El transformador monofásico al ser una máquina eléctrica con funcionamiento continuo está propensa a fallas que se pueden producir por el envejecimiento de los materiales aislantes de la bobina o por la pérdida de las propiedades dieléctricas del aceite que actúa como refrigerante y aislante de las bobinas del transformador. Asimismo, puede darse el caso también de que por el mal funcionamiento de la máquina puedan generarse sobretensiones inadecuadas para el sistema o que por un aumento de carga se sobrecargue al transformador, que como consecuencia van disminuyendo el tiempo de vida del equipo y en el peor de los casos cuando se genera un cortocircuito externo puede provocar un colapso en el transformador dejando fuera de servicio y sin posibilidades de reparación. En este trabajo de tesis se propone el diseño de un sistema de diagnóstico de fallas basado en observadores de estado que permita supervisar el correcto funcionamiento de los transformadores monofásicos y detectar una falla o mal funcionamiento antes de que ocurra un colapso en la máquina. Para el diseño del sistema de diagnóstico de fallas basado en observadores de estado se plantea considerar un comportamiento dinámico complejo debido a la presencia de no linealidades que son difíciles de medir, lo cual implica emplear técnicas de control utilizando modelos matemáticos lineales del transformador monofásico. Para poder evaluar el desempeño del Sistema de Detección de Fallas basado en Observadores se cuenta con un prototipo para realizar pruebas con diversas fallas, donde se compararon diversos observadores resultando el Observador de orden completo el que mejor estima las variables de estado debido a que es menos sensible a la presencia del ruido. / Tesis

Todos los procesos en la industria son susceptibles a fallas, debido a varios factores como, tiempo de vida de cada elemento del proceso, mala fabricación, etc. Estas fallas afectan el buen funcionamiento del sistema, produciendo ineficiencia en su desempeño, pérdidas económicas y en el peor de los casos desastres ambientales y humanos. La detección oportuna de la presencia de fallas evita paradas no planeadas, ayuda a tomar acciones correctivas y de mantenimiento y, como consecuencia de ello, reduce el daño potencial que estas ocasionan. El diseño de sistemas de diagnóstico es, por lo tanto, un paso importante y necesario en el proceso de desarrollo de estos sistemas para una infinidad de aplicaciones industriales. Los circuitos de molienda de procesos mineros (CMPM), tienen la función principal de reducir el tamaño de las partículas que vienen de la etapa de chancado, los CMPM dependen del buen funcionamiento de todos los sensores y actuadores para mantener el sistema estable y operando en condiciones óptimas. Esta tesis presenta el diseñó de un sistema de diagnóstico de fallas (SDF) basado en modelos que sigue la metodología Fault Detection and Isolation (FDI) de la teoría de control, que tiene la capacidad de detectar fallas en los sensores y actuadores del CMPM, haciendo uso de la redundancia analítica de los componentes del proceso que redundan físicamente, para beneficio económico y ahorro de espacio. Se utiliza la herramienta de Análisis Estructural (AE), que permite analizar la monitoreabilidad, detectabilidad y aislabilidad del proceso y hallar las relaciones de redundancia analítica. Para el diseño del sistema de diagnóstico de fallas, primero se desarrolló la emulación del circuito de molienda, utilizando valores reales de operación de uno de los circuitos de molienda húmeda de la concentradora de cobre Toquepala, Perú, operada por la compañía Southern Copper; el mencionado circuito de molienda cuenta con un molino de bolas, un cajón de pulpa (depósito de la mezcla de masa mineral y agua), una bomba de pulpa y un nido de Hidrociclones (clasificadores de partículas). Se halla los residuos a partir de las relaciones de redundancia analítica y luego se determina las fallas más representativas del CMPM. Se realizan pruebas y analizan resultados que da el SDF y se desarrolla una interfaz gráfica para facilitar la visualización de la presencia de fallas. / Tesis

Este trabajo de tesis presenta la estructura de control de un sistema detector y compensador de fallas eléctricas de tipo corte abrupto de energía en una SmartGrid. Para la detección de la falla se ha implementado un algoritmo basado en la inyección y detección de una perturbación en la tensión de la carga. Para la compensación de la falla, el control realiza un cambio en la señal de referencia y pasa al modo desconectado de la red. Asimismo, se ha mejorado el control de frecuencia para el proceso de resincronización con la red eléctrica, una vez que ésta ha sido reestablecida. Finalmente, el inversor es reconectado a la red eléctrica y se pasa al modo conectado a la red, donde la referencia pasa a ser nuevamente la señal con perturbación. Como parte de este trabajo se han desarrollado artículos científicos, de los cuales 2 han sido aceptados en congresos internaciones (PEPQA, Colombia 2017 y CCE, México 2017) y se encuentran publicados en el IEEE Explorer. / Tesis

