Revista ION

Evaluation of Recurrent Artificial Neural Networks in the Diagnosis of Tennessee-Eastman Process Failures

Abstract Long Short-Term Memory (LSTM) recurrent neural networks were implemented in Python (TensorFlow/Keras, Google Colab) to detect and diagnose failures in the Tennessee Eastman Process (TEP). The 52 process variables were analyzed with Principal Component Analysis (PCA) and Hotelling’s T² as a baseline monitor. Single-layer LSTMs were then trained while varying hidden units (16 - 256), output activation functions (softmax, tanh, sigmoid), and epochs (10 - 30) to classify fault-free operation IDV(0) and the critical faults IDV(6) and IDV(18). Across training, validation, and testing, detection accuracy averaged ≈80 %. The best accuracy-generalization trade-off was achieved with a 16-unit LSTM trained for 10 epochs; longer training yielded only marginal gains (~4 % on average) and increased overfitting. Diagnostic metrics showed more reliable performance for IDV(0) and IDV(18) than for IDV(6). Extending the 16-unit model to all-fault TEP classes (5 - 25 epochs) produced the highest accuracies for IDV(2), IDV(6), IDV(12), and IDV(18), while several other faults achieved only modestly or null accuracy. Accordingly, LSTMs enable effective targeted diagnosis for the three considered TEP faults, whereas in the all-fault setting the LSTM yielded poor performance, requiring additional training epochs and possibly benefiting from alternative architectures.

Resumen Las redes neuronales recurrentes LSTM (Long Short-Term Memory) fueron implementadas en Python (TensorFlow/Keras, Google Colab) para la detección y el diagnóstico de fallas del Proceso Tennessee Eastman (TEP). Las 52 variables de proceso fueron tratadas con el Análisis de Componentes Principales (PCA) y el estadístico T² de Hotelling como referencia de detección. Las LSTM con una sola capa oculta y con diferente número de neuronas ocultas (16 - 256), funciones de activación de salida (softmax, tanh, sigmoid) y épocas (10 - 30) fueron entrenadas para clasificar la operación sin falla (IDV(0)) y las fallas críticas IDV(6) e IDV(18). En entrenamiento, validación y prueba, la exactitud de detección alcanzó un promedio de ≈80 %. La red LSTM con 16 neuronas ocultas, entrenada por 10 épocas reportó el mejor compromiso entre exactitud y capacidad de generalización en la detección; el uso de más épocas no aportó una ganancia significativa (~4 % en promedio), pero sí aumentaron el sobreajuste. Las métricas de diagnóstico mostraron un desempeño más confiable para IDV(0) e IDV(18) que para IDV(6). La red LSTM con 16 neuronas fue entrenada con todas las clases de falla del TEP (5 - 25 épocas), reportando las mayores exactitudes para IDV(2), IDV(6), IDV(12) e IDV(18); para las otras fallas, las exactitudes fueron bajas o nulas. Según lo anterior, las LSTM permiten un diagnóstico efectivo de las fallas clave del TEP consideradas en este trabajo. Para todas las fallas, las LSTM presentan un desempeño bajo, con lo cual probablemente requieran más épocas de entrenamiento. También, arquitecturas alternativas podrían reportar mejores desempeños para todas las fallas.

Resumo Redes neurais recorrentes do tipo Long Short-Term Memory (LSTM) foram implementadas em Python (TensorFlow/Keras, Google Colab) para detectar e diagnosticar falhas no Tennessee Eastman Process (TEP). As 52 variáveis de processo foram analisadas com Análise de Componentes Principais (PCA) e o T² de Hotelling como monitor de referência. Em seguida, LSTMs de uma única camada foram treinadas variando o número de unidades ocultas (16 - 256), as funções de ativação de saída (softmax, tanh, sigmoid) e o número de épocas (10 - 30) para classificar a operação sem falhas IDV(0) e as falhas críticas IDV(6) e IDV(18). Ao longo do treinamento, validação e teste, a acurácia média de detecção foi de ≈80 %. O melhor compromisso entre acurácia e generalização foi obtido com uma LSTM de 16 unidades treinada por 10 épocas; treinamentos mais longos resultaram apenas em ganhos marginais (~4 % em média) e aumentaram o sobreajuste. As métricas de diagnóstico mostraram desempenho mais confiável para IDV(0) e IDV(18) do que para IDV(6). Ao estender o modelo de 16 unidades para todas as classes de falhas do TEP (5 - 25 épocas), obtiveram-se as maiores acurácias para IDV(2), IDV(6), IDV(12) e IDV(18), enquanto várias outras falhas apresentaram acurácia apenas modesta ou nula. Assim, as LSTMs possibilitam um diagnóstico direcionado eficaz para as três falhas do TEP consideradas, ao passo que, no cenário com todas as falhas, a LSTM apresentou baixo desempenho, exigindo épocas adicionais de treinamento e possivelmente se beneficiando de arquiteturas alternativas.

