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PROTOTIPO DE UN SISTEMA DE CONTROL INALÁMBRICO

PARA PRESIÓN DE AIRE EN UN COMPRESOR

PROTOTYPE OF A WIRELESS CONTROL SYSTEM FOR AIR PRESSURE IN A COMPRESSOR

Angie Paola Jaimes. Cristian Andrés Rodríguez.

Resumen: El presente proyecto se realizó con énfasis a la necesidad y facilidad que el

empleado requiere en el puesto de trabajo ante el uso de herramientas neumáticas; de

este modo se ha diseñado un prototipo que permite dar eficiencia y eficacia a la labor

que se desee realizar dando uso de un compresor de aire. El modelo se desarrolló bajo

cuatro etapas básicas: La estructura mecánica, que permite el movimiento autónomo de

una válvula controladora de presión de aire, regulada a través de un sensor de presión

implementado a la salida de la misma, el cual permite adquirir la señal de presión en

tiempo real. La interacción entre los módulos inalámbricos, para la interconexión y

comunicación entre dispositivos, los cuales permiten el ingreso e intercambio de

información en el sistema según la selección del operador. El controlador, que permite

la adquisición del dato junto a la variable a manejar permitiendo generar el movimiento

de la válvula dado el control de selección mediante cuatro estados diferentes, y

finalmente la visualización donde se indique que presión especifica se desea manejar

de las cuatro disponibles y la lectura del sensor a la salida de la válvula.

Se desea evitar entonces el desplazamiento del operador ante el control manual del

mecanismo en cuestión, permitiéndose realizar esta labor con un mando a distancia.

Palabras clave: Compresor, válvula, módulos inalámbricos, controlador.

Abstract:

The present project was carried out in emphasis to the necessity and facility that the employee

requires in the work station before the use of pneumatic tools; in this way a prototype has been

designed that allows to give efficiency and effectiveness to the work that is wanted to be carried

out giving use of an air compressor. The model was developed under four basic stages: The

mechanical structure, which allows the autonomous movement of an air pressure control valve,

regulated through a pressure sensor implemented at its outlet, which allows the pressure signal

to be acquired in real time. The interaction between the wireless modules, for the

interconnection and communication between devices, which allow the entry and exchange of

information in the system according to the selection of the operator. The controller, which allows

the acquisition of data together with the variable to be managed, allowing the movement of the

valve to be generated, given the selection control by means of four different states, and finally

the visualization where it is indicated that specific pressure is desired to be managed from the

four available and the reading of the sensor at the exit of the valve.

It is desired then to avoid the displacement of the operator before the manual control of the

mechanism in question, being allowed to carry out this work with a remote control.

Keywords: Compressor, valve, wireless modules, controller.



1. Introducción

En la actualidad existen varios sectores de la industria los cuales están implementando la

domótica con el fin de satisfacer las necesidades en el área de trabajo dando seguridad y

confort [1], sin embargo, en la mayoría de sectores industriales de producción media y baja

no se ha implementado una automatización adecuada para un buen manejo de la maquinaria

que se usa en el entorno laboral; a causa de esto se han presentado varios inconvenientes

como lo es el daño remediable o irreparable de las máquinas debido a la mala información que

muestran de las magnitudes que se presentan en las maquinas o herramientas de mano;

consiguiente a esto no hay un control apropiado para la realización de los distintos tipos de

mantenimiento que se deben realizar en la máquina. Adicionalmente como otro problema es

que al ser una industria no automatizada se presenta un factor importante para la producción

y la economía de la fábrica que es el desperdicio de tiempos laborales, generalmente en las

empresas de grande producción, se ve al operario con la necesidad de desplazarse a distintos

sitios para estar configurando o variando el dispositivo que requiere utilizar, de ese modo

perdiendo tiempo útil para la labor que se esté realizando, reduciendo la producción y

aumentando el nivel de desconcentración del empleado, como consecuencia puede verse

reflejado en una baja considerable en la economía de la fábrica [2] [3] .

A causa de este problema se ha enfocado en el sector de las carpinterías de mediana y baja

escala con el fin de implementar una automatización neumática que de una mejora y un confort

adecuado en el trabajo del empleado y ayude a obtener un rendimiento óptimo en las

maquinas. A continuación, se da una breve explicación de cómo se realizó cada una de las

partes del proyecto.

