https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20734/Ingenierias_2001_Vol_4_No_11_Abril-Junio.pdf 9cd765d0d5fd83a2fd5abc606bbf556f PDF Text Text ����Editorial Investigadores en la UANL Carlos A. Guerrero Salazar* Investigación, docencia, vinculación, tres de las funciones plasmadas en la Ley Orgánica de nuestra Institución como parte fundamental de su naturaleza. La generación del conocimiento, acompañada de la formación integral de los recursos humanos, y su transferencia hacia la planta productiva, forman parte importante del quehacer de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Sin menoscabo de la importancia que acompaña a la realización de cualquiera de las funciones mencionadas, en esta ocasión abordaremos sólo el tema investigación, enfocándonos principalmente hacia aquellos académicos que realizan esta labor, es decir, los investigadores. Según la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico, OCDE,1 la investigación consiste en la realización de trabajos experimentales o teóricos que se emprenden fundamentalmente para obtener nuevo conocimiento acerca de los fenómenos y hechos observables, ya sea que se dirija este conocimiento hacia objetivos prácticos precisos o que no se encamine hacia ninguna aplicación o utilización determinada. Basados en esta definición, podríamos tratar de contestar la pregunta ¿Cuántos académicos de la UANL hacen investigación? La respuesta es difícil si no se cuenta con un mecanismo que permita la evaluación de la actividad académica, enmarcada ésta por la definición anterior o por otra serie de criterios establecidos previamente. A nivel nacional opera el Sistema Nacional de Investigadores, SNI, organismo gubernamental que extiende un reconocimiento a los académicos que, una vez evaluados según criterios no siempre validados por la comunidad científica,2,3 realizan investigación. El reconocimiento se concede en 4 niveles, dependiendo de la importancia que un comité formado por pares otorgue al trabajo desarrollado; desde el más bajo como Candidato a Investigador, hasta el más alto como Investigador Nivel III. * Profesor Investigador FIME - UANL. Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 3 �Investigadores en la UANL Hay que aclarar que esta evaluación la solicita el académico interesado, por lo que habrá otros académicos que no reciben este reconocimiento del SNI y que sin embargo realizan investigación. Como no tenemos una manera objetiva de cuantificar a esta última parte de la comunidad académica trataremos de contestar la pregunta planteada líneas arriba en función de los datos obtenidos del SNI. De la totalidad del claustro académico de la UANL, únicamente 132 están reconocidos por el SNI, siendo alrededor del 29% de éstos Candidatos a Investigador. Ver Figura 1. Nivel II 9% Nivel III 2% Candidatos 29% Nivel I 60% Fig.1. Distribución de investigadores por nivel en la UANL. Si comparamos esta cifra con el total de investigadores reconocidos en todo México (7252) tendremos que en la UANL están trabajando el 1.8% de esos investigadores. Un aspecto positivo para nuestra Institución es de que esta cifra va en aumento, ya que hemos pasado de 99 investigadores reconocidos en el año de 1998 a la cifra actual. Además, no hay que perder de vista que sólo en el D. F. están concentrados el 51.7% (3748) de los académicos distinguidos por el SNI. De las 25 facultades que posee nuestra Institución destacan Ciencias Biológicas, Medicina y FIME ya que en ellas laboran casi el 60% de los investigadores. Es sorprendente el desarrollo que están teniendo las Facultades de Ciencias Forestales y Ciencias de la Tierra, ya que a pesar de ser dependencias con muy poca población estudiantil, poseen una gran cantidad de investigadores dentro del SNI. Ver figura 2. 4 Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �Carlos Guerrero Forestales 8% C. Tierra 5% Biología 27% Químicas 8% Economía Filosofía 4% 3% Otras 9% Psicología 3% FIME 13% Medicina 20% Fig. 2. Distribución de investigadores de la UANL por facultades. No se puede negar que en la UANL se realiza investigación. Sin embargo los números que presenta en la actualidad están aún muy lejos de aquellos que poseen las Universidades del D.F., v.g., más de 380 Investigadores reconocidos por el SNI en la Universidad Autónoma Metropolitana, o los más de 637 del sistema IPN-CINVESTAV por lo que uno de los objetivos a mediano y largo plazo de nuestras autoridades, y de nosotros como académicos, debería de ser el de aumentar de manera significativa el número de investigadores en las dependencias de nuestra Institución. REFERENCIAS 1. José María Infante, CiENCiA UANL, Vol. 4, No 1, pp 6-11 (2001) 2. Miguel José Yacamán, CiENCiA UANL, Vol. 3, No 4, pp 443-445 (2000) 3. Armando Rugarcía Torres, CiENCiA UANL, Vol. 3, No 2, pp 197-204 (2000) Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 5 �La santificación del progreso♦ Gabriel Zaid* La tradición milenaria de elogiar la agricultura y vituperar la vida urbana hace perder de vista una tradición más antigua: ♦la de elogiar la vida nómada y vituperar la agricultura. El sermón de Cristo sobre el abandono a la divina providencia puede leerse como un elogio de los recolectores y un vituperio de los agricultores: “Mirad las aves del cielo que no siembran, ni cosechan, ni recogen en graneros; y vuestro Padre celestial las alimenta”. Y en el Quijote puede leerse un encendido elogio de la vida anterior a la agricultura: “Dichosa edad y siglos dichosos aquellos a quien los antiguos pusieron nombre de dorados [...] porque entonces los que en ella vivían ignoraban estas dos palabras de tuyo y mío. Eran en aquella santa edad todas las cosas comunes: a nadie le era necesario para alcanzar su ordinario sustento tomar otro trabajo que alzar la mano y alcanzarle.” Con la vida sedentaria se desarrollaron las artesanías: el tejido de canastas y telas, los utensilios de cerámica, cobre y hierro. Pero, sobre todo, la ambición (y el castigo) de producir, el espíritu previsor y acumulativo, el cálculo astronómico y contable que, a su vez, dio origen a la escritura (los primeros escritos que se conocen son notas de inventario y remisión). *Apareció la producción excesiva, el trueque y el comercio de excedentes, la defensa de los graneros y ganados contra las incursiones de recolectores y cazadores, que seguían creyendo en el paraíso de que no hay mío ni tuyo, y ahora resultaban asaltantes. Apareció el Estado, la desigualdad, la propiedad, la ley, la moneda, el mercado, el capital, la esclavitud. Ma. de J. Rodriguez F. La agricultura puso “puertas al campo”, como se queja todavía el refrán, y como lo demuestran los pleitos a muerte que todavía se dan por los derechos de paso y pastoreo por tierras comunales. Pleitos que se remontan a la furia de Caín, el sedentario agricultor, contra su hermano Abel, el nómada pastor. En El origen de la desigualdad entre los hombres, Rousseau explica cómo terminó el paraíso y empezó la civilización: “El primer hombre que, después de haber cercado un terreno, tuvo la ocurrencia de decir: Esto es mío, y se encontró con gente tan simple como para créerselo, fue el verdadero fundador de la sociedad civil.” ♦ Artículo publicado en la Revista Letras Libres de febrero 2001 y reproducido con permiso del autor. 6 * Poeta y analista político. Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �Gabriel Zaid Ma. de J. Rodriguez F. Peloponeso, Atenas perdió una buena parte de su población y sus ejércitos (y aun al mismo Pericles), no por las armas, sino por una epidemia infecciosa. En el Imperio Romano, hubo epidemias igualmente funestas. También en Bizancio y en los primeros siglos de la Edad Media, antes de la famosa peste del siglo XIV, que mató a la tercera parte de la población europea. La prosperidad agrícola desembocó en la llamada revolución urbana. El antiguo campamento nómada se vuelve permanente y desarrolla a su alrededor campos de cultivo y ganadería; se defiende, se amuralla y se convierte en una ciudad Estado donde viven el rey y sus guerreros, sacerdotes, letrados, artesanos y comerciantes. En la perspectiva del homo faber, su aportación revolucionaria es la rueda (para tornos de alfarero y vehículos) y, sobre todo, la producción intelectual: la escritura y el cálculo en Mesopotamia y Mesoamérica; la geometría, la crítica racional, el mercado del libro y la democracia en Grecia. La crítica del progreso se vuelve explícita y razonada en Atenas. Sócrates (Fedro) no dice que los libros sean un sacrilegio contra la palabra viva; dice que no pueden sustituirla, que dejan sin ejercicio la memoria y el desarrollo de la inteligencia; peor aún: que hacen creer a los compradores de libros que son sabios por haberlos comprado. Aristóteles (Política) no dice que la democracia transgreda el orden divino; dice que degenera en asambleísmo y demagogia. Una crítica de la revolución urbana que, aparentemente, no se hizo fue que facilitó las epidemias. En los primeros años de la guerra del Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 La peste y la caída del Imperio Romano, las invasiones bárbaras y el control islámico del Mediterráneo aislaron y desurbanizaron a Europa en el primer milenio cristiano. Del poder y esplendor de las grandes metrópolis se pasó a una vida oscura, rural y dispersa en los monasterios y castillos feudales. A partir de estos centros, que sirvieron como pequeños polos de desarrollo, empezó una lenta recuperación, culminada en los siglos XI, XII y XIII. La dispersión favoreció la apertura de tierras nuevas al cultivo, a su vez favorecida por el desarrollo de la fundición de piezas de hierro y los trabajos de herrería. El hierro y el caballo transformaron la guerra y la agricultura. Los estribos y armaduras crearon la carga de caballería: una fuerza aplastante contra el guerrero a pie, de efectos decisivos en las guerras feudales, las cruzadas y la conquista de América. Crearon también al caballero: un estamento nuevo en la vida social y un personaje de la imaginación épica. La herradura de clavos, el arado metálico pesado y el arnés configuraron el caballo de tiro, más eficaz que el buey, y de uso doble: siembra y transporte. La productividad agrícola llegó a niveles nunca vistos. Los medievales inventaron conceptos básicos para la industria moderna, tales como la estandarización e intercambiabilidad de partes, que introdujo Gutenberg con los tipos móviles de imprenta (1440). Inventaron los mecanismos de transmisión de potencia que convierten 7 �La santificación del progreso Ma. de J. Rodriguez F. cual culminará la revelación progresiva de Dios en la tierra. movimientos giratorios en lineales y viceversa: manivelas, tornos, relojes mecánicos, molinos de agua y de viento. Para la guerra, la agricultura y los obrajes, lograron sustituir o reforzar la fuerza humana con la fuerza animal, hidráulica, eólica. Cuando apareció la brújula, soñaron con una máquina que aprovechara la fuerza magnética, anticipando el motor eléctrico. Según Lynn White (Tecnología medieval y cambio social), Roger Bacon escribió hacia 1260: “Es posible construir vehículos que habrán de moverse con velocidad increíble y sin ayuda de bestias; es posible construir maquinas voladoras en las que un hombre [...] podrá vencer al aire con alas, como si fuera un pájaro [...] las máquinas permitirán llegar al fondo de los mares.” Pero la gran originalidad del homo faber medieval no estuvo tanto en los inventos mecánicos, como en esta confianza en un futuro mejor, que aparece por primera vez en la historia. Fue formulada por Joaquín de Fiore (c. 1130-1201), un abad cisterciense que inventó el concepto de mejoría gradual de la humanidad, al dividir la historia en tres etapas: la del Padre, superada por la del Hijo, superada por la del Espíritu Santo, en la 8 En las antiguas concepciones del tiempo, había el eterno retorno de lo mismo; o un hoy venido a menos, frente al pasado mítico; o una esperanza de salvación en un tiempo nuevo. Pero este tiempo nuevo era un salto absoluto, no un progreso gradual. La Ciudad de Dios, concebida por San Agustín como polo eterno de la realidad humana, y realizada en forma simbólica por los monasterios, era una dicotomía entre dos mundos, separados por un abismo. Concebida por Fiore, la Ciudad de Dios se convierte en un proyecto de realización progresiva. Toda la cristiandad, no únicamente los simbólicamente perfectos que se apartan del mundo (como Fiore), tomará el camino de la perfección. Lo religioso será secularizado, lo secular se volverá religioso. Por el lado productivo, la confianza en el futuro se convierte en crédito: un fuerte estímulo para el desarrollo económico. Se convierte en creatividad para formalizar promesas, riesgos, participaciones. Aparece la letra de cambio, una gran variedad de contratos mercantiles, la sociedad en comandita, la banca crediticia (no meramente cambiaria), la venta de seguros, la contabilidad que amarra por partida doble. La revolución comercial de la Edad Media empieza por el comercio a distancia, terrestre o marítimo, de Venecia y otras ciudades: la importación de especies, sedas y marfiles orientales; la exportación de tejidos de lana y trabajos de hierro, madera y vidrio. Pero el desarrollo del comercio exterior estimula el comercio interior, los obrajes, las artesanías y la agricultura. Italia se vuelve el centro de una economía global. Producir para el comercio rebasó la autarquía inicial de los feudos y monasterios, donde prácticamente no se usaba el dinero. La economía Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �Gabriel Zaid La crítica radical de la revolución comercial la hizo el hijo de un comerciante, después de sus primeras experiencias en el negocio de su padre. Francisco de Asís (1182-1226) se sintió hermano de los pájaros y de los lobos. Sintió que el comercio desnaturalizaba a la naturaleza y a las personas. Propuso una pobreza voluntaria y alegre, tan confiada en la divina providencia que era de hecho recolectora: pedir como limosna el pan de cada día, pero en especie, no en dinero, y únicamente en la cantidad necesaria para comer el día de hoy, sin guardar nada para el día siguiente. Ni más ni menos que los pájaros. No quiso retirarse a un monasterio, ni ser sacerdote. Fue un laico en el mundo, que criticó la mundanización de los cristianos en los nuevos caminos de la perfección material. Sus seguidores no fueron tan extremos: buscaron vías para conciliar la vida productiva con el progreso espiritual, aunque algunos (los llamados franciscanos “espirituales”) se sintieron llamados a realizar las profecías de Fiore, y a sustituir la institución eclesiástica por una renovación carismática del mundo, que llegaría con el Apocalipsis, anunciado para 1260. Esta tensión Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 entre el gradualismo y el salto revolucionario reaparecerá muchas veces, desde entonces. El gradualismo llegó hasta la concepción de un paso intermedio entre el cielo y la tierra: el purgatorio. La perfección no alcanzada en la tierra puede completarse después de la muerte, en un tiempo de purificación, que se puede acortar con los méritos solidarios de los que siguen en la tierra. Esta teología, desarrollada en medio de una revolución comercial, se contaminó de la nueva creatividad financiera. Pronto estuvieron en el mercado valores adquiribles por días o años de indulgencia, a cambio de limosnas para abreviar el purgatorio. El escándalo resultante condujo a suprimir este mercado, pero no la acumulación abstracta de méritos, que ha llegado hasta hoy. En el mundo meritocrático, la devoción al progreso contabiliza minuciosamente los puntos buenos para llegar al cielo: días de asistencia puntual, años de escolaridad, grados obtenidos, medallas y copas deportivas, premios, distinciones, ratings del Citation Index y otros merecimientos dignos de ganar indulgencias, cuando se publique el obituario. Ma. de J. Rodriguez F. de las prestaciones en especie (obligadas, caritativas, amistosas o prestigiosas) desembocó en la economía monetaria. Las nuevas circunstancias materiales y los libros de la cultura griega (redescubiertos gracias a sus lectores árabes) resucitaron la revolución urbana y el mercado, con recursos desconocidos en la Antigüedad. Hasta los monasterios se vuelven ricos, porque las donaciones, los diezmos y primicias, el excedente productivo de una vida dedicada al “ora y labora” con poco consumo, conducen a grandes tasas de ahorro. Así también reaparecen las críticas de Aristóteles y los Padres de la Iglesia al mercado, el lucro, los intereses y la acumulación. Y se reaviva el radicalismo de los primeros cristianos. 9 �La santificación del progreso Lo que aparece en la cristiandad occidental del siglo XII, por primera vez en la historia, es el espíritu progresista, la confianza en un futuro mejor, el deseo de construir gradualmente el paraíso en la tierra. Fiore transforma el mito del progreso, es el creador de la concepción moderna del progreso. Vivimos todavía sacudidos por esta concepción religiosa, aunque se haya olvidado el nombre de su primer teórico, y aunque los maestros espirituales de hoy usen otro vocabulario, al proponer caminos de perfección: la ascética que llaman superación personal, la mística unión con Dios que llaman éxito. El joaquinismo tuvo una repercusión inmensa, estudiada por Henri de Lubac en una obra enciclopéndica (La posteridad espiritual de Joaquín de Fiore). Fue tan importante como el hegelianismo, el positivismo, el marxismo; y está en su origen: en el de todas las filosofías progresistas de la historia. Para Hegel, la historia es “el desarrollo y la realización del espíritu: la verdadera 10 teodicea” (Filosofía de la historia). Comte seculariza las etapas del progreso concebidas por Fiore, en una nueva fórmula trinitaria: el espíritu recorre “el estado teológico o ficticio”, superado por “el estado metafísico o abstracto”, superado por “el estado científico o positivo” (Ensayo de un sistema de filosofía positiva). En 1972, Roger Garaudy (entonces destacado intelectual del Partido Comunista Francés) dijo que los grandes movimientos revolucionarios de Europa estaban todos imbuidos por las ideas de Joaquín de Fiore, y que Federico Schlegel había escrito: “La historia moderna empieza con el deseo revolucionario de alcanzar el Reino de Dios” (citado por Marjorie Reeves, Joaquín de Fiore y el futuro profético). A pesar de lo cual, no hay traducciones de Fiore al español, y casi no las hay en otras lenguas. Ma. de J. Rodriguez F. La crítica franciscana reaparece en el romanticismo y el ecologismo, con la novedad del joaquinismo: se presenta como progreso al paraíso, no como regreso al paraíso. (Lo mismo sucede con la revolución: un volver al paraíso que ya no queda atrás, sino adelante.) Desde la prehistoria, la crítica del progreso ha sido ambivalente: exalta y critica el atrevimiento de transformar la naturaleza. Pero Fiore legitima el progreso: lo santifica; a partir de lo cual, la crítica del progreso es inaceptable, si no es progresista. Fiore ya no concibe el progreso como hazaña prometeica y transgresión del orden divino, que hay que restaurar, sino como mandato divino. El progreso no es el espíritu de la serpiente que mueve a Adán y Eva contra el Padre, sino el Espíritu Santo que viene del Padre, después de enviar a su Hijo. El progreso es la manifestación de Dios en este mundo. Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �Formación de capas de hierro en reactores de reducción directa♦ Parte I. Los factores Ubaldo Ortiz*, Juan Aguilar,* Jorge Berrún,** Ricardo Viramontes.*** Abstract Refractory bricks are the most common materials used in equipment for carrying processes at high temperatures, such as the production of steel, cement and glass. ♦These bricks are exposed to severe operation conditions, their life determines if an equipment should be stopped for reparation or replacement of the bricks. In this first part is described the formation of layers in a direct reduction reactor. As they growth, they cause disturbs in the product flow or at least decreases the reactor or furnace capacity, and in the worst case it is necessary to stop the equipment for major reparations. The aim of this work is to describe the mechanism of formation and growth of these layers. Key Words: Refractories, direct reduction, layers, direct reduced iron INTRODUCCIÓN Existen reactores donde el material procesado se adhiere a las paredes formando capas que en el ambiente industrial se les llama lajas o morros. Este fenómeno se puede presentar, por ejemplo, en los reactores de lecho móvil y hornos rotatorios a escala industrial. Se entiende por capa una formación de material aglomerado que se adhiere a la pared de los reactores en alguna parte donde las condiciones de esfuerzo, temperatura, composición y tamaño de partícula alcanzan los valores críticos para que la capa crezca. ♦ Este trabajo fue ganador del Premio Tecnos 2000 en la categoría de Publicación Tecnológica/Vinculación Empresa Grande e Institución, el cual fue entregado en ceremonia efectuada el 22 de noviembre de 2000 en CINTERMEX, Monterrey, N. L. Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 Capa de hierro esponja de reactor industrial (izquierda) y capa formada en reactor experimental (derecha). El fenómeno de las capas generalmente implica pérdida de disponibilidad de las plantas cuando las capas se desprenden y bloquean la salida del reactor o perturban la calidad del producto. Algunas capas son bastante resistentes mecánicamente. En el pasado hubo intentos vanos para simular en el laboratorio la formación de capas sobre las paredes de los reactores de lecho móvil en las plantas industriales de reducción directa. En esos equipos *las condiciones de operación, de temperatura y esfuerzo normal eran suficientes para la formación de capas, sin embargo no se obtenían las capas porque no se aplicaba esfuerzo cortante. En este trabajo se presentan los resultados de un equipo a nivel laboratorio que considera la temperatura, esfuerzo normal y el esfuerzo cortante en la interfase pelet-refractario como variables importantes en la formación de capas. * Doctorado en Ingeniería de Materiales, FIME-UANL. ** HYLSA. *** HYLSA. Se encuentra actualmente en CEMEX. 11 �Formación de capas de hierro en reactores de reducción directa. Parte I: Los factores El proceso Fig. 1. Esquema del reactor de reducción directa. Las partes principales son: (1) reformador, (2) calentador, (3) condensador de agua, (4) absorbedora de CO2, (5) compresor, (6.1) cuerpo del reactor, (6.2) entrada de gas reductor, (6.3) salida de gas de enfriamiento, (6.4) entrada de gas de enfriamiento, (6.5) aislante, (6.6) capa de ladrillo en contacto con el hierro esponja, (6.7) salida del gas reductor, (6.8) entrada del mineral y (6.9) salida del hierro esponja. Las capas se forman principalmente en los sitios (6.10) y (6.11). Este equipo hizo posible la reproducción del fenómeno a escala laboratorio dando así, la oportunidad de diseñar experimentos para encontrar el mecanismo de adhesión con el que se inician las capas. Una vez que se identificó el mecanismo se desarrollaron métodos y equipos para aplicar tratamientos a los refractarios, de forma que la adherencia de los materiales procesados, en este caso hierro metálico o mejor conocido como hierro esponja, disminuyese significativamente. También se obtuvo un modelo cinético para el crecimiento de la capa en función del esfuerzo, el tiempo, y la temperatura. La descripción del sistema que se estudió es como sigue: 12 Dentro de la industria siderúrgica destaca por su importancia en el ámbito mundial la ruta reducción directa-horno eléctrico para producir acero. El proceso HYL de reducción directa es conocido mundialmente. En éste se alimenta al reactor con pelets de mineral de hierro que se transforman en hierro esponja al quitarles el oxígeno mediante un gas reductor. El gas reductor se produce al reaccionar el gas natural con vapor de agua en el reformador. Los equipos principales son: el reformador, calentador, enfriadores, absorbedora de CO2, compresores, y reactor. El reactor El reactor consiste en un recipiente de acero recubierto con material refractario (Figura 1) que está en contacto ya sea con el mineral de hierro o el hierro metálico según su posición en el reactor. El mineral entra por la parte superior y se reduce conforme va bajando hasta llegar a la salida que se encuentra en la parte inferior, en donde se descarga el producto conocido como hierro esponja. Las capas Se trata de aglomerados de material que llegan a medir hasta 15 cm de espesor y entre 2 y 3 m de altura, extendiéndose algunas veces en todo el perímetro del reactor. Los sitios en donde se forman estas capas se muestran en la figura 1, mientras que la figura 2 muestra una de estas capas. Cuando una capa se desprende durante la operación se presentan algunas perturbaciones en el flujo de sólidos. Cuando hay un paro programado se dedica algún tiempo a tumbarlas y sacarlas del reactor. Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �Ubaldo Ortíz, Juan Aguilar, Jorge Berrún, Ricardo Viramontes Fig. 2. Aspecto de la interfase de una capa de hierro formada en el reactor. La densidad aparente de una capa es de aproximadamente 4 gr/cm2, esto es un 50% mayor a la de una partícula de hierro esponja. La composición química es básicamente hierro metálico (más del 83%). En las figuras 3 y 4 se aprecia el proceso de densificación que sucede cuando las partículas de hierro esponja pasan a formar parte de la capa. Aunque en apariencia son diferentes, existen grandes semejanzas, la primera de ellas es que ambas son fundamentalmente hierro. En cuanto al aspecto la figura 3 proviene de un material poroso mientras que la figura 4 corresponde a un material “alisado” por los pelets moviéndose. Fig. 4. Imagen de MEB de la superficie de una capa formada. Los mecanismos de adhesión El significado más simple de adhesión tiene que ver con el trabajo reversible para separar dos fases que inicialmente tienen una interfase común. Los mecanismos que se reportan más comúnmente son: 1.- Fuerzas de Van der Walls. 2.- Potencial electrostático de contacto. 3.- Exceso de cargas electrostáticas. 4.- Atracción magnética. 5.- Puentes líquidos. 6.- Presión capilar en los poros llenos de líquido. 7.- Unión debida a agentes viscosos. 8.- Puentes sólidos. 9.- Anclaje mecánico. Fig. 3 Imagen de microscopía electrónica de barrido (MEB) de la superficie del hierro esponja. Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 La participación de estos mecanismos fue considerada, ya sea teóricamente o experimentalmente para seleccionar solamente aquellos que estuvieran teniendo lugar en el proceso. 13 �Formación de capas de hierro en reactores de reducción directa. Parte I: Los factores Los mecanismos de adhesión que pueden ocurrir en procesos similares han sido descritos por otros autores.1-17 En el proceso de reducción de mineral de hierro solo algunos de estos tienen lugar. En la introducción se listaron los posibles mecanismos de formación de capas. Los argumentos que se presentan a continuación son los que permiten descartar aquellos que no tienen lugar. Mecanismos relacionados con fuerzas de Van der Walls, potencial electrostático de contacto y exceso de cargas electrostáticas podrían dar la respuesta a por qué material fino se agrega a la pared, aunque lo más seguro es que hay una combinación con puentes debidos a reacción química o difusión debida a diferencias de concentración, junto con anclado mecánico. La atracción magnética fue eliminada porque el refractario no es magnético y el hierro se encuentra a una temperatura superior a la de Curie. Puentes líquidos, presión capilar en los poros llenos con líquido y uniones debidas a agentes viscosos fueron descartados porque a la temperatura de operación no hay fase líquida. METODOLOGÍA Cuando se estudia un fenómeno complejo, como es identificar el mecanismo de la formación de capas, inicialmente se considera que muchas variables pueden tener efectos en la variable dependiente o de respuesta. En estos casos se recomienda utilizar los diseños fraccionados. Estos reducen el tiempo y costo de la experimentación, ya que se reduce el número de corridas experimentales basándose en agrupar algunas de las variables principales con las interacciones. Enseguida se utiliza el análisis de varianza para identificar cuáles grupos son los importantes. Sobre la base del conocimiento fisicoquímico del sistema se 14 seleccionan cuáles de las variables o interacciones de cada grupo son las más importantes. Es necesario además confirmar estas suposiciones mediante experimentos de control. Una manera de llevar a cabo esta confirmación es considerar las condiciones en que se forman las capas y luego modificarlas y verificar que haya un cambio. Esta modificación constituye el tratamiento para evitar la formación de capas. En este estudio se consideraron nueve variables para el diseño de experimentos inicial. Algunas, sobre la base de la experiencia industrial, son obviamente importantes como lo es el nivel de esfuerzo, otras porque son típicas en el proceso y pueden tener una interacción importante o bien se les quiere descartar de una manera objetiva. Las variables consideradas son las siguientes: esfuerzo, temperatura, adición de cemento, tipo de pelet, porcentaje de metalización, porcentaje de carbono, velocidad angular, tiempo, y tipo de gas reductor. Después se corrieron otros diseños para la confirmación de las variables importantes encontradas en esta etapa. En la Tabla I se muestra el diseño de experimentos y los resultados obtenidos en cada una de las pruebas. Las columnas presentan la identificación del experimento, el tipo de gas (H2 ó CO), el encabezado Cem indica si se aplicó o no cemento (S ó N), el tipo de mineral (Alzada o Peña Colorada), la relación hierro metálico a hierro total en el pelet (Met), el contenido de carbono (C ), la velocidad angular, el esfuerzo normal, la temperatura y el peso de la capa obtenida bajo las condiciones dadas. Adamson18 reporta que el efecto del esfuerzo cortante sobre la adhesión es aproximadamente siete veces mayor que el normal. Esta aseveración es tan importante que se decidió probar bajo las condiciones del reactor (Adamson utilizó esferas de acero sobre indio). Se diseñaron una serie de dispositivos para probar esta hipótesis, desde pelets moviéndose horizontalmente sobre el refractario Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �Ubaldo Ortíz, Juan Aguilar, Jorge Berrún, Ricardo Viramontes hasta pelet girando sobre él. Basados en los resultados obtenidos en estos dispositivos se consideró que lo mejor era utilizar una celda rotatoria para poder prolongar las condiciones de la fricción entre el pelet y el refractario (Figura 5). Fig. 6. Esquema del microreactor. Fig. 5. Esquema de la celda rotatoria. El siguiente paso fue estudiar el mecanismo de adhesión mediante un reactor especialmente diseñado, éste consistió en una coraza de acero al carbón, una celda de carga para determinar el esfuerzo aplicado a la muestra y portamuestra para el refractario y el pelet. El dispositivo cuenta con un motor para hacer girar el pelet y una resistencia eléctrica para alcanzar la temperatura deseada, también cuenta con un sistema de medición y control de la temperatura y medición del flujo de gas. A este dispositivo se le denominó microreactor y se presenta un esquema en la figura 6. Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 El procedimiento experimental para llevar a cabo cada una de las pruebas consistió en cortar y sacar la muestra de ladrillo. Entonces, se coloca la muestra del ladrillo en el portamuestra. Se precalienta en presencia de un flujo de nitrógeno hasta la temperatura deseada. Se fija la velocidad angular contando las revoluciones y tomando el tiempo con un cronómetro. Se fija el portamuestras. Se aplica cemento al pelet en una suspensión de 15 partes de cemento gris por 100 partes de agua en peso. Cuando se ha llegado a la temperatura deseada se sustituye al nitrógeno por gas reductor. Se coloca el pelet dentro del reactor y se esperan dos minutos para que la superficie se caliente. Se pone el pelet en contacto con el refractario y se aplica una carga normal. Se hace girar el pelet sobre la muestra de refractario para que se dé un esfuerzo cortante. Se mantienen las condiciones de operación durante el tiempo deseado. Se detiene la rotación. Se retira la carga. Se sustituye el gas reductor por nitrógeno. Se saca el pelet y la muestra de refractario. 15 �Formación de capas de hierro en reactores de reducción directa. Parte I: Los factores Tabla I. Diseño de experimentos y resultados de las pruebas 16 Exp. Tipo de gas Cem Mineral Met (%) C (%) Vel. (rpm) Tiempo (min) Esfuerzo 2 Kg/cm Temp. (°C) Capas (μg) 1 CO S Alzada 95 3.5 0 1 3.1 950 0.2 2 H2 S Alzada 95 0.1 30 1 3.1 950 76.8 3 H2 S Alzada 95 3.5 0 30 0.1 600 0.1 4 CO S Peña 85 3.5 30 1 3.1 950 14.7 5 CO S Alzada 85 3.5 30 30 0.1 950 0.1 6 CO N Peña 95 0.1 30 1 3.1 600 0.3 0.0 7 H2 N Peña 85 3.5 30 30 0.1 600 8 CO S Peña 85 0.1 30 30 3.1 950 29.7 9 H2 N Alzada 85 3.5 0 1 0.1 950 0.0 10 H2 N Peña 95 0.1 30 30 0.1 950 0.6 11 CO N Alzada 95 0.1 0 30 3.1 950 1.9 12 H2 N Alzada 85 0.1 30 30 3.1 600 45.7 13 H2 S Alzada 85 0.1 0 30 0.1 950 0.2 14 CO S Alzada 85 0.1 0 1 3.1 600 0.0 15 CO S Alzada 95 0.1 30 30 0.1 600 2.1 16 CO S Peña 95 3.5 30 30 3.1 600 7.1 17 CO S Peña 85 3.5 0 1 0.1 600 0.0 18 CO N Alzada 95 3.5 30 1 0.1 600 0.7 19 20 H2 CO S N Peña Peña 95 95 3.5 3.5 30 0 1 30 0.1 0.1 950 950 1.8 0.0 21 CO N Alzada 85 0.1 30 1 0.1 950 0.4 22 H2 No Peña 95 3.5 0 1 3.1 600 0.0 23 H2 S Peña 95 0.1 0 30 3.1 600 0.0 24 H2 S Peña 85 0.1 30 1 0.1 600 0.8 25 CO N Alzada 85 3.5 0 30 3.1 600 0.5 26 H2 S Peña 85 3.5 0 30 3.1 950 0.0 27 H2 N Peña 85 0.1 0 1 3.1 950 0.3 28 H2 N Alzada 95 3.5 30 30 3.1 950 112.3 29 H2 N Alzada 95 0.1 0 1 0.1 600 0.0 30 CO N Peña 85 0.1 0 30 0.1 600 0.0 31 CO S Peña 95 0.1 0 1 0.1 950 0.0 32 H2 S Alzada 85 3.5 30 1 3.1 600 3.3 Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �Ubaldo Ortíz, Juan Aguilar, Jorge Berrún, Ricardo Viramontes Se enfría la muestra en atmósfera de nitrógeno. Se saca la muestra de refractario del enfriador cuando la temperatura sea menor de 70°C. Se desprende la capa y se tritura para separar el hierro magnéticamente. Al terminar se pesa el hierro recuperado en una balanza analítica. RESULTADOS Ya se explicaron las razones por las que algunos mecanismos fueron desechados como responsables de la formación de capas. Para los fenómenos que no fueron descartados se consideran los siguientes aspectos. En las Figuras 7 y 8 se muestran imágenes de una capa del reactor industrial, después de un año de operación. En éstas se observa una zona de aproximadamente 5 micras en el refractario contiguo a la interfase en donde existe una concentración más baja de potasio y una concentración más alta de calcio que en el resto del ladrillo. Fig. 8. Mapeo de calcio en una capa industrial Fig. 9. Mapeo de potasio en una capa de laboratorio. Fig. 7. Mapeo de potasio en una capa industrial (MEB) En las fotografías 9 y 10 se muestra que en las capas obtenidas en el laboratorio la difusión descrita es incipiente. Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 Fig. 10. Mapeo de calcio en una capa de laboratorio. 17 �Formación de capas de hierro en reactores de reducción directa. Parte I: Los factores Esto indica que este mecanismo de anclaje es secundario. Otro mecanismo que tiene lugar y que se observa en las muestras es el entrelazado o anclaje mecánico, este caso se observa tanto en la capa industrial como en la de laboratorio. En ambos existe una separación química del hierro a uno y otro lado de la interfase, pero existe un contacto íntimo entre hierro esponja y refractario. El sinterizado es otro mecanismo que tiene lugar ya que las partículas de hierro esponja se unen, disminuyéndose la porosidad (Figuras 11 y 12) y aumentando la resistencia, a tal grado que la densidad de la capa es hasta un 50% mayor que la de la partícula de hierro esponja. El esfuerzo normal en el reactor industrial tiene a un valor típico de 3.1 Kg/cm2 mientras que en el reactor piloto es del orden de 0.1 Kg/cm2. A partir de la ecuación de Rumpf16 se pueden calcular las fuerzas puntuales entre las partículas en lecho empacado en función de la porosidad de éste, del diámetro de la partícula y del número de coordinación y el esfuerzo sobre el lecho. Nuestro cálculo arroja que los esfuerzos en los puntos reales de contacto son del orden de 250-2500 Kg/cm2. Por experiencia en el briqueteado en la planta piloto de HYLSA, se sabe que el hierro esponja fluye plásticamente y disminuye su porosidad a temperaturas por encima de los 650°C, se compacta con una presión mayor de 1000 Kg/cm2. Por lo tanto este fenómeno debe ocurrir en los puntos de contacto entre pelets y pared de refractario. COMENTARIOS FINALES Fig. 11. Mapeo de hierro en una capa industrial Fig. 12. Mapeo de hierro en una capa de laboratorio 18 En esta primera parte se mostró como se logró la formación de capas en el laboratorio gracias a un nuevo diseño donde se usa una celda rotacional que permitió aplicar esfuerzos de corte a la interfase pelet-refractario, con renovación de material según demandaba la degradación. Se demostró que el esfuerzo cortante es el origen de la formación de las capas a escala laboratorio, lo cual corresponde a la prueba de la hipótesis que se planteó en este trabajo. Los resultados mostrados confirmaron la importancia del esfuerzo cortante y se probó que las variables seleccionadas son adecuadas, sin embargo sin un análisis de varianza no es posible cuantificar la importancia de cada variable ni construir un modelo que describa la cinética de crecimiento de las capas. Estos aspectos serán presentados en la segunda parte de este artículo. Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �Ubaldo Ortíz, Juan Aguilar, Jorge Berrún, Ricardo Viramontes AGRADECIMIENTOS Los autores expresan su agradecimiento al CONACYT por el apoyo para la realización de este trabajo, así como a la empresa HYLSA. REFERENCIAS 1. Jenike (A.W.).- Johanson (JR), Carson (JW)- Bin loads part 2, concepts, Journal of engineering for industry, Trans ASME 1973, Series B, Vol 95, No. 1, p 1-5. 2. Roberts (A.W.).- Bulk solids handling, recent developments and future directions, Bulk solids handling. March 1991, Volume 11, number 1, p 17-35. 3. Pietsch (W.B.).- Adhesion and agglomeration of solids during storage, flow, and handling. Journal of engineering for industry, Trans ASME May, 1969, p 435-449. 4. Bates (L) - The storage, feed and collection of loose solids Powder handling and processing April/June, 1994, Volume 6, Number 2, p 215-221. 5. 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Mackenzie (J.K.), Shuttleworth (R.).- A phenomenological theory of sintering Proc phys soc LXII, 1949, Volume 12-B, p 833-852. 11. Bird (R.B.), Stewart (W.E.), Ligthfoot (E.N.)- Fenómenos de transporte, México Ed. Reverté, S A , 1964, p 27-30. 12. Schmalzried (H.).- Solid state reactions Monographs in modern chemistry,Volume 12 - Weinheim, Deer-field, Florida, Basel Verlag Chemie , 1981, p 11-18. 13. Ooms (M.), Roberts (A.W.).- Significant influence on wall friction in the gravity flow of bulk solids Bulk solids handling 1985, Volume 5, Number 6, p 1271-1277. 14. Roberts (A.W.), Ooms (M. ), Scott (O.J.). - Surface friction and wear in the storage, gravity flow and handling of bulk solids Proc conf War on wear, wear in the mining and mineral extraction industry, Inst. of mech. Engnrs., Nottingham, U K ,1984 - New South Wales The University of Newcastle, 1984, p 123-134. 15. 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The linearity and low DC power consumption requirements of amplifiers are analysed in function of the carrier/ interference ratio (C/I). Keywords: Design, power amplifiers, mobile communication systems, BJT. 1. INTRODUCCIÓN En los sistemas de comunicaciones móviles inalámbricos, el parámetro de calidad más importante es la relación Portadora a Interferencia (C/I), en donde el enfoque fundamental en dichos sistemas ha sido controlar el factor de interferencia (ruido térmico más interferencia co-canal y canal adyacente), para cumplir con el valor límite impuesto de 9dB en sistemas digitales. Para el caso del nivel de portadora, que depende del nivel de energía isotrópica radiada de potencia (EIRP), de las ganancias de las antenas (del terminal móvil y de la estación base), y de las pérdidas por propagación, el parámetro a controlar es precisamente el nivel de potencia, buscando desde luego disminuir el nivel de interferencia con otros usuarios, pero fundamentalmente evitar la aparición de los tan temidos productos de intermodulación. En este trabajo nos enfocamos al diseño de la sección de radio frecuencia (RF), de los transreceptores del terminal móvil y estación base con el objetivo de optimizar el funcionamiento global de los sistemas de comunicaciones móviles, a partir del diseño óptimo (mínimo producto de intermodulación de segundo y tercer orden) de la sección de RF más la antena de los transreceptores mencionados tal y como se muestra en la figura 1: 20 Fig. 1. Diagrama de la sección de RF más la antena en comunicaciones móviles inalámbricas según DoCoMo. En *cualquier sistema de comunicaciones el principal parámetro de calidad es la relación (Portadora /Ruido) C/N en el receptor. Este parámetro define que tanta potencia de la señal se compara con la potencia de ruido presente en el canal. Por lo tanto, C/N se puede considerar como un factor de mérito del sistema de comunicaciones cuya ecuación es la siguiente: C (ERP )LPGr = N N (1) * Grupo de Comunicaciones Inalámbricas. Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada. CICESE. Km.107 CARR. TIJUANA-ENSENADA, B.C. C.P. 22860, México. Teléfono: (6)175-05-55, Fax:(6) 175-05-54. e-mail: (calor, dacoro)@cicese.mx. Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �Catarino Alor Aguilar, David H. Covarrubias Rosales Donde: ERP es la potencia radiada efectiva, Lp son las pérdidas por propagación en el canal, Gr es la ganancia de la antena receptora, y N es la potencia efectiva de ruido. Normalmente el tipo de ruido que se considera es el ruido térmico, el cuál viene dado por: N = kTW (2) Donde: k es la constante de Boltzman, T es la temperatura de ruido del receptor y W es el ancho de banda del sistema.1 De acuerdo a las expresiones anteriores, se puede determinar que la calidad del enlace es dependiente de los parámetros: ganancias de las antenas Tx y Rx, potencia de transmisión y temperatura de ruido, parámetros todo bajo control de diseño. generada por el amplificador de potencia y la potencia consumida en señal continua (DC). En muchos casos la distorsión puede ser reducida, esto a expensas de incrementar la disipación de potencia en DC. La distorsión en los amplificadores de potencia resulta por lo tanto en una señal espectral muy grande de salida.3 Por lo cual, dentro de los requerimientos para mejorar los sistemas de comunicaciones inalámbricas proponemos hacer una investigación en los siguientes aspectos: • Reducción en el consumo de potencia de DC para los amplificadores de potencia: Se desarrollarán mejoras en el manejo de la potencia, dándole un enfoque en la linealización de los amplificadores de potencia para las aplicaciones en la telefonía móvil. En esta área de investigación buscaremos mejorar el diseño de los amplificadores de potencia. Específicamente será nuestro propósito desarrollar una alta eficiencia en los amplificadores de potencia, esto es manteniendo siempre una alta linealidad en la caída de la fuente de voltaje de la potencia del móvil, minimizando el consumo de la batería.4 • Técnicas de mejoras de linealización: Las comunicaciones móviles celulares, requieren del empleo de técnicas de desarrollo y mejoramiento en la linealización, para el caso de altas potencias, y/o amplificadores de potencias de alta frecuencia. Mediante el empleo de dichas técnicas, se busca mejorar las prestaciones de los amplificadores de potencia en cuanto a la linealidad, del parámetro interferencias, especialmente crítico en ambientes celulares del tipo CDMA, en donde la principal limitación del sistema se debe a las interferencias. El parámetro de El único parámetro fuera de control es el parámetro de propagación o pérdidas por trayectoria. Esta pérdida se refiere a la atenuación que sufre la señal en su ruta entre el Tx y Rx.1 Tomando en cuenta lo anterior, en este trabajo nos enfocaremos al diseño de la sección de RF de los transreceptores del terminal móvil, con el objetivo de optimizar el funcionamiento global de los sistemas de comunicaciones móviles, a partir del diseño óptimo (mínimo producto de intermodulación de segundo y tercer orden) de la sección de RF más la antena de los transreceptores mencionados.2 2. REQUERIMIENTOS DE LOS DISPOSITIVOS Y CIRCUITOS DE RF EN EL ESCENARIO DE MÓVILES CELULARES Las transmisiones de las señales de la etapa de RF a través de los puertos de una antena, ya sea ésta de un teléfono inalámbrico, ó de una estación base, están fundamentalmente limitadas por la distorsión Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 21 �Diseño de amplificadores de potencia aplicados a comunicaciones móviles inalámbricas linealidad está muy relacionado con el nivel de potencia de cada usuario móvil. El estado del arte en los aspectos de nivel portadora a interferencia, como un parámetro de calidad en los sistemas móviles celulares, marca como un punto relevante la importancia que tiene la aplicación de los amplificadores de potencia, medidos en términos de la eficiencia y linealidad. Basándose en los aspectos anteriores buscaremos en nuestros diseños del transreceptor móvil tener una mejor linealidad en el amplificador de potencia y una reducción en el consumo de potencia en DC. Una influencia adicional en la linealidad del amplificador se presenta en la antena del móvil, ya que se crean lóbulos laterales inaceptables y que degradan en gran medida las prestaciones de los transreceptores empleados en las comunicaciones móviles, por lo cual, es necesario minimizar la distorsión de la fase en los amplificadores de potencia.4 Las características de los transreceptores de la estación base y terminal móvil se muestran en la figura 2. De la figura anterior, se puede mencionar que los amplificadores de potencia se caracterizan por tener requerimientos de potencia de salida típicamente de 1w ó menos, pero idealmente requieren una eficiencia de conversión de DC-RF muy alta.4 Cuando se considera la potencia de DC, el amplificador de potencia típicamente ocupa entre el 20 y 40% del sistema total, así que obviamente, existe una oportunidad de mejorar el tiempo de vida de la batería, si el consumo del amplificador de potencia puede ser reducido. La mayoría de los amplificadores de potencia mantienen una disipación de potencia de DC constante, cuando la potencia de salida del amplificador es reducida. De aquí que la eficiencia en promedio en DC del amplificador se vea afectada. Como se mencionó anteriormente, hay dos parámetros de diseño y desarrollo principales de mucha importancia en los amplificadores de potencia en comunicaciones móviles y estas son: “Mejoras en la linealidad y mejoras en el consumo de potencia de DC”. 3. REQUERIMIENTOS DE LINEALIDAD Y DISIPACIÓN DE POTENCIA EN AMPLIFICADORES DE POTENCIA. Las transmisiones de las señales de RF a través del sistema móvil, están fundamentalmente limitadas por la distorsión generada por el amplificador de potencia y por la potencia de DC consumida por el amplificador. En la mayoría de los casos, la distorsión puede ser reducida, pero solo a expensas de la disipación de la potencia incrementada.3 Fig. 2. Amplificadores de potencia para comunicaciones inalámbricas (a) amplificador de potencia de la estación base y (b) amplificador de potencia del teléfono móvil. 22 La distorsión en el amplificador de potencia resulta en una modificación espectral de la señal de Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �Catarino Alor Aguilar, David H. Covarrubias Rosales salida y en un incremento en el ancho de banda de la señal. Esto se ilustra en la figura 3. Como un resultado, el recrecimiento espectral de una amplitud grande de canal puede alterar la señal deseada en una amplitud en una banda pequeña de una frecuencia adyacente, como se muestra en la figura 4. Fig. 3. Modificación de la señal en los amplificadores de potencia inalámbricos (a) caso ideal, y (b) con distorsión. Este recrecimiento espectral resulta del hecho de que cualquier operación no lineal en una forma de onda conteniendo frecuencias múltiples, crea nuevas frecuencias de las frecuencias originales. Algunos de estas nuevas señales están a frecuencias adyacentes a la señal original, y pueden crear una descomposición significante de la señal deseada a estas frecuencias llamados productos de intermodulación.4 Aunque los amplificadores de potencia crean problemas de distorsión para todos los sistemas de comunicaciones, ésta resulta especialmente crítica en los sistemas de comunicaciones móviles celulares. Esto es debido al hecho de que la potencia recibida por el sistema móvil celular varía sustancialmente en tiempo y frecuencia, debido a la presencia de multitrayectorias, y otras variaciones de efectos de tiempo del orden de milisegundo y del nivel de la señal recibida de 60dB. Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 Fig. 4. ACPR para diferentes requerimientos de los estándares de sistemas de comunicaciones inalámbricas (a) AMPS y (b) CDMA IS-95. El espacio del recrecimiento espectral varía según los estándares de las comunicaciones inalámbricas y es una función compleja del formato del espaciamiento de la modulación del canal del entorno del medio ambiente. Como un ejemplo, los requerimientos de Ajuste de Potencia de Rechazo de Canal (ACPR), son medidos en el recrecimiento espectral, esto es mostrado en la figura 4 para varios estándares de comunicaciones inalámbricas. Por ejemplo el estándar doméstico análogo (AMPS) en los Estados Unidos utilizan un esquema de acceso múltiple por división de frecuencia (FDMA), con una única frecuencia alojada en cada usuario durante periodos activos. El espaciamiento entre los canales es de 30KHz, así el amplificador de 23 �Diseño de amplificadores de potencia aplicados a comunicaciones móviles inalámbricas potencia tiene que tener suficiente espectros pequeños, esto con una portadora de frecuencia de aproximadamente de 850MHz. En particular, el estándar AMPS especifica que el recrecimiento espectral, debe de ser menos de 26dBc a frecuencia de solo 20KHz aislado de la frecuencia deseada. Para obtener esto el amplificador de potencia tiene que ser muy lineal.4 Similarmente, el estándar digital CDMA IS95 CDMA multicanaliza a muchos usuarios diferentes en una sola señal de ancho de banda de 1.25MHZ, pero esta señal debe co-existir con portadores adyacentes analógicos así como con otras señales CDMA pero a diferentes frecuencias de portadoras. 4.-DISEÑO DEL POTENCIA. AMPLIFICADOR DE El objetivo de mejorar las prestaciones en el amplificador de potencia, se refleja directamente en una mejora en nuestra relación C/I. Particularmente en el parámetro de la portadora. De allí la importancia de obtener un buen diseño del amplificador de potencia y de la antena para el terminal móvil.4 En este caso, la especificación requiere que el recrecimiento espectral debe de ser menos de 42dB por debajo de la portadora de la frecuencia más grande que está entre 900KHz y 1.98MHz lejos de la frecuencia portadora, y menos de 54dB por debajo de la frecuencia portadora más grande que es de 1.98MHz. Nuestro diseño del amplificador de potencia para el sistema CDMA consideró las siguientes especificaciones: • Tipo de amplificador.- Amplificador de potencia. (Clase AB). • Nivel de Portadora máxima.-9dB. • Intervalo de frecuencia.- de 900MHZ a 1900MHz. • Linealidad.-ACPR<-42dBc a 900KHz offset y ACPR<-54dBc a 1980MHZ. • Frecuencia Portadora.-1.25MHZ. • Tipo de Transistor.- BJT. • Ganancia de Potencia.- >20dB. • Potencia de Eficiencia Agregada.- 30% a la máxima potencia de salida. • Máxima Potencia de Salida.- 28dB. • Potencia de Ajuste (Limite de distorsión).- (42dBc) al nivel de compresión de 1dB. Al mismo tiempo que el amplificador de potencia debe de mantener un alto grado de linealidad, también debe de haber una reducción en la magnitud del consumo de la energía. Un factor importante en esto es la reducción en el voltaje de la batería, desde 7V a 3V.4 Con las especificaciones anteriores y como parte del diseño del amplificador de potencia, se utilizó el programa MMICAD para obtener la respuesta de linealidad, factor de ruido, ROE, entre otros parámetros del amplificador en todo el ancho de banda; tal y como se muestra en la figura 5. En este caso, los requerimientos de la linealidad deben de ser más rígidos, como se muestra en la figura 4(b), dado que el espacio del ancho de banda de la señal modulada lleva los productos de distorsión, aunque espacios remanentes de los canales son casi mínimos en el espacio del ancho de banda. 24 Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �Catarino Alor Aguilar, David H. Covarrubias Rosales Finalmente, y como resultado del proceso de diseño, la figura 6 muestra el arreglo topológico del amplificador de potencia para el terminal móvil en un sistema CDMA. El procedimiento seguido en el caso anterior viene a confirmar nuestra premisa de proponer una metodología simple de diseño de amplificadores de potencia aplicados a sistemas móviles celulares desde el punto de vista del terminal móvil, o bien de la estación base. Fig. 5. Resultados del diseño del amplificador de Potencia utilizando MMICAD. De la figura anterior podemos concluir que el diseño del amplificador de potencia para un sistema CDMA cumple adecuadamente las especificaciones de linealidad en todo el ancho de banda de 800 a 1900MHz, así como otros parámetros importantes del dispositivo tales como ROE, factor de ruido entres otros ( tabla I). Este procedimiento lo podemos aplicar a sistemas analógicos, sistemas digitales de banda estrecha o de banda ancha, en cualquiera de los casos, posterior al diseño del amplificador se efectúa una etapa de optimización de los parámetros del mismo con la idea de cumplir los requerimientos del nivel de C/I establecidos. ! MMICAD VERSION 2 Sat Dec 02 18:31:55 2000 ! FRAME: GRAPH1 ! TITLE: .9-1.9 GHz ideal Amplifier Design ! Freq DB[S21] DB[S11] DB[S22] ! GHz SUPERAMP SUPERAMP SUPERAMP DB[NF] 0.900 3.76438 -1.49351 -7.55391 1.000 4.63982 -2.13162 -9.39118 3.92466 1.100 5.42854 -2.87045 -11.5070 3.89683 1.200 6.06806 -3.66257 -14.0330 3.87861 1.300 6.55429 -4.44475 -17.2422 3.87406 1.400 6.90716 -5.15258 -21.7795 3.88354 1.500 7.15356 -5.73630 -29.1344 3.90586 1.600 7.31917 -6.17132 -28.4368 3.93929 SUPERAMP 3.94975 1.700 7.42532 -6.45923 -21.9661 3.98204 1.800 7.48838 -6.62034 -18.1696 4.03241 1.900 7.52043 -6.68309 -15.6189 4.08888 Tabla I.- Resultados del diseño del amplificador de potencia empleando el programa MMICAD. Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 Fig. 6. Arquitectura del amplificador de potencia del terminal móvil para un sistema CDMA. 25 �Diseño de amplificadores de potencia aplicados a comunicaciones móviles inalámbricas 5.-CONCLUSIONES. BIBLIOGRAFÍA CONSULTADA. En este trabajo nos hemos enfocado al diseño de la sección de RF de los transreceptores del terminal móvil, con el objetivo de optimizar el funcionamiento global de los sistemas de comunicaciones móviles, a partir del diseño óptimo (mínimo producto de intermodulación de segundo y tercer orden) de la sección de RF más la antena de los transreceptores mencionados. 1. David H Covarrubias. Notas del curso de maestría Comunicaciones Móviles Celulares. CICESE. Octubre del 2000. Hemos presentado una metodología de diseño aplicada a amplificadores de potencia utilizados en los sistemas de segunda, segunda plus y tercera generación de sistemas de comunicaciones móviles celulares. 26 2. Jakes William. Microwave Mobile Communications, IEEE Press-IEEE Communications Society, first edition, U.S.A. 1994, pp. 79-131. 3. Rappaport Theodore S. Wireless Communications: Principles and Practice, Prentice Hall PTR, first edition, U.S.A. 1996, pp. 116-119. 4. Peter Asbeck. Linear Power Amplifiers, PressIEEE Press, U.S.A. UCSD. 1999. Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �La rugosidad de las superficies: Topometría Moisés Hinojosa Rivera, Martín Edgar Reyes Melo* Abstract The importance of accurate roughness measurements is discussed in this work, the most common techniques to record topographic profiles are described and the most popular parameters used to quantify roughness are presented. A brief discussion on the self-affine character of heigth profiles is also presented. The fact that both the average roughness and the rms roughness depended on the sample length and hence cannot be considered as surface properties is emphasized. The use of the roughness exponent in modern statistical topometric methods is also included in this discussion. INTRODUCCIÓN Las superficies de los cuerpos son objetos muy complejos, en ellas la composición química es en general diferente de la composición dentro de los objetos, los materiólogos saben que el ordenamiento atómico también es muy distinto en las superficies y es mucho más complicado y dificil de describir, aún las superficies consideradas como “muy lisas” muestran, cuando son analizadas a escala suficientemente fina, una compleja diversidad de particularidades geométricas, tal vez estas razones llevaron al ilustre Wolfgang Pauli (1900-1958) a afirmar que “las superficies son obra del demonio”. Desde el punto de vista de la ciencia e ingeniería de materiales, la topografía se ocupa de la descripción del conjunto de particularidades geométricas naturales o artificiales que caracterizan a una superficie. En cierta manera es un pleonasmo hablar de “topografía de superficies”. Uno de los conceptos que se usan en topografía para describir la irregularidad de las superficies es el de rugosidad. La cuantificación de la rugosidad es uno de los problemas que aborda la topometría. El objetivo del Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 presente artículo es discutir de manera sencilla algunos métodos y técnicas que se usan para describir cuantitativamente la rugosidad de las superficies encontradas en componentes de ingeniería. ALGUNAS CONSIDERACIONES SOBRE LA IMPORTANCIA DE CUANTIFICAR LA RUGOSIDAD Tanto en aplicaciones industriales como en la vida cotidiana,* el grado de rugosidad de las superficies es importante, en ocasiones es deseable tener rugosidad “alta” y en otras ocasiones esta condición es indeseable. En algunos casos se busca que la superficie del producto terminado presente un mínimo de rugosidad, ya que esto le da brillo, mejor apariencia y disminuye la fricción de la superficie al estar en contacto con otra, reduciendo el fenómeno de desgaste y la corrosión o erosión de dichos materiales. * FIME-UANL, A. P. 076 Suc. F, Cd. Universitaria, San Nicolás de los Garza, N. L., Méx. 66450 hinojosa@gama.fime.uanl.mx 27 �La rugosidad de las superficies: Topometría Por otra parte, la fricción entre dos superficies es lo que permite sujetar un objeto sin que este resbale. Es la rugosidad de los neumáticos de los automóviles lo que favorece la fricción entre ellos y el suelo, permitiendo de esta manera el agarre y el avance controlado y seguro. En ocasiones se busca maximizar el área superficial, lo que se consigue incrementando la rugosidad, como en el caso de los catalizadores, cuya eficiencia es mejor entre mayor sea la superficie de contacto con los reactivos. Es la rugosidad de los “acetatos”, principalmente, lo que determina si pueden usarse en una impresora láser o en impresoras de inyección de tinta. La rugosidad también es un factor biológico, ya que a escala molecular afecta el modo en que las bacterias se adhieren a las superficies. Los materiales dentales deben presentar una superficie con el mínimo de rugosidad posible, para evitar la acumulación de placa bacteriana y para conseguir un mejor efecto estético. A pesar de su importancia, en la mayoría de los casos las mediciones de rugosidad se realizan de manera subjetiva, lo cual conduce a interpretaciones o conclusiones vagas e imprecisas. SUPERFICIES ESTOCÁSTICAS SUPERFICIES DETERMINISTAS El método más usado en la industria para cuantificar la rugosidad se basa en el registro de perfiles de alturas mediante un rugosímetro o perfilómetro. El tratamiento estadístico de los datos permite determinar parámetros como la rugosidad rms (Rrms) y la rugosidad promedio (Ra). El Perfilómetro El rugosímetro o perfilómetro es por mucho el equipo más utilizado en la industria en general para medir la rugosidad de componentes comunes de ingeniería. El principio de operación de este equipo es simple: una fina punta en contacto con la superficie a analizar realiza un barrido controlado en línea recta y las variaciones de alturas se convierten en señales eléctricas y se registran o grafican, en la figura 1 se ilustra este principio. Y Topográficamente, aquellas superficies que no tienen una dirección o patrón geométrico preferente debido al proceso de su generación se conocen como aleatorias o estocásticas, las superficies que resultan de romper un objeto generalmente son de este tipo. Las superficies con un patrón geométrico distinguible se conocen como deterministas, una superficie maquinada en un torno es de este tipo. 28 TÉCNICAS Y MÉTODOS PARA MEDIR LA RUGOSIDAD. Fig. 1. Principio de operación y rugosímetro perfilométrico. componentes de un Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �Moisés Hinojosa Rivera, Martín Edgar Reyes Melo Es posible construir imágenes de la topografía en 3D mediante barridos sucesivos, algunos autores llaman a esta técnica “Microscopía Mecánica de Barrido”. Un parámetro muy importante de estos equipos es la forma y el radio de la punta, ya que ésta influye de forma importante en la resolución lateral de las mediciones. Típicamente se utilizan puntas con radios de algunos micrómetros, 2 µm es un valor común. Aunque la resolución vertical es generalmente menor que el radio de las puntas, no pueden detectarse con alta precisión valores de rugosidad menores al radio de la punta. En general, una punta burda o desgastada resulta en valores de rugosidad más bajos que los obtenidos usando puntas finas. Típicamente un perfilómetro permite longitudes de muestreo de hasta algunos centímetros con resolución micrométrica. Otros equipos En este apartado mencionaremos brevemente solo algunos de los equipos diferentes al perfilómetro que tienen un uso relativamente frecuente en la cuantificación de la rugosidad. Debemos mencionar también que existen muchos equipos, accesorios y métodos que permiten una evaluación cualitativa de la rugosidad. En general los equipos para medir la rugosidad pueden clasificarse como de contacto y de no-contacto. Además del perfilómetro, otro equipo de contacto digno de mencionar es el microscopio de fuerza atómica (MFA), que en aplicación a observaciones topográficas puede considerarse como un perfilómetro de resolución sub-nanométrica que opera de forma similar a la mostrada en la figura 1. Típicamente el MFA permite longitudes de muestreo máximas de 100 µm con resolución nanométrica. En la figura 2 se muestra una imagen Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 de MFA correspondiente a una superficie de vidrio, más adelante en el texto haremos referencia nuevamente a esta figura. Fig. 2. Imagen de microscopía de fuerza atómica (MFA) de la zona especular en una superficie de vidrio fracturado. Los equipos de no-contacto son en general ópticos aunque el microscopio de fuerza atómica puede también operarse en modo sin contacto. Los equipos ópticos se basan en cambios en el enfoque de luz monocromática que corresponden a diferencias de alturas en la superficie. Otros equipos ópticos aprovechan el fenómeno de interferencia (interferómetros). Un equipo óptico común en metrología de taller que puede utilizarse para determinaciones cuantitativas de rugosidad es el proyector llamado Comparador Óptico. LOS PARÁMETROS DE RUGOSIDAD En general los parámetros utilizados para cuantificar la rugosidad pueden interpretarse como parámetros propios de la distribución estadística de alturas del perfil o superficie bajo análisis. Antes de discutir los parámetros de rugosidad es conveniente distinguir entre la rugosidad propiamente dicha y otros componentes de la 29 �La rugosidad de las superficies: Topometría textura o morfología como la ondulación (waviness), la curvatura y la inclinación o tendencia (trend). En la figura 3 puede observarse que una superficie puede poseer curvatura y/o ondulación periódica o aperiódica, estos componentes deben eliminarse o extraerse antes de cuantificar la rugosidad. 