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Invest Apl Innov 2(2), 2008
Plataforma de aprendizaje a distanciaen automatización industrial empleando
laboratorios remotos
Distance learning environment in industrial automation using remotes laboratories
Alfredo Saire, Henry Gómez
Resumen
La cantidad de cursos a distancia que se encuentran dis-
ponibles en la actualidad en el área tecnológica es bas-
tante limitada, debido fundamentalmente a que sería
indispensable realizar el entrenamiento práctico o ejerci-
cios de laboratorio, empleando un equipo específico para
completar cada una de las actividades requeridas por el
contenido de un curso. Este es el caso, por ejemplo, de los
cursos de automatización industrial, robótica y control de
procesos entre otros.
El objetivo de este trabajo consiste en elaborar una pla-
taforma de hardware y software que permita utilizar el
equipamiento de los laboratorios de Tecsup en forma
remota, accediendo a ellos a través de redes Intranet y/o
Internet.
Abstract
In technology area, the amount of distance courses are
currently quite limited, mainly because in some cases
would be essential to carry out the practical training or
laboratory exercises using a specific equipment to com-
plete each of the activities required by the content of a
course. This is the case, for example for courses about in-
dustrial automation, robotics and process control among
others.
The objective of this work is to develop a platform of
hardware and software that enables use the equipment
of the laboratories of Tecsup in remotely accessing them
through Intranets and / or the Internet.
Palabras claves
Laboratorio remoto, laboratorio web, automatización,
educación a distancia.
Key words
Remote laboratory, web lab, automation, e-learning.
INTRODUCCIÓN
La educación superior en carreras de ingeniería aplicada,
especialmente en aquellas relacionadas con automatiza-
ción industrial, robótica e ingeniería de procesos requiere
de costoso equipamiento y modernas tecnologías que
encarecen ostensiblemente el costo de la educación. No
todas las instituciones de educación superior están en
condiciones de financiar el suficiente equipamiento para
garantizar una formación orientada a la práctica y además
personalizada, por ello es frecuente en los laboratorios de
experimentación tener a más de tres estudiantes interac-
tuando con un módulo o equipo experimental.
Esa experiencia práctica es valiosa para el estudiante y
marcará un hito en su proceso de aprendizaje. Sin em-
bargo, este tipo de enseñanza tradicional se ve afectado
por factores que degradan los resultados educativos, los
cuales ya fueron identificados por L.M. Jiménez y colabo-
radores [1] son:
La limitada disponibilidad de los laboratorios. Los
estudiantes sólo tienen acceso a estos en horarios poco
flexibles y con limitado tiempo de uso. No todos los es-
tudiantes tienen la misma curva de aprendizaje, algunos
requieren de más tiempo para afianzar los conocimientos
con la experimentación. Por tanto, el estudiante no puede
practicar libremente y analizar los aspectos que considere
necesarios o dar mayor énfasis a aspectos débiles de su
aprendizaje.
Limitado número de equipos disponibles. El alto costo
de los equipos obliga a adquirir un número limitado de
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estos, el cual, no guarda relación necesariamente con el
número de estudiantes matriculados en un laboratorio.
Esto obliga a compartir los equipos con tres o más com-
pañeros.
La evaluación práctica del estudiante se ve distor-
sionada. El profesor a cargo de un laboratorio tiene que
evaluar las competencias logradas en una técnica o en el
uso de un equipo en particular; sin embargo, no tiene el
tiempo suficiente para hacerlo en forma individual, por lo
que se adoptan mecanismos como asignación de roles y
desarrollo de tareas que se consolidan en la presentación
y sustentación de informes grupales. La nota obtenida me-
diante esta modalidad, no refleja necesariamente el nivel
del logro de resultados de aprendizaje de cada estudiante.
Ante estos inconvenientes de la educación orientada a la
práctica tradicional, surge como una alternativa interesan-
te el uso de los laboratorios remotos a través de Internet.
Esta modalidad, que en años recientes viene tomando
fuerza por el avance de las Tecnologías de la Información
y de las Comunicaciones (TICs) y por el abaratamiento del
equipamiento necesario, aporta los siguientes aspectos
positivos:
Mejora la disponibilidad de los equipos de laborato-
rio, pues proporcionan horarios fuera del tiempo de clase
para experimentación no presencial.
Incrementa el número de tareas o prácticas de la-
boratorio, ya que el estudiante tiene la posibilidad de
hacer más ejercicios de los que tendría acceso en forma
presencial.
