Desarrollo de aplicación Android para simulación de control de caldera con realidad aumentada

Desarrollo de aplicación Android para simulación de control de caldera con realidad aumentada

Android application development for boiler control simulation with augmented reality

Mónica M. Miranda ^I [email protected]

https://orcid.org/0000-0002-7497-1593

Jennifer Mariela Eugenio Plua ^II [email protected]

https://orcid.org/0000-0003-3944-2693 Fernando I. Mantilla ^III

[email protected]

https://orcid.org/0000-0003-0131-9497

Correspondencia: [email protected] Artículo de Investigación

I. Grupo de Investigación en Sistemas de Control, Universidad Politécnica Salesiana, Guayaquil-Ecuador.

II. Grupo de Investigación en Sistemas de Control, Universidad Politécnica Salesiana, Guayaquil-Ecuador.

III. Grupo de Investigación en Sistemas de Control, Universidad Politécnica Salesiana, Guayaquil-Ecuador.

Resumen

La tele-educación y las TICS se han convertido en un nuevo instrumento didáctico y pedagógico que ayuda a perfeccionar la enseñanza y aprendizaje de los estudiantes. La presente investigación tiene como finalidad desarrollar una aplicación móvil con realidad aumentada, orientado a proporcionar una herramienta pedagógica enfocada al control de una caldera pirotubular horizontal para los estudiantes de la UPS de la ciudad de Guayaquil. Para ello, se procedió a aplicar una encuesta a potenciales usuarios del prototipo propuesto donde se estableció su aceptación. Se requirió del uso de la investigación exploratoria para una revisión de otros estudios que fundamenten y sustenten la base teórica sobre definiciones como la realidad aumentada, aplicación móvil, la teleducación y el control de calderas. Así mismo, se aplicó la investigación descriptiva para el modelamiento y control de la caldera mediante ecuaciones que se desarrollaron considerando las variables que intervienen en un óptimo funcionamiento para la caldera pirotubular horizontal y que facilitó la simulación del control en el programa MATLAB/SIMULINK ® donde validó los resultados con gráficos que mostraron la suavización y estabilización de las variables observadas. La limitación más importante es que sólo se ha considerado para el presente estudio a las características un tipo de caldera específico como es el U-HD caldera pirotubular horizontal. Finalmente, una vez que se validó que el sistema de control para la caldera estudiada se encontraba bajo control, se procedió al diseño y el desarrollo de la aplicación móvil haciendo uso de la realidad aumentada, lo cual requirió de la utilización de programas como son: VUFORIA ® y UNITY ®, cuya interacción con el usuario ayuda a la creación de app con realidad aumentada, propuesta cuyo aporte servirá para proporcionar una nueva herramienta pedagógica a utilizarse en materias como control de sistemas.

Palabras Claves: Desarrollo, Aplicación móvil, Teleducación, Control, Caldera, Pirotubular horizontal, Realidad aumentada.

Abstract

Tele-education and ICTs have become a new didactic and pedagogical instrument that helps to improve the teaching and learning of students. The purpose of this research is to develop a mobile application with augmented reality, aimed at providing a pedagogical tool focused on the control of a horizontal firetube boiler for the students of the UPS in the city of Guayaquil. For this, a survey was applied to potential users of the proposed prototype where its acceptance was established. The use of exploratory research was required for a review of other studies that support and support the theoretical basis on definitions such as augmented reality, mobile application, tele-education and boiler control. Likewise, the descriptive research was applied for the modeling and control of the boiler by means of equations that were developed considering the variables that intervene in an optimal operation for the horizontal firetube boiler and that facilitated the simulation of the control in the MATLAB / SIMULINK ® program where validated the results with graphs that showed the smoothing and stabilization of the observed variables. The most important limitation is that only one specific type of boiler, such as the U-HD horizontal fire tube boiler, has been considered for the present study. Finally, once it was validated that the control system for the boiler studied was under control, the mobile application was designed and developed using augmented reality, which required the use of programs such as: VUFORIA ® and UNITY ®, whose interaction with the user helps to create an app with augmented reality, a proposal whose contribution will serve to provide a new pedagogical tool to be used in matters such as systems control.

Keywords: Development, Mobile application, Tele-education, Control, Boiler, Horizontal fire tube, Augmented reality.

