Revista Facultad de Ingeniería Universidad de Antioquia

Editorial

Experimental framework for laboratory scale microgrids

ABSTRACT This paper presents a proposal for a microgrid test rig for laboratory use. It aims at high flexibility using a modular approach with a common hardware for most of the tasks. The proposed framework for laboratory scale microgrid addresses the requirements for teaching and research. This objective is attained with a reconfigurable power electronics stage, used for test and design of new topologies. The experimental framework also allows testing algorithms at different levels in the hierarchical control structure, while giving access to emulation and simulation of elements commonly found in microgrids and to low-level programming of communication protocols for studying the communications channel. The processing unit in each module, called local controller in the paper, uses a high performance digital signal processor (DSP). This processing unit allows reconfiguration of each module, to assume any of the tasks in the microgrid, i.e. controllable loads, storage, wind, photovoltaic generation, etc. The proposed hardware was tested as a simulator/emulator of the different subsystems. The communications with a microgrid central controller (MCC) is provided with standard embedded processors, capable of implementing the communication protocols suitable for micro-grid environments.

RESUMEN Este artículo presenta una propuesta de un banco de pruebas de microrredes para uso en laboratorio. El objetivo es proporcionar alta flexibilidad utilizando un enfoque modular con un hardware común para la mayoría de las tareas. El marco experimental propuesto para microrredes a escala de laboratorio proporciona los requisitos para enseñanza e investigación. Esto se logra con una etapa de electrónica de potencia reconfigurable, para pruebas y diseños de nuevas topologías. Permite probar algoritmos en los distintos niveles de la estructura jerárquica de la microrred. Da acceso a la emulación y simulación de elementos encontrados comúnmente en una microrred y a la programación de bajo nivel de los protocolos de comunicación para estudiar el canal de comunicación. La unidad de procesamiento en cada módulo, llamado controlador local, utiliza un procesador digital de señales de alto rendimiento (DSP). Esta unidad de procesamiento permite la reconfiguración de cada módulo para asumir cualquier tarea en la microrred; es decir, como cargas controlables, almacenamiento de energía, generación eólica, generación fotovoltaica, etc. El hardware propuesto se probó operando como emulador de los diferentes subsistemas. Las comunicaciones con un controlador central microrred (MCC) se realizan mediante procesadores integrados estándar, capaces de implementar los protocolos de comunicación adecuados para ambientes de microrred.

Agent-based model for material convergence in humanitarian logistics

ABSTRACT Humanitarian logistics has taken a big boost as a study area because of the increased frequency of natural disasters worldwide. Within this area, there is a particular issue that has received little attention in the literature, regarding the aid received in the aftermath of a disaster. This problem may occur as an oversupply of goods, the arrival of unneeded products, or the supply of expired goods. The lack of coordination between the actors involved in relief operations can be conceived as one of the leading causes of this problem, which is called material convergence. This paper focuses on the material convergence problem, to humanitarian logistics introducing a computational theoretical approach to this problem using agent-based modeling where flows, actors and their relationships are characterized by measuring the impact on the logistics performance of the response system. Followed by the simulation, an experimental analysis of the results is performed with three different system configurations. Finally, a scenario is proposed that facilitates coordination between actors where logistics performance indicators show better results regarding response speed and coverage.

RESUMEN La logística humanitaria ha tomado un gran impulso como área de estudio, esto a causa del aumento en la frecuencia de desastres naturales a nivel global. Dentro de esta área existe un problema en particular poco tratado en la literatura, el cual se encuentra relacionado con las ayudas recibidas luego del acontecimiento de un desastre. Este problema puede presentarse como un exceso en la oferta de suministros, la llegada de productos no necesitados o el abasto de bienes vencidos. La falta de coordinación entre los actores involucrados en las operaciones de ayuda puede concebirse como una de las causas de la problemática, denominada convergencia de materiales. Este artículo se centra en la problemática de la convergencia de materiales en logística humanitaria. Se presenta una aproximación teórica computacional del problema utilizando modelado basado en agentes, donde se caracterizan los flujos, los actores y sus interrelaciones, para medir el impacto en el desempeño logístico. Seguido de la simulación se realiza un análisis experimental de los resultados con tres diferentes configuraciones del sistema. Por último, se establece qué factores facilitan la resolución al problema descrito donde los indicadores de desempeño logístico presentan mejores resultados en términos de velocidad de respuesta y cobertura.

