig. 2. Modelo de simulación obtenido para el banco de precalentamiento utilizando el simulador HYSYS.

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La principal ventaja de este análisis respecto al realizadopor los estudiantes durante el proyecto de curso es que através del modelo de simulación pueden ser evaluadosindependientemente cada uno de los intercambiadorespresentes en la unidad, a diferencia del análisis anterior enel cual se estudiaron los intercambiadores E-503 A y E-503B, E-505 A y E-505 B, como una sola unidad de intercambio(E-503 A/B y E-505 A/B).

Lo anteror permitió a los estudiantes sugerir solucionesespecíficas sobre la necesidad de mantenimiento de unequipo determinado.

La interacción directa del vínculo laboral-investigativo adiferencia del proyecto de curso permite al estudiante unamejor comprensión de los resultados, tal es el caso de losaltos porcentajes en las pérdidas de calor, superiores entodos los casos a 15 %. Comprender la importanciaeconómica de estos resultados y valorar junto a los técnicosy el tecnólogo de la unidad medidas para disminuir estaspérdidas son experiencias de formación invaluables para losfuturos profesionales.

El horno tipo cabina fue evaluado utilizando la hoja decálculo de HYSYS. Para la solución de los balances de masay energía se considera en el proceso de combustión lassiguientes reacciones elementales:

22 CoOC (1)

COOC 21 2 (2)

22 SO O S (3)

OH 21 22 OH (4)

En la tabla 2 se muestran los resultados del balance demasa en el horno.

Los resultados del balance de energía del horno semuestran en la tabla 3.

Tab la 1Resultados de la evaluación energé tica de l banco deintercamb io

C ód igode lInte rcam -b iado r

C orrientes

C alo rintercam-biado(10 6 kJ )

C alo rpe rd ido(10 5 kJ)

Pérd idasde ca lo r(% )

E -503 B Inyecto 2,93 -7,27 19,85

TPA -3,66

E -503 A Inyecto 2,98 -7,53 20 ,15

TPA -3,74

E -504 Inyecto 5,01 -13 ,10 20 ,75

LC O -6,33

E -505 B Inyecto 2,24 -4,02 15,21

M PA -2,64

E -505 A Inyecto 2,25 -4,27 15,97

M PA -2,67

E -506 Inyecto 11 ,40 -61 ,50 35 ,02

S PA -17 ,60

Tab la 2Resultados de l ba lance de m asa en e l ho rno

C om ponente E ntra(km o l)

Reacciona /-G enera 1(km o l)

Reacciona /-G enera 2(km o l)

Reacciona /-G enera 3(km o l)

Reacc iona /-Genera4(km o l)

Reacc iona /Genera(km o l)

S a le(km o l)

O 2 2 692 ,99 1 643 ,38 17 ,86 16 ,54 735 ,64 2 413 ,42 279 ,58

C 1 679 ,10 1 643 ,39 35 ,73 - - 1 679 ,10 0

S 1 6 ,54 - - 16 ,54 - 1 6 ,54 0

H 2 1 471 ,27 - - - 1 471 ,27 1 471 ,27 0

C O 2 - 1 643 ,38 - - - 1 643 ,39 1 643 ,37

C O - - 35 ,73 - - 35 ,73 35 ,73

S O 2 - - - 16 ,54 - 16 ,54 16 ,54

H 2O 465,57 - - - 1 471 ,27 1 471 ,27 1 936 ,84

N2 1 0110 ,30 - - - - - 10 110 ,35

F lujo to ta l de gase s decom bustión 14 022 ,42

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donde: : Entalpía relativa de los productos de entrada (kJ). : Variación de entalpía debido a la ocurrencia de las reacciones químicas ((kJ)). : Entalpía relativa de los gases de combustión (kJ). : Calor cedido en el horno (kJ).Una vez realizado el balance de masa y energía en el horno,

es posible calcular algunos indicadores de eficiencia quepermiten evaluar este equipo. Las ecuaciones utilizadasfueron las siguientes:

100 %

Qced

QcedQabspérdidas (1)

donde:% Pérdidas: Pérdidas de calor al exterior en el horno (%).Qabs : Calor absorbido total (kJ).

100 VCTQabstérmicoRend (2)

donde:Rend térmico: Rendimiento térmico del horno (%).VCT: Valor calórico total de los combustibles (kJ).

100 SAL

VCT

HPgases (3)

donde:Pgases: Pérdidas de calor sensible en los gases de

combustión (%). : Entalpía relativa de los gases de combustión (kJ).

100VCT

2

co

oco HF

Pincomb (4)

donde:Pincomb: Pérdidas por incombustión química (%).Fco2: Flujo molar de CO2 en los gases de combustión (kmol). : Calor estándar de combustión del CO (kJ).

QabsPext Qced (5)

donde:Pext : Pérdidas de calor al medio exterior (%).

100teórico O

teórico O-real O Exceso %2

2202 (6)

donde: % Exceso02 : Exceso de aire (%). O2real: Flujo molar de oxígeno alimentado al horno (kmol).O2teórico :Oxígeno teóricamente requerido en la

combustión (kmol).

100 % 2 aC reaccionCOmaC transforentoCompletami (7)

donde: % Completamiento: Porciento de completamiento (%). C transforma CO2: Carbono que se transforma en dióxido

de carbono (kmol). C reacciona: Carbono total que reacciona (kmol).Los resultados de esta evaluación se muestran en la tabla 4.

Tabla 3Resultados del balance de energía en elhorno

Término kJ

-72,86 .105

-10,11.108

13,19 . 107

-88,71 . 107

ENYTHn

RoHN

SALHn

cedQ

Tabla 4Indicadores de eficiencia en el horno

Rendimiento térmico (%) 79,24 oC

% Pérdidas 20,76

% P gases 14,88

% P incombustión 0,45

% P exterior 5,44

% Exceso de O2 11,02

% Completamiento 97,87

La evaluación energética del horno muestra uncomportamiento energético que se puede catalogar comoaceptable para las condiciones de la unidad. La identificaciónde las pérdidas de calor por diferentes razones permite decidirsobre cuáles se debe trabajar para obtener mejoresresultados.

Con el modelo de simulación obtenido se puede pronosticarcuál es el comportamiento del sistema ante cambios enalgunas de las variables de operación más importantesutilizando la herramienta del simulador Casos de Estudio.Esta se utilizó para obtener distintos escenarios decomportamiento del sistema ante cambios en algunas delas variables que más modifican el sistema estudiado, y queco

oH

ENYTHn

RoHN

SALHn

cedQ

SALH

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se conoce influyen de manera significativa sobre la eficienciaenergética del sistema.

En este sentido cualquier variación en las temperaturasde las corrientes que participan en la red de intercambio decalor influye de manera significativa sobre el consumo decombustible en el horno. Este es una de las variables deoperación que más fluctúa en el sistema; asociadoprincipalmente a su relación con el sistema de control quedeja pasar más o menos combustible para lograr mantenerdentro del intervalo recomendado la temperatura de salidadel horno de la corriente de inyecto que pasará posteriormenteal sistema reactor regenerador. En la figura 3, se expone uncaso de estudio donde se muestra la influencia del flujomásico de Fuel oil sobre el rendimiento térmico del horno.Los resultados confirman que si se disminuyera el consumode Fuel oil hasta 700 kg/h, valor que se pudiera lograr conuna l igera disminución de las perdidas en losintercambiadores que conforman el banco, se lograría unaumento del rendimiento térmico en 6 puntos porcentualeslo que implicaría un ahorro considerable por concepto decostos de operación.

Fig. 3. Caso de estudio. Flujo másico de Fuel Oil vs Rendimientotérmico del horno.

Otro análisis utilizando casos de estudio se muestra en lafigura 4. En esta se ha obtenido la relación entre latemperatura de los gases de combustión y las pérdidas decalor sensible en los gases de combustión. Estas pérdidasson las que más aportan a las pérdidas totales de calor enel sistema y dependen de manera directa de la temperaturade los gases de combustión cuyo valor no se mantieneconstante por limitaciones en el sistema de control. Esteestudio demostró que disminuyendo la temperatura de salidade los gases de combustión hasta 250 oC (valor superior en50 oC a la temperatura de rocío ácida de los gases decombustión), se pudiera disminuir las pérdidas de calorsensible hasta 11 %, y las totales hasta 16,89 %.

Fig. 4. Caso de estudio. Temperatura de los gases decombustión vs Pérdidas de calor sensible en los gases decombustión.

ANÁLISIS DE RESULTADOSLos principales resultados de este trabajo son la

demostración de las potencialidades de la simulación deprocesos utilizando programas profesionales durante lapráctica laboral de estudiantes de Ingeniería Química y lasventajas para profundizar en los conocimientos recibidos enclases, los cuales en la mayoría de los casos sientan lasbases conceptuales, pero están limitados respecto a laaplicación directa de los mismos en casos concretos en laindustria.

Un aspecto interesante a analizar es que el modelo desimulación obtenido tiene en cuenta las configuracionesgeométricas que afectan las fuerzas directoras de latransferencia de energía, lo que anteriormente constituyópunto de partida para analizar la importancia que tiene elcálculo de las pérdidas energéticas dentro de un procesoindustrial y su relación directa con los costos de operación.

Una diferencia notable con respecto al nivel de análisisalcanzado en el proyecto de curso de la asignatura Balancede Masa y Energía, es que puede alcanzarse un escalónsuperior en el enfoque de la simulación, viendo el procesode manera más integral ya que se puede analizar la relaciónde algunas variables sobre parámetros de eficienciaenergética de la sección utilizando la herramienta de Casode Estudio.

De acuerdo con los resultados mostrados y lascaracterísticas del simulador HYSYS, la estrategia no soloincluye el trabajo con los módulos de cálculo predefinidosdentro del simulador. La propia flexibilidad del simuladorpermite utilizar una hoja de cálculo para programar aquellosmódulos en que se centra un especial interés como es elcaso del horno, logrando con esto el complemento de lasventajas y desventajas de los dos enfoques de la simulación.

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Sin lugar a dudas, la introducción de la simulación para laevaluación y el pronóstico como parte de los objetivosinstructivos dentro de asignaturas lectivas de IngenieríaQuímica, posibi l i ta que el estudiante mejore laspotencialidades del aprendizaje e investigue de maneraindependiente sobre aquellos aspectos no tenidos en cuentapor él o por otras asignaturas hasta entonces.

CONCLUSIONESEn este trabajo se demostró cómo la consecución de un

modelo de simulación del banco de precalentamiento de unaUnidad de Craqueo Catalítico Fluidizado permite desde elpunto de vista práctico, que los estudiantes aprendan yrelacionen mejor las técnicas y conocimientos dados enclases en una planta en operación. Más allá de las posiblesvaloraciones y comparaciones entre los resultados obtenidosen el proyecto de curso de la asignatura Balance de Masa yEnergía y el vínculo laboral-investigativo, la utilización desimuladores profesionales permite un análisis más profundo,dado principalmente por la posibilidad de crear distintos tiposde escenarios del mismo proceso y evaluar el impacto deestos en la eficiencia global del proceso. Este vínculo directocon la industria posibilita además acortar aun más ladiferencia entre los conocimientos que se aprenden en elaula y la aplicación práctica de estos conocimientos en laindustria. Otra ventaja relacionada con los resultadosobtenidos durante el vínculo laboral-investigativo es que elmodelo fue obtenido utilizando los dos enfoques antesexpuestos de la simulación. Este permitió evaluar el procesode precalentamiento de manera más integral y coherentemediante la aplicación de la simulación de procesos.

RECONOCIMIENTOSLos autores de este trabajo desean agradecer a los

estudiantes: Danais Monteagudo Acosta, Jaime DueñasMoreno, Lázaro Magaña Martel, Alejandro René FernándezOñate y Yunior Sánchez Miranda, quienes desarrollaron superíodo de práctica laboral de manera excelente en la refineríadonde se realizó el estudio. También agradecer a lostrabajadores de la Unidad de Craqueo Catalítico y delDepartamento de Optimización de Procesos de la refineríaes estudio.

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Gregorio A. y MERCADO OJEDA, Ronald A. "Balancesde masa y energía simplificados, aplicados a un procesode craqueo catalítico de petróleo". Educación Química.2009, vol. 10, núm. 4, pp. 456 - 460.

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5. ANAYA, DURAND, Alejandro. "Reflexiones sobre laenseñanza de la ingeniería química" Educación Química.2001, vol. 12, núm. 2, pp. 79 - 87.

6. HERRERA RODRÍGUEZ, Adnalay. "Ampliación de losProyectos de Curso para la Asignatura Ingeniería deProcesos III para curso por encuentros, en planta 2 de larefinería Ñico López". Director: Raúl Montejo. Tesis deGrado, Instituto Superior Politécnico José AntonioEcheverría, Ciudad de La Habana, 2007.

7.LEWIN, Daniel R.; SEIDER, Warren D. and SEADER,J. D. "Integrated Process Design Instruction" Computers andChemical Engineering. 2002, vol. 26, núm. , pp. 295 - 306.

8.ARCE MEDINA, Enrique. "La simulación comoherramienta de desarrollo en la Ingeniería Química".Educación Química. 1995, vol. 6, núm. 3, pp. 174 - 178.

9. GARCÍA GONZÁLEZ, Juan Manuel et al. "La simulaciónde procesos en ingeniería química" Revista InvestigaciónCientífica. 2008. vol. 4, núm. 2, pp. 1-9.

10. ASPELUND, A. et al. "An Optimization-Simulation Modelfor a Simple LNG Process" Computers and Chemical En-gineering. 2010, vol. 34, núm. 10, pp. 1606-1617.

AUTORESMario J. Muñoz BatistaIngeniero Químico, Adiestrado, Departamento de IngenieríaQuímica, Facultad de Ingeniería Química, Instituto SuperiorPolitécnico José Antonio Echeverría, Cujae, La Habana, Cuba

Alain Perez GonzálezIngeniero Químico, Máster en Análisis y Control de Procesos,Instructor, Departamento de Ingeniería Química, Facultad deIngeniería Química,Instituto Superior Politécnico José AntonioEcheverría, Cujae, La Habana, Cuba

Osvaldo Gozá LeónIngeniero Químico, Doctor en Ciencias Técnicas, ProfesorTitular, Departamento de Ingeniería Química, Facultad deIngeniería Química, Instituto Superior Politécnico José AntonioEcheverría, Cujae, La Habana, Cuba

Nelson Llovet de ArmasIngeniero Químico, Refinería Ñico López, La Habana, Cuba

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Mario J. Muñoz Batista - Alain Perez González - Osvaldo Gozá León - Nelson Llovet de Armas

R e v i s t a C u b a n a d e I n g e n i e r í a 23

AbstractThe success of chemical engineering graduates depends on their aptitude and the skills receivedduring the academic formation. Employers not only require that graduates have the knowledge of basicchemical engineering principles but knowing how to apply this knowledge in solving practical problems.In this paper, one form to obtain important skills is presented. The working practice is one of the mostimportant subjects in the curriculum. HYSYS simulator which can realize the energetic evaluationwas introduced. A simulation model of the preheat train of Fluid Catalytic Cracking Unit was obtained.The model was built using prebuilt models in HYSYS, however a fired heater to steady state doesn’texist. In this case, a spreadsheet was utilized in programming the energetic evaluation. Sometimesit is useful because it is necessary to use our models for specific equipment. Finally, the model wasutilized to predict the system efficiency when changes on the operation variables occur. The use ofsimulation inside of core subjects helps to improve the level and quality of students’ formation.

Key words: process simulation, Energetic evaluation, Heat exchanger train

Aplication of the Simulation Process During the Working Practice

of Chemical Engineering Students

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Recibido: 20 de junio del 2011 Aprobado: 29 de agosto del 2011

Revista Cubana de Ingeniería, 3(2), 25 -36, 2011

Diseño y análisis de tiempo real de uncontrolador para motor de corriente directa

INGENIERÍA AUTOMÁTICA

ResumenSe presenta el análisis de tiempo real para un controlador de motores de corriente directa (CD).Durante el análisis funcional se obtuvieron los plazos y períodos de las tareas, cuyos valores sonutilizados posteriormente como parámetros en el análisis de tiempo de respuesta (ATR). Para obtenerel caso peor de tiempo de ejecución (CPTE) el sistema es estimulado con un vector aleatorio deentrada para las tareas analizadas, se mide el tiempo de computación para un número grande deiteraciones y se realiza el modelado con el uso de la distribución de probabilidad de Gumbel. Con losresultados obtenidos para el CPTE y los parámetros del conjunto de tareas que se obtuvieron duranteel análisis funcional, se evalúa un modelo de ATR y sus resultados son discutidos. Al modelar el CPTEmediante la teoría de valores extremos (TVE) se evita el análisis del software a bajo nivel y la necesi-dad de un modelo preciso para el hardware. Este método es útil para el análisis de sistemas detiempo real blandos y puede ser fácilmente aplicado a otras plataformas de desarrollo hardware/software.

Palabras clave: sistema de tiempo real, tiempo de respuesta, sistema operativo de tiempo real, proce-samiento digital de señales, PID

Reinier Torres LabradaCorreo electrónico:[email protected]

Mailén Sarmiento FongCorreo electrónico:[email protected] Superior Politécnico José Antonio Echeverría, Cujae, La Habana, Cuba

INTRODUCCIÓNUsualmente se tiende a asociar el concepto de tiempo

real con sistemas que trabajan muy rápido. Es cierto queuna parte importante de los sistemas en tiempo real (STR)operan a alta velocidad aunque no siempre ocurre así, [1]para un STR la velocidad no es el único aspecto determinante.

Se considera que un sistema es de tiempo real si respondea los estímulos, elabora y entrega la respuesta correcta antesdel cumplimiento de los plazos temporales establecidos; unarespuesta tardía carece de valor. [1- 3] El concepto que sedebe aplicar a un STR no es operar muy rápido sino hacer eltrabajo en tiempo.

Las investigaciones han extendido el concepto a sistemasen los que se acepta la pérdida de plazos y, comoconsecuencia, se reconocen al menos cuatro posiblessubdivisiones según la tolerancia respecto a la inexactitudtemporal:

1. STR estricto: La pérdida de un plazo implica el fallototal del sistema. [4]

2. STR estricto-debilitado: La tasa de fallos durante unintervalo de tiempo es conocida y está acotada. La pérdidade plazos dentro del intervalo es aceptable aunque debilitael desempeño del sistema.[5]

3. STR firme: Se acepta la pérdida de algunos plazos,pasado el umbral de plazos permisibles el sistema falla conconsecuencias catastróficas.[1]

4. STR blando: La pérdida de plazos no implica el fallototal y catastrófico del sistema.[1]

Constituye una práctica relativamente frecuente eningeniería realizar análisis funcional de la aplicación. Sinembargo, el análisis temporal normalmente se centra en larespuesta media del sistema y no tiene en cuenta los casospeores. [6] Por otro lado, varios autores refieren que cuandose realiza análisis de tiempo real, muchas veces sesustentan en la experiencia de los desarrolladores y no sobreresultados obtenidos en investigaciones académicas. [7] Lascausas para la falta de aplicabilidad de resultadosacadémicos en el análisis de tiempo real son varias, según

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Diseño y análisis de tiempo real de un controlador para motor de corriente directa

R e v i s t a C u b a n a d e I n g e n i e r í a26

refiere [6] dos de las principales son: la falta de métodossuficientemente generales que puedan ser aplicados adiferentes plataformas de hardware/software y ejemplos quedescriban el uso de estas técnicas desde una perspectivaingenieril.

En el presente trabajo se describe el diseño funcional yanálisis de tiempo real de un controlador para motores decorriente directa (CD) como subsistema de un sistema digital(SD). Durante el análisis y diseño funcional, hasta las pruebasde comportamiento de TR, se aplican resultados académicosen el campo de sistemas de control aplicado a motores deCD, teoría de planificación en tiempo real, obtención del casopeor de tiempo de ejecución con el uso de la teoría de valoresextremos, modelado de tiempo real y desarrollo deaplicaciones con sistemas operativos de tiempo real.

MATERIALES Y MÉTODOSLas técnicas de control convencional han probado su

eficacia a lo largo de la historia de la ingeniería de control.Un sistema bien descrito en la literatura es el control demotores de CD shunt o de excitación separada. Gracias a lacaracterística lineal del comportamiento de su relación torque/velocidad, los motores de CD son procesos apropiados paraaplicar control PID. [8], [9] Esta aplicación es factible deutilizar de conjunto con las técnicas de análisis de TR conintenciones demostrativas debido a que su nivel decomplejidad y amplia aplicabilidad lo permiten.