Introducción

La realidad aumentada es una tecnología que ha facilitado los mecanismos de enseñanza y aprendizaje que se adapta a cualquier tipo de conocimiento y materia del saber humano brindando un entorno de interacción que no se ha visto con otras herramientas disponibles hasta el momento, e incluso ha ido más allá buscando la manera de mejorar el mismo entorno real (Remacle, Bouchard, Etienne, Rivard,

& Morsomme, 2021). Así, la tele-educación ha hecho uso de la misma para brindar acceso a la educación sin importar su nivel de escolaridad lo cual permite su aplicación desde escuelas hasta universidades, eliminando la barrera de la distancia siempre y cuando se cuente con acceso a Internet, generando una oportunidad para contar con otras formas de enseñar y crear nuevas experiencias, que van desde lo visual hasta lo multisensorial, en los principales actores del sistema educativo (Pietra, y otros, 2021).

Tras efectuar un análisis exhaustivo se logró identificar la necesidad de diversificar y complementar las actuales herramientas tecnológicas y pedagógicas utilizadas para la educación en el cual exista una mayor interacción entre el estudiante, el docente y el material didáctico donde la realidad aumentada se convierte en una herramienta fundamental, que se extiende mucho más allá de las aplicaciones iniciales que se realizaron en cursos de primaria y secundaria cuando la tecnología se encontraba en desarrollo (Pellas, Mystakidis, & Kazanidis, 2021).

El problema es la búsqueda de herramientas pedagógicas efectivas que faciliten la enseñanza por parte de los profesores y rapidez en el aprendizaje de los alumnos y que dicha interacción sea posible, factible, amigable y palpable (Price, Jewitt, & Yiannoutsou, 2021). Así, existe mucha evidencia donde se demuestra que las clases virtuales ayudan a seguir con el cronograma de actividades curriculares, pero requieren de complementos académicos adicionales como es el uso de las TIC, específicamente la aplicación de la realidad aumentada donde se proporciona una mayor interacción entre el usuario, el entorno real y la información digital (Liberatore & Wagner, 2021).

Ejecutando el método teórico y computacional se elaboró el modelado y simulación del proceso de control de una caldera pirotubular, dando como resultado un prototipo didáctico para la enseñanza en realidad aumentada agradable para la interacción del usuario.

Por lo tanto, se implementó el desarrollo de una aplicación móvil con realidad aumentada orientado a la teleducación y enfocada al control de una caldera pirotubular que permitirá brindar una herramienta tecnológicamente sofisticada ayudando a los estudiantes a comprender las variables que influyen en el control apropiado de la misma, además de mostrar la estructura y composición de este tipo de caldera, evidenciando ser esta nueva forma de percibir nuestra realidad, una alternativa interactiva y de fácil acceso para todos quienes se encuentren interesados en esta propuesta de aprendizaje proactiva. En el desarrollo de esta investigación se emplean diversas herramientas informáticas tales como el software de Matlab-simulink que nos permite realizar una simulación del modelo matemático obtenido a partir del análisis de la dinámica que se desprende de la interrelación entre la variable manipulada y controlada, de igual manera utilizando la misma potencia de cálculo que tiene este software se ha logrado controlar el sistema. Esta investigación aplicada entrega una herramienta que permite a los estudiantes de las materias de teoría de control y maquinas eléctricas, tener una idea más real de cómo es la constitución de una caldera pirotubular y su respectivo control.

Materiales y métodos

El presente estudio hizo uso del diseño cuantitativo aplicando un enfoque mixto: la combinación entre investigación descriptiva y la investigación exploratoria. Se procedió a la aplicación de un cuestionario de 5 preguntas de repuestas múltiples para conocer la percepción respecto al uso de la realidad aumentada. Se realizó el control del sistema de caldera a través del modelamiento matemático de la caldera pirotubular horizontal y sus variables.

Universo y Muestra

Universo: Estudiantes de la carrera de Ingeniería Electrónica de la UPS de la ciudad de Guayaquil.

Debido a que el proyecto busca beneficiar a todos los estudiantes, no solo de quienes ven la materia de control de caldera, se consideró adecuado tomar en cuenta a toda la población de la carrera técnica.