2. Metodología de desarrollo del prototipo

En la Figura 1 se indica la metodología de cómo se realizó el prototipo mostrando los

componentes e indicando el ciclo de funcionamiento de cada uno. Inicialmente se tiene el

Microcontrolador Maestro, el cual tiene como función permitir el ingreso de la información

(proveniente del operario a través de los botones de selección y el menú correspondiente), la

cual es codificada y enviada a través del Emisor XBee; seguido se genera la adquisición del

dato por medio del Receptor XBee, para el Microcontrolador Esclavo el cual activa el

movimiento requerido del Motor-reductor para generar la apertura deseada de la válvula por

medio de una comparación del dato seleccionado y el dato actual de lectura del sensor de

presión, de esta forma habilita o no el paso de la presión correspondiente bajo la selección

indicada [4].

Figura 1. Diseño del prototipo, Fuente: autores [4].



2.1. Etapa mecánica

Para generar la regulación de presión se llevó a cabo la implementación mecánica de los

elementos necesarios que cumplieran dicha labor, en la figura 2 se muestra el prototipo de

diseño, a continuación, se describen los componentes más relevantes:

Figura 2. Etapa mecánica del prototipo, Fuente: autores [5].

2.1.1. Válvula de aire

Se hizo una adecuación de una válvula de bola o también llamada llave de paso de ½ pulgada

(véase figura 3) [6], la cual es ideal para el prototipo debido a que en el ámbito industrial para

empresas de media y baja economía como lo son las carpinterías, es bastante habitual su uso

implementado en sistemas neumáticos e hidráulicos [7].

Figura 3. Válvula de bola, [6].

2.1.2. Motor

Como se indicó anteriormente, por medio de un motor-reductor se genera el movimiento de la

válvula, para esto se selecciona inicialmente un servomotor de referencia MG-995 sin embargo

se genera una modificación convirtiéndolo a un motorreductor (Figura 4.) manteniendo las

características del componente, ya que después de realizar varias pruebas de tamaño y fuerza

en motores, las características princípiales de este motor permitieron generar el movimiento

de la válvula tal y como se requería, pues la cantidad de peso soportada por el motor es

alrededor de: 18 - 20kg con un voltaje de funcionamiento de 4.8 - 6.6v. Para el control de giro

de este dispositivo se utilizó un puente H [8].

Figura 4. Servo motor modificado a motorreductor [8].



2.1.3. Filtro regulador de presión de aire

Se implementa un filtro de aire regulador de presión [9], como el que se ve en la figura 5 entre

el compresor y el prototipo de válvula, ya que tiene como función principal limpiar el aire de

impurezas como el agua y permitir la visualización análoga de la presión precisa luego del

paso por la válvula de bola.

Figura 5, Filtro regulador de presión de aire [9].

Descripción General

Para generar el acondicionamiento adecuado entre el motor a la válvula se desarrollaron

varios tipos de mecanismos: se utilizó en este caso una válvula de bola a la cual se le acoplo

un motorreductor (descritos anteriormente) con el fin de controlar el movimiento de la misma,

para realizar esta labor se encontró una forma ideal y fácil que no esfuerza al máximo el motor

[10], se trata de una estructura metálica para soportar la válvula y el motor (véase figuras 6)[5].

Figura 6, Esquema de acople mecánico

a) Vistas: superior, frontal y lateral, Fuente: autores [5].

Figura 6, Esquema de acople mecánico

b) Prototipo mecánico, Fuente: autores [5].



Esta estructura se acondicionó por medio de un sistema de acoples de diferentes tipos (como

ejemplo un racores) los cuales permitieron formar una estructura mecánica grande y estable,

que permitió a su vez, obtener la información específica de posición de la válvula bajo un

sistema de sensado mediante el sensor de presión de aire mpx5700 alojado en la misma, el

cual cuenta con un acondicionamiento de la señal que permiten sensar electrónicamente la

posición de la válvula y enviar la información correspondiente gracias a el sistema de control

que se describe a continuación.

2.2. Sistema de Control

El prototipo cuenta con dos tipos de control; el primero es el control de mando que permite la

entrada de información por parte del operario, quien maneja el dispositivo de selección (véase

figura 7), bajo un menú de opciones para cuatro estados de presión diferentes.