Brinda horarios de acceso más amplios y flexibles, por-
que si no hay limitaciones de tiempo, el estudiante puede
permanecer mayor tiempo interactuando con los labora-
torios remotos.
Mejora el proceso de aprendizaje pues la experimen-
tación no presencial ayuda a fijar los conocimientos
teóricos.
Los laboratorios remotos no son un tema nuevo sino más
bien un tema de interés actual para muchas instituciones
educativas, sobre todo aquellas que tienen programas de
formación a distancia y que como el caso de Tecsup cons-
tituyen un complemento ideal a la formación que se da
a través del campus virtual y permite complementar de
manera eficiente la formación presencial.
FUNDAMENTOS
Las primeras experiencias de aprendizaje en laboratorios
remotos se desarrollaron originalmente en los Collabo-
ratories a partir de los años noventa en Estados Unidos
y en Europa en el Proyecto Dynacore a partir de 1996 en
España [2] Actualmente se están desarrollando investi-
gaciones con diferentes nombres y enfoques en diversas
latitudes.
El AutoLab [1] por ejemplo es un sistema que realiza la
monitorización y el control de un proceso discreto. Esta
controlado por un PLC a través de Internet y permite
al usuario remoto conocer el estado de los sensores y
mandar señales de control a los actuadores del proceso.
Mediante una interfaz gráfica accesible desde cualquier
navegador web es posible visualizar las imágenes del
proceso.
Figura 1. Arquitectura general de un laboratorio remoto.
Los laboratorios remotos residentes en diferentes cam-
pus integrados por Internet son también una experiencia
en proyectos de colaboración. Podemos mencionar, por
ejemplo, la plataforma Barcelona, Manaus y Santiago de
Cuba interconectadas por Internet [3]. El laboratorio re-
moto de Barcelona consta de un conjunto de distintos
accionamientos eléctricos que pueden ser accesados
remotamente mediante un entorno compacto, simple y
visual que permite a los alumnos programar los autóma-
tas y trabajar con los diferentes componentes que con-
forman la estación. Los únicos requerimientos para poder
trabajar con la plataforma son el software abierto de pro-
gramación CodeSys y una conexión a Internet para des-
cargar el programa al autómata y comprobar y supervisar
el funcionamiento gracias a una cámara IP.
El laboratorio de la EST-UEA (Manaus, Brasil) incorpora
diferentes tipos de accionamientos y automatizaciones
dentro del área de Mecatrónica, es decir, accionamientos
eléctricos y neumáticos unidos a los controladores de ro-
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bots y máquinas herramientas. Para su integración al sis-
tema de prácticas de enseñanza a distancia se utiliza un
PLC Wago 750-841 y un PLC Telemecanique TSX3722 con
módulo de Internet ETZ 410. A nivel de software de pro-
gramación se utiliza el software abierto CodeSys y una cá-
mara Web para que el alumno pueda supervisar el desa-
rrollo de la práctica cuando trabaja a través de Internet.
La plataforma instalada en la Universidad del Oriente de
Santiago de Cuba, dispone de un sistema Web que permi-
te el acceso al estado de todas las entradas y salidas del
autómata, así como a la información de la configuración
del PLC, entre otros datos adicionales. Con esta informa-
ción los usuarios pueden verificar el funcionamiento de
sus programas descargados al PLC. Se puede acceder a la
página de enlace del autómata a través de un hipervín-
culo incrustado en la plataforma Moodle junto con otros
documentos e información de interés para la realización
de las prácticas.
Una variante interesante es la utilización de software co-
mercial para entornos de laboratorio como el LabView
mencionado por Vargas, Hector y colaboradores [4]. La
arquitectura del entorno de experimentación consta de
un computador como servidor Web, que centraliza los
servicios y módulos de trabajo asociados a cada laborato-
rio remoto (applet Java y documentación) y realiza la ges-
tión de usuarios y recursos, interactuando con una base
de datos. De otra parte, cada planta del laboratorio es
controlada por un ordenador con LabView 8.2 y tarjetas
de adquisición de datos National Instruments. Las aplica-
ciones LabView desarrolladas realizan el cierre del lazo de
control en tiempo real e intercambian datos a través de
conexiones TCP/IP. En el lado del cliente, la interfaz con la
que un usuario manipula el laboratorio de forma remota
corresponde a un applet Java.
Un desarrollo mucho más sofisticado y bastante con-
fiable es el Campus Project del Instituto Tecnológico de
Massachusetts (MIT) que cuenta con el financiamiento de
Microsoft para aprovechar el potencial de los laboratorios
accesibles por Internet [5].