Muestra: Debido a la gran cantidad de estudiantes de la carrera de Ingeniería Electrónica de la UPS de la ciudad de Guayaquil, se consideró apropiado el cálculo del tamaño de muestra. Para establecer el número de personas a encuestar se establecen los siguientes parámetros:

N: Universo o población (N = 2.000 estudiantes aproximadamente).

p: Probabilidad de éxito que es igual al 0,5 q. Probabilidad de fracaso 0,5

z: Nivel de confianza del 95%

K: Error muestra del 5%

Reemplazamos en la siguiente ecuación:

n = z²N ∗ p ∗ q K² ∗ (N − 1) + z²∗ p ∗ q

(1)

Se tiene entonces:

𝐧 = (𝟎, 𝟗𝟓)^𝟐∗ 𝟐. 𝟎𝟎𝟎 ∗ 𝟎, 𝟓 ∗ 𝟎, 𝟓

(𝟎, 𝟎𝟓)^𝟐∗ (𝟐. 𝟎𝟎𝟎 − 𝟏) + (𝟎, 𝟗𝟓)^𝟐∗ 𝟎, 𝟓 ∗ 𝟎, 𝟓 𝐧 = 385

El tamaño de la muestra es de 385, es decir que se elaboraron 385 encuestas enfocadas a los estudiantes de la carrera de Ingeniería Electrónica de la UPS de la ciudad de Guayaquil y que fue realizada de manera electrónica haciendo uso de las TIC para lograr la participación de la población objetivo.

Los métodos que se utilizaron estuvieron el deductivo, que ayudó a identificar las necesidades de información; el inductivo, que facilitó ajustar dichas necesidades y requerimientos a partir de los datos de la encuesta para que el diseño de la propuesta sea la más apropiada; el de medición, que aportó con la realización de pruebas técnicas que validen y verifiquen el buen funcionamiento de la propuesta formulada.

Finalmente, se usó el cuestionario para la obtención de datos mediante la aplicación de preguntas cerradas y estructuradas con respuesta múltiple. Los resultados obtenidos de dicha encuesta demostraron evidencia estadística en que los principales usuarios de la propuesta tienen la percepción sobre la indisponibilidad de información sobre control de caldera y que la mayoría de los encuestados están totalmente de acuerdo respecto al diseño de la aplicación móvil con realidad aumentada, la cual sí harían uso de la misma.

Por ende, se concluye que es necesario incluir herramientas pedagógicas que complementen lo impartido en clase.

Recursos virtuales y de aprendizaje Control de caldera

Para realizar un apropiado modelamiento que explique el control y estabilización de una caldera, es necesario establecer las ecuaciones y variables que permiten la obtención del modelo matemático (Benítez-Pérez, Ortega-Arjona, Méndez-Monroy, Rubio-Acosta, & Esquivel-Flores, 2018), el cual consideró los siguientes supuestos:

La caldera seleccionada es la caldera piro tubular horizontal cuyas especificaciones físicas son necesarias para realizar el modelamiento. El modelo seleccionado corresponde a la caldera U- HD.

La caldera trabaje con una temperatura de saturación del vapor para lograr una rápida liberación o absorción de energía almacenada con el cambio de presión.

La caldera tiene un equilibrio térmico por lo que la temperatura de los tubos y el tambor es casi igual a la temperatura de saturación del vapor.

Se considera constante el nivel del tambor en la caldera debido a que no se toma en cuenta la distribución de agua y vapor en el sistema despreciando el fenómeno físico

Se establecen las diferentes variables: volumen V, densidad relativa ⍴, energía interna almacenada en la masa u, entalpia ℎ, temperatura t, presión p, flujo másico q; y, calor especifico del cobre o metal Cp. Los subíndices de las variables son: vapor s, agua w, metal m, sistema total t; y, masa de acero inoxidable total del sistema mt. Para el presente estudio se consideró apropiado establecer el tanque de agua de alimentación como sistema a modelar, controlar y simular.

Análisis de la combustión mediante ecuación estequiométria

Se consideró la reacción de los combustibles como si fuesen un solo hidrocarburo, aunque hay que recalcar su complejidad de la composición de cada uno y que el sistema estudiado puede funcionar con Gas LP, Gas Natural, Biogás, Combustóleo, Diésel, Biodiesel, Dual (Pérez, Cordovés, & Terán, 2016). En el presente sistema de caldera, se ha considerado hacer uso del Diésel, que es el insumo que más se utiliza en este tipo de maquinaria en Ecuador y cuya disponibilidad se encuentra en cualquiera gasolinera; con ello, se procederá a utilizar la ecuación estequiometria cuya reacción es:

