Revista Politécnica

Una Propuesta de Sistema de Diagnóstico de Fallos Robusto Ante la Presencia de Pérdida de Información y Ruido en Sistemas Mecánicos

Resumen: Hoy en día, es un requisito de la industria moderna lograr elevados rendimientos económicos con un aumento continuo de la calidad de los productos finales, tener elevados niveles de seguridad industrial y reducir al mínimo las posibles afectaciones al medio ambiente; todo lo cual hace necesario la rápida detección e identificación de los fallos que se presenten en los sistemas industriales. La evolución de la Internet de las cosas y los avances tecnológicos en los medios técnicos de automatización, las redes industriales y las comunicaciones inalámbricas entre otros elementos, han permitido un crecimiento significativo del número de herramientas a usar para el tratamiento y gestión de la información obtenida por los sistemas de supervisión, control y adquisición de datos (SCADA) de los procesos industriales. Sin embargo, el desempeño de estas herramientas y en especial de los sistemas de diagnóstico de fallos se ve afectado por dos problemas concretos: la presencia de ruido en las mediciones y la pérdida de información de variables medidas. En el presente trabajo se propone una metodología para el diagnóstico de fallos en sistemas industriales mecánicos utilizando herramientas de inteligencia computacional que logra un comportamiento robusto ante la presencia de pérdida de información y el ruido logrando altos niveles de desempeño. La metodología propuesta se aplica al problema de prueba DAMADICS que representa a una válvula electro-neumática que es un tipo de actuador muy utilizado en los sistemas industriales modernos. Los resultados satisfactorios que se obtienen demuestran la efectividad y validez de la propuesta.

Abstract: Currently, the modern industry requires to achieve high economic returns with a continuous increase in the quality of the final products, to have high levels of industrial safety and to minimize possible effects on the environment. For accomplishing these requirements, it is necessary a fast detection and identification of faults that occur in the industrial systems. The evolution of the Internet of things and technological advances in automation devices, industrial networks and wireless communications, among other elements, have allowed a significant growth in the number of tools to be used for the treatment and management of the information obtained from the industrial processes by the supervision, control and data acquisition systems (SCADA). However, the performance of these tools, and especially of the fault diagnosis systems, are affected by two specific problems: the presence of noise and missing information on the measured variables. In this paper, a novel methodology for fault diagnosis in mechanical industrial systems is proposed by using computational intelligence tools. The proposal presents a robust behavior in presence of missing data and noise in the measurements by achieving high levels of performance. The proposed methodology is applied to the DAMADICS actuator FDI benchmark which is an electro-pneumatic valve widely used in modern industrial systems. The satisfactory results obtained demonstrate the effectiveness and validity of the proposal.

Lahares Secundarios Desencadenados por Fusión Periglacial en el Volcán Chimborazo, Ecuador

Abstract: Periglacial melting processes can provide the water source for secondary lahars triggered by volcanic and/or meteorological phenomena on volcanoes. Between December 2015 and April 2016, four major lahars were reported southeast of Chimborazo volcano (Ecuador). Fieldwork allowed determining the area (1.67(0.37 km2), volume (3E+05 to 7E+05 m3), peak discharge (100 - 150 m3/s) and mean speed (2 - 4 m/s) of these flows, which affected the local infrastructure and threatened several towns downstream (>1000 inhabitants). This case study suggests that anomalous periglacial melting could have been induced by: i) an increase in temperatures at periglacial altitudes partly ascribed to El Niño phenomenon, ii) albedo reduction of the glacier due to ash fallout from Tungurahua volcano (40 km east of Chimborazo) which erupted from 1999 to 2016 and, iii) a slight increase in internal activity at Chimborazo prior and during the lahars occurrence, as evidenced by more seismic events and thermal anomalies. These simultaneous factors could have led to the formation, outburst and/or overflow of superficial and intra-glacier ponds providing the water source to generate lahars on a dormant volcano.

Resumen: Procesos de fusión periglacial pueden ser la fuente de agua necesaria para desencadenar lahares secundarios en volcanes ya sea por fenómenos meteorológicos y/o erupciones volcánicas. Entre diciembre 2015 y abril 2016, cuatro lahares ocurrieron al sureste del volcán Chimborazo (Ecuador). El trabajo de campo permitió determinar el área (1,67(0.37 km2), volumen (3E+05 to 7E+05 m3), caudal máximo (100 - 150 m3/s) y velocidad media (2 - 4 m/s) de estos flujos, que afectaron la infraestructura local y amenazaron a varias comunidades aguas abajo (>1000 personas). Este caso de estudio sugiere que el derretimiento anómalo de los periglaciares del Chimborazo pudo haber sido inducido por: i) un incremento en la temperatura superficial a alturas glaciares que fue parcialmente vinculado al fenómeno de El Niño, ii) una reducción del albedo del glaciar debido a la caída de ceniza del volcán Tungurahua (40 km al Este del Chimborazo) que estuvo en erupción desde 1999 hasta 2016 y, iii) un ligero incremento en la actividad interna del Chimborazo antes y durante la ocurrencia de los lahares, evidenciado por un aumento en el número de eventos sísmicos y la aparición de anomalías termales. Estos factores de forma simultánea pudieron facilitar la formación, estallido y/o derrame de lagunas superficiales e intra-glaciales proveyendo la fuente de agua necesaria para generar lahares secundarios en un volcán sin procesos eruptivos en curso.

