ES2255823B1 - Controlador multivariable de velocidad y tension de banda para maquinas empalmadoras de papel. - Google Patents
Controlador multivariable de velocidad y tension de banda para maquinas empalmadoras de papel. Download PDFInfo
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Abstract
Controlador multivariable de velocidad y tensión de banda para máquinas empalmadoras de papel, en donde tanto el control (12) de la velocidad de la banda de papel (4), como el control (17) de la tensión, se determinan en función de la diferencia entre la velocidad real de suministro (20) y un valor de consigna (9), junto la diferencia entre la tensión real (21) y un valor de consigna (14).
Description
Controlador multivariable de velocidad y tensión
de banda para maquinas empalmadoras de papel.
La presente invención está relacionada con los
sistemas empalmadores de papel y en concreto con los sistemas
empleados en el control del empalme de bandas de papel,
particularmente en la aplicación con papel tisú, proponiendo un
sistema de control que aporta características muy ventajosas.
El tisú es un material laminar de papel poco
resistente a los esfuerzos, con el cual se hacen, por ejemplo,
rollos de papel higiénico, rollos de papeles domésticos y otros
similares. La naturaleza de dicho papel requiere que en el
manipulado de formación de los rollos, la banda correspondiente no
sea sometida a grandes tensiones, por lo cual el suministro de
banda de formación de los rollos debe realizarse en condiciones de
tensión controlada, hecho que debe combinarse con una velocidad de
suministro que haga rentable la producción.
El proceso de formación de los rollos
mencionados, parte de un suministro de la banda desde una gran
bobina de alimentación, desde la cual se va desbobinando la banda
laminar de papel para formar los rollos comerciales, de manera que
cuando dicha bobina de alimentación se acaba debe ser sustituida
por otra para continuar con el proceso.
Con el fin de evitar la paralización del proceso
para la sustitución de la bobina de alimentación, paralelamente a
la bobina de alimentación se dispone otra bobina nueva, la cual se
prepara en una disposición de espera, para continuar desde ella el
suministro de banda cuando la bobina que suministra la alimentación
se acaba.
Para la unión de la banda de la bobina en
espera, sobre la banda de la bobina que finaliza, se conocen
sistemas automáticos que realizan el empalme y cortan la banda de
la bobina finalizada para continuar el suministro desde la bobina
nueva. Para evitar la paralización de la producción durante el
empalme de sustitución de bobinas, dichos sistemas de empalme
automático disponen de un almacén, por ejemplo de tipo balancín,
sin que sea ésta una realización limitativa, en donde van
dispuestos unos rodillos que forman un recorrido ondulado variable
del papel, de manera que en poca longitud de instalación se
establece el paso de una gran longitud de la banda de papel, desde
donde en el proceso de empalme de bobinas se puede suministrar la
banda de papel necesaria sin alterar el suministro a la
aplicación.
Tradicionalmente las máquinas automáticas de
proceso de papel según lo indicado, utilizan un regulador de
velocidad de desbobinado de la bobina alimentadora y un sistema
pasivo de almacén del papel sin sistema de control adicional, con lo
cual, al no ser controlada la tensión de la banda del papel, el
control del desbobinado resulta deficiente.
Las máquinas más actuales emplean un segundo
lazo de control para el gobierno de la tensión del papel en el
almacén, disponiendo dos equipos independientes de regulación, cada
uno con un controlador monovariable, por ejemplo de tipo PID, y que
se pueden denominar C_{11}(s) el de control de la velocidad
de la bobina y C_{22}(s) el de control de la tensión de la
banda de papel. Estos controladores envían unos pares de referencia
T_{m1\_ref} y T_{m2\_ref}, respectivamente, a los equipos de
regulación de los motores que actúan sobre el eje de la bobina y
sobre el balancín del almacén, resultando en términos matriciales
la ecuación siguiente:
Es decir:
T_{m1\_ref}(s)
= C_{11}(s) \
ErrorV_{Bob}(s)
T_{m2\_ref}(s)
= C_{22}(s) \
ErrorT_{bal}(s)
Siendo ErrorV_{Bob}(s) el error
generado en la velocidad de la bobina con respecto a un valor de
consigna establecido, es decir, ErrorV_{Bob}(s) =
V_{Bob\_ref}(s) - V_{Bob}(s), mientras que
ErrorT_{bal}(s) es el error generado en la tensión del
balancín, es decir, ErrorT_{bal}(s) =
T_{bal\_ref}(s) - T_{bal}(s).