𝐶₁₂𝐻₂₆+ 𝑎_𝑡(𝑂₂+ 3.76𝑁₂) 𝑏 𝐶𝑂₂+ 𝑐𝐻₂𝑂 + 𝑎_𝑡(3.76𝑁₂) (2) Para determinar el valor de los coeficientes a, b y c será necesario equilibrar el carbono, el hidrógeno, el oxígeno y nitrógeno de los reactantes, a través de los pesos de cada uno de los componentes y sus respectivas reacciones. Para ello, se procederá a utilizar los valores de masa molecular que pueden ser obtenidas mediante calculadoras digitales en portales webs gratuitos. Así se tiene como resultado de la ecuación estequiométrica:

𝐶₁₂𝐻₂₆+ 𝑎_𝑡(𝑂₂+ 3.76𝑁₂) (3)

Los valores que cumple con dicha igualdad son: at = 18,5; b = 12; y, c = 13. La ecuación final sería:

𝐶₁₂𝐻₂₆+ 18,5(𝑂₂+ 3.76𝑁₂) 12 𝐶𝑂₂+ 13𝐻₂𝑂 + 18,5(3.76𝑁₂) (4)

Relación Aire/Combustible

Se procedió a establecer y determinar la relación de aire y combustible haciendo uso de la ecuación siguiente:

𝐴𝐶 = ^{𝑚𝑎𝑖𝑟𝑒}

𝑚𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒

(5)

Para ello se procedió a calcular la masa de aire:

𝑚_{𝑎𝑖𝑟𝑒} = %𝑂 ∗ 𝑁_{𝑎𝑖𝑟𝑒}∗ 𝑀_{𝑎𝑖𝑟𝑒} (6)

Donde:

Naire: Número de moles del aire en kmol Maire: Peso molecular del aire en kg/kmol

El peso molecular del aire seco (Maire) calculado fue de 29 kg/kmol. En este caso, el porcentaje total del oxígeno (%O) se da al restar el porcentaje de oxígeno y el porcentaje de los demás elementos distinto al nitrógeno. El número de moles de la aire calculado fue de 4.73 kmol aire. Reemplazando los valores en la ecuación 6 se tiene:

𝑚_{𝑎𝑖𝑟𝑒} = (20,9 − 1) ∗ 4.73 ∗ 29 𝑚_{𝑎𝑖𝑟𝑒} = 2.729,68 𝑘𝑔

A continuación se procederá determinar la masa del combustible a partir de la siguiente formulación:

𝑚𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 = (𝑁_𝑐 ∗ 𝑀_𝑐) + (𝑁_𝐻∗ 𝑀_𝐻) (7)

Donde:

Nc: Número de moles de carbono en kmol Mc: Peso molecular de carbono en kg/kmol NH: Número de moles de Hidrógeno en kmol NH: Peso molecular del Hidrógeno en kg/kmol

Todos los datos son obtenidos de la tabla periódico de elementos e incluso de las mismas especificaciones del combustible. Así se tiene que al reemplazarlo en la ecuación 1.12:

𝑚𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 = (12 ∗ 12) + (13 ∗ 2) 𝑚𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 = 170 𝑘𝑔

Finalmente, para encontrar la relación aire y combustible. Así se tiene:

𝐴𝐶 =^2.729,68

170 = 16,05

La caldera U-HD tendría una relación aire – combustión de 16,05 kg de aire por cada kg de combustible.

Balance de ecuaciones para tanque de agua de alimentación

Se procedió a establecer las ecuaciones para el intercambiador de calor que requiere el uso de la teoría del balance de masas global y energía para fluidos, donde se busca el aporte de calor (vapor) al material frío (agua). De acuerdo a Deiana, Granados y Sardella (2018) establecieron como ecuaciones generales utilizadas para el balance de masa, definida como una “contabilización de materia aplicada”

a la caldera, en este caso. Se tiene la siguiente ecuación para un sistema abierto con masa (vapor) conservativa:

{

𝐴𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑙𝑑𝑒𝑟𝑎

} = {

𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑜𝑠 𝑙í𝑚𝑖𝑡𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑙𝑑𝑒𝑟𝑎

} − {

𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑜𝑠 𝑙í𝑚𝑖𝑡𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑙𝑑𝑒𝑟𝑎

} (8)

La ecuación general del balance es:

[𝐹_{𝑐𝑜𝑙𝑑}∗ (𝐻_𝑜𝑢𝑡 − 𝐻_𝑖𝑛)_{𝑐𝑜𝑙𝑑}− 𝑄_{𝑙𝑒𝑎𝑘}] − [𝐹_ℎ𝑜𝑡∗ (𝐻_𝑜𝑢𝑡− 𝐻_𝑖𝑛)_ℎ𝑜𝑡 − 𝑄_{𝑙𝑜𝑠𝑠}] = 0

(9) Donde:

F: flujo másico, kg/s;

H: entalpía, kJ/kg;

Qleak: calor de escape, kW;

Qloss: calor perdido, kW.

