SISTEMA DE CONTROL ÓPTIMO DE TEMPERATURA PARA EL PROCESO DE POLIMERIZACIÓN DEL POLIESTIRENO CRISTAL

Transcripción

1 REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD DR. RAFAEL BELLOSO CHACÍN VICERRECTORADO DE INVESTIGACIÓN Y POSTGRADO PROGRAMA: MAESTRÍA EN INGENIERÍA DE CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN DE PROCESOS SISTEMA DE CONTROL ÓPTIMO DE TEMPERATURA PARA EL PROCESO DE POLIMERIZACIÓN DEL POLIESTIRENO CRISTAL Trabajo presentado como requisito para optar al Grado de Magíster en Ingeniería de Control y Automatización de Procesos Autor: Ing. Daniel Alejandro Gómez Tutor: Msc. Dianela Troconis Loaiza Maracaibo, Mayo de 2012

2 SISTEMA DE CONTROL ÓPTIMO DE TEMPERATURA PARA EL PROCESO DE POLIMERIZACIÓN DEL POLIESTIRENO CRISTAL

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4 DEDICATORIA A DIOS, por darme tantas bendiciones y la oportunidad de terminar esta etapa de mi vida. A mi mamá, María Trinidad, por ser un ejemplo que guió mi vida desde pequeño, gracias a ti soy la persona que en la actualidad se gradúa de Magister. Este es otro triunfo para ti también. Te quiero mucho. A mi bella y amada esposa Mónica, sin tu apoyo incondicional esto no sería posible. Gracias por estar siempre a mi lado, viviendo esta hermosa vida que nos toca vivir juntos, con nuestra princesa. Gracias por hacerme Feliz. A mi fuente de energía y ganas de vivir Ana María, eres un ángel que me lleno de amor y felicidad, todo lo que hago es para que tengas un camino mejor que el mío. A mi suegra Blanca, ya que sin su apoyo difícilmente hubiera podido culminar esta etapa. Daniel Gómez iv

5 RECONOCIMIENTOS A DIOS, por estar conmigo en este camino. A Estireno del Zulia, por brindarme la oportunidad de aplicar los conocimientos adquiridos en esta maestría. A mi tutora Dianela, gracias por tu ayuda. A los profesores Sergio de Pool y José Orozco, por ayudarme en el momento más difícil del desarrollo de la presente investigación. A todos los que de una u otra manera me ayudaron a cumplir esta meta. Daniel Gómez v

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12 Gómez, Daniel Alejandro. Sistema de Control Óptimo de Temperatura para el Proceso de Polimerización del Poliestireno Cristal. Universidad Rafael Belloso Chacín. Programa de Maestría en Ingeniería de Control y Automatización de Procesos. Maracaibo, RESUMEN Esta investigación se realizó con la finalidad de proponer una mejora en el sistema de control de temperatura utilizado por una empresa productora de poliestireno en su reactor de polimerización. El objetivo general de la investigación fue diseñar un control óptimo de temperatura para optimizar el proceso de polimerización del poliestireno cristal. La investigación se clasificó según su tipo en explicativa y de campo, y según su diseño como experimental. La investigación se dividió en cuatro fases: la primera corresponde a la descripción del proceso de polimerización del poliestireno cristal, la segunda asociada a la identificación de las variables controlables y no controlables involucradas en el proceso, la tercera fue el desarrollo de un modelo matemático para describir el proceso de polimerización del poliestireno cristal y la cuarta el desarrollo de un control óptimo de temperatura. Se utilizaron software de computadora para la recolección de datos (Wonderare Historian Client e InTouch) y para el procesamiento, diseño del modelo del sistema y del sistema de control (Matlab y los Toolbox Simulink e System Identification). Como resultado se obtuvo un modelo matemático de cuarto orden y que ajusto en un 71.42% con respecto al modelo real. Con este modelo se realizó un esquema de control PI Óptimo que logró estabilizar el sistema en 10 segundos con un sobrepico de menos del 3% logrando cumplir con los requerimientos del proceso. Palabras Claves: temperatura, polimerización, poliestireno, identificación de sistemas, control óptimo. xiii