Figura 7, Control inalámbrico del prototipo, Fuente: Autores [4].

Seguido se encuentra el control del motor por medio de un sensor de presión MPX5700 (véase

figura 8) el cual permite la lectura de presión a través de una señal de salida analógica de alto

nivel que es proporcional a la presión aplicada [11], este valor analógico permite al

microcontrolador comparar la selección del usuario con la presión actual sensada y dar paso

al giro del motor al valor de la presión de aire requerida.

Figura 8, sensor de presión MX5700 [11].

A continuación se presenta el proceso de ingreso de información a través del control: por

medio de los sistemas micro controlados utilizados(Freescale FRDM-KL25Z [12]), los cuales

permiten manejar el control de la información seleccionada por el usuario, y dar paso al envío

de la misma a través de los módulos inalámbricos XBee con el fin de ejecutarse la tarea

correspondiente. A continuación, se describe en un diagrama de bloques la respuesta ante la

selección por parte del usuario y el control que se genera (figura 8).



Figura 8, Diagrama de flujo etapa de control, Fuente: Autores [4].

2.3. Etapa de potencia

Una vez recibida la información por el XBee-receptor, se lleva a cabo la etapa de potencia que

cumple la función de acoplar los elementos bajo circuitos electrónicos que permitieron entre

otras cosas, incrementar la intensidad de corriente, por medio de una configuración de

elementos amplificadores los cuales permitieron obtener un correcto funcionamiento del motor

adicionando en la implementación un driver puente H [13] para el control de giro del mismo

según el dato de llegada. A continuación, se evidencia el diagrama de funcionamiento (figura

9).

Figura 9. Diagrama de flujo etapa de potencia para el motor, Fuente: autores [4].

También se da paso al manejo de las tensiones utilizando como base una fuente de

alimentación de 12V externa, la cual fue empleada por medio de reguladores según el

elemento a utilizar, por lo que se otorgó la tensión de alimentación necesaria y la potencia

adecuada ante el manejo de la señal respectivamente, consecuentemente se logró

direccionar, dar las órdenes y en general el control necesario para los distintos dispositivos

que comandaran la etapa de control y de potencia para la apertura de la válvula en sus estados

correspondientes (cuatro disponibles).



2.4 Etapa de Comunicación

Se estudiaron cada una de las distintas formas de comunicación inalámbricas disponibles en

el mercado y se identificó ventajas y desventajas en cada una de ellas como se muestra en la

tabla 1 la cual se tuvo en cuenta para llegar a la elección indicada para el manejo de nuestro

prototipo.

Wifi Bluetooth Módulos inalámbricos

XBee

Ventajas Conectividad

inalámbrica

Cero cables

Poder

conectarse en

cualquier lugar

Elección entre

varias señales

libres o con

seguridad

Ampliamente

usado en el

mundo

Característica

Sencilla de uso

Gratuito

Inalámbrico

Bajo costo [14].

Bajo costo.

Ultra-bajo

consumo de

potencia.

Uso de bandas

de radio libres y

sin necesidad de

licencias.

Instalación barata

y simple.

Redes flexibles y

extensibles [15].

Desventajas Falla en la

conexión

Distancia

limitada para la

recepción de la

señal

Posibilidad de

hackeo de la

información [16].

Uso de batería,

Velocidad de

trasmisión muy

lenta

Corto alcance

Límite de

distancia [17].

Tabla 1, Comunicaciones inalámbricas [17], [18], [19], [17].

Para el funcionamiento adecuado del prototipo en donde se evitaran las interferencias y se

alcanzara la distancia de trasmisión deseada se eligió la comunicación inalámbrica de los

módulos XBee siendo el elemento en comparación que más distancia de trasmisión ofrece y

adicional es punto a punto dando seguridad y rapidez ante el envío de la información [18],

[19].

3. Mediciones realizadas

Principalmente se tomaron mediciones comparativas respecto a la presión esperada dada la

selección del usuario vs presión de salida de la válvula reguladora, identificando a su vez la

importancia de sensado dada por el sensor de presión MPX5700 quien cumple con la función

principal de controlar la válvula según corresponde, para generar este tipo de medición fue

necesario linealizar el sensor respectivamente con el fin de adquirir el dato análogo e

implementarlo en el microcontrolador, a continuación se puede observar la toma de datos para

los factores en mención.

