CAPÍTULO III I.

MARCO METODOLÓGICO

Este capítulo hace mención a los aspectos metodológicos de la investigación utilizados para la solución del problema. Antes de todo, es necesario definir lo que es una investigación científica, que según Arias (2006) “es un proceso metódico y sistemático dirigido a la solución de problemas y preguntas científicas, mediante la producción de nuevos conocimientos los cuales constituyen la solución o respuesta a tales interrogantes” (p.22).

1. Tipo de Investigación

La presente investigación es considerada explicativa, ya que su fin persigue, además de describir fenómenos o temas de estudio, explicar por qué y cómo ocurren dichos fenómenos o eventos, manifestando las relaciones entre las variables del estudio. Según Sampieri (2006): Los estudios explicativos van más allá de la descripción de conceptos o fenómenos o del establecimiento de relaciones entre conceptos; es decir, están dirigidos a responder por las causas de los eventos y fenómenos físicos o sociales. Como su nombre lo indica, su interés se centra en explicar por qué ocurre un fenómeno y en qué condiciones se manifiesta, o por qué se relacionan dos o más variables (p.108).

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La presente investigación explica cómo se realiza el control de temperatura de un reactor de polimerización de poliestireno, y define las variables de control, reflejándose en la toma de datos, ya que en ella se realiza la manipulación de la variable flujo de agua de la chaqueta del reactor para observar el efecto en el control de temperatura del producto. La presente investigación se clasifica como investigación de campo, porque “se realiza en el propio sitio donde se encuentra el objeto de estudio” (Bavaresco, 1997, p.28). Ello permite el conocimiento más a fondo del problema por parte del investigador y se puede manejar los datos con mayor seguridad. El conocimiento del proceso, por tener acceso a la fuente directa de los datos, permitió establecer los criterios correctos para identificar las zonas con problemas de control y permitió realizar el experimento de toma de datos a lazo abierto (con el control manual del operador) sin que se incurriera en perdida de producto por efecto de las pruebas.

2. Diseño de la Investigación

Según Sabino (1979) el diseño de la investigación es un método con una serie de actividades secuenciales y planificadas, que deben ser adaptadas a cada investigación y a través de ellas se especificarán las maneras de obtener, recolectar y analizar los datos. En función del tipo de investigación, y de acuerdo con lo expresado por Sampieri (2006), la esencia de un estudio experimental es la manipulación

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intencional de una acción para analizar las consecuencias de dicha manipulación sobre una o más variables dependientes, todo desarrollado dentro del control del investigador. Según Bavaresco (2006) y Arias (2006),

la investigación se clasifica

según el diseño como experimental, ya que persigue la comprobación de los hechos bajo circunstancias controladas y reguladas. En función de las ideas expresadas anteriormente, esta investigación es un diseño experimental, ya que se manipularon variables de entrada o independientes (flujo de agua a la chaqueta) para ver el comportamiento de la variable de salida o dependiente (temperatura del producto) y de esta manera, obtener la información necesaria para diseñar y validar un modelo matemático que describa el comportamiento de la temperatura del proceso de polimerización del poliestireno cristal, para luego utilizar dicho modelo como base para el estudio de comportamiento del sistema ante una estrategia de control óptimo.

3. Población y Muestra

La población según Arias (2006), es “un conjunto finito o infinito de elementos con características comunes para los cuales serán extensivas las conclusiones de la investigación” (p.69). En el caso de la presente investigación, la población es una población accesible, ya que es una cantidad finita de lotes de producción del producto poliestireno cristal PS1440

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a la cual se tiene acceso y de los cuales solo se tomó en cuenta, el lote en el que se pudo realizar el experimento de control a lazo abierto para realizar la toma de datos representativos del sistema. La muestra es un subconjunto representativo y finito que se extrae de la población accesible. La muestra de la presente investigación es una muestra no probabilística / intencional, ya que la información recopilada fue en base a los criterios establecidos por el investigador, en el experimento de control a lazo abierto del sistema.

4. Técnicas de Recolección de Datos

Para el desarrollo de esta investigación se utilizó la observación estructurada como técnica de recolección de datos, esta técnica se fundamenta, en que, además de visualizar en forma sistemática, el fenómeno, situación o hecho, en correspondencia con unos objetivos, se utiliza una guía diseñada previamente, en la que se establecen los elementos a observar (Arias, 2006). Para la recolección de datos en la investigación se definieron previamente las variables de proceso a monitorear, para luego utilizar software especializados (Wonderware InTouch / Wonderware Historian Client / Microsoft Excel) que permitieron tomar la data de proceso necesaria para el proceso de identificación del sistema y posterior planteamiento del sistema de control óptimo.

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5. Instrumentos de Recolección de Datos

Para la recolección de datos del control de temperatura de proceso de polimerización

del

poliestireno

cristal,

se

utilizaron

los

siguientes

instrumentos: Sistema de control adquisición y supervisión de datos (SCADA) Wonderware InTouch: es la interface gráfica a través de una PC que permite el control del proceso y maneja la base de datos de las variables reflejada en dicha interface (variables de control). Historiador de datos Wonderware Historian Client: es el software encargado del manejo de los datos adquiridos a través del InTouch. A través de él se extraen los datos de las variables en forma gráfica (tendencias) o en datos puntuales (a través de Microsoft Excel).

6. Metodología Utilizada

A continuación se presenta las fases utilizadas para el cumplimiento de cada objetivo específico establecido en la sección 2.2 del Capítulo I de esta investigación.

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6.1.