El procesamiento digital de señales se aproxima a lascuatro décadas de desarrollo. Se pueden encontraraplicaciones en el campo del entretenimiento, lascomunicaciones, la exploración espacial y la medicina. [10],[11] Todo el desarrollo obtenido en este campo está ligado aldesarrollo de la computación.

La aparición en la década de 1970 de losmicroprocesadores, su rápida evolución, así como laaplicación de teorías básicas como la transformada rápidade Fourier (FFT), permitieron el surgimiento delprocesamiento digital de señales. [10], [11]

En los años 1980 el panorama para el procesamiento digitalde señales cambia sustancialmente. Se logran implementarmuchas de las teorías para el procesamiento digital; lascuales se habían establecido en la década anterior. Esto fueposible gracias al avance de la tecnología de fabricación decircuitos integrados y la electrónica digital, así como de lasherramientas de desarrollo de software. [11] En esta décadase desarrollan aplicaciones dedicadas al campo de lascomunicaciones y la instrumentación industrial. [10], [11]

Los orígenes del análisis de TR se remontan a la décadade 1940, [1] sin embargo, no es hasta 1973 con el trabajo deLiu y Layland [12] que esta disciplina despega con fuerza.Uno de los resultados significativos en la teoría de sistemasde TR es el método de análisis del tiempo de respuesta(ATR) desarrollado en la década de 1980 [13], [14] cuyasecuaciones fundamentales son (1) y (2).

jihpj j

iii C

TRCR

)( (1)

jihpj j

ki

iki C

TRCR

)(

1 (2)

donde:

:)(ihp Conjunto de tareas con prioridad mayor que i .

iR : Tiempo de respuesta de i .

Tj : Período de j .

ji CC , : Tiempo de computación de i y j .

La ecuación (1) permite obtener el tiempo de respuesta deuna tarea desde el momento en que es liberada hastacompletar el trabajo. Sin embargo, la presencia del parámetro

iR en ambos miembros impide evaluar la expresión. Laecuación (2), derivada de la anterior, permite obtener medianterecursión, el tiempo de respuesta iR de cualquier tarea. La

ecuación (2) tiene dos condiciones de parada. Si iki DR 1

la tarea i no puede ser planificada debido a que el tiempode respuesta supera su plazo. Por otro lado si

iiki DRR 1 el tiempo de respuesta de i ha sido

encontrado con valor 1kiR . El resultado del ATR ha sido

extendido para incorporar otros fenómenos como los bloqueosy las demoras [1], [3], [15].

El CPTE es de importancia fundamental en el análisis deTR debido a que se utiliza como el parámetro tiempo decomputación (C) en cualquier prueba de panificación. Desdeel trabajo de Liu y Layland [12], el cálculo del CPTE hacontribuido a forjar una rama de la teoría de sistemas detiempo real, completamente dedicada al estudio y desarrollode métodos para estimarlo.

La teoría de valores extremos (TVE) es uno de los métodosde reciente introducción en el análisis de tiempo real.Inicialmente aplicada en la predicción de eventosmeteorológicos extremos. [16], [17] La TVE ha demostradosu aplicabilidad en otros campos del conocimiento científicoy actualmente se utiliza en muchas ramas de la cienciadonde se necesite modelar el comportamiento estadísticode sistemas, que no operan sobre la media de la población,sino en alguno de sus extremos. Investigaciones recienteshan aplicado la TVE a la estimación del caso peor de tiempo

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Reinier Torres Labrada - Mailén Sarmiento Fong

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de ejecución (CPTE) como alternativa a los métodospuramente analíticos. [18], [19]

Existen tres distribuciones fundamentales en la TVE:Frechet, Weibull y Gumbel [16]. La de Gumbel, comodistribución limitante de la máxima de una población es laque se aplica en la estimación del CPTE [18], [19], [20].Para el análisis se debe muestrear al sistema y obtenersuficientes datos que permitan desarrollar su modelo deGumbel. El modelo se construye procesando los datos con(3) y (4) y graficando las mediciones de tiempo decomputación contra las probabilidades acumuladas empíricay de Gumbel. Una buena correspondencia entre ambascurvas es prueba de que el modelo refleja bastante bien elcomportamiento temporal del proceso medido. El análisisdel modelo permite decidir si este se puede utilizar paraestimar el CPTE con una probabilidad aceptable para elsistema. [19], [20]

1

0

,1

1,1

,0

)(

n

ii

xz

xzxn

ixz

zF (3)

x

eexG )(),,0( (4)

Siendo:

ˆ6 , ,)(

11ˆ

1

22

n

ii xx

n x ,

n

iix

nx

1

1, 5772,0

donde:

:)(zF Función de probabilidad empírica.

),,0( G :Función de probabilidad de Gumbel.

: Parámetro de escala para Gumbel.

: Parámetro de localización para Gumbel.2̂ :Desviación estándar de la muestra.

:x Media de la muestra.

: Constante de Euler..

El modelo obtenido debe ser validado con otras medicionesy si el resultado demuestra que este es capaz de estimar el

CPTE con cierto niv el de pesimismo se puedeconsiderar que es seguro. Los valores obtenidos deCPTE se pueden aplicar a la determinación del tiempode respuesta según (2).

ANÁLISIS FUNCIONAL Y DISEÑOGeneralidades

El sistema digital (SD) está dividido en dos capasfuncionales. La primera agrupa a todos los elementos dehardware (hw), y la segunda al firmware (fw). Esta última seencuentra dividida en dos niveles, el más cercano al hwincluye al SOTR y todas las subrutinas de atención ainterrupción o manejadores de dispositivos. Las interfaceshacia el nivel superior son exportadas como servicios básicosdel SD, haciendo accesible el hw a través de una interfazúnica. Esta organización facilita la portabilidad de laaplicación hacia otro soporte hw o reutilizar parte del códigode aplicación existente [3]. La figura 1 muestra algunos delos elementos que conforman el sistema digital.

Fig. 1. Diagrama simplificado del sistema digital.

En este trabajo solo se aborda el análisis de TR para loscomponentes fw del subsistema de control del motor de CD.Este se encuentra formado por las implementaciones de lostres controladores con acción PID y el filtro digital IIR. ElSOTR FreeRTOS también es analizado debido a su influenciaen el comportamiento de TR del sistema.

Una estructura típica de control de motores de CD estáformada por tres lazos en cascada, donde se controlan torque

eT , velocidad y posición. [8], [9] La figura 2 muestrael esquema de control implementado. Cada celda PID incluyecontrol Feedforward y para la realimentación se miden dos

variables en el motor de CD, eT y . [9], [21], [22] Lavelocidad se obtiene con un encoder incremental acopladoal eje del motor, y el torque con un sensor de corriente deshunt con salida analógica.

El driver es un chopper formado a partir de un puente Hcontrolado con el módulo CCP1 en modo PWM y otros pines

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de E/S del microcontrolador C . El período para el PWMse obtiene de (5) según [8].

Según [9] el período del lazo de control de torque esusualmente 10 ms y es el lazo con el período más corto enun sistema de control como el que aquí se presenta. El restode las celdas de control deben tener entre cuatro y cincoveces el período de la celda externa más próxima en el circuitoen cascada.

Filtro digitalEl filtro digital (FD) se diseñó teniendo en cuenta los

requerimientos de TR del controlador. Este hecho implicaanalizar la señal a procesar, y las relaciones que seestablecen entre el FD y el controlador. [23], [24] Atendiendoa la relación que tiene el orden de un FD con los recursos decomputación que demanda, las implementaciones IIR resultanmenos costosas. [23] Sin embargo, en el filtro IIR se tuvo encuenta, además, la fase y la estabilidad. [10], [11]

Durante el proceso de diseño del filtro se trabajó en lassiguientes direcciones:

1. El orden del filtro N : seleccionar el mínimo que brindeuna respuesta de amplitud adecuada.

2. La frecuencia de muestreo sf de la señal: seleccionarlatal que elimine el aliasing y evite el sobremuestreo.

3. Fijar el plazo IIRD para el cálculo de la salida del filtro:de modo que las tareas dependientes la obtengan sinretardos apreciables.

La máxima componente de frecuencia mf de aI , seobtiene de la constante de tiempo del inductor de la armadurasegún la ecuación (7) dada por [8] y [22].

a

aa R

L (7)

donde::aR Resistencia de armadura del motor..

:aL Inductancia de armadura del motor..Para el caso

Hz1251085,12mH 100 3 ma fs . Con mf

se fijó la frecuencia de muestreo según [10], [11] y [23] comoms24 sms Tff . La frecuencia de esquina de la banda

de paso cf y la frecuencia de esquina de la banda de

atenuación af , se obtienen con mf y el ancho de la banda

de transición, de modo que: mc ff y fff ma en este

caso Hz200Hz75 mff [23], [24]. La figura 3 (a)muestra las especificaciones del filtro analógico equivalente.

Fig. 2. Esquema del lazo de control en cascada.

1001ln2 pa

ach FL

Rf (5)

donde::aR Resistencia de armadura del motor..

:aL Inductancia de armadura del motor..

:pF Factor porcentual del ciclo útil.La salida del encoder incremental se conecta a un circuito

que convierte las fases y el índice en tres señales. La primeraes el índice sin rebotes para la indicación de una revolucióncompleta. La segunda es la codificación en cuadratura delas fases, se entrega como un tren de pulsos indicativo de lavelocidad. Por último, las fases decodificadas son lareferencia del sentido de giro. La velocidad es procesadacon el módulo de captura CCP3, el índice está conectado aINT0, y la dirección a IC0 del módulo de interrupción porcambio de estado, del C .

Según la expresión (6) dada por [8], en los motores de CDel torque eT es función de la corriente de armadura aI .

ae IKT (6)

donde::K Constante del motor..: Flujo magnético en el estator..

Durante la operación del motor, los inductores de suarmadura son conmutados a alta frecuencia por el circuitode potencia y a más baja frecuencia por las escobillas,ambos procesos provocan la aparición de transitorios dealta frecuencia en la señal medida de aI [8], [22], [9].Para tener una referencia del torque es preciso digitalizary realizar el procesamiento digital de la señal muestreada,quien impondrá la máxima velocidad de respuesta sobreel sistema [23], [24].

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Reinier Torres Labrada - Mailén Sarmiento Fong

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Para la transformación de la frecuencia analógica a digitalse aplica la expresión (8) dada por. [11]

22arctan2 fT

(8)

donde: : Frecuencia digital. :f Frecuencia analógica. :T Periodo de la señal.

Para obtener p se utilizó cf y para s se utilizó af . Lasespecificaciones del filtro digital resultante se muestran enla figura 3 (b). Los valores de 1A y 2A fueron seleccionadossiguiendo criterios prácticos. Los valores de lasespecificaciones de la figura 3 (b) se introducen en GNU/Octave o MatLab y se aplica el procedimiento para sintetizarun filtro IIR con función de aproximación de Butterworth yTransformación Bilineal. Los valores de 1A y 2A son ajustadoshasta obtener una respuesta apropiada del filtro y con elmenor valor posible de N. La figura 4 muestra las respuestade filtros con diferentes valores de N , para el caso seseleccionó 4N . Con el aproximante de Butterworth seobtiene una respuesta libre de oscilaciones a ambos ladosde la frecuencia de corte mientras que la transformaciónBilineal previene los efectos del aliasing [10], [11].

El gasto computacional para este filtro es 912 Nmultipl icaciones y 82 N sumas en cadaiteración. [10], [11] El tiempo requerido para el cálculo deuna iteración debe ser estimado después de implementadoen el fw. El plazo del FD puede establecerse como el periodode aI , por ello sIIR TD ; pues el filtro requiere que la salidaprecedente esté lista un instante antes de cada iteración[23], [24]. Los plazos para los procesos de control puedenestablecerse de la misma forma que para el FD, es decir,tomar como plazos a los períodos ii TD . Al determinar

el plazo para el filtro ms2IIRD , se pueden asignar a partirde aquí los períodos para el resto de las tareas del proceso decontrol según [9], los resultados se muestran en la tabla 1.

Fig. 3. Especificaciones del filtro.

Sistema operativoFreeRTOS es el SOTR utilizado como soporte fw para

la capa de aplicación. El subsistema de control del motorde CD tiene tres tareas periódicas de FreeRTOS y dossubrutinas de atención a interrupción (SAI) que semodelan como tareas periódicas por la naturalezasíncrona de las interrupciones. Estas interrupciones sonproducidas por temporizadores con período constante;todas ellas se incluyen en el análisis de TR.Fig. 4. Respuestas del filtro IIR para diferentes N.

Tabla 1Plazos de las tareas de control de motor de CD

Tarea Relación

FD-IRR 2

PID 4

Sensor 4

PID 20

PID 100

msDT ii ,

IIRT1

IIRT2

PIDT51

TePIDT 5

PIDT5

aI

eT

pos

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La tabla 2 resume los diferentes parámetros del sistemaobtenidos del análisis funcional y que deben ser cumplidospor la implementación del fw del sistema durante suoperación. Las prioridades iP para FreeRTOS se hanasignado según la política del período monotónico, es decir:las prioridades más altas se asignan a las tareas de períodomás corto y solo se permite una tarea por nivel de prioridad.Además, los plazos son iguales a los períodos de la tarea ii DT .[1], [12]

herramientas para análisis gráfico en la obtención de lasmuestras de tiempo de computación. Cada programa a pruebafue anotado con código en ensamblador para generar un pulsocon frente de subida en la primera instrucción y frente decaída en la última. Los resultados se plotearon en un gráficode análisis digital, desde donde se exportaron a un ficherode texto y posteriormente a otro de base de datos deParadox. Una aplicación desarrollada en C++ Builder fueutilizada para el procesamiento de los datos y obtención delmodelo de Gumbel.

Durante el procesamiento de los datos se descartó elefecto negativo de las instrucciones de trazado y seobtuvieron los tiempos de ejecución para cada instancia detrabajo, el resto del procesamiento consiste en la evaluaciónde las ecuaciones para la obtención del modelo de Gumbely en la representación gráfica de los resultados.

En el proceso de medición se obtuvieron muestras deltiempo de ejecución para cada tarea del subsistema decontrol. Se muestreó al sistema un total de cuatro veces yen cada muestreo se obtuvieron más de cien mil muestraspor conjunto muestral. Para la obtención del CPTE seejecutaron los programas de modo que no existieseinterferencia por parte de otros módulos del fw. Además, elcódigo a prueba se estimuló para que transitara por el caminomás largo.

En este caso no se realizó análisis estático para determinarun vector de estímulo que obligase a los programas a transitarpor su camino más largo, y no se realizó análisis paraidentificar el camino más largo como se realiza en lastécnicas descritas en [25] y [26]. Para obligar a los programasa tomar el camino peor se estimuló cada fragmento de códigobajo prueba con un vector de estímulo formado por datosaleatorios en el rango de la variable de entrada para cadacaso. Al ejecutar la aplicación durante tiempo suficiente, seespera obtener valores de tiempo de ejecución cercanos alCPTE que se puedan utilizar para modelar el comportamientoestadístico del sistema en la zona extrema del tiempo decomputación.

El FD es dependiente de la salida del conversor análogodigital (ADC) del C por lo que se estimuló la entrada delADC con ruido blanco para obtener un vector de estímulocon alta probabilidad de ocurrencia de todos los valores deentrada al FD. La celda PID se estimuló con valoresgenerados aleatoriamente para la señal medida, la referenciay los parámetros de ajuste. Es de destacar que para laestimación del CPTE no es importante disponer de unsistema de control estable sino tratar que el sistema consumael mayor tiempo posible durante su ejecución. Se utilizó elmismo código para la implementación de las tres celdas decontrol PID, por lo que el CPTE es el mismo para cada unade ellas, aunque su tiempo de respuesta dependerá de lasdemoras e interferencias asociadas a cada una.

Cada fragmento de código analizado se muestreó enaislamiento total, de modo que no hubiese interferencia por

Es importante destacar que el plazo asignado al núcleodel SOTR se ha establecido en menos de un milisegundocon la intención de imponer una restricción al impactoproducido por el planificador sobre el resto de las tareas delsistema. Las SAI asociadas al FD y al cálculo de velocidada partir de la señal del encoder están programadas conprioridades superiores al núcleo. Estas tareas pueden liberara otras a través de la API de FreeRTOS sin la necesidad deque intervenga el planificador. Las prioridades se hanestablecido relativas al núcleo porque el sistema tiene otrastareas con prioridades menores a las aquí analizadas.

Para completar el ATR del sistema es necesario obtenerel CPTE y los retardos que sufren las tareas comoconsecuencia de la atención a interrupciones, el trabajo deFreeRTOS y las interferencias provocadas por la expropiacióndel procesador cuando tareas de prioridad superior lonecesitan. El CPTE es cardinal en el proceso decomprobación del comportamiento de TR de un sistema. Laestimación del CPTE y el resto de las demoras debe serrealista, puesto que si el resultado incluye un alto grado depesimismo el sistema quedará subutilizado; mientras queuna estimación demasiado optimista puede provocar fallospor incumplimiento de plazos.

RESULTADOS Y DISCUSIÓNRecolección de datos

El sistema fue implementado con MPLAB+C30 y simuladoen ISIS-Proteus. El simulador permitió uti lizar las

Tabla 2Tareas del controlador de motor de CD

Nombre P1 Ti (ms) Di (ms) Tipo

1 FD-IRR 2 2 SAI

2 Sensor 4 4 SAI

3 Tick FreeRTOS 4 <1 SAI

4 PID 4 4 Task

5 PID 20 20 Task

6 PID 100 100 Task

i

aI

eT

pos

2K

1K

K

1K

2K

1K

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parte del núcleo del SOTR, de alguna SAI o de otratarea. [26] De esta forma se puede garantizar que lasmuestras temporales obtenidas para cada fragmento decódigo a prueba, no contengan tiempo de ejecución de otrocódigo. Alimentar los programas a prueba con valoresaleatorios en sus parámetros de entrada persigue aumentarel nivel de independencia de la variable aleatoria tiempo decomputación para cada instancia de trabajo.

Desarrollo del modeloCon uno de los resultados muestrales se desarrolló el

modelo de Gumbel de cada tarea bajo análisis. Para ello losdatos se procesaron según (3) y (4) y se ploteó el tiempo decomputación contra las probabilidades acumuladas de F y

),,0( G . Una buena correspondencia entre ambas curvasreafirma la idea de que el modelo representa al proceso. Lagráfica de cuantiles también se utiliza para comparar elmodelo de Gumbel con los resultados experimentales; en estecaso el modelo debe ajustarse a una línea recta y los resultadosmedidos deben seguir de cerca al modelo. [16], [20]

La figura 5 muestra el tiempo de computación observado

contra las distribuciones de probabilidad empírica )(xF y

de Gumbel )(),,0( xG para el código del filtro digital. Engeneral se observa una buena correspondencia entre ambascurvas. Hacia los valores más altos del tiempo decomputación ambas funciones de probabilidad tienden aconverger. El hecho de que F se aproxime antes a 1, refuerzala idea de que el modelo de Gumbel podrá estimar conpesimismo el tiempo de computación más allá de los valoresobservados. [20] Este comportamiento es deseado puestoque en los STR es muy importante que el CPTE se estimecon pesimismo más que con exactitud. [26]

En la gráfica de cuantiles de la figura 6 se observa unacorrespondencia cercana entre el modelo y los tiempos decomputación observados. Aunque en los extremos, el modeloy los datos de experimento no coinciden, la cercanía entreambas curvas para la mayor parte de las muestras, refuerzala idea de que el modelo es representativo del proceso.

En los valores medidos se observa una tendencia hacia eldecrecimiento del número de muestras para los tiempos decomputación más altos, mientras que el modelo de Gumbelse mantiene con una pendiente mayor que el mejor ajustelineal para las muestras y por encima de los valoresobservados. La tasa de crecimiento en tiempo decomputación del modelo respecto de las medicionesempíricas, es prueba de que este podrá estimar el CPTEcon pesimismo.

Fig. 5. Tiempo de computación vs F, ),,0( G para el FD.

Las figuras 7 y 8 muestran el comportamiento del tiempode espera del lazo PID en la cola de mensajes que se utilizapara obtener las muestras desde el FD. El tiempo se midedesde el momento en que la muestra está lista, hasta que latarea del PID es liberada para que comience a procesarla.El análisis del comportamiento se realiza de manera similaral explicado para el CPTE. La única diferencia es que lostiempos estimados en este caso son utilizados como elparámetro demora iJ en la estimación del tiempo derespuesta de la tarea analizada.

Los análisis del comportamiento temporal para cada unade las tareas arrojaron resultados similares, siendo losmostrados aquí los casos en que la correspondencia entreel modelo y los datos de muestreo tienen una relación menoscercana.

Fig. 6. Gráfico de cuantiles de F, ),,0( G para el FD.