Unified control of DC-DC buck converter using dynamic adaptive controller for battery operated devices

ABSTRACT The objective of this paper is improving the dynamic response of DC-DC converter system with internal parameter uncertainties. The methodology of sliding mode control in existing works is based on Proportional Integral and Derivative Controller (PID). The present work addresses various issues on a unified approach for design and application of pulse-width modulation (PWM) based on Digital Adaptive Sliding Mode equivalent (ASM) control technique to buck converter for mobile phones operating in continuous conduction mode (CCM), and discontinuous conduction mode (DCM). The controller is gain scheduled to monitor the output loading condition, and adaptively changes the control parameters to give an optimum dynamic performance corresponding to any load variations. Further stability is analytically verified using Lyapunov stability criterion and the system is proved to be globally asymptotically stable. Finally, the effectiveness of the proposed method is verified by simulation and experiment. Stable steady state response with reduced ripple is obtained.

RESUMEN El objetivo de esta investigación es mejorar la respuesta dinámica del sistema de convertidor DC-DC con incertidumbres en los parámetros internos. La metodología de control por modo deslizante en las obras existentes se basa en un sistema de control proporcional-integral-derivativo (PID). El presente trabajo aborda diversas cuestiones en un enfoque unificado para el diseño y la aplicación de la modulación de ancho de pulso (PWM) basado en control digital por modos deslizantes adaptativos (CMD), técnica de control para el controlador buck para los teléfonos móviles que funcionan en modo continuo de conducción (MCC) y el modo de conducción discontinua (MCD). El controlador está programado para controlar la ganancia de la condición de carga de salida y cambiar adaptativamente los parámetros de control para dar un rendimiento dinámico óptimo correspondiente a las variaciones de carga. Además, la estabilidad se verifica analíticamente utilizando el criterio de estabilidad de Lyapunov y se prueba que el sistema es global y asintóticamente estable. Finalmente, la eficacia del método propuesto se verifica mediante la simulación y experimentación. Se obtiene una respuesta estable en estado estacionario con ondulación reducida.

Fuzzy feedback algorithm for the spectral handoff in cognitive radio networks

ABSTRACT This work proposes a feedback algorithm based on a Fuzzy Analytical Hierarchical Process Method (FAHP) to improve decision making for the spectral handoff. We named it Feedback FAHP (FFAHP). To assess the performance level of the developed algorithms, a comparative analysis was made between the proposed FFAHP algorithm and the most relevant spectrum handoff algorithms in the current literature. These algorithms were assessed with the same decision criteria, which are, the probability of channel availability, estimated channel time availability, the signal to interference plus noise ratio and bandwidth. Unlike other related papers, benchmarking was validated through a trace of real spectrum occupation data captured in the frequency band GSM and Wi-Fi, which model the real behavior of primary users. In the validation phase, eight assessment scenarios were proposed to consider, two types of networks: GSM and Wi-Fi, two kinds of applications: real-time and best-effort, two traffic levels: high and low, and five evaluation metrics: number of handoffs, the number of failed handoff, bandwidth, delay, throughput. The results show that the proposed FFAHP Algorithm provides a performance improvement. The FFAHP Algorithm supplies an efficient and effective process for selecting frequency channels. The results indicate that the proposed FFAHP Algorithm provides a performance improvement. The FFAHP Algorithm supplies an efficient and effective method for selecting frequency channels. The results also show that the FFAHP Algorithm has a low average rate of handoffs, an effective use of the bandwidth, low delay and a high level of throughput; all these combined with the fact that the feedback implemented, stabilizes the system avoiding loops with consecutive hops to alternate frequencies.