El balance de masas global se obtiene aplicando la ecuación 9, se reemplaza con las variables definidas que se encuentran al principio de esta sección. Así se tiene:

⍴_𝑠V_𝑠𝑡+ ⍴_𝑤V_𝑤𝑡 = q_𝑡−q_𝑠 (10)

Fue necesario aplicar el método de Laplace donde: “una función en el espacio temporal que pertenece al espacio de frecuencias” (Jinkis, 2015). Esto aplicado al caso de la caldera es el caso ideal, porque se consideró y es así, una temperatura constante, ideal y sostenida en el tiempo, lo que ayuda a obtener la temperatura deseada o requerida para el sistema estudiado. Con todo lo anterior, busca optimizar la combustión y en ambos casos es necesario derivar las ecuaciones con respecto al tiempo (Castro

& Osorio, 2016). Así se tiene:

𝑑

𝑑𝑡[⍴_𝑠V_𝑠𝑡+ ⍴_𝑤V_𝑤𝑡] = q_𝑡−q_𝑠 (11)

𝑑

𝑑𝑡[⍴_𝑠u_𝑠V_𝑠𝑡+ ⍴_𝑤u_𝑤V_𝑤𝑡+ m_𝑡C_𝑝𝑡_𝑚] = 𝑄 + q_𝑡ℎ_𝑡−q_𝑠ℎ_𝑠 (12)

La energía interna del sistema puede es representada por la entalpia (h), presión (p) y densidad (⍴).

De acuerdo esto, la ecuación a utilizarse bajo el método indicado es:

𝑢 = ℎ − ^𝑝

⍴ (13)

Reemplazando la ecuación 14 en 13, se obtiene una igualdad en función entalpias y densidades se obtiene:

𝑑

𝑑𝑡[⍴_𝑠h_𝑠V_𝑠𝑡+ ⍴_𝑤h_𝑤V_𝑤𝑡− 𝑝V_𝑡+ m_𝑡C_𝑝𝑡_𝑚] = 𝑄 + q_𝑡ℎ_𝑡−q_𝑠ℎ_𝑠 (14) Para el cálculo del Volumen Total (VT), se consideró la suma de los volúmenes de vapor y agua total de la caldera, dado que son los componentes y elementos que en ella interactúan. Se tiene entonces:

V_𝑤𝑡 + V_𝑠𝑡 = 𝑉𝑇 (15)

Se procede a realizar el reemplazo de la ecuación 16 en la ecuación 15, se obtiene:

𝑑

𝑑𝑡[⍴_𝑠h_𝑠V_𝑠𝑡+ ⍴_𝑤h_𝑤V_𝑤𝑡− 𝑝V_𝑡+ m_𝑡C_𝑝𝑡_𝑚] − [(ℎ ∗ ℎ_𝑤) − (^𝑝

⍴∗ ℎ_𝑤)] = [𝑄 + q_𝑡ℎ_𝑡−q_𝑠ℎ_𝑠] − [(ℎ ∗ ℎ_𝑤) − (^𝑝

⍴∗ ℎ_𝑤)] (16)

Al resolver la ecuación haciendo uso de las operaciones algebraicas se tiene:

(ℎ_𝑠− ℎ_𝑤) 𝑑

𝑑𝑡(⍴_𝑠V_𝑠𝑡) + ⍴_𝑠V_𝑠𝑡𝑑h_𝑠

𝑑𝑡 + ⍴_𝑤V_𝑤𝑡𝑑h_𝑤

𝑑𝑡 − V_𝑡𝑑𝑝

𝑑𝑡 + m_𝑡C_𝑝𝑑𝑡_𝑠

= 𝑄 + q_𝑡(ℎ_𝑤− ℎ_𝑡)−q_𝑠(ℎ_𝑠− ℎ_𝑤) 𝑑𝑡 (17)

Es importante recordar que se estableció que el nivel del agua dentro de la caldera era constante. Así, la ecuación anterior se reducirá porque las variaciones de volumen de vapor se desprecian, y se saca como factor común ^𝑑𝑝

𝑑𝑡, donde V_𝑡 es la única variable que se encuentra asociada, lo que se tiene:

e₁ = (ℎ_𝑠− ℎ_𝑤)V_𝑠𝑡𝑑⍴_𝑠

𝑑𝑡 + ⍴_𝑠V_𝑠𝑡𝑑h_𝑠

𝑑𝑡 + ⍴_𝑤V_𝑤𝑡𝑑h_𝑤

𝑑𝑡 − V_𝑡+ m_𝑡C_𝑝𝑑𝑡_𝑠

𝑑𝑡 (18)

Se tiene que e1 es el valor de una constante y V_𝑡 es la energía interna y la entalpia del sistema.

