CAPÍTULO III
MARCO METODOLÓGICO
42 CAPITULO III
MARCO METODOLÓGICO
El presente capítulo está basado en el procedimiento metodológico por medio del cual se desarrolla el trabajo de grado revelando la selección del tipo de investigación, diseño de investigación, técnicas e instrumentos de recolección de datos, así mismo herramientas y materiales utilizados. Todo esto con el fin de diseñar un control PID en caldera acuotubular mediante un PLC.
1. TIPO Y DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN
El tipo de investigación se establece atendiendo a la naturaleza de los objetivos, por tanto adquiere diversas modalidades como son:
La investigación que se encuentra en desarrollo es de tipo Proyectiva basado en lo establecido por Hurtado (2008 p. 325), quien indica que este tipo de investigación involucra la creación y elaboración de un proyecto o prototipo, con el fin de observar, modificar y mejorar una situación que no está marchando como debería , lo cual sustenta la investigación debido a que se elaborará un control PID para caldera acuotubular mediante un PLC con el fin de mejorar el proceso de generación de vapor que es base fundamental de la industria cervecera.
De la misma forma, esta investigación se encuentra dentro de la modalidad de campo debido a que el desarrollo de la misma se encuentra en la Cervecería Regional. Esto permite un conocimiento más profundo del problema por parte del investigador para que éste pueda manipular los datos con una mayor seguridad. Tal como lo expresa Tamayo y Tamayo (2005 p.16), esta investigación está basada en lo posible en hechos demostrables, consiste en la observación y recolección de datos de un proceso a analizar, dado que la información a utilizar se toma directamente de la empresa en donde se desarrolla la investigación.
El diseño de la investigación se refiere a la estrategia que adopta el investigador para responder al problema, dificultad o inconveniente planteado en el estudio pudiendo considerarse como no experimental y de campo.
A través de lo planteado por Hernandez (2006, p. 157), define el diseño no experimental como aquel que se realiza sin manipular en forma deliberada ninguna variable. El investigador no sustituye intencionalmente variables independientes. Se observan los hechos tal y como se presentan en su contexto real y en un tiempo determinado o no, para luego analizarlos. Por lo tanto, en este diseño no se construye una situación específica sino que se observan las que existen en la cervecería.
De tal manera que esta investigación cumple con las características antes señaladas por lo que el diseño de la misma se considera no experimental puesto que los datos a ser evaluados son observados directamente del proceso tal y como se dan en su ambiente natural sin realizar ninguna
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manipulación de las variables que después serán analizadas para establecer los resultados correspondientes.
Cabe señalar que, la investigación en cuantos a sus estrategias toma la recolección de datos directamente de la realidad donde ocurren los hechos, sin manipular o controlar variable alguna . Por tanto, esta investigación es considerada como diseño de campo ya que se toman los datos en forma directa desde la caldera sin manipular o sustituir intencionalmente las variables que intervienen sin perder el argumento de naturalidad en el cual se presentan los hechos.
2. TÉCNICAS E INSTRUMENTOS DE RECOLECCIÓN DE DATOS
Sabino (2006 p. 157), establece que un instrumento de recolección de datos es cualquier recurso del que pueda valerse el investigador para acercarse a los fenómenos que se presentan en la investigación. En este sentido, la gama de instrumentos y técnicas a utilizar puede ser muy amplia, pero entre los más efectivos utilizados por expertos se encuentra la observación, las entrevistas y los cuestionarios, entre otros.
Para llevar a cabo la presente investigación, se utilizaron las siguientes técnicas de recolección de datos:
Se empleó una entrevista no estructurada o informal, que considerando lo expuesto por Sabino (2006 p. 158) que define como una entrevista la técnica que utiliza preguntas abiertas ante las que el entrevistado tiene la libertad de extender sus comentarios y explicaciones. Esta entrevista requiere de un
especialista, que exprese con libertad de tiempo y de manera minuciosa sobre los diferentes rubros que el entrevistador considere importantes respecto de la vida, habilidades, experiencias, conocimientos y trayectoria laboral y profesional del entrevistado.