RESUMEN Este trabajo propone un algoritmo difuso realimentado basado en el método Fuzzy Analytical Hierarchical Process (FAHP) para mejorar la toma de decisiones para el handoff espectral. El algoritmo propuesto es denominado Feedback FAHP (FFAHP). Para evaluar el nivel de desempeño de los algoritmos desarrollados se realiza un análisis comparativo entre el algoritmo FFAHP propuesto y los algoritmos de handoff espectral más relevantes en la literatura actual. Estos algoritmos son diseñados con los mismos criterios de decisión, los cuales son: probabilidad de disponibilidad del canal, tiempo estimado de disponibilidad del canal, relación señal a ruido más interferencia y ancho de banda. A diferencia de los trabajos relacionados, la evaluación comparativa se validó a través de una traza de datos reales de ocupación espectral capturados en la banda de frecuencia GSM y Wi-Fi, que modelan el comportamiento real de los usuarios primarios. En la fase de validación se propusieron ocho escenarios de evaluación, al considerar, dos tipos de redes: GSM y Wi-Fi, dos clases de aplicaciones: tiempo-real y mejor-esfuerzo, dos niveles de tráfico: alto y bajo, y cinco métricas de evaluación: número de handoff, número de handoff fallidos, ancho de banda, retardo, Throughput. Los resultados muestran que el algoritmo FFAHP propuesto provee mejor desempeño. El algoritmo FFAHP provee un eficiente y efectivo proceso para la selección de canales de frecuencia. Los resultados también muestran que el algoritmo FFAHP tiene una baja tasa promedio de handoff, un uso eficiente del ancho de banda, un bajo retardo de transmisión y un alto nivel de throughput; todo esto combinado con el hecho que la realimentación implementada estabiliza el sistema evitando bucles con saltos consecutivos a frecuencias alternativas.

Modelling and simulation of multi spindle drilling redundant SCARA robot using SolidWorks and MATLAB/SimMechanics

ABSTRACT The robots are electromechanical systems that need mechatronic approach before manufacturing them, in order to reduce the development cost. In this paper, a novel attempt of Modelling PRRP (Prismatic-Revolute-Revolute-Prismatic), configuration redundant SCARA (Selective Compliance Articulated Robot Arm), robot with a Multi spindle drilling tool (MSDT) using SolidWorks CAD software, and the dynamic study with the aid of MATLAB/SimMechanics is presented. The SCARA with MSDT is used to drill multiple holes in the printed circuit boards (PCBs) and sheet metal. In this work, the 3D CAD model of the proposed robot is converted into SimMechanics block diagram by exporting it to the MATLAB/SimMechanics second generation technology environment. Then, SimMechanics simulation is performed and by utilizing its motion sensing capability, the dynamic parameters velocity and torque of the manipulator are observed for modified variable robot structure. The simulation results indicate the considerable change in the dynamic performance for varying design parameters.

RESUMEN Los robots son sistemas electromecánicos que necesitan enfoque mecatrónico antes de fabricarlos, esto con el fin de reducir el costo de desarrollo. En este trabajo se presenta un nuevo intento de modelado PRRP (prismáticos-revoluto-revoluto-prismático), una configuración redundante SCARA (Brazo robótico articulado de respuesta selectiva), herramienta de perforación milti-eje (MSDT) usando el software CAD de SolidWorks y el estudio dinámico con la ayuda de MATLAB/SimMechanics de perforación. Un SCARA con MSDT se utiliza para perforar varios agujeros en las placas de circuito impreso (PCB) y la chapa metálica. En este trabajo, el modelo de CAD 3D del robot propuesto se convierte en un diagrama de bloque SimMechanics exportando a MATLAB/SimMechanics segunda generación de tecnología de modelado y simulación. Entonces se realiza una simulación SimMechanics y utilizando su capacidad de detección de movimiento la velocidad de parámetros dinámicos y la torsión del manipulador se observa la estructura del robot variable modificado. Los resultados de la simulación indican un cambio considerable en el rendimiento dinámico para diferentes parámetros de diseño.

Work conditions assessment in manufacturing organizations in the colombian caribbean region

ABSTRACT Deficient work conditions have been linked with an epidemic of injury and illness in low and middle-income countries. A group of 22 companies from different sectors was selected in order to carry out a diagnosis related to work conditions in Colombia. To do so, an instrument was designed based on the International Labour Organization (ILO) standards. This information allowed identifying potential problems in work conditions such as work environments, physical load, noise and social welfare. Some low cost measures were discussed as suggestions to improve work conditions. Such measures are expected to generate both an increase in productivity and an enhancement in the employees’ attitude.