Sin embargo, a medida que el gramaje del papel
es menor, el control de dichos parámetros de velocidad de la bobina
y tensión del balancín, debe ser más preciso, para determinar una
correcta coordinación entre ambos, cosa que no se consigue con el
sistema de control monovariable. Además, en caso de requerir un
aumento de la producción, ello implica un aumento de la velocidad de
suministro de la banda de papel, lo cual aumenta el riesgo de
rotura de la banda que se suministra y tener que parar la
instalación, con las consiguientes pérdidas de tiempo y gastos que
ello supone.
Según la invención se propone un sistema de
control para las máquinas empalmadoras de papel, incorporando un
controlador multivariable, mediante el cual se consigue dotar al
sistema de unas características que optimizan la función frente a
las soluciones convencionales de la misma aplicación.
El sistema de control objeto de la invención
incluye un controlador multivariable que coordina el control de la
velocidad de suministro de la bobina junto con el control de la
tensión del papel.
La velocidad de la bobina depende de unos pares
de referencia, T_{m1\_ref}(s) y T_{m2\_ref}(s),
que actúan sobre el eje de la bobina y sobre el balancín del
almacén, respectivamente, según una relación que corresponde con la
fórmula siguiente:
V_{Bob}(s) =
p_{11}(s)T_{m1\_ref}(s) +
p_{12}(s)T_{m2\_ref}(s)
Donde p_{11}(s) es la función de
transferencia en Laplace que relaciona la velocidad de la bobina
con el par de referencia del motor de la bobina, y
p_{12}(s) es la función de transferencia en Laplace que
relaciona la velocidad de la bobina con el par de referencia del
motor del balancín.
La tensión del papel es medida en el balancín
del almacén y depende también de los pares de referencia
T_{m1\_ref}(s) y T_{m2\_ref}(s), que son enviados
a los equipos de regulación de los motores, los cuales actúan sobre
el eje de la bobina y del balancín, respectivamente, determinando
la relación siguiente:
T_{bal}(s) =
p_{21}(s)T_{m1\_ref}(s) +
p_{22}(s)T_{m2\_ref}(s)
Donde p_{21}(s) es la función de
transferencia en Laplace que relaciona la tensión del papel con el
par de referencia del motor de la bobina, y p_{22}(s) es
la función de transferencia en Laplace que relaciona la tensión del
papel con el par de referencia del motor del balancín.
Para coordinar el control de ambas variables y
atenuar ó eliminar el acoplamiento ó influencia mutua de ambos
lazos de control, el nuevo controlador relaciona ambas variables
mediante la siguiente ecuación matricial:
Es decir,
T_{m1\_ref}(s)
= C_{11}(s) \ ErrorV_{Bob}(s) + C_{12}(s) \
ErrorT_{bal}(s)
T_{m2\_ref}(s)
= C_{21}(s) \ ErrorV_{Bob}(s) + C_{22}(s) \
ErrorT_{bal}(s)
donde C_{ij}(s) =
B_{ij}(s)/A_{ij}(s) son los elementos del
controlador
multivariable.
A partir de dichas ecuaciones es posible
desarrollar el sistema de control mediante un regulador central que
incluye todos los medios de regulación, o con varios equipos
reguladores comunicados, permitiendo realizar un control efectivo y
preciso del suministro de la banda de papel, con posibilidad de una
aplicación muy ventajosa con papel de pequeño gramaje, como el
papel tisú, pudiendo además aumentar la velocidad del suministro
hasta unos valores elevados sin riesgo de rotura de la banda de
papel.
La figura 1 muestra un esquema del sistema de
control del suministro de la banda de papel en una máquina
empalmadora convencional.
La figura 2 muestra un diagrama de bloques del
sistema de control multivariable objeto de la invención.
La figura 3 es un esquema del sistema de control
multivariable según una realización centralizada respecto de un
equipo que incluye todo el conjunto de regulación.
