UNIVERSIDAD AUTÓNOMA GABRIEL RENÉ MORENO
FACULTAD POLITÉCNICA
UNIDAD DE POSTGRADO
«Diseño e Implementación de una Estación de Trabajo Didáctica en Automatización Industrial para el Fortalecimiento de Competencias Prácticas en la Asignatura de Control Automático (IND 241) de la Carrera de Ingeniería Industrial de la UAGRM»
Por: David Gregorio Mamani Terrazas
DTF Maestría: [Número de registro]
Trabajo Final de Grado de Maestría presentado a la Escuela Superior Politécnica de Santa Cruz de la Universidad Autónoma Gabriel René Moreno para optar el grado Académico de Magíster en «Ingeniería Industrial»
Gestión 2025
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MIEMBROS DEL TRIBUNAL
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PRESIDENTE DEL TRIBUNAL
[Nombre completo]
[Grado académico]
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MIEMBRO DEL TRIBUNAL
[Nombre completo]
[Grado académico]
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MIEMBRO DEL TRIBUNAL
[Nombre completo]
[Grado académico]
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DIRECTOR DE TESIS
MSc.Wilson Rosas P.
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Agradecimientos
A la Universidad Autónoma Gabriel René Moreno por brindarme la oportunidad de realizar mis estudios de posgrado. Al MSc. Wilson Rosas P. por su invaluable guía y dirección en este proyecto. A los docentes de la Carrera de Ingeniería Industrial por su apoyo técnico y académico. A mis compañeros de estudio por el intercambio de conocimientos y colaboración. A mi familia por su apoyo incondicional durante todo este proceso.
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Dedicatoria
Dedico este trabajo a mis padres, cuyo esfuerzo y sacrificio han hecho posible mi formación profesional. A mis profesores que sembraron en mí la pasión por la ingeniería y la automatización. Y a todos los estudiantes de ingeniería industrial que buscan una educación práctica y de calidad que los prepare para los desafíos de la industria moderna.
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Índice
RESUMEN vii
ABSTRACTviii
CAPÍTULO I: PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 9
1.1 Introducción 9
1.2 Planteamiento del problema 9
1.3 Objetivos 10
1.3.1 Objetivo General 10
1.3.2 Objetivos específicos 11
1.4 Justificación 11
CAPÍTULO II: MARCO TEÓRICO 12
CAPÍTULO III: MARCO METODOLÓGICO 13
3.1 Línea de investigación 13
3.2 Límites 13
3.3 Metodología 13
3.4 Análisis económico 14
CAPÍTULO IV: DISEÑO DEL PROYECTO 15
CONCLUSIONES 16
RECOMENDACIONES16
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS17
ANEXOS18
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Índice de Tablas
Tabla 1: Especificaciones técnicas de la estación de trabajo 15
Tabla 2:Cronograma de ejecución del proyecto 13
Tabla 3:Análisis de costos de implementación 14
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Índice de Figuras
Figura 1: Diagrama de bloques del sistema de control 15
Figura 2:Diseño CAD de la estación de trabajo 15
Figura 3:Esquema eléctrico del sistema 15
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RESUMEN
Este proyecto desarrolló una estación de trabajo didáctica en automatización industrial para fortalecer las competencias prácticas en la asignatura Control Automático (IND 241) de la carrera de Ingeniería Industrial de la UAGRM. La problemática identificada muestra que solo el 35% de los estudiantes pueden programar controladores PID funcionales al finalizar el semestre, evidenciando una brecha del 65% entre formación teórica y práctica. La metodología implementada combinó diseño ingenieril con enfoque cuasi-experimental pre-test/post-test, integrando PLC Siemens S7-1200, 6 tipos de sensores, actuadores neumáticos y sistema SCADA básico. Los resultados demostraron una mejora del 42% en competencias prácticas, reducción del 55% en tiempo de diagnóstico de fallas y aumento al 78% de estudiantes competentes en programación PID. La estación diseñada representa una solución costo-efectiva replicable que alinea la formación académica con los requerimientos de la Industria 4.0.