Diseño e Implementación de Sensores Autónomos Inalámbricos para Sistemas Eléctricos de Protección Utilizando Microprocesadores de Bajo Consumo de Potencia

Resumen: Este artículo presenta el diseño de un sensor autónomo para sistemas de protección eléctrica empleando tecnologías innovadoras que, para su operación, se abastecen de recursos energéticos del medio ambiente y además requieren de un bajo consumo de potencia. El prototipo posee tarjetas electrónicas que operan en cuatro etapas. La primera etapa se encarga de adquirir datos reales de corriente de un sistema eléctrico de prueba. En la segunda etapa, mediante el preprocesamiento y análisis de datos, se detectan perturbaciones en la señal de corriente del sistema eléctrico de prueba. La tercera etapa comprende la comunicación de datos por radiofrecuencia, la cual se ejecuta solo cuando su algoritmo de procesamiento ha detectado valores de corriente anormales, caso contrario, la transmisión de información se mantiene deshabilitada y con el dispositivo operando en modo de ultra bajo consumo de energía. La última etapa del sensor autónomo se encarga de proveerlo de energía mediante baterías de litio-polímero y paneles fotovoltaicos que aprovechan el uso y almacenamiento de la energía solar. Finalmente, para probar el sensor diseñado, se realizan varias pruebas de funcionamiento y se analizan los resultados obtenidos.

Abstract: This article constitutes the design of an autonomous sensor for electrical protection systems using new technologies that includes energy harvesting and the low power consumption of the electronic elements used. The prototype is developed in four stages. The first stage focuses on acquiring information from an external electrical system using a current sensor, that data is processed in the second stage by the development card which detects when a disturbance occurs in the current signal of the external electrical system and prioritizes the low power consumption of the devices when it is not necessary to transmit information. The third stage covers radio frequency data communication, which is executed once the processing algorithm has detected that the current exceeds the limits of normal operation, otherwise the transmission of information is disabled, and the device is in a low consumption mode. The last stage makes energy harvesting and storage of it, using solar modules, the solar radiation is harvested and transformed into electrical energy, the same that feeds the prototype, the excess energy is stored in a lithium-polymer battery, which works in absence of solar radiation. Finally, the equipment is integrated in a printed circuit board that constitutes the final prototype. To verify the correct operation of the designed sensor, many operation tests are carried out and the results obtained are analyzed.

Análisis de la Correlación entre las Emisiones Gaseosas y el Desempeño Energético de Fuentes Fijas de Combustión en Ecuador

Resumen: En esta investigación, se analizó la eficiencia de combustión de veinte hornos a gas y fuel oil de refinerías alrededor del Ecuador, y treinta calderos de diferentes industrias en la ciudad de Quito, así como las emisiones de gases generadas y la rentabilidad de la inserción de precalentadores de aire para mejorar los procesos de combustión. El estudio se realizó en un período de 6 meses, obteniéndose los factores de emisión en los hornos a gas de 4,5 kg de SO2/kg de gas quemado; 22,4 de NOX/kg de gas quemado y 44,5 kg de CO/ kg de gas quemado; mientras que los factores de emisión hallados para los hornos a fuel oil fueron de 93,9 kg de SO2/kg de fuel oil; 24,9 kg de NOX/kg de fuel oil y 2,5 kg de CO/kg de fuel oil. Por otra parte, los factores típicos de emisión de los calderos fueron de 1,7 kg de SO2 /kg de diésel quemado; 1,5 kg de NOX/kg de diésel quemado y 1,0 kg de CO/kg de diésel quemado. Finalmente, la implementación de un precalentador de aire aumenta la eficiencia del caldero analizado (CD20) en un 4,1%, lo cual implicó un valor actual neto (VAN) de USD 8 325,77 y un TIR del 31 %, con lo cual se determinó la factibilidad y rentabilidad del proyecto.

