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https://www.innovacioneducativa.unam.mx:8443/jspui/handle/123456789/5935
Título : | MODULO EXPERIMENTAL PARA EL ESTUDIO DE LA DINÁMICA Y CONTROL DE UN SISTEMA DE PRIMER ORDEN PARA EL LABORATORIO DE INGENIERÍA QUÍMICA IV |
Autor : | BARRAGAN AROCHE, JOSE FERNANDO HERNANDEZ MELENDEZ, OSCAR |
Fecha de publicación : | 2019 |
Resumen : | Con el propósito de perfeccionar la adquisición de conocimientos en la formación profesional de los alumnos de Ingeniería Química se plantea el desarrollo de diversas técnicas didácticas que los ayuden a complementar y aplicar su aprendizaje con una sólida base en la experimentación. Esto, de tal manera, que se logre una relación directa entre la teoría y la práctica procurando siempre, en lo general, solucionar problemas, disminuir las deficiencias en el aprendizaje y, en particular, facilitar la comprensión de los fundamentos de la Dinámica y Control de los sistemas. Conviene hacer una breve descripción del contexto docente donde se encuentra ubicado este proyecto. Al momento del diseño de la estructura curricular de la carrera de Ingeniería Química en el año 2005, se procuró que las asignaturas curriculares obligatorias fueron concebidas de tal forma que en sus prácticas o guiones experimentales se integraran los conocimientos de un grupo de materias teóricas que el alumno debió haber cursado previamente. De esta forma la experimentación podría abordar problemas utilizando elementos de más de una de las asignaturas teóricas y se permita así que el alumno observe los fenómenos experimentales con criterios y conocimientos integrales. Esta condición ambiciosa en el diseño de los laboratorios exige un esfuerzo académico colegiado mayor que lo necesario en los esquemas tradicionales donde cada una de las asignaturas teóricas tiene su complemento en una asignatura experimental exclusiva. En este contexto, la asignatura experimental Laboratorio de Ingeniería Química IV (1823) es la recipiendaria de las materias teóricas que a continuación se enumeran: Ingeniería de Reactores I (1642), Ingeniería de Reactores II (1740) y Dinámica y Control de Procesos (1819), DYCP. El estado en el que actualmente se encuentra el conjunto de guiones experimentales que se ofrecen en el Laboratorio de Ingeniería Química IV tiene un fuerte desbalance, de modo que los fenómenos que se observan y analizan en los guiones no abordan en su mayoría los temas asociados a la asignatura de DYCP. Colegiadamente se ha discutido sobre este desequilibrio y se ha encontrado que la dificultad para incorporar estos aspectos especializados se debe a la ausencia de modelos experimentales que sean operados en condiciones del régimen no-estacionario (también llamado régimen transitorio o dinámico). Desde la jefatura del departamento de Ingeniería Química se ha buscado adquirir sistemas experimentales que cumplan con estas condiciones y permitan el desarrollo de guiones más equilibrados, pero en el mercado tales sistemas son extremadamente costosos y con un nivel de sofisticación tal que solo pueden ser operados por manos expertas. Esto último hace un contrasentido, pues lo que se desea es que nuestros alumnos adquieran la experiencia mediante la operación de los sistemas. Por ende, es menester la construcción de nuestros propios sistemas experimentales a la medida de las necesidades docentes de la carrera de Ingeniería Química. He aquí la razón por la cual se está solicitando el apoyo para este proyecto. Como parte del desarrollo de nuevas técnicas didácticas se propone el desarrollo de nuevos guiones experimentales que acerquen a los alumnos a la práctica de control automatizado de procesos. Para este fin se planea construir un módulo experimental que permita además la capacitación del personal académico en la rama de control de procesos mediante la elaboración de dos guiones experimentales que tendrán como base el módulo experimental que se propone. Esto está considerado, como ya se explicó con antelación, dentro del contenido curricular del Laboratorio de Ingeniería Química IV en el Plan de Estudios Vigente de la Carrera de Ingeniería Química. |
URI : | http://132.248.161.133:8080/jspui/handle/123456789/5935 |
metadata.dc.contributor.responsible: | BARRAGAN AROCHE, JOSE FERNANDO |
metadata.dc.coverage.temporal: | 2019-2019 |
metadata.dcterms.educationLevel.SEP: | Educación media superior |
metadata.dc.description.hypothesis: | Se podrán elaborar los protocolos experimentales requeridos para fomentar la enseñanza y aplicación de los conocimientos sobre Dinámica y Control de Procesos con la característica de desarrollar las habilidades en relación al aprendizaje previo sobre el área con la finalidad de generar un cambio en el mismo; es decir lograr un aprendizaje no solo conceptual si no significativo y sobre todo aplicativo si se construyen sistemas experimentales a la medida de las necesidades docentes de la Carrera de Ingeniería Química de la Facultad de Química. De igual manera, se puede mejorar la experiencia en el trabajo dentro del laboratorio mediante la utilización de sistemas de automatización previamente analizados y estudiados de tal manera que logren permitir que el trabajo de los alumnos sea más eficiente. |
metadata.dc.description.strategies: | La realización del proyecto se dividirá en las siguientes etapas:
1.Elaboración de protocolos experimentales: En esta etapa el profesor responsable del protocolo deberá presentar una propuesta de tema con el objetivo académico que se requiere para que el alumno aprenda así como un problema relacionado con el objetivo académico para conocer el impacto que alcanza dicho problema.