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Diseño y análisis de tiempo real de un controlador para motor de corriente directa

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Comprobación del modeloUna vez obtenido un modelo representativo del tiempo de

computación se pueden utilizar los valores de los parámetrosestadísticos y de (4) para estimar el tiempo de

computación w para un valor de probabilidad de exce-

dencia . El proceso se realiza evaluando la inversa

)1(1),,0( G de (4). La ecuación resultante para w es (9).

Al escoger suficientemente pequeño se puede estimar el w másallá de los resultados observados y por consiguiente utilizar estosvalores de w como CPTE para el proceso analizado. [18], [20]

1lnln)1(1),,0(Gw (9)

donde::w Estimado del tiempo de computación.: Probabilidad de excedencia para .

La comprobación del modelo se realiza construyendo unatabla de w para diferentes valores de y comparando losresultados obtenidos con valores de mediciones realizadasde manera independiente. Si los resultados observados yestimados están lo suficientemente cercanos, se puedeconsiderar que el modelo construido es correcto y se puedenutilizar los iw que se encuentran más allá de los valoresobservados como CPTE para una probabilidad de excedencia , del tiempo de computación de la tarea.

La tabla 3 muestra diferentes iw para la tarea del FD ylos datos medidos para comprobar su modelo. En la primeracolumna se encuentra la probabilidad de excedencia para los iw , y los percentiles per expresados como

Fper 1 de la función de probabilidad acumulada para

los conjuntos muestrales de comprobación 2T , 3T y 4T .Se puede notar que los iw están siempre por encima delresto de los valores observados en los conjuntos decomprobación, los cuales presentan además una variabilidad

muy baja. Para 510 no existen resultados en losconjuntos de comprobación, pero gracias al modelo sepueden extrapolar estimados del tiempo de computación.De este comportamiento no puede concluirse que el procesode estimación siempre será tan satisfactorio. En este casose podría afirmar que se debe a que la variabilidad del procesoes menor para esta aplicación porque el procesador utilizadono dispone de mecanismos de aceleración de velocidadcomo memorias cache o pipline; por lo que solamente existeaquella asociada a la dependencia del código respecto asus parámetros de entrada.

Fig. 7. Tiempo de espera (TE) del PID vs F ),,0( G .

Fig. 8. Gráfico de cuantiles de F, ),,0( G TE del PID. Tabla 3Resumen de estimados y resultados observados para el FD

10 -1 309,00 307,68 307,80 307,88

10 -2 328,45 317,37 317,60 317,50

10 -3 347,54 324,50 324,50 324,50

10 -4 366,60 329,50 330,30 329,50

10 -5 385,66 331,20 334,00 331,13

10 -6 404,71 ... ... ...

10 -7 423,77 ... ... ...

10 -8 442,82 ... ... ...

10 -9 461,88 ... ... ...

per/ sw i sT 2 sT 3 sT 4

w

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Reinier Torres Labrada - Mailén Sarmiento Fong

R e v i s t a C u b a n a d e I n g e n i e r í a 33

Selección del CPTESeleccionar un valor apropiado de w como CPTE es el

próximo paso en el proceso del análisis de TR. El valorelegido de w debe ser tal que se garantice el correctodesempeño del sistema durante su explotación. El problemaestá relacionado con la selección de un valor apropiado de que permita obtener un w considerado seguro. Para elloes importante conocer con qué nivel de confianza w esprobablemente el CPTE. Basado en el modelo de Gumbelpara la estimación de w no es posible especificar un valorde confianza.

La ecuación (10) es la definición de en términos delmodelo de Gumbel y el máximo observado en el conjuntomuestral desde el que se construyó el modelo [20]. La función es la función de densidad de excedencia de pertenenciay representa la confianza en la probabilidad de exceder eltiempo de computación estimado a partir del máximo tiempode ejecución observado con distribución de probabilidad

),,0( G cuyo máximo se denota m [19], [20].

mxmG

mGxGxGx m

)(1

)()()()( )(),,0(),( (10)

donde:: Probabilidad de exceder el tiempo de computación

estimado.:m Máximo valor observado en el conjunto muestral.Al evaluar (10) para los valores x del tiempo de ejecución

observado se obtiene como resultado el nivel de confianza para un estimado del tiempo de ejecución. Para completarel análisis se requiere una ecuación que permita estimar eltiempo de ejecución referido a ; la ecuación (11) presentadapor Edgar en [20] permite calcular este estimado a partir delmáximo m observado, una probabilidad de excedencia depertenencia especificada y los estadísticos del modelo deGumbel y .

1,0,)1()(lnln mGW (11)

donde::W Tiempo de computación estimado y referido a .

: Probabilidad de excedencia de pertenencia para W .La figura 9 muestra el modelo de Gumbel para el FD y su

función correspondiente. Se puede observar que siempre producirá estimados de CPTE más pesimistas parael mismo valor de que los que se pueden obtener delmodelo. Sin embargo, los estimados por tienen asociadala confianza acerca de W .

En este caso se han marcado los estimados para el

modelo de Gumbel del proceso w y el de su

correspondiente (W), ambos con 1,0 . Sobre w se puededecir que el 90 % de las veces el tiempo de computaciónserá menor que s309 , mientras que para se puede

decir que existe evidencia para afirmar que s350 es elCPTE con un 90 % de confianza.

La decisión de utilizar w o como CPTE dependerá dela calidad percibida del modelo y de los requisitos para latarea en cuestión. Si una tarea permite utilizar un CPTEpara el cual no se requiere establecer un nivel de confianza,entonces utilizar con valores de suficientemente pequeñosbastará, siempre que el modelo se perciba confiable. Porotro lado si se exige que el CPTE tenga asociado un nivel deconfianza, entonces lo más acertado es utilizar estimadosW . En general, para STR blandos se pueden utilizarestimados w , mientras que para el resto es apropiado utilizarestimados W .

Debido a la gran variedad de problemas que se presentanen la práctica y a los diferentes requerimientos temporalesque estos pueden demandar, determinar con qué nivel deconfianza e incluso que tipo de estimado utilizar constituyeun problema en sí mismo. Es por ello que Edgar y Burnsproponen en [19] un procedimiento para optimizar en algunamedida el nivel de pesimismo con que se seleccionarán losestimados W . Posteriormente, Edgar en [20] describe esteproceso en detalle. La dificultad de utilizar el procedimientoanteriormente citado radica en que se impone al sistema unconjunto de restricciones que no se cumplen en estaaplicación y por tanto su aplicabilidad no sería acertada.

Esta sección se ha centrado en la selección del caso peorde tiempo de ejecución (CPTE). Sin embargo, el mismoprocedimiento se aplica a la determinación del caso peor de

Fig. 9. Tiempo de computación vs ),,0( G , para el FD.

:

),(

W

W

w

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Diseño y análisis de tiempo real de un controlador para motor de corriente directa

R e v i s t a C u b a n a d e I n g e n i e r í a34

demora que será utilizado como el parámetro iJ en el análisisdel tiempo de respuesta (ATR).

Para seleccionar un CPTE seguro se utilizó un criteriosimple pero efectivo. Este consiste en asignar a todas lastareas del subsistema de control una relativamente muy bajaprobabilidad de fallo a partir de un elevado nivel de confianzaen W para cada tarea. La tabla 4 resume los W con nivelde confianza del 410%99,99 para todas las tareasdel subsistema de control, mientras que la tabla 5 exponelos estimados W pero para la demora sufrida por cada unade las celdas de control PID. Las tablas contienen el máximovalor observado durante el proceso de toma de muestras (m)y el incremento porcentual de W respecto de m. Con estoscasos peores tanto para tiempo de ejecución como pararetardo se aplica el método del ATR, presentado al principiodel trabajo, para determinar si las tareas cumplen con lasexigencias de tiempo real.

actualmente se utilizan como una medida del gastocomputacional bruto de un conjunto de tareas. Aún cuandolas restricciones que impone el modelo de Liu y Laylandsobre el sistema no son las mismas que las de la aplicaciónaquí analizada. Evaluar (12) permite tener una idea generalde la demanda sobre la capacidad de procesamiento de lastareas del sistema en el momento en que todas son liberadasal mismo tiempo, instante de tiempo conocido comohiperperiodo.

1i

i

TCU (12)

donde::U Tiempo de la tasa de utilización del procesador..

iC Tiempo de computación de i .

:iT Período de i .El resultado obtenido indica que durante el hiperperíodo

del subsistema de control, la demanda de esta parte de laaplicación sobre el procesador es del 42,03 % de sucapacidad total. Sin embargo, este dato no debe ser motivode confusión, en el sentido de suponer que existe unadisponibilidad del 57,97 % de la capacidad de procesamiento,Otro de los resultados del trabajo de Liu y Layland indicaque un sistema que sobrepase el límite teórico inferior quese calcula según (13) podría ser no planificable. [12], [27]

12

1n

i

i nTC

U (13)

donde:n: Número de tareas.

En este caso y con el conjunto de tareas analizado, ladisponibilidad real del procesador para que no existasobrecarga se limita al 73,48 %, y en la medida que seagreguen tareas al sistema esta disponibilidad disminuirá.

Análisis del tiempo de respuesta (ATR)El análisis del tiempo de respuesta fue el método que

permitió solucionar, en parte, las limitaciones que seimponían a un sistema para que pudiese ser analizadasu planif icabilidad según el método anteriormentemostrado. Este método fue presentado al inicio de estetrabajo, sin embargo, la ecuación básica ha sido mejoradapara ser aplicable a sistemas donde se uti lice unplanificador expropiativo como es el de FreeRTOS. Parael ATR se utilizó la ecuación (14) [14], [27], la cual esuna extensión de (2) [13]. Esta ecuación incluye en elanálisis bloqueos y retardos, además es apropiada parasistemas con planificadores expropiativos de prioridadesfijas, y plazos menores o iguales a los períodos.

Tabla 4Caso peor de tiempo de ejecución por tarea

Nombre Incremento

1 FD-IRR 331,20 407,45 23 %

2 Sensor 147,30 178,40 21 %

3 TickFreeRTOS 173,41 205,23 18 %

4, 5, 6 Celda PID 307,60 389,15 27 %

i smi sC i

aI

En este análisis se ha considerado despreciable la latenciadel proceso de interrupción que sufren las tareas que seimplementan como SAI, este valor de s10 es fijo paratodas, y es el tiempo que necesita el procesador paraalmacenar en memoria los registros que se requieren pararestablecer el contexto en el momento de la interrupción.Como se puede observar, es un tiempo relativamente cortoen comparación con los tiempos de computación de lastareas o los retardos que sufren las tareas de los lazos decontrol.

Índice de utilizaciónEl índice de utilización de un sistema de cómputo es una de las

ecuaciones publicadas por Liu y Layland en 1973 [12],

Tabla 5Caso peor de retardo por tarea

Nombre Incremento

4 P ID 200,50 253,79 27 %

5 P ID 273,20 340,60 25 %

6 P ID 320,40 402,52 26 %

i smi sJ i

eT

w

pos

-410

-410

Page 34: Vol 2, No 3 (2011)

Reinier Torres Labrada - Mailén Sarmiento Fong

R e v i s t a C u b a n a d e I n g e n i e r í a 35

jihpj j

jki

iiki C

TJR

CBR

)(

1 (14)

donde::)(ihp Conjunto de tareas con prioridad mayor que i .

:iR Tiempo de respuesta de i .

:iB Bloqueo que sufre i .

:, ji CC Tiempo de computación de i y j .

:, ji JJ Demora o retardo (jitter) que sufre i y j .Para evaluar la ecuación (14) se comienza por asignar

valores a 0iR , como norma iii BCR 0 . El proceso se

detiene cuando iiki

ki JDRR 1 en cuyo caso el tiempo

de respuesta es o cuando se obtiene como resultado

iiki JDR 1 situación que convierte a la tarea en una no

planificable. Se considera que el sistema es planificable sitodas sus tareas son planificables.

La tabla 6 muestra los tiempos de respuesta para todaslas tareas analizadas, en todos los casos las tareas sonplanificables por lo que el sistema es planificable y puedeconsiderarse de tiempo real.

La obtención del CPTE mediante mediciones y el modelode Gumbel permiten determinar el parámetro tiempo decomputación para la evaluación del modelo de ATR escogido.Tradicionalmente el CPTE se ha obtenido mediante análisisestático, lo que requiere el modelado del hw y el análisis delsw a bajo nivel. El método aquí expuesto no requiere modelarel hw, ni analizar el sw a bajo nivel, lo que permite su fácilaplicación en otras plataformas de desarrollo hw/sw.

Una vez obtenidos los parámetros del sistema y el CPTEse puede evaluar directamente un modelo de ATR. El modelode ATR debe ser cuidadosamente escogido, en este casose seleccionó uno relativamente sencillo, con la intenciónexpresa de demostrar la aplicabilidad de la teoría de análisisde tiempo real.

Para el subsistema analizado se demostró que se comportaen tiempo real y que existe disponibilidad en los recursos decomputación. Este resultado permite el desarrollo del restode los componentes del sistema y la realización del análisisde tiempo real de los mismos en la medida en que secompletan.

El método de análisis presentado puede ser aplicado asistemas de tiempo real firmes y blandos, ya que aunque sepueden imponer restricciones altas sobre la probabilidad defallo en el cumplimiento de plazos no existen garantías paraun sistema de tiempo real estricto. Tampoco se puede obtenerla tasa de fallos probables durante un período de tiempo, loque impide que esta técnica pueda ser utilizada en eldesarrollo de sistemas de tiempo real estricto-debilitados.

RECONOCIMIENTOSLos autores agradecen al doctor Alejandro Cabrera

Sarmiento por la revisión del manuscrito y sus oportunosconsejos, los cuales contribuyeron a mejorar la calidad deeste trabajo.

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Analysis. IEEE Press, 2004, 530 pp. ISBN 0-471-22855-9.2. BURNS, A. and WELLINGS, A. J. Concurrent and Real-

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* Única tarea con período diferente al plazo: T3 4000 .

CONCLUSIONESEl análisis funcional de la aplicación permite definir

parámetros que se utilizan en la obtención del tiempo derespuesta del sistema. En este caso se obtuvieron losperíodos de las tareas y los plazos para la entrega de larespuesta. Durante esta etapa se pueden determinarcaracterísticas de componentes a implementar en sw quepueden tener un impacto determinante en el gastocomputacional del sistema. El orden del FD escogidopermitió obtener una buena respuesta en la salida delsistema con una reducción del gasto computacional desu implementación sw.

Tabla 6Respuesta temporal de las tareas del controlador del motor de CD

Nombre

1 FD-IRR Ia 407,45 2 000 0 2 000

2 Sensor 585,85 4 000 0 4 000

3 TickFreeRTOS* 791,08 1 000 0 1 000

4 PID 1 180,23 4 000 253,79 3 746,21

5 PID 1 569,38 20 000 340,60 19 659,40

6 PID 1 958,53 1000 000 402,52 99 597,48

i iR sD i sJ i sJD ii

eT

wpos

s

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Diseño y análisis de tiempo real de un controlador para motor de corriente directa

R e v i s t a C u b a n a d e I n g e n i e r í a36

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AUTORESReinier Torres LabradaIngeniero en Automática, Instructor, Departamento de Auto-mática y Computación, Facultad de Ingeniería Eléctrica, Ins-tituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría, Cujae,La Habana, Cuba

Mailén Sarmiento FongIngeniera en Automática, Instructora, Departamento de Au-tomática y Computación, Facultad de Ingeniería Eléctrica,Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría, Cujae,La Habana, Cuba.

AbstractThe real time analysis of a DC motor controller is addressed. During the functional analysis, deadlineand period of tasks were extracted to be used as parameters for Response Time Analysis (RTA). Toget the Worst Case Execution Time (WCET) each task is stimulated with a random input vector. Agreat number of computation time samples were recorded and the WCET computed using the Gumbelstatistical distribution. With the WCET, deadlines and periods of the task set under analysis a RTAmodel is evaluated and its results discussed. By modeling the WCET using the Extreme ValuesTheory (EVT) the need of low level analysis for software and an accurate model for hardware is avoided.The method used here is useful for soft real-time systems and could be applied to other hw/sw platformseasily.

Key words: real-time system, response time, real-time operating system, digital signal processing,PID

Desing and Real-Time Analysis of a Direct Current Motor Controller

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Recibido: 4 de julio de 2011 Aprobado: 27 de agosto de 2011

Revista Cubana de Ingeniería, II(3), 37-48, 2011

No linealidad geométrica en torresatirantadas

INGENIERÍA CIVIL

ResumenLas torres atirantadas son estructuras con un alto comportamiento estructural no lineal geométricobajo la acción de cargas de viento extremas. La no linealidad es debida a los cambios en la rigidezque experimentan los cables que las estabilizan, lo cual se produce a partir de los desplazamientosde la estructura bajo cargas de diseño y la consecuente variación de tensión en los cables. Loscables a barlovento incrementan los valores de tensión mientras que los cables a sotavento experi-mentan distensión. Este trabajo tiene por objeto estudiar las variaciones en los esfuerzos internosobtenidos en los elementos de una torre atirantada bajo carga de viento extrema considerando la nolinealidad geométrica y sin considerarla, a fin de valorar la necesidad de este tipo de análisis. Losresultados obtenidos de la modelación de la torre reflejaron incrementos significativos en los esfuer-zos para todos los elementos, confirmando la necesidad de aplicación de análisis no lineal en torresbajo carga de viento extrema. Los resultados permiten afirmar que la no consideración de la nolinealidad geométrica produce un aumento de la vulnerabilidad de las torres cuando estas se encuen-tran bajo carga de viento extrema.

Palabras clave: análisis no lineal de estructuras, torres atirantadas, carga de viento

Vivian Elena Parnás Artículo OriginalCorreo electrónico:[email protected]

Ingrid Fernández LorenzoCorreo electrónico:[email protected] Superior Politécnico José Antonio Echeverría, Cujae, La Habana, Cuba

INTRODUCCIÓNLas torres atirantadas de celosía son estructuras de gran

complejidad debido a la presencia de cables para garantizarsu estabilidad, los cuales le confieren al conjunto uncomportamiento caracterizado por la no linealidad geométricaproducto de la variación de la rigidez de los mismos y a losdesplazamientos horizontales de la estructura frente a cargasde viento. Cuando una torre atirantada es sometida a laacción del viento, se deforma lateralmente, y se desplaza elpunto de apoyo de los cables en la torre; consecuentementese modifica el perfil del cable y la componente horizontal ensus extremos. Los cables que se encuentran a barloventoaumentan su tensión mientras que los que se encuentran asotavento experimentan una disminución de la misma y unaumento notable de la flecha, con lo cual las expresioneslineales de cálculo dejan de ser válidas y deben utilizarseotros métodos para determinar su respuesta.

La forma primaria empleada para modelar los cables enuna torre atirantada fue cambiarlos por apoyos elásticos.

Así, los cables de diferentes niveles quedaban sustituidospor resortes lineales en la dirección del viento, con rigidezcalculada de acuerdo con las propiedades elásticas del cabley al ángulo de inclinación con la torre y una fuerza vertical enese punto dada por su tensión inicial. [1] Más tarde seincorporaron modelos de representación por medio de barrasrectas, con fuerza inicial de tesado y rigidez reducidacalculada a través de un módulo equivalente o módulo deErnst, que tiene en cuenta la variación de rigidez horizontaldebido a la flecha. Este sistema resulta satisfactorio paracables sometidos a gran tensión. Asumiendo un perfilparabólico del cable, Shears [2] definió la rigidez horizontalde cable a partir de la rigidez elástica y geométrica del mismo.Esta formulación fue utilizada por Davenport y Gerstoft [1]en las modelaciones realizadas para análisis dinámicos detorres atirantadas y más tarde en investigaciones sobre elcomportamiento no lineal de cables tensados bajo vientoturbulento [3].

Page 37: Vol 2, No 3 (2011)

No linealidad geométrica en torres atirantadas

R e v i s t a C u b a n a d e I n g e n i e r í a38

En estudios posteriores Kiureghian y Sackman [4]obtuvieron una fórmula analítica para obtener la rigidezgeométrica bajo peso propio e hicieron comparaciones conla conocida fórmula de Ernst para simular el comportamientodel cable a partir de una barra. Ellos llegaron a la conclusiónde que la fórmula de Ernst no aportaba valores confiablescuando los cables se destensaban o eran inclinados. Unaforma desarrollada en los últimos años, con el uso de losmétodos de elementos f initos, es la de calcularanalíticamente la deformada del cable bajo fuerza de tesadoy peso propio, a partir de la cual se comienza el análisis dela estructura. Esta deformada o configuración inicial puedeser modelada por una serie de elementos rectos concapacidad nula a la compresión. La discretización de cadacable en varios elementos rectos pequeños permite una mejorsimulación del problema.