Otro entorno de laboratorios remoto actualmente en
funcionamiento es el que está disponible en el Instituto
Tecnológico de Monterrey (ITESM); el TeleLab [6] presenta
una plataforma de acceso remoto al laboratorio de auto-
matización y consta principalmente de tres partes: una
página web de libre acceso conteniendo toda la informa-
ción necesaria; un sistema de reservaciones para separar
las sesiones de trabajo en el laboratorio y una interfase
de acceso para realizar una práctica a distancia mediante
una cuenta y un password.
Trabajos previos sobre laboratorio accesibles por Internet
sugieren que el compartir los recursos mediante una ar-
quitectura sencilla es muy limitante y en lugar de facilitar
el acceso y el desarrollo de las experiencias remotas, es un
foco de frustraciones que conducen a la inutilización de
esta modalidad de enseñanza.
Empezaremos por distinguir los tres tipos de experimen-
tos de laboratorio que se pueden poner en línea a través
de Internet.
Experimentos tipo Batch o por lotes: en este tipo de ex-
periencias el estudiante especifica todos los parámetros
que gobiernan la ejecución de un experimento antes que
empiece el mismo. La sesión de laboratorio consiste en
enviar un protocolo de prueba con toda la información
necesaria para el experimento, ejecutar el experimento y
luego, adquirir la información para analizar los resultados.
Normalmente este tipo de experimentos se ejecutan de
manera rápida y no requieren de separación de sesiones.
Experimentos con sensores: en un experimento con sen-
sores el estudiante no puede usualmente especificar nin-
gún parámetro aunque sea posible seleccionar los datos
de un sensor en particular. En la ejecución del experimen-
to se recibe la información en forma digital o en gráficos
de tendencias. Este tipo de interfaces a veces muestran
herramientas para filtrar o procesar posteriormente la
información, como en el caso de aquellas que permiten
activar alarmas o envío de notificaciones por e-mail.
Los experimentos con sensores frecuentemente tienen
un flujo de datos muy asimétrico. Esto puede tomar desde
unos cuantos bits hasta un flujo de datos mucho mayor,
lo cual puede consumir mayor ancho de banda. Algunos
sensores envían la información de manera continua sin
garantizar si esta llega completa a su destino. Otros pue-
den almacenar temporalmente la información y median-
te comandos apropiados pueden ser accesados en forma
remota.
Experimentos interactivos: en un experimento inte-
ractivo, el estudiante típicamente configura una serie de
parámetros, inicia el experimento y luego monitorea su
desarrollo, pudiendo cambiar los parámetros de control
si es necesario. Un experimento interactivo puede ser
concebido conceptualmente como una secuencia de in-
tervalos de monitoreo y ajustes de control. En general, los
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intervalos de control tienen muchas de las características
de los experimentos tipo batch y los intervalos de moni-
toreo son como los experimentos con sensores. Los regis-
tros de una sesión experimental incluyen normalmente
la hora en que sucede un evento, y los datos que arrojan
los sensores, así como otra forma de documentación que
puede incluir imágenes o video.
PROCEDIMIENTO
Hardware del módulo experimental para configuración y monitoreo re-moto de redes AS-i:
La arquitectura que proponemos permite realizar algunas
experiencias en el campo de la automatización. Desarro-
llaremos en particular una por ser la más avanzada dentro
de las tareas que tenemos pendientes. El módulo experi-
mental para configuración y monitoreo de redes en pro-
tocolo Actuator Sensor Interface (AS-i), permite realizar
tareas de configuración, programación y monitoreo de un
proceso secuencial de variables discretas en un entorno
interactivo.
El proceso implementado en un módulo didáctico ADI-
RO (Figura 2) es un alimentador doble que consta de dos
surtidores removibles por gravedad para almacenamien-
to de cilindros o bloques con perfil cilíndrico de 50mm
de diámetro de lado. Un cilindro de doble efecto con
interruptores tipo reed y válvulas de control de flujo de
una vía, empuja la pieza trabajada para su retiro del sur-
tidor. Se tiene un microswitch fijado a la base de la pieza
de montaje para identificar la disponibilidad de la pieza
a trabajar. El cilindro neumático sin rodillo está previo al
surtidor.
Los elementos sensores y actuadores están conectados
a unidades esclavas Siemens convertidoras de protocolo
AS-i de cuatro entradas/cuatro salidas o dos entradas/
dos salidas.