Psi Vout subida Vout bajada Vprom

0 0,603 0,608 0,6055

10 1,058 1,102 1,08

20 1,44 1,402 1,421

30 1,805 1,752 1,7785

40 2,216 2,193 2,2045

50 2,588 2,62 2,604

60 2,96 2,999 2,9795

70 3,431 3,442 3,4365

Tabla 2, Medición de salida de voltaje vs entrada de presión

en el sensor MPX5700, Fuente: autores.

Grafica 1, Medición de salida de voltaje vs entrada de presión

en el sensor MPX5700, Fuente: autores.

y = 0.0396x + 0.6266

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

0 20 40 60 80

Vo

ltaj

e(v)

Presión (PSI)

Vprom



Con estas mediciones se representó la linealización característica para el sensor de presión

implementado, sin embargo, se identificó que para esta linealización se generaba ruido en la

lectura del dato, provocando oscilaciones significativas que afectaron las mediciones, por tal

motivo se calculó y se implementó un filtro pasa bajo para eliminar este factor además de

reducir el voltaje de entrada hacia el microcontrolador, para esto se dio uso de componentes

comerciales de precisión.

Psi Vout carga Vout descarga Vprom

0 0,331 0,3306 0,3308

10 0,5491 0,5486 0,54885

20 0,762 0,6803 0,72115

30 0,9691 0,9092 0,93915

40 1,1794 1,1163 1,14785

50 1,4244 1,3296 1,377

60 1,6324 1,5447 1,58855

70 1,8516 1,8516 1,8516

Tabla 3, Medición de salida de voltaje vs entrada de presión

en el sensor MPX5700 con filtro pasa bajo, Fuente: autores.

Grafica 2, Medición de salida de voltaje vs entrada de presión

en el sensor MPX5700 con filtro, Fuente: autores.

y = 0.0215x + 0.3123

0

0.5

1

1.5

2

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Vo

ltaj

e(v)

Presión(PSI)

Vprom

Para la linealización respectiva del sensor, se tomó en cuenta el tiempo de respuesta y en

consecuencia la lectura del microcontrolador, se halló tomando los siguientes datos en tiempo

de carga y descarga de presión para la lectura realizada:

Tiempo Presión descarga Presión Carga

0,1 80.213 0.351

0,2 78.329 3.233

0,3 74.513 9.089

0,4 69.520 15.475

0,5 64.267 21.352

0,6 58.850 26.762

0,7 53.536 31.601

0,8 48.668 35.961

0,9 44.325 39.949

1 40.266 43.585

1,1 36.679 46.881

1,2 33.332 49.812

1,3 30.310 52.581

1,4 27.617 54.994

1,5 25.059 57.262

1,6 22.825 59.281

1,7 20.709 61.155

1,8 18.849 62.806

1,9 17.147 64.312

2 15.586 65.758

2,1 14.253 67.016

2,2 12.903 68.144

2,3 11.733 69.213

2,4 10.652 70.210

2,5 9.666 71.064

2,6 8.789 71.839

2,7 7.978 72.579

2,8 7.276 73.265

2,9 6.638 73.868

3 5.931 74.437

3,1 5.434 74.950

3,2 4.910 75.390

3,3 4.408 75.768

3,4 4.002 76.199

3,5 3.605 76.527

3,6 3.250 76.842

3,7 2.950 77.137



3,8 2.600 77.397

3,9 2.293 77.643

4 2.113 77.884

4,1 1.872 78.092

4,2 1.638 78.237

4,3 1.486 78.445

4,4 1.328 78.572

4,5 1.148 78.693

4,6 1.011 78.854

4,7 0.846 78.950

4,8 0.742 79.154

4,9 0.657 79.177

5 0.534 79.298

5,1 0.422 79.388

5,2 0.344 79.454

5,3 0.314 79.506

Tabla 4, Medición de lectura de presión en carga y descarga. Fuente: autores.

Grafica 3, Medición en carga de presión vs tiempo para

sensor MPX5700, Fuente: autores.