Fase I. Descripción del Proceso de Polimerización en el Reactor de Procesamiento de Poliestireno Cristal

En esta fase se realizó una investigación sobre cómo se ejecuta el control de temperatura con los controladores PID en cascada, en las distintas etapas del proceso de polimerización del poliestireno cristal. Se hizo hincapié en identificar, en la data recolectada, las intervenciones manuales que realizaron los operadores para mantener la variable temperatura dentro los parámetros establecidos para su control.

Cuadro 2. Metodología fase I

SUB-FASES

METODOLOGÍA

Recolección de

 Recolección de manuales de funcionamiento del control

información sobre el

de proceso de polimerización de poliestireno cristal, para

proceso de

identificar los elementos que intervienen en el proceso de

polimerización del poliestireno cristal

control de temperatura.  Recolección de planos, manuales y catálogos de los elementos de control (PLC/SCADA/instrumentos), para conocer

sus

características,

específicamente

las

relacionadas con instrumentación & control.  Recolección de gráficas de tendencias del proceso, para observar el comportamiento de las variables con respecto al tiempo y poder tomar información para la posterior identificación del sistema.

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Cuadro 2. (Cont.)

SUB-FASES

METODOLOGÍA

Describir el proceso

 Elaboración de un documento que describa el control de

de control de

temperatura

temperatura

poliestireno cristal con un enfoque de ingeniería de

del

proceso

de

polimerización

del

control y automatización, para resumir las características necesarias en el desarrollo de la investigación.

6.2.

Fase II. Identificación del Comportamiento de la Temperatura en el Proceso de Polimerización del Poliestireno Cristal

En esta fase se determinó la influencia de la temperatura en el proceso de polimerización, a través de los conocimientos adquiridos de la descripción del proceso y de pruebas experimentales, lo cual permitió observar cómo se afecta la temperatura del producto con el flujo de agua a la chaqueta del reactor el consumo de vapor/agua de enfriamiento, el efecto de la masa del sistema y los tiempos de respuesta, el comportamiento del sistema en la sección del calentamiento donde se encuentra una reacción “exotérmica”, entre otros.

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Cuadro 3. Metodología fase II

SUB-FASES

METODOLOGÍA

Identificar el

 Verificar e identificar la relación/dependencia (causa-

comportamiento de

efecto) entre las variables, mediante la información

la temperatura en el

disponible en manuales de proceso y la experiencia de

proceso de polimerización

los operadores de la línea de producción.  Seleccionar

variables

de

control

(variable

independiente/dependiente, señal de salida de control) para el proceso de control de temperatura, las cuales serán registradas y posteriormente utilizadas para la identificación del sistema.

6.3.

Fase III. Desarrollo del Modelo Matemático del Proceso de Polimerización de Poliestireno Cristal

La recolección de datos del proceso se realizó a lazo abierto, específicamente en el proceso de transición entre las etapas de calentamiento y las etapas de temperatura constante en un nivel de calentamiento del proceso (segundo nivel), tomando como intervalo de tiempo 1125 segundos para las entradas y salidas del lazo de control de temperatura en el reactor de polimerización. Luego se procedió a generar una serie de experimentos, con el ToolBox System Identification de Matlab®, que permitieron establecer los datos para la obtención del modelo matemático del proceso de polimerización. Dicho sistema fue validado con la misma data de proceso real.

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Cuadro 4. Metodología fase III

SUB-FASES

METODOLOGÍA

Recolección de valores de

de

valores

de

temperatura

del

producto y de la chaqueta.

funcionamiento de las variables de control de

 Recolección de valores de la salida del control en

temperatura para un

cascada y de los accionamientos realizados en

mismo proceso

forma manual.

Presentación de

 Representación gráfica y tabulada de las variables

mediciones obtenidas

de control.

Procesamiento de datos de entrada y salida Modelado del proceso de polimerización

 Filtrado y acondicionamiento de señales.  Obtención

del

modelo

matemático

aplicando

técnicas de identificación de sistemas.

Validación de los modelos obtenidos

6.4.

 Recolección

 Realizar procesos de validación de modelos en base a criterios de identificación de sistemas.

Fase IV. Desarrollo de un Control Óptimo de Temperatura y Simulaciones de Control

Cuadro 5. Metodología fase IV

SUB-FASES Verificar modelos según teorías de control óptimo

METODOLOGÍA  Aplicar criterios de observabilidad y controlabilidad.

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Cuadro 5. (Cont.)

SUB-FASES

METODOLOGÍA  Uso de esquemas de control óptimo (controlador PI óptimo).  Simular del proceso mediante la herramienta

Aplicación de control

Simulink.

óptimo  Graficar las respuestas del sistema.  Evaluar el comportamiento del sistema ante perturbaciones.

6.5.

Fase V. Validación del Control Optimo Propuesto

Cuadro 6. Metodología fase V

SUB-FASES Verificar el control óptimo

METODOLOGÍA  Según la data obtenida para el experimento,

propuesto

alimentar el esquema de control para verificar el comportamiento ante data real de proceso

7. Análisis de los Datos

Para la recopilación de información proveniente del campo, se utilizó la aplicación Trend del paquete de software Wonderware Historian 9.0, que a

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su vez, utiliza como plataforma base Microsoft Excel para el almacenamiento de los datos y representaciones gráficas de los mismos. Mediante el Toolbox System Identification de Matlab® se tomaron los datos

provenientes

de

Microsoft

Excel,

estos

fueron

procesados

(acondicionamiento de los datos) y posteriormente utilizados como base para realizar las simulaciones necesarias para la obtención de los modelos matemáticos, atendiendo los criterios de mejor ajuste, análisis de residuos y estabilidad según el proceso de identificación de sistemas. Luego, mediante el Toolbox Simulink, se realizaron las simulaciones del sistema para comparar la respuesta del sistema a lazo abierto y con el controlador optimo PI.