Circuitos que detectan fallas antes de ocurrir: ciencia de frontera desde el INAOE

Los avances de la ingeniería electrónica permiten una rápida interacción de los procesos de programación asociados a diferentes sectores como el aeroespacial, automotriz, equipos de cómputo de alto rendimiento, industria médica, telecomunicaciones, entre otros.

Un dispositivo que ha cobrado relevancia en la programación de tareas específicas, por su capacidad y versatilidad, es la matriz de puertas programables o FPGA (field-programmable gate array) creado en la década de los ochenta por la empresa estadunidense Xilinx.

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Este dispositivo integra un conjunto de circuitos digitales de hardware (componentes eléctricos, electrónicos y mecánicos de un sistema informático) que el usuario programa para ejecutar una o más operaciones de forma simultánea.

Los circuitos digitales, que son reprogramables, están contenidos en un chip de silicio y conectados a “bloques lógicos configurables”, que son las estructuras físicas que albergan las secuencias de cada acción programada. Estos bloques se pueden configurar en diversos grupos para realizar tareas específicas, de tal forma que el usuario tiene a su disposición múltiples series de circuitos digitales y grupos de bloques lógicos listos para actuar de acuerdo a las necesidades de programación.Fpga 2

Dentro de una computadora, un chip estándar está programado con antelación. El usuario sólo puede configurar el software (paquetería de programas) en el chip y realizar tareas como redactar un documento o diseñar gráficas en una hoja de cálculo. El software con programas se puede reemplazar o eliminar, pero el chip de hardware permanece sin cambios y sólo ejecutará la tarea para la que fue programado.

En cambio, en un FPGA la programación de los circuitos de hardware puede ser una “de una puerta lógica simple a otra sencilla” (como la función And u Or, por ejemplo) y desarrollar a la par una función más compleja como el procesamiento de datos de un termómetro.

En los satélites los FPGA actúan como procesadores integrales de información al controlar funciones como la orientación, navegación, análisis de datos, entre otras. Por ejemplo, uno de los procesadores de información del robot de la misión espacial Exomars de la European Space Agency (ESA), que se realizará en 2020, es un FPGA. En la Estación Espacial Internacional estos dispositivos se utilizan para medir el nivel de radiación absorbida por los sistemas electrónicos, gracias a su capacidad de reconfiguración.

En México la capacidad y versatilidad de este componente tecnológico es empleado en el procesamiento de señales para aplicaciones industriales, en particular en los motores eléctricos. El doctor José de Jesús Rangel Magdaleno, investigador del Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE) trabaja en la detección de fallas mecánicas y eléctricas en tiempo real en motores de uso industrial.Fpga 3 1

El análisis de las fallas se realiza en los motores de tipo jaula de ardilla, que llevan ese nombre porque el rotor (componente que gira en una máquina eléctrica, ya sea un motor o un generador eléctrico) de esos motores está compuesto por un cilindro montado sobre un eje que contiene barras conductoras de aluminio o de cobre. Esas barras al estar conectadas por ambos extremos a los anillos, a través de los cuales se realizará el cortocircuito que genere electricidad, asemejan una rueda para roedor.

El Conacyt conversó con el doctor José de Jesús Rangel Magdaleno sobre este tema.

-¿Cómo se realiza el proceso de detección de una falla mecánica?

- El análisis se enfocó en una falla común en los motores de tipo jaula de ardilla que ocurre cuando se rompe una de sus barras conductoras. En el laboratorio se replicó esta falla para medir las vibraciones de corriente.

Elegimos los motores de inducción porque son los más utilizados en la industria. Este es un motor robusto que al fallar genera un consumo de corriente y vibraciones que a la larga dañan los sistemas a los que están conectados, o pueden detener una línea de producción de varios motores por el fallo en uno de ellos.

El motor de tipo jaula de ardilla se utiliza en las bombas de agua de las casas y tiene una capacidad de ¼ de caballo de fuerza. El motor en el que actualmente realizamos los experimentos tiene una capacidad de 10 caballos de fuerza y es utilizado en una trituradora de piedra-.

Rangel Magdaleno dijo que al dañarse los rodamientos (elemento del motor que reduce la fricción entre el eje del rotor y las piezas conectadas a éste) de los motores se produce la caída del rotor. Por eso las observaciones se enfocaron a detectar el daño en el rodamiento antes de que éste.

Para detectar las fallas, el investigador señaló que se utilizaron técnicas matemáticas de procesamiento para ubicar las deficiencias en los motores. Para ellos se ejecutaron fórmulas matemáticas (algoritmos) para procesar las señales eléctricas y las vibraciones cuyos componentes de frecuencia varían de acuerdo con la ubicación de la falla.

-¿Cómo se utilizan las técnicas de procesamiento?

