¿Cómo se puede aplicar el Internet de las Cosas y BigData a la industria?

Estos son conceptos que están muy de boga, pero ¿Cómo pudieran ser aplicados estos conceptos en el sector industrial?

Hoy me encontraba en clases de Introducción a la Electricidad Industrial, donde dos de mis compañeros debían exponer uno sobre Controladores Lógicos Programables (PLC´s por su acrónimo en inglés) y otro sobre sensores. Una vez que pude ver ambas exposiciones, pensaba: Conociendo estos elementos y cómo son aplicados en el sector industrial ¿Qué pasaría si en conjunto con estos elementos se les aplica los conceptos del IoT y BigData? 

Comenzare con aclarar que: Los PLC´s son dispositivos muy usados para la automatización industrial. Estos son equipos diseñados para controlar y programar procesos secuenciales en tiempo real, a través de una señal de entrada, que codifica de tal forma de ser leída por un computador, para luego emitir una señal de salida. 

Lo que vemos aquí es un LBAF-1310MR-A, un PLC básico equipado con 6 entradas digitales para Corriente Alterna y 4 salidas de relevador. Fácil de programar por PC. Aunque es bastante útil en las industrias, solo permite controlar y automatizar unas pocas tareas. Ahora imaginen la cantidad de dispositivos como estos que necesitamos para automatizar toda una empresa de ensamblaje como la Tesla, pero más aún, imaginen la cantidad de datos digitales que generan todos estos dispositivos. Es aquí donde puede entrar perfectamente el concepto de BigData.

Ahora bien, otro elemento interesante son los sensores, sin ellos no sería posible el control de muchas cosas. Estos son elementos con la capacidad de detectar magnitudes físicas y químicas, y transformarlas en variables eléctricas, estas variables eléctricas son fáciles de codificar en un lenguaje programable.

Entendemos el concepto de internet de las cosas o también conocido como IoT por su acronimo en ingles, como el concepto que se refiere a la interconexión digital de objetos cotidianos con Internet. Si los objetos lograran esta interconexión podrían ser identificados y gestionados por otros equipos, de la misma manera que si lo fuesen por seres humanos. Aquí la brecha, que cada se está cerrando en países desarrollado, es el ancho de banda que no permite una comunicación de forma inmediata, ante esto el Internet Cuántico presenta una solución bastante interesante.

Después de ver todos estos conceptos, te invito que imaginemos juntos las posibles aplicaciones al sector industrial:

• Podremos lograr una automatización en las máquinas y una interconexión perfecta entre ellas a través de PLC´s, sensores y el Internet de las Cosas;
• Aplicaremos BigData y elaboraremos dashboard que nos permitan monitorear con mayor exactitud los procesos que ocurren en la industria;
• Aumentaremos la capacidad de control sobre los procesos y las mejorar el rendimiento en los mismos.

El concepto de IoT y el Bigdata, desde mi punto de vista, presenta un océano azul de innovación en el mundo industrial de grandes dimensiones. Son conceptos que pueden potenciar mucho a la producción y a optimizar los consumos de energía, ya que el gran reto en la energía es eléctrica es que no conseguimos como almacenarla, solo como usar la misma. Sin embargo, aún me queda la duda ¿Llegaremos pronto aplicar esto en la industria? ¿Serán estas las formas en la que se deben aplicar?

Principios de Ingeniería Económica

Según Sullivan, autor del libro “Ingeniería económica de DeGarmo” y considerado como uno de los padres de la disciplina, en conjunto con algunos colaboradores postularon 7 principios básicos de la disciplina:

1er. Principio: Crear Alternativas.

“La selección (decisión) se da entre alternativas. Las alternativas necesitan identificarse y luego definirse para utilizarse en el análisis posterior.”

La ingeniería económica se fundamenta en un proceso de toma de decisiones, que basados en variables económicas te permite buscar las mejores alternativas y tomar prevenciones a posibles escenario que puede aparecer en la elaboración de un proyecto o inversión.

En consonancia con lo anterior, el primer principio es la base fundamental de la ingeniería económica, ya que postula, como principio la búsqueda e identificación de alternativas con sus diferencias y variaciones, para ser estudiadas y poder medir la factibilidad de cada una y tomar una decisión, porque sin alternativas, no hay decisión.

2do. Principio: Concentrarse en las diferencias.