La figura 4 es un esquema del sistema de control
multivariable según una realización compuesta por varios equipos
comunicados.
El objeto de la invención se refiere a un
sistema de control del suministro de la banda de papel en las
máquinas utilizadas para aplicaciones tales como la formación de
rollos de papel tisú, proponiendo un sistema de control
multivariable que permite establecer unas condiciones muy
ventajosas para evitar la rotura de la banda de papel en su
suministro de aplicación.
Habitualmente los sistemas de control para este
tipo de aplicación constan de dos sistemas de control monovariables
(1 y 2), para controlar la velocidad de la bobina (3)
suministradora de la banda (4) de papel y para controlar la tensión
de la banda (4) de papel, respectivamente, como representa la figura
1. La banda (4) de papel se suministra desde la bobina (3) de
alimentación, pasando por un recorrido de almacén que incluye un
balancín (5), mediante el cual se puede variar la longitud del
recorrido para adaptar la velocidad y/o la tensión de la banda (4)
en su
suministro.
suministro.
El sistema (1) de control de la velocidad de la
bobina (3) comprende un módulo (1.1) de control de posición del
balancín (5) del almacén del recorrido de la banda (4) y un módulo
(C_{11}(s)) de control de la velocidad de línea de la
banda (4); mientras que el sistema (2) de control de la tensión de
la banda (4) comprende un módulo (C_{22}(s)) de control de
tensión del balancín (5) del almacén; siendo ambos controladores (1
y 2) independientes el uno del
otro.
otro.
En el sistema (1) controlador de la velocidad de
la bobina (3) se introduce un valor (6) de consiga de la posición
del balancín (5) del almacén, estableciéndose una comparación (7)
de dicho valor (6) con el valor real (5.1) de la posición del
mencionado balancín (5) del almacén en la máquina. La diferencia
que de ello resulta es introducida como un valor de error (8) en el
módulo (1.1) de control de posición del balancín, el cual determina
una señal (9) de referencia de velocidad de la bobina (3),
comparándose (10) dicha señal (9) con el valor real de la velocidad
(20) de la banda (4), con lo cual se determina un parámetro de
error que se introduce (11) en el módulo (C_{11}(s)) de
control de la velocidad de línea, el cual genera un par de
referencia T_{m1\_ref} que se suministra (12) al motor (13) de
giro de la bobina (3).
Al sistema (2) controlador de tensión del
balancín (5) del almacén se le introduce una señal tensión (14) de
consigna, la cual se compara (15) con el valor real de la tensión
(21) del balancín (5) en la máquina, de manera que la diferencia
resultante se introduce como una señal de error (16) en el módulo
(C_{22}(s)) de control de la tensión del balancín (5),
generando dicho módulo (C_{22}(s)) una señal de par
T_{m2\_ref} de referencia, la cual es suministrada (17) al motor
(18) de movimiento del balancín (5) del almacén.
Cuando este tipo de máquinas se emplean para
papel tisú es necesario realizar un control muy preciso, tanto de
la velocidad de desbobinado de la bobina (3) suministradora de la
banda (4), como de la tensión de la banda (4), siendo necesaria una
correcta coordinación de ambos parámetros, ya que de lo contrario
se produce fácilmente la rotura de la banda (4), teniendo que parar
la producción, lo cual supone pérdidas de tiempo e incremento de
los costes.
El sistema de control de la invención se basa en
un control multivariable que integra de forma coordinada los medios
de control, comprendiendo (ver figuras 2 y 3) un sistema
centralizado (19), en el cual se incluyen dos módulos
(C_{11}(s)) y (C_{12}(s)) de control de la
velocidad (20) de suministro de la banda de papel desde los errores
de velocidad (11) y tensión (16) respectivamente, y dos módulos
(C_{21}(s)) y (C_{22}(s)) de control de la
tensión (21) de la banda de papel desde los errores de velocidad
(11) y de tensión (16) respectivamente. Además, el sistema incluye
un módulo (1.1) de control de la posición del balancín (5).