Development of a solid propellant formulated with industrial oxidizers and everyday waste

Resumen Los propelentes sólidos son materiales utilizados para propulsar cohetes y misiles, cuyos componentes son oxidantes, combustibles y aglutinantes. Los materiales desechados provenientes de la industria de productos poliméricos y de embalaje de alimentos presentan características adecuadas para su utilización como materia prima en la elaboración de propelentes. Para el estudio, se propuso utilizar latas de aluminio, espuma de poliuretano y platos desechables de poliestireno. Estos residuos fueron limpiados, triturados y molidos hasta obtener partículas de tamaño inferior a 90 um. Se utilizó perclorato de amonio y nitrato de potasio como comburentes, además de otros aditivos como cemento de contacto, azufre y óxido férrico. Los porcentajes de estos componentes en el propelente se definieron mediante un diseño experimental de mezcla. Los residuos de poliuretano y poliestireno fueron caracterizados por FTIR, TGA y poder calórico; mientras que el aluminio se identificó mediante espectrometría de chispa. Se elaboraron granos propelentes cilíndricos y se evaluaron algunas propiedades específicas de propulsión en una cámara de combustión. Se concluyó que la mejor mezcla del propelente con comburente perclorato de potasio contenía 12 %m (masa) aluminio, 10 %m poliuretano, 5 %m poliestireno y 53 %m de perclorato de amonio, obtuvo un impulso específico de 104,598 s; presión de cámara de 5257,13 kPa y tasa de quemado de 1,054 kg/s; mientras que la composición del propelente con nitrato de potasio como comburente con mejores propiedades de propulsión tenía 12 %m aluminio, 5 %m poliuretano, 5 %m poliestireno y 58 %m nitrato de potasio obtuvo un impulso específico de 341,428 s; presión de cámara de 466,45 kPa y tasa de quemado de 0,001 kg/s.

Abstract Solid propellants are materials used to propel rockets and missiles, whose components are oxidizers, fuels, and binders. Waste materials from the polymer and food packaging industries have suitable characteristics for use as raw materials in propellant production. For this study, aluminum cans, polyurethane foam, and disposable polystyrene plates were used. These waste materials were cleaned, shredded, and ground to obtain particles smaller than 90 um. Ammonium perchlorate and potassium nitrate were used as oxidizers, along with other additives such as contact cement, sulfur, and ferric oxide. The percentages of these components in the propellant were determined using a mixture experimental design. The polyurethane and polystyrene waste materials were characterized by FTIR, TGA, and calorific value, while the aluminum was identified by spark spectrometry. Cylindrical propellant grains were produced, and some specific propulsion properties were evaluated in a combustion chamber. It was concluded that the best propellant mixture with potassium perchlorate oxidizer contained 12 %m (mass) aluminum, 10 %m polyurethane, 5 %m polystyrene and 53 %m ammonium perchlorate, obtaining a specific impulse of 104.598 s; chamber pressure of 5257.13 kPa and burn rate of 1.054 kg/s; while the propellant composition with potassium nitrate as the oxidizer with better propulsion properties had 12 %m aluminum, 5 %m polyurethane, 5 %m polystyrene and 58 %m potassium nitrate, obtaining a specific impulse of 341.428 s; chamber pressure of 466.45 kPa and burn rate of 0.001 kg/s.

Resumo Propelentes sólidos são materiais utilizados para impulsionar foguetes e mísseis, cujos componentes são oxidantes, combustíveis e aglutinantes. Resíduos das indústrias de polímeros e embalagens de alimentos possuem características adequadas para uso como matéria-prima na produção de propelentes. Para este estudo, foram utilizadas latas de alumínio, espuma de poliuretano e placas descartáveis de poliestireno. Esses resíduos foram limpos, triturados e moídos para obtenção de partículas menores que 90 um. Perclorato de amônio e nitrato de potássio foram utilizados como oxidantes, juntamente com outros aditivos como cola de contato, enxofre e óxido férrico. As porcentagens desses componentes no propelente foram determinadas utilizando um planejamento experimental de mistura. Os resíduos de poliuretano e poliestireno foram caracterizados por FTIR, TGA e poder calorífico, enquanto o alumínio foi identificado por espectrometria de faísca. Grãos cilíndricos de propelente foram produzidos e algumas propriedades específicas de propulsão foram avaliadas em uma câmara de combustão. Concluiu-se que a melhor mistura propelente com perclorato de potássio como oxidante continha 12 % m (massa) de alumínio, 10 % m de poliuretano, 5 % m de poliestireno e 53 % m de perclorato de amônio, obtendo-se um impulso específico de 104,598 s; pressão na câmara de 5257,13 kPa e taxa de queima de 1,054 kg/s; enquanto a composição propelente com nitrato de potássio como oxidante, com melhores propriedades de propulsão, apresentava 12 % m de alumínio, 5 % m de poliuretano, 5 % m de poliestireno e 58 % m de nitrato de potássio, obtendo-se um impulso específico de 341,428 s; pressão na câmara de 466,45 kPa e taxa de queima de 0,001 kg/s.

