ES2301875T3 - Metodo de controlar la tension en una banda. - Google Patents
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Abstract
Un método para controlar un proceso para manipular un material que tiene un valor analógico de velocidad y una tensión, comprendiendo el método las etapas de: a) determinar una referencia para la tensión; b) determinar la tensión; c) determinar un error de tensión; d) determinar el valor analógico de velocidad; e) determinar una ganancia proporcional; y que se caracteriza por las etapas de: f) determinar una ganancia integral instantánea según el valor analógico de velocidad; y g) ajustar la salida según el error de tensión, la ganancia proporcional y la ganancia integral instantánea.
Description
Método de controlar la tensión en una banda.
La invención se refiere al control de tensión en
un proceso de manipulación de materiales. Más especialmente, la
invención se refiere al control de tensión de una banda de papel
durante el proceso de conversión de la banda de papel.
Diversos procesos de fabricación manejan
materiales continuos bajo tensión. Alambre, cuerda, hebras,
filamentos de fibra óptica, películas, bandas de papel, láminas de
metal, cintas y otros materiales continuos se procesan de forma
común bajo tensión. El material puede ser manipulado bajo tensión
durante las fases iniciales de procesamiento, durante las fases
intermedias y/o en la fase final de su procesamiento en un producto
acabado. La uniformidad del producto acabado en estos procesos
puede depender de la uniformidad de la tensión del material
mientras es procesado. El procesamiento de materiales que tienen
bajas resistencias a la tracción requiere mantener los niveles de
tensión del proceso
en intervalos estrechos para evitar la rotura del material y la correspondiente pérdida de productividad del proceso.
en intervalos estrechos para evitar la rotura del material y la correspondiente pérdida de productividad del proceso.
Para controlar la tensión de los materiales
durante su procesamiento se utilizan controladores de proceso
automáticos tales como controladores PI (Proporcional + Integral) y
PID (Proporcional + Integral + Derivativo). Los controladores PI y
PID calculan una señal de error como la diferencia entre una
referencia de un parámetro y el valor medido del parámetro. La
salida del controlador se modifica entonces según la señal de error
y una o más "ganancias" del controlador. La salida es una
función de la señal de error y las ganancias. El cálculo de la
salida también puede implicar términos constantes. En los casos en
los que los valores de ganancias del controlador son fijos, las
ganancias son términos constantes y la salida es una función de la
señal de error. Esto es un proceso de bucle de realimentación
iterativo. Las ganancias del controlador se denominan según su
relación con cómo se utiliza la señal de error. La ganancia
proporcional se utiliza para calcular la corrección de salida
proporcional a la señal de error. La ganancia integral se utiliza
para calcular la corrección de salida según la suma, o integral, de
un valor derivado de las señales de error. La ganancia derivativa
se utiliza para calcular la corrección de salida en relación con la
velocidad de variación, o derivativa, de la señal de error o de otra
señal tal como la realimentación del bucle.
Los métodos de control típicos del estado de la
técnica se "sintonizan" u optimizan seleccionando valores de
ganancia de controlador adecuados para conseguir una estabilidad de
proceso y velocidad de respuesta deseadas. Los valores de ganancia
del controlador pueden ser ajustados por los operadores del proceso;
estos ajustes son manuales y se refieren a variaciones en el
material entrante o en el funcionamiento del equipo de proceso. En
algunos métodos, los valores de las ganancias del controlador se
programan para que cambien con el diámetro del rollo de material
según se va enrollando o desenrollando dependiendo de las
características específicas del proceso que se está
controlando.
La patente US-5.269.222 describe
un controlador de tensión variable para prensa de impresión rotativa
que regula la tensión de una banda.
La patente US-6.317.637 B1
describe un método para realizar control PID de un proceso.
Los métodos de control típicos no proporcionan
adecuado control de tensión a velocidades de proceso bajas. Los
métodos de sintonización de bucle típicos dan lugar a control de
tensión en un intervalo de velocidades desde una velocidad máxima
hasta aproximadamente una décima parte de la velocidad máxima. Estos
métodos generalmente se vuelven demasiado inestables y oscilatorios
a velocidades bajas. Algunos métodos se mantienen estables a
velocidades bajas en detrimento de su capacidad de respuesta a
condiciones de proceso que cambian rápidamente a velocidades
bajas.