0

10,000

20,000

30,000

40,000

50,000

60,000

70,000

80,000

90,000

0 1 2 3 4 5 6

Pre

sió

nx1

0-3

Tiempo(s)

Presión carga

Grafica 4, Medición en descarga de presión vs tiempo para

sensor MPX5700, Fuente: autores.

Se obtuvo como resultado un tiempo aproximado de lectura cada 5s, lo que permitió calcular

el filtro pasa bajo anteriormente mencionado, seguido se tomaron datos respectivos de la

presión seleccionada (por el operador) vs salida del prototipo, obteniendo errores del sistema.

Tabla 5,

Presión seleccionada vs presión de salida y errores del sistema. Fuente: autores.

0

10,000

20,000

30,000

40,000

50,000

60,000

70,000

80,000

90,000

0 1 2 3 4 5 6

Pre

sio

nx1

0-3

Tiempo (s)

Presion descarga

Toma de datos

Presión seleccionada (PSI)

Presión de salida el prototipo (PSI) Error absoluto Error relativo

0 0,776 0,776

1

60 60,544 0,544 0,907%

70 70,497 0,497 0,710%

80 80,125 0,125 0,156%

0 0,776 0,776

2

60 60,544 0,544 0,907%

70 70,496 0,496 0,709%

80 80,172 0,172 0,215%

0 0,776 0,776

3

60 60,172 0,172 0,287%

70 70,497 0,497 0,710%

80 80,148 0,148 0,185%

0 0,776 0,776

4

60 60,358 0,358 0,597%

70 70,544 0,544 0,777%

80 80,132 0,132 0,165%



3. Análisis de resultados.

Ante la respuesta del prototipo se evidencio la importancia del sensor de presión y su

respectiva linealización, ya que con este proceso se permitió la adquisición del dato y lectura

de la presión actual en la válvula (la salida del prototipo) con el fin de generar una comparación

respecto a la presión seleccionada por parte del usuario, permitiendo de esta forma la apertura

de la válvula según el requerimiento bajo cuatro estados diferentes de elección, todo esto a

través del mando a distancia implementado, evitando desplazamientos del operario y

mejorando de esta forma los tiempos de trabajo.

Se evidencia según los datos obtenidos en la medición, un margen de error relativo inferior al

±1%, el cual se calculó bajo el dato de presión seleccionada por el usuario vs la salida de

presión obtenida en el prototipo, lo que indicó el conjunto de valores que puede tomar la señal

de entrada comprendidos entre el máximo y el mínimo detectados por el sensor con una

tolerancia de error aceptable, datos que se tuvieron presentes en la programación del

microcontrolador respecto a la salida dado el movimiento del motor para la apertura especifica.

A continuación se evidencia la implementación del prototipo en mención (véase Error! Reference

source not found.) en donde se verifica la estructura que permite acoplar la válvula la cual maneja

la apertura y cierre del sistema gracias al motor-reductor acoplado a la misma; a la salida de

estos elementos se acondicionó un manómetro regulador que permite de forma análoga

evidenciar los cambios de presión que se realizaron entre la presión indicada por el manómetro

del compresor y la salida del prototipo respectivamente.

Figura 2. a) Implementación en el compresor, vistas frontal y lateral. Fuente: autores [5].

Figura 3. b) Descripción de la implementación en el compresor, Fuente: autores [5].



Figura 11. Acople del prototipo en el compresor, Fuente: autores [5].

4. Aplicación

Como aplicación se propone enfocar el proyecto en el sector de las carpinterías de mediana y

baja escala con el fin de implementar una automatización neumática que de una mejora y un

confort adecuado en el trabajo del empleado y ayude a obtener un rendimiento óptimo en las

maquinas que requieren de presión como, por ejemplo: pistolas de pintura, grapadoras y

puntilladoras, entre otros elementos.

Existen factores industriales que son muy habituales en las carpinterías o en este tipo de

entornos que causan un daño irremediable en los elementos instalados, por tal motivo se

tuvieron en cuenta y se describen a continuación con el fin de tener presente estos ítems en

cuanto al uso del control y el prototipo en cuestión bajo este entorno. Entre los factores

principales se encuentran el ambiental, de uso y el accidental los cuales se explican a

continuación:

El ambiental: se presenta a causa de que el ambiente de una carpintería tiene varios

contaminantes como la pintura, lacas, y polvos de la madera [20], los cuales desgastan

y afectan el funcionamiento y la estructura de control.