La red AS-i, utiliza un cable estandarizado IDC de dos hilos
para interconectar los diferentes módulos AS-i. Estos mó-
dulos se alimentan con 24VDC y reciben la información
en modulación APM desde una estación maestra AS-i por
el mismo cable IDC. El Master AS-i es un micro PLC Pepper
+ Fuchs que interroga cíclicamente a las estaciones escla-
vas en intervalos menores a los 2 ms. y actualizan las se-
ñales de entrada y salida en su memoria para interactuar
con el proceso.
El master AS-i debe ser configurado con las direcciones de
las estaciones esclavas y los tipos de las unidades de en-
trada y salida existentes en la red. Debe ser programado
también con instrucciones de programación en lista de
instrucciones semejantes a las utilizadas en Step 5 de los
PLC Siemens. La configuración y programación del máster
AS-i se hace con ayuda del software AS-interface Control
de Bihl + Wiedermann descargable desde Internet.
El master AS-i, vía conexión RS 232, se conecta a un Ser-
vidor Serial Anybus. Este dispositivo, es un Gateway que
convierte los datos que recibe por el puerto serial y los
encapsula en protocolo TCP/IP para enviarlos por una
red Ethernet. Las conexiones a la red Ethernet del Servi-
dor Serial y de la cámara IP Dlink, se hacen a través de
un switch, de allí al servidor Web y finalmente a un router
que accede a Internet (Figura 3).
Todo este arreglo está disponible para la Intranet de Tec-
sup y también en el Internet, por ahora de manera res-
tringida mientras concluyen las pruebas para autenticar
usuarios y optimizar el sistema de separación de turnos.
En el lado del cliente, para poder acceder a todos estos re-
cursos, se debe descargar los drivers de la cámara, el soft-
ware de Bihl + Wiedermann y del Servidor serial Anybus.Figura 2. Laboratorio remoto de redes AS-i.
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Figura 4. Pantalla del módulo remoto AS-i en el lado del cliente.
Figura 3. Arquitectura del módulo remoto AS-i.
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La Figura 4 muestra la pantalla del módulo remoto AS-i
que observa el usuario en su computador. Se puede dis-
tinguir la imagen del proceso en tiempo real, la arquitec-
tura de la red AS-i, con las direcciones y los estados lógi-
cos de los sensores y actuadores. Se observa también el
flujo de datos del servidor serial y la ventana de edición
del programa del Master AS-i.
Software del módulo experimental de laboratorios remotos
A continuación se muestra el esquema de la arquitectura
de software de la solución propuesta que esta actualmen-
te en proceso de desarrollo. En dicho esquema se resalta el
empleo de un servidor Web, donde estará instalada la apli-
cación Web que atenderá las solicitudes de los usuarios.
En dicho servidor se incluirá además el software adicional
que permite controlar la operación de los módulos.
Base de datos: toda la información requerida para la ope-
ración del laboratorio debe estar almacenada en la base
de datos, la cual almacena información relacionada con el
curso, laboratorios a desarrollar y los ítems individuales de
cada tarea a ejecutar
Módulo de software de acceso a datos: este módulo
permite separar la lógica de la aplicación de acceso a la
base de datos. Esta permitirá que nuestra aplicación sea
independiente de la base de datos que se esté utilizando
y si hubiera cambios en el futuro en su estructura, única-
mente será necesario actualizar este módulo.
Módulo de software de acceso a hardware: este módu-
lo permite acceder físicamente al módulo a utilizar. Cada
módulo de hardware puede incluir diferentes interfaces
de acceso, pudiéndose utilizar interfaces Ethernet, RS232,
RS485, entre otros. Este módulo se encarga de todos los
detalles relacionados con los diferentes tipos de interfa-
ces a utilizar.
Módulo de software control de la lógica de la aplica-
ción: este módulo representa el componente principal de
la aplicación Web. Realiza todas las acciones requeridas
por la aplicación, desde la identificación de cada parti-
cipante hasta el control de las actividades realizadas en
cada sesión de laboratorio.
Módulo de software de interfaces de usuario: este mó-
dulo contiene los diferentes documentos y formularios
que serán utilizados por el usuario final para interactuar
visualmente con la aplicación. Los componentes visuales
a utilizar están separados de la lógica de la aplicación, por
lo tanto será independiente de la plataforma de software
utilizado para su implementación.
Metodología
Se ha aplicado el método de investigación exploratoria,
el cual nos ha permitido identificar los diversos avances
y proyectos que se han realizado actualmente en este
campo. Muchos de los proyectos existentes son opera-
cionales, funcionan, pero a su vez la mayoría representan
módulos muy específicos, es decir, que para adaptar un
nuevo módulo de hardware es necesario rediseñar todo
Figura 5. Estructura del software.
