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Diseño e implementación de un sistema de control para el proceso de deshidratación de cárnicos

Juan David Maya Suárez, Alexánder Martínez Álvarez

Departamento de Electrónica y Ciencias de la Computación

Grupo de Automática y Robótica

Pontificia Universidad Javeriana Cali, Colombia

Autor corresponsal: juanmaya@javerianacali.edu.co

Palabras clave: Deshidratación de cárnicos, control Fuzzy.

Antecedentes, motivación y objetivo

El origen del proyecto nace de la necesidad de la empresa Carnes Frías Enriko de abastecer a un nuevo mercado con un producto saludable en forma de snack, que no necesite refrigeración y sea fácil de llevar. Gracias a un estudio y la inversión necesaria para lograr técnica, logística y materialmente el producto, el resultado fue el de kábano deshidratado en forma de snack. Así, después de estudiar a conciencia los datos obtenidos por los cuartos en donde se deshidrata el producto, se identificó la posibilidad de acelerar el proceso de obtención del mismo, manipulando algunas condiciones ambientales de manera controlada.

El beneficio primordial de esto es de tipo económico, ya que, si se acelera el secado, se obtiene producto más rápido y el cuarto de deshidratación se puede llenar con otro lote, llegando así a los índices de productividad esperados y, posiblemente, sobrepasándolos.

Metodología

Para el diseño del sistema de control, fue necesario establecer una relación entre las variables que intervienen y afectan directamente el proceso a controlar mediante la recolección de datos de las mismas. Para este proyecto las variables que afectan directamente el producto son la humedad (%RH), la temperatura (T), la velocidad del aire en el interior del cuarto de deshidratación (m/s) y la actividad de agua (%AW), que se mide directamente en el producto. Así, se estableció teóricamente una relación proporcional entre actividad de agua y peso del producto, definiendo entonces a la variable “peso” como salida del sistema y a las demás variables como entradas.

Al haber identificado las entradas y salidas del sistema de control, se procede al análisis de los datos previamente recolectados para entender cómo se relacionan las entradas del sistema con la salida y, de esta manera, definir que el control Fuzzy es el adecuado para lograr el objetivo final del proyecto: acelerar la curva de secado o deshidratación. La Figura 1 muestra el modelo obtenido por identificación del sistema y que sirvió para validar, mediante simulaciones, el buen desempeño del controlador Fuzzy diseñado.

Figura 1

Modelo matemático que representa la dinámica del proceso de deshidratación de cárnicos

Fuente: Elaboración propia

Resultados

Los datos obtenidos con las simulaciones demostraron que se podía obtener una deshidratación exitosa en un menor tiempo. Dadas estas condiciones, se procedió a implementar un prototipo de prueba utilizando sensores de temperatura y humedad, un microcontrolador, un deshumidificador, una nevera y algunos ventiladores que funcionaron como actuadores. También se diseñó también el software para mostrar el comportamiento de las variables en el tiempo (cuya interfaz se puede observar en la Figura 2), mostrando que en un lapso de 38 horas llega satisfactoriamente al porcentaje de pérdida de peso deseado (31 %), reduciendo el tiempo de deshidratación en 14 horas.

Figura 2

Comportamiento de la temperatura y la humedad relativa en el interior del prototipo de prueba utilizado, durante un ciclo de deshidratación

Fuente: Elaboración propia

Todo el estudio sirvió para que la planta realizara ajustes en el diseño del cuarto real de deshidratación, realizando una implementación parcial en la que se ajustó la recirculación del aire y se implementaron inyecciones variables de aire frío y caliente, con el fin de emular el comportamiento del controlador Fuzzy. Los resultados fueron evidentes, reduciendo los tiempos de deshidratación de 52 a 38 horas, obteniéndose así un beneficio económico considerable al contemplar los tiempos de proceso que se tenían previamente; además del hecho de que no hubo necesidad de implementaciones costosas en hardware ni software.

