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NOTA TÉCNICA

Un algoritmo para el registro del tiempo de atoro en máquinas cosechadoras de caña
An algorithm for the registration of the choke time in sugar cane harvesters

Juan Carlos Sepúlveda Peña¹ , Carlos Lago Gonzáles¹, Alejandro Rosete Suárez² , Roberto Sepúlveda Lima³ y Britaldo Hernández⁴

1 MSc., Prof., Instituto Superior Politécnico José A. Echeverría (ISPJAE), Facultad de Ingeniería Informática, CUJAE, Ciudad de La Habana, Cuba, E-mail: JCarlos@ceis.cujae.edu.cu

2 Dr. C., Profesor Titular, Instituto Superior Politécnico José A. Echeverría (ISPJAE), Vicedecano Facultad de Informática

3 Dr. C., Profesor Titular, Instituto Superior Politécnico José A. Echeverría (ISPJAE), Decano Facultad de Informática

4 Ingeniero en Control Automático, gerente técnico de TechaAgro, subdirector del Centro Nacional de Producción de Animales de Laboratorio (CENPALAB), La Habana, Cuba.

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RESUMEN. El algoritmo descrito fue desarrollado para detectar el atoro en máquinas cosechadoras de caña usando los datos primarios captados por el “computador de a bordo” AGM-200A o el AGM-200B. El algoritmo igualmente pudiera ser aplicado a problemas similares que afrontan otros tipos de cosechadoras agrícolas.

Palabras clave: embuchamiento, atoro, atasco, cosechadoras, caña de azúcar, computador de a bordo, avl.

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ABSTRACT. The described algorithm was developed to detect the choke up in cane harvester using the primary data captured by on board computer AGM-200A or AGM-200B. The algorithm could be applied to similar problems that confront other agricultural machineries.

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El cultivo de la caña de azúcar ha tomado auge en la actualidad a nivel mundial (por ejemplo, un país como China, que antes no era productor tiene ya alrededor de 183 centrales (Tan and Joyce, 2004). El termino Cosechadora es el nombre genérico de las máquinas que sirven para efectuar la recolección o cosecha de los frutos de la tierra. Existen numerosas clases de cosechadoras, cada una de las cuales funciona con arreglo a la índole de lo que se ha de cosechar (Galiana, 1978). La primera máquina agrícola de la que se tiene noticias fue construida por el inventor escocés Andrew Meikle en 1784 y se trataba de una maquina trilladora para separar el grano de la paja. (Microsoft Encarta, 2007).
Según Corona (1996) en Cuba para la mecanización de la cosecha de la caña, el país disponía de un parque cercano a 4 200 cosechadoras, mayormente KTP-1 y KTP-2 de fabricación nacional.
Las cosechadoras de cañas son máquinas altamente complejas, y extremadamente caras. El uso de estas máquinas en un régimen de operación para el que no fueron diseñadas puede acarrearle rápidos desgastes de sus piezas y componentes o la rotura de estas. Se han realizado estudios que han llevado a la realización de manuales de “buenas prácticas”. Sin embargo estas buenas prácticas no siempre son cumplidas por los operarios, por lo cual se han realizado también muchos estudios de cómo garantizar que se cumplan con los manuales de buenas prácticas. (Agnew, et al., 2002; Agnew, 2002; Markley, et al., 2003; Powell, et al., 2001; Willcox, et al., 2004) ya sea mediante mecanismos de control o de convencimiento, al elevar el nivel técnico de los operarios.
El no cumplimiento de las buenas prácticas puede dar como resultado, entre otros problemas, el “embuchamiento” (también conocido como atoro, atasco, obstrucción, embotellamiento, etc) de la cosechadora. El embuchamiento ocurre cuando la cantidad de materia que entra en la cosechadora es superior al que puede asimilar el mecanismo de corte de la misma. La principal causa de embuchamiento está dada por una operación incorrecta de la cosechadora por parte del operario. Además del tiempo perdido por las maniobras, necesarias para salir del embuchamiento, pueden ocurrir otras perdidas de tiempo y económicas debido a roturas provocadas por el propio embuchamiento debido a la sobrecarga a las cuales se somete al mecanismo de corte de la cosechadora, lo cual incrementa el desgaste por fatiga. El desgaste por fatiga es debido a causas mecánicas producto de tensiones variables y repetidas. (Ochoa y Macías, 2007)

El embuchamiento en máquinas cosechadoras de caña
Estudios realizados en Australia muestran que producto del embuchamiento, la cosechadora puede perder hasta un 6% del tiempo (Hernández, 2000). Estudios realizado por Sepúlveda, et al., 2008 en cosechadoras del grupo COSAN (http://www.cosan.com.br/ Consulta: octubre 04 2007) en Brasil, muestran que el tiempo perdido solamente por embuchamiento está entre el 3% y el 4% del tiempo efectivo de corte de la cosechadora. Las Tabla 1 muestra los tiempos consumidos por Tiempo efectivo de corte, Tiempo total de Parada, Tiempo de maniobras, y Tiempo de embuchamientos.