Los estudios más recientes relacionados con torresatirantadas están encaminados a la aplicación de modelosde elementos finitos para el análisis de torres atirantadasfrente a la acción del viento y de sismo, teniendo en cuentala no linealidad geométrica y considerando los cables comoelementos de perfil catenaria [5-10]. Esta investigación sepropone realizar una comparación entre las fuerzas interioresobtenidas en los elementos de una torre sometida a cargade viento extrema, mediante el análisis lineal y no lineal, apartir de la modelación computacional de la estructura.

DESARROLLOTeoría del cable en la torre

Los cables de una torre atirantada son inclinados y seencuentran fijos en su extremo más bajo y suspendidos delotro, el cual admite desplazamientos dl y dh en lasdirecciones horizontal y vertical respectivamente. Aldesplazarse la torre, se introducen variaciones dH y dV delas reacciones horizontales y verticales H y V, en el extremodel cable (figura1).

Se asume que los valores de H y V iniciales en la partesuperior del cable para el estado inicial (sin carga de viento)son conocidos y determinados por las ecuaciones:

HWVsenh

HVsenh

WHL

EAHLl 1100

(1)

22

00 1121

HWV

HV

WHL

WV

EAWL

h (2)

HqLsenh

HqLsenh

qHL 12

0

H

qLsenhHqLsenh

qH 12

(3)

donde:H: Fuerza horizontal en el extremo del cable.V: Fuerza vertical en el extremo del cable.W: Peso propio del cable (mgL0).L0: Longitud deformada del cable.

Entonces, estas funciones pueden ser escritas como:

VHfl , (4)

VHgh , (5)

De modo que las variaciones pueden ser expresadasmediante las funciones:

dVVfdH

Hfdl

(6)

Fig. 1. Esquema deformado de la torre con variación del perfíl de cable debido a la cargahorizontal.

Page 38: Vol 2, No 3 (2011)

Vivian Elena Parnás - Ingrid Fernández Lorenzo

R e v i s t a C u b a n a d e I n g e n i e r í a 39

dVVgdH

Hgdh

(7)

En notación matricial y en función de la rigidez estas ecuaciones pueden expresarse como:

dhdl

dVdH

K (8)

1 FK (9)

donde:Y, F es la matriz flexibilidad del cable y puede ser expresada por:

2221

1211

ffff

Vg

Hg

Vf

Hf

F (10)

De las ecuaciones 1 y 2, se obtienen los términos:

2201100

1111 HHV

HWV

HVH

V

WL

HWVsenh

HVsenh

WL

EAL

Hff (11)

2

122

12

012 11

HWV

HV

WL

Vff (12)

2

12

2

2

21

2

22

02

122

12

021

11

211

HWV

HWV

HV

HV

WL

HWV

HV

WL

Hgf

(13)

2

122

12

0022

11H

WV

HWV

HV

HV

WL

EAL

Vgf

(14)

Page 39: Vol 2, No 3 (2011)

No linealidad geométrica en torres atirantadas

R e v i s t a C u b a n a d e I n g e n i e r í a40

La matriz rigidez K estará dada por:

211222112221

1211 1ffffff

ffK

(15)

En términos generales puede expresarse como:

KgUKeUP (16)

KUP (17)

donde:

K: Matriz rigidez total que contiene los términos lineales yno lineales del elemento.

P: Matriz de las fuerzas.U: Matriz de los desplazamientos.Debido a la no linealidad geométrica, los elementos de la

matiz K deben ser constantemente actualizados. En estecaso, los desplazamientos dh son mucho menores que losdesplazamientos dl, por lo que pueden ser despreciados sinerrores significativos. Las variaciones dH y dV pueden serdeterminadas entonces por medio de las ecuaciones(18 – 19).

dlffff

fdH21122211

22

(18)

dlffff

fdV21122211

21

(19)

Para resolver casos de relaciones no lineales, se aplicanmétodos iterativos que adoptan inicialmente el valor de lavariable desconocida, la cual se modifica a medida que seplantea la exigencia que esta debe cumplir para establecerlas ecuaciones de equilibrio. Al mismo tiempo se establececuál es el valor del error máximo admisible entre las variablesobtenidas y la adoptada inicialmente. El método iterativo máscomúnmente utilizado es el de Newton Raphson, y fue conél que se trabajó debido a que el software de cálculo empleadoen este estudio lo tiene incorporado. [11] Este métodopresupone conocido el valor del esfuerzo axial a partir delcual se puede conocer la rigidez de segundo orden de cadaelemento y de la estructura en su conjunto, válida para elvalor adoptado.

Descripción del modelo utilizadoLa torre seleccionada para el estudio comparativo está

compuesta por el fuste de 75 m de altura (estructura reticuladaespacial) formado por elementos columna, diagonales ytranques y por un sistema de cables en tres direcciones deanclaje que se sujetan a diferentes alturas. La seccióntransversal del fuste es triangular equilátera de ancho 1,4 mLas columnas que conforman las aristas, son perfiles

angulares de alas similares de longitud igual a 75 mm y8 mm de espesor colocados a 60 0 y unidos por planchas.Los elementos de arriostre horizontal, denominados en estetrabajo tranques, se conforman de perfiles angulares de alasiguales, de 50 mm de longitud y espesor de 5 mm. Lasdiagonales son cruzadas y compuestas por perfiles angularesde alas iguales de 40 mm de longitud y 4 mm de espesor.Posee 5 niveles de cables, incluyendo los sistemas dereducción de torsión. En la tabla 1 y figura 2 se definen lascaracterísticas de disposición de cables y antitorsores.

Tabla 1D atos de los cables pa ra la construcción del mode lo

Nive l Tipo*

Ángulo conla torre

(grados)

Tipo decable**

(mm )

C argaderotura

(kN)

1 TS B (1) 58,39 1X 7+0 13 162

2 ATB (2) 37,41 1X 7+0 13 162

3 TSM (1) 29,48 1X 7+0 13 162

4 ATA (2 ) 35,26 1X 7+0 13 162

5 TSA (1) 28,66 1X 19+0 16 235

* La nomenclatura está referida al tipo, simple o antitorsor, y elnúmero entre paréntesis indica la cantidad de cables que lleganal nivel desde los anclajes.** La nomenclatura se refiere al número de cordones, númerode cables y tipo de alma del cable.

37,41°

29,48°

26

41

1634

4658

75

28,66°

35,26°

TSB

ATB

TSM

ATA

TSA

58,39°

Fig. 2. Modelo de torre seleccionado para el estudiocomparativo. Dimensiones en metros

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Vivian Elena Parnás - Ingrid Fernández Lorenzo

R e v i s t a C u b a n a d e I n g e n i e r í a 41

No linealidad de la torre en el rango de los vientosextremos de Cuba

En las torres atirantadas, en condiciones de trabajo singrandes cargas de viento, todos los cables se mantienendentro de un rango de tensiones relativamente alto, que lespermite un comportamiento aproximadamente lineal; sinembargo, cuando la acción de la carga de viento alcanzavalores significativos, provoca en la torre el destensado orelajamiento de los cables a sotavento y su comportamientose vuelve altamente no lineal. Para poder evaluar si el efectode la no linealidad es significativo dentro del rango en quevarían las velocidades de viento sobre la torres en estudio,se realizó el análisis no lineal y lineal aplicando diferentesvalores de carga de viento a la torre.

ResultadosDos opciones de análisis no lineal fueron realizadas, una

considerando solo la no linealidad geométrica de los cables(ANL) y la otra considerando también la no linealidad en loselementos del fuste (ANL P-Ä). Los resultados arrojaron, enla mayoría de los parámetros de análisis, que el efecto deno linealidad en las barras del fuste no es significativo, estose explica por las pequeñas deformaciones entre losextremos de cada una de las barras con relación a losdesplazamientos del conjunto. Los parámetros decomparación entre los dos métodos de análisis fueron: fuerzaen los cables, reacciones en anclajes, fuerzas en loselementos del fuste (columnas, diagonales y tranques) y losdesplazamientos en el fuste, analizados para tres direccionesde viento 0, 60 y 90 según se recomienda, [12-14] connomenclatura de (A, B, C) para referirse a los vértices de latorre (figura 3).

CablesPara las tres direcciones de viento analizadas se tomaron

las fuerzas interiores de los cables más solicitados y con ellosse realizó la comparación. El esfuerzo máximo se obtuvo paralos cables del vértice B para dirección de viento 900.La figura 5 representa los esfuerzos en los cables de losdistintos niveles del vértice B para los dos análisis realizados,expresados en porcentaje de la carga de rotura. Como se puedeapreciar, los esfuerzos obtenidos del análisis lineal son inferioresa los obtenidos en el análisis no lineal. La tabla 2 expresa losporcentajes de incrementos relativos entre los dos tipos deanálisis, que como se aprecia, llegan hasta el 77 % dependiendode la dirección de viento analizada. Los incrementos mayoresse dan para la dirección, aunque esta no es la que da losmayores esfuerzos en los cables, el comportamiento es debidoa que esta dirección es la que produce las mayores distensionesen los cables del vértice A que están a sotavento, acentuandola no linealidad de la respuesta. Para la dirección 900 eldestensado se produce en los cables del vértice C, que por suposición, no alcanzan nunca resultados similares a los delvértice A en la dirección 00.

Fig. 3. Esquema de direcciones de viento y nomenclatura devértices.

DesplazamientosLa figura 4 muestra los desplazamientos a lo largo del

fuste de la torre, calculados a partir del análisis lineal y nolineal del modelo. Los incrementos encontrados en losdesplazamientos del análisis no lineal, para el estado finalde carga, son 2,4 veces mayor que los obtenidos por elanálisis lineal. Los resultados obtenidos para la consideracióndel efecto P- en el fuste solo difieren en un 6 % de losobtenidos con la no linealidad de los cables y grandesdesplazamientos, constatándose que para la tipologíaestudiada el efecto de las deformaciones de los elementosentre sus extremos no es significativa.

0.2 3

0.780.83

0

10

20

30

40

50

60

70

80

-0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

(m )

Altu

ra (m

)

ESTADO IN ICIALALINEALANLANLPDELT A

Fig. 4. Desplazamientos en la dirección del viento en el topede la torre para estado final de trabajo.

Fig. 5. Fuerza máxima en los cables de diferentes niveles paraestado final de trabajo según las tres direcciones de viento.

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No linealidad geométrica en torres atirantadas

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AnclajesOtro elemento fundamental del análisis son los anclajes.

Analizando las reacciones para las tres direcciones de vientoprincipales, se observó que la condición más desfavorablese produjo, al igual que para los cables, en los anclajes delvértice B para la dirección de viento de 90 0, lo cual escoincidente en los dos tipos de análisis realizados,(figura 6). Los anclajes del vértice más solicitados alcanzanreacciones de 155 kN y 239 kN, según análisis lineal y nolineal respectivamente, para un incremento relativo de 54 %.

Cables, lo cual es característico si se consideran los puntosde unión de los cables con la estructura como apoyos singrandes desplazamientos (apoyos semifijos). El análisis nolineal en cambio, arroja la mayor parte de los tramos de estacolumna trabajando en compresión y con valoressignificativamente mayores que en el caso de análisis lineal.Se observa un acercamiento de los dos resultados en elúltimo tramo de la torre, en que los esfuerzos obtenidoscoinciden en signo y se acercan mucho en magnitud. Eneste tramo al ser los esfuerzos de compresión relativamentepequeños y existir una alta tensión en los cables del últimoy penúltimo nivel, el comportamiento predominante ante lacarga lateral es de flexión (figura 7). La tabla 3 muestra parael elemento más solicitado, los incrementos relativos de unanálisis respecto al otro.

Tabla 2Incremento re lativo de los esfuerzos en los cablesexpresados en porcentaje según análisis no lineal

Nivelcable

C ota(m)

D irección de viento

0 60 90

TSB 16 63,1% 38,4% 47,7 %

ATB1 34 63,9% 33,2 % 44,9 %

ATB2 34 66,2% 33,0 % 43,2 %

TS M 46 66,2% 36,1% 47,1 %

ATA 3 58 72,0% 44,4 % 55,3 %

ATA 4 58 74,1% 44,5 % 54,5 %

TSA 75 77,4% 38,0 % 49,6 %

ColumnasDe las direcciones de viento analizadas, la correspondiente

a cero grado es la que da los resultados más desfavorablespara los elementos del fuste. La columna más comprimidadel fuste es la del vértice A. Según el análisis lineal de laestructura, la columna se encuentra con esfuerzos detracción en los tramos intermedios entre niveles de cables yesfuerzos de compresión en las cercanías de los niveles de

Es tad o Fin al Colum na A

0

10

20

30

40

50

60

70

80

-800 -600 -400 -200 0 200

Fue za (k N)

Altu

ra (

m)

ALINEALANL

PDELTA

Fig. 7. Fuerza axial en columna A a sotavento para direcciónde viento cero grado.

Tabla 3Fuerza axial e incrementos relativos de fuerzas encolumna A y dirección de cero grado

EsfuerzosColumna A

Lineal No lineal IncrementosANL/AL

Máxima tracción(kN) 148,54 95,57 -36 %

Máximacompresión (kN) -225,2 -722,4 221 %

Fig. 7. Reacción en los anclajes para el estado final de trabajo.

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DiagonalesLas diagonales de la cara AB son las que sufren mayores

esfuerzos. Según el análisis lineal estas presentan unasimetría con relación a los elementos en tracción ycompresión a lo largo de la altura de la torre, con un aumentode los esfuerzos en las diagonales próximas a los niveles decable y en el primer tramo de la torre. La tabla 4 resume losresultados obtenidos para uno y otro análisis según ladirección de viento más desfavorable (cero grado). Se aprecianincrementos relativos del 95 % para el elemento de mayorcompresión.

CONCLUSIONESLa comparación del análisis estructural de la torre, en

condiciones de comportamiento lineal y no lineal de los cablesbajo la acción de cargas extremas, evidencia que sesubestiman los esfuerzos a los que está sometida laestructura si no se realiza un análisis no lineal geométrico.

Los incrementos relativos encontrados en el modelo decomportamiento no lineal geométrico con relación al modelode comportamiento lineal geométrico para la torre, fue delorden del 33 % al 77 % para cables, de hasta un 87 % paraanclajes, del 221 % para columnas, de un 95 % paradiagonales y de hasta un 68 % para los tranques en el fuste.

Las variaciones entre los valores obtenidos a partir delanálisis no lineal considerando el efecto p-delta y sinconsiderarlo fueron pequeños reflejando que la mayor fuentede no linealidad es producto de los desplazamientosgenerales de la torre y no de las deformaciones de losmiembros de la estructura.

REFERENCIAS1. DAVENPORT, A.G. and GERSTOFT, P. "A Simplified

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10. ZHU, N. Wind Tunnel Test for Guyed mast DynamicCharacteristics under wind Loads, Department of Civiland Geological Engineering. 2007, University of Sas-katchewan: Saskatoon. Canada.

Tabla 4Fuerza axial e incrementos relativos de fuerzas en diagonales

Diagonales AB Análisislineal

Análisis nolineal

IncrementosANL/AL

(%)

Máximoesfuerzotracción (kN)

16,1 13,6 -16 %

Máximoesfuerzocompresión (kN)

-14,7 -28,6 95 %

TranquesLos esfuerzos en los elementos tranques de la cara BC

(cara frontal al viento, para la dirección de cero grado), quebajo el análisis lineal se encuentran trabajando a valoresbajos de compresión, pasan a trabajar en tracción cuandose realiza el análisis no lineal. Esto se corresponde con losincrementos en deformación lateral de la torre y el aumentode la compresión en la columna del vértice A. En los nivelesdonde llegan los cables al fuste, se produce un salto de losvalores de fuerza axial debido a la fuerza transmitida porestos. Los tranques de este nivel se usan generalmente consección de doble angular o con perfiles mayores que losutilizados en el resto de la torre (figura 8).

Fig. 8. Fuerza axial en tranques de cara BC del fuste paradirección de viento cero grado.

E s t a d o F i n a l T r a n q u e s c a r a B C

0

1 0

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0

7 0

8 0

- 4 0 - 3 0 - 2 0 - 1 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0

F u e r z a ( k N )

Alt

ura

(m

)

A L IN E A L

A N LP D E L T A

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No linealidad geométrica en torres atirantadas

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11. WILSON, E. L. AND HABIBULLAH, A. SAP2000,in.Computers & Structures, Inc., U.S. Manual Editor. :Berkeley, California. 1999.

12. SMITH, B.W. Communication Structures. First edition2007, London, Great Britain.

13. TIA/EIA-222-G, Structural standards for Steel AntennaTowers and Antenna Supporting Structures. Telecommunications Industry Association, USA. 2005.

14. CIRSOC-306, Estructuras de acero para antenas.INTI-CIRSOC, Argentina, 1992.

AbstractA guyed mast is an example of structures with non-lineal behaviour under extreme wind loads. Cablesare used to stabilize structures; changes in the stiffness of these structures give rise to non linearity.The variations in stiffness are produced as results of displacements of structures under wind loads andof variations in tension in cables. The aim of this paper is to analyse the variations obtained in internalstresses in tower members under extreme wind loads by considering and not considering the geometricnon-linearity alternatively in order to value the necessity of non-lineal geometric application in guyedmast under extreme wind loads. Results obtained from the guyed mast model reflect considerableincreases in stress in all members of the tower under non-linear analysis compared to linear analysisand confirm that linear analysis conduces to increases in vulnerability under wind loads and hence toan unsafe design.

Key words: non linear analysis, guyed mast, wind load

Non-Linear Geometric Analysis in Guyed Masts

AUTORESVivian Elena ParnásIngeniera Civil, Doctora en Ciencias Técnicas, Facultad deIngeniería Civil, Instituto Superior Politécnico José AntonioEcheverría, Cujae, La Habana, Cuba

Ingrid Fernández LorenzoIngeniera Civil, Facultad de Ingeniería Civil, Instituto SuperiorPolitécnico José Antonio Echeverría, Cujae, La Habana, Cuba

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Recibido: 12 de junio de 2011 Aprobado:28 de agosto de 2011

Revista Cubana de Ingeniería, 3(II), 45-48, 2011

La calidad como cultura, estrategiade futuro para la empresa cubana

INGENIERÍA INDUSTRIAL

ResumenLa empresa cubana actual debe centrarse en la compleja tarea de revolucionar su cultura organizacional,fomentando valores orientados hacia la calidad, la eficiencia, la innovación, el conocimiento y lacompetitividad, con el objetivo de potenciar su papel como eslabón fundamental del desarrollo econó-mico. El presente trabajo tiene como propósito hacer un análisis y valoración de aspectos importan-tes en la creación de una adecuada cultura organizacional orientada a la calidad, y enfatizar en laimportancia de su conocimiento por parte de directivos y trabajadores. La reflexión en el trabajo giraen torno a ver la calidad como estrategia, enmarcada en las condiciones actuales y futuras de unmercado inestable, cambiante, con innumerables riesgos y un elevado nivel de competencia e incer-tidumbre. Todos estos elementos determinan que la empresa cubana en su actual empeño por sercompetitiva, alcanzar productos y servicios de excelencia, a la par de lograr rentabilidad y eficienciatrabaje en función de crear esa tan necesaria cultura.

Palabras clave: calidad, cultura organizacional, valores

Dayamí Cruz Quesada Artículo de ReflexiónCorreo electrónico:[email protected] de Mantenimiento a Centrales Eléctricas, Cienfuegos, Cuba

INTRODUCCIÓNEl principal desafío de la empresa cubana actual es elevar

su competitividad, expresada en la multiplicación de laeficiencia, la eficacia y la calidad en las organizaciones. Unamanera de lograr estos objetivos es a través del mejoramientocontinuo de productos, procesos, procedimientos yprácticas.

Alcanzar la excelencia empresarial a través de la realizaciónde prácticas sobresalientes en la gestión de lasorganizaciones, con una orientación a los resultados y alcliente, al desarrollo, compromiso y sentido de pertenenciadel capital humano, al liderazgo, el trabajo en equipo, alaprendizaje continuo y la innovación, la gestión por procesosy del conocimiento, la mejora continua y la altaresponsabilidad social, requiere de empresas con una elevadacultura de calidad. Se hace evidente por tanto que para operareste preciso cambio cualitativo en la concepción de la calidadempresarial hace falta primero la voluntad de la alta dirección,

de la necesidad del mismo, a la par de fomentar en lostrabajadores a todos los niveles una elevada cultura orientadaa la calidad.

El alcance de esta cultura debe asegurar como objetivoprimordial un enfoque al cliente en toda su extensión, teniendoen cuenta que se cumplan los requisitos especificados poreste y su satisfacción, a partir del principio de mejora continuay de la implementación de un efectivo sistema de gestión dela calidad.