Discusión y conclusiones

Los estudios acerca de la deshidratación en cárnicos y embutidos son escasos; por ello, para la realización del proyecto se requirió el empleo de técnicas empíricas que se fueron ganando a partir de la experimentación con el producto (kábano). Desde el punto de vista general del proyecto, se logra de manera satisfactoria disminuir tiempos de proceso con el control de las variables, generando un margen de utilidad mayor para la empresa en la que se hizo este estudio. Así, se evidenció que se puede construir un sistema de control manteniendo un bajo presupuesto, ya que con el uso de un microcontrolador de gama baja y un módulo de relés se puede implementar un controlador difuso robusto que ayude a resolver un sistema de control complejo; y que al realizar la implementación a nivel macro, no necesite contar con herramientas costosas. Simplemente se puede realizar una aproximación generosa entre el prototipo y la realidad, logrando mejoras considerables que se ligan a márgenes de utilidad más grandes para las compañías, disminuyendo costos de implementación y de proceso.

Referencias

[1] J. Garrido, L. Ramírez, y D. Cordovez, “Efecto del tiempo de secado y el tipo de músculo sobre las características físico-químicas y sensoriales de carne seca”, tesis de pregrado, Universidad San Francisco de Quito, Quito, Ecuador, 2015.

[2] C. J. Geankoplis, Procesos de transporte y operaciones unitarias, 3a ed. México D.F., México: CECSA, 1998 [En línea]. Disponible en: https://fenomenosdetransporte.files.wordpress.com/2008/05/geankopolis.pdf

[3] W. L. McCabe, J. C. Smith, y P. Harriott, Operaciones unitarias en ingeniería química, cuarta edición. Madrid, España: McGrawHill, 1991 [En línea]. Disponible en: https://ingenieriapetroquimicaunefazulia.files.wordpress.com/2011/05/operaciones-unitarias-a.pdf

[4] J. I. Chiliquinga Lara, y A. P. Toapanta, “Diseño e implementación de una cámara de secado de productos cárnicos”, tesis de pregrado, Escuela Politécnica Nacional, Quito, Ecuador, 2016. [En línea]. Disponible en: http://bibdigital.epn.edu.ec/handle/15000/16758

Simulación dinámica de un sistema de control de movimiento con motor síncrono de imán permanente

Camilo A. Pinzón 1, γ, Ricardo E. Ramírez 2

1 Estudiante Ingeniería Mecatrónica, Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica, Universidad Nacional de Colombia, Bogotá, Colombia

2 Profesor Asociado, Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica, Universidad Nacional de Colombia, Bogotá, Colombia

γ. Autor corresponsal: capinzonq@iunal.edu.co

Palabras clave: Control de movimiento, conmutación senoidal, PWM, relación de inercia.

Antecedentes, motivación y objetivo

Se tienen aplicaciones de control de movimiento con servomotores en las cuales no se logra hacer la sintonización, dando como resultado movimiento irregulares con variaciones continuas de velocidad, hasta que el control genera el disparo de alarmas y detiene el movimiento del mecanismo o robot. Una de las causas posibles es la incorrecta relación entre la inercia de la carga reflejada en el eje del motor y la inercia del rotor del motor. Ante esto, el presente documento muestra el avance del trabajo realizado como proyecto de grado, en el cual se evalúa, mediante simulación, el efecto que tiene la relación de inercia en el comportamiento de un sistema de control de movimiento. La primera fase del proyecto se centró en la elaboración de un modelo matemático del sistema de control de movimiento, y realizar su respectiva simulación en lazo abierto. Así, se presenta el modelo matemático establecido y el modelo en bloques de Simulink®, herramienta de software usada para la simulación; y los resultados de las simulaciones en lazo abierto bajo diferentes condiciones de funcionamiento, así como algunas conclusiones respecto al comportamiento del modelo.