2.5 a 0.5 mm. L Ra = 1 L ∫ y(x ) dx 0 Dónde L es la longitud de muestreo. A su vez Rrms se define como: L Rrms = 1 L ∫ [y(x )] dx 2 0 Perfil “teórico” < 0.5 mm. Defecto de primer orden (geometría) Defecto de segundo orden (ondulación periódica) } Parametros de ondulación Rrms representa el promedio de las desviaciones cuadráticas respecto a la altura media, es la desviación estándar de la distribución estadística de alturas, que a su vez es la raíz cuadrada de la varianza o segundo momento respecto a la media. } Defecto de tercer orden (estrías pseudo-periódicas) Parámetros de rugosidad Defecto de cuarto orden (defecto aperiódico) Fig. 3. Los cuatro primeros órdenes de defectos topográficos en una superficie con curvatura y ondulación. La figura 3 ilustra los cuatro órdenes de defectos topográficos que distinguen algunos autores. La desviación del perfil respecto a la forma esperada (en el maquinado por ejemplo) se considera el defecto de primer orden. La ondulación periódica a nivel mesoscópico y macroscópico se considera defecto de segundo orden mientras que las estrías pseudoperiódicas pertenecen al tercer orden. En cuarto orden se tiene los defectos aperiódicos. Los parámetros de rugosidad más usados en ingeniería son la rugosidad promedio, (Ra) y la rugosidad rms (Rrms). Ra es el promedio aritmético de los valores absolutos de las alturas y(x) medidas a partir de la línea central, figura 4. Matemáticamente Ra se define como: 30 Fig. 4. Designación de algunos parámetros de rugosidad. Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �Moisés Hinojosa Rivera, Martín Edgar Reyes Melo Los diferentes procesos de manufactura dan lugar a valores de rugosidad inherentes típicos. Como ejemplos, el corte con soplete produce valores Ra de hasta 50 micrómetros, la extrusión proporciona valores típicamente menores a 10 µm, el electropulido logra superficies muy lisas con Ra del orden de 0.1 µm. Producir superficies poco rugosas tiene un costo, en la Tabla I se muestra el costo relativo de obtención de diferentes grados de Ra tal como se indican (en inglés) en el ASM Metals Handbook. Otra medida de la rugosidad que se emplea mucho en trabajos de investigación de topometría es el rango, Ry o diferencia máxima de alturas en la longitud de muestreo, también es un momento estadístico. Clase Super finish Polish Ground Smooth Fine Semifine Medium Semirough Rough Cleanup TABLA I Rugosidad, Ra (µm) Costo relativo de obtención 0.10 0.20 0.40 0.80 1.60 3.2 6.3 12.5 25 50 40 35 25 18 13 9 6 4 2 1 El usuario de un rugosímetro puede percatarse de que desafortunadamente la rugosidad reportada por los parámetros discutidos depende fuertemente del tamaño de muestreo, en general se encuentra que a mayores longitudes de muestreo se detecta mayor rugosidad. Ra y Rrms no pueden considerarse como propiedades de una superficie. Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 En la figura 3 se muestran los parámetros de rugosidad aquí discutidos y se incluyen además los párametros Rz o “altura de diez puntos”, y la “altura de ondulación”, W. Rz es la distancia promedio entre los cinco picos más altos y los cinco valles más profundos en la longitud de muestreo. W tiene una definición aún más rebuscada. Existen otras medidas de la rugosidad que se pueden consultar en las lecturas recomendadas. ESCALAMIENTO Y AUTOAFINIDAD La gran irregularidad morfológica de los perfiles topométricos se presta para su análisis mediante la geometría fractal. Es evidente que un perfil obtenido al analizar la superficie de un componente de ingeniería con un perfilómetro puede compararse al perfil de una montaña, si no se especifica la escala respectiva ambos podrían tomarse como equivalentes, esta propiedad es llamada autosimilitud o más propiamente autoafinidad. La aplicación de conceptos de la geometría de fractales al análisis de perfiles rugosos permite demostrar que los diferentes momentos estadísticos de la distribución de alturas de ciertos perfiles dependen del tamaño de muestreo L y siguen un comportamiento proporcional a LH (ley de Potencia). El exponente H es conocido como el exponente de Hurst o exponente de rugosidad, está relacionado a la dimensión fractal y caracteriza o cuantifica la irregularidad del perfil. Los perfiles que cumplen con tal relación se dice que son autoafines. La figura 5 muestra perfiles generados por computadora con diferentes valores de H, nótese que a medida que H aumenta los perfiles lucen más “lisos”, una línea completamente lisa o recta posee un valor H de 1. A diferencia de los parámetros Ra y Rrms, idealmente H es independiente del tamaño de muestreo. 31 �La rugosidad de las superficies: Topometría difusa espejo fibrosa Fig. 5. Perfiles con diferente exponente de rugosidad generados usando un algoritmo matemático (Cortesía V. González). Al principio de este artículo se mencionó que aún los objetos más lisos muestran gran irregularidad si son analizados a escala suficientemente pequeña. Un ejemplo dramático de esto lo proporcionan las familiares superficies de un vidrio roto. Si se observa la zona cercana al origen de la fractura con una lupa, es fácil distinguir tres zonas, dos zonas de rugosidad marcada y una zona muy “lisa” y brillante, esta última zona es llamada “espejo”. En la figura 6 se muestran estas zonas tal y como se observan en un microscopio electrónico. Si se emplea un perfilómetro para analizar la zona espejo se concluye que la superficie es efectivamente lisa o con rugosidad escasa. Sin embargo, el análisis de esta zona mediante un microscopio de fuerza atómica muestra que la zona espejo tiene una topografía como la mostrada en la figura 2, el aspecto de dicha zona ahora es muy “rugoso”. 32 Fig 6. Superficie de un vidrio fracturado mostrando las tres zonas características. ¿Por qué refleja tan bien la luz una superficie tan “rugosa”? Simplemente porque la magnitud máxima de las variaciones topográficas es del orden de 100 nanómetros, magnitud inferior a la longitud de onda de la luz. La figura 7, construida empleando el llamado método de ventanas de ancho variable, muestra el comportamiento típico de los momentos estadísticos w(r) al variar la longitud de muestreo, se observa el comportamiento de ley de potencia con H = 0.8, dicho comportamiento autoafín se pierde para un valor de longitud de muestreo del orden de 100 nanómetros (100 x 10-9 m), dicho valor límite es conocido como la longitud de correlación. Un perfilómetro indicará rugosidad nula porque su resolución es insuficiente para revelar detalles menores que la longitud de correlación. Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �Moisés Hinojosa Rivera, Martín Edgar Reyes Melo AGRADECIMIENTOS 10 Los autores agradecen la ayuda de V. Gónzalez, F. Sánchez, E. Sánchez, D. Sánchez. w(r) (nm) 1 LECTURAS RECOMENDADAS 1. F.M. Lira, J. L. Morán López, “El Encanto de las Superficies”, Serie la Ciencia desde México, No. 111, Fondo de Cultura Económica, 1992. 0.1 ζ = 0.8 ξ = 100 nm 0.01 1 10 100 1000 10000 r (nm) Fig. 7. Variación de los momentos estadísticos con el tamaño de muestreo en la zona espejo de una fractura en vidrio. CONCLUSIÓN En general todas las superficies manifiestan una gran irregularidad morfológica. Industrialmente el instrumento más empleado para medir la rugosidad es el perfilómetro. El microscopio de fuerza atómica permite analizar la topografía a escalas mucho más finas que un perfilómetro. Los parámetros más empleados para medir la rugosidad son Ra y Rrms, sin embargo estas cantidades dependen del tamaño de muestreo y no pueden ser consideradas como propiedades de una superficie. Los métodos de vanguardia a nivel investigación emplean longitudes de muestreo variables y cuantifican la rugosidad mediante el exponente de Hurst y la longitud de correlación. Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 2. J.A. Broadston, “Designación, Producción y Control de la Textura Superficial”, en Manual del Ingeniero Mecánico Marks, E. A. Avallone y T. Baumeister, 3ª ed., McGraw-Hill, p. 13.8613.92, 1992. 3. M. Field, J.F. Khales y W.P. Koster, “Surface Finish and Surface Integrity, en ASM Metals Handbook Vol.16, “Machining”, pp. 19-36, 1989. 4. H. Dagnall, “Exploring Surface Texture”, TaylorHobson, 1986. 5. Cornet y J.-P. Deville, “Physique et Ingenierie des Surfaces”, EBP Sciences, Francia, 1998. 6. Xavier Guerrero, Carlos Guerrero, Moisés Hinojosa y René Garza, “Análisis de Superficies de Alambrón de Cobre con Microscopía de Fuerza Atómica”, INGENIERIAS, Vol. III. 6, pp. 3-7, 2000. 7. Moisés Hinojosa, Elisabeth Bouchaud y Bernard Nghiem, “Rugosidad a Larga Distancia en Superficies de Fractura de Materiales Heterogéneos”, INGENIERIAS, Vol. III. 7, pp. 16-21, 2000. 33 �Maquinado de una sucesión de curvas F. Eugenio López G. *, Rafael Colás O.* Francisco Ramírez C.*, Klaus Rall** Abstract Many objects in the nature are inherently of soft and continuous geometry, so the computers to have to model them, as well as the machines that manufacture the objects starting from the computer models, should be able to reproduce such geometries. Computer aided design and manufacturing systems (CAD/CAM), high quality typography, artistic sketches and the movement of a movie camera are examples of such soft and continuous curves. This article proposes a solution to the problem of machining geometries with continuous curves in a plane. At the same time, different mathematical aspects of the problem are discussed. Keywords: CAD/CAM, geometric modelling, Bezier, NURBS, machining, interpolation, CNC. INTRODUCCIÓN La realidad es diferente a la abstracción geométrica simple. El ejemplo clásico es el de un círculo o una esfera, los cuales no se encuentran a priori en la naturaleza, salvo como abstracción geométrica. Un objeto esférico es resultado de la inteligencia. O, dicho de otra manera, los objetos reales en la naturaleza pueden ser considerados geométricamente como complejos, que se simplifican por medio de un encadenamiento de varias curvas de geometría sencilla. En el ambiente computacional, los formatos de intercambio de datos son mejorados continuamente, y ya desde hace algunos años están incluídas en el formato IGES las curvas NURBS (ver glosario), por ejemplo. *Aunque los controles de máquinasherramienta más modernos permiten el manejo de estructuras de datos de este tipo, la gran mayoría de los controles de máquinas que están trabajando en plantas productivas no lo hacen. Esto establece una diferencia bastante grande entre las capacidades de los controles de la última generación con respecto a sus antecesores. Si una planta productiva desea intentar permanecer en su plano competitivo –o desea mejorarlo- tiene como alternativas solamente la compra de equipo nuevo o implementar ingeniería más eficiente mientras llega el momento de invertir en equipo nuevo. * Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica UANL. ** Departamento de Materiales y Automatización, TUHH, Alemania. 34 Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �F. Eugenio López G., Rafael Colás O., Francisco Rámirez C., Klaus Rall OBJETIVOS El presente trabajo muestra cómo es posible implementar una fase de cálculos para mejorar las capacidades de maquinado para el caso de geometrías de curva continua, como son las curvas de Bezier. Ya que éstas son una clase de las BSplines, la metodología puede también ser usada para toda esta familia de curvas, y en donde se mantenga la matemática que define la geometría, dando como resultado que el proceso de generación de código de maquinado es prácticamente el mismo. Los controles de máquinas-herramienta utilizan un estándar internacional, y las primitivas geométricas disponibles son la línea recta y los arcos. Los códigos correspondientes son G01 (movimiento lineal) y G02/G03 (arcos maquinados a favor y en contra de las manecillas del reloj). Los sistemas de diseño y manufactura asistida por computadora (CAD/CAM por sus siglas en inglés) utilizan para trayectorias de herramienta diferentes al arco y la recta las interpolaciones lineales. Sin embargo, el número de puntos y en general el proceso de interpolación está fuera de la influencia del usuario del sistema. Es frecuente encontrar plantas que trabajan con situaciones no óptimas, en las que puede ser deseable la modificación o mejora del proceso de interpolación de curvas complejas, las cuales no es factible hacer debido a la estructura interna del programa de cálculo. Los cálculos tradicionales para curvas utilizan funciones matemáticas basadas en polinomios, ya sea en forma natural o racionalizada. De esta manera es sencillo representar curvas tales como líneas y arcos, parábolas o hipérbolas, objetos tridimensionales como conos, pirámides o esferas, y en general cualquier tipo de primitiva geométrica. En la siguiente sección se describen las formas de representación más comunes y su fundamento matemático. Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 REPRESENTACIÓN DE MEDIO DE POLINOMIOS CURVAS Un método de representación consistente debe observar que: de POR curvas • sea posible representar exactamente todas las curvas que sean necesarias, • sea fácil, eficiente y lo más exacto posible procesarlas en computadora, • el cálculo de puntos y derivadas sea sencillo, • los métodos numéricos sean robustos y acarreen el mínimo error de redondeo, • se requiera poca memoria computacional para procesar, • sean sencillas y matemáticamente fáciles de entender. Sin embargo, hay curvas que no pueden ser representadas en forma precisa usando polinomios. FORMA IMPLÍCITA Y PARAMÉTRICA Los métodos usados para la representación de geometrías son las ecuaciones implícitas y las paramétricas. La función f(x,y) = 0 es una función implícita. Un ejemplo la figura 1 es la clásica ecuación de un círculo de radio unitario y centro en el origen: f(x,y) = x2 + y2 –1 = 0 Sin embargo, ésta no es la única forma de representar un círculo. Es ampliamente demostrado que un círculo puede representarse por medio de las funciones trigonométricas seno y coseno: x(t) = sen (t) y(t) = cos (t) en donde 0 < t < π 35 �Maquinado de una sucesión de curvas Fig. 1. Forma implícita de un círculo con radio unitario. Fig. 2. Forma paramétrica de un círculo con radio unitario. Con lo que se tiene un círculo en forma paramétrica. Es importante hacer notar que puede existir más de una forma paramétrica para una curva. Sin embargo, la selección de esta forma está determinada por los criterios de sencillez que se deseen tener en un caso determinado. Las curvas de Bezier se basan en los polinomios de Bernstein, que a su vez se definen como: El uso de la forma paramétrica se ha extendido mucho debido a las propiedades matemáticas que permiten su manejo sencillo y flexible como se ve en la figura 2. en donde: 0 < u < 1. i es el índice del vector de n polinomios. REPRESENTACIÓN DE CURVAS MEDIO DE CURVAS DE BEZIER POR La parametrización de una curva por medio de la de sus componentes coordenadas x(u), y(u) puede ser arbitraria, y en consecuencia es posible obtener un espectro de curvas amplio. Por razones de espacio este artículo se centra en curvas en el plano XY, aunque la matemática es la misma que para el caso de tres dimensiones. 36 Bi , n( u) := n! i n −i u ⋅( 1 − u) i! ⋅( n − i)! (1) Las ventajas que justifican su uso son: • No negatividad: Bi,n(u) >= 0 para toda i,n y 0<u<1 • Partición unitaria • B0,n(0) = Bn,n(1) = 1 • Simetría con respecto a: u=i/n • Definición recursiva inclusive sus derivadas. Las curvas de Bezier son un caso particular de splines y se definen como la multiplicación de estos polinomios por un vector de puntos {Pi}. Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �F. Eugenio López G., Rafael Colás O., Francisco Rámirez C., Klaus Rall n C ( u) := ∑ i CURVA DE BEZIER Pi Bi , n ( u) (2) =0 10 A continuación se presentan ejemplos de la determinación de los polinomios: Cy(u) Pyi Ejemplo 1: Suponiendo n=1 y sustituyendo en (1), el desarrollo de los polinomios sería 5 . B0,1 (u) = (1-u) 0 B1,1 (u) = u 0 C(u) = (1-u)P0 + uP1 Fig. 3. Gráfica de los valores usados en el ejemplo 2. Ejemplo 2: de nuevo las C(u) = (1-u)3P0 + 3u(1-u)2P1 +3u2 (1-u)P2 + u3P3 Si P=[(4.0,0.5), (3.0,9.0), (10.0,3.0), (10.0,10.0)], como se muestra en la figura 3, las ecuaciones para cada una de las coordenadas son: ∑ i Pxi ⋅ B( i , n , u) (3) =0 n Cy( u) := ∑ i Se debe hacer notar la posición de los puntos {Pi}. El primer punto del vector es el punto de inicio de la curva; el último es el punto final de la curva. La curva sigue a los puntos intermedios, por lo que al vector {Pi} se le llama vector de puntos de control. Al polígono formado por el vector {Pi} se le conoce como polígono de control. Las ventajas de representar curvas parametrizadas por este método se pueden concluir a través de sus propiedades matemáticas: n Cx( u) := 10 Cx(u) , Pxi La ecuación (2) sería la de una recta de P0 a P1 Suponiendo n=3 y haciendo sustituciones correspondientes 5 Pyi ⋅ B( i , n , u) =0 Cuya curva graficada se muestra en la figura 3. Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 • Los polígonos de control aproximan la silueta de la curva • P0 = C(0) y P3 = C(1) • Las direcciones de tangencia de los puntos inicio y final son paralelos al segmento P1-P0 y P3-P2 • Al inicio (u=0) la curva toma la dirección de P0P1P2. Al final (u=1) toma la dirección de P1P2P3 37 �Maquinado de una sucesión de curvas VECTOR DE PESOS SUCESIÓN DE CURVAS Es posible alterar la trayectoria de la curva de Bezier “jalándola“ hacia los puntos de control intermedios. De esta manera puede modificarse sin alterar los puntos de inicio y final, conservando con esto la continuidad geométrica de la unión entre segmentos. El mecanismo para hacerlo es utilizando un vector de pesos {wi} y con ello obtener la curva racionalizada. Este vector es un valor de peso asignado a cada punto de control. El cálculo de las coordenadas será. Continuidad geométrica. El requisito para poder formar una curva a través de la unión de una sucesión de curvas es la continuidad geométrica. Ésta expresa la suavidad de la unión de dos curvas. Significa que a lo largo de una trayectoria determinada en las uniones de las curvas no existen altibajos o cambios abruptos de trayectoria. x( u) := X ( u) W ( u) y( u) := Y ( u) W ( u) (4a) En donde n X ( u) := ∑ i Pxi ⋅ Bi, n( u) ⋅ wi (4b) =0 n Y( u) := ∑ i Pyi ⋅ Bi, n( u) ⋅ wi =0 y n W ( u) := ∑ i 38 wi ⋅ Bi, n ( u) (4c) Considerando una curva compuesta de dos segmentos, la continuidad geométrica se definiría como sigue: si los dos segmentos de curva están unidos en un punto, entonces la curva tiene continuidad geométrica y se representa por G0. Si las direcciones de las tangentes de cada segmento son iguales en el punto de unión, entonces se dice que la curva tiene continuidad geométrica G1. Si los vectores tangente (primer derivada) de cada segmento son iguales tanto en magnitud como en dirección en el punto de unión, entonces se dice que la curva tiene continuidad geométrica C1. Si los vectores resultado de la derivada n de ambos segmentos en el punto de unión son iguales, entonces se dice que la curva tiene Cn (continuidad geométrica n). Para que exista continuidad geométrica en una cadena de curvas de Bezier es necesario que el último punto del polígono de control de una curva sea el primero del polígono de control de la siguiente. Ver tabla I, figura 4. =0 Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �F. Eugenio López G., Rafael Colás O., Francisco Rámirez C., Klaus Rall Tabla I. Valores XY para los puntos de control {P} y {Q} de la figura 4. Vector de puntos de control {P} Vector de puntos de control {Q} Tabla II. Valores del vector de pesos {W} para las curvas P y Q de la figura 5. Vector de pesos {wp} Vector de pesos {wQ} 1 1 Px Py Qx Qy 3 10 4 0.5 10 10 6 6 1 1 3 9 10 29 10 3 20 13 10 10 15 5 CURVA RACIONAL DE BEZIER 30 Qy Pyi CURVA DE BEZIER CPy( u ) 30 25 20 CQy( u) 15 25 y P( u ) Py Qy CPy ( u ) 10 yq ( u ) 20 5 15 0 CQy ( u ) 5 10 15 20 Fig. 5. Curva resultante tras considerar el vector de pesos {wi}. 5 0 0 Qx, Pxi , CPx( u ) , CQx( u ) , xP( u) , xq( u) 10 0 5 10 15 20 Px, Qx, CPx( u ) , CQx( u ) Fig. 4. Vectores de puntos {P} y {Q} y sus curvas de Bezier. La condición de continuidad geométrica está determinada por la derivada de la curva, y está dada por d Ya que la pendiente de la curva en sus extremos está determinada por el segmento de puntos de control inicial (o final, según sea el caso) la condición de continuidad geométrica está determinada por la posición del segmento final de la curva con respecto al inicial de la siguiente. Para cumplir con la condición de G1 basta con que los tres puntos –que determinan la unión de los dos segmentos en cuestión- sean colineales. Ver tabla II, figura 5. Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 du Bi, n(u) := n ⋅  Bi−1 , n−1(u) − Bi, n−1(u)  (5) CONDICIONES DE MAQUINADO Para efectos de la generación de código NC, el cálculo de puntos a lo largo de la curva se hizo en función del radio de la herramienta a utilizar, considerando la longitud del arco del segmento y sin tomar el cuenta el valor de curvatura. La 39 �Maquinado de una sucesión de curvas longitud de arco L de cualquier curva paramétrica con límites 0<u<1 está definida por: velocidades de avance (F) y rotación (S), así como el uso de las funciones específicas de la máquinaherramienta (como por ejemplo el punto cero de referencia del programa, G55) están contenidos en (6) el archivo NC resultante. 1 ⌠  L :=   ⌡0 2 2 d  d   Cx(u) +  Cy(u) du  du   du  Que es la distancia que tendrá que recorrer la herramienta a lo largo de la curva. La interpolación lineal se determinó como ¼ del valor del radio de la herramienta: k := 0 , r 4L .. 1 . (7) Los puntos calculados para el código NC son Cx (k) y Cy (k) Para verificar el código NC generado se hizo una simulación de maquinado utilizando SurfCAM Verify Plus v4.0.2. La figura 6 muestra el resultado final de la simulación. El programa aceptó sin problemas el código NC generado, lo cual implica cero errores de sintaxis, y posiciones de planos de trabajo válidas. El análisis de colisiones reporta que no existe ninguna colisión, ni condiciones de corte inválidas (por ejemplo enterramiento de herramienta). (8) a lo largo del segmento. Ver tabla III. Tabla III. Valores de los parámetros utilizados en los experimentos Curva P Número de puntos de control Longitud de arco Radio de herramienta Número de puntos calculados Curva Q 4 4 15.393 37.913 2 2 31 76 Fig. 6. Simulación del proceso de maquinado con el archivo NC resultado de los cálculos del ejemplo de la figura 5. COMPROBACIÓN DE RESULTADOS Generación de archivos CLF. Utilizando (8) para el cálculo de puntos, y omitiendo las compensaciones de la herramienta por radio, la localización de la herramienta es directamente asignada por los vectores de puntos Cx(k) y Cy(k). Los códigos de control numérico para el posicionamiento inicial de la herramienta, las 40 MEJORAS POR DESARROLLAR La selección de la herramienta adecuada y su compensación, es crítica para el proceso de maquinado. En el caso presentado aquí no se considera la compensación geométrica y se da por asentado que el radio de la herramienta es lo Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �F. Eugenio López G., Rafael Colás O., Francisco Rámirez C., Klaus Rall suficientemente pequeño para que la trayectoria de la herramienta no contenga colisiones con segmentos de la curva cercanos o con valores de curvatura en donde no quepa la herramienta. También se presupone que la curva no presenta intersecciones consigo misma o que, si así sucede, es intencional. El impacto de los cálculos en el material y su acabado no es considerado; el número de puntos de la interpolación tiene relación directa con ello. Estas consideraciones se proponen para la continuación de este trabajo en el Centro de Manufactura FIMEUANL. archivos CLF Archivo conteniendo los datos de las posiciones del cortador de la herramienta. Del inglés Cutter Location File. B-Splines Curvas similares a las de Bezier presentadas aquí, con un nivel de complejidad mayor. La curvas de Bezier son una subclase de las B-Spline. CAD/CAM Diseño, Manufactura Asistida por Computadora. código NC Código de control numérico estandarizado para el uso y control de las máquinasherramientas. Del inglés Numerical Control. IGES Estándar americano desarrollado a inicio de los ochentas para intercambio de información entre sistemas de CAD/CAM. Especifica formatos de datos gráficos y geométrico para aplicaciones tales como: diseño de circuitos, elemento finito, construcción, etc. NURBS Curvas tipo B-Spline racionales no uniformes. Del inglés NonUniform Rational B-Splines. RECONOCIMIENTOS El presente trabajo fue realizado por los autores como parte de su proyecto de investigación doctoral en el programa de Materiales FIME-UANL durante su estancia en el Departamento de Materiales y Técnicas de Automatización de la Universidad Técnica de Hamburgo, Alemania, bajo el apoyo de PROMEP. Agradecemos la colaboración del Dr. Moisés Hinojosa en la revisión del manuscrito. GLOSARIO DE TÉRMINOS La disciplina que comprende la interacción entre la matemática geométrica, el modelaje computacional y la manufactura con máquinasherramientas utiliza términos provenientes del inglés que se han convertido en un argot disponible para el buen entendimiento entre las personas que trabajan en ello. La lectura de bibliografía especializada obliga el conocimiento y uso de él, por lo que intencionalmente no se omitió aquí. A continuación se presenta la definición de los términos usados en este texto. Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 LITERATURA 1. Foley, James D. Computer Graphics Principles and Practice. Addison Wesley, 1996. 2. Piegl, Les The NURBS Book. Springer Verlag, 1997. 41 �Maquinado de una sucesión de curvas 3. López Guerrero, F. Eugenio. Maquinado de Trayectorias en Dos Dimensiones Basadas en Pixeles. Revista Ingenierías Vol. III, No. 9, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Octubre-Diciembre 2000. 7. Chuang, S. and Lin W. Tool-Path Generation for Pockets with Freeform Curves Using Bezier Convex Hulls. Advanced Manufacturing Technology 13:109 Springer-Verlag London, 1997. 4. Leithold, Louis. El Cálculo con Geometría Analítica. Editorial Harla, 1973. 8. Glassner, A. The Perils of Problematic Parametrization. IEEE Computer Graphics and Applications, September/October 1997. 5. Klein, Friedrich. NC-Steurung für die 5-achsige Fräsbearbeitung auf der Basis von NURBS. Shaker Verlag. Ph.D. Dissertation, Technische Hochschule Aachen, 1995. 6. López Guerrero, F. Eugenio. Generación de Código de Maquinado en 3D para Modelos Geométricos Basados en Mallas. Revista Ingenierías Vol. III, No. 10, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Enero-Marzo 2001. 42 9. Jeon, J. and Kim, K. Generation of Tool Paths for Machining Free-Form Pockets with Islands Using Distance Maps. Advanced Manufacturing Technology 15:311 Springer-Verlag London, 1999. 10. Jeon, J. and Kim, K. Generating Tool Paths for Free-Form Pocket Machining Using Z-BufferBased Voronoi Diagrams. Advanced Manufacturing Technology 15:182 SpringerVerlag London, 1999. Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �Detectando fallas mediante redundancia analítica Efraín Alcorta García* Abstract Every system is vulnerable to faults due to the physical nature of its components. These faults could cause severe damage. A way to reduce the effect of faults consist basically in two steps: first, in detect if they are present in a system as soon as they occur and second: to take a corrective action. This work offers a panoramic view about the fault detection methods based on analytical redundancy. The last part of this work contains a description of some applications in different areas. 1. INTRODUCCIÓN Todo sistema físico sin excepción está sujeto a cambios en sus parámetros, los cuales modifican el comportamiento para el cual fueron diseñados. Estos cambios pueden ser debidos a efectos de la temperatura, desgastes ocasionados por la fricción, el envejecimiento de los componentes, etc. Los cambios en los parámetros del sistema a zonas fuera de los límites de tolerancia especificados por el fabricante o de los límites establecidos de acuerdo a criterios de ingeniería, serán considerados como fallas dentro del presente trabajo. Estas modificaciones afectan en su mayor parte el buen funcionamiento del sistema provocando desde una reducción del desempeño hasta la posibilidad de accidentes más graves. La rápida detección de la presencia de fallas en los sistemas puede ayudar a tomar acciones correctivas y de este modo reducir el daño potencial que esta falla puede ocasionar al sistema. Al procedimiento anterior se le conoce con el nombre de reconfiguración. Ver figura 1. Tradicionalmente los mecanismos para la detección de fallas son basados en el concepto de redundancia y más específicamente en el uso de Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 Fig. 1. Principio de reconfiguración. redundancia física, es decir, en el uso de elementos repetidos en el sistema. Estos elementos nos permiten, por medio de *comparaciones del funcionamiento, tomar decisiones sobre la presencia de fallas y sobre posibles acciones correctivas. Los métodos basados en redundancia física son muy confiables y permiten una rápida corrección de posibles fallas. Sin embargo, debe tenerse claro que la utilización de elementos repetidos en un sistema no puede ser llevada a la práctica siempre. Bajo ciertas condiciones, como por ejemplo, el costo, el tamaño o el peso de los dispositivos, el uso de este tipo de redundancia está limitado. Técnicas alternativas tuvieron que ser desarrolladas para enfrentar los problemas antes descritos. A principios de la década de los 70 fue introducido el concepto de redundancia analítica, el cual complementa los resultados disponibles de los métodos basados en redundancia física. La redundancia analítica está basada en el conocimiento del modelo matemático del sistema en cuestión así como de las señales de entrada y de salida del sistema. Diferentes métodos basados en la redundancia analítica fueron propuestos y sujetos a * División de Estudios de Postgrado, FIME-UANL E-mail: ealcorta@ieee.org 43 �Detectando fallas mediante redundancia analítica fuerte investigación en los pasados 25 años, como se puede corroborar en publicaciones.1-5 El producto de ese trabajo de investigación trajo como resultado el aumento de confianza en estos métodos y, consecuentemente, el que hoy en día se apliquen a sistemas reales. El presente trabajo ofrece un panorama sobre los métodos de diagnóstico de fallas. El reporte se enfoca principalmente a los métodos que son basados en la redundancia analítica. Las ideas básicas de los principales métodos de diagnóstico de fallas son presentadas. Adicionalmente, se presentan algunas aplicaciones a manera de ejemplo. 2. DIAGNÓSTICO DE FALLAS El concepto de diagnóstico de fallas se refiere tanto a la detección como a la localización de una falla, es decir, además de poder determinar si una falla está presente se requiere saber que componente es el que la está ocasionando. Esto último es indispensable en la mayor parte de los casos para poder determinar una acción correctiva. De acuerdo a la referencia2 la tarea de diagnóstico (detección y localización) puede realizarse en dos pasos principales. Ver figura 2: • • 44 Generación de residuos. Este paso consiste en la obtención de señales que contienen información sobre las fallas solamente. Estas señales son llamadas residuos. En el caso ideal los residuos son cero cuando no hay fallas y difieren de cero en la presencia de una falla. Evaluación de residuos. Este paso pretende la extracción de la información contenida en los residuos. La evaluación proporciona información sobre el tiempo en el que una falla ocurrió y sobre el elemento en el cual esta falla está actuando. y (t) L - u (t) S istem a R e sidu o M od e lo ^y (t) G ene rad o r d e resid uo s Fig. 2. Filtro detector de fallas 3. GENERACIÓN DE RESIDUOS La idea en esta sección es repasar los conceptos básicos de los principales esquemas de generación de residuos. Aquí se agrupan los procedimientos basados en redundancia analítica, los cuales se pueden dividir (burdamente) en los que están basados en el modelo matemático y los que se basan en un modelo no obtenido a partir de las leyes de la física, sino a partir de procedimientos comúnmente utilizados en inteligencia artificial. Tres métodos destacan dentro de cada una de las dos grandes divisiones. Por un lado, en los procedimientos basados en el modelo analítico tenemos los filtros detectores, el espacio de paridad y las técnicas de estimación paramétrica. Por el otro lado se encuentran los métodos que utilizan redes neuronales, lógica difusa y otras técnicas de inteligencia artificial. El espacio de paridad El espacio de paridad consiste en formar ecuaciones a partir del modelo del sistema, las cuales tienen que cumplirse si el funcionamiento nominal del sistema no se ve alterado por fallas. Existen tres versiones del espacio de paridad, dos de ellas, sin embargo, son las más populares. La primera fue presentada en la referencia5 y está basada en una representación interna del sistema, en Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �Efraín Alcorta García lo que se conoce como variables de estado. Las ecuaciones de paridad son obtenidas fácilmente después de desarrollar la salida del sistema en el tiempo y formar una ventana de tiempo en la que la variable de salida es conocida. Una versión basada en la misma idea pero utilizando la representación externa.3 La tercera variante considera sistemas continuos y retrasos en las mediciones de la salida del sistema. La implementación de este algoritmo requiere del conocimiento matemático del sistema así como el de las mediciones de salida y entrada. En todos los casos puede ser demostrado que el espacio de paridad puede ser resumido como en la figura 3. R esid uo y (t) Fig. 4. Filtro detector de fallas u (t) S istem a Si una falla afecta al sistema, la diferencia de las salidas (del modelo y del sistema) será diferente de cero con lo que se puede determinar la presencia de una falla. Si se requiere localizarla es necesario generar más información. Esta información se obtiene construyendo residuos con sensibilidad a una determinada falla. El análisis de todos los residuos proporciona la información deseada. M od e lo y^ (t) Fig. 3. Idea básica del espacio de paridad Filtro detector de fallas El filtro detector fue introducido a principios de los años 70 y desarrollado fuertemente en distintas variantes, como puede apreciarse en las referencias1-3. La idea básica del filtro detector es muy parecida a la del espacio de paridad, a pesar de que ambos métodos fueron desarrollados independientemente y solo en fechas recientes se pudo demostrar que ambos métodos producen, bajo ciertas condiciones, resultados semejantes.2 En el filtro detector además de tener un modelo matemático el cual es capaz de predecir el valor de las salidas del sistema en caso de que no hubiera fallas presentes se cuenta con un término de corrección. Ver figura 4. Ingenierías, Abril-Junio 2001 Vol. IV, No. 11 Estimación paramétrica En el caso de estimación paramétrica los parámetros nominales (sin falla) de un sistema son comparados a los estimados actuales. Más información sobre este procedimiento puede ser encontrada, por ejemplo, en la referencia4. Si hay diferencia entre los parámetros se concluye una falla. Note que en este caso la localización puede llevarse acabo de manera directa. Una de las dificultades más grandes es el requerimiento de riqueza en frecuencias de la señal de entrada al sistema, para poder permitir la estimación de los parámetros. Este es un requisito que frecuentemente hace este procedimiento no operable. Métodos basados en redes neuronales La idea básica consiste en encontrar un modelo del sistema, el cual esta basado en redes neuronales. Las redes neuronales son modelos matemáticos simplificados de las neuronas del cerebro humano y 45 �Detectando fallas mediante redundancia analítica consiste generalmente en tres capas de elementos, llamadas neuronas, ver figuras 5, 6 los cuales están altamente interconectados. Fig. 5. Neurona. Métodos basados en lógica difusa La lógica difusa fue desarrollada por el Ing. Lofti Zade a mediados de los años 60 con la finalidad de incorporar la experiencia de los operadores en el diseño de controladores. Para lograrlo Zade definió una nueva lógica que, a diferencia de la lógica tradicional, permite que una variable pertenezca a dos conjuntos basados en una función de pertenencia. Es decir un elemento puede pertenecer a un conjunto en un porcentaje. En la lógica convencional Aristotélica un elemento pertenece o no pertenece a un conjunto. La aplicación a detección de fallas consiste en obtener un modelo difuso del sistema y entonces aplicar las mismas ideas que en el espacio de paridad.7 Métodos basados en inteligencia artificial Fig. 6. Red neuronal. De manera simplificada cada neurona podría definirse como una suma ponderada de entradas que son pasadas a través de una función no lineal, llamada función de activación. El modelo del sistema se obtiene cambiando la ponderación de las entradas de cada red hasta que el comportamiento de la red sea semejante al del sistema.7 El ajuste de los parámetros se denomina aprendizaje de la red. Una vez con el modelo la aplicación a detección de fallas es semejante al esquema de espacio de paridad presentado anteriormente. 46 Aquí se revisa el comportamiento actual con el que se considera normal, el cual es obtenido a través de un sistema experto o cualquier técnica de inteligencia artificial. Estos métodos se utilizan frecuentemente cuando la información disponible sobre el sistema se encuentra principalmente en forma de experiencia y no se cuenta con modelos matemáticos precisos.7 4. EVALUACIÓN DE RESIDUOS La evaluación requiere determinar si los residuos sobrepasan algún valor de umbral determinado. El valor de umbral es necesario para evitar falsas alarmas debidas a condiciones iniciales, pequeñas perturbaciones o dinámicas no modeladas. Generalmente la evaluación se realiza obteniendo una medida del residuo. Esta medida puede ser estadística o determinista. La primera está basada en cálculo de desviación estándar, varianza, media, etc., mientras que los segundos son basados en la Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �Efraín Alcorta García noción de distancia definida en los espacios vectoriales, tales como normas, siendo las más utilizadas la norma 2 ó euclidiana y la norma infinito. 