La incapacidad de controlar la tensión de
material a velocidades bajas da lugar a una pérdida de control de
la tensión durante las fases de carga y descarga del proceso. La
pérdida de control en estas fases da lugar a roturas no deseables
del material, mayores residuos de proceso y pérdida de
productividad. La falta de control de tensión adecuado a
velocidades bajas y también la ausencia de respuesta adecuada del
sistema de control a cambios en el módulo de elasticidad del
material que está siendo procesado también dan lugar a productos
acabados no uniformes que deben ser eliminados como residuos.
La invención comprende un método para controlar
la tensión de un material continuo durante el procesamiento del
material. El método proporciona control de la tensión del material
en todo el intervalo de velocidades del proceso. El método controla
la tensión aunque cambien la velocidad, el módulo de elasticidad y/o
la tensión de enrollado del material.
En una realización, el método comprende las
etapas de: determinar una señal de error en el proceso controlado,
determinar la ganancia integral instantánea según el valor analógico
de velocidad del material procesado y determinar una ganancia
proporcional.
En otra realización el método comprende las
etapas de: determinar una referencia para la tensión del material,
medir la tensión del material, determinar el error de tensión,
determinar el análogo de velocidad del material, determinar una
ganancia proporcional, determinar la ganancia integral instantánea
del proceso según el análogo de velocidad y ajustar la salida del
proceso según el error de tensión, la ganancia proporcional y la
ganancia integral.
La Fig. 1 es un diagrama de bloques esquemático
de un segmento de un proceso de manipulación de material utilizando
el método de la invención.
Cálculo de la corrección del controlador:
el cálculo realizado por el controlador basándose en una señal de
error y las ganancias del controlador para reducir la señal de
error.
Señal de error: la diferencia entre una
referencia de un parámetro y el valor medido para el parámetro.
Ganancia: una construcción matemática que
compara una salida de controlador, o una unidad de proceso, con una
entrada de controlador.
Ganancia integral: un factor utilizado
para calcular la corrección de la salida de un proceso basándose en
la integral de un valor derivado de la señal de error. Las ganancias
integrales se utilizan en controladores integrales, controladores
proporcionales e integrales y controladores proporcionales,
integrales y derivativos.
Ganancia integral instantánea: el valor
de la ganancia integral determinado mediante un cálculo de
sintonización de controlador en un momento determinado de tiempo.
La ganancia instantánea puede ser calculada en cualquier instante
según una variable de proceso. El valor de la ganancia puede cambiar
según la variación del valor de la variable a lo largo del tiempo.
Como ejemplo no limitativo, la ganancia integral instantánea puede
variar según el valor analógico de velocidad de un material
manejado.
En una realización, el valor de la ganancia
integral instantánea se utiliza directamente en el cálculo de
corrección del controlador según es calculada la ganancia integral
instantánea. En otra realización, el valor de la ganancia integral
instantánea puede ser suavizado, promediado o filtrado utilizando
funciones matemáticas conocidas en la técnica, antes de utilizar la
ganancia en el cálculo de corrección del controlador. En cualquier
realización, se puede utilizar un tiempo de retardo para compensar
el tiempo para determinar el valor de la ganancia integral
instantánea y el tiempo de uso del valor recién determinado de la
ganancia en el cálculo de la corrección del controlador.
Ganancia integral instantánea de límite
inferior: el valor de la ganancia integral a un valor analógico
de velocidad de material límite inferior seleccionado.
Referencia de velocidad maestra: un valor
maestro utilizado para sincronizar los cambios de velocidad a lo
largo de un proceso utilizando múltiples accionamientos y
controladores.
Velocidad máxima: la velocidad de
material máxima alcanzable en un proceso de manipulación de
material.
Salida: la señal de control diseminada al
objeto(s) de un controlador.
Ganancia proporcional: un factor
utilizado para calcular la corrección de la salida de un controlador
de proceso basándose en la señal de error.
Tramo: la longitud comprendida entre
componentes de accionamiento sucesivos en un proceso de manipulación
de materiales.
Ajuste de compensación de velocidad: un
factor de control utilizado para compensar las diferencias de
requisitos de proceso en diferentes partes de un proceso de
manipulación de material. El ajuste de compensación de velocidad se
utiliza para contrarrestar la velocidad de una parte de un proceso
con respecto a una referencia de velocidad maestra.
Referencia de tensión: la tensión de
material deseada en un proceso de manipulación de material.
Cálculo de sintonización: un cálculo para
determinar un valor de una ganancia.
Valor analógico de velocidad: un factor
análogo a la velocidad del material en un proceso de manipulación
de material. El valor analógico puede derivarse de mediciones
directas de la velocidad del material o puede derivarse de una
referencia de velocidad maestra para el proceso.