“Sólo las diferencias entre los resultados esperados en las alternativas son relevantes para su comparación, y deben tomarse en cuenta en la decisión.”

Este principio está muy entrelazado con el principio anterior, antes las distintas alternativas que se nos presentan, debemos buscar enfocarnos en las diferencias entre ellas, analizar con detalle para poder comparar. Este principio funciona para poder aplicar algo que en economía llaman Costo de Oportunidad, esto no es más que el costo que paga por tomar una decisión, otra forma de verlo, es aquello que pierdes por tomar una decisión u otra. 

3er Principio: El punto de vista debe de ser consistente.

“Los resultados futuros de las alternativas, económicos o de otro tipo, deben desarrollarse en forma consistente a partir de un punto de vista (perspectiva) definido(a).”

El ingeniero destaca por tener una visión objetiva ante los problemas. En esta disciplina, se hace necesario de esta capacidad, ya que, debe crear una perspectiva general y bien establecida para analizar las alternativas que han desarrollado. En otras palabras, construir el prisma con el que  se observara las alternativas y este debe ir consonó con la decisión o solución que se quiere tomar. Sin la objetividad y la consistencia, la toma de decisiones pierde calidad.

4to. Principio: Usar una unidad de medida común.

“El uso de una unidad de medida común para numerar tantos resultados futuros como sea posible, simplificará el análisis y la comparación de las alternativas.”

Ligado con el principio anterior que se basa en desarrollar una perspectiva consistente, se debe elaborar una herramienta permita medir y comprar la consistencia entre las alternativa. Esta es una clave para poder tomar una decisión óptima. 

No es lo mismo medir la factibilidad de un proyecto por la tasa de retorno de inversión, que por el tamaño de la inversión, o medir por lo calidad, que medirlo por los costos del mismo. Este principio lo que permite es la objetividad y evitar ser “enamorado” por una alternativa del proyecto que no va alineado con las resultados esperados para el mismo.

5to. Principio: Tomar en cuenta todos los criterios relevantes.

“La selección de la alternativa preferida (toma de decisiones) requiere el uso de un criterio (o de varios). El proceso de decisión debe considerar tanto los resultados numerados en la unidad monetaria, como los que se expresan en alguna otra unidad de medida, o de modo explícito en forma descriptiva.” 

Anudado con la cultura del detalle en los ingenieros, este principio nos indica que debemos ser detallista, que debemos poder tener la capacidad de análisis de otras variables en las alternativas desarrollando, sin dejar a un lado nuestra unidad de medida común, debemos estar en la capacidad de poder comparar otras variables en el proyecto. 

Un ejemplo, un caso hipotético, podría ser que nuestra unidad de medida común es tamaño de la inversión, y puede darse el caso de conseguir dos o más alternativas que tienen un tamaño de inversión parecido, pero entre ellas hay una que presenta menor tiempo de retorno de inversión, es allí donde es responsabilidad del ingeniero de analizar todas las variables de las alternativas y ofrecer la respuesta más óptima a la inversión.

6to. Principio: Hacer explícita la incertidumbre.

“La incertidumbre es inherente al proyectar (o estimar) los resultados futuros de las alternativas, y debe reconocerse en el análisis y comparación de éstas.”

Sabemos que en todo proyecto, las inversiones están propensas a incertidumbre, ya que, ellas pueden cambiar a factores externos que influyen en la planificación del retorno de la misma. Además toda inversión implica riesgos, que deben ser bien analizados para poder realizar una buena planificación, para tomar acciones que permitan estar prevenidos ante distintos escenarios. En pocas palabras es medir los riesgos que puede tener una inversión.

7mo Principio: Revisar las decisiones.

“La mejora del proceso de toma de decisiones surge de un proceso adaptativo; hasta donde sea posible, los resultados de la alternativa seleccionada que se proyectaron al inicio deben compararse después con los resultados reales que se hayan alcanzado.”

La adaptabilidad es un principio fundamental para las empresas hoy en día, sin este principio, muchas empresas fracasan. Por lo mismo este principio de la ingeniería económica, considero yo, que es uno de lo más importante, habla de esa capacidad de planificar y mejorar a medida que el proyecto se va desarrollando, como ir controlando el fondo inversión para lograr los objetivos establecido al seleccionar esa alternativa, habla del rendimiento que puede obtener en números reales. 