Este protocolo propuesto se discutirá ampliamente en una reunión colegiada de académicos relacionados con el tema con la finalidad hacer una evaluación con base a los principios didácticos.
2.Diseño y desarrollo del sistema experimental para el estudio de la dinámica y control. Con base al objetivo académico planteado se realizar el diseño y construcción del módulo experimental el cual será la parte clave para el desarrollo de las experimentaciones estableciendo las variables más importantes durante el proceso de control. En esta etapa es indispensable la colaboración de alumnos desarrollando sus trabajos de tesis.
3.Realización experimental del protocolo por un grupo de profesores: Para el caso de que el protocolo cumpla con lo establecido el grupo de profesores responsables realizarán las experimentaciones necesarias para dar cumplimiento al objetivo académico planteado. Una vez concluidas las experimentaciones se elaborará el documento escrito para su presentación y realización experimental del protocolo por un grupo de profesores.
4.Evaluación del protocolo propuesto: Con base en los resultados y el análisis de éstos, se realizará una evaluación sobre el mismo poniendo énfasis en el cuestionario establecido para que el alumno llegue a resolver el problema planteado en el protocolo experimental.
5.Implementación del protocolo experimental al Manual de Prácticas de Laboratorio de Ingeniería Química IV: Una vez terminados todos los protocolos propuestos se procederá a solicitar los requerimientos para su implementación en el semestre correspondiente para los alumnos de la carrera de Ingeniería Química. Objetivo General Elaborar el modelo experimental que funcione como material de trabajo para los alumnos el cual consta de dos protocolos experimentales para el Laboratorio de Ingeniería Química IV, para la implementación de la enseñanza teórico-práctica en el área de Dinámica y Control de Procesos de manera integral con el conjunto de materias teóricas que conforman al bloque que atiende el laboratorio; lo anterior, con la finalidad de guiar al alumno mediante la realización de las actividades estimulando sus habilidades de atención y percepción en la memoria identificando claramente los aprendizajes previos para así organizar la ideas y conceptos relevantes para facilitar el procesamiento y generación de conocimiento. Objetivos particulares Diseñar un módulo automatizado de control de fácil uso y entendimiento que permita a los alumnos adquirir habilidades a través de la experiencia práctica para posteriormente hacer uso de ellas mediante la aplicación de conocimientos teóricos dominados en la Dinámica y Control de procesos. Este módulo deberá ser de fácil reproducción y perfeccionamiento. Generar y desarrollar las herramientas necesarias de software para la operación del equipo dentro del Laboratorio de Ingeniería Química, en la plataforma MATLAB. Elaborar la documentación correspondiente al diseño del equipo y a los protocolos experimentales basados en el objetivo general en relación a los temas a tratar. |
metadata.dc.description.goals: | A continuación se describen las metas cumplidas en el presente proyecto. M-1. Desarrollo de la Ing. Básica del módulo experimental: Se elaboraron los diagramas de flujo de proceso, de tubería e instrumentación y el Isométrico; para ello se utilizó el programa Autocad como una herramienta para generar los planos. M-2. Desarrollo del software de algoritmos. Se desarrollaron códigos de programación independientes para cada una de las funciones en la operación del sistema: adquisición de datos, ley de control, visualización para el usuario. Después se probó el funcionamiento, se programó un código adicional para integrar todas las funciones en una sola plataforma. M-3. Programación del código de programación. Al ser el MATLAB una plataforma de licencia de pago anual, se buscó alternativa que permitiera sustituir las funciones de proceso e interfaz, se optó por programar todas las operaciones con las bibliotecas matemáticas de C# (C Sharp) para desarrollar la interfaz de usuario, la Universidad cuenta con licencia para su uso académico. M-4. Integración Hardware-Software. Se desarrolló un sistema de comunicación entre el hardware (sensores y actuadores) y el software (control del proceso) basado en el microcontrolador ATmega en la placa de desarrollo Arduino que recibe las señales electrónicas analógicas de los sensores de flujo y altura, se envían través de un puerto información generada por la ley de control, regula la posición de apertura y cerradura de servo-válvulas con señales de modulación por ancho de pulso. M-5. Pruebas de operación y parametrización. Se complementaron las pruebas en el sistema de flujo para determinar el modelo a utilizar en el balance de materia. Se construyeron los componentes mecánicos necesarios, servoválvula y programa de control referido a la apertura de la misma. M-6. Se tituló un estudiante de la Facultad de Ingeniería el 01 de febrero de 2018. M-7. Guiones experimentales. Se elaboraron dos guiones experimentales. Para cada uno de los guiones se realizaron diferentes experimentaciones. En el documento final se consideró lo siguiente: Título, objetivo académico, Problema a resolver por el estudiante, fundamento teórico, materiales equipo a utilizar, desarrollo experimental, cuestionario y Bibliografía. M-8. Curso-Taller. Se llevó a cabo un curso taller para la implementación de los guiones desarrollados con un grupo de 10 académicos quienes realizaron los guiones generados con la finalidad de mejorar y dar opinión sobre el desarrollo y redacción. M-9. Implementación de guiones. Se implementaron los guiones elaborados en dos grupos que cursan la asignatura, el número total de alumnos fue de 21. Se realizaron en tres sesiones. M-10. Se tituló un estudiante de la Fac. de Quím. el 09 de enero de 2019. M-11. Se asistió al IV Congreso Multidisciplinario de Ciencias Aplicadas en Latinoamérica realizado en Mérida Yucatán, del 20 al 23 de noviembre de 2018 presentando un cartel. |