\newpage
El método de la invención se puede utilizar en
un proceso de manipulación de material que tiene un único segmento
accionado o múltiples segmentos accionados. En un proceso de
múltiples segmentos, el método se puede utilizar en un único
segmento o en múltiples segmentos, según se desee. Un segmento de
proceso se define como una parte del proceso comprendida entre dos
accionamientos, un accionamiento inicial y un accionamiento final.
El accionamiento inicial es la unidad propulsora situada al inicio
de un segmento de proceso. El accionamiento final es la unidad
propulsora situada al final de un segmento de proceso.
El método se puede utilizar para controlar la
tensión del material en un segmento controlando la velocidad del
accionamiento inicial, del accionamiento final o de ambos
accionamientos, inicial y final. El controlar la tensión ajustando
la velocidad del accionamiento inicial puede requerir ajustes
adicionales a las velocidades de los accionamientos situados
después de la entrada. Puede ser necesario realizar ajustes
adicionales en todos los accionamientos iniciales desde el
accionamiento inicial del segmento de proceso controlado, según el
accionamiento inicial del proceso.
Al aumentar la velocidad del accionamiento
inicial se reducirá la tensión del segmento. Al reducir la velocidad
del accionamiento inicial se aumentará la tensión del segmento. Al
aumentar la velocidad del accionamiento final se aumentará la
tensión y al reducir la velocidad del accionamiento final se
reducirá la tensión.
El método se describe controlando la tensión de
una banda de papel durante el proceso de convertir la banda de
rollos precursores en productos acabados. El experto en la técnica
comprenderá que el método no se limita a este uso y que es
aplicable a cualquier proceso en donde se procese un material
continuo bajo tensión.
Según la Figura 1, la tensión de la banda (10)
de papel se controla mediante la diferencia de velocidad entre la
velocidad del motor (90) inicial y el accionamiento final (no se
muestra). Esta diferencia de velocidad puede ser alterada ajustando
la salida del controlador (60) de tensión para aumentar o reducir la
velocidad del motor (90) inicial mediante el controlador (80) de
motor. Aumentando la velocidad del motor (90) inicial con respecto
al motor de salida (no se muestra) se reducirá la tensión de la
banda (10), y reduciendo la velocidad del motor (90) inicial con
respecto al proceso de salida se aumentará la tensión de la banda
(10).
La salida del controlador (60) se ajusta según
la señal de error y las ganancias del controlador (60). La señal de
error, la ganancia proporcional y la ganancia integral instantánea
se utilizan en el cálculo de corrección del controlador para
ajustar la salida del controlador y reducir la magnitud de la señal
de error tal como se conoce en la técnica.
El método de la invención determina la ganancia
integral instantánea del controlador (60) según el valor analógico
de velocidad de la banda (10), lo que da lugar a un control eficaz
de la tensión de la banda a través de todo el intervalo de
velocidades del proceso de conversión de la banda y, además, se
adapta a las variaciones del módulo de elasticidad de la banda (10)
o a la tensión de enrollado de la banda (10).
El método se puede aplicar utilizando cualquier
controlador (60) que utilice la integral de un valor derivado de la
señal de error para derivar la corrección de la salida del
controlador. Un controlador ilustrativo para utilizar el método de
la invención es una tarjeta de controlador de transmisión universal
en un sistema de control distribuido Reliance Automax
comercializado por Reliance Electric, Mayfield Heights, Ohio.
Se determina una referencia de tensión,
correlacionada con la tensión deseada, para el proceso. Se introduce
el valor de la referencia en el controlador. La tensión de banda
utilizada para determinar la señal de error puede ser medida en
cualquier punto del tramo del proceso donde la tensión esté
controlada. La tensión de banda se mide de forma típica encaminando
la banda 10 alrededor de un elemento de proceso unido a un captador
dinamométrico. Un sensor ilustrativo para medir la tensión es un
Tensioncell 30, comercializado por Comptrol Inc., Cleveland, Ohio.
A continuación, se determina la señal de error como la diferencia
entre la referencia de tensión y la tensión medida.
En una realización, la ganancia integral
instantánea se determina utilizando una ganancia integral máxima y
el valor analógico de velocidad de la banda. La ganancia integral
máxima se calcula en función de la relación entre la velocidad
máxima del proceso y el tramo del segmento controlado del proceso.