Reemplazando e1 en la ecuación 1.26, se tiene:

𝑑𝑝

𝑑𝑡e₁ = 𝑄 + q_𝑡(ℎ_𝑤− ℎ_𝑡)−q_𝑠(ℎ_𝑠− ℎ_𝑤) (19)

Se procede despejar ^𝑑𝑝

𝑑𝑡 de la ecuación 1.28. Así se tiene el modelo:

𝑑𝑝 𝑑𝑡 = 1

e₁[𝑄 + q_𝑡(ℎ_𝑤− ℎ_𝑡)−q_𝑠(ℎ_𝑠− ℎ_𝑤) ] (20)

Se observa que es posible despreciar Vt debido a la dinámica con que funciona la caldera, es decir considerarlo como una constante. Así se tiene:

e₁ = (ℎ_𝑠− ℎ_𝑤)V_𝑠𝑡𝑑⍴_𝑠

𝑑𝑡 + ⍴_𝑠V_𝑠𝑡𝑑h_𝑠

𝑑𝑡 + ⍴_𝑤V_𝑤𝑡𝑑h_𝑤

𝑑𝑡 + m_𝑡C_𝑝𝑑𝑡_𝑠

𝑑𝑡 − V_𝑡 (21)

Realizando operaciones matemáticas necesarias, se obtuvo el modelo matemático para la caldera:

𝑑𝑝 𝑑𝑡 = 1

5463[𝑄 − q_𝑡(ℎ_𝑤 − ℎ_𝑡)−q_𝑠(ℎ_𝑠− ℎ_𝑤) ]

(22) Simulación por MATLAB/SIMULINK ®

De acuerdo a Gong, Liu, Ji, Zhong, Li, Dong, (2018) es posible la elaboración de modelos en MATLAB, por ello se procedió a diseñar el modelo matemático en Simulink, configurando los bloques Constant y Lookup Table y se realiza el método de interpolación de bloques.

El modelo matemático definido permitió lograr la simulación del comportamiento de la presión del tambor de una caldera piro tubular horizontal considerando como variables a las diferentes entalpias del sistema y el calor suministrado por el intercambiador de calor Q. Para ello, se procederá a su implementación utilizando el software de simulación Matlab/Simulink. La ecuación 23 cumple con lo requerido dentro de un modelo de control de sistema para una caldera. Esto es:

Se cuenta con valores de las variables definidas como constante, así como se hace uso de valores obtenidos de otros estudios hechos a otras calderas similares y que son necesarias en la simulación.

Los flujos que intervienen en el modelo corresponden a los de vapor, agua y calor, donde el calor puede ser representado en función de las entalpias y flujos másicos del agua y vapor.

Los pasos a seguir para la elaboración de la simulación fueron: identificar los bloques requeridos que permitan relacionar la temperatura y la presión, establecer constantes y parámetros para la simulación considerando información del producto como de estudios anteriormente realizados; y, Se diseñará la señal de perturbación en el flujo másico del vapor.

Figura 1: Modelo matemático implementado en simulink obteniendo presión de 43.37 a 130º Se linealiza el sistema y con la data adquirida del modelo matemático establecemos la ecuación en relación de los parámetros de entrada y salida del sistema, (temperatura vs presión).

𝑃 = 0,3341𝑇 + 0,00008 (8)

Utilizando la caja de herramientas de System Identification, se importan y procesan los datos configurando todos los parámetros requeridos para obtener la función de transferencia y controlar el sistema con un controlador PID.

𝐺(𝑠) = ^𝐾𝑝

1+ (𝑇_𝑝1∗𝑠) (9) Finalmente se observa figura 2 el comportamiento del sistema de una caldera pirotubular,

Figura 2: Simulación de estabilidad a 120º del control de una caldera pirotubular.

Descripción del prototipo

 Selección del Entorno: Se hará uso del sistema operativo Android 7, debido al uso de muchos gráficos e interactividad con el usuario.