El objetivo principal de esta tesis fue utilizar una arquitectura de control distribuido para desarrollar la programación de módulos de detección y diagnóstico de fallas para una planta piloto desalinizadora de agua de mar. Se estudió la dinámica de la planta tomando como base un modelo (en función de transferencia) desarrollado en otro trabajo de investigación. Este modelo sirvió para analizar el comportamiento de la planta al generarse variaciones en las variables de entrada (presión y PH). Para asegurar que alguna falla se debe al proceso y no a un dispositivo de campo, se desarrollaron módulos de detección y diagnóstico de fallas para cada dispositivo. Cada módulo toma como base la dinámica del dispositivo asociado y los valores de los parámetros obtenidos mediante comunicación por protocolo HART. Los módulos de detección y diagnóstico de fallas se implementan en la arquitectura de control distribuido DeltaV, el cual también permite desarrollar el sistema de supervisión de la planta, desde donde se supervisa el proceso y se accede a los módulos de detección y diagnóstico de fallas, en forma gráfica. Para justificar el uso de una arquitectura de control distribuido, se integró el sistema de detección y diagnóstico de fallas de la planta piloto desalinizadora de agua de mar y el de la planta piloto de temperatura. También se desarrolló un sistema de supervisión para un panel de operador, el cual se comunica con un PLC CompactLogix, de Allen Bradley. Ambos equipos instalados en el tablero de control de la planta piloto desalinizadora de agua de mar. Para validar el desarrollo de la tesis se realizaron pruebas de campo con una planta piloto de temperatura, la cual posee dispositivos con comunicación por protocolo HART. En dicha planta se forzaron fallas en los instrumentos de campo, las cuales fueron detectadas de manera inmediata por el sistema de control distribuido empleado, y mostradas en forma detalla en la pantalla de supervisión. / Tesis

La presente investigación titulada “Sistema in situ de detección de fallas en los inyectores de un motor diésel de alta potencia con aplicación en minería” tiene como objetivo reducir paradas imprevistas en los camiones mineros, producto de un mal funcionamiento del motor diésel. Para reducir estos tiempos y teniendo en cuenta que la muestra en analisis corresponde a datos de motores diésel QKS78 Cummins operando en mina Antamina y Las Bambas, se propone el diseño metodológico experimental de un sistema inteligente in situ que detecte la falla en un componente crítico de los motores Diesel de alta potencia, como es el caso del inyector. El sistema está basado en el análisis del comportamiento de las temperaturas del gas de escape del motor, variable que registra una relación con el mal funcionamiento del componente en estudio. El sistema de detección de fallas cuenta con un software que realiza la detección del mal funcionamiento del inyector, cuyos resultados obtenidos en la exactitud del modelo desarrollado, mediante algoritmos de inteligencia artificial, corresponde a un 88%, con un margen de error de 2%. Con esta información se torna posible proporcionar recomendaciones en las tomas de decisiones para la parada de los camiones mineros, relacionados a un mal funcionamiento del inyector o sensor de temperatura de escape, sin necesidad de un personal capacitado.

El interés por el desarrollo de nuevos materiales más livianos y con mayor resistencia mecánica ha ido aumentando considerablemente. Esto fomenta la investigación en materiales biológicos y naturales, dado que estos han existido por cientos de años y han ido evolucionando de acuerdo a sus requerimientos y necesidades. Por lo tanto, el enfoque de las investigaciones se centra en el estudio de la estructura interna de diversos materiales y la relación con las propiedades mecánicas que posee. El objetivo del presente trabajo es investigar la estructura y las propiedades mecánicas de las púas del erizo de mar. Se realizó un análisis de falla frente al colapso de las púas sometidas a compresión para diferentes condiciones, conociendo la relación que existe entre la estructura interna de estas y las propiedades mecánicas que presentan. Asimismo, se analizó el efecto que tiene la degradación natural y la degradación por rayos ultravioleta en las púas en las propiedades mecánicas y estructura interna. Las muestras utilizadas para este trabajo fueron obtenidas del erizo Loxechinus albus, retirando cuidadosamente las púas. Estas fueron medidas y limpiadas de cualquier impuridad. Más aún, se realizó una microscopía de barrido y un análisis de difracción de rayos X para observar la microestructura de la púa y su composición química. Las púas fueron sometidas a distintas condiciones de degradación. Por lo tanto, se tenía un grupo de púas frescas, púas con degradación natural de 5, 10 y 15 días, que estaban en contacto con el medio ambiente, y púas con degradación ultravioleta por 1, 3 y 6 horas, que estaban expuestas a la luz UV directa de una lámpara. Los ensayos de compresión se realizaron para 5 púas de cada condición de degradación, obteniendo su curva de esfuerzo-deformación junto con la resistencia a la compresión máxima. Asimismo, se realizó una microscopía de barrido a las púas, observando la falla a nivel microestructural. Las púas del erizo Loxechinus albus tienen una resistencia a la compresión de 139,57 MPa +/- 44,34 MPa en su estado fresco. Esta resistencia se debe a la estructura interna, que presenta una organización radial y concéntrica con diferentes concentraciones de porosidades. La resistencia de la púa se reduce hasta 97,84 MPa +/- 20,14 MPa debido a la degradación natural de 15 días y hasta 78,16 MPa +/- 34,10 MPa debido a la degradación ultravioleta por 6 horas de exposición.