Intervention in subsistence mining in the municipality of San Roque, Antioquia, as a practice of social innovation

Resumen Este artículo presenta los resultados de la intervención realizada a los mineros de subsistencia del Municipio de San Roque, a través de acompañamiento técnico, valoración médica (áreas de salud ocupacional y traumatología), mediciones ambientales y biológicas, buscando identificar contaminación por mercurio en zonas donde se practica minería aluvial. De orden general, los escenarios son preocupantes ya que las evaluaciones biológicas arrojaron positivo para mercurio, en las evaluaciones clínicas el 80 % de los mineros atendidos por el médico en salud ocupacional presentaron sintomatologías asociadas a principios de contaminación por mercurio y en el 100 % se encontraron lesiones físicas. En los análisis de agua, suelo y aire también se detectó mercurio. Mientras que los mayores niveles fueron detectados en los suelos, ya que cuatro (4) de las cinco (5) muestras reflejaron mercurio, por las malas prácticas en la minería; en el agua y el aire no se detectaron niveles elevados de contaminación. Además, se analizaron muestras de orina a 50 mineros, encontrando que, si bien ninguno superó los límites biológicos establecidos por los índices de exposición biológica (BEI) de la Conferencia Americana de Higienistas Industriales Gubernamentales (ACGIH), el 32 % de estos presentaron rastros de mercurio en su organismo, lo que evidencia exposición al metal y genera alertas tempranas sobre su acumulación.

Abstract This article presents the results of an intervention carried out with subsistence miners in the municipality of San Roque. Through technical support, medical evaluations (occupational health and traumatology), and biological and environmental measurements, the aim was to identify mercury contamination in areas where alluvial mining is practiced. In general, the findings are concerning. Biological evaluations tested positive for mercury, and clinical evaluations showed that 80 % of miners assessed by the occupational health physician exhibited symptoms related to mercury exposure, with 100 % presenting physical injuries. Mercury was also detected in water, soil, and air analyses, with the highest levels found in the soil, where four (4) out of Ave (5) samples showed mercury contamination, primarily due to poor mining practices. Elevated contamination levels were not detected in water or air samples. Furthermore, urine samples from 50 miners were analyzed. Although none exceeded the biological exposure limits established by the American Conference of Governmental Industrial Hygienists (ACGIH's) Biological Exposure Indices (BEIs), 32 % of them showed presence of mercury in their bodies, indicating exposure to the metal and raising early warnings about its accumulation.

Resumo Este artigo apresenta os resultados da intervenção realizada com os mineiros de subsistência do município de San Roque, por meio de acompanhamento técnico, avaliação médica (nas áreas de saúde ocupacional e traumatologia), medições ambientais e biológicas, com o objetivo de identificar contaminação por mercúrio em zonas onde se pratica a mineração aluvial. De forma geral, os cenários são preocupantes, pois as avaliações biológicas deram resultado positivo para mercúrio; nas avaliações clínicas 80 % dos mineiros atendidos pelo médico de saúde ocupacional apresentaram sintomas associados aos primeiros sinais de contaminação por mercúrio, e em 100 % deles foram encontradas lesões físicas. Nas análises de água, solo e ar também foi detectada a presença de mercúrio, sendo os maiores níveis encontrados nos solos, já que quatro (4) das cinco (5) amostras apresentaram presença do metal, resultado de práticas inadequadas na mineração; na água e no ar não foram detectados níveis elevados de contaminação. Além disso, foram analisadas amostras de urina de 50 mineiros, encontrando-se que, embora nenhum tenha ultrapassado os limites biológicos estabelecidos pelos Índices de Exposição Biológica (BEIs) da Conferência Americana de Higienistas Industriais Governamentais (ACGIH), 32 % deles apresentaram traços de mercúrio no organismo, o que evidencia exposição ao metal e gera alertas precoces sobre sua acumulação.