 Interfaz de usuario: La interfaz de la aplicación móvil se diseñó para que sea lo más interactiva posible y de gran utilidad para cualquier usuario, así como también su funcionalidad que permita su fácil instalación en los dispositivos. Es importante mencionar que hace uso de la cámara fotográfica que viene incorporada en los actuales teléfonos inteligentes.

 Interfaz de Hardware y Software de desarrollo: La aplicación móvil con realidad aumentada se desarrolló haciendo uso de la plataforma gratuita UNITY3D ® y VUFORIA ®, que brinda muchos elementos intuitivos y de fácil manejo para la creación de un archivo apk para ser funcional en el sistema operativo ANDROID 7.

 Interfaz de Hardware y Software de uso: El prototipo propuesto requiere de dispositivos móviles con sistema operativo ANDROID 7 para la ejecución e interacción de la realidad aumentada. Las características básicas que poseen este tipo de equipos son:

 Presentación: Muestra los nombres de los creadores y el tema sobre el cual fue desarrollada.

Así mismo, presenta el menú que contiene botones que ayudan al usuario a acceder a las diversas pantallas. La pantalla de menú es permanente y puede ser ubicado fácilmente al tocarse el logotipo de la UPS.

Temperatura

Tiempo establecimiento

Figura 3: Interfaz de pantalla de Presentación.

Aula virtual: Esta opción permite acceder a la pantalla del aula virtual activando la cámara del dispositivo móvil. A partir de la detección de superficie, de acuerdo a Gomes, Fernández y Wang (2020) y desplegará un portal digital hacia una galería que presentará información y especificaciones de la caldera,

Figura 4: Interfaz de Aula Virtual.

Sala de calderas: Esta opción hace uso de la cámara del dispositivo móvil y despliega un portal virtual donde con el elemento virtual de 360º asociado, brinda una idea sobre cómo es una sala industrial de calderas.

Figura 4: Interfaz de pantalla de Bienvenida de opción Sala de Calderas.

Modelamiento y Control: Esta opción permite acceder a la cámara del dispositivo donde se relacionan el entorno real, el control del sistema y el entorno digital a través de la interacción con el modelo 3D y activando su animación, asociada al control respectivo dentro del rango establecido para la variable Temperatura.

Figura 5: Interfaz de pantalla de opción Modelamiento y Control.

Análisis y discusión de los resultados

Se obtuvo el modelo matemático para el control de la caldera pirotubular horizontal en función de los parámetros establecidos.

Utilizando Matlab/Simulink se realizó la linealización del sistema y obtención de la función de transferencia para lo cual se estableció la ecuación lineal en relación a la entrada y salida del sistema, temperatura vs presión con la data adquirida del modelo matemático, asi mismo para el control del sistema se estableció la variable manipulada válvula de compuerta y la variable controlada temperatura, donde se utilizo un controlador PID para el control de la planta.

Para el desarrollo de la aplicación Android se programaron los parámetros necesarios para la simulación del control de la caldera en realidad aumentada, donde se consideró una temperatura mínima de 10° y temperatura máxima de 200° de acuerdo a las especificaciones técnicas de la caldera.

El prototipo requirió de la ejecución de dos pruebas: una de Funcionamiento donde se hizo uso de la aplicación móvil en tres dispositivos con sistema operativo Android 10 y mostró que los tiempos de ejecución no pasan más de los 9 segundos de espera. La otra fue de Errores donde se observó que la aplicación reconocía el marcado selecciona (superficies planas) y lo relacionaba con el modelo 3D y la animación asociada.

La realidad aumentada se ha convertido en una herramienta que comenzó a ser explotada los últimos años y su aplicación es tan variada que los beneficios que se obtiene de ella no miden condiciones socio-económicos y tampoco de edad. En este sentido, el estudio realizado por Campo-Prieto, Cancela y Rodríguez-Fuente (2021) cuya aplicación va dirigida al grupo etario de tercera edad en la rama de la medicina de fisioterapia, obteniendo resultados excelentes, lo que demuestra que la realidad aumentada va mucho más allá de capacitaciones, uso en las aplicaciones móviles, vídeo juegos o mejora en las experiencias de los consumidores, sus principales ventajas son motivar una mayor interacción de las personas mayores de edad e incentivar una participación más activa durante las sesiones que reciben, por lo que para la investigación se diseñó y desarrolló ejercicios específicos y puntuales, así como ciertos juegos terapéuticos para adultos mayores. Se relaciona la investigación que benefició al grupo etario de la tercera edad junto a otros proyectos con la presente investigación,

porque se busca mejorar el proceso de enseñanza-aprendizaje en todos los aspectos posibles del entorno real por medio de la realidad aumentada.