RESUMEN Las deficientes condiciones de trabajo se relacionan con enfermedades y lesiones en los países de bajos y medianos ingresos. Un grupo de 22 empresas de diferentes sectores fue seleccionado para realizar un diagnóstico de las condiciones de trabajo en Colombia. Con el fin de hacerlo, se diseñó un instrumento basado en los estándares de la Organización Internacional del Trabajo (OIT). La información recopilada permitió identificar problemas potenciales relacionados con las condiciones de trabajo, tales como: condiciones climáticas, esfuerzo físico, ruido y bienestar social. Algunas de estas medidas de bajo costo fueron discutidas para mejorar las condiciones de trabajo, esperando que tales medidas generen un incremento de la productividad y en la actitud de los empleados.

Influence of very fine fraction of mixed recycled aggregates on the mechanical properties and durability of mortars and concretes

ABSTRACT Recycled aggregates from mixed recycled wastes have a high content of particles with size under 63 µm. This material is generally considered undesirable, since it increases water demand. However, these fines could fill out gaps between cement grains and increase packing density. The present work assesses the influence of fines under 63 µm on mortar and concrete made with mixed recycled aggregates. Pozzolanic activity of the powder, measured by isothermal calorimetry proves to be very low, so the material acts basically as a filler. Mortars with 6% of this fine material have a higher water demand, and thus a reduced compressive strength. However, the fine material contributes to decrease the effective porosity and increases the density of the matrix. This effect could help improving durability of the cementitious matrix. Alkalis tests carried out on mortars having 6% of fines under 63 µm show that expansion is reduced, and the probable cause is the refinement of the pore structure through the increased packing density. Observations of polished section of concrete having 6% of fines under 63 µm made with at SEM, coupled with image processing, show a densification of the ITZ around the aggregates, possibly due to the contribution of the very fine fraction to packing density. The beneficial contribution of the very fine fraction could compensate problems with rheology and mechanical properties assessed in mortars and concrete.

RESUMEN La producción de áridos de residuos mixtos reciclados genera un elevado contenido de partículas por debajo de 63 µm. Este material puede ocasionar un incremento de la demanda de agua, sin embargo, pueden contribuir a rellenar espacios entre los granos de cemento. El presente trabajo evalúa la influencia del material por debajo 63 µm de áridos reciclados mixtos en las propiedades de hormigones y morteros. La actividad puzolánica medida por calorimetría isotérmica fue muy baja. El uso del 6% del material en morteros incrementa la demanda de agua, ocasiona una reducción de la resistencia, pero disminuye la porosidad efectiva de la matriz e incrementa la densidad de la ITZ. Los ensayos de expansión por álcalis en morteros mostraron una reducción de la porosidad conectada de la matriz. La misma tendencia fue observada en el hormigón. La contribución beneficiosa de dicha fracción puede compensar los problemas en la reología y en las propiedades mecánicas.

Assessment of the environmental impact of three types of fertilizers on the cultivation of coffee at the Las Delicias indigenous reservation (Cauca) starting from the life cycle assessment

ABSTRACT This paper aims to assess and to compare the environmental performance of three different types of fertilizers in the production of coffee using the methodology of Life Cycle Assessment (LCA) in the Las Delicias indigenous reservation (located in the northern area of the State of Cauca) in order to standardize the process. In this sense, some coffee producers used chemical fertilizers; others used poultry manure, and most coffee producers, used compost. They also applied artisanal techniques while conserving their ancestral traditions and cultures in the coffee production chain. Using the LCA, we found that of three types of fertilizers (chemical fertilizer, poultry manure, and compost), the use of compost shows the minimum environmental impact on the category of climate change and acidification, meanwhile the use of chemical fertilizers is better in the category of terrestrial ecotoxicity and land use. Finally, the use of poultry manure obtained a better performance in the categories of human toxicity and eutrophication. Therefore, the best decision adjusted according to the results would be to fertilize with compost, due to its lesser impact on soil acidification.