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el módulo, lo cual requeriría un mayor tiempo para nues-
tros objetivos. Uno de ellos consiste en implementar los
módulos en el menor tiempo posible.
RESULTADOS
Los resultados obtenidos de esta primera experiencia con
laboratorios remotos son:
• Se cuenta con un módulo de experimentación con
redes AS-i, accesible remotamente, el cual permite
configurar, programar y manipular piezas plásticas
en un proceso discreto tipo Batch con ayuda de sen-
sores y actuadores electroneumáticos.
• Existe una plataforma de software que permite ad-
ministrar la información desde el cliente al servidor
y viceversa. Esto garantiza la independencia de los
detalles de implementación del acceso a la base de
datos de la aplicación Web resultante.
• Laseparacióndelainterfacedeusuariodelrestode
la aplicación permite el empleo de diferentes plata-
formas de diseño de interfaces para su elaboración.
• La separación de los diversos módulos propuestos
permite obtener una aplicación acoplada débilmen-
te entre sus diversos componentes, de tal forma que
cualquier actualización o modificación posterior no
requerirá mayor esfuerzo.
CONCLUSIONES
• Elempleodelaboratoriosremotospermitiráampliar
la gama de cursos que se pueden dictar en forma vir-
tual al tener acceso al equipamiento disponible en
las instituciones de educación superior.
• Esposible,atravésdeconveniosespecíficos,permitir
el empleo de laboratorios remotos de otras institu-
ciones, para un alumno sería transparente acceder
a través de nuestra aplicación Web a un laboratorio
que está físicamente implementado en una institu-
ción distante de nuestra ubicación.
• Eldiseñodemódulosqueutilicenentradasysalidas
genéricas o estándares ha facilitado la implemen-
tación de módulos fáciles de adaptar a través de la
solución propuesta. Esto permite obtener un nuevo
módulo y adaptarlo en un menor tiempo, además
permite reducir el tiempo de pruebas para obtener
una comunicación exitosa entre el módulo y la apli-
cación.
REFERENCIAS
[1] Jiménez, L.M., Reinoso, O., Puerto, R., Azorín, J.M. Laborato-
rios remotos para las prácticas de ingeniería de sistemas y
automática en la Universidad Miguel Hernández. (Alicante)
España, 2003.
[2] García Zubía, Javier. e-learning y WebLab. Departamento de
Arquitectura de Computadores, Automática y Electrónica y
Telecomunicaciones de la Universidad de la Rioja España.
[3] Molas, L., Ferrater, C., Gomis, O., Sudriá, A., Boix, A., Benítez,
I., Sicchar, R., Gomes, M., Roldán, F.V., Arias, K., Villafruela, L.
“Integración internacional de plataformas de enseñanza a
distancia de automatización con plcs”. Revista IEEE Ibero-
americana de Tecnologías del Aprendizaje. Num. 1. Vol 1.
Nov. 2006, Vigo, España.
[4] LabVIEW en la Enseñanza del Control: Laboratorios Virtuales
y Remotos de Automática. Héctor Vargas – UNED José Sán-
chez – UNED Sebastián Dormido – UNED.
[5] The Challenge of Building Internet Accessible Labs. Accessi-
ble en www.mit.edu.
[6] Entorno TeleLab, disponible en http://TeleLab.mty.itesm.mx
accesado en Setiembre 2008.
[7] Nuevas aportaciones didácticas de los laboratorios virtua-
les y remotos en la enseñanza de la Física. L. Rosado, J. R.
Herreros, Universidad Nacional de Educación a Distancia
(UNED), Juan del Rosal 16, 28040 Madrid, Spain.
[8] Moodle, accesado en setiembre del 2008 en : http://moodle.org.
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ACERCA DE LOS AUTORES
Alfredo Saire Huamán es
ingeniero electrónico con
estudios de Maestría en
Ingeniería de Sistemas. Ha
participado en diversos
proyectos relacionados con
Tecnologías de Información
en el Área de Investigación
y Desarrollo del Instituto de
Informática de la Universi-
dad Nacional de San Agustín
y en la Oficina de Registros
Públicos de Arequipa.
Henry Gómez Urquizo
es ingeniero electrónico,
egresado de la Maestría en
Ciencias con mención en
Automatización e Instru-
mentación y con estudios
de Doctorado en Ingeniería
de Producción. Realizó cur-
sos de especialización en
Electrónica de Potencia en
Colombia, Automatización
Industrial, Redes y Protoco-
los de Comunicación Indus-
trial en Alemania.
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