En el presente trabajo se abordan algunos de los elementosasociados a la calidad, que condicionan la culturaempresarial, vistos no solo en el momento actual, sino conuna perspectiva futura tangible a largo plazo como estrategiaobligatoria para la empresa cubana actual.

DESARROLLOLa responsabilidad social y el entorno en que se

desenvuelve la empresa cubana actual determinan la

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La calidad como cultura, estrategia de futuro para la empresa cubana

R e v i s t a C u b a n a d e I n g e n i e r í a46

necesidad de implementar un cambio en su gestión, de caraal logro de mayores niveles de desarrollo. La elevación de lacalidad y la implementación de un sistema de gestiónrepresentan por tanto decisiones estratégicas para laempresa cubana, siendo la calidad un recurso fundamental,en el logro de su deber social de ser rentable y eficiente.

El diseño e implementación de estas políticas y sistemaspasa por tanto a ser una decisión trascendental, por cuantoestán modificadas por un entorno competitivo, cambiante,con mayores niveles de exigencias y riesgos, insertados enun mercado que tiene en cuenta elementos objetivos ysubjetivos; es decir, la calidad objetiva, precisa, tangible ymedible por un cliente que consume el producto o servicio,influenciado por su productor que mediatiza que se logre ono en la realidad; por lo que el empresario y la empresadeben convertirse en los protagonistas del cambio en labúsqueda del éxito. Este éxito demanda una nueva culturaen la gestión de la empresa, con una sólida orientación a lacalidad.

Este empeño constituye por tanto un boleto hacia el futuro,que requiere para su obtención de la vinculación de latecnología y mecanismos técnicos y del desarrollo de nuevasactitudes, roles y liderazgos, motivaciones y respon-sabilidades, así como de un recurso humano altamentecomprometido en su consecución.

Esta cultura o modelo de gestión debe centrar su atenciónen varios aspectos claves como son:

• El propósito de la organización es identificar y satisfacerlas necesidades y expectativas de sus clientes. Esimprescindible que predomine la idea de que lo esencial entodo momento es la satisfacción de los requerimientos delos clientes, tanto externos como internos. Las organizacionesdependen de sus clientes y por tanto deberían comprenderlas necesidades actuales y futuras de los clientes, satisfacerlos requisitos de los clientes y esforzarse en exceder susexpectativas; [1] a la par de dar seguimiento a la percepciónde los mismos, a través de elementos de entrada quemuestren su satisfacción. Este enfoque al cliente, proporcionaun aumento de los ingresos y oportunidades, así como sentarposiciones de un cliente que conduce a repetir en el negocio.

• El reto es asegurar un enfoque gerencial orientado a lamejora continua. La mejora continua del desempeño globalde la organización debería ser un objetivo permanente deesta [1]. La alta dirección debe crear una cultura y ambienteque involucre a todos sus miembros a enfocarse en labúsqueda constante de mejoras en el desempeño ycaracterísticas de sus productos, procesos y sistemas. Dichoproceso de mejora debe encauzarse al logro de mejoresestándares de eficiencia y eficacia para la empresa, así comopara mejorar la satisfacción de los clientes y todas las partesinteresadas.

• La entidad y las actividades que en ella se llevan a cabohay que analizarlas con un enfoque basado en procesos y

de sistema para la gestión, con enfoque sistémico,interrelacionados entre sí. Esto produce menores costos,ciclos de tiempo más cortos, así como resultados mejorados,consistentes y predecibles. Identificar, entender y gestionarlos procesos interrelacionados como un sistema, contribuyea la eficacia y eficiencia de una organización en el logro desus objetivos; [1] además de que proporciona al enfocar losesfuerzos en los procesos claves, oportunidades de progresoenfocadas y priorizadas y confianza a las partes interesadassobre la efectividad de la organización; objetivo primordial aalcanzar por la empresa cubana actual que necesitainsertarse y concretarse en un entorno cada día máscompetitivo y audaz.

• El recurso humano, es el principal activo con que cuenta,la empresa, por lo que debe ser confiable, creativo, innovador,que trabaje en equipo, con un alto nivel de automotivación yrealización, que viva las transformaciones y los cambiosorganizacionales como oportunidad. Es por tantoimprescindible para el líder, creador y conductor de la cultura,conocer a sus subordinados, necesidades, capacidades,motivos, actitudes y diferencias individuales e inculcar enlos mismos la motivación por la calidad. Esto incluye observarlos cuatro patrones de motivación o necesidadesidentificadas, necesidad de logro, afiliación, competencia ypoder. El conocimiento por parte de los directivos ytrabajadores de estos cuatro patrones o necesidades esesencial en el logro de una eficiente cultura orientada a lacalidad, por cuanto lograr que todos sientan la necesidad dealcanzar resultados y metas independientemente a losobstáculos, que acepten retos, que se afilien a los otrosmiembros de la organización y coordinen sus esfuerzos haciala calidad, de igual forma estimular la competencia como unmedio para alcanzar la excelencia y el liderazgo y el controlen este mismo sentido es una eficaz vía para elevar lacompetitividad de la empresa a través de mayores nivelesde calidad.

• La alta dirección debe tener un sólido compromiso conla calidad. Cada directivo debe ser líder y educador en elalcance de la cultura organizacional orientada a lacalidad. [2] El líder tiene la responsabilidad de garantizarque el ambiente favorezca el desarrollo exitoso del trabajobrindándole confianza a sus subordinados, siendo receptivoante sus ideas y sugerencias, utilizando adecuados métodosde trabajo. Debe desarrollar en ellos las habilidadesnecesarias para que el grupo sea capaz de afrontarsatisfactoriamente el trabajo en equipo; escoger la imagenque desea alcanzar de la organización, sintetizarla y trasmitirlaal grupo. Por tanto, corresponde a la alta dirección establecerel propósito y la orientación a la cultura que requiere el futuro.

• El desarrollo de una cultura de calidad es influida engran medida por el grado en que el líder de la organizaciónpueda obtener la cooperación de los subordinados. [3] puesorientar una organización a la calidad demanda que el líder

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Dayamí Cruz Quesada

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logre la participación de todos los trabajadores en beneficiode la organización. Toda persona debe ser involucrada enlos objetivos de la organización y sentirse su contribuyentemás importante. De igual forma la participación implica estarmotivado para dar el máximo en su realización, a exponertodas sus habilidades para lograr los objetivos, laresponsabilidad implica que la tarea es aceptada de buenagana, no solo la personal, sino la que se asuma por perteneceral grupo. Esto permite formar valores, trabajar con personasestimuladas, comprometidas e involucradas y con alto nivelde innovación y creatividad. El logro de todos estos beneficiosredunda de manera favorable en la cultura empresarial y enlos resultados de la empresa.

• Crear esa conciencia y cultura de calidad requiere a todoslos niveles de una alta educación para la calidad. Estaeducación según H. Harrington en su libro ImprovementProcess, debe contemplar los siguientes objetivos:"Comprender claramente los fundamentos de la calidad pordirectivos y trabajadores; crear conciencia y perspectivaacerca de los problemas de la calidad que pueden afectar laestrategia de desarrollo de la empresa; proveer lasherramientas que ayuden construir y a usar los sistemas decalidad como una palanca vital para alcanzar los objetivos einfluenciar para integrar la calidad como una meta primariaen el proceso de toma de decisiones". [4] Este procesoeducativo debe ser programado, continuo y permanente,manteniendo su integración con el objetivo general que esincorporar la necesidad de trabajar con alta calidad.

La atención de estos elementos, enfoques y puntos devistas, condicionan el éxito en la creación de esta filosofíaorganizacional orientada a la calidad en la Empresa deMantenimiento a Centrales Eléctricas y alinean sus esfuerzoshacia la excelencia. Esto se traduce en la aplicación de unSistema de Gestión Integrado, con nueve procesosidentificados, con sus respectivas fichas de procesos queestablecen indicadores para medir la eficacia de cada unode ellos. Procesos que de conjunto con la política, el manualde la calidad y los procedimientos, regulaciones einstrucciones soportan el sistema de gestión.

Dicho sistema trabaja para satisfacer las necesidades delcliente, tanto interno como externo. Para materializar esteobjetivo se realizan encuestas, las cuales son procesadaspor el método del índice de calidad percibida (ICP), aplicablesa todos los procesos y actividades que se realizan en laorganización, con la intención de conocer y retroalimentarnosde la opinión de estos. Además, existe un sistema decomunicación con el cliente que incluye la información sobreel servicio, las consultas, contratos o atención a pedidosincluyendo las modificaciones, la retroalimentación a partirde quejas o sugerencias y la medición de su satisfacción.

Con el objetivo de garantizar la mejora continua,trimestralmente se realiza la revisión por la dirección, endonde se tienen en cuenta los resultados de la

retroalimentación del cliente, la eficacia de los procesos, laevaluación de los impactos medioambientales, investigaciónde accidentes e incidentes laborales, el estado de lasacciones correctivas y preventivas y el cumplimiento de losprogramas de mejoras. Al mismo tiempo teniendo en cuentaque "el personal que realice trabajos que afecten a laconformidad con los requisitos del producto debe sercompetente con base en la educación, formación, habilidadesy experiencias apropiadas" [5], nuestro sistema establecelos procedimientos para determinar, proporcionar y evaluarlas competencias del personal; a la par de realizar accionesque aseguren la conciencia en las personas de cómocontribuyen a la calidad, a partir de un liderazgo como valorinstrumental capaz de crear un ambiente en el que el personalse encuentre completamente involucrado y el sistema degestión pueda operar eficazmente.

CONCLUSIONESCada día adquiere más relevancia en el ámbito

empresarial los denominados intangibles estratégicos,que aunque no f iguran en el balance económico,proporcionan resultados valorables económicamente.Lograr una cultura orientada a la calidad e implementarun ef iciente sistema de gestión es uno de estosintangibles que proporcionan prestigio a la empresa,prestigio que se traduce en un aumento o mantenimientode la clientela, en credibilidad ante la sociedad y enresumen en una mayor rentabilidad económica.

La cultura organizacional conceptualmente subraya laimportancia de los valores y creencias compartidos y suefecto sobre el comportamiento; desde el punto de vistapráctico es un proceso complejo y dinámico, que se vinculacomo se ha demostrado al liderazgo, por las acciones deeste en su creación, destrucción y mantenimiento, viendo aldirigente como principal agente de cambio y transmisor decultura; a la participación de todo el personal comenzandopor la alta dirección, donde se centre su compromiso con lacalidad y se irradie a todos los trabajadores, a través de uncontinuo y creativo proceso educativo; a la motivación comoelemento psicosocial de vital importancia vinculado a lacalidad, teniendo en cuenta esta como la fuerza interna quetiene el individuo y que va a dirigir y orientar su conducciónal logro de determinados objetivos.

La observancia de estos aspectos ayudará a garantizar eléxito y aportará beneficios, teniendo en cuenta el entornoactual y la perspectiva futura del mercado. Se hace evidentey necesario para la empresa cubana alcanzar una culturaempresarial que la condicione como una empresapotencialmente competente, comprometida con la calidad,en condiciones de dar muestra a sus clientes de sucapacidad para proporcionar productos y/o servicios que lossatisfagan y de encauzar sus energías y potencialidadeshacia el futuro.

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La calidad como cultura, estrategia de futuro para la empresa cubana

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McGraw Hill. 1987.

AbstractThe present-day Cuban company must focus on the complex task of revolutionizing its organizationalculture thus encouraging values guided towards quality, efficiency, innovation, knowledge and com-petitiveness, all culminating the objective of potentiating its role as the fundamental link in the eco-nomical chain development. There fore, the present work "Quality like culture is a future strategy forCuban company" fills the purpose of analyzing and evaluating the important aspects in the creation ofan adequate organizational culture and make aware of such among executives and workers. The on-the-job reflection revolves around seeing the quality like strategy in action, marking us in the presentand future conditions of an unstable market, a market with innumerable risks, uncertainty and anelevated competitive level. All these elements determine that the Cuban company in its day-to-dayeffort to be competitive is offering high quality products and excellent services. Also it is productiveand efficient in function of creating that so necessary culture.

Key words: quality, organizational culture, moral values

Quality Like Culture, is a Future Strategy for Cuban Company

5. ONN. NC 9001:2008 Sistema de Gestión de la Calidad -Requisitos. Cuba. 2008.

AUTORADayami Cruz QuesadaIngeniera Industrial, Especialista en Gestión de RecursosHumanos, Empresa de Mantenimiento a Centrales Eléctricasde Cienfuegos, Cuba

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Recibido: 4 de julio del 2011 Aprobado: 27 de agosto de 2011

Revista Cubana de Ingeniería, 3(II), 49-52, 2011

Estudio y caracterización de cementosexpansivos

INGENIERÍA DE MATERIALES

ResumenEl objetivo del trabajo consiste en caracterizar un cemento expansivo comercial, para el posteriordesarrollo de una formulación nacional, con el consecuente efecto económico y de independencia delmercado internacional. Por otra parte, los resultados contribuyen al desarrollo del potencial científico-tecnológico. El cemento expansivo es un producto demoledor no explosivo que permite demoler rocasy hormigones. Para caracterizar la composición de estos productos, se emplean las técnicas deespectroscopia infrarroja con transformada de Fourier y microscopía electrónica de barrido. Se deter-mina que estos cementos están compuestos por óxidos, silicatos, sulfato, ferritoaluminato y alumina-to de calcio.

Palabras clave:cemento expansivo, FTIR, MEB, composición

Hugo Guerra MenéndezCorreo electrónico:[email protected] Artículo OriginalCentro de Investigación y Desarrollo Técnico, MININT

Eduardo Peón AvésCorreo electrónico:[email protected] de Biomateriales, Universidad de La Habana

Julio E. Lanza RodríguezCorreo electrónico:[email protected] de Servicios Técnicos y Tecnologías de la Construcción, MINFAR

INTRODUCCIÓNComo parte del avance económico-social sustentable en

Cuba, se realizan investigaciones para el desarrollo eintroducción de nuevos productos, teniendo en cuenta laprotección del medio ambiente. Entre los productosnecesarios para este desarrollo tienen un lugar destacadolos materiales para la construcción. En el mundo existen ungrupo de firmas comerciales que ofertan estos productos,como los cementos expansivos, con elevados precios enmoneda libremente convertible; por tal motivo, lograr laindependencia tecnológica y económica es un factor esencialpara asegurar el incremento futuro de materiales nacionalesde este tipo.

Los cementos de aluminato de calcio, molidos con sulfatode calcio, producen un aditivo expansivo para el cementoPortland. El aditivo expansivo en el ambiente hidratante delcemento, se transforma rápidamente dando lugar a laexpansión, antes de que tenga lugar el endurecimientofinal. [1] Estos cementos con las características de

expansión adecuada, tienen aplicaciones industrialespotenciales. [2] La composición química, los productos dehidratación, el tamaño de cristalitos, la morfología y el grosorde la interface entre las pastas de cemento expansivo desulfoaluminato y sus agregados, aunque han sido estudiadospor algunos autores, son escasos los reportes encontradosen la literatura en cuanto a composición. [3-5]

El clinker y todos los cementos son químicamenteheterogéneos en las escalas de longitud microscópicas, yla caracterización de la distribución espacial de sus diversasfases químicas, es un componente importante de muchosestudios e investigaciones de cemento y hormigón. Por otraparte, la observación de la microestructura de los materialesbasados en cemento por microscopía electrónica de barrido,conjuntamente con microanálisis de energía dispersiva derayos-X (MEB-EDX) y la espectroscopía infrarroja detrasformada de Fourier (FTIR) es una herramienta poderosa,no solo para la detección sino también para el conocimientosobre la morfología dentro del material. [6, 7]

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Estudio y caracterización de cementos expansivos

R e v i s t a C u b a n a d e I n g e n i e r í a50

El objetivo del trabajo consiste en caracterizar un cementoexpansivo con el consecuente efecto económico y laindependencia del mercado internacional de tecnologías ymaterias primas. El cemento expansivo es un productodemoledor no explosivo y ecológico que permite, mezcladocon un porcentaje adecuado de agua, demoler todo tipo derocas y hormigones, sea cual sea su dureza, debido a laenorme fuerza ejercida por el cemento al emitir vapores deSO3, que pueden producir presiones de 9,000 t/m2. Losresultados obtenidos muestran una idea general de lacomposición química de los cementos expansivos dealuminato de calcio y sulfato de calcio.

MATERIALES Y MÉTODOSPara el estudio se emplearon muestras de polvo de

cemento expansivo importado en tres presentaciones y quese identificaron como:

- En bolsa, marcada con color negro: CE-N.- En cartucho cilíndrico, marcados con cinta azul: CE-A.- En cartucho cilíndrico, marcado con cinta roja: CE-R.Se emplea la técnica de FTIR, para determinar la presencia

de aniones inorgánicos constituyentes de las muestras. Seutilizó un equipo Vector 22 Brüker, en la región de los4000 - 600 cm-1, con una resolución de 4 cm-1.

Para observar la morfología de los polvos y realizar elanálisis de los elementos químicos constituyentes, se utilizóla MEB-EDX, con un equipo TESCAN con microanalizadorde Rayos-X OXFORD INCA. Se empleó un detector deelectrones secundarios, con un voltaje de 10,0 kV y unaresolución de 1,00 Kx.

RESULTADOS Y DISCUSIÓNLa característica espectral entre los 500 y 4 000 cm-1 de

los cementos expansivos puede ser empleada para lacaracterización de los grupos funcionales dentro de suestructura, además de permitir la determinación del gradode cristalinidad del material. En esta región se encuentranlas vibraciones correspondientes a los grupos funcionalesOH-, SO4

2-, CO32. [8, 9]

Estos iones son las principales especies moleculares delos cementos. Socrates definió las frecuencias en esta regióncaracterística para materiales inorgánicos, planteando que lavibración (3) que aparece entre los 1 492-1 429 cm-1, y lavibración (3) que aparece entre los 879-866 cm-1 correspondena las frecuencias vibracionales del carbonato en la calcita y laaragonita (carbonatos de calcio). Las bandas situadas en laregión de 1 104 cm-1 se atribuyen a la presencia del ión sulfatolibre. El ión hidroxilo se distingue por una banda estrechaentre 3 700-3 500 cm-1, correspondiente a grupos estructuralesy por hidratación. [6, 9]

En la figura 1 se detallan los espectros FTIR para lasmuestras CE-N, CE-A y CE-R, como se observa todas lasbandas mencionadas anteriormente, están presentes en las

muestras analizadas, con similar amplitud e intensidad. Apartir de los espectros obtenidos se pueden asignar lasseñales correspondientes a los grupos funcionales presentesen las 3 muestras, como se puede observar en la tabla 1.

En los estudios de MEB (figuras 2, 3 y 4) de los cementos,se observó la perfecta formación de cristales aglomerados,estructura típica de silicatos, carbonatos y sulfatos,compuestos mayoritarios en la composición de los cementos.Además, se aprecia que la morfología es homogénea en eltamaño y la forma de los cristales para todos los casos, quepermite apreciar un tamaño de grano promedio de 25 µm.

Fig. 1. Espectros FTIR de las tres muestras de cementoexpansivo.

Tabla 1Señales FTIR y grupos funcionales determinados enlas muestras de cemento expansivo

Frecuencia Grupo funcional

3 642 cm-1 OH- (estructural)

3 475 cm-1 OH- (hidratación)

1 424 - 1 450 cm-1 CO32-

1 115 - 1 146 cm-1 SO42-

875 - 868 cm-1 CO32-

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Hugo Guerra Menéndez - Eduardo Peón Avés - Julio E. Lanza Rodríguez

R e v i s t a C u b a n a d e I n g e n i e r í a 51

La tabla 2 muestra la relación porcentual de los elementospresentes en los cementos a partir del análisis por EDX, queindica la composición elemental de estos materiales. Losmáximos correspondientes a los componentes principalesde los cementos (C, O, Mg, Al, Si y Ca) se encuentran enuna relación similar para todos los casos. En la muestraCE-A se observan valores inferiores para el C y el S, quepueden ser debidos a la degradación por el efecto de lahumedad.

Siendo el análisis de EDX un análisis semicuantitativo, laconcordancia de estas relaciones demuestran que loscementos están formados por óxido de calcio, dolomía, sulfatode calcio, silicatos de calcio, ferritoaluminato de calcio yaluminato de calcio.

Fig. 2. Imagen MEB de la muestra de cemento expansivo CE-N.