RESUMEN Este trabajo busca evaluar y comparar el desempeño ambiental de tres tipos de fertilizantes en la producción de café a partir de la aplicación de la metodología de análisis de ciclo de vida en el resguardo indígena Las Delicias (ubicado en el Norte del Departamento del Cauca) a fin de estandarizar los procesos. En este sentido algunos caficultores emplean fertilizantes químicos, otros usan gallinaza y la mayoría emplea compost, trabajan con técnicas artesanales, y conservan sus tradiciones ancestrales y culturales en los procesos productivos. Del ACV se encontró que de los tres tipos de fertilizantes (fertilizantes químicos, gallinaza, y compost), el uso del compost presenta menores impactos en la categoría de cambio climático y la acidificación, mientras que el uso de fertilizante químico es mejor en la categoría de toxicidad terrestre y el uso de la tierra. Finalmente el uso de gallinaza obtuvo mejores desempeños en la categoría de toxicidad humana y eutrofización, por tal motivo la decisión que mejor se ajustaría de acuerdo a los resultados es la de fertilizar con compost ya que presenta menores impactos en acidificación del suelo.

Microorganisms isolated from polluted urban soils highly effectives in degrading recalcitrant pesticides

ABSTRACT Between 1972 and 1984 all types of solid waste from the city of Medellin were deposited in an area which had no technical specification as a landfill. Domestic, hospital and industrial waste was deposited, and accumulated to form a mountain of waste more than 10 meters high. To exacerbate the problem, when the site was closed for the deposit of solid waste, people remained living there to recycle materials. A study funded by the Valle de Aburrá Metropolitan Area and carried out by the GDCON Group at the Universidad de Antioquia between 2004 and 2005 found that leachate from the rubbish dump of Moravia contained heavy metals, phenols, sulphides, benzene, toluene, xylene, etc. In another study carried out by the GDCON and National University of Colombia (Medellín) between 2007 and 2009, it was found that plants and animals (mice, cockroaches etc.) in Moravia also contained these toxic pollutants. For this reason, the government of Medellin decided to move the people living in Moravia to another site in Medellin (between 2010 and 2014). Microbial consortia isolated from Moravia soils (MS) showed a high capacity to degrade chlorpyrifos, methyl parathion and malathion pesticides (20, 30 and 130 mg Kg-1). To provide a point of comparison, the degradation of the 3 pesticides was also performed with isolated pools of immature compost. The MS microbial consortia showed higher degradation rates than CI microbial consortia when malathion, methyl parathion and chlorpyrifos were degraded.

RESUMEN Entre 1972 y 1984 todo tipo de residuos sólidos de la ciudad de Medellin fueron depositados en un área ocupada que no tuvo especificaciones técnicas para que fuesen depositados aquellos residuos. Allí fueron depositados residuos domesticos, hospitalarios e industriales que se fueron acumulando hasta alcanzar una montaña de residuos de más de 10 metros de altura, con el agravante que cuando clausuraron el sitio para el depósito de residuos sólidos allí se quedaron viviendo las personas que hacían reciclaje. Un diagnóstico llevado a cabo por el Grupo GDCON de la Universidad de Antioquia entre el 2004 y 2005, y financiado por el Área Metropiltana del Valle de Aburrá, se comprobó que los lixiviados de la montaña de residuos de Moravia, y que atravesaban algunas casas, tenía metales pesados, fenoles, sulfuros, benceno, tolueno, xileno, entre otros. En otro estudio realizado por el GDCON y la Universidad Nacional-sede de Medellín entre 2007 y 2009, se comprobó que las plantas y animales (ratones, cucarachas) de Moravia también contenían dichos contaminantes tóxicos. Por esta razón, la alcaldía de Medellín decidió trasladar a las personas que vivian en la montaña de residuos de Moravia a otro sitio de Medellin (entre 2010 y 2014). Consorcios microbianos aislados de los suelos de la montaña de residuos de Moravia (MS) mostraron una alta capacidad para degradar los pesticidas clorpirifos, metil paratión y malatión en concentraciones de 20, 30 y 130 mg Kg-1 en un estudio realizado en el laboratorio del GDCON. Como un punto de comparasión, la degradación de los 3 pesticides fue también realizada por conconsorcios aislados de compost inmaduro (IC). El consorcio microbiano MS mostró mayor velocidad de degradación de clorpirifos, metil paratión y malatión que el consorcio microbiano IC.