En el estudio elaborado por Hartfiel y Stark (2021) cuyo título fue: “Validity of primary driving tasks in head-mounted display-based driving simulators” siendo su objetivo el desarrollo de simuladores que permitan emular el entorno interno de un vehículo, específicamente los movimientos que se realizan para la conducción, dichos simuladores buscan crear una verdadera experiencia de conducción y que sirvan para que los estudiantes o participantes se comporten tal como lo hacen dentro de los autos reales. En el caso del presente trabajo, se ha logrado entregar una aplicación móvil donde una caldera ha sido creada en base a la realidad aumentada, gracias a esta tecnología los estudiantes de la materia de sistemas de control automático podrán conocer el diseño interno de una caldera, por medio de la cual podrán interactuar con el controlador diseñado para la misma.

La aplicación de realidad aumentada mucho más práctica se ve reflejada en la investigación efectuada por Mossel, Schoenauer, Froeschl, Peer, Goellner, Kaufmann (2020) se enfocó a mejorar el entrenamiento de los equipos que se capacitan para primeros auxilios reduciendo así la brecha existente entre el conocimiento y la aplicación práctica que se requiere ante eventos no deseados.

Para ello, se desarrollaron entornos de desastres en modalidad virtual que permitieron mejorar el aprendizaje y capacitación en dicha materia a brigadas específicas como es la de extinción de incendios. En el caso del presente trabajo, se ha logrado entregar un módulo que permite la interacción con la caldera y observar el control considerando dos variables importantes como son:

temperatura y presión de la caldera, todo esto en un ambiente de realidad aumentada, lo que ayudará a los estudiantes a conocer sobre el control y modelamiento para sistemas e interactuar con el controlador diseñado para la misma.

Finalmente, la realidad aumentada también es aplicada para el diseño de elementos complejos, como es el caso del presente estudio que diseñó un modelo de 3D de una caldera pirotubular horizontal, además se puede construir desde modelos de casas, proyectos inmobiliarios y arquitectónicos hasta instalaciones hospitalarias. Así, el estudio realizado por Giallorenzo, Banerjee, Conroy y Franke (1999) donde se demostró que el uso de la realidad aumentada puede ayudar a que se realice un diseño eficiente para un sistema de eliminación de partículas de aires, indispensable para el tratamiento de enfermedades crónicas que afectan los pulmones, de igual manera esta tecnología ayuda a que se realicen cirugías en quirófanos. El uso apropiado de la tecnología de realidad aumentada tiene como finalidad superar limitaciones y generar el mismo entorno real, desde esta perspectiva se ha vuelto deseable la implementación de la realidad aumentada dentro de la enseñanza de educación superior, porque por medio de ella los estudiantes que la utilicen podrán palpar de una forma real, elementos, composiciones y sistemas que son difíciles de llevarlos físicamente al aula de clases, como lo es una caldera pirotubular, es por esta razón que la investigación presente es una propuesta para el sistema académico existente, con la cual va a romper las limitaciones que se tienen al momento de entender, como funciona y cuáles son las partes de una caldera y de qué forma se relacionan sus variables con el controlador que gobierna la estabilidad de un equipo que es indispensable en las industrias.

Conclusiones

De acuerdo a los resultados obtenidos y su discusión se pueden obtener las siguientes conclusiones:

1) La base principal para una buena simulación del control de un sistema es el modelo matemático que radica en el análisis de variables a emplearse para la obtención del control deseado.

2) El método empleado para el desarrollo de la aplicación móvil es de fácil entendimiento debido a que puede ser utilizado para cualquier control de sistemas orientado a la educación.

3) En esta investigación se ha demostrado que la realidad aumentada es una aliada en la innovación educativa, porque permite observar y relacionarse con objetos y sistemas imposibles de llevar al aula de clases.

4) El presente trabajo genera una gran oportunidad para complementar y mejorar los procesos educativos, proporcionando una herramienta pedagógica de fácil uso para los estudiantes donde podrán interactuar y conocer sobre el modelamiento y control de una caldera.

REFERENCIAS

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Aström, K., & Bell, R. (2000). Drum-boiler dynamics. Automatica, 363-378.

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