Materiales y métodos

En primer lugar, se revisó la información del servomotor disponible (Yaskawa SGMAH-04AAF41) y se encontró que el motor es de tres fases, síncrono de imán permanente. Se realizó una revisión bibliográfica para identificar modelos matemáticos del sistema con este principio de funcionamiento, y se seleccionó el modelo descrito por las siguientes ecuaciones [1]:

(1)

(2)

(3)

(4)

Posteriormente, se utilizó el bloque de simulación “Permanent Magnet Synchronous Machine” disponible en Simulink®, el cual incluye estas ecuaciones en su modelo interno. Además, se utilizó un modelo de inversor PWM senoidal [2] para generar la señal de entrada al modelo.

Resultados

Se realizaron varias simulaciones con diferentes frecuencias de entrada, para confirmar la relación frecuencia – velocidad de salida en el modelo. En la Figura 1.a se observa una oscilación transitoria en la respuesta, la cual es de mayor duración a medida que aumenta la frecuencia de entrada. Adicionalmente, en la Figura 1.b se aprecia que este aumento en la frecuencia de entrada tuvo como efecto una disminución en la componente de la corriente.

Figura 1

Resultados de simulaciones en Simulink®

Fuente: Elaboración propia

Por otro lado, se evaluó el comportamiento al aplicar un torque de carga. Según la ecuación (4), para que la velocidad angular se estabilice es necesario que el torque electromagnético del motor se iguale al torque de entrada. Este comportamiento se evidencia en la componente q de la corriente (Figura 1.c), la cual tiene una relación directa con el torque electromagnético (Ecuación 3). Finalmente, se realizó una variación en el parámetro de inercia, el cual es la suma de la inercia del rotor del motor y la inercia de la carga reflejada en el eje del motor. Se probaron diferentes relaciones de inercia (Jcarga/Jrotor) y ser observó que a medida que aumenta la relación, el componente oscilatorio de la respuesta de velocidad aumenta (Figura 1.d). Sin embargo, a partir de la relación 5:1 el comportamiento se vuelve oscilatorio alrededor de los 0 rad/s.

Discusión y conclusiones

Se simuló y comprobó el modelo matemático del motor síncrono de imán permanente en el software Simulink®, y se analizó el comportamiento de este ante diferentes condiciones, variando la frecuencia del voltaje de entrada, el torque aplicado al rotor, y la relación de inercia entre la carga y el rotor. Estos resultados permitirán continuar con el diseño y simulación de un controlador en lazo cerrado de velocidad y confirmar el efecto de la relación de inercia sobre la estabilidad de la velocidad en el sistema y que permita diseñar controladores para sistemas con una relación de inercia alta.

Referencias

[1] L. M. Grzesiak, T. Tarczewski, and S. Mandra, “Permanent magnet synchronous servo-drive with state position controller”, in 2008 13th International Power Electronics and Motion Control Conference. Poznan, Poland: IEEE, 2008, pp. 1071-1076 [Online]. Available: https://ieeexplore.ieee.org/document/4635410

[2] V. Dudhal, “Sinusoidal PWM inverter”, 2016. [Online]. Available: https://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/57980-sinusoidal-pwm-inverter. [Accessed: 09-May-2019]

Diseño e implementación de un sistema neumático de compresión intermitente para tratamiento de isquemia en extremidades inferiores

Juan Sebastián Rueda González, Alexánder Martínez Álvarez

Departamento de Electrónica y Ciencias de la Computación

Grupo de Automática y Robótica

Pontificia Universidad Javeriana, Cali, Colombia

Autor corresponsal: jsrueda@javerianacali.edu.co

Resumen

El sistema cardiovascular permite que nuestro cuerpo obtenga los nutrientes y el oxígeno necesarios para el correcto funcionamiento de todas nuestras funciones biológicas, pero existen patologías como las isquemias que ponen en riesgo la vida de las personas al impedir el flujo de sangre oxigenada a los tejidos. En Colombia, en 2016 el 7 % de la población general padecía esta condición, siendo afectados el 39 % de los adultos mayores. Para ello, existen tratamientos invasivos como las cirugías, pero también hay alternativas como los dispositivos de presión neumática intermitente que, aunque actualmente se encuentran en el mercado, aún no son utilizados masivamente. Así, se describen aquí los resultados preliminares de un nuevo método que busca, a través de un prototipo de laboratorio, imitar la irrigación sanguínea por medio de la retención programada de presión en cavidades neumáticas. Cabe mencionar que la siguiente etapa de este proceso de desarrollo tecnológico será la realización de pruebas clínicas, que están por fuera del alcance de esta primera etapa.