El transformador monofásico al ser una máquina eléctrica con funcionamiento continuo está propensa a fallas que se pueden producir por el envejecimiento de los materiales aislantes de la bobina o por la pérdida de las propiedades dieléctricas del aceite que actúa como refrigerante y aislante de las bobinas del transformador. Asimismo, puede darse el caso también de que por el mal funcionamiento de la máquina puedan generarse sobretensiones inadecuadas para el sistema o que por un aumento de carga se sobrecargue al transformador, que como consecuencia van disminuyendo el tiempo de vida del equipo y en el peor de los casos cuando se genera un cortocircuito externo puede provocar un colapso en el transformador dejando fuera de servicio y sin posibilidades de reparación. En este trabajo de tesis se propone el diseño de un sistema de diagnóstico de fallas basado en observadores de estado que permita supervisar el correcto funcionamiento de los transformadores monofásicos y detectar una falla o mal funcionamiento antes de que ocurra un colapso en la máquina. Para el diseño del sistema de diagnóstico de fallas basado en observadores de estado se plantea considerar un comportamiento dinámico complejo debido a la presencia de no linealidades que son difíciles de medir, lo cual implica emplear técnicas de control utilizando modelos matemáticos lineales del transformador monofásico. Para poder evaluar el desempeño del Sistema de Detección de Fallas basado en Observadores se cuenta con un prototipo para realizar pruebas con diversas fallas, donde se compararon diversos observadores resultando el Observador de orden completo el que mejor estima las variables de estado debido a que es menos sensible a la presencia del ruido. / Tesis

En este trabajo se presentan los resultados en simulación de un sistema de control tolerante a fallas activo aplicado al proceso hidráulico de cuatro tanques acoplados. El sistema de control tiene el objetivo de mantener las propiedades de desempeño deseadas con y sin la presencia de fallas parciales en actuadores (bombas). El sistema de control tolerante se desarrolla a partir de un sistema de detección y diagnóstico de fallas empleando el observador de entrada desconocida para estimar los niveles de los tanques. Después, se generan los residuos y se evalúan mediante un método basado en la norma del vector. Para aislar las fallas en los dos actuadores se utilizan dos observadores de entrada desconocida. La ventaja de este observador es el permitir estimar la magnitud de la falla. El mecanismo de compensación consiste en calcular una nueva ley de control que se adiciona a la señal que envía el controlador. Este método se conoce como compensación aditiva de fallas. Dicho método se aplica a dos tipos de controladores: basado en realimentación de estados (con acción integral), y basado en matriz dinámica. La principal contribución de este trabajo es el sistema de control tolerante, el cual tiene la capacidad de mantener al sistema de control operando en presencia de una falla parcial en uno de los actuadores con un desempeño cercano al obtenido cuando no hay fallas. Se utiliza la integral del error cuadrático como ´índice de desempeño. Las pruebas de simulación en SIMULINK muestran que la estrategia de compensación permite que los niveles de los tanques sigan sus valores de referencia de manera adecuada incluso en presencia de fallas. La misma metodología se implementa en el software RSLogix 5000 y se descarga en un PLC virtual, obteniéndose resultados similares a SIMULINK. Las simulaciones en SIMULINK y RSLogix 5000 demuestran que el controlador tolerante a fallas tiene un rendimiento superior en comparación al controlador sin compensación de fallas. / Tesis