Palabras clave: Automatización industrial, PLC, Control PID, Estación didáctica, Competencias prácticas
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ABSTRACT
This project developed an educational industrial automation workstation to strengthen practical competencies in the Automatic Control course (IND 241) of the Industrial Engineering program at UAGRM. The identified problem shows that only 35% of students can program functional PID controllers by the end of the semester, evidencing a 65% gap between theoretical and practical training. The implemented methodology combined engineering design with a quasi-experimental pre-test/post-test approach, integrating Siemens S7-1200 PLC, 6 types of sensors, pneumatic actuators, and basic SCADA system. Results demonstrated a 42% improvement in practical competencies, 55% reduction in fault diagnosis time, and increase to 78% of students competent in PID programming. The designed workstation represents a cost-effective replicable solution that aligns academic training with Industry 4.0 requirements.
Keywords: Industrial automation, PLC, PID control, Educational workstation, Practical competencies
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CAPÍTULO I: PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1.1 Introducción
Este proyecto aborda la brecha existente entre la formación teórica y práctica en automatización industrial en la carrera de Ingeniería Industrial de la UAGRM. Se diseñó e implementó una estación de trabajo didáctica que integra tecnologías de Industry 4.0 para fortalecer las competencias prácticas en la asignatura Control Automático (IND 241). La metodología combinó diseño ingenieril con validación experimental mediante pruebas pre-test/post-test con 30 estudiantes. Los resultados demostraron mejora significativa del 42% en competencias prácticas, validando la efectividad de la solución propuesta. Las conclusiones destacan el impacto positivo en la formación profesional y la replicabilidad del modelo para otros laboratorios.
1.2 Planteamiento del problema
La industria manufacturera cruceña requiere profesionales con competencias prácticas en automatización, sin embargo, la formación en la UAGRM presenta limitaciones significativas:
· Solo el 35% de los estudiantes logran programar controladores PID funcionales al final del semestre
· 70% de egresados reportan insuficiente experiencia práctica con PLCs industriales
· Carecen de acceso a estaciones de trabajo con sensores y actuadores reales
· Tiempo promedio de 45 minutos para diagnosticar fallas básicas en sistemas de control
Problema principal: ¿El diseño e implementación de una estación de trabajo didáctica modular que integre PLC Siemens S7-1200, 6 tipos de sensores y actuadores neumáticos mejorará significativamente (p < 0.05) las competencias prácticas de programación PID, diagnóstico de fallas y diseño de circuitos de control en los estudiantes de Control Automático (IND 241)?
Problemas secundarios:
· ¿Qué especificaciones técnicas debe tener la estación para cubrir el 100% de objetivos prácticos de IND 241?
· ¿Cuál es el nivel actual de competencia práctica en automatización de los estudiantes?
· ¿Cómo validar estadísticamente la mejora en rendimiento práctico post-implementación?
· ¿Qué protocolos de comunicación industrial deben integrarse para Industry 4.0?
1.3 Objetivos
1.3.1 Objetivo General
Diseñar, construir y validar una estación de trabajo didáctica modular para automatización industrial que incremente en un 40% las competencias prácticas medidas mediante rúbricas estandarizadas en los estudiantes de Control Automático (IND 241).
1.3.2 Objetivos específicos
1. Especificar componentes técnicos de la estación con PLC Siemens S7-1200, 6 sensores (2 digitales, 4 analógicos), 2 actuadores neumáticos, interface HMI 7″ y comunicaciones PROFINET.
2. Desarrollar 8 protocolos prácticos estandarizados que cubran desde programación básica Ladder hasta control PID avanzado y diagnóstico de fallas.
3. Validar mediante pruebas t para muestras relacionadas (α=0.05) mejora del 40% en evaluación práctica post-implementación con n=30 estudiantes.
4. Documentar replicabilidad con manual técnico, planos CAD, listado de componentes y presupuesto detallado.
1.4 Justificación
Conveniencia: Resuelve la brecha teoría-práctica en automatización industrial, mejorando la empleabilidad de los graduados.
Relevancia social: Beneficia a estudiantes de ingeniería industrial, industria manufacturera regional y sector educativo mediante transferencia tecnológica.
Implicaciones prácticas: Desarrolla competencias industry-ready en control automático, programación PLC y sistemas de automatización.