Tabla 2Composición elemental en porcentaje en pesodeterminada en la muestras de cementos expansivo

Proyecto: Muestras cemento expansivo

Todos los resultados expresados en porcentaje en peso

Espectro C O Mg Al Si S Ca

CE-N 12,47 46,39 2,7 0,32 0,98 0,45 36,71

CE-A 5,78 48,73 3,76 0,31 0,64 - 40,67

CE-R 10,44 47,36 3,51 0,33 1,75 0,06 35,89

De acuerdo con lo reportado en la literatura [10, 11, 12],estos resultados permiten corroborar la presencia de loscompuestos:

- Óxido de calcio [CaO].- Dolomía [CaMg(CO3)2].- Sulfato de calcio (yeso) [CaSO4] .- Cemento Portland. Hay cuatro compuestos principales

en el cemento Portland que totalizan el 90 % o más de supeso, pero en diferentes proporciones:

• 40 - 60 % Silicato tricálcico,• 20 - 30 % Silicato dicálcico,• 7 - 14 % Aluminato tricálcico,• 5 - 12 % Ferritoaluminato tetracálcico.- Aluminato de calcio (mayenita) [Ca12Al14O33] se compone

de 62,3 % de cal [CaO] y 37,7 % de alúmina [Al2O3].

CONCLUSIONESDe la aplicación de las técnicas químico-físicas de análisis

empleadas para la caracterización de las muestras decemento expansivo y luego de haber realizado una búsquedabibliográfica y de patentes sobre estos materiales, puedeconcluirse que:

- Las tres muestras corresponden al mismo tipo decemento.

- La muestra envasada en el cartucho cilíndrico marcadocon cinta azul, indica de acuerdo con el análisis elemental,cierta degradación y pérdida de sus propiedades ya que nose puede detectar en ella la presencia de azufre.Fig. 4. Imagen MEB de la muestra de cemento expansivo CE-R.

Fig. 3. Imagen MEB de la muestra de cemento expansivo CE-A.

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Estudio y caracterización de cementos expansivos

R e v i s t a C u b a n a d e I n g e n i e r í a52

La probable composición de este cemento es: cemento oclinker Portland ordinario; clinker de aluminato de calcio;sulfato de calcio y cal.

Sería importante el empleo de técnicas de reconocimientosde patrones sobre imágenes de MEB para la caracterizaciónmás exacta de la morfología y las fases que componen estosmateriales.

Las reacciones álcali-sílice y reacciones de sulfatacióninternas, son normalmente referidas como reaccionesexpansivas internas, causas comunes del deterioro de lasestructuras de hormigón. Estas reacciones tienen productosresponsables de las tensiones expansivas en los materialesde construcción basados en cementos, produciendoagrietamiento y pérdida de la fuerza de cohesión. Losproductos de reacción a menudo son amorfos o malcristalizados, con contenidos muy bajos por lo que son muydifíciles de identificar por técnicas comunes de análisisfisicoquímico. La observación de la microestructura de losmateriales basados en cemento por MEB conjuntamentecon el microanálisis EDX y el FTIR, son una herramientapoderosa, no solo para la detección sino también para elconocimiento sobre su difusión dentro del material, capacesde distinguir las reacciones álcali-silice de las reaccionesde sulfatación internas en los cementos y concretos.

REFERENCIAS1. NOCUN-WCZELIK, W.; STOK, A. and KONIK, Z. "Heat

Evolution in Hydrating Expansive Cement Systems".Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 2010,vol. 101, núm. 2, pp. 527-532.

2. BEGLIARDO, Hugo F. "Cementos: Tipos, categorías ydesignación". Nota Técnica NT- 001. UniversidadTecnológica Nacional. Facultad Regional Rafaela.Departamento de Ingeniería Civil. Argentina, marzo de2005.

3. AKGUN, H. and DAEMEN, J. J. K. "Influence of Degreeof Saturation on the Borehole Sealing Performance of anExpansive Cement Grout". Cement and ConcreteResearch, 2000, vol. 30, núm. 2, pp. 281-289.

4. LILKOV, V. et al. "Properties and Hydration Products ofLightweight and Expansive Cements, Part I - Physicaland Mechanical Properties". Cement and ConcreteResearch, 1999, vol. 29, núm. 10, pp. 1635-1640.

5. LILKOV, V. "Properties and Hydration Products ofLightweight and Expansive Cements Part II - Hydration

products". Cement and Concrete Research, 1999,vol. 29, núm. 10, pp. 1641-1646.

6. SCOTT, John H. J. and DAVIS, Jeffrey M. "AnalyzingCement Microstructure Using Multivariate Statistics".Microsc. Microanal, 2011, vol. 17, suppl. 2, pp. 1484-1487.

7. SANTOS SILVA, A. et al. "The Role of SEM in theDiagnosis of Expansive Chemical Reactions inCementbased Building Materials". Microsc. Microanal.2008, vol. 14, suppl. 3, pp. 95-98.

8. FTIR: Fourier Transform Infrared Spectroscopy. 2006.Disponible en Web: http://www.matsci.ucdavis.edu/MatSciL/EMS-172L/Files/FTIR.pdf.

9. SÓCRATES, George. Infrared and Raman CharacteristicsGroup Frequencies: Tables and Charts, Third Editions.John Wiley & Sons, Ltd. England. ISBN 13 978-0-470-09307-8. 2006.

10. Patente ES 2126494 A1, 1999-16-03. Composición deun cemento utilizado para romper rocas de gran tamañoy bloques endurecidos. Disponible en Web: http://www.espacenet.com.

11. Patente ES 2198180 A1, 2004-01-16. Composición deun cemento expansivo utilizado para romper rocas degran tamaño y bloques endurecidos. Disponible en Web:http://www.espacenet.com.

12. Patente US 4,076,546, 1978-02-28. Method for productionof expansive cement. Disponible en Web:www.uspto.gov/.

AUTORESHugo Guerra MenéndezLicenciado en Educación, Especialidad Química, Doctor enCiencias Químicas, Investigador Auxiliar, Centro de Investi-gación y Desarrollo Técnico. MININT, La Habana, Cuba

Eduardo Peón AvésLicenciado en Química, Máster en Ciencias Química, Inves-tigador Auxiliar, Centro de Biomateriales. Departamento deCerámica y Composite, Universidad de La Habana, Cuba

Julio E. Lanza RodriguezIngeniero Civil, Doctor en Ciencias Técnicas, InvestigadorTitular, Centro de Servicios Técnicos y Tecnologías de laConstrucción. MINFAR, Cuba

AbstractThe objective of this study is to characterize commercial expansive cement for subsequent developmentof national formulation, with consequent economic effect and independence of the international market.On the other hand the results contribute to the development of scientific and technological potential.Expansive cement is a product that enables non-explosive demolition, rock and concrete demolition.To characterize the composition of these products, techniques used infrared spectroscopy with FourierTransforms and Scanning Electron Microscopy.

Key words: expansive cement, FTIR, SEM, composition

Study and Characterization of Expansive Cement

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Recibido: 15 de junio de 2011 Aprobado: 30 de agosto de 2011

Revista Cubana de Ingeniería, 3(II), 53-58, 2011

Planeación de procesos de embuticiónbasada en estrategias de información

INGENIERÍA MECÁNICA

ResumenLos procesos de conformación de chapas metálicas representan un grupo significativo de procesosde manufactura de piezas para diferentes aplicaciones. El desarrollo de los métodos de simulaciónha creado nuevas posibilidades en importantes aspectos industriales relacionados con la optimizaciónde los procesos de embutición y la integración en sistemas CAPP (planeación de procesos asistidapor la computación). En el presente trabajo se resumen las tendencias a considerar en la integracióndel diseño, la planificación y la optimización en los procesos de embutido de chapas, así como lasposibilidades que ofrece esta tarea para el análisis y síntesis de sistemas de ingeniería y en lapreparación y toma de decisiones bajo criterios múltiples. Se propone además, una secuencia parala integración del diseño y la planificación del proceso en el análisis de las operaciones de embuticiónde chapas.

Palabras clave: embutido de chapas, simulación numérica, inteligencia artificial, CAPP, CAE

José Roberto Marty Delgado Artículo OriginalCorreo electrónico:[email protected]

Yudieski Bernal AguilarCorreo electrónico:[email protected]

Alexis Alonso MartínezCorreo electrónico:[email protected] Central Marta Abreu de Las Villas, Cuba

INTRODUCCIÓNAmpliamente utilizados en las industrias médico-

farmacéuticas, biotecnológica y de utensilios electro-domésticos en general, así como en el sector energético,automovilístico y militar, los procesos mecánicos deconformación de chapas metálicas, gozan hoy de una ampliapopularidad asociada a su elevada productividad, altaconfiabilidad, flexibilidad, bajos costos relativos, bajoconsumo de insumos y una alta resistencia mecánica delas piezas en relación con el peso de sus productosterminados.

Los procesos de embutición de chapas, como sistemasinteractivos y multicasuales, se consideran afectados por lavariabilidad de diversos factores. En el trabajo presentadopor Won Bae y colaboradores [1] se obtiene como resultado,un modelo para la determinación de la forma óptima delsemiproducto inicial en el embutido de un cuerpo rectangular,empleando chapa de varios aceros inoxidables. Ello permiteminimizar la pérdida de material, reducir la fuerza de

conformación e incrementar el valor límite del grado dedeformación.

En el trabajo presentado por Ayari [2] con el fin de validarun modelo paramétrico 3D de elementos finitos, construidomediante código estándar ABAQUS/Explicito, se investigala influencia de los parámetros geométricos del proceso, laspropiedades del material y el coeficiente de fricción en lasimulación del proceso de embutición de un cuerporectangular.

El mayor obstáculo para el mejoramiento de la calidad encualquier sistema es la variabilidad de las entradas al mismo(variables independientes o entradas) y el cambio constanteen las condiciones del proceso. En los procesos deembutición, la calidad de la pieza queda determinada, entreotros factores por la variabilidad en las propiedades delmaterial, el material, cambios geométricos en la herramientadebido al desgaste, variaciones en las condicionessuperficiales, holguras, propiedades del material de laherramienta, temperatura, fuerza en el prensachapas,

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Planeación de procesos de embutición basada en estrategias de información

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velocidad del punzón, localización de la herramienta y larigidez de la prensa.

Hasta el momento, no existe una expresión analítica quedescriba las relaciones funcionales entre los parámetrostecnológicos del proceso y el dimensionamiento e integraciónde los elementos constitutivos de la herramienta. Tampocoexisten criterios uniformes en cuanto a los elementos aoptimizar en la operación. En el presente trabajo se explicanlas tendencias a considerar en el diseño multicriterial de losprocesos de embutido de chapas y las posibilidades queofrece esta compleja tarea para el análisis y la síntesis desistemas de ingeniería, en la preparación y toma de decisionesbajo criterios múltiples. Se propone una secuencia de pasospara la concepción de la integración del diseño, laplanificación y la optimización del proceso en el análisis delas operaciones de embutición de chapas.

INFORMACIÓN ASOCIADA AL ANÁLISISEXTERNO E INTERNO DE LOS PROCESOSDE EMBUTICIÓN DE CHAPAS

La fabricación de piezas por procesos de embutición, sesubordina a la tarea general de diseño de tecnologías defabricación de piezas. Como elementos determinantes de lageneración de esta tecnología, se encuentran, la obtenciónde la forma y dimensiones del semiproducto inicial, el estiradosatisfactorio de la pieza y el diseño del troquel para fabricarla pieza.

En la figura 1 se propone el sistema de variables a emplearpara el análisis externo de la tarea de ingeniería referida alanálisis de los procesos de embutición de chapas. Así, quedadefinido el conjunto de indicadores cuantificables a optimizar,el conjunto de variables intermedias a restringir y el conjuntode indicadores de carácter subjetivo a evaluar.

En el sistema de variables de la figura 1, se consideraademás, que en el estirado satisfactorio del semiproductoinicial, hasta lograr la forma final deseada tiene que conciliarsecon el diseño del semiproducto, para determinar lasdimensiones de este y el efecto de la variabilidad del material,las condiciones de fricción y los esfuerzos para evitar, porejemplo, la formación de pliegues en la pieza.

En el análisis interno se consideran la modelaciónmatemática, la organización racional de los procedimientosde cálculo y la simulación. La separación del proceso deanálisis en dos partes es convencional: una vez realizado elanálisis interno, se retorna al externo con el fin de precisarla composición de variables. El proceso de análisis puederequerir de varias iteraciones. Los mejores resultados sealcanzan cuando se interrelacionan con los factores másimportantes que condicionan la calidad de las embuticiones.

PLANIFICACIÓN DEL PROCESO Y ANÁLISISDE LAS OPERACIONES DE EMBUTICIÓNDE PIEZAS A PARTIR DE CHAPASHerramientas de inteligencia artificial en laoptimización de operaciones de embutido de chapas

La representación matemática de las diferentes piezasembutidas se puede realizar gráficamente, con la asociaciónde un código a cada una de ellas, por lo que la solución a latarea de optimización del proceso puede ser realizada poralgoritmos del tipo Levenberg–Marquardt o mediante laevolución de poblaciones de códigos (figura 2).

En el trabajo presentado por M. R. Morovvati [3] se proponeun sistema genéticamente modificado con red neuronal, comoherramienta para la predicción de la forma inicial delsemiproducto en relación con la forma final deseada en lapieza.

Fig. 1. Información para el análisis externo en la preparación de la toma de decisiones para los procesos de embutición dechapas.

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José Roberto Marty Delgado - Yudieski Bernal Aguilar - Alexis Alonso Martínez

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La red neuronal artificial representa la forma final delsemiproducto después del proceso de entrenamiento y unalgoritmo genético encuentra la forma óptima inicial. Elmétodo de elementos finitos se empleó para proveer los datos

multicriterial y de la toma de decisiones, sobre las variablesque intervienen en el proceso de embutición y su relacióncon el método de elementos finitos (MEF) en el análisisparamétrico del proceso y las técnicas de InteligenciaArtificial, Redes Neuronales Artificiales (RNA), AlgoritmosGenéticos (AG), Sistema Experto (SE), Lógica Difusa (LD),Recocido Simulado (RS) y otras técnicas (por ejemplo,combinación de las anteriores).

En la figura 3 se representa el diagrama de flujo para laplanificación de la simulación de proceso en el diseño detroqueles de embutición. El diseño de los elementos activosde la herramienta tiene como objetivo, determinar el númeromínimo de operaciones de estampado, y reducir los costosdel herramental manteniendo los criterios de un conformadoseguro.

Fig. 2. Método de integración de variables para los procesosde embutición de chapas. Adaptado de [4].

de entrenamiento a la red neuronal.Sin la aplicación de herramientas de optimización y toma

de decisiones, los sistemas CAD no están preparados,conceptualmente, para realizar diseños que se aproximenal mejor compromiso posible entre los indicadores deeficiencia que se muestran en la figura 1. Las herramientasde inteligencia artificial se deben emplear para encontrar lascondiciones óptimas de los parámetros del proceso,parámetros geométricos de la pieza o los parámetros deoperación de la prensa para la embutición de piezas, enlugar de los tradicionales métodos de prueba y error.

Planeación de procesos en las operaciones deembutición de chapas

En la literatura científica se pueden encontrar variosenfoques para realizar la planeación, modelación y laoptimización de las operaciones de embutido de chapas,por ejemplo, los trabajos presentados por De Carvalho [5] yTisza. [6] De esos trabajos se pude deducir que lacomplejidad físico-mecánica de la operación de embuticióndemanda el uso de las técnicas para su optimización, unaposible vía para resolver los problemas se presentan en estosprocesos, parte de la representación multiobjetiva,

Fig. 3. Diagrama de flujo para planificación de la simulación deproceso en el diseño de troqueles de embutión.

Según los resultados presentados por Lastre [7], nuevosenfoques a los sistemas CAPP han sido estudiados en lasúltimas dos décadas. Estos enfoques se fundamentan sobretécnicas de modelación geométrica como la planificaciónde procesos apoyada en características, la planificación deprocesos basada en el modelo, la planificación de procesosfundamentada en tablas de características interactivas y laplanificación de procesos orientada a objetos (figura 4).

Fig. 4. Principales enfoques sobre planeación de procesos.

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Planeación de procesos de embutición basada en estrategias de información

R e v i s t a C u b a n a d e I n g e n i e r í a56

INTEGRACIÓN CAD/CAP/CAE ASOCIADOSA LA EMBUTICIÓN DE PIEZAS Y SUVÍNCULO CON EL CAPP

La planeación de procesos asistida por la computación(CAPP) y el diseño de herramientas han evolucionado comouna de las herramientas de ingeniería más importante en elanálisis de los procesos de embutición de chapas de chapas.Este desarrollo ha estado íntimamente relacionado con larápida evolución y el perfeccionamiento de las técnicas demodelación por elementos finitos.

La planficación de procesos para la fabricación de piezasembutidas es una tarea a desarrollar aplicando los principiospara la descomposición de procesos complejos y de lastareas de optimización de gran complejidad, en este sentidocabe destacar las contribuciones realizadas por Y.Ledoux [8] utilizando en la planeación la combinación dealgoritmos genéticos y el método de elementos finitos, S.kumar [9] proponiendo un sistema basado en el conocimientopara la planeación de procesos de piezas conformadas; asícomo las contribuciones de Chang [10] y M. Erdbrügge [11]en este campo. Se pude concluir que pueden aplicarse aestos procesos los fundamentos del análisis y la síntesis desistemas de ingeniería para la preparación y toma dedecisiones bajo criterios múltiples, incluidas las decisionessobre la planeación de procesos de fabricación, como serepresenta en la figura 5. La tendencia actual en la concepciónde la integración del diseño, la planificación del proceso y elanálisis de las operaciones de embutido de piezas a partirde chapas es la integración de estas actividades en sistemasbasados en la simulación y el conocimiento (KSBS, por sussiglas en inglés), con fuerte vínculo con los sistemascomerciales CAD y de elementos finitos

ETAPAS PARA LA INTEGRACIÓNDEL DISEÑO, LA PLANIFICACIÓNDEL PROCESO Y LA OPTIMIZACIÓN

Las etapas para la concepción de la integración del diseño,la planificación del proceso y la optimización de lasoperaciones de embutido de piezas a partir de chapas quese derivan del esquema para la integración CAD/CAP/CAEasociados a la embutición de piezas y su vínculo con elCAPP se resumen a continuación:Etapa 1. Descripción del proceso

a) Establecer las relaciones cinemáticas del proceso(forma, velocidades, relación de deformaciones, entre la partedeformada y la parte no deformada).

b) Establecer los límites de conformabilidad del material,o sea, determinar si es posible ejecutar la operación deconformación sin causar algún defecto de superficie o internoen el material.

c) Prever la fuerza y las tensiones necesarias para ejecutarla operación de conformación.Etapa 2. Simulación del proceso de embutido de chapasempleando el método de elementos finitos (MEF)

a) Definir las variables de entrada con las que se trabajará,forma geométrica, material, parámetros del proceso,diagrama límite de conformado.

b) Establecer las condiciones de frontera para cada unode esos parámetros.

c) Definir las variables de salida que interesan.d) Diseñar la simulación para determinar el efecto de la

variación de las variables de entrada sobre los indicadoresde eficiencia.

e) Considerar la influencia del endurecimiento pordeformación, la relación de embutición, tipo de lubricanteempleado y los diagramas límites de conformación.

f) Validación del MEF.

Fig. 5. Esquema de integración de los sistemas CAD/CAP/CAE asociados a la embuticiónde piezas y su vínculo con el CAPP.

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José Roberto Marty Delgado - Yudieski Bernal Aguilar - Alexis Alonso Martínez

R e v i s t a C u b a n a d e I n g e n i e r í a 57

Etapa 3. Seleccionar de forma apropiada unaherramienta de inteligencia artificial para modelar elefecto de las variables de entrada sobre los indicadoresde eficiencia

a) Selección de las variables a optimizar (indicadores deeficiencia, según figura 1).

b) Definir los parámetros para la creación y posteriorentrenamiento de la herramienta de inteligencia artificial.

c) Establecer las condiciones de frontera para cada unode esos parámetros.

d) Diseñar la simulación para determinar el efecto de lavariación de las variables de entrada sobre los indicadoresde eficiencia.

e) Modelar la herramienta de IA para cada indicador deeficiencia seleccionado.

f) Validación.Etapa 4. Comparar los resultados de la simulación porMEF y por IA

a) Análisis de la variabilidad de los resultados del MEF yde la herramienta de IA.

b) Análisis de sensibilidad del método en general.c) Correspondencia y validación de las soluciones.Fue posible aplicar la metodología para el embutido

rectangular de una pieza industrial mostrada en la figura 6.Las propiedades del material AISI 304 DDQ y los parámetrospropios del proceso utilizados en la validación se resumenen la tabla 1. Se utilizó un algoritmo genético simple, tipo deselección por torneo, eli tismo 2 y probabilidad dereproducción 0,8.