La ganancia integral máxima utilizada en el cálculo de
sintonización puede estar basada en la relación entre velocidad
máxima y longitud de tramo o en la inversa de la relación,
dependiendo de las unidades específicas de integración utilizadas
en el controlador. La ganancia integral instantánea se varía
entonces según la relación entre el valor analógico de velocidad de
la banda y la referencia de velocidad máxima.
En otra realización, la ganancia integral
instantánea se determina según el valor analógico de velocidad de
la banda y el tramo del segmento del proceso, sin tener en
consideración la velocidad de proceso máxima o la ganancia integral
máxima. La ganancia integral instantánea utilizada en el cálculo de
corrección del controlador puede estar basada en la relación entre
el valor analógico de velocidad de la banda y la longitud del tramo
del proceso o en la inversa de la relación, dependiendo de las
unidades específicas de integración utilizadas en el
controlador.
El valor analógico de velocidad de la banda
puede ser fijado igual que la referencia (20) de velocidad maestra
utilizada para sincronizar las velocidades en el proceso de
manipulación de material. De forma alternativa, el valor analógico
de velocidad de la banda para un segmento particular se puede
derivar de medir la velocidad de la banda en el segmento
controlado. Para medir la velocidad de la banda, se puede fijar el
valor analógico igual al valor instantáneo de la velocidad de la
banda o a un valor de la velocidad filtrado matemáticamente para
reducir los efectos de cambios repentinos en la velocidad. El valor
instantáneo de velocidad de la banda se puede filtrar mediante el
uso de funciones de suavizado matemáticas tal como se sabe en la
técnica.
Según varía la velocidad de la banda (10), se
recalcula el valor de la ganancia integral instantánea y el
controlador (60) utiliza el nuevo valor de ganancia integral
instantánea para determinar la corrección de la salida del
controlador necesaria para reducir el valor de error de tensión.
El hardware y/o software de controlador (60)
particular puede limitar el valor analógico de velocidad inferior
para el que se calcula una ganancia integral instantánea. El valor
del límite inferior se determina según los detalles específicos del
proceso controlado. En una realización, el valor de ganancia
integral instantánea se fija a cualquier valor analógico de
velocidad de banda inferior a 1% de la velocidad de proceso máxima.
En otra realización, el valor de ganancia integral se fija a
cualquier valor analógico de velocidad de banda inferior a 0,1% de
la velocidad de proceso máxima. La velocidad a la cual se determina
el límite inferior de la ganancia integral instantánea no se limita
a las realizaciones mencionadas anteriormente. La velocidad límite
inferior puede ser cualquier velocidad menor que la velocidad máxima
del proceso. Se determina una ganancia integral instantánea límite
inferior para un valor analógico de velocidad de banda límite
inferior seleccionado. A continuación, la ganancia integral
instantánea límite inferior se utiliza a cualquier valor analógico
de velocidad de banda inferior o igual al valor analógico de
velocidad de banda límite inferior.
Los métodos de control de bucle del estado de la
técnica utilizan la ganancia proporcional como medio principal de
sintonización del bucle. Ajustando la ganancia integral instantánea
según los cambios del valor analógico de velocidad de banda se
consigue control de tensión estable y de respuesta rápida a lo largo
de todo el intervalo de velocidades de un proceso. A diferencia del
estado de la técnica, el método de la invención utiliza la ganancia
proporcional para adaptarse a los cambios en las condiciones del
proceso. Por ejemplo, el impacto negativo sobre la tensión de la
banda que ocasiona un rollo de banda deformado se puede reducir
ajustando la ganancia proporcional. La ganancia proporcional se
puede fijar en un valor alto a velocidades bajas y después reducir
según los cambios de velocidad de la banda para reducir los efectos
no deseables ocasionados por un rollo de banda deformado. En otra
realización, la ganancia proporcional se selecciona para
proporcionar una respuesta adecuada a través del intervalo de
velocidades del proceso y no se cambia.
El método no descarta el uso de la ganancia
derivativa para adaptarse a cambios repentinos de gran tamaño en la
señal de error en un proceso que utiliza un controlador PID. También
se puede añadir una ganancia proporcional auxiliar a los cálculos
del controlador. La ganancia proporcional auxiliar modifica la
salida del bucle de control para aumentar el intervalo de control
disponible y/o proporciona otro medio de adaptación a los cambios
del proceso.