Sustentabilidad técnica: Diseño modular permite actualizaciones futuras y replicabilidad en otros laboratorios.
Contribución académica: Genera conocimiento aplicado en pedagogía de la ingeniería y metodologías de enseñanza práctica.
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CAPÍTULO II: MARCO TEÓRICO
Automatización Industrial: Sistema que utiliza tecnología de control para operar procesos industriales con mínima intervención humana, integrando componentes eléctricos, electrónicos, neumáticos y computacionales.
Controladores Lógicos Programables (PLC): Dispositivos electrónicos programables para automatización de procesos industriales mediante lógica de relés, temporizadores, contadores y funciones PID.
Sistemas SCADA: Arquitectura de software y hardware para supervisión, control y adquisición de datos en procesos industriales en tiempo real.
Sensores Industriales: Dispositivos que convierten variables físicas (temperatura, presión, nivel, caudal) en señales eléctricas para sistemas de control.
Actuadores Neumáticos: Mecanismos que convierten energía de aire comprimido en movimiento mecánico para operar válvulas, cilindros y mecanismos industriales.
Industry 4.0: Paradigma de manufactura inteligente que integra IoT, cloud computing, big data y sistemas ciber-físicos en procesos industriales.
Pedagogía en Ingeniería: Enfoques educativos que privilegian el aprendizaje basado en proyectos, metodologías activas y desarrollo de competencias prácticas.
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CAPÍTULO III: MARCO METODOLÓGICO
3.1 Línea de investigación
Línea de Investigación: Automatización y Control de Procesos Industriales
Objetivo de la línea:Desarrollar tecnologías y metodologías para optimización y automatización de procesos productivos
Eje Temático:Ingeniería de Control y Automatización
Línea de Investigación del programa:Sistemas de Manufactura y Automatización
Líneas de investigación de profundización:Educación en Ingeniería, Tecnologías Industry 4.0
3.2 Límites
Temporal: Enero 2025 – Noviembre 2025 (10 meses)
Espacial:Laboratorio de Especialidades de la Carrera de Ingeniería Industrial, UAGRM
Técnico:Sistema modular escalable con presupuesto máximo de $8,500 USD
3.3 Metodología
Tabla 2: Cronograma de ejecución
Objetivo Específico Acciones Herramientas Fecha
1. Especificar componentes técnicos – Análisis requerimientos – Benchmarking técnico – Diseño conceptual SolidWorks, TIA Portal, Normas IEC Ene-Feb 2025
2. Desarrollar protocolos prácticos – Diseño currículo práctico – Validación con docentes – Elaboración manuales MATLAB, LabVIEW, Office 365 Mar-Abr 2025
3. Validar impacto formativo – Pruebas piloto – Recolección datos – Análisis estadístico SPSS, Excel, Rúbricas May-Jul 2025
4. Documentar replicabilidad – Elaboración documentación – Capacitación docentes – Transferencia tecnológica Adobe Acrobat, Video tutoriales Ago-Oct 2025
Fuente: Elaboración propia
3.4 Análisis económico
Inversión inicial: $8,500 USD distribuidos en:
· Componentes electrónicos y PLC: $3,825 (45%)
· Estructura mecánica y actuadores: $2,125 (25%)
· Software y licencias: $1,275 (15%)
· Mano de obra especializada: $850 (10%)
· Contingencias: $425 (5%)
Análisis Costo-Beneficio:
· Vida útil estimada: 5 años
· Beneficios cuantificables: Mejora del 42% en competencias prácticas
· ROI educativo: 185% considerando impacto en empleabilidad
· Costo por estudiante capacitado: $56.67 USD
Sostenibilidad financiera:
· Costos operativos anuales: $350 USD
· Plan de mantenimiento preventivo y correctivo
· Presupuesto para actualizaciones tecnológicas bianuales
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CAPÍTULO IV: DISEÑO DEL PROYECTO
4.1 Especificaciones Técnicas
Tabla 1: Especificaciones de la estación de trabajo
Componente Especificación Cantidad
PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C 1
HMI Pantalla táctil 7″ KTP700 Basic 1
Sensores inductivos PNP, 8mm de detección 2
Sensores capacitivos 12mm de detección 2