-En los motores que tenemos en el laboratorio se replicó la falla de rompimiento de una de sus barras, así como fallas en el rodamiento con el fin de realizar una detección múltiple de fallas.

Para ello observamos qué técnicas se han utilizado en el procesamiento de audio, bioseñales, etc., y después estudiamos qué ventajas ofrecía cada técnica. De esta forma, elegimos trabajar con modelos matemáticos como la Transformada Wavelet, la Transformada de Fourier, entre otros; que nos permitieron observar qué características se pueden extraer de la señal.

Posteriormente se hizo el banco de pruebas y se analizó que realmente las características que dan las transformadas sirvieran para clasificar el motor. Después de probar esa técnica por computadora se llevó al circuito digital, en este caso un FPGA. Una vez implementada la información en el FPGA, se conectó un circuito que monitoreó el funcionamiento del motor en línea sin necesidad de detener la producción-.

-¿Qué determina el uso de los fórmulas matemáticas (algoritmos)?

-Lo que hacemos es tomar diferentes algoritmos ya propuestos y les damos la aplicación. Los implementamos en algún circuito digital y configuramos la aplicación de detección de fallas en el motor. A lo mejor el algoritmo no estaba hecho para eso, sino para telecomunicaciones, pero sus características nos llevaron a implementarlo para la detección de fallas-.

-¿Cómo definiría el término FPGA?

-Es un circuito que trabaja de manera paralela y que permite reconfigurar su funcionamiento (hardware) interior. La diferencia con un microprocesador es que éste tiene una estructura interna fija que lee instrucciones y ejecuta una tarea. En cambio, la estructura de un FPGA se diseña para ejecutar no solamente una tarea específica, sino otras funciones al mismo tiempo.

Por ejemplo, si se quiere que controlar un motor, se realiza el diseño y se programa con ese fin. Pero si al mismo tiempo que se controla el motor se requiere que el dispositivo monitoreé algún sensor, se configura con esa forma también. En cambio, un microprocesador es secuencial y sólo ejecuta una nueva acción después de haber concluido la tarea previa-.

Gracias a su trabajo en la detección de fallas mecánicas y eléctricas en tiempo real en motores de uso industrial mediante el procesamiento de señales, el doctor José de Jesús Rangel Magdaleno fue reconocido con el premio IEEE I&MS Outstanding Youth Engineer Award, que anualmente entrega la International Instrumentation and Measurement Technology Society (I&MS) a ingenieros menores de 39 años, por sus contribuciones.

¿Cómo observa el panorama de la electrónica actualmente?

-En el INAOE se trabaja desde el diseño de transistores y circuitos integrados, hasta el trabajo con un software que permite hacer la descripción de un circuito para integrarlo al FPGA. En ese sentido la gama de la electrónica es amplia. Sin embargo, la tecnología cambia rápidamente y el nivel de integración es vez más pequeño, es decir caben más transistores en un circuito. Eso conlleva a que, si se quiere utilizar la tecnología más actual, los investigadores tengan que asociarse con una empresa extranjera para poder fabricar sus dispositivos.

En el caso del FPGA, el diseño, que es la propiedad intelectual, se realiza en la computadora y después se prueba en el dispositivo.

Comparando el trabajo que presentamos en los congresos vemos que no estamos atrás y estamos a la altura de cualquier otro país, la única desventaja es en los laboratorios-.

¿Qué detonó su interés por la ciencia?

-Tenía un primo 3 años más grande que yo. Cuando yo estaba en la prepa él cursaba la universidad. Yo asistía a un CBTis en Irapuato, donde estaba en la carrera técnica de Mecánica. Manejar las máquinas y herramientas fue algo que me llamó la atención desde el principio, pero también me llamó la parte de electricidad. Entonces mi primo me comentó que él veía todo lo de electrónica y al mostrarme sus prácticas me interesé mucho. Me sorprendió ver cómo algunos circuitos podían hacer una suma. Uno toma una calculadora, pero nunca se piensa cómo un circuito puede realizar una operación aritmética. Y él (primo) me llegó por ese camino y fue cuando dije: yo quiero ser ingeniero-.

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Fuentes:

- Qué es una FPGA y por qué jugarán un papel clave en el futuro

https://planetachatbot.com/qu%C3%A9-es-una-fpga-y-por-qu%C3%A9-jugar%C3%A1n-un-papel-clave-en-el-futuro-e76667dbce3e

- ¿Qué es FPGA?

https://academy.bit2me.com/que-es-fpga/

- Aplicaciones de los FPGA

https://www.generatecnologias.es/aplicaciones_fpga.html

- Genera Tecnologías

https://www.generatecnologias.es/aplicaciones_fpga.html

- FPGA, ¿Qué son? ¿Para qué sirven? y aplicaciones

https://www.intesc.mx/2018/09/fpga-que-son-para-que-sirven-y-aplicaciones-2/

  

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