Actualmente la obtención de la geometría de la pieza porun proceso de embutición en un solo paso demanda unafuerza máxima de 200 KN. Aplicando la metodología seobtuvo una fuerza máxima de 340 KN, lo que representa un16,94% de reducción en la fuerza máxima. Trabajando conuna prensa de mayor capacidad se obtienen defectos talescomo las arrugas y grietas en las piezas.

Fig. 6. Modelo CAD de la pieza embutida. Las dimensionesprincipales se presentan en la tabla 1.

CONCLUSIONES1.Los nuevos requerimientos y desarrollos más

importantes relacionados con la simulación de los procesosde embutido de chapa están asociados a la información parala toma de decisiones, relacionando entre otros, la geometríay el material de la pieza, el diseño de las herramientas y lascondiciones tecnológicas en las que se realiza la operación.

2. La tendencia actual del desarrollo en las estrategias deoptimización para la planeación de procesos de embuticiónde chapas es la integración de procesos basada en elconocimiento y la información asociada al proceso. Lasetapas descritas se aplicaron con éxito en el embutidorectangular de una pieza industrial, y fue posible obtenerreducciones en los valores de fuerza máxima de hasta un16,94 %.

REFERENCIAS1. BAE, Won and HO YOON, Kim. "Experimental Determi-

nation of the Optimum Blank Shape in Rectangular CupDrawing". International Journal of the Korean Society ofPrecision Engineering, 2003, vol. 4, núm. 1, pp. 5-8.

2. AYARI, Fayza; LAZGHAB, Tarek. "Parametric Finite El-ement Analysis of square cup deep drawing". Archives ofComputational Materials Science and Surface. 2009,vol. 1, núm. 2, pp. 106-111.

Tabla 1P ropiedades de l materia l, parámetros geométricos ydel proceso empleados

Relación de Po isson ( ) 0 ,30

P arámetro de endurecimiento (n) 0 ,244

Límite de proporciona lidad (K ) 540 (MPa)

C oeficiente de Lankford (r) 0 ,906

Tensión máxima 582(MP a)

P arámetros geométricos y de l p roceso

C oeficiente de rozamiento 0,11

D imensiones iniciales de la chapa (800X625) mm

E spesor inicial de la chapa 0,6 mm

D imensiones copa rectangularembutida (558X358) mm

A ltura máxima/mínima de la coparectangular embutida 125/102 mm

Radios de redondeos bordessuperio res 12 mm

Radios de redondeos fondo 30 mm

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Planeación de procesos de embutición basada en estrategias de información

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AbstractSheet metal forming processes represent an important group of manufacturing processes for dissimilarapplications. The development of numerical simulation methods has created new possibilities inimportant industrial aspects with regard to optimization and integration CAPP system in sheet metaldrawing processes. The result of the processes depends on a large number of parameters and theirinterdependence hence, knowledge and experience of the designer are critical. The present workdeals with the elements to be considered in the integral design, planning and optimization sheetmetal drawing processes under a set of criteria and as such the possibilities that this task offers inthe decision making, preparation along with the analysis and synthesis of engineering systems. Inaddition a methodology for integration design and process planning of sheet metal forming processanalysis is summarized.

Key words: sheet metal drawing, numerical simulation, optimization, artificial intelligence, CAPP,CAE

Planning of Sheet Metal Drawing Processes Based on Information

Strategies

3. MOROVVATI, Mohammad and MOLLAEI DARIANI,Bijan. "Initial Blank Optimization in Multilayer Deep Draw-ing Process Using GONNS". Journal of ManufacturingScience and Engineering. 2010, v ol. 132,núm. 6, pp. 10.

4. ARZOLA, José. Sistemas de Ingeniería. Preparación ytoma de decisiones de ingeniería bajo criterios múltiples.Ciudad de La Habana: Editorial Felix Varela, 2009. pp.104,ISBN 978-959-261-299-0.

5. DE CARVALHO, Raquel and VALENTE, Robert. "Opti-mization Strategies for Non-Linear Material ParametersIdentification in Metal Forming Problems". Computers andStructures. 2011, vol. 89, núm. 1-2, pp. 246-255.

6. TISZA, Miklós and LUKÁCS, Zsolt. "Integrated ProcessSimulation and Die-Desing in Sheet Metal Forming". InInternational Conference of Deep-drawing Research GroupIDDRG, 2007.

7. LASTRE, Arlys. "Optimización de la distribución y cortede piezas de forma geométrica irregular en chapas". Di-rector: Alexis Cordovés García. Tesis de Doctorado,Universidad de Holguín Oscar Lucero Moya, Holguín,2010.

8. LEDOUX, Yann and SÉBASTIAN, Patrick. "Optimiza-tion Method for Stamping Tools Under Reliability Con-straints Using Genetic Algorithms and Finite ElementSimulations". Journal of Materials Processing Technology,2010, vol. 210, núm. 3, pp. 474-486.

9. KUMAR, Shailendra and SINGH, Rajander. "CCKBS:A Component Check Knowledge-Based System for As-

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10. CHANG, Hsu; YANKWANG, Chen. "Neuro-Genetic Ap-proach to Optimize Parameter Design of DynamicMultiresponse Experiments". Applied Soft Computing,2011, vol. 11, núm 1, pp. 436–442.

11. ERDBRÜGGE, Martina and KUHNT, Sonja. "Joint Op-timization of Multiple Responses based on Loss Func-tions, TU Dortmund University, 44221. Germany, 2011.30pp.

AUTORESJosé Roberto Marty DelgadoIngeniero Mecánico, Doctor en Ciencias Técnicas, ProfesorTitular, Departamento de Ingeniería Mecánica, Facultad deIngeniería Mecánica Universidad Central Marta Abreu de LasVillas (UCLV), Villa Clara, Cuba

Yudieski Bernal AguilarIngeniero Mecánico, Asistente, Departamento de IngenieríaMecánica, Facultad de Ingeniería Mecánica, UCLV, VillaClara, Cuba

Alexis Alonso MartínezIngeniero Mecánico, Asistente, Departamento de IngenieríaMecánica, Facultad de Ingeniería Mecánica, UCLV, VillaClara, Cuba

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Recibido: 28 de mayo de 2011 Aprobado: 23 de junio de 2011

Revista Cubana de Ingeniería, 3(II), 59-70, 2011

Desarrollo mecatrónico de nuevosproductos orientado a la capacidadtecnológica disponible

PROBLEMAS SOCIALES DE LA CIENCIA Y LA TECNOLOGÍA

ResumenEste trabajo propone una metodología de innovación tecnológica denominada "Desarrollo mecatrónicode nuevos productos orientado a la capacidad tecnológica disponible". Se muestra como caso deestudio el desarrollo de un hidromotor de pistones radiales.

Palabras clave: desarrollo de nuevos productos, capacidad tecnológica, mecatrónica, ingeniería inver-sa, innovación tecnológica, métodos de investigación

Genovevo Morejón Vizcaíno Artículo de ReflexiónCorreo electrónico:[email protected]

José Ricardo Díaz CaballeroCorreo electrónico:[email protected]

José Arzola RuizCorreo electrónico:[email protected] Superior Politécnico José Antonio Echeverría, Cujae, La Habana, Cuba

INTRODUCCIÓNEl término mecatrónica fue acuñado en Japón a principios

de los años 70 del siglo pasado y comenzó a ser usado enEuropa y EE. UU. un poco después; inicialmente se definiócomo la integración de la mecánica y la electrónica en unamáquina o producto, pero luego se consolidó en unaespecialidad de la ingeniería que incorporó otros elementoscomo los sistemas de computación, los desarrollos de lamicroelectrónica, la inteligencia artificial, la teoría de controly otros campos relacionados con la informática, teniendopor objetivo el mejoramiento de los elementos industriales através de la optimización de cada uno de sus subprocesoscon nuevas herramientas sinérgicas.

La mecatrónica apunta a la unidad en la diferencia de lasingenierías; en contraposición a la comprensión de laingeniería como un ámbito de disciplinas separadas, propugnaun enfoque transdisciplinario, complejo, dialéctico y holísticodel quehacer ingenieril, basado en sistemas de comunicaciónabiertos y prácticas concurrentes, para el diseño y lafabricación de mejores productos y procesos de ingeniería.

Claros ejemplos de desarrollos mecatrónicos son la cámarafotográfica digital, que cumple una amplia configuración deparámetros automáticamente, como el ajuste de laexposición, foco, zoom, y otros, así como los robotsdiseñados para realizar tareas específicas de formaautónoma.

El sistema mecatrónico se basa en un microprocesador(computadoras personales PC; controladores lógicosprogramables, PLC y circuitos integrales programables, PIC)para recibir y procesar a través de un programa informáticolas señales que envía un sistema integrado de sensores; elresultado de este procesamiento es una orden para losactuadores que mueven los diferentes órganos de la máquinagarantizando así la puesta en práctica de un servicio demanera automatizada. En otras palabras, los sistemasmecatrónicos están integrados por sensores,microprocesadores, controladores y actuadores. Tal es elcaso de los robots, las máquinas controladas digitalmente,los vehículos guiados automáticamente y otros.

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El objetivo del presente artículo es exponer los aspectosesenciales de una metodología para la innovación deproductos, que involucra el método de la ingeniería inversa yaprovecha las ventajas de la mecatrónica con el empleo dePC como herramientas y la capacidad tecnológicaincorporada en los elementos normalizados, denominadosaquí "Desarrollo mecatrónico de nuevos productos orientadoa la capacidad tecnológica disponible".

DESARROLLO MECATRÓNICO DE NUEVOSPRODUCTOS ORIENTADO A LA CAPACIDADTECNOLÓGICA DISPONIBLE COMOPROCESO DE INNOVACIÓN TECNOLÓGICA

La innovación tecnológica se piensa como la primerautilización y comercialización de nuevos y mejoradosproductos, procesos, sistemas o servicios; un proceso queconsiste en conjugar oportunidades técnicas, comonecesidades, integrando un paquete tecnológico que tienepor objetivo introducir o modificar productos o procesos enel sector productivo y de servicio con su consecuentecomercialización o también un proceso unitario que abarcadesde la generación de una idea hasta su introducción en elmercado en forma de nuevo producto o proceso".

En la práctica, estas tres definiciones se deben más a laintención de destacar uno u otro aspecto del contenido de lainnovación tecnológica que a diferencias sustanciales deprincipio en la comprensión de ese contenido y puedenconsiderarse válidas como reflejo conceptual del fenómenoinnovador. Por su esencia, la actividad del ingeniero, encualquiera de las formas o modalidades de su trabajoprofesional, es innovadora. Ello se puede constatar cuandose examina el ciclo general del proceso de innovacióntecnológica. [1]

Según los enfoques más actuales sobre la innovación, estase considera un proceso interactivo de acumulación deconocimientos, provenientes de la investigación y desarrollo(I + D), clientes, suministradores, inversiones, financiación,producción, prueba, alianzas, competidores, patentes,literatura, que viabilizan la creación de capacidadestecnológicas en la organización.

El desarrollo mecatrónico de nuevos productos comoproceso de investigación tecnológica innovativa que es, estáconformado por fases que guardan una estrecha relaciónentre sí, lo que no significa entender dicho proceso comolineal, pues la interconexión de fases y las etapas que lascomponen depende de las características de cada innovacióntecnológica (figura 1).

Cada fase esta compuesta por todo un conjunto de etapaso subprocesos estrechamente concatenados.

Primera faseLa primera fase comienza con la detección de la situación

problemática innovativa y concluye con la etapa decontrastación del nuevo conocimiento obtenido (figura 2).

Fig. 1. Modelo general del desarrollo mecatrónico de nuevosproductos como proceso de innovación tecnológica.

Fig. 2. Primera fase del desarrollo mecatrónico de nuevosproductos.

Etapa de detección de la situación problemáticainnovativa

La innovación tecnológica es, en resumidas cuentas, unproceso de investigación que comienza con la detección deuna situación problemática y culmina con la modificaciónsocialmente útil de dicha situación en la práctica. Unanecesidad de la práctica tecnológica o un requerimiento parael desarrollo industrial económicamente sostenible endeterminado contexto local, nacional o regional, undescubrimiento científico, una invención técnica, una lecturaespeculativa novedosa de algún elemento presente desde

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hace tiempo en el fondo de conocimientos tradicionales, unsuceso o experiencia de la vida cotidiana, etc., puede generaren el hombre la necesidad de introducir un cambio, unamodificación en el estado del arte tecnológico existente conel propósito de mejorar o crear un nuevo producto, proceso oservicio, en otras palabras, puede generar la percepción deuna situación problemática innovativa (figura 3). [1]

En el plano metodológico esta es una etapa de incitacióna la realización de procesos de innovación que requiere delingeniero la capacidad de realizar lecturas especulativasheurísticas y asociaciones inusuales de ideas e imágenes,una habilidad de "vista" y "olfato" para innovar.

Con frecuencia la situación problemática innovativa surgede la decisión de construir endógenamente el productonecesario para satisfacer una necesidad social con el objetivode sustituir importaciones o aprovechar el conocimientoexistente para generar nuevos empleos.

Al conjunto de productos presentados en el mercado quesatisfacen una necesidad social, se le denomina Conjuntode Productos Necesarios (CPN). Se pretende que lasprestaciones de los productos a innovar sean comparableso superiores a la media del CPN que se encuentra en elmercado en el momento de realizar el desarrollo. Como reglabastante general estos son productos importados utilizadosen sectores estratégicos priorizados como el alimentario, laindustria, la defensa y los servicios.

En la práctica, el desarrollo de nuevos productos siempreestá asociado a la innovación tecnológica como proceso decrear y lanzar al mercado productos originales, mejorados,modificados y marcas nuevas por medio de actividades deinvestigación y desarrollo (I+D). El proceso de desarrollo denuevos productos lleva implícito acciones de distintas áreasfuncionales, investigación y desarrollo, marketing,producción, finanzas, etcétera.

Etapa de conceptualizaciónDetectar una situación problemática innovativa no es aún

reconocer la oportunidad innovadora. Para ello es

imprescindible que la situación problemática sea traducidade forma clara y precisa en una formulación capaz de captaren una unidad indisoluble el elemento técnico, lasposibilidades económico-financieras del país y la demandadel mercado, lo cual requiere ante todo examinar las nocionesesenciales explícitas e implícitas en la formulaciónproblemática, para después estar en condiciones de evaluarlas diversas alternativas de innovación a seguir. Dichasalternativas no solo deben cumplir el requisito de modificarde manera socialmente útil la situación problemáticaplanteada sino también congeniar de forma armónica elelemento técnico y las necesidades del mercado. [2]

Si en la etapa 1 se detectan el elemento técnico y lademanda potencial o real, a nivel de la etapa 2 se produceya el reconocimiento de dichos factores. Ello presupone,para el elemento técnico, realizar un minucioso estudio dela novedad tecnológica que dicho elemento porta comoposible objeto potencial de innovación y, para la demandanacional o regional, establecer las probables lagunas a llenaro nichos del mercado. En otras palabras, es necesarioestablecer el acento de la novedad tecnológica y del mercadoen los marcos de la capacidad tecnológica disponible.

Piénsese en el desarrollo mecatrónico de un motor. Lacapacidad tecnológica disponible es el sistema deconocimientos, habilidades y experiencia existente en losobreros, técnicos, ingenieros y el personal de dirección, asícomo los tipos y grado de presión de las máquinasherramientas y dispositivos de maquinados; incluye tambiénlas posibilidades de obtención de semiproductos porprocesos de soldadura, fundición y conformaciónconjuntamente con la calidad de las instalaciones y lahabilidad organizacional existente para darle respuesta a lasexigencias impuestas a los elementos a construir por laenvergadura del problema de innovación tecnológica aresolver.

La etapa de conceptualización tiene implícita las subetapasde producción y selección de ideas las cuales se generan a

Fig. 3. Fuentes de proceso innovador. Lo interno y externo se determina respecto al dominio científico-técnico.

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partir de la situación problemática innovativa. Las ideas seforjan y eligen a partir de la necesidad social y la capacidadtecnológica disponible, a través del producto comercialapropiado (PCA). Por lo tanto, son inherentes a esta segundaetapa la observación tecnológica, los procesos inductivos yla formulación de hipótesis de trabajo. La observación enesta etapa se realiza sustentada en el método de la ingenieríainversa que se práctica sobre el PCA, que puede ser untractor, un motor de combustión interna, un equipo deresonancia magnética, un equipo de laboratorio oelectrodoméstico, un laminador, un avión, etcétera.

El PCA es un elemento del CPN que permite ser fabricadocon la menor cantidad de modificaciones al emplear lacapacidad tecnológica disponible y sus prestaciones resultancomparables o superiores a las de los productos homólogosque se encuentran en el mercado. Esta selección se realizamediante un proceso de inducción. Aquellos elementos demáquinas que por sus exigencias constructivas no permitanser manufacturados con la capacidad tecnológica disponiblese denominarán elementos marcados.

La conceptualización o presentación del concepto tienecomo objetivo esencial realizar esquemas o bocetos quepermitan formarse una idea sobre el nuevo producto ydef ini r su modelo matemát ico. Se muestran lassoluciones básicas constructivas y permite explicar elprincipio de funcionamiento, así como encontrar susfortalezas y debilidades. Al conceptualizar se sustituyenlas funciones de los elementos marcados con elementosnormalizados aprovechando así la capacidad tecnológicacontenida en el los y se introducen solucionesmecatrónicas para incrementar las prestaciones delproducto y simplificar las soluciones constructivas.

El conjunto de todas estas acciones es lo que se pretendecaracterizar con el término nuevos productos mecatrónicos.Dicho de otra manera conceptuar el nuevo producto esplantearse una hipótesis que debe ser verificada.

Etapa de modelación matemáticaAl precisar el acento de la novedad tecnológica y del

mercado, y seleccionar la alternativa de innovación adesarrollar, se determina el objeto específico de la innovacióny el carácter radical o incremental de la misma, con lo cualse identifica y define el problema esencial a resolver con elproceso innovador y la hipótesis a verificar capaz de modificarla situación problemática detectada. La expresióntecnológico apropiado significa aquí que el objeto de lainnovación debe ser factible tanto en el plano técnico comoen los planos económico, del mercado, socioambiental ydel entorno cultural.

La factibilidad del objeto técnico de innovación es lahipótesis que hay que demostrar en el proceso innovador ysus variables, a def inir tanto conceptual comooperacionalmente, son las factibilidades técnica, económica,de mercado, socioambiental y cultural.

Del estudio de factibilidad técnica o diseño del prototipoanalítico se infiere si existen las condiciones de mercado,como momento también importante donde se analizan losindicadores de costo, financiación, riesgo y otros que serelacionan directamente con las estrategias genéricas de laorganización.

Los estudios de factibilidad socioambienal y cultural, confrecuencia ignorados por las organizaciones en su actividadinnovativa, tienen que ver con los posibles impactos delproceso de innovación sobre el entorno social, medio-ambiental y cultural de la región donde se introducirán ygeneralizarán sus resultados.

En la actualidad, el uso de los modelos matemáticos parael desarrollo de nuevos productos está muy extendido yaque permite formalizar cualquier ente para su posterioranálisis y síntesis empleando las técnicas informáticas. Paradeducir el modelo matemático se emplean los esquemasobtenidos en la etapa de conceptualización, además, de lospostulados y leyes definidas por diversas ciencias aplicadascomo la Mecánica Teórica, la Teoría de las Máquinas yMecanismos, la Hidráulica, las Máquinas Volumétricas, laTermodinámica y otras.

La modelación matemática además de profundosconocimientos matemáticos y el estudio pormenorizado delárea de la ciencia donde se esté trabajando, requiere tambiénde una dosis de estética. Los modelos matemáticos delnuevo producto (M) están formados por un conjunto derelaciones (R) y otro de variables (V), lo cual posibilita surepresentación por medio de grafos dicromáticos donde losnodos de un color expresan las relaciones y los del otro lasvariables en M (R, V).

Etapa de conformación del prototipo analíticoI. March Chada y M. Lloria Aramburu plantean que "… un

prototipo es un ente tangible o no, que reproduce los atributosdel producto ya sea de forma total o parcial". [3] Enconsonancia con esta definición, los programas decomputación desarrollados a partir de los modelosmatemáticos son prototipos analíticos, ya que con ellos sedeterminan los valores de los atributos de los productos adesarrollar, según sea el alcance del modelo matemático,como: su geometría, fuerzas, esfuerzos, las pérdidas depotencia, eficiencia, temperatura, presión, etcétera. El pasointermedio entre el modelo matemático y el software es elalgoritmo. La definición más sencilla de algoritmo esestablecer una secuencia de cálculo adecuada.