De acuerdo con Hurtado (2008, p. 427), las técnicas de recolección de datos comprenden procedimientos y actividades que le permiten al investigador obtener la información necesaria para dar respuesta a su pregunta de investigación, para obtener como resultado la información necesaria para dar lugar al desarrollo de la investigación, se decidió utilizar como técnicas e instrumentos de recolección de datos: la Entrevista no Estructurada.
En este mismo orden de ideas, se empleó la observación, que según Sabino (2006 p.160), consiste en apreciar permanentemente el entorno exterior, orientando hacia la recolección de datos previamente establecidos como de interés en la trayectoria de una investigación. Para esta investigación se considera utilizar la observación directa, debido a que los investigadores deben integrarse a la comunidad de estudio, desempeñar roles dentro de ella, y a la vez ir recolectando la información necesaria.
De igual modo, se efectúa una revisión documental, por ser una técnica en la cual se recurre a información escrita, como lo expresa Hurtado (2008 p.
427), y la forma de datos que pueden haber sido producto de mediciones hechas por otros, o como textos que en sí mismos constituyen los eventos de estudio; la revisión documental es necesaria para registrar y actualizar cada
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modificación que se puede hacer en el diseño. Por otra parte, se utilizan como herramientas para la recolección de información, manuales técnicos, registros y software de adquisición de datos, entre otros.
3. METODOLOGÍA UTILIZADA
Según Hurtado (2008, p. 50), las dimensiones metodológicas comprenden el estudio de las actividades y procedimientos que el investigador desea realizar para dar respuestas a sus preguntas de investigación y alcanzar los objetivos propuestos. Para el desarrollo del control PID en el sistema de combustión de caldera acuotubular mediante un PLC se considera la metodología propuesta por Savant (2000 p. 832), adaptándola a esta investigación de la siguiente manera:
FASE I. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA
Esta fase corresponde a la descripción detallada y técnica de la problemática estudiada, especificando las características del sistema para luego establecer su eficiente solución a través de la propuesta planteada.
Igualmente se describe lo que debe hacer el diseño, especificando todos los requerimientos, necesidades e importancia.
Para la definición de la problemática es necesario describir el funcionamiento de la caldera acuotubular y su sistema de combustión, así mismo especificar las condiciones operativas importantes para el funcionamiento adecuado del proceso.
FASE II. SUBDIVISIÓN DEL PROBLEMA
En esta fase se simplifica el proceso de diseño, dividiendo el problema general en problemas más pequeños. Es difícil, aun para el ingeniero más experimentado, resolver un problema grande y complejo en una sola operación. Por tanto, el problema se separa en una serie de objetivos que pueden ejecutarse independientemente, pero manteniendo la finalidad común de conseguir un solo resultado final.
La subdivisión del problema lleva a resaltar el desglose de los parámetros que se deben tener en cuenta para la investigación, considerando las variables de entrada, condiciones de operación y variables de salida presentes en el sistema. Es por ello que se deben definir los componentes que están relacionados en el proceso del sistema de combustión para determinar el funcionamiento general del mismo. Es oportuno mencionar que se deben identificar las características que debe poseer el controlador PID con respecto al sistema de combustión de la caldera.
FASE III. CREACIÓN DE DOCUMENTACIÓN
El diseño debe tener la documentación necesaria para poder ser simulado, por lo tanto se debe explicar el funcionamiento del sistema de control creado, para que de esta forma pueda ser utilizado por aquellas personas que no intervinieron en el diseño y puedan darle funcionalidad. Se debe indicar como utilizar, actualizar y se construyó el producto diseñado.
Para la búsqueda y creación de documentación necesaria se consideran las técnicas de recolección de datos aplicadas en la investigación, teniendo
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presente la revisión de manuales técnicos y documentos relacionados con el comportamiento de la caldera acuotubular en la cervecería. Esto ayuda al análisis que se requiere para realizar las funciones de transferencias mediante un modelado matemático, lo cual será posible por la documentación previa del comportamiento del sistema.
