8.1: Introducción a la Optimización
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La optimización tiene como objetivo obtener los mejores resultados en una situación determinada, o minimizar los insumos para maximizar el beneficio [1].
Aplicación de Ingeniería para Optimización
Los siguientes son ejemplos de optimización en todas las disciplinas de ingeniería [1].
- Diseño de aeronaves y estructuras aeroespaciales para un peso mínimo
- Encontrar las trayectorias óptimas de los vehículos espaciales
- Diseño de estructuras de ingeniería civil como marcos, cimientos, puentes, torres, chimeneas y presas para un costo mínimo
- Diseño de peso mínimo de estructuras para sismo, viento y otros tipos de carga aleatoria
- Diseño de sistemas de recursos hídricos para el máximo beneficio
- Diseño óptimo de estructuras plásticas
- Diseño óptimo de varillajes, levas, engranajes, máquinas herramientas y otros
- componentes mecánicos
- Selección de condiciones de mecanizado en procesos de corte de metal para un costo mínimo de producción
- Diseño de equipos de manejo de materiales como transportadores, camiones y grúas para un costo mínimo
- Diseño de bombas, turbinas y equipos de transferencia de calor para una máxima eficiencia
- Diseño óptimo de maquinaria eléctrica como motores, generadores y transformadores
- Diseño óptimo de redes eléctricas
- La ruta más corta tomada por un vendedor que visita varias ciudades durante un recorrido
- Planificación, control y programación óptimos de la producción
- Análisis de datos estadísticos y construcción de modelos empíricos a partir de experimentos
- resultados para obtener la representación más precisa del fenómeno físico
- Diseño óptimo de equipos y plantas de procesamiento químico
- Diseño de redes óptimas de tuberías para industrias de procesos
- Selección de un sitio para una industria
- Planeación de mantenimiento y reemplazo de equipos para reducir costos operativos
- Control de inventarios
- Asignación de recursos o servicios entre varias actividades para maximizar el beneficio
- Controlar los tiempos de espera e inactividad y hacer cola en las líneas de producción para reducir los costos
- Planeando la mejor estrategia para obtener el máximo beneficio en presencia de un competidor
- Diseño óptimo de sistemas de control
Optimización en una organización
El nivel más alto de optimización incluye la optimización de la cadena de suministro de materia prima y la optimización de la cadena de empaque y distribución de productos. La optimización de toda la planta debe considerar consideraciones de documentación, mantenimiento, programación y gestión de calidad. La optimización en toda la planta resuelve el conflicto de objetivos entre las operaciones de la unidad y las estrategias de envolvente requeridas para optimizar toda la planta. Dentro del nivel de operaciones de la unidad, la optimización multivariable no se puede lograr cuando el equipo de procesamiento individual está defectuoso o cuando los bucles de control no están correctamente sintonizados. Es importante que las mediciones se muestreen lo suficientemente rápido, que los bucles de controles se afinen para tasas de recuperación rápidas y se eliminen los ciclos de bucle. Cuando ningún modelo matemático puede describir un proceso, el proceso solo puede optimizarse experimentalmente y se requiere optimización empírica [2].
Diseño de Optimización
Restricciones
Las restricciones de diseño son limitaciones físicas o restricciones que deben cumplirse para producir un diseño aceptable [1].
- Condiciones de operación — seguridad, medio ambiente
- Restricciones del equipo, por ejemplo, tasas
- Capacidades de almacenamiento
- Calidad del producto e impurezas
Situaciones de Optimización
La siguiente lista describe razones comunes para la optimización en una planta industrial.
- Ventas limitadas por la producción (por ejemplo, reducir costos minimizando el tiempo de inactividad)
- Ventas limitadas por mercado (por ejemplo, ser el “productor de bajo costo”)
- Plantas con alto rendimiento
- Alto consumo de materia prima o energía
- Calidad del producto mejor que las especificaciones
- Pérdida de componentes valiosos o peligrosos a través del flujo de desechos
Optimización en tiempo real
A continuación se describen los pasos para optimizar un proceso de ingeniería química.
- Identificar variables de proceso
- Seleccionar función objetivo (por ejemplo, ganancia $$$)
- Desarrollar modelo de proceso y restricciones
- Simplificar la función de modelo a objetivo (por ejemplo, linealización)
- Calcular el óptimo
- Realizar estudio de sensibilidad
Experiencia en la Industria
La optimización se puede aplicar a todos los aspectos de un proceso. Por ejemplo, en una refinería hay operadores que trabajan en las unidades. La optimización se puede aplicar para aumentar la comunicación operador/ingeniero mediante la implementación de programas informáticos “en tiempo real” que permiten a los ingenieros de procesos ver lo que realmente sucede en la planta. Esto ayudará a optimizar el proceso al permitir a los ingenieros ver cuáles son las condiciones en la planta en tiempo real.
Experiencia en Planta Piloto
La optimización de procesos en una planta piloto permitirá un escalado más eficiente al tamaño comercial. En el curso ChE 460, se optimizan cuatro operaciones unitarias para producir biodiesel de soya. Para optimizar la conversión de la reacción, los ingenieros del proyecto varían la concentración del catalizador, la velocidad de agitación y la temperatura. Se utiliza un diseño de experimento (DOE) para encontrar el mejor conjunto de parámetros de entrada.
Referencias
- Rao, Singiresu S. Optimización de Ingeniería - Teoría y Práctica (3ª Edición). (pp: 5). John Wiley & Hijos. Versión en línea disponible en: http://knovel.com/web/portal/browse/display?_EXT_KNOVEL_DISPLAY_bookid=1100&VerticalID=0
- Lipták, Béla G. Manual de Ingenieros de Instrumentos: Control y optimización de procesos. Boca Raten, FL: CRC Press, 2006.