Los procesos de manipulación de bandas de
múltiples segmentos pueden tener requisitos de tensión de proceso
únicos para los respectivos segmentos del proceso. Por ejemplo, un
proceso para convertir rollos precursores de un material en forma
de banda de papel en productos de papel acabados puede comprender un
segmento para desenrollar el rollo precursor, un segmento para
grabar la banda, un segmento para imprimir sobre la banda y un
segmento para enrollar la banda grabada e impresa. Cada segmento
puede requerir diferentes tensiones de banda para conseguir un
funcionamiento óptimo. El método expuesto anteriormente se puede
utilizar para controlar un proceso de múltiples segmentos de este
tipo. La etapa adicional de incorporar un ajuste (70) de
compensación de velocidad en el método de control de la invención
proporciona un nivel de control más refinado.
Para cada segmento del proceso, se determina un
ajuste de compensación de velocidad (70) basado en la valoración
del operador de la tensión deseada para ese segmento. El ajuste (70)
de compensación de velocidad se determina para cualquier tensión de
segmento particular deseada. El ajuste (70) de compensación de
velocidad ajusta la velocidad del segmento a partir de la
referencia (20) de velocidad maestra para establecer un punto de
operación básico para la tensión del segmento. La referencia (20)
de velocidad maestra se modifica según el ajuste (70) de
compensación de velocidad para determinar una referencia de
velocidad local para el controlador (80) del motor. A continuación,
se controla la tensión de la banda utilizando el método según se ha
descrito anteriormente para mantener la tensión de proceso del
segmento.
Se puede utilizar un bucle de alimentación
adicional para calcular el ajuste (70) de compensación de velocidad
según el cálculo de corrección del controlador. En esta realización,
se recalcula el ajuste (70) de compensación de velocidad para
reducir la corrección del controlador a cero. Recalculando el ajuste
(70) de compensación de velocidad para reducir la corrección del
controlador se mantiene la salida del controlador (60) en un
intervalo preferido.
El método de la invención se puede utilizar en
cualquier proceso que calcule una corrección de salida basándose en
la integral de un valor derivado de la señal de error para manejar
un material bajo tensión. Como ejemplos no limitativos, el método
se puede utilizar en la manipulación de alambre, cuerda, hebras,
filamentos de fibras ópticas, películas, bandas de papel, láminas
de metal, cintas o cualquier otro material que se procese bajo una
tensión de estiramiento.
Claims (9)
1. Un método para controlar un proceso para
manipular un material que tiene un valor analógico de velocidad y
una tensión, comprendiendo el método las etapas de:
- a)
- determinar una referencia para la tensión;
- b)
- determinar la tensión;
- c)
- determinar un error de tensión;
- d)
- determinar el valor analógico de velocidad;
- e)
- determinar una ganancia proporcional; y que se caracteriza por las etapas de:
- f)
- determinar una ganancia integral instantánea según el valor analógico de velocidad; y
- g)
- ajustar la salida según el error de tensión, la ganancia proporcional y la ganancia integral instantánea.
2. El método de la reivindicación 1, en el que
la etapa de determinar la ganancia integral instantánea según el
valor analógico de velocidad comprende además las etapas de:
- a)
- determinar una velocidad máxima;
- b)
- determinar la ganancia integral para la velocidad máxima; y
- c)
- determinar la ganancia integral instantánea según el valor analógico de velocidad y la velocidad máxima.
3. El método de la reivindicación 1, en el que
la etapa de determinar la ganancia integral instantánea según el
valor analógico de velocidad comprende además la etapa de:
- a)
- determinar la ganancia integral instantánea según el valor analógico de velocidad y un tramo del proceso.
4. El método de la reivindicación 1, que
comprende además las etapas de:
- h)
- determinar un valor analógico de velocidad límite inferior;
- i)
- determinar una ganancia integral instantánea límite inferior para el valor analógico de velocidad límite inferior; y
- j)
- fijar el valor de la ganancia integral instantánea igual a la ganancia integral instantánea límite inferior si el valor analógico de velocidad del material es inferior o igual al valor analógico de velocidad límite inferior.
5. El método de la reivindicación 1, que
comprende además la etapa de ajustar la ganancia proporcional.
6. El método de la reivindicación 1, que
comprende además la etapa de ajustar la salida según un ajuste de
compensación de velocidad.
7. El método de la reivindicación 1, que
comprende además la etapa de ajustar la velocidad de al menos un
accionamiento seleccionado del grupo que consiste en: un
accionamiento inicial y un accionamiento final.
8. El método de la reivindicación 1, que
comprende además una etapa de ajustar la velocidad de múltiples
accionamientos iniciales.
9. El método de la reivindicación 1, en el que
el material comprende un material en forma de banda de papel.
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