FASE IV. CONSTRUCCIÓN DE PROTOTIPO
En esta fase se consideran todas las características evaluadas anteriormente para proceder a crear el diseño planteado tomando en cuenta la documentación creada para satisfacer el propósito del proyecto. En el transcurso de esta fase se elabora el software del sistema siguiendo cada una de las especificaciones establecidas.
La construcción de la alternativa implica el uso de un software especializado para realizar las pruebas necesarias que garanticen que el diseño cumpla su función y poder realizar la implementación del controlador PID en el sistema de combustión de la caldera acuotubular. Es necesaria la realización de pruebas para verificar el funcionamiento idóneo de la alternativa desarrollada.
FASE V. FINALIZACIÓN DEL DISEÑO
En esta etapa se realizan los ajustes necesarios del prototipo elaborado en función del resultado obtenido a través de pruebas evaluando la calidad, funcionamiento y aplicación del diseño. Cuando el prototipo esté elaborado satisfactoriamente, debe basarse en las condiciones en que será utilizado,
para posteriormente completarse cualquier tipo de documentación que se requiera además de los diagramas generados.
Al haber realizado las pruebas pertinentes del diseño por medio de un software de aplicación, se puede a continuación simular el proceso y de tal manera demostrar que la propuesta funciona de forma satisfactoria. Para la finalización de la investigación se deberá realizar una comparación del funcionamiento del proceso antes de la implementación del controlador PID mediante el PLC demostrando su aplicación.
4. CUADRO Y CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES Y RECURSOS
Cuadro 1
Cuadro de actividades y recursos Objetivos
Específicos
Fases Metodológicas
Actividades Recursos Describir las
condiciones operativas de la caldera y su proceso de combustión
Fase I:
Definición del Problema.
Definición del funcionamiento del proceso.
Entrevista no estructurada Revisión Documental Observación Directa Definir las variables a
considerar para el control de combustión de caldera
acuotubular.
Identificar las características del controlador PID del proceso de
combustión de caldera acuotubular.
Fase II:
Subdivisión del Problema.
Creación de un diagrama de flujo que representa el funcionamiento general del sistema Establecer las variables a controlar Estudiar
controlador PID a utilizar
Manuales y hojas técnicas Revisión Documental Entrevista no estructurada
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Cuadro 1 (Cont…) Objetivos
Específicos
Fases Metodológicas
Actividades Recursos Demostrar mediante
un modelado matemático las funciones de
transferencia continua y discreta.
Fase III:
Creación de Documentación.
Recolección de información del sistema de combustión.
Creación del modelo
matemático del sistema
Software
Revisión Documental
Desarrollar los programas
relacionados para la configuración del controlador PID del PLC.
Fase IV:
Construcción de prototipo.
Programar PLC Revisión del funcionamiento del controlador
Software para el modelado matemático Manuales técnicos
Simular mediante un software el
controlador PID diseñado para caldera acuotubular.
Fase V:
Finalización del diseño.
Simulación del proceso
Realizar pruebas finales para comprobar funcionamiento del sistema.
Manuales técnicos Software del simulador
Fuente: Chourio, Montero y Trujillo. (2013)
Cuadro 2
Cronograma de actividades
Semanas
Actividades 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Definir el funcionamiento del proceso
Determinar las variables que intervienen en el proceso Instalar los programas necesarios para la simulación
Cuadro 2 (Cont…)
Semanas
Actividades 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Desarrollo del interfaz para visualizar las tendencias de las variables del sistema
Recolección de datos del sistema a lazo abierto
Creación del modelado matemático y pruebas de estabilidad del sistema
Elaboración del controlador PID mediante MATLAB
Sintonización de los parámetros obtenidos en la rutina del PLC
Desarrollo del HMI para el sistema de combustión
Configuración para interfaz entre el PLC virtual y el HMI Revisar el funcionamiento del controlador para el sistema Realizar pruebas finales del controlador PID con el simulador del PLC.
Fuente: Chourio, Montero y Trujillo. (2013)
5. HERRAMIENTAS Y MATERIALES UTILIZADOS
• WinCC Flexible (Programa para Simulación).
• Simatic Step 7 (Software).
• MatLAB 2010 (Software).
• Simatic Field PG. Computadora de campo, Siemens.