El formato del tiempo en las tabla esta en la forma: días: horas: minutos: segundos.
Como se puede apreciar el tiempo perdido por el embuchamiento son similares para distintos días de trabajo. El % de Embuchamiento se refiere al porcentaje que representa el embuchamiento respecto al tiempo que realmente estuvo cortando.

Comportamiento típico de las variables durante el embuchamiento
Al ocurrir el embuchamiento, las cuchillas de corte de la cosechadora no pueden girar y por ende la presión hidráulica de las bombas de aceite (en lo adelante presión de corte) que las hacen girar, se eleva considerablemente llegando a un valor por encima del 90% de la presión máxima. Una vez que la cosechadora cae en este estado la forma de salir de dicho estado es haciendo girar las cuchillas en sentido contrario, lo cual es medido por los sensores como una presión igual a 0 o muy cercana a 0, Paralelamente a esto el operador tiene que detener la cosechadora antes o durante este proceso. En ocasiones con esto es suficiente y al comenzar a cortar de nuevo el equipo sale del atoro, sin embargo en la mayoría de las ocasiones esto no es suficiente y el operador tiene que mover hacia atrás la cosechadora, lo que se interpreta en la Figura 1 como una velocidad negativa, y repetir la operación de hacer girar las cuchillas en sentido contrario. Una vez que la máquina sale de dicho estado, la presión de corte vuelve a sus valores nominales de trabajo y la cosechadora vuelve a desplazarse hacia adelante a la velocidad de trabajo nominal.

En el punto 1 se da inicio el embuchamiento, en este punto la presión de corte se aproxima a la presión máxima 10,34 MPa (1500 psi). En el punto 2 el operador da marcha atrás a la cosechadora para intentar sacarla del embuchamiento, lo que se interpreta como una velocidad negativa, y casi a la vez como se muestra en el punto 3 hace girar las cuchillas en sentido contrario, por tanto la presión de corte se aproxima a 0, En el punto 4 intenta nuevamente continuar el corte. De no ser posible vuelve nuevamente a dar marcha atrás (punto 2 nuevamente) y nuevamente hace girar las cuchillas en sentido contrario (punto 3 nuevamente). Esta operación entre los puntos 2 y 3 puede repetirse varias veces o podría salir del embuchamiento en la primera iteración. Una vez que la cosechadora salió del embuchamiento la presión y la velocidad vuelven a sus valores nominales de trabajo (punto 5).

Computador de a bordo.
Una definición de computador de a bordo puede ser hallada en http:/www.techagro.com.au/ (Consulta: octubre 04 2007) la cual plantea que un computador de a bordo es: “un dispositivo o conjunto de dispositivos adicionados a, o formando parte de, un sistema móvil, capaz de realizar de forma automática una serie de operaciones regulatorias, de chequeo y registro de parámetros y variables del sistema móvil y/o su entorno, para su procesamiento en tiempo real o diferido”.
Los datos registrados por los computadores de a bordo pueden ser utilizados posteriormente para diferentes usos, entre los que se cuenta el trazado de mapas de rendimiento, registro automático del tiempo de trabajo y de parada, consumo de combustible, tiempo de uso real de las máquinas etc. Estos datos son muy valiosos en manos de expertos para tomar medidas que permitan elevar la productividad y la eficiencia. En el caso de las cosechadoras cañeras además de los parámetros antes mencionados comúnmente se registran también los tiempo efectivo de corte, tiempo de maniobras, tiempo de la estera conectada entre otros.
Sin embargo en momento de escribir este trabajo ninguna de las firmas constructoras de estos equipos en Brasil y Australia había logrado realizar un computador de a bordo capaz de registrar de forma automatizada el tiempo perdido por causa de los atascos.
Una solución para la deteccion del embuchamiento en maquinas cosechadoras de caña
El algoritmo que se presenta en la Figura 2 fue desarrollado como parte de un proyecto de colaboración entre el ISPJAE de la Ciudad Universitaria José A. Eheverría (CUJAE) y la empresa cubano brasilera TechAgro. El algoritmo es completamente válido para analizar los datos recolectados por otros autómatas, siempre y cuando se registren las variables apropiadas y de la forma adecuada.

Variables usadas para detectar el embuchamiento
El algoritmo que se propone se basa principalmente en el análisis del comportamiento de la presión de corte. El comportamiento típico en el tiempo de las variables presión, velocidad y spin. Al analizar el comportamiento de la presión, la velocidad y el spin, los especialistas de mecanización agrícolas de TechaAgro encontraron regularidades que podían ser usadas para de detección y registro automático del tiempo de embuchamiento. El algoritmo aquí propuesto hace uso de dichas regularidades para la detección y registro del embuchamiento.
Algoritmo de detección
El algoritmo de la Figura 2 se basa en una máquina de estados (http://es.wikipedia.org/wiki , Consulta: octubre 04 2007) donde con el análisis de cada nueva trama se realiza un chequeo de las variables para realizar la transición de un estado a otro y poder determinar cuando se ha producido un embuchamiento.
Descripción del algoritmo

Abreviaturas utilizadas: PN: Presión Nominal, Pmax: Presión máxima. Usualmente 1500 psi, PC: Presión de Corte, ID: Identificador, V: Velocidad, Vn: Velocidad Nominal, VminC: Velocidad Mínima de Corte, EC: Tiempo Efectivo de Corte, !EC: Cualquier tiempo distinto de EC, PA: Presión de corte Alta, Em: Embuchamiento, V1: Verificación 1, V2: Verificación 2, Orig.: Nodo de Origen, Dest.: Nodo Destino.