metadata.dc.description.selfAssessment: | Las metas establecidas en el proyecto se cumplieron en su totalidad generando los productos comprometidos: DFP, DTI e Isométrico. El arreglo de los componentes y la construcción de dos sistemas experimentales se realizaron con apoyo del Área de Mecatrónica de FI, resultando un sistema completo que permitió realizar la filosofía de operación y control así como 3 manuales: de operación y mantenimiento, del Hardware y Software. El Área de Mecatrónica de la FI desarrolló los códigos de programación independientes para cada una de las funciones que necesitaba cumplir el sistema para: adquisición de datos, se programó un código adicional para integrar todas las funciones en un solo software para brindarle al usuario la usabilidad “plug&play”. Se optó por programar todas las operaciones en C# (C Sharp) licenciado a nivel institucional. Por el cambio de programación en C# permitió desarrollar la interfaz del usuario más versátil. Se desarrolló un sistema de comunicación entre el hardware (sensores y actuadores) y el software (control del proceso) basado en el microcontrolador ATmega en la placa de desarrollo Arduino. Se elaboraron dos manuales de usuario sobre la Interfaz. Se logró establecer un procedimiento experimental con base al objetivo académico planteado para la redacción de los guiones experimental, se redactaron dos guiones titulados: “Análisis de la dinámica de un sistema de primer orden” e “Identificación de parámetros en un sistema dinámico de primer orden” después se procedió a realizar dos actividades para su implantación. Implementación en 2 grupos programados en el semestre en curso de LIQ IV. Se observaron puntos de mejora tanto en el guion como en los sistemas de flujo. Se logró la transferencia de los conocimientos a los profesores que imparten la materia de LIQ IV, para llevar a cabo la adecuada implementación de los guiones derivados del presente proyecto. Las 4 sesiones permitieron detectar puntos de mejora tanto en el guion como en los sistemas de flujo construidos, los cuales quedaron completamente resueltos. Esta actividad fue registrada en el subprograma 122 “Actividades de Actualización” en el Depto. de Superación Académica. Con relación a los recursos humanos se titularon dos estudiantes de licenciatura, realizaron estancia académica dos estudiantes y dos más se incorporaron para realizar el servicio social. Por la parte de difusión se presentó un trabajo en forma de cartel en un Congreso Internacional obteniendo publicar las memorias del congreso en un Compendio de Ciencia Aplicada editado por la UNAM y con ISBN registrado. Todas las metas propuestas para la realización del proyecto se cumplieron en totalidad cumpliéndose con un 100% en los avances alineándose estas con los objetivos originalmente establecidos. En documentos adjuntos comprueban los productos generados. En conclusión la colaboración FQ-FI fue muy productiva y exitosa para ambas dependencias. |
metadata.dc.description.goalsAchieved: | PRIMER AÑO Desarrollo de la ingeniería básica del módulo experimental: oDiagrama de flujo de proceso. oBalance de materia en estado estacionario del caso base. oDesarrollo del modelo no lineal del estado dinámico del balance de materia oArreglo de componentes. oDiseño de planos isométricos. oDiagrama de tubería e instrumentación. oFilosofía de operación y control. oEspecificaciones de equipos y componentes en hojas de datos. Desarrollo del software de algoritmos para el sistema de automatización. Programación del código de programación en plataforma MATLAB. Integración Hardware-Software. Pruebas de operación y parametrización. Titulación de un estudiante a nivel licenciatura. SEGUNDO AÑO Desarrollo de Guiones Experimentales mediante el siguiente procedimiento: oObjetivo académico oPlanteamiento del problema oDesarrollo experimental oDesarrollo del Cuestionario del Alumno. Curso-Taller donde se apliquen los guiones desarrollados con un claustro de profesores para refinar los guiones. Implementación de los guiones desarrollados dentro del programa de prácticas del Laboratorio de Ingeniería Química IV. Titulación de un estudiante de licenciatura. Difusión mediante un trabajo técnico en un congreso nacional. |
metadata.dcterms.provenance: | Facultad de Química |
metadata.dc.subject.DGAPA: | Ingenierías |
metadata.dc.type: | Proyecto PAPIME |
metadata.dc.contributor.coresponsible: | HERNANDEZ MELENDEZ, OSCAR |
Aparece en las colecciones: | 1. Área de las Ciencias Físico Matemáticas y de las Ingenierías |
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