Referencia Bibliográfica

Sullivan, William. Wicks, Elin. Luxhoj, James (2004). Ingeniería económica de DeGarmo. Duodécima edición, México, Pearson.

Ecuaciones de Estado para Gases Reales

En Procesos Químicos Industriales para ecuaciones de estados de gases reales conseguimos distintos modelos matemáticos. Aquí tendrás algunos y las formula para Texas Intruments Inspire CX CAS para agilizar su evaluación.

El Ingeniero industrial de la Universidad Católica Andrés Bello debe ser un profesional competente para diseñar, gestionar y mejorar los procesos de producción. Para esto se hace necesario que el ingeniero domine los conocimientos que le permiten identificar lo que ocurre en los Procesos  Químicos con el objetivo de mejorar y optimizar los mismos, por esto debe estudiar temas en principios químicos, fisicoquímica y termodinámica.

Durante la Unidad 2: Gases Ideales y No Ideales del curso de Procesos Químicos Industriales (Materia del 6to Semestre) se busca enseñar al estudiante a trabajar con gases no ideales, considerados gases reales. El estudio matemático de los gases se hace a través de la ecuación de estado, que es una relación matemática entre la temperatura, la presión, el volumen, la densidad, la energía interna y posiblemente otras funciones de estado asociadas con la materia.

El uso más importante de una ecuación de estado es para predecir el estado de gases. Una de las ecuaciones de estado más simples para este propósito es la ecuación de estado del gas ideal, que es aproximable al comportamiento de los gases a bajas presiones y temperaturas mayores a la temperatura crítica. No obstante, esta ecuación pierde mucha exactitud a altas presiones y bajas temperaturas, y no es capaz de predecir la condensación de gas en líquido. Por ello, existe una serie de ecuaciones de estado más precisas para gases y líquidos. Sin embargo, hasta ahora no se ha encontrado alguna ecuación de estado que prediga correctamente el comportamiento de todas las sustancias en todas las condiciones.

Puedes aprender como introducir formulas a la TI Inspire CX CAS en este artiulo → Herramientas matemáticas para Texas Intruments Inspire CX CAS en Ingeniería Industrial

Modelo de Van der Waals

La ecuación de Van der Waals es una ecuación de estado de un fluido compuesto de partículas con un tamaño no despreciable y con fuerzas intermoleculares, como las fuerzas de Van der Waals. Este modelo está compuesto de P-v-T y los parámetros “a” y “b”, siendo:

a: El parámetro de cohesión, toma en cuenta las interacciones de atracción.

b: El covolumen, toma en cuenta que las partículas tienen un volumen finito.

Forma básica de la ecuación

Nota: “v” es el volumen específico molar. Aplica para todas las ecuaciones

Fórmula para Texas

P = ((R×T) / (v - b)) - (a / v^2)

Parámetros

Fórmula para Texas

a = (27×R^2×Tc^2) / (64×Pc)

b = (R×Tc) / (8×Pc)

Pagina web para introducir formulas → FormulaPro Creator

Modelo de Redlich-Kwong

Introducida en 1949, la ecuación de Redlich-Kwong fue una mejora considerable sobre las otras ecuaciones de la época. Aún goza de bastante interés debido a su expresión relativamente simple.

La ecuación es adecuada para calcular las propiedades de la fase gaseosa cuando el cociente entre la presión y la presión crítica es menor que la mitad del cociente entre la temperatura y la temperatura crítica, o si Pv < 0. Incluye también dos constante “a” y “b” qu se calculan con R, Tc, Pc es muy popular en la industria petrolera y petroquímica con hidrocarburos.

Forma Básica

           

Fórmula para Texas

P = ((R×T) / (v - b)) - (a / (T^(1/2)×(v×(v+b))

Parámetros

 

Fórmula para Texas

a = (0.42748 × R^2 × Tc^(2.5)) / Pc

b = (0.8664 × R × Tc) / Pc

Modelo de Redlich-Kwong-Soave

En 1972 Soave reemplazó el término a/√(T) de la ecuación de Redlich-Kwong por una expresión α(T,ω) función de la temperatura y del factor acéntrico. La función α fue concebida para cuadrar con los datos de las presiones de vapor de los hidrocarburos; esta ecuación describe acertadamente el comportamiento de equilibrio de fases de estas sustancias. El factor α se calcula con la Temperatura Reducida (Tr) y el factor acéntrico de Pitzer de Curl (w), este factor viene tabulado en la tabla de propiedades.