5. APLICACIONES Los sistemas de detección de fallas son parte indispensable de una gran parte de los lazos de control actuales. Esto se puede constatar en la industria de la aviación, la industria automotriz, la industria de la energía eléctrica, en general y particularmente donde existen reactores, calderas o procesos con peligro de explosión. Además, conviene implementarlo en líneas de producción para reducir el riesgo de paro. Ejemplo 1. Sistema de tres tanques. En este sistema dos bombas independientes llenan los tanques de los extremos. Los tres tanques están interconectados y el tercer tanque sólo tiene salida de líquido. La entrada al proceso se define por medio del flujo que proporcionan las bombas y las salidas los niveles del líquido en los tanques. Note que este sistema de laboratorio está equipado para simular fallas, por ejemplo en cualquiera de las dos bombas, en la interconexión de los tanques, en la medición del nivel y con llaves de desagüe en cada tanque para simular fugas. Un total de once fallas pueden ser consideradas. bom ba 1 bom ba 2 F L1 Tan q u e 1 F h3 FB32 h1 F B 13 A L3 Tan q u e 2 FB20 h2 FL 2 A este sistema se le aplicó el método de detección de fallas basado en filtros detectores lográndose localizar un total de 9 de las once fallas posibles. La localización del total de fallas es posible con el uso combinado de otros métodos. Ejemplo 2. Detección de fallas en motores de barcos.6 Otro de los sistemas al que le fueron aplicados mecanismos de diagnóstico de fallas fue al motor de un barco comercial. Para realizarlo fue primero necesario el desarrollo de un modelo matemático dinámico del motor incluyendo su interacción con el medio. Después fueron aplicados diferentes métodos de diagnóstico para comparar los resultados y buscar el más eficiente. Cabe hacer notar que actualmente un algoritmo de diagnóstico desarrollado a partir de los estudios presentados está implementado y se utiliza para impedir que fallas en los componentes del motor produzcan accidentes graves y costos. Ejemplo 3. Detección de fallas en aviones. Los aviones comerciales adolecen de un efecto que se ha denominado caso de falla oscilatoria (OFC). Esta no es necesariamente una falla de algún componente, sin embargo, puede ser ocasionada por fallas en los componentes del sistema de control de superficie. Una vez que la falla se presenta es fácil corregirla mientras tenga un rango pequeño de frecuencia y amplitud, pero se complica mucho a medida que aumenta. El problema es que esta falla no es detectada por el piloto cuando la amplitud o la frecuencia son pequeñas. Este tipo de falla puede ser corregida mediante la aplicación de técnicas de diagnóstico basadas en redundancia analítica y reconfiguración del controlador (mediante el piloto). Tan q u e 3 Fig. 7. Sistema de tres tanques. Ingenierías, Abril-Junio 2001 Vol. IV, No. 11 47 �Detectando fallas mediante redundancia analítica 6. CONCLUSIÓN La motivación más grande para el desarrollo de los métodos de diagnóstico de fallas es la de evitar que ocurran accidentes que pongan en riesgo la vida de seres humanos. Otro punto motivador del tema es la de evitar pérdidas económicas. En este trabajo se repasaron las ideas principales relacionadas con las técnicas de redundancia analítica más usadas para el diagnóstico de fallas. Adicionalmente se discutieron tres aplicaciones. El diagnóstico de fallas así como los sistemas tolerantes a fallas cobran cada día mayor importancia, debido a las cada vez mayores exigencias industriales. REFERENCIAS 1. E. Alcorta García, P. M. Frank. Deterministic non-liner observer-based fault diagnosis: a survey. Control Eng. Practice, Vol. 5, Nr. 5, pp. 663-670, 1997. 2. P. M. Frank. Fault diagnosis in dynamic systems using analytical and knowledge-based redundancy - a survey. Automatica, 26:459-474, 1990. 3. J. Gertler. Analytical redundancy methods in fault detection and diagnosis. In IFAC/IMACS Symp. SAFEPROCESS, Baden-Baden, Germany, pages 9-21, 1991. 4. R. Isermann. Process fault detection based on modeling and estimation methods-A survey. Automatica, 20:387-404, 1984. 5. E. Y. Chow and A. S. Willsky. Analytical redundancy and the design of robust failure detection systems. IEEE Trans. on Automatic. Control, AC-29(7):603-614, July 1984. 6. E. Alcorta García, B. Koeppen-Seliger, P. M. Frank. A frequency domain approach to residual generation for the industrial actuator benchmark. Control Eng, Practice, Vol. 3, Nr. 12, pp. 17471750, 1995. 7. P. Amann, E. Alcorta Garcia, B. KoeppenSeliger, P.M. Frank. Knowledge- and data-based models for fault diagnosis. Journal of Systems Analysis, Modelling and Simulation. V. 35, pp.25 a 44. 1998. 48 Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �Creación del Telefonía celular Cedimi digital y sus primero trabajos J. Guadalupe Medina Nieto*, Oscar Edmundo G. Ibarra Debez Manzano* García* Francisco Romero Vera* Abstract On last years, cellular telephony has had a great growth all over the world. For that reason we describe in this article its basic elements, the linking frecuencies reused technics, the used systems, the benefits of digital technics, and the most utilized standards. Besides we describe cellular telephonic regions through México and transferences of calls for a user location all over the country (roaming). Finally we mention the telephonic cloning and list the keys of cellular telephones according its manufacturers. 1. INTRODUCCIÓN El auge de las comunicaciones móviles celulares ha revolucionado el concepto de telefonía. Sobre todo por la movilidad de los usuarios que ya no llaman a un sitio, sino a una persona específica. Cuando se introdujeron por primera vez a principios de los* años ochenta, estos teléfonos estaban circunscritos a automóviles y limitados por su peso y su potencia, pero poco a poco se fueron fabricando aparatos más pequeños y de menor peso, más baratos, y abandonaron el automóvil y se trasladaron al portafolio o al bolsillo. Un teléfono portátil moderno pesa unos cuantos cientos de gramos, tienen una pequeña pantalla y pueden ofrecer gran cantidad de servicios, tales como identificador de llamadas, envío y recepción de mensajes de texto, Internet, agenda electrónica, entre otros. El auge mundial de las telecomunicaciones móviles celulares ha sido realmente sorprendente. A fines de 1999 había más de 480 millones de abonados en todo el mundo, comparados con los escasos 11 millones correspondientes a 1990. Actualmente la telefonía móvil celular representa más de un tercio del total de las conexiones telefónicas. Es probable que antes del año 2005 el número de abonados del servicio móvil celular sobrepase al de abonados de las líneas tradicionales. Millones de usuarios 600 480 500 400 318 300 215 200 144 Fig. 2. Teléfonos celulares: Motorola Star Tac 7868 y Nokia 6090 91 100 11 16 23 34 1990 1991 1992 1993 55 0 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 Año Fig. 1. Crecimiento de la telefonía celular en la última década Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 * Departamento de Ingeniería en comunicaciones y Electrónica, FIMEE, Universidad Autónoma de Guanajuato. email: medina@salamanca.ugto.mx ibarra@salamanca.ugto.mx, romero@coral.com.mx 49 �Telefonía celular digital 2. ELEMENTOS BÁSICOS DE TELEFONÍA CELULAR El término celular se debe a que la cobertura radioeléctrica de una zona geográfica completa se realiza cubriendo pequeñas regiones llamadas células. En cada una de estas células existe una Estación Radio Base (Base Estation Radio, ERB) que controla el tráfico de los teléfonos móviles que se desplazan en la zona correspondiente. A su vez estas estaciones están enlazadas con el Centro de Conmutación de Servicios Móviles (Mobile Switching Center, MSC) y éste a su vez está conectado a la Red Telefónica Pública (Public Switched Telecommunications Network, PSTN). El Centro de Conmutación de Servicios Móviles a su vez se divide en un conmutador telefónico (PABX) y en el Subsistema de Telefonía Móvil (Mobile Telephony Subsystem, MTS). Célula onmidireccional Esta se produce cuando la estación base está equipada con una antena onmidireccional transmitiendo igualmente en todas direcciones y se forma una área en forma circular, con la estación base en el centro de la célula. Una estación móvil dentro de esta área tendrá normalmente una buena conexión con la estación base. Para representar una célula, usualmente se utiliza un hexágono en forma teórica, pero en la realidad el área de cobertura es circular. Fig. 4. Célula omnidireccional real y Representación gráfica de una célula omnidireccional Célula sectorial PSTN ERB PABX MTS ERB MSC EM Área de servicio ERB Fig. 3. Red celular básica Dependiendo del tipo de antena de transmisión empleada en la estación base, se puede cubrir una o más áreas por una estación base. Estas áreas reciben el nombre de células. Existen dos tipos de células: onmidireccionales y sectoriales 50 Para formar este tipo de célula la estación base está equipada con tres antenas direccionales, cada una cubriendo una célula sectorial de 120 grados. En cada una de las estaciones base, algunas unidades de canal están conectadas a una antena cubriendo una célula sectorial; otras unidades de canal están conectadas a la segunda antena cubriendo una segunda célula, y el resto a una antena para tener una tercer célula. Por lo tanto, una estación base controla a tres células sectoriales. Cuando se muestran tres células sectoriales, se dibujan tres hexágonos, uno para cada célula, con la estación base localizada en la esquina de cada hexágono. Para que se lleve a cabo la cobertura total, las células vecinas deben traslaparse entre sí. Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �J. Guadalupe Medina Nieto, Oscar G. Ibarra Manzano, Francisco Romero Vera atender a más usuarios en un número determinado de canales de radio. Este reuso de frecuencias es posible utilizando canales de la misma frecuencia en varias células que no sean adyacentes, evitando así alguna interferencia. Fig. 5. Células sectoriales y Representación gráfica de células sectoriales La estación base está conectada a un Centro de Conmutación de Servicios Móviles por medio de circuitos de enlace punto a punto. La estación base maneja la radiocomunicación con los teléfonos celulares o estaciones móviles y supervisa la calidad de la radiotransmisión durante una llamada. Todos los teléfonos celulares pueden utilizar un canal de la estación base la cual detectará su desplazamiento en el área, asignándole una nueva frecuencia si cruza la frontera de la célula en que se encontraba y pasa a otra célula diferente, este cambio es imperceptible para el usuario, debido a que su teléfono continúa funcionando normalmente. 3. SISTEMAS DE TELEFONÍA CELULAR EN EL MUNDO Existen varios sistemas internacionales normalizados de telefonía celular y de servicios móviles en el mundo, los cuales se mencionan a continuación. Para sistemas analógicos: AMPS Avanced Mobile Phone System Servicio de Telefonía Móvil Avanzado NMT Nordic Mobile Telephony Sistema Nórdico Telefónico Móvil TACS Total Acces Communications System Sistema de Comunicación con Acceso Total Mientras que los sistemas digitales existentes son: Fig. 6. Torre y antenas de la estación base Una de las principales características de los sistemas celulares es el reuso de frecuencias, que consiste en comunicar al teléfono celular con la estación base por medio de un canal telefónico con frecuencias disponibles en ese momento. El teléfono celular no tiene una frecuencia fija de enlace. Esta técnica permite hacer un eficiente uso del espectro electromagnético disponible, así como Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 CDMA Code Division Multiple Access Acceso Múltiple por División de Códigos GSM Global System for Mobile Sistema Global para comunicaciones móviles PDC Personal Digital Cellular Sistema Celular Digital Personal PHS Personal Handyphone System Sistema de Teléfono de Mano Personal 51 �Telefonía celular digital TDMA Time Division Multiple Access Acceso Múltiple por División de Tiempo Europa GSM (89%) Otros incluso TACS, NMT (11%) Asia - Pacífico GSM (35%) CDMA (14%) DAMPS/TDMA (3%) Otros incluso PDC, PHS, TACS, NMT (48%) Fig. 7 Porcentajes de uso de los sistemas de telefonía celular Los teléfonos celulares utilizan la misma tecnología radial en diferentes bandas de frecuencia, pero la información se transmite en forma digital. Esta compresión permite un mejor aprovechamiento del canal telefónico y por tanto tener más canales disponibles a la vez. Estos teléfonos incluyen otras ventajas tales como el servicio de identificador de llamadas, correo electrónico, mensajes de texto, buzón de mensajes, Internet móvil, etc. Fig. 8. Uso de los sistemas de telefonía celular en el mundo 52 En nuestro país, existen redes celulares analógicas, digitales y duales. La compañía Telcel ofrece telefonía celular digital utilizando el sistema TDMA (Acceso Múltiple por División de Tiempo), mientras que la compañía Iusacell ofrece el mismo servicio, pero utilizando el sistema CDMA (Acceso Múltiple por División de Código). Ambas compañías ofrecen compatibilidad con las redes celulares analógicas utilizando el sistema AMPS (Servicio de Telefonía Móvil Avanzado). Otras compañías como Unefon y Pegaso ofrecen solamente el servicio digital con la tecnología CDMA. Beneficios de la telefonía celular digital Los principales son los siguientes: • Llamadas de excelente calidad, sin ruido o estática. • Mejor recepción, sobre todo en lugares cerrados. • Prácticamente libre de clonación • La duración de las baterías es mayor. • Servicios de valor agregado. • Seguridad y privacidad. La necesidad de sistemas de telefonía celular digital es el resultado del crecimiento de los servicios de telefonía móvil. A pesar de que los sistemas analógicos funcionan bien, la demanda excede la capacidad en muchas regiones. Para minimizar la posibilidad de congestión de la red celular, se desarrollaron los sistemas digitales. La tecnología celular digital involucra la digitalización de la señal de voz y la transmisión sobre el aire de una cadena de bits seriales. Los sistemas digitales ofrecen mayor flexibilidad para servicios adicionales. Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �J. Guadalupe Medina Nieto, Oscar G. Ibarra Manzano, Francisco Romero Vera Los sistemas celulares digitales son más eficientes que los analógicos debido a que incluyen múltiples transmisiones simultáneas sobre un canal de radio simple. Una de las técnicas empleadas es la denominada “Acceso Múltiple por División de Tiempo” (Time Division Multiple Access, TDMA); una segunda técnica es el “Acceso Múltiple por División de Códigos” (Code Division Multiple Access, CDMA). En los U.S.A., el estándar dominante en TDMA es el IS-136 TDMA y el dominante en CDMA es el IS-95 CDMA. Servicio de telefonía móvil avanzado (Amps) Este sistema es analógico patentado en los Estados Unidos a principio de la década de los ochenta del siglo pasado y fue el primer sistema celular existente. Este sistema trabaja en las bandas de frecuencia de 825 MHz a 845 MHz para la transmisión de la estación móvil a la estación base, y de 870 a 890 en sentido inverso. Actualmente el sistema AMPS se encuentra evolucionando paulatinamente al sistema DAMPS (Digital Avanced Mobile Phone System), sistema digital, el cual coexiste con el AMPS, en modo dual y funciona con acceso TDMA. El espectro localizado para AMPS es compartido por dos portadoras celulares en cada área o región. Cada portadora divide el espectro en canales, utilizados para comunicar desde las estaciones bases en las celdas hasta los dispositivos móviles, y canales de reversa utilizados para comunicación entre los dispositivos móviles y las estaciones base. Los canales son divididos en canales de voz de 30 kHz que emplean Modulación de Frecuencia (Frecuency Modulator, FM) para transmitir la voz. Acceso múltiple por división de tiempo (Tdma) El estándar IS-136 TDMA define como un canal simple de 30kHz es descompuesto en pequeños incrementos que pueden ser compartidos por uno o Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 más usuarios. TDMA divide a canal simple en una serie sucesiva de espacios de tiempo que pueden ser compartidos por un grupo de usuarios (cada espacio de tiempo porta una información de un usuario específico), como se muestra en la figura 9 SISTEMA TELEFÓNICO PARA UNA TRAMA TDMA 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 N Intervalo Un intervalo para el canal telefónico Fig. 9. Espacios de tiempo en TDMA. Acceso múltiple por división de códigos (Cdma) El estándar IS-95 CDMA, equivalente al IS-136 TDMA, define como un canal simple puede ser acondicionado para soportar más de un usuario simultáneamente. Con CDMA todos los usuarios móviles transmiten en la misma frecuencia, pero cada señal de usuario móvil es combinada con una señal pseudo-aleatoria, o código, que hace que la señal aparezca como un ruido de bajo nivel para otras transmisiones que ocurren al mismo tiempo. La señal original puede ser extraída solo por el conocimiento del código. Fig. 10. Acceso múltiple por división de código. Comparación entre TDMA y CDMA Ambos sistemas TDMA y CDMA pueden ser progresivamente incorporados a las redes celulares 53 �Telefonía celular digital existentes, coexistiendo las señales digitales y analógicas. Además, los teléfonos digitales poseen compatibilidad para ser usados en áreas celulares que sólo soporten señales analógicas. TDMA y CDMA fueron desarrollados inicialmente para soportar comunicaciones de voz. Pero con el transcurso del tiempo y uso se han sido desarrollados estándares que especifican cómo usar canales digitales para transmisión de datos. El sistema CDMA por su gran versatilidad y seguridad es utilizado como sistema de comunicación por el ejército de los Estados Unidos, porque es prácticamente imposible de decodificar. Sistema global para comunicaciones móviles (GSM) El estándar GSM, a semejanza del estándar IS136 TDMA utiliza acceso múltiple por división de tiempo, pero no son compatibles. Este sistema es uno de los más importantes del mundo, cubre todo el occidente de Europa y ofrece servicios de gran calidad. Uno de sus principales éxitos es que un usuario que se mueve a través de cualquier punto de Europa puede desplazarse sin perder el servicio. Resumiendo, las características básicas de un sistema celular GSM son: • Espaciamiento de portadora 30 kHz • Esquema de acceso TDMA con tecnología digital • Opera en las bandas de frecuencia de 930 a 960 MHz y de 890 a 915 MHz. • Tecnología utilizada en más de 120 países en el mundo • Más de 160 millones de usuarios Las nuevas bandas de telefonía denominadas Sistema de Comunicación Personal (Personal Commnunication System, PCS), operan en la banda 54 de frecuencia de 1850 y 1990 MHz, y solamente utilizan tecnología digital. 4. REGIONES CELULARES Y ROAMING Los sistemas celulares trabajan en la banda de los 800 MHz, específicamente de los 825 a los 845 MHz y de los 870 a los 890 MHz, de acuerdo con la norma NOM-081-SCT1-1993 de la Secretaría de Comunicaciones y Transportes, emitida en nuestro país y avalada por la UIT (Unión Internacional de Telecomunicaciones). En las figuras 11 y 12 se observa la distribución de las frecuencias de las bandas A y B para usos de telefonía celular. Cada banda dispone de 333 canales para diversos usuarios. El ancho de banda de cada canal telefónico es de 30 MHz. 45 MHz 825.015 MHz 835.005 MHz A 333 canales C- 1 C- 2 844.995 MHz 870.015 MHz B 880.005 MHz A 333 canales C- 332 C- 333 Tx Estación móvil Rx Estación base 333 canales C- 1 889.995 MHz B 333 canales C- 2 C- 332 C- 333 Tx Estación base Rx Estación móvil 30 KHz Fig. 11. Distribución de frecuencias en la banda A. La banda celular A comienza a los 825.015 MHz para el canal 1, el cual transmite de la estación móvil a la estación base, mientras que la transmisión inversa se efectúa en forma simultánea a partir de los 870.015 MHz, es decir a una separación de 45 MHz. Cada canal tiene un ancho de banda de 30 MHz, por lo que el canal 333 de esta banda termina a los 835.005 MHz. Mientras que la banda celular B comienza a los 835.005 MHz, esta frecuencia es el punto interior del canal 334, es decir, el canal 1 de la banda B, al Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �J. Guadalupe Medina Nieto, Oscar G. Ibarra Manzano, Francisco Romero Vera igual que en la banda A, esta frecuencia corresponde al primer canal de transmisión de la banda B de la estación móvil a la recepción de la banda base. Mientras que el primer canal de transmisión de la banda base corresponde a 880.005 MHz, también a una separación de 45 MHz. Mientras que el último canal de esta banda, el 666 termina a los 899.995 MHz. 45 MHz 825.015 MHz 835.005 MHz A 333 canales C- 334 C- 335 844.995 MHz 870.015 MHz B 880.005 MHz A 333 canales C- 665 C- 666 889.995 MHz B 333 canales 333 canales C- 334 C- 335 Tx Estación móvil Rx Estación base C- 665 C- 666 Tx Estación base Rx Estación móvil 30 KHz Fig. 12. Distribución de frecuencias en la banda B En nuestro país las regiones celulares se encuentran concesionadas por la Comisión Federal de Telecomunicaciones (COFETEL) en las bandas A y B por regiones celulares, a las siguientes compañías: Concesionarios de radiotelefonía tecnología celular en la Banda A móvil con Baja Celular Mexicana, S.A. de C.V. Región 1 Movitel del Noroeste, S.A. de C.V. Región 2 Telefonía Celular del Norte, S.A. de C.V. Región 3 Celular de Telefonía, S.A. de C.V. SOS Telecomunicaciones, S.A. de C.V. IUSACELL Concesionarios de radiotelefonía tecnología celular en la banda B Región 9 móvil con Radio Móvil Dipsa, S.A. de C.V. TELCEL Regiones 1 a 9 Las regiones celulares son áreas de circunscripción en las cuales se dividió al país para tener un mejor control sobre el uso de la telefonía celular, nuestro país se encuentra dividido en nueve regiones celulares. El seguimiento de llamada, mejor conocido como roaming sucede cuando un usuario efectúa o recibe una llamada en alguna área de cobertura diferente al de su región de suscripción. Esto es, el usuario se encuentra de viaje sobre un lugar distinto a su lugar normal de residencia o en otra región distinta en la cual efectúo su contrato. Actualmente el mercado del roaming es muy competido, inclusive las grandes compañías de telefonía celular ofrecen servicios de roaming automático nacional y roaming en México, Estados Unidos y Canadá, inclusive con Europa y Asia. Una de las principales ventajas del romaging es que el usuario conserva su mismo número telefónico en cualquier lugar que se encuentre. Por supuesto que las tarifas del servicio bajo esta modalidad son diferentes. Región 4 Comunicaciones Celulares de Occidente, S.A. de C.V. IUSACELL Región 5 Sistemas Telefónicos Portátiles Celulares, S.A. de C.V. IUSACELL Región 6 Telecomunicaciones del Golfo, S.A. de C.V. IUSACELL Región 7 Portatel del Sureste, S.A. de C.V. Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 Región 8 55 �Telefonía celular digital 56 Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �J. Guadalupe Medina Nieto, Oscar G. Ibarra Manzano, Francisco Romero Vera Es importante mencionar que las compañías telefónicas celulares no cubren todo el territorio nacional, solamente se enfocan a las regiones pobladas, autopistas y carreteras, lugares en los cuales el usuario puede comunicarse en cualquier instante. En las regiones turísticas marinas, las compañías ofrecen una región de cobertura marítima, a ciertos kilómetros de distancia de la costa. 5. CLONACIÓN DE LÍNEAS TELEFÓNICAS CELULARES En los teléfonos celulares analógicos se puede generar un problema llamado clonación. Cuando un teléfono es clonado, es porque alguien ha robado sus números de identificación o par de identificación, y hace mal uso de la cuenta original. Esto se produce porque al momento de realizar una llamada desde un teléfono celular analógico se transmiten dos datos de información a la red al inicio de la llamada: a) Un MIN (Mobile Identification Number, ó número de identificación móvil), que consiste de 10 dígitos que es el número telefónico asignado al aparato. b) Un ESN (Electronic Serial Number o número de serie telefónico) un número de 32 bits programado en el teléfono cuando es fabricado. El par de datos MIN / ESN es una marca única para identificación de cada teléfono y así la compañía sabe a quien cobrar la cuenta por el servicio. Cuando un teléfono analógico transmite su MIN/ESN es posible “escucharlo” y capturar el par. Con el equipo adecuado es fácil modificar un teléfono que contenga el par MIN / ESN y hacer llamadas ilegales. Esta deficiencia de la clonación en los teléfonos celulares analógicos, es mucho más difícil de realizar en los teléfonos digitales. Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 Claves de fabricante Cada número de serie electrónico de un teléfono celular es única e inalterable, se graba al fabricarse el dispositivo, existe un convenio entre los organismos de regulación internacional y todos los fabricantes para asignar estas claves. Un número de serie está formado de 11 dígitos en el sistema decimal, donde los tres primeros corresponden a la asignación para el fabricante, si el número de serie es hexadecimal, consta de 8 dígitos, donde los dos primeros corresponden al fabricante. Fabricante Antel Clarion (E.U.) Clarion (Japón) Ericcson General Electric Gold Star Hitachi Motorola Nec Nec (serie 800) Nokia Panasonic Sony Toshiba Clave decimal 175 166 140 134 204 146 141 132 130 195 212 213 224 135 189 165 156 219 226 136 154 138 Clave hexadecimal AF A6 8C 86 CC 92 8D 84 82 C3 D4 D5 E0 87 BD A5 9C DB E2 88 9A 8A Tabla 1. Asignación de números clave para algunos fabricantes de teléfonos celulares. 57 �Telefonía celular digital CONCLUSIONES REFERENCIAS El futuro de las comunicaciones en el mundo es prometedor, en todos las ramas que la componen, por lo que es importante estar a la vanguardia en información. Hoy en día es fundamental estar bien comunicado sin importar el lugar o la hora, lo cual es posible gracias a los sistemas de telefonía celular, que no dependen de una conexión física directa por medio de un cable como sucede con las líneas telefónicas convencionales. 1. Tomasi Wayne Sistemas de Comunicaciones Electrónicas, Prentice Hall Hispanoamericana, 1996 En México la telefonía celular ha tenido una gran aceptación, a tal grado que el gobierno creó la Comisión Federal de Telecomunicaciones, organismo regulador de las cuestiones técnicas y administrativas de las telecomunicaciones en nuestro país. También consideramos que la información proporcionada puede ser de utilidad para saber como funcionan estos pequeños aparatos y la alta tecnología que tienen en su interior. 4. Bell System Technical Journal. Avanced Mobile Phone Service. Special ISSUE 2. Haykin Simon. Analog Communications Wiley and Digital 3. Vázquez Medina Rubén, Marcelín Jiménez Ricardo. Sistemas de Telefonía Celular. Universidad Autónoma Metropolitana. 1996 5. Paginas Web: a. Comisión Federal www.cft.gob.mx de Telecomunicaciones b. Federal Communications www.fcc.gov Commission c. UIT Unión Internacional de Telecomunicaciones. www.itu.int/ti d. CDMA Develoment Group. www.cdma.com e. Motorola Corporation. www.motorola.com f. Nokia Conecting People. www.nokia.com g. Digital PCS Telcel. www.telcel.com.mx h. Iusacell Digital. www.iusa.net.mx 58 Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �Valores y educación♦ Pablo Latapí Sarre* INTRODUCCIÓN Está de moda hablar de valores en la educación. En mi opinión, no es una moda; es un reclamo, un deseo de recuperar algo esencial que hemos abandonado: la función formativa de la escuela. Esencial porque nadie puede educar sin valorar, porque toda educación se dirige hacia ciertos fines que aprecia como valiosos para el individuo y la sociedad. Hablemos♦ con franqueza: si lo esencial de nuestra tarea de educadores es tratar de hacer mejores a los hombres, debemos confesar con honestidad que poco sabemos acerca de cómo hacerlo. Algo sabemos en el orden del conocimiento: hay teorías del curriculum, hay metas cognoscitivas y sistemas de evaluación, y logramos enseñar matemáticas, geografía, física. Logramos incluso a veces que los alumnos aprendan a aprender y se apropien destrezas y habilidades intelectuales. Y en algunas, muy pocas, ocasiones, logramos que algunos alumnos desarrollen visiones comprensivas del mundo e integren conocimientos multidisciplinarios, y se acerquen, aunque sea tímidamente, al enigma del mundo o al enigma de sí mismos. En el orden del conocimiento, poco podemos, pero algo podemos. El conocimiento, sin embargo, no hace necesariamente mejores a los hombres. Es una vertiente de la perfectibilidad humana, importante, sí, pero no la más importante. En otro sustrato de la persona, más misterioso e inasible, se desarrollan fuerzas y procesos, amores, atracciones, afinidades, solidaridades, esperanzas; ahí se abre la posibilidad -tenue, pero real- de la decisión libre y del orden ♦ Conferencia impartida el 23 de octubre del 2000 dentro del ciclo de conferencias magistrales CÁTEDRA FIN DE MILENIO en la UANL. Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 moral. Llamamos a este sustrato de la persona, a falta de mejor término, el terreno de los valores. Es el corazón de la educación. Y nos entretenemos especulando qué son los valores, construimos teorías* psicológicas, filosóficas, sociológicas, éticas, para explicar lo que son; elaboramos códigos, clasificaciones, taxonomías; pero en el fondo, después de todo este esfuerzo, debemos concluir que es muy poco lo que sabemos para hacer mejores a los hombres. Si el tema es en sí difícil, hay tres razones más particulares que lo dificultan aún más. Primero, porque la escuela mexicana ha abdicado desde hace mucho de su función formativa; por el peso de su * Centro de Estudios Sobre la Universidad (CESU) de la UNAM. 59 �Valores y educación tradición positivista casi no se ha ocupado de la formación integral de la persona (nuestros currículos están centrados en el conocimiento aunque los acompañe un inofensivo discurso sobre otros aspectos del desarrollo humano); y además, por una interpretación simplista de su laicidad y por temor a que la religión se cuele por la puerta trasera, ha relegado al silencio su objetivo esencial de formación moral. Por esto, la propuesta de discutir valores se recibe con suspicacia. Pero por esto también abundan las iniciativas y propuestas de educación en valores; la mayor parte de las propuestas que han llegado al Equipo de Transición, para la Educación, está formada por este tipo de comunicaciones. Una segunda razón es el rechazo bastante generalizado a la directividad de la educación; los jóvenes -y aun muchos profesores ya no tan jóvenes- propugnan la “emancipación” como conquista de las nuevas generaciones y rasgo definitorio del hombre de hoy. Una educación que proclame valores, que dé línea, les parece sospechosa de represión, de adoctrinamiento y autoritarismo. Tercera razón: el pluralismo de las sociedades contemporáneas, también de la nuestra, que lleva a cuestionar que pueda haber valores comunes, aceptables para todos. ¿Es posible definir hoy una base común de valores y -aún más- es posible proponer hoy una moral pública normativa, ante la diversidad de ideologías, la defensa de la subjetividad, la glorificación del capricho y el escepticismo generalizado? Así y todo, hay que reabrir el debate sobre los valores en la educación por la sencilla razón de que sin valores no hay educación. Para contribuir a él procederé hoy por cinco pasos: primero abordaré la definición de valor; segundo, me ocuparé de las maneras como tematizamos y clasificamos los 60 valores; tercero, trataré de sintetizar lo que sabemos sobre la manera como se forman los valores; cuarto, aludiré a los métodos y prácticas pedagógicas hoy predominantes en este campo; y finalmente me referiré a la educación en valores como problema de la política educativa, en cuanto dice relación con el Estado. 1. DEFINICIÓN DE VALOR “Valor” es un término polivalente, de múltiples significados; por lo mismo, “educación en valores o de los valores” puede tener también muy diversos significados. En forma general, entendemos por “valor” lo que se valora, lo que se considera digno de aprecio; así, valor se identifica con “lo bueno”. La verdad es un valor, lo mismo que la salud o el sentido del humor; son bienes, son algo deseable. A partir de esto, tendemos a concebir todas las cualidades deseables como grandes valores abstractos: la verdad, el bien, la belleza, la bondad; y tendemos a considerar que estas cualidades existen como realidades externas a nosotros, como objetos de nuestro deseo. Aunque no les concedamos existencia ontológica -como las “ideas” de Platón en el mito de la caverna, en donde sólo vemos las sombras de esas “ideas”- sí tendemos a concebir el bien, la verdad, la belleza o la justicia como ideales que existen independientemente de nosotros, que debemos hacer nuestros. En el orden psicológico los “valores” son propiedades de la personalidad, preferencias, orientaciones, disposiciones psíquicas. Nos apropiamos de aquellos bienes abstractos, los interiorizamos en nuestra personalidad como actitudes, sentimientos, convicciones o rasgos de carácter. Así, decimos que alguien es bondadoso, justo, generoso o valiente. En este sentido, en el Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �Pablo Latapí Sarre orden psicológico, los “valores” vienen a ser, en cierta forma, los fines de la educación; son las propiedades de la personalidad que nos proponemos formar en los educandos. En el orden sociológico, por otra parte, los “valores” adquieren otro significado: son preferencias colectivas, compartidas por un grupo; implican sentimientos del grupo, modos de reaccionar o conductas determinadas; su formación y evolución siguen leyes que las ciencias sociales tratan de elucidar, distintas en buena parte de las de los valores del individuo. Y entre el orden psicológico y el sociológico cabe ubicar el orden moral, que tiene su propia especificidad y un lugar central en el desarrollo humano: es el orden del uso responsable de la libertad, pues no otra cosa es la moral. Aquí “valor” significa una toma de posición que percibimos como obligatoria para nosotros mismos en virtud de nuestra dignidad humana; los valores morales vienen a significar normas, normas de conducta que sentimos debemos cumplir por imperativo de nuestra conciencia, no por coacción externa. La “educación en valores”, en consecuencia, tiene todos estos significados: se sitúa en el orden psicológico y en el moral, y toma también como referencia el sociológico; podríamos definirla como el esfuerzo sistemático por ayudar a los educandos a adquirir aquellas cualidades de su personalidad que se consideran deseables en los diversos ámbitos de su desarrollo humano, y particularmente aquellas que se relacionan con el uso responsable de su libertad. 2. CÓMO SE TEMATIZAN LOS VALORES Para convertirse en propuestas educativas los valores tienen que identificarse, tematizarse de alguna manera, clasificarse. Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 Una manera como esto se ha hecho a lo largo de la historia es a partir de una visión religiosa. Muchas religiones, sobre todo aquéllas que han elaborado intelectualmente su propuesta de fe, han precisado un ideal religioso, un perfil del hombre deseable; construyen sus propios sistemas de valores clasificando sus virtudes y formulando una moral, o sea el conjunto de principios y normas de comportamiento congruentes con esa fe religiosa. En la mayor parte de las religiones estas tematizaciones no son inmutables; se reformulan a partir de las preocupaciones de cada época tratando de mantener vigente su esencia. El ideal del cristiano del siglo IV es distinto del siglo XVI; el de principios de este siglo, bastante diferente del momento actual. Otra manera de tematizar los valores obedece a intereses o preferencias culturales que reciben consensos más o menos generalizados. Hoy en día, por ejemplo, encontramos tres propuestas de formación de valores de las que se habla mucho. En primer lugar, la educación para los derechos humanos; se toma la Declaración Universal de los Derechos Humanos de las Naciones Unidas como 61 �Valores y educación base conceptual indiscutida, que ha recibido el consenso de todos los gobiernos y supuestamente de todos los grupos culturales, y se identifican los valores que corresponden a esos derechos; así se delinea un ideal educativo que orientará la formación valoral; por esto muchos identifican hoy la educación en valores con la educación para los derechos humanos. Una segunda tematización contemporánea se centra en la educación para la paz y la comprensión internacional. Dado el anhelo de paz en el mundo, sobre todo a partir de la Segunda Guerra Mundial, se ha tomado el tema de la paz y la comprensión internacional y la convivencia social armoniosa como la meta de una educación en valores. Existe una famosa Recomendación de la UNESCO de 1974 sobre este tema, que contiene muchas orientaciones concretas para desarrollar una educación orientada a construir un mundo más armonioso, tolerante y pacífico. Una tercera manera es la educación para la democracia, que recientemente se enfatiza, porque se cree que el concepto de democracia resume muchos valores relevantes para construir una convivencia respetuosa y facilitar el progreso económico y social y -entre nosotros- porque la transición política del país así lo reclama. El Instituto Federal Electoral está realizando una espléndida tarea educativa en esta dirección. Estas tres maneras de tematizar los valores no son las únicas; las menciono porque me parece que son las más recurrentes en la sociedad mexicana actual que busca fundamentar valores aceptados por todos, sin referencias religiosas explícitas, para consolidar la cohesión de la sociedad y una moral pública común. Por supuesto que estas -y cualquier otrasistematización que se quiera proponer es debatible, la misma Declaración Universal de los Derechos 62 Humanos está sujeta a cuestionamientos, como lo muestra la siguiente anécdota. Hace unos años, siendo yo delegado alterno de México ante la UNESCO, pregunté en un coktail al delegado de China continental qué se pensaba en su país acerca de la Declaración Universal. Me contestó con una amplia sonrisa, sin decir nada, muy orientalmente; seguí insistiendo y, al calor de otra copa, me contestó finalmente: “Mire Ud., la verdad, la declaración nos resulta muy extraña por dos razones: primero, porque nosotros, aunque comunistas, somos educados en la tradición de Confucio, y para Confucio primero son las obligaciones y luego los derechos. Nosotros hubiéramos hecho primero una declaración de las obligaciones universales, antes que de los derechos. La segunda razón es porque en nuestra cultura es más importante la familia que el individuo. Enumerar derechos del individuo, sin hablar para nada de la familia, nos resulta inconcebible.” Vemos, por tanto, la relatividad cultural que cuestiona casi cualquier pronunciamiento, aun los que nos parecen más universales. Prescindiendo de estas observaciones, es obvio que las sistematizaciones de valores son indispensables y, aunque todas sean discutibles, tendremos que optar por alguna. Sea que conceptualicemos la educación como los valores correspondientes a los derechos humanos, o la orientemos a la paz y la comprensión internacional o a la democracia, todos tratamos de construir una carta que integre y dé inteligibilidad y congruencia a los valores individuales y sociales para guiar nuestra tarea pedagógica. 