La Tabla 2 muestra las condiciones de transición entre cada uno de los estados origen y destino así como una descripción de tal transición y las acciones que se llevan a cabo al ocurrir dicha transición.

El algoritmo antes descrito ha sido implementado utilizando el Borland Develoment Studio 2006, La detección del embuchamiento puede ser vista por el usuario del sistema de tres formas distintas.
En primer lugar puede observar el tiempo que se ha perdido debido al embuchamiento. Estos datos se pueden mostrar por día, por un rango de tiempo seleccionado, por cosechadora, por operario o puede verlo como una suma de todos los tiempos de embuchamiento donde se incluyen los operarios seleccionados usando las cosechadoras seleccionadas en un rango seleccionado de tiempo (días) a voluntad del usuario, de forma similar a lo mostrado en la Tabla 1, Se puede también observar en un mapa cuales fueron los lugares donde se detectó el embuchamiento y conocer de cada punto la velocidad de desplazamiento en ese instante, la presión de corte, la fecha y hora exacta en que ocurrió además de otros parámetros de la cosechadora. Por último se puede observar en forma de gráfico los valores de las distintas variables que se registran y su valor en el tiempo durante un embuchamiento.

Aplicación de la solución
El algoritmo anteriormente explicado forma parte del software de análisis de los datos recolectados por computadores de a bordo de la serie AGM-200X, los cuales han sido comercializados con éxito en Brasil y Australia. El sistema en su conjunto tiene un precio de 4000.00 Reales (Aproximadamente 2000.00 USD en el 2006) por unidad. El sistema ha sido vendido también con éxito en Australia. El sistema en su conjunto permite conocer de forma detallada el tiempo utilizado en cada operación lo cual permite a los gerentes agrícolas tomar las medidas adecuadas para incrementar la eficiencia de la cosecha (http://www.auteq.com.br/[Consulta: octubre 04 2007).
Hasta el momento de escribir este artículo, es el único producto comercial, en el mercado de Brasil y Australia (países que son referencia mundial en el cultivo de la caña), que registra de forma automatizada el tiempo perdido por embuchamiento en las cosechadoras de caña.

Según las pruebas de campo realizadas al algoritmo se llegó a la conclusión que detecta el 100% de los casos en los cuales la cosechadora se embucha y el operador tiene que detenerla por dicha causa.
En estos momentos la detección del embuchamiento no se realiza in situ, sino que se detecta un tiempo después cuando son procesados los datos recolectados por el computador de a bordo, lo cual permite evaluar la calidad del trabajo realizado.
Un análisis de las tramas, entiéndanse variables registradas por el AGM-200A, segundos antes de cada embuchamiento ha arrojado como resultado que en el 60% de los casos entre 3 y 4 segundos antes de embucharse la cosechadora la presión de corte se había elevado por encima de la presión nominal aunque sin llegar al 90% de la presión máxima. Por tanto si en este instante se detiene a la cosechadora, o se disminuye su velocidad se podría evitar el embuchamiento.

AGNEW, J.R., SANDELL, G.R., STAINLEY, G.T. and WHITEING, C.: Increased sugar industry profitability through harvesting best practice. Proc. Aust. Soc. Sugar Cane Technol., 24: (CD-ROM), Brisbane, Aust, 2002.

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CORONA Z.: Evaluación general de la cosechadora KTP-2M. Trabajo de Diploma (en opción al título de Ingeniero Mecanizador). Universidad Central de las Villas (UCLV), curso 1995-1996, Santa Clara, Cuba, 1996.

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OCHOA CASAL, R.R., y I. MACÍAS S.: Aspectos teóricos sobre el desgaste abrasivo en los elementos de trabajo de las máquinas agrícolas en Cuba. Departamento de Mecanización, Facultad de Ingeniería. Universidad de Granma, Disponible en: www.monografias.com [Consulta: octubre 12 2007]

POWELL, J.G., STAINLEY, G.T. and DORE, G.: A study of the factors affecting harvesting productivity and best practice in the wet tropics, Proc. Aust. Soc. Sugar Cane Technol., 23: 219–225, 2001.

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WILLCOX, T.; B. HUSSEY; D. CHAPPLE; and R. KELLY: “Working towards payment methods for harvesting that provide incentive for good farming practice”, ISSN 0726-0822, ASSCT, Brisbane, Aust, 2004.