El factor de uso: es aquel que deteriora la estructura y los botones del control por

motivos de manejo laboral, este factor es muy común debido a que el mismo uso [21],

desgasta la estructura y como tal el sistema electrónico.

El factor accidental: Una carpintería presenta muchos factores de riesgo accidental tanto

para la salud como para la seguridad que son comunes a la industria en general, se

enfatiza en la proporción mucho mayor de equipos y operaciones de máximo peligro en

el manejo de los mismos [22]. Se puede presentar en cuanto al manejo del dispositivo

controlador, descuidos, herramientas mal posicionadas y procesos no adecuados que

en efecto causarían golpes o rupturas que dañan el control.

Con estos aspectos presentes se debe tener en cuenta el uso adecuado del control bajo un

mismo puesto de trabajo, evitar golpes o caídas del mismo, adicional en cuanto a la estructura

reguladora, se requiere después de utilizado el prototipo apagar el sistema cerrando la válvula

y posicionándola en estado cerrado (0 PSI) con el fin de brindar un óptimo funcionamiento del

prototipo. A continuación, en la figura 12 se muestra el prototipo diseñado.



Figura 12. Resultado final del prototipo. Fuente: autores [5].

5. Conclusiones

Para el óptimo funcionamiento del prototipo fue necesario adquirir conocimientos

mecánicos que fueron importantes para la adecuación correcta y el apropiado diseño

de acople entre la válvula y el motor en donde se pudo apreciar un acople preciso entre

ambos elementos.

Se evidencio que el acondicionamiento realizado a través del sensor de presión,

permitió un mayor rango de trabajo para la apertura de la válvula y por consecuente una

tolerancia en el rango de ±1% que representa un valor aceptable para los resultados

obtenidos entre la presión esperada (selección proveniente del usuario) vs la presión

entregada a la salida del prototipo.

Se obtiene como resultado una mayor precisión de lectura y movimiento de la válvula

gracias a la implementación del sensor de presión MPX5700 ya que ofrece el análisis

del factor presión en cuestión, lo cual permite generar la comparación necesaria para la

apertura requerida de la válvula, a diferencia de otro tipo de elementos mecánicos que

pudieron estar acoplados al sistema de movimiento en el prototipo, como por ejemplo

un encoder [23].

Se logró una comunicación optima con una respuesta rápida entre ambos módulos

inalámbricos XBee, evidenciando que son módulos de gran potencia de trasmisión con

un alcance de recepción adecuado y con gran aplicación en el ámbito industrial, casero

y agrario, haciéndolo eficaz y eficiente ante la labor que deba realizar.

A través de investigaciones y pruebas se logró obtener un prototipo adecuado que

permitió facilidad ante el manejo de la presión que emite el compresor bajo la

implementación de cuatro estados de selección diferentes por medio de un control

inalámbrico practico para el usuario.

En la práctica se identificó la variación de la implementación dado el compresor de aire

acoplado, puesto que existen diferentes tipos de compresores en los cuales influyen

numerosos factores que intervienen directamente en su rendimiento como en el tipo de

uso, esto se encuentra asociado a la capacidad y a la potencia de carga o descarga que

mantenga el compresor que se esté utilizando.

Con la implementación del prototipo se logró reducir los tiempos de desplazamiento

para regular la válvula de presión, ofreciendo optimización en la manipulación de los

elementos y por consiguiente generar reducción ante el desgaste y mantenimiento de

los dispositivos.



En las pruebas realizadas se evidencia que el prototipo permitió generar una variación

inalámbrica para los estados de la válvula (opciones disponibles) de una forma rápida,

sencilla y eficaz.

Se identifico que el tiempo de respuesta del sensor de presión tanto de subida como de

bajada presenta un rango de trabajo para el tiempo de 5s.

Es necesario tener presente la importancia ante la elección de la válvula reguladora, ya

que para esta aplicación donde se trabaja con caudal de aire se recomienda válvulas

de tornillo especiales para este tipo de presión.

Bibliografía

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prototipo de un sistema de control inalÁmbrico para...

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