3. CÓMO SE FORMAN LOS VALORES Los procesos por los cuales se forman esas “propiedades de la personalidad”, esas disposiciones o preferencias, han sido objeto de Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �Pablo Latapí Sarre innumerables explicaciones teóricas. En realidad sabemos muy poco; las teorías pueden ser fascinantes pero ninguna cuenta con evidencias empíricas que nos convenzan de su validez; nos movemos en un terreno de hipótesis, arañando apenas procesos misteriosos. Ni siquiera sobre nosotros mismos logramos saber cómo se formaron nuestros valores; tampoco las madres o los padres de familia pueden explicar cómo se formaron los valores de sus hijos, por qué uno resultó díscolo y otro generoso, uno músico y otro líder social. Si los padres no lo saben, menos lo saben los científicos. Mucho del esfuerzo teórico se ha centrado en la formación de los valores morales. No todos los valores tienen igual relevancia para la ética, pero es evidente que los que más interesan en la educación son los que se vinculan con el uso de la libertad y el desarrollo de la responsabilidad, o sea con la moral. La moral no es enseñar mandamientos y convencer de que debemos acatar la ley; yo diría que es precisamente lo contrario: es enseñar a ver más allá de la ley. Al menos desde el punto de vista cristiano, según el cual el hombre no se hizo para el sábado sino el sábado para el hombre, la formación moral es ayudar a los niños y jóvenes a vivir por el espíritu y no por la ley, a ser sinceros y no farisaicos, a descubrir su propia libertad y a aprender a ejercerla responsablemente. Ayudarlos a que crezcan en humanidad hasta donde pueden llegar, a ser cada vez más autónomos, más auténticos en el uso responsable de la libertad, eso es la formación moral. Enúmero brevemente los diversos enfoques teóricos que se han propuesto para explicar la formación de valores. El psicoanalítico, en la corriente ortodoxa freudiana, pretende explicar esta formación por las dinámicas del inconsciente, y la construcción de la moral por la identificación con arquetipos, la constitución del superyo, la Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 sublimación de los impulsos y los mecanismos de censura; los valores serían el resultado de una construcción inconsciente, de una historia secreta, escondida en la profundidad de la persona. El enfoque psicodinámico indaga las fuerzas integradoras de la personalidad, particularmente el deseo, las motivaciones y los sentimientos; se afirma que estas fuerzas, junto con el impulso de autoconservación, el de la autoestima y el del propio valer, confluyen en la dinámica de la autorrealización y forman nuestros valores. El enfoque conductista subraya los condicionamientos y determinantes de los comportamientos; explica las decisiones por mecanismos de estímulo-reacción. El sociológico en cambio profundiza en los procesos colectivos que fijan las preferencias y las normas de conducta social y las maneras como esas normas sociales condicionan los valores de los individuos. Finalmente está otro enfoque que subraya el aspecto intelectual en la formación de los valores, llamado cognitivo-evolutivo, que en el caso de valores morales se denomina del “desarrollo del juicio moral”. Esta rápida enumeración hace ver la enorme complejidad de los procesos que intervienen en la educación valoral; sólo un ingenuo pretendería tener todas las respuestas. El último de los enfoques teóricos referidos, el del desarrollo del juicio moral, iniciado por Piaget y continuado por Lawrence Kohlberg y varios de sus discípulos, merece una breve explicación por ser probablemente el que predomina hoy día (Barba 1994). Esta teoría sostiene que el desarrollo moral se da a través de estadios sucesivos de razonamiento, que van de la heteronomía del niño (que depende de leyes externas) a la autonomía de la persona madura. Kohlberg se hizo famoso sobre todo porque esquematizó esos estadios siguiendo a Piaget, coordinándolos con los de la psicología genética, haciendo ver que había una correspondencia entre la manera como el niño va 63 �Valores y educación interviniendo en las asignaturas del curriculum para hacer aplicaciones de significado moral. En literatura, en historia, en geografía se identifican los momentos curriculares más adecuados para introducir discusiones y experiencias significativas; de esta manera se integra el desarrollo del juicio moral al curriculum establecido. desarrollando sus estructuras cognitivas y los pasos por los que va formando su juicio moral y avanzando hacia su autonomía. Así, distinguen varios niveles, y dentro de cada nivel, varios estadios de juicio moral. Lo esencial es que pone el énfasis en el elemento cognitivo, el juicio, para desarrollar la moralidad; por esto coloca en el corazón de la moral los principios de justicia y los conceptos de equidad y de reciprocidad. Es sin duda por este énfasis cognitivo por lo que la teoría del juicio moral ha sido privilegiada en los esfuerzos de formación valoral que se entrelazan con el curriculum, con el desarrollo del conocimiento. Esta teoría ha estimulado muchos experimentos; se ha ido institucionalizando pedagógicamente de cuatro maneras: una, mediante la discusión de los llamados “dilemas morales”, discusión de situaciones de conflicto moral que sirve a los alumnos para esclarecer sus propios valores. Se propone a los alumnos un dilema de su vida escolar o extraescolar, y ellos discuten cuáles son los valores que están en juego y cómo les parece que debe resolverse ese dilema; así cada alumno va esclareciendo cuáles son sus valores reales, los que están normando su comportamiento. Otra manera es 64 Una tercera manera es organizar cursos especiales que estimulen, sobre todo en los maestros, la sensibilidad a los aspectos morales y los familiaricen con la formación del juicio moral. Una cuarta, finalmente, ha sido el establecimiento de escuelas ejemplares, donde se vivan determinados valores, donde la organización escolar los promueva y los encarne. Esta fue una idea muy antigua de Kohlberg en el experimento que se llamó “la comunidad justa”, una comunidad escolar que establece sus propias normas por consenso y conduce los comportamientos cotidianos a la luz de esas normas. No puedo detenerme en estas explicaciones, pero es interesante mencionarlas. Ahora bien, la teoría del juicio moral tiene varios problemas; enumero cinco: En primer lugar, está lejos de contar con evidencia empírica que pruebe sus postulados; no se ha experimentado suficientemente para comprobar la consistencia de los estadios y niveles propuestos ni la efectividad de las medidas pedagógicas que recomienda. Segundo, tampoco está probado el supuesto de que estos planteamientos tengan validez universal y supercultural; probablemente no la tengan y correspondan a una mentalidad europea o anglosajona; no sabemos qué tan adecuados son para la cultura mexicana.. En tercer lugar, parece ponerse una confianza exagerada en el esclarecimiento de los valores, como si de ese análisis se siguiera un compromiso Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �Pablo Latapí Sarre con esos valores. El mero esclarecimiento no pasa de ser una apreciación intelectual; inclusive puede conducir a un cierto relativismo moral. Si en una clase de bachillerato unos estudiantes esclarecen como suyos unos valores y otros, fácilmente se concluirá que “todo es lo mismo”, que todos los valores son relativos y se recurrirá a una concepción equivocada de la tolerancia: la que la identifica con la indiferencia. En nuestros países se enfatiza actualmente que debe haber congruencia entre la labor de la escuela y la de la familia; de lo contrario una descalificará a la otra y se crearán conflictos en el educando. Se enfatiza también que la prédica, la exhortación o la proclamación de ciertos valores -más si se hace autoritariamente- es de escasa utilidad; no que no influya, pero muchas veces provoca rechazo por imponerse de manera unilateral. Cuarta limitación: por ser esta una teoría que se centra en el juicio moral, sobrevalora los componentes racionales en la formación de los valores y prescinde de los afectivos, sociales y culturales que son sumamente importantes. Estoy seguro de que, si cada uno de nosotros reflexiona sobre su vida y sobre cómo se formaron sus valores, comprobará que, al lado de influencias racionales, hubo otros factores. el amor, el deseo, las aspiraciones, los ideales, que siendo muy importantes parecen quedar fuera de esta teoría. Se enfatiza también que conviene privilegiar una “visión holística” (es decir, integral e integrada), que relacione unos valores con otros y haga ver su congruencia. Por esto se prefiere que la formación de valores no esté confinada a un área curricular (como podría ser el Civismo), sino abarcar toda la educación como un eje transversal; más aún debiera procurarse en la escuela un clima o ambiente propicio a la experiencia de los valores que se consideran importantes. Finalmente, la teoría del juicio moral mantiene una gran ambigüedad respecto a la posibilidad -yo diría la necesidad- de valores absolutos, y a la manera de identificarlos y asimilarlos. No hay referencias en Kohlberg sobre la problemática del carácter absoluto que pueden llegar a tener algunos valores fundamentales, qué hacer con ellos, cómo vivirlos, cómo conciliarlos con los de otras personas; éste me parece un aspecto fundamental en la formación de toda persona, es decir en la educación. 4. LOS MÉTODOS Y LAS PRÁCTICAS PEDAGÓGICAS Un estudio que revisa las tendencias que sigue la formación de valores en la escuela en América Latina (Schmelkes 1994) llega a las siguientes conclusiones. Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 También se destacan, en la práctica pedagógica contemporánea de nuestros países, dos cosas como especialmente importantes: las relaciones personales que se viven en la escuela, que están condicionadas por la organización de la institución (pues de ellas depende que se fomente la confianza, la veracidad, el diálogo, el respeto, la solidaridad, la autoestima, etc.); y el maestro como el factor más relevante, en cuanto encarna los valores y los realiza ejemplarmente ante los alumnos. 5. LOS VALORES Y El ESTADO Refirámonos finalmente a algunos problemas que plantea la formación de valores a la política educativa, concretamente a la intervención del Estado en estos aspectos de la educación. Selecciono dos problemas de especial importancia en nuestro contexto mexicano: el del laicismo escolar y el de la legislación en materia de valores. 65 �Valores y educación a) Laicismo y valores El Estado mexicano es laico y la enseñanza de las escuelas públicas debe ser ajena a toda doctrina religiosa. Esto es claro, pero lejos de resolver el problema de la formación moral, le añade nuevas complicaciones. ¿Cómo conciliar laicismo y formación moral? El Estado, el no laico y el laico, cuando entra al orden de la educación, tiene que establecer ciertos fines. Decíamos que toda educación supone fines, orientaciones, también en materia de valores y de valores morales; laicidad escolar no significa, entonces, ausencia de fines sino no imponer una religión y respetar todas las maneras de pensar. Pero ¿puede el Estado educador entrar al terreno de la conciencia del individuo, dictarle normas morales, imponerle obligaciones morales? Y además ¿cómo puede hacerlo en una sociedad plural en la que coexisten muchas maneras de pensar, religiones diversas y concepciones morales muy variadas? Creo que el principio de solución para conciliar una escuela pública laica con la formación moral es distinguir una plataforma mínima de valores morales en los que debe haber consenso de todos, y las fundamentaciones de esos valores que pueden ser distintas y estar referidas al orden religioso de cada persona. A raíz de la Segunda Guerra Mundial Jacques Maritain proponía para Francia rehacer su tradición de laicismo escolar estableciendo una “Carta Democrática” obligatoria para todos, en la que constaran los valores esenciales a la democracia, y dejando que las diversas tradiciones religiosas o ideológicas fundamentaran esos valores de acuerdo a sus modos de pensar. Esto supondría una concepción abierta de la laicidad; abierta en dos sentidos: hacia el orden moral de cada alumno según las convicciones de su familia y hacia las tradiciones culturales del país. 66 He desarrollado esta propuesta en un trabajo reciente que presenté en un Seminario sobre Laicidad, realizado en El Colegio de México (Latapí, 2000). Ejemplifico la madurez que se requeriría del maestro -en esta concepción de laicidad abierta- con el siguiente “trilema”: un maestro de escuela pública desempeña tres roles diferentes que no es fácil conciliar. Por una parte, es funcionario del Estado y debe cierta lealtad al Estado que lo ha contratado (si tiene objeción de conciencia, debiera renunciar, pero mientras trabaje debe observar fielmente el laicismo oficial). Por otra parte, es representante de los padres de familia; no se puede explicar la función que desempeña sin referencia a una delegación explícita o implícita de los padres para que eduque a sus hijos; ¿hasta dónde debe llegar la lealtad a los valores de las familias en la educación que da el maestro? ¿No entra este rol en conflicto con el anterior? Y finalmente -por eso es trilema- el maestro es también él mismo, una persona con su propia filosofía de la vida y su propia formación moral. ¿Qué hace entonces un maestro agnóstico que es funcionario del Estado y Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �Pablo Latapí Sarre educa a hijos de padres católicos o judíos en una escuela laica? ¿Qué orientaciones debe seguir? El hecho de que nunca se exterioricen este tipo de conflictos muestra, me parece, no que no existan en nuestra sociedad mexicana, sino que nuestra cultura pedagógica aún no ha profundizado los problemas de la formación moral y las posibles interpretaciones de la laicidad escolar. Ni el Estado ni la Iglesia ni los padres de familia han debatido estas cuestiones con seriedad. Pienso, por ejemplo, en el caso de Francia, donde actualmente se debate este tema, donde los Obispos católicos están proponiendo desde hace varios años una visión positiva de la laicidad, como un elemento que protege la libertad del acto de fe y la hace más auténtica, y donde se preocupan por dar a los maestros católicos de escuelas públicas una formación seria para resolver estos conflictos con pleno respeto a la conciencia del niño, del educando, y con coherencia con su fe religiosa personal. En nuestro caso debiéramos iniciar la tarea de esclarecer los valores comunes que requiere una vida democrática, establecer consensos sobre los rasgos deseables de las personas que queremos formar en nuestras escuelas -el respeto, la participación, la apertura al diálogo, el sentido social, etc.- y sobre esa base ir elaborando una pedagogía de la formación moral en la que se concilie la laicidad de la escuela, entendida como respeto a todas las religiones, y la ayuda a cada alumno según sus propios referentes. Sería una laicidad abierta a los valores morales individuales de los alumnos, no menos que a las tradiciones culturales del país (muchas de las cuales en países como el nuestro están indisolublemente vinculadas a elementos de su historia que fueron religiosos en su origen). Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 b) La ley y la formación en valores El otro problema que deseo tratar es el del papel de las leyes, de la legislación, en esta materia: ¿qué conviene que prescriban y manden respecto a la formación valoral y moral? El Estado con todo su poder puede muy poco en materia educativa, y más en materia de valores. No educa -esto lo hacen sólo las personas- sólo organiza la enseñanza; depende de -y está limitado por- muchas mediaciones humanas en su tarea educativa. Lo principal que puede hacer es normar, y esto no es lo más efectivo para el objetivo de formar valores. Si se me pidiera jerarquizar los factores que, en mi opinión (no es más que una opinión), influyen en la formación de valores en el orden escolar, yo enumeraría estos siete y en el siguiente orden de importancia: primero, el ejemplo de los maestros; segundo, el ambiente o clima de la escuela, propicio para la formación de ciertos valores y el ejercicio responsable de la libertad; tecero, la organización de la escuela por cuanto ella imprime un sello al ejercicio de la autoridad, a las relaciones interpersonales y a la participación; cuarto, la oportunidad de tener experiencias significativas; quinto, la apertura a la comunidad externa que tenga la escuela; sexto el curriculum, los contenidos curriculares; y en último lugar, el canon de los valores proclamados, o sea los enunciados normativos. En mi apreciación las disposiciones del Estado son el elemento que menor importancia efectiva para el proceso de formación valoral. Podríamos decir que al Estado corresponden tres grandes funciones al respecto: la primera, normar y orientar; la segunda, promover, estimular e inducir; y la tercera, evaluar. 67 �Valores y educación Aunque la proclamación de normas tiene sólo importancia relativa, es indispensable; toda educación requiere objetivos y fines claros que corresponde al Estado definir. Supuestamente, en la filosofía democrática, lo que el Estado hace es concretar los consensos sociales y darles expresión jurídica. El deber-ser, la definición de los fines, es socialmente significativa; constituye una referencia para todos los educadores del país y para la sociedad. Pero no sobrevaloremos la ley. La segunda función es más importante para la práctica: la de promover, estimular, inducir. Aquí cabría la normatividad cotidiana que establece límites y espacios, define estímulos, fija roles, sanciona una forma de organización y condiciona el funcionamiento de la escuela. Las normas sobre estos aspectos no formarán directamente los valores pero inducirán a vivirlos y alentarán a los buenos educadores. Así quiero interpretar la asignatura de Formación Cívica y Ética que se ha incorporado recientemente al currículo: como una oportunidad de introducir experiencias significativas, pero nada más. La educación valoral es asunto de mediaciones humanas y éstas no se pueden controlar y determinar a través de prescripciones. El Estado debiera estimular a los maestros a formar valores de diversas maneras, antes que nada procurando que todos los maestros tengan la experiencia de su propia formación en valores. Además, organizar talleres, debates, eventos en que participen también los padres de familia. La formación en valores debiera ser asunto de interés público. También correspondería al Estado dar a sus maestros un trato respetuoso y digno; la formación de los valores de los maestros empieza quizás en la forma en que las autoridades -incluyo a los directores y supervisores- los tratan. Mal puede un docente formar valores de respeto si en la ventanilla 68 es tratado por un burócrata autoritario o grosero. Un trato humano y respetuoso de parte de los funcionarios es una primera condición para promover la formación de valores humanos. La tercera función del Estado es evaluar. Pero en esta materia no puede el Estado ni nadie desarrollar un sistema completo de evaluación. Nunca tendremos -y qué bueno- indicadores precisos que nos digan “los niños de esta ciudad son hoy más magnánimos que los de tal otra” o “ya aprendieron a perdonar mejor que hace dos años”. La calidad de las personas no puede ser evaluada de estas maneras simplistas y superficiales. Sin embargo, si todo lo que nos proponemos debe ser de alguna manera evaluado, podemos sugerir que el Estado haga algunas cosas en relación con la evaluación de los valores. Podría, por ejemplo, estimular a las escuelas a evaluar algunos aspectos valorales de sus alumnos, de acuerdo a criterios nacionales o regionales o a los rasgos propios de la tradición educativa de una escuela en particular. A mí, por ejemplo, me gustaría saber si los muchachos de secundaria están prefiriendo las tradiciones mexicanas en sus maneras de divertirse o las de Estados Unidos, o de Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 �Pablo Latapí Sarre qué manera jerarquizan ciertas preferencias regionales respecto a las nacionales (problema particularmente interesante para el futuro); o saber si están cediendo al bombardeo de los medios de comunicación y asumiendo hábitos de consumo irracional, o si se están volviendo indiferentes, o si les gusta la lectura o si van adquiriendo, conforme a su edad, una mayor responsabilidad social o política. Son aspectos parciales que pueden ser evaluados de alguna manera, y el Estado debiera alentar esas evaluaciones. CONCLUSIÓN Para asuntos de gran importancia como es este de la formación de los valores los seres humanos no tenemos más ayuda, más recursos, que nosotros mismos, nuestra experiencia individual y colectiva, nuestra cultura. Debemos recogerla, atesorarla y ponerla al servicio de la educación de las siguientes generaciones. REFERENCIAS 1. Barba, Bonifacio, Educación para los derechos humanos. Los derechos humanos como educación valoral, México, Fondo de Cultura Económica, (en prensa). 2. Latapí, Pablo, Una laicidad abierta, en: “Tiempo educativo mexicano”, UAA- UNAM, 1996, vol 1, p.204. 3. Latapí, Pablo, La laicidad escolar: cinco vertientes de investigación, en Roberto Blancarte (Compilador), Laicidad y valores en un Estado democrático, El Colegio de México y Secretaría de Gobernación, México, D.F., 2000, p. 33 ss. 4. Schmelkes, Sylvia, Educación para los derechos humanos y la paz, 1995, (manuscr.). Por esto es muy saludable que esté renaciendo entre los maestros y en la sociedad el interés por la formación valoral y moral. Muy saludable también que se haya incluido en el currículo la materia Formación Cívica y Etica, aunque el actual plan y programa de estudio adolezca de deficiencias. Aunque sepamos muy poco sobre esto, aunque andemos a tientas -lo cual ayuda para acercarnos a este tema con humildad, reconociendo que estamos bordeando el misterio de lo que somos- es importante realizar el esfuerzo colectivo de reflexionar sobre la función formativa de la escuela. Así avanzaremos en el conocimiento de cómo hacer mejores a los hombres. Ingenierías, Abril-Junio 2001, Vol. IV, No. 11 69 ��� Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2001 Volumen Volumen de la revista 4 Número Número de la revista 11 Mes de publicación Mes cuando se publicó Abril-Junio Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2001, Vol 4, No 11, Abril-Junio Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Elizondo Garza, Fernando J., 1954-, Director Méndez Cavazos, Julio César, Editor Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/04/2001 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020774 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. 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