La velocidad (20) de la bobina (3) depende de
los pares de referencia anteriormente citados T_{m1\_ref} y
T_{m2\_ref}, con las referencias (12 y 17) en los planos,
enviados a los equipos de regulación de los motores, al igual que
la tensión (21) de la banda (4) de papel medida en el balancín (5),
de acuerdo con la figura 2, de manera que:
V_{Bob}(s) =
p_{11}(s)T_{m1\_ref}(s) +
p_{12}(s)T_{m2\_ref}(s)
\vskip1.000000\baselineskip
T_{bal}(s) =
p_{21}(s)T_{m1\_ref}(s) +
p_{22}(s)T_{m2\_ref}(s)
En donde V_{Bob}(s) es la velocidad de
la banda de papel de referencia (20) en los planos y
T_{bal}(s) la tensión de la banda de papel de referencia
(21); p_{11} (s) es la función de transferencia en Laplace que
relaciona la velocidad de la bobina con el par de referencia del
motor de la bobina, p_{12}(s) es la función de
transferencia en Laplace que relaciona la velocidad de la bobina
con el par de referencia del motor del balancín, p_{21}(s)
es la función de transferencia en Laplace que relaciona la tensión
del papel con el par de referencia del motor de la bobina, y
p_{22}(s) es la función de transferencia en Laplace que
relaciona la tensión del papel con el par de referencia del motor
del balancín.
\newpage
La ecuación característica del sistema de
control (19) en notación matricial viene determinada por:
donde
T_{m1\_ref}(s)
= C_{11}(s) \ ErrorV_{Bob}(s) + C_{12}(s) \
ErrorT_{bal}(s)
y
T_{m2\_ref}(s)
=C_{21} (s) \ ErrorV_{Bob}(s) + C_{22}(s) \
ErrorT_{bal}(s)
El error de velocidad en la bobina (11) y el
error de tensión en el balancín (16) son respectivamente:
ErrorV_{Bob}(s) = V_{Bob\_ref}(s)
-
V_{Bob}(s)
ErrorT_{bal}(s) = T_{bal\_ref}(s)
-
T_{bal}(s)
Donde ErrorV_{Bob} es el error de referencia
(11) en los planos, ErrorT_{bal} es el error de referencia (16),
V_{Bob\_ref} es la velocidad de referencia (9), T_{bal\_ref} es
la tensión de referencia (14), V_{Bob} es la velocidad (20) de la
banda de papel y T_{bal} es la tensión (21) de la banda de
papel.
Sustituyendo las ecuaciones de
T_{m1\_ref}(s) y T_{m2\_ref}(s) en las
expresiones de la velocidad de la bobina V_{Bob}(s) y de la
tensión del balancín T_{bal}(s) mencionadas anteriormente,
se obtiene que:
V_{Bob}(s) =
[p_{11}(s)C_{11}(s) + p_{12}(s)C_{21}(s)] \
ErrorV_{Bob}(s) + [p_{11}(s)C_{12}(s) +
p_{12}(s)C_{22}(s)] \
ErrorT_{Bal}(s)
T_{Bal}(s) =
[p_{21}(s)C_{11}(s) + p_{22}(s)C_{21}(s)] \
ErrorV_{Bob}(s) + [p_{21}(s)C_{12}(s) +
p_{22}(s)C_{22}(s)] \
ErrorT_{Bal}(s)
Con objeto de atenuar ó eliminar el acoplamiento
que se produce entre ambos lazos de control, se considera como nula
la expresión que multiplica a la señal (16) ErrorT_{bal}, en el
caso de la velocidad de la bobina V_{Bob}, y la expresión que
multiplica a la señal (11) ErrorV_{Bob}, en el caso de la tensión
T_{bal}, de tal forma que,
C_{12}(s) =
-C_{22}(s)
\frac{p_{12}(s)}{p_{11}(s)}
C_{21}(s) =
-C_{11}(s)
\frac{p_{21}(s)}{p_{22}(s)}
Estos elementos se introducen en las ecuaciones
V_{Bob}(s) Y T_{Bal}(s) del control matricial
multivariable, eliminándose de esta forma los efectos de
acoplamiento y obteniendo las ecuaciones,
V_{Bob}(s) =
p_{11}^{e}(s) C_{11}(s) \
ErrorV_{Bob}(s)
T_{bal}(s) =
p_{22}^{e}(s) C_{22}(s) \
ErrorT_{bal}(s)
donde p^{e}_{11}(s) y
p^{e}_{22}(s) son, p^{e}_{11}(s)=
\frac{p_{11}(s) p_{22}(s) - p_{12}(s) p_{21}(s)}{p_{22}(s)} y
p^{e}_{22}(s) = \frac{p_{11}(s) p_{22}(s) - p_{12}(s)
p_{21}(s)}{p_{11}(s)}
respectivamente.