Forma Básica

 Fórmula para Texas

P = ((R×T) / (v - b)) - ((a × α) / (v × (v + b)))

Parámetros

Fórmula para Texas

a = (0.42747 × R^2 × Tc^2) / Pc

b = (0.08664 × R × Tc) / Pc

α = (1 + (0.48508 + 1.5517 × w - 0.15613 × w^2) × (1 - Tr^0.5))^2

Modelo de Peng-Robinson

La ecuación de Peng-Robinson fue desarrollada en 1976 Generalmente la ecuación da unos resultados similares a la de Soave, aunque es bastante mejor para predecir las densidades de muchos compuestos en fase líquida, especialmente los apolares.

Forma Básica

Fórmula para Texas

P = ((R×T) / (v - b)) - ((a × α) / (v^2 + 2×b×v - b^2))

Parámetros

Fórmula para Texas

a = (0.45724 × R^2 × Tc^2) / Pc

b = (0.07780 × R × Tc) / Pc

α = (1 + (0.37464 + 1.54226 × w - 0.26992 × w^2) × (1 - Tr^0.5))^2

Ecuación Virial

La única ecuación de estado con basamento teórico en mecánica estadística. Es una serie de potencias en base a coeficientes: B, C, D… Que son específicos para cada sustancia y depende de T. En este caso B corresponde a interacciones entre pares de moléculas, C a grupos de tres, y así sucesivamente. Esta ecuación no predice el volumen de líquido, solamente fase gaseosa

[Este modelo no puede ser formulado para la Texas]

Interpolación lineal para la Texas Instruments Inspire CX CAS

Durante la carrera de ingeniería industrial es necesario el uso de algunas ecuaciones y fórmulas matemáticas que se repiten de forma constante a lo largo de la carrera. Muchas de estas herramientas matemáticas no se encuentran de forma fácil en la Texas Instruments Inspire CX CAS y son muy útiles tenerla a la mano. Por esta razón quiero dejar en este artículo una lista de fórmulas que pueden ser cargada a la graficadora y luego usadas con facilidad.

Antes de comenzar, debes observar el vídeo que enseña a Ingresar formulas y evaluarlas fácil. Te recomiendo que a la categoría y subcategoría de las formulas no uses título de más de una palabra. Una vez descargue la formula solo debes pasarla a la TI Inspire CX CAS como un documento.

Interpolación Lineal

La interpolación lineal es un procedimiento muy utilizado para estimar los valores que toma una función en un intervalo del cual conocemos sus valores en los extremos (x1, y1) y (x2, y2). Para estimar este valor utilizamos la aproximación a la función f(x) por medio de una recta, de allí el nombre de interpolación lineal.

Este procedimiento es usado frecuentemente en materias como Termodinámica, Térmica, Procesos Químicos Industriales y muchas otras. Donde se trabaja con las tablas de propiedades de compuestos químicos.

Estructura de la formula

Fórmula para cargar en la Texas

y - y1 = ((y2 - y1) / (x2 - x1)) × (x - x1)

Descripción de las Variables

x: Es la variable de la cual tenemos su valor y queremos conocer un valor estimado de su imagen, conociendo valores de la función a los extremos de “x”. Es valor que debemos tener.

y: Es el valor que queremos estimar  conociendo “x”, los extremos (x₁ , y₁) y (x_{2 ,} y₂). En otras palabras es la incógnita que queremos conocer.

X1: Es un valor por debajo de “x” del cual conocemos el valor de su imagen “y₁”

Y₁: Es el valor de la imagen conociendo “x₁”

X2: Es un valor por encima de “x” del cual conocemos el valor de su imagen “y2”

Y2: Es el valor de la imagen conociendo “x₁”

Ejemplo: En la tabla presiones de agua saturada (Tabla A-5), conseguimos que el agua a una presión de 150Kpa se encuentra a una temperatura de 111.35ºC y para una presión de 175Kpa está a una temperatura de 116.04ºC. Calcule la temperatura a la que se encuentra el agua a una presión de  160Kpa.

Datos

P1 = x1 = 150Kpa     P2 = x2 = 175Kpa     P = x = 160Kpa

T1 = y1 = 111.35ºC   T2 = y2 = 116.04ºC

Resp: 113.226ºC