El doctor José Martínez Escanaverino [4] propone yfundamenta un método para desarrollar los algoritmos a partirde los modelos matemáticos empleando grafos dicromáticosdonde se brinda la siguiente metodología (figura 4):

- Trazar el grafo dicromático del modelo matemático.- Plantear un problema sobre el modelo matemático, esto

es, definir los subconjuntos de variables de salida y entradacon el objetivo de calcular el valor de las primeras en funciónde las segundas.

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- Determinar el grafo llamado resolvente del problemaeliminando las variables de entrada y las aristas asociadasy direccionar las aristas desde los nodos que representanlas relaciones, a las variables que serán calculas por cadauna de estas. Acto seguido se direccionan las aristas desdelos nodos que representan a las variables hacia todas lasrelaciones aledañas.

- El resolvente muestra de modo gráfico un algoritmo quese representa en diagramas de bloques o en diagramas N-Spara ser programados con algún lenguaje de programacióny obtener el software.

software (prototipo analítico), se conocen los valores de lasvariables de salida, con lo que se logra anticipar regularidadespotenciales reales del comportamiento del prototipo.

Las respuesta de las corridas se emplean para validar lahipótesis, ya que permiten conocer los límites del productoconceptualizado y también verificar sí las solucionespropuestas son viables. Además, facilitan la toma dedecisiones durante el desarrollo del proyecto. De ser refutadala hipótesis hay que reformularla, lo cual no es más quemodificar la concepción del nuevo producto con el propósitode que satisfaga las expectativas para el nuevo productodesde el punto de vista de sus prestaciones y la factibilidadeconómica (figura 4).

Etapa de protección del nuevo conocimientoSi la hipótesis no es refutada entonces se comienza a

preparar la documentación establecida para proteger lapaternidad de la invención del nuevo producto en la Oficinade la Propiedad Industrial.Segunda fase

La segunda fase tiene el objetivo de generar el prototipovirtual. Las dimensiones del nuevo producto se establecen apartir de un proceso de preparación y toma de decisiones(optimización).

Fig. 4. Metodología para la obtención del nuevo conocimiento.

Etapa de los experimentos computacionalesLos experimentos en el laboratorio requieren de

instalaciones y dispositivos de medición muy costososademás de un prototipo físico que se construye según lasvariables de entrada. Cada vez que en el experimento senecesíta cambiar esas variables de entrada contenidas enel prototipo, hay que construir un prototipo nuevo lo cualincrementa los gastos para encontrar el nuevo conocimiento.Los experimentos computacionales convierten a lascomputadoras en herramienta para acercarse al nuevoconocimiento, además, reducen los gastos en tiempo y dineropara generar el nuevo prototipo, ya que con solo cambiar elvalor de las variables de entrada VE (figura 4) al correr el

Esta segunda fase está compuesta por las etapasexplicadas a continuación.

Etapa de preparación y toma de decisionesLos modelos matemáticos de los productos poseen un

conjunto de variables y de ellas, al establecer el problema,se elige el subconjunto de variables de entrada. El valor decada una de estas variables se encuentra en un rango biendefinido, ya sea por normas internacionales, la experienciade los fabricantes o por el nuevo conocimiento adquirido.

En función del valor que se le asigne a cada una de lasvariables se obtendrá un producto con dimensiones opropiedades diferentes. Sin embargo, no todo cambio en las

Fig. 5. Segunda fase del desarrollo mecatrónico de nuevosproductos.

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variables de entrada genera los mejores valores de lasvariables de salida, lo cual plantea la necesidad de definir unalgoritmo de optimización adecuado para elegir el mejorproducto en función del sistema de preferencia impuesto.Ello se logra mediante la determinación de la función objeto.Solo un subconjunto reducido de variables de entrada brindaráel mejor comportamiento o conjunto de soluciones eficientes.Dentro de este conjunto de soluciones eficiente, elinvestigador y/o decidor elije uno que se constituirá en elnuevo producto.

Etapa de la modelación geométrica (prototipo virtual)En esta etapa, con el algoritmo de preparación y toma de

decisiones, se conforma una interface o una macro que bienpudiera ser en Visual Basic for Aplication (VBA) para unprograma de modelación geométrica como Inventor, quepermite realizar varias pruebas al modelo. Se genera así elmodelo geométrico de los elementos de máquina y elensamble, mostrándose en la pantalla de la computadora.El modelo en cuestión se puede animar para comprobar queno existe interferencia entre los elementos móviles y probarasí que la hipótesis de trabajo planteada es válida al menosa nivel virtual.Tercera fase

Si existen condiciones de factibilidad se pasa a la tercerafase del prototipo físico y su introducción y generalizaciónen la práctica social productiva. Esta fase está conformadapor cuatro etapas.

Etapa de desarrollo del prototipo físicoEl éxito en la segunda fase del prototipo virtual conduce a

la realización de pruebas a pequeña y mediana escalas paraconfrontar la hipótesis del proceso de innovación tecnológicacon la práctica y ajustar o reconsiderar el diseño del productoy el plan de mercadotecnia, así como recibir una informaciónpreliminar de sus impactos. Entre otras se realizan:

• Pruebas físicas de funcionabilidad técnica del prototipo.• Pruebas de prototipo con clientes.• Pruebas del proceso de producción.• Evaluaciones preliminares de impacto.Etapa de realización de la innovaciónEsta es la etapa de fuego del proceso de innovación e

incluye:• La producción total a gran escala.• El lanzamiento al mercado.• La evaluación en condiciones reales de la hipótesis del

proceso innovador.Etapa de reconocimiento social de la innovaciónEn esta tapa se realizan evaluaciones generales

satisfactorias por parte de la organización mediante análisisperiódicos. La organización recibe asimismo muestrasdirectas o indirectas del reconocimiento por la competenciaa través de propuestas de colaboración, compra de patentes,abandono del mercado, reconversión hacia otros productos,procesos o servicios y otras muy variadas formas que

expresan el control del mercado por la organización comoconsecuencia de un exitoso proceso de innovación. Lapreferencia de los usuarios es otra evidencia delreconocimiento exógeno.

Etapa de generalizaciónLas circunstancias antes descritas propician la difusión y

generalización del nuevo estado alcanzado en el artetecnológico.

El desarrollo mecatrónico de nuevos productos aquíesbozado como modelo de innovación, difiere en algunosaspectos de otros modelos de innovación tecnológica. Enprimer lugar, porque caracteriza la innovación tecnológicacomo un complejo proceso de investigación transdisciplinariaque comienza con la detección de una situación problemáticainnovativa y culmina con la modificación socialmente útil y/ocomercialmente ventajosa de dicha situación en la prácticamediante el desarrollo mecatrónico de un nuevo objeto técnicode innovación. En segundo lugar, porque la innovación sepiensa en el espíritu de una tecnología apropiada lo cualsupone no solo la realización de estudios de factibilidadtécnica, económica y de mercado, sino también de factibilidadsocioambiental y de entorno cultural.

La innovación tecnológica es efectiva y apropiada cuandose obtiene una solución técnica y económicamente factibleque se aplica y difunde con éxito. Por supuesto, su éxitodependerá de la adaptación y adecuación a las necesidadesconcretas de la sociedad y las regularidades del entornonatural. Cuando el resultado del proceso de innovación yano cumpla con los requisitos antes expuestos se procederáa su retiro del mercado y sustitución por un nuevo productou objeto técnico.

Desarrollo de nuevos productos mecatrónicos(Nuprome)

La metodología para el desarrollo mecatrónico de nuevosproductos es recomendable sí:

1. Se toma la decisión de construir endógenamente unproducto apropiado para satisfacer una necesidad social conel objetivo de sustituir importaciones o aprovechar elconocimiento existente para generar nuevos empleos.

2. Se quiere sustituir un producto no apropiado en elmercado por un similar endógeno pertinente o remplazar unproducto que ya fue retirado por ser una tecnología obsoletay la capacidad tecnológica disponible no satisface lasexigencias mecánicas de todos los elementos de máquinasa fabricar.

El desarrollo de nuevos productos es el proceso de creary lanzar al mercado productos originales, mejorados,modificados y marcas nuevas por medio de actividades deinvestigación y desarrollo (I+D). Con la aplicación de lametodología propuesta se introducen en el mercado soloproductos modificados que podrían constituir nuevas marcas.El proceso de desarrollo de nuevos productos lleva implícitoacciones de distintas áreas funcionales, investigación ydesarrollo, marketing, producción, finanzas, etcétera.

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Aplicación de la metodología de desarrollomecatrónico de nuevos productos

A continuación se muestra un estudio de caso vinculadoal desarrollo mecatrónico de un hidromotor de pistonesradiales. Se omite la modelación matemática, porque no esesencial para entender la referida metodología.

Etapa de la situación problemática innovativaSe planteaba ante el grupo de profesionales la necesidad

de un hidromotor de pistones radiales apropiado a lascondiciones financieras del país.

Etapa de conceptualizaciónEl conjunto de productos necesarios (CPN) estaba

constituido por los motores de pistones radiales de las firmasPleiger, Staffa, Sauer, Kayaba, Calzoni y Sai. Después derealizar un análisis de las posibilidades y características delos diversos hidromotores ofertados en el mercado, sedetermina que el hidromotor Staffa es el producto comercialapropiado (PCA) porque permite ser fabricado con la menorcantidad de modificaciones al emplear la capacidadtecnológica disponible. Los elementos marcados semuestran en la figura 6.

Los elementos marcados son:- La carcasa, que no se puede fundir con las tuberías de

alimentación incorporada, lo que no permite obtener el nivelde acabado que se exige para las paredes de los cilindros yminimizar las fugas entre cilindro y pistón.

- El distribuidor, por cuanto la tecnología de fundicióndisponible impide obtener los conductos internos con losacabados superficiales necesarios.

En esta etapa se aplicó el método de la ingeniería inversaal hidromotor Staffa (PCA). Al conceptualizar se sustituyeronlas funciones de los elementos marcados con elementosnormalizados y se introdujeron soluciones mecatrónicas paraincrementar las prestaciones del producto y simplificar lassoluciones constructivas.

Entre los elementos marcados, la carcasa fuetransformada de tal manera que sus ci lindros sesust i tuyeron por tubos lapeados (elementosnormalizados) y las tuberías de alimentación por tubosde acero y accesorios colocados ex ternamente(elementos normalizados). Por su parte, el distribuidor,que sincroniza los cilindros en fase de trabajo con la líneade presión y los de desalojo con el tanque, fue sustituidopor válvulas distribuidoras (elementos normalizados) V1y V2 (figura 7). El componente mecatrónico de estedesarrollo se materializó en los sensores de final decarrera y el PLC, que incrementaron las prestaciones,debido a que las válvulas distribuidoras normalizadas sonmás estancas que el dist ribuidor y las pérdidasvolumétricas son menores.

El sentido de giro del hidromotor se puede variar a travésde una orden dada al PLC a través del pupitre de mandoy este energizará o no al solenoide "b" de la válvula "V3".

Etapas de modelación matemática y de conformacióndel prototipo analítico

Se dedujo el modelo matemático con 50 relaciones y másde 100 variables. [6] A este modelo se le plantearon variosproblemas, obteniéndose diversos algoritmos, que fueronprogramados lográndose los siguientes prototipos analíticos:

- Simulación del funcionamiento. - Geometría. - Fuerzas. - Masa del hidromotor.

Fig. 6. Producto apropiado. Fig. 7. Conceptualización mecatrónica.

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Etapa de experimentos computacionalesLos experimentos computacionales tienen el objetivo de

acercarnos al nuevo conocimiento indispensable paradesarrollar el nuevo producto.

La figura 8 constituye un esquema donde se muestrandos dimensiones del hidromotor objeto de investigación: ladimensión principal lp y la excentricidad e, cuya relación Res determinante para estimar la eficiencia mecánica. Al correrel software (prototipo analítico de las fuerzas), cambiando elvalor de las variables de entrada R y miu coeficiente de fricciónentre cilindro y pistón se conocen los valores de las variablesde salida.

El análisis realizado permitió establecer los valores de losparámetros para dimensionar el hidromotor al diseñarlo. Elresultado del experimento computacional muestra cómo,cuando aumenta R y disminuye el coeficiente de fricciónmiu entre los elementos de estanqueidad de los pistones ylos cilindros, la eficiencia aumenta.

Una característica distintiva de este nuevo producto sonlas válvulas distribuidoras para realizar la tarea desincronismo, por lo tanto, se desconoce inicialmente cómoseleccionar el tamaño estas válvulas. Tras un análisis sedetermina que el parámetro relacionado con el tamaño de laválvula es la eficiencia. Entonces se realiza un experimentopara determinar la influencia del tamaño de la válvula TN enla eficiencia hidromecánica del hidromotor en función de lavelocidad de rotación. El resultado de este experimento semuestra en la figura 9.

El nuevo conocimiento extraído consiste en establecer quela selección de las válvulas distribuidoras para ser usadasen hidromotores con función de sincronismo, no dependedel gasto máximo que circule a través de ellas (criterio deselección para circuitos hidráulicos), sino de la eficienciahidromecánica que ellas generen en el hidromotor.

Etapa de preparación y toma de decisionesEntre los parámetros a los que más atención prestan los

diseñadores de motores se encuentran la alta eficiencia y elbajo peso [7]. Guiándose por los resultados mostrados en lafigura 10, para obtener alta eficiencia se impone una R lomás próxima a 15, el resultado obtenido es un motor muyeficiente pero con grandes dimensiones radiales lo que es lomismo un motor con gran peso. Esto es contrario a loimpuesto por la tendencia actual del diseño, que exigehidromotores con una elevada densidad de potencia yademás una alta eficiencia. Para resolver esta contradicción,hay que determinar la geometría de forma tal que secorresponda con un compromiso adecuado entre los valoresestimados de los indicadores de eficiencia del hidromotorseleccionados (figura 10) a través de un algoritmo depreparación y toma de decisiones multivariables.

Fig. 9. Eficiencia hidromecánica en función del tamaño de laválvula.

Fig. 8. Eficiencia de la fuerza de presión.

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Los indicadores de eficiencia del hidromotor seleccionadosfueron: eficiencia total del hidromotor, momento de inerciareducido al árbol, masa total. Las variables de decisión sontres discretas (cantidad de cilindros, cantidad de bloques ydiámetro del cilindro) y dos continuas (espesor de la películalubricante y longitud de la carcasa).

En calidad de objetivo generalizador (o función objetivo)del problema se seleccionó la minimización de la distanciaponderada de Tchebycheff entre estos indicadores deeficiencia y sus valores ideales (o deseables).[8] En lasolución del problema formulado, de optimización mixta,discreta-no lineal y bajo criterios múltiples, se utilizó el

Fig. 10. Algoritmo de optimización de la geometría.

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método de búsqueda exhaustiva combinado con el métodode exploración. [8]

El algoritmo de optimización se muestra en el DiagramaN-S. En él se constata el uso de prototipos analíticosdesarrollados con anterioridad como el de la geometría,mediante el cual se calculan las dimensiones de todos loselementos, se seleccionan los elementos normalizados aemplear y también se determina uno de los indicadores deeficiencia: el momento de inercia reducido del árbol. Elprototipo de simulación permite calcular las prestacionesdel hidromotor y determinar otro indicador de eficiencia: laeficiencia total del hidromotor. El prototipo analítico de masaprecisó el indicador de eficiencia de la masa del hidromotor.

En correspondencia con los métodos iterativos del análisismulticriterial aplicados, la metodología de toma de decisionespara este estudio de caso consistió en: dar valores inicialesa cada uno de los coeficientes de peso, luego, si el decidorconsidera aceptables los valores que se obtienen en lapoblación de soluciones generadas, entonces selecciona laque estima como más adecuada de esa población. En casocontrario, se incrementa el peso del criterio que se deseamejorar y continúa el proceso hasta satisfacer plenamenteel sistema de preferencias del decidor.

Etapa de modelación geometrícaLa modelación geométrica tiene como propósito visualizar

en pantalla la mejor solución. Con el prototipo analítico deGeometría se programa una interface, que podría ser enVisual Basic for Aplication (VBP), para obtener los modelosgeométricos virtuales a través de un software especializado.Como resultado, se obtienen las imágenes, el prototipo virtualy sus piezas (figura 11), así como todos los planos de taller.

La figura 11 muestra cómo las piezas marcadas han sidoeliminadas, lo que hace posible manufacturar el nuevohidromotor con la capacidad tecnológica disponible.

Si en lugar de un CAD es usado un sistema CAD/CAM esposible generar las imágenes y además todo el paquetetecnológico necesario para la tercera etapa. La figura 12muestra el diagrama de bloques con las decisiones a seguir.

La figura 13 resume el ciclo general que sigue el desarrollomecatrónico de nuevos productos orientado a la capacidadtecnológica disponible.

Fig. 11. Nuevo hidromotor mecatrónico y carcasa simplificada.

Fig. 12. Proceso de obtención del paquete tecnológico.

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Fig. 13. Ciclo general del desarrollo mecatrónico de nuevos productos.

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CONCLUSIONESEl contexto internacional está caracterizado por las

marcadas diferencias existentes entre los países y el enormeabismo tecnológico que los separa. Las naciones del Surtienen la materia prima necesaria para su desarrollosostenible, sin embargo, carecen en apreciable medida dela tecnología para modificar esos recursos y transformarlosen los bienes y servicios que necesitan, y se ven obligadasa comprarlos en los países del mundo desarrollado cuandoestos se lo permiten y a precios agobiantes de monopolio.

Se manifiesta aquí una lógica absurda en la que el Nortecompra cada día más baratas las materias primas al Sur yluego se las vende tecnológicamente transformadas enbienes. Esto demuestra el alto valor económico que poseela tecnología y la necesidad de desarrollar tecnologíasendógenas en nuestros países. Sin embargo, no se puedehablar de desarrollo endógeno al margen de la innovación ytransferencia de tecnología. La metodología de innovacióntecnológica propuesta, basada en la mecatrónica, es unavía estratégica y factible para avanzar de manera efectiva enesta dirección.

REFERENCIAS1. DÍAZ CABALLERO, J. R. Y ARANA ERCILLA, M."Metodología, Innovación e Ingeniería". Tecnología ySociedad, t. I, ISPJAE-MES, La Habana, 1998.2. DÍAZ CABALLERO, J. R. "De la situación problemáticaal problema de investigación". Tecnología y Sociedad, t. II,ISPJAE-MES, La Habana, 1998.3. MARCH CHADA, I Y LLORIA ARAMBURO, M. "Análisissectorial sobre el proceso de desarrollo de productos enPYMES españoles". http://www.monograf ias.com/prototipado.doc

4. MARTÍNEZ, J.; GARCÍA, A. y ORTIZ, T. "Algorítmicadel diseño mecánico", Revista Ingeniería Mecánica,núm. 1, p. 31(5), sept, 1997.5. MOREJÓN VIZCAINO, G. "Primera etapa del proceso dedesarrollo de un hidromotor de alto par: Conceptualizacióny prototipo analítico", Tesis, Instituto Superior PolitécnicoJosé Antonio Echeverría, La Habana, Cuba, 2004.6. ERICKSON, W. "Motor Supplier Improves Machine Desingwith VisSin modeling and simulation software".En:www.fluid.power.net7. ARZOLA, J. Sistemas de ingeniería. Ciudad de La Habana,2000.Ed. Félix Varela,8. ARZOLA, J. Y MOREJÓN, G. "Diseño óptimo multiobjetivoorientado a la ingeniería inversa en el ejemplo de los motoreshidráulicos". En XI Conferencia Latino - Iberoamericana deInvestigación Operativa, Santiago de Chile, 2002.

AUTORESGenovevo Morejón VizcaínoIngeniero Mecánico, Doctor en Ciencias Técnicas, ProfesorTitular, Departamento de Mecánica Aplicada, Facultad deIngeniería Mecánica, Instituto Superior Politécnico JoséAntonio Echeverría, Cujae, La Habana, Cuba

José Ricardo Díaz CaballeroLicenciado en Filosofía, Doctor en Ciencias Filosóficas, Pro-fesor Titular, Dirección de Ciencias Sociales, Grupo de Es-tudios Sociales de la Tecnología, Instituto Superior Politéc-nico José Antonio Echeverría,Cujae, La Habana, Cuba

José Arzola RuizIngeniero Mecánico, Doctor en Ciencias Técnicas, ProfesorTitular, Departamento de Matemática, Facultad de Ingenie-ría Mecánica, Instituto Superior Politécnico José AntonioEcheverría, Cujae, La Habana, Cuba

AbstractThis paper proposes a technological innovation methodology denominated "Mechatronic developmentof new products oriented to the available technological capacity". It is shown as a study case of thedevelopment of hydromotors with radial pistons.

Key words: develop of new products, technological capacity, mechatronic, inverse engineering,technological innovation, research methods

Mechatronic Developement of New Products Oriented to the

Available Technological Capability