En una forma de realización también comprendida
en el objeto de la invención, el control multivariable se determina
con un sistema (22) compuesto por varios equipos controladores
(22.1, 22.2) comunicados, como en el ejemplo representado en la
figura 4.
Claims (5)
1. Controlador multivariable de velocidad y
tensión de banda para maquinas empalmadoras de papel, del tipo que
utilizan como parámetros de control la velocidad de la banda de
papel (4) que se suministra y la tensión de dicha banda (4) que
determina un balancín (5) de un almacén de recorrido variable de la
mencionada banda (4), caracterizado porque el control
T_{m1\_ref} (12) de la velocidad de desbobinado de la bobina (3)
suministradora de la banda de papel (4) se determina en función de
la diferencia entre la velocidad real de suministro V_{Bob} (20)
de la banda (4) y un valor de consigna V_{Bob\_ref} (9), junto
con la diferencia entre la tensión real T_{bal} (21) determinada
por el balancín (5) del almacén de recorrido de la banda (4) y un
valor de consigna T_{bal\_ref} (14), de forma que:
T_{m1\_ref}(s)
= C_{11}(s) \ ErrorV_{Bob}(s) + C_{12}(s) \
ErrorT_{bal}(s)
donde
ErrorV_{Bob}(s) = V_{Bob\_ref}(s)
-
V_{Bob}(s)
y
ErrorT_{bal}
(s) = T_{bal\_ref}(s) -
T_{bal}(s)
2. Controlador multivariable de velocidad y
tensión de banda para maquinas empalmadoras de papel, según la
primera reivindicación, caracterizado porque el control
T_{m2\_ref} (17) de la tensión de la banda de papel (4) se
determina en función de la diferencia entre la tensión real
T_{bal} (21) de dicha banda (4) y un valor de consigna
T_{bal\_ref} (14), junto con la diferencia entre la velocidad
real de suministro V_{Bob} (20) de la banda (4) y un valor de
consigna V_{Bob\_ref} (9), de forma que:
T_{m2\_ref}(s)
= C_{21}(s) \ ErrorV_{Bob}(s) + C_{22}(s) \
ErrorT_{bal}(s)
3. Controlador multivariable de velocidad y
tensión de banda para maquinas empalmadoras de papel, según la
primera y segunda reivindicaciones, caracterizado porque el
conjunto del sistema de control va ubicado en un único equipo
regulador (19) que controla de forma coordinada tanto la velocidad
de la bobina (3) como la tensión en el balancín (5).
4. Controlador multivariable de velocidad y
tensión de banda para maquinas empalmadoras de papel, según las
reivindicaciones primera a tercera, caracterizado porque el
equipo regulador (19) comprende un módulo (1.1) de control de
posición del balancín (5), un módulo control de velocidad de línea
(C_{11}(s)), un módulo (C_{21}(s)) de control de
coordinación con la posición del balancín (5), un módulo
(C_{12}(s)) de control de coordinación con la bobina (3) y
un módulo (C_{22}(s)) de control de la tensión del
balancín (5).
5. Controlador multivariable de velocidad y
tensión de banda para maquinas empalmadoras de papel, según la
primera y segunda reivindicaciones, caracterizado porque el
conjunto del control multivariable se determina mediante un sistema
(22) compuesto por dos equipos controladores (22.1 y 22.2)
comunicados entre sí.
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| EC2A | Search report published |
Date of ref document: 20060701 Kind code of ref document: A1 |
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| FG2A | Definitive protection |
Ref document number: 2255823B1 Country of ref document: ES |
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| FD2A | Announcement of lapse in spain |
Effective date: 20180809 |