Palabras clave: Sistema cardiovascular, isquemia, irrigación sanguínea, dispositivos neumáticos.

Introducción

En nuestro organismo, el sistema cardiovascular se encarga de entregar nutrientes y oxígeno a todas las células del cuerpo [3]. Una de las patologías presentes en este sistema es la isquemia, que es una condición que impide la irrigación de sangre oxigenada a órganos y tejidos, los cuales con el tiempo empiezan a deteriorarse a tal grado que terminan muriendo [2] y los pacientes pueden correr el riesgo de perder alguna extremidad. La solución actual a esta patología incluye tratamientos invasivos, como lo son medicamentos anticoagulantes o las cirugías vasculares. En los dos casos se corren altos riesgos sobre la salud del paciente; esto es, hemorragias internas o deterioro de los vasos sanguíneos. Según el estudio realizado por Londoño y Duque en 2016 [1], en Colombia ha aumentado la prevalencia a sufrir isquemia, pues afecta al 7 % de la población general y el 39 % de los adultos mayores.

Teniendo en cuenta lo anterior, se diseñó un sistema de carácter no invasivo para ser utilizado sobre el sistema cardiovascular de la pierna, para ejercer una presión media-alta de manera gradual desde el pie hacia la rodilla, trabajando sobre los vasos sanguíneos alrededor de la tibia y la planta del pie. El objetivo principal del proyecto es la concepción, el diseño y la construcción de un prototipo funcional de laboratorio, que permita validar el cumplimiento de las especificaciones y requerimientos provenientes de un profesional de la medicina especializado en el tratamiento de este tipo de patologías. Vale la pena mencionar que esta etapa del proyecto no incluye pruebas clínicas con pacientes.

Metodología

A partir de la necesidad planteada por un profesional de la medicina, cuya especialidad es la cirugía vascular, se propuso el desarrollo de un dispositivo capaz de simular la presión ejercida por los músculos sobre los vasos sanguíneos en orden a restablecer el flujo de sangre oxigenada hacia tejidos afectados. Posteriormente, se procedió a hacer una revisión bibliográfica sobre diseños y pruebas médicas de dispositivos neumáticos aplicados al sistema cardiovascular. Luego de una etapa de análisis se consideraron las funcionalidades principales, así como los requerimientos y sus especificaciones técnicas, con el apoyo de profesionales del área de equipos médicos de la Fundación Valle del Lili y de la Pontificia Universidad Javeriana Cali.

El prototipo que se diseñó cuenta con dos cavidades neumáticas que recubren la zona de la pantorrilla, las cuales se encargan de ejercer la presión establecida sobre las arterias tibiales. Esto es posible debido al vaciamiento de las venas tibiales, produciendo un aumento en el gradiente artero-venoso, lo que favorecerá el proceso de irrigación de sangre oxigenada hacia el tejido que lo requiera, evitando así un gasto cardiaco y cardiopatías adicionales. El dispositivo genera una presión alta, superior a los 150 mmHg, que se mantiene por cuatro segundos para luego liberar aire hasta mantener un nivel entre los 40 y 60 mmHg. Este proceso se replica en cada una de las cavidades existentes, según el tratamiento necesario de cada paciente. En la Figura 1 se observa que adicional a las dos cavidades neumáticas, se cuenta con una unidad de procesamiento para el cual se hace uso del microprocesador Tiva C Launchpad TMC123; para el suministro de aire se hace uso del compresor P22O3R Oken Seiko. En cuanto a los sensores de presión, se seleccionó la referencia MP3V5050. Para activación de suministro de aire a las cavidades neumáticas se emplea la válvula de referencia ZHV-019.

Figura 1

Diagrama básico de tubería e instrumentación

Fuente: Elaboración propia