13 Gómez, Daniel Alejandro. Sistema de Control Óptimo de Temperatura para el Proceso de Polimerización del Poliestireno Cristal. Universidad Rafael Belloso Chacín. Programa de Maestría en Ingeniería de Control y Automatización de Procesos. Maracaibo, ABSTRACT This research was performed in order to propose an improved temperature control system used by a polystyrene producer in the polymerization reactor. The general objective is to design a temperature control for optimizing the General Purpose Polystyrene (GPPS) polymerization process. The investigation is classified as explanatory, field and experimental type. The research is divided into 4 phases, the first: the description of GPPS polymerization process, the second: the identification of controllable and uncontrollable variables involved in the process, the third: the development of a mathematical model describing the process of polymerization of GPPS and the fourth: developing an optimal temperature control. Computer software was used as instruments of data collection: Wonderware Historian and InTouch Client, and for data processing, design of the system model and control system: Matlab, Toolbox Simulink and System Identification. Obtained a process description with a focus on control engineering, identified the controllable and uncontrollable variables of the process, and identified system models that match the real process. Then both systems were simulated: the original and the optimized model proposed, obtaining a fourthorder mathematical model, adjusted by 71.42% comparing to actual model. This model performed an optimum PI control scheme that stabilized the system in 10 seconds with an overshoot less than 3% to meet process requirements. Key Words: temperature, polymerization, polystyrene, system identification, optimal control. xiv

14 INTRODUCCIÓN Actualmente existe una gran tendencia a establecer un nuevo campo de la computación, que integraría los diferentes métodos de resolución de problemas que no pueden ser descritos fácilmente mediante un enfoque algorítmico tradicional. Tanto a nivel mundial como nacional, en el sector industrial, la actualización tecnológica de los sistemas de control está supeditada a tres (3) factores fundamentales: la necesidad, el costo económico y el grado de madurez de la nueva tecnología. Hasta hace algunos años, el control de la mayoría de las variables de los procesos, era ejecutado por sistemas analógicos. En la actualidad, la tendencia es hacia los sistemas de control digital, pues estos ofrecen muchas ventajas en relación con los sistemas analógicos de control, el costo es aceptable en función de los beneficios que ofrecen y existen sistemas con certificaciones y aprobaciones de organismos internacionales que rigen en esta materia, por lo tanto, los factores a evaluar, para un cambio tecnológico en los sistemas de control en este momento histórico, presentan características favorables que permiten y empujan el desarrollo de proyectos de modernización y optimización de los procesos industriales. Este trabajo de maestría plantea a una empresa productora de poliestireno del estado Zulia, una alternativa de actualización y optimización,

15 2 del sistema de control de temperatura, que se encuentra operando en el reactor de polimerización de la línea de poliestireno cristal. Esta alternativa le permitirá a la empresa modernizar este sistema, utilizando para ello el control óptimo, obteniendo así todas las ventajas que ofrecen este tipo de control y además permitirá corregir los problemas que se encuentran ligados al sistema de control clásico utilizado; como por ejemplo, la flexibilidad en el control ante cambios en la dinámica del proceso, evitando así la intervención manual de los operadores. Esta tesis está conformada por cuatro (4) capítulos, cuyo contenido se resume a continuación. Capítulo I. Presenta una descripción de la problemática existente, contempla el planteamiento del problema, los objetivos, la justificación de la investigación y su alcance. Capítulo II. Presenta los antecedentes y bases teóricas utilizados para el desarrollo de la presente investigación. Capítulo III. Presenta el marco metodológico que se siguió para el desarrollo de la investigación. Capítulo IV. Muestra el análisis de los resultados.