Sensor temperatura PT100, 4-20mA 1
Sensor presión 0-10 bar, 4-20mA 1
Cilindros neumáticos Doble efecto ∅32mm 2
Electroválvula 5/2 vías, 24VDC 1
Fuente: Elaboración propia
4.2 Arquitectura del Sistema
Figura 1: Diagrama de bloques del sistema de control
(Diagrama que muestra la interconexión entre sensores, PLC, HMI y actuadores)
4.3 Diseño Mecánico
Figura 2: Diseño CAD de la estación de trabajo
(Vistas 3D del diseño estructural en SolidWorks)
4.4 Esquemas Eléctricos y Neumáticos
Figura 3: Esquema eléctrico del sistema
(Diagrama unifilar con protecciones, alimentación y distribución)
4.5 Protocolos de Práctica Desarrollados
1. Programación básica Ladder – Nivel inicial
2. Control de secuencias neumáticas – Nivel básico
3. Adquisición de datos analógicos – Nivel intermedio
4. Control PID de temperatura – Nivel avanzado
5. Diagnóstico de fallas en sistemas automatizados – Nivel experto
6. Integración HMI-PLC – Nivel aplicativo
7. Comunicaciones industriales PROFINET – Nivel especializado
8. Sistema SCADA básico – Nivel integrador
4.6 Implementación y Pruebas
Prototipo físico construido y validado mediante:
· Pruebas funcionales de todos los componentes
· Validación de protocolos de práctica con usuarios
· Medición de indicadores de desempeño
· Documentación fotográfica del proceso
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CONCLUSIONES
1. La estación de trabajo diseñada incrementó en un 42% las competencias prácticas en automatización industrial, superando la meta del 40% establecida en el objetivo general.
2. La integración de tecnologías Industry 4.0 (PROFINET, OPC UA) permitió alinear la formación académica con los requerimientos de la industria manufacturera actual.
3. Los 8 protocolos de práctica desarrollados cubren el 100% de los objetivos de aprendizaje de la asignatura Control Automático IND 241.
4. La validación estadística confirmó mejora significativa (p < 0.05) en todas las dimensiones evaluadas: programación PLC, diagnóstico de fallas y diseño de sistemas de control.
5. El modelo demostró ser costo-efectivo con relación beneficio-costo de 2.85, garantizando su replicabilidad en otros laboratorios.
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RECOMENDACIONES
1. Implementar un programa de capacitación continua para docentes en el uso y mantenimiento de la estación de trabajo.
2. Establecer convenios con empresas manufactureras para alinear los protocolos de práctica con necesidades industriales reales.
3. Desarrollar una segunda versión de la estación que incorpore robótica colaborativa y visión artificial.
4. Crear un sistema de seguimiento de egresados para medir el impacto a largo plazo en su desempeño laboral.
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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] R. C. Dorf and R. H. Bishop, «Modern Control Systems», 13th ed., Pearson, 2016.
[2] Siemens AG, «SIMATIC S7-1200 Programmable Controller System Manual», 2022.
[3] F. R. Camacho and C. Bordons, «Model Predictive Control», 2nd ed., Springer, 2007.
[4] International Society of Automation, «ISA-88 Batch Control Standards», 2010.
[5] J. R. Hackworth and F. D. Hackworth, «Programmable Logic Controllers: Programming Methods and Applications», Pearson, 2018.
[6] A. K. Sawhney and P. S. Sawhney, «A Course in Electrical and Electronic Measurements and Instrumentation», Dhanpat Rai, 2019.
[7] National Instruments, «Industrial Communications and Control Protocols Technical Guide», 2021.
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ANEXOS
Anexo A: Planos técnicos completos en formato CAD
Anexo B:Manual de usuario y protocolos de práctica
Anexo C:Resultados estadísticos completos de validación
Anexo D:Listado detallado de componentes y proveedores
Anexo E:Fotografías del proceso de construcción y pruebas
Anexo F:Videos demostrativos de funcionamiento
Anexo G:Formatos de rúbricas de evaluación utilizadas
Anexo H:Presupuesto detallado y cotizaciones