The recent development of technological systems implies a high complexity of behaviors for today’s systems. An answer to the increased systems’ complexity is to look at them as a multitude of heterogeneous subsystems and develop distributed techniques to control and manage them. This raises a number of problems. Firstly, as the size and number of components increase, so does the number of fault occurrences that may drive the system to undergo critical failures. Fault detection and isolation (FDI), maintenance and repair are an increasing part of the operational every day’s tasks and they impact drastically the total cost of final products. This thesis focuses on fault detection and isolation. Among the different methods to generate diagnosis tests by taking advantage of analytical redundancy, this thesis adopts the so-called parity space approach based on analytical redundancy relations (ARRs). Given a model of the system in the form of a set of differential equations, ARRs are relations that are obtained from the model by eliminating non measured variables. This can be performed in an analytical framework using elimination theory but another way of doing this is to use structural analysis. Structural analysis is based on a structural abstraction of the model that only retains a representation of which variables are involved in which equations. Despite the rusticity of the abstract model, structural analysis provides a set of powerful tools, relying on graph theory, to analyze and infer information about the system. Interestingly, it applies indifferently to linear or nonlinear systems. The goal of this thesis is to develop effective techniques based on structural analysis for diagnosis of distributed continuous systems. In this framework, the system is decomposed into a set of subsystems according to functional, geographical or privacy constraints. The thesis is organized in two parts, highlighting the redundancies that are built into the global structural model and that can be used to generate diagnosis tests starting from the redundancies existing in the subsystem’s models and formulating and solving the optimization problem linked to the choice of a subset of diagnosis tests at the subsystems level that can lead to a set of diagnosis tests achieving maximum diagnosability for the global system. The first part takes benefit of the concept of Fault-Driven Minimal Structurally Overdetermined Set (FMSO set) that is introduced in the thesis. An FMSO set determines a subset of equations of the model with minimal redundancy from which an ARR sensitive to a set of faults can be obtained. Two solutions for generating FMSOs for the global system are presented, in a decentralized framework with supervisors at each level of a hierarchy and in a totally distributed framework. These are based on the properties of the FMSO sets for the subsystems in relation to those of the global system derived in the thesis. The second part formulates the optimization problem in a heuristic search framework and proposes three solutions based on iterating an A* algorithm combined with a function able to assess whether a global FMSO set can be achieved from the selected local FMSO sets. The concepts introduced in the thesis and the results are applied to the case study of a Reverse Osmosis Desalination Plant and a Spacecraft Attitude Determination and Control System of a Low Earth-Orbit Satellite.

El presente trabajo de tesis tiene como principal objetivo desarrollar el algoritmo de control de un robot móvil, el cual se desplazará por una planta industrial en busca de fallas en equipos críticos como son los motores y las bombas. Los motores y las bombas son componentes básicos y fundamentales para los procesos industriales, por lo tanto, es importante mantenerlos en óptimas condiciones con el fin de evitar paradas imprevistas, sobrecostos, y pérdidas de calidad y eficiencia del proceso. En muchos casos, los trabajos de mantenimiento implican medir la vibración de los equipos en lugares confinados o de difícil acceso y debido a que, en la actualidad, se debe velar por la seguridad y bienestar del personal, se propone utilizar un robot móvil para esta tarea. Por lo tanto, se propone diseñar e implementar un sistema de diagnóstico de fallas utilizando mediciones de vibración en conjunto con técnicas de Inteligencia Artificial para un robot móvil. Para lograr el objetivo propuesto, primero se estudian los componentes industriales de interés, resaltando las fallas más comunes y la normativa correspondiente para la clasificación de su condición. Seguidamente, se presentan las estrategias de mantenimiento existentes para su evaluación, resaltando las ventajas y desventajas de cada una, y se introducen los robots móviles como alternativa, teniendo como ejemplos casos reales en donde estos son importantes para realizar trabajos de búsqueda y rescate, en condiciones inaccesibles y peligrosas para las personas. Luego se presentan los algoritmos utilizados en el análisis vibracional, resaltando la Transformada de Hilbert Huang, la cual descompone las señales en Funciones de Modo Intrínseco, señales ortogonales entre sí, que describirán la vibración en función del tiempo y la frecuencia. Las Funciones de Modo Intrínseco serán las entradas a nuestra Red Neuronal Convolucional, una metodología de Aprendizaje Profundo e Inteligencia Artificial para entrenar un modelo que nos ayudará a diagnosticar el tipo de falla. Posteriormente, se proponen los algoritmos a implementar con Python, Keras y TensorFlow y se ponen a prueba con la base de datos de mediciones de vibración MAFAULDA. Finalmente se presentan los parámetros del diseño del robot móvil mencionando el hardware a utilizar y la metodología de medición, y se realiza una comparación de tiempos de procesamiento con una PC para pruebas y la NVIDIA Jetson Nano. / Tesis