Abstract: In this research, the combustion efficiency of twenty gas and fuel oil furnaces from refineries around Ecuador, and thirty boilers from different industries in the city of Quito were analyzed, as well as the gas emissions generated and the profitability of the insertion of air pre-heaters to improve the combustion processes. The study was conducted over a period of 6 months, obtaining the emission factors for the gas-fired furnaces of 4.5 kg of SO2/kg of gas burned; 22.4 of NOX/kg of gas burned and 44.5 kg of CO/kg of gas burned; while the emission factors found for the fuel oil furnaces were 93.9 kg of SO2/kg of fuel oil; 24.9 kg of NOX/kg of fuel oil and 2.5 kg of CO/kg of fuel oil. On the other hand, typical emission factors for the boilers were 1.7 kg SO2/kg of diesel burned; 1.5 kg NOX/kg of diesel burned and 1.0 kg CO/kg of diesel burned. Finally, the implementation of the air preheater increases the efficiency of the CD20 boiler by 4.1%, which implied a net present value (NPV) of USD 8 325,77 and an IRR of 31%, which determined the feasibility and profitability of the project.

Análisis de Inundación por Rotura de Presa Utilizando el Modelo HEC-RAS 2D: Caso de Estudio de la Presa Mulacorral, Provincia de Tungurahua, Ecuador

Resumen: Este estudio tiene como objetivo analizar la inundación causada por la falla hipotética de la Presa Mulacorral, cuyo embalse está localizado en la cuenca alta del río Ambato en la cota 3831 msnm. La presa está ubicada a 42 kilómetros en dirección noroeste de la ciudad de Ambato, capital de la Provincia de Tungurahua, Ecuador. Para el análisis, se consideró una longitud de cauce de 50 kilómetros aproximadamente, desde el pie de la presa hasta los límites de la ciudad de Ambato, en el sector de la planta de tratamiento de aguas residuales. Se ejecutó 10 planes de simulación considerando: el modo de la falla de la presa (tubificación y desborde), opciones de cómputo y tolerancias del programa. Los resultados fueron verificados con ecuaciones de regresión, desarrolladas con base en antecedentes históricos. Los escenarios de rotura presentan en todos los casos niveles de agua que alcanzan la estructura de la vía Flores e infraestructura que se encuentra en las riberas del río Ambato, en un margen promedio de 100 metros. De los escenarios de rotura planteados, se destaca el modelo que utiliza la Ecuación de Froehlich (2008) para falla por desborde, ya que presenta resultados conservadores, un caudal pico máximo de 1271 m3/s y un tiempo de llegada de 2 horas con 20 minutos a la ciudad de Ambato.

Abstract: This study aims to analyze the flood caused by the hypothetical failure of the Mulacorral Dam, whose reservoir is located in the upper basin of the Ambato River at 3831 meters above sea level. The dam is located 42 kilometers northwest of Ambato city, capital of the Tungurahua Province, Ecuador. For the analysis, a length of approximately 50 kilometers was considered, from the dam foot to the limits of the Ambato city, in the wastewater treatment plant sector. Ten simulation plans were executed considering: the dam failure mode (piping and overflow), computation options and program tolerances. The results were verified with regression equations, developed based on historical background. In all cases, the failure scenarios present water levels that reach the Flores Avenue structure and infrastructure located on the banks of the Ambato River, in an average margin of 100 meters. Of the breakage scenarios proposed, the model used by the Froehlich Equation (2008) for overflow failure stands out, since it presents conservative results, a maximum peak flow of 1271 m3/s and a time of arrival of 2 hours and 20 minutes to the Ambato city.

Implementación del Modelo Pss2b en Simulink

Resumen: Este trabajo presenta un estudio de los diferentes tipos de estabilidad que están presentes en los Sistemas Eléctricos de Potencia (SEP) atendiendo su naturaleza física, tamaño de la perturbación y escala de tiempo, con énfasis en los fenómenos oscilatorios de pequeña señal. Con el fin de mejorar la estabilidad de pequeñas señales, se implementa el ajuste del estabilizador de potencia 2B propuesto por la IEEE, y que no está implementado en la herramienta, utilizando la herramienta Simulink de Matlab versión R2017a, se toman como esquema base el propuesto en Kundur (1993). El comportamiento que presenta el modelo mostrado ante una perturbación es comparado con modelos ya implementados en la herramienta, observándose un mejor comportamiento y confiabilidad.

Abstract: In the present work, a study of the different types of stability that are present in Electrical Power Systems (SEP) was carried out, taking into account their physical nature, size of the disturbance and time scale, with emphasis on small-signal oscillatory phenomena. In order to improve the stability of small signals, the adjustment of the power stabilizer 2B, proposed by the IEEE, which is not implemented in the tool, is implemented using the Simulink tool of Matlab version R2017a, the one proposed in Kundur (1993). The behavior of the model presented before a disturbance is compared with models already implemented in the tool, observing a better behavior and reliability.