MXPA05001860A

MXPA05001860A - Metodo de control de tension en una trama.

Info

Publication number: MXPA05001860A
Application number: MXPA05001860A
Authority: MX
Inventors: Michael Joseph Franz
Original assignee: Procter & Gamble
Priority date: 2002-09-04
Filing date: 2003-09-04
Publication date: 2005-06-03
Also published as: ATE391100T1; CA2495876A1; EP1551741A1; US6845282B2; AU2003263059A1; WO2004022467A1; US20040044432A1; US7035706B2; EP1551741B1; DE60320124T2; DE60320124D1; CA2495876C; US20050055123A1; ES2301875T3

Abstract

Un metodo para controlar la tension en un proceso que manipule material. Se determina una senal de error del proceso. Se determina el valor analogo de velocidad del material y despues se determina la ganancia integral instantanea de acuerdo con el valor analogo de velocidad. Se determina una ganancia proporcional. Despues se ajusta la salida de un controlador de acuerdo con la senal de error, la ganancia integral instantanea y la ganancia proporcional.

Description

MÉTODO DE CONTROL DE TENSIÓN EN UNA TRAMA CAMPO DE LA INVENCIÓN La invención se relaciona con el control de tensión en un proceso que manipula material. De manera más particular, la invención se refiere al control de tensión en una trama de papel durante el proceso de conversión de la trama de papel.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Existe una variedad de procesos de fabricación que manipulan materiales continuos bajo tensión. Alambre, soga, hilos, filamentos de fibra óptica, películas, tramas de papel, hojas metálicas, cintas y otros materiales continuos se procesan por lo común bajo presión. El material se puede manipular bajo presión durante las fases iniciales del procesamiento, durante las fases intermedias y/o en la fase final del procesamiento en un producto terminado. La uniformidad del producto terminado en estos procesos puede depender de la uniformidad de la tensión del material en la medida en que se procesa. El procesamiento de materiales que tienen bajas resistencias a la tensión requieren que los niveles de tensión en el proceso se mantengan dentro de amplios intervalos para evitar el rompimiento del material y la pérdida respectiva de productividad del proceso. Para controlar la tensión durante el proceso, se usan controladores automatizados de proceso, por ejemplo, controladores de Proporcional + Integral (Pl), y Proporcional + Integral + Derivado (PID). Los controladores Pl y PID, calculan una señal de error como la diferencia entre un valor de ajuste de un parámetro y el valor medido del parámetro. La salida del controlador entonces se modifica de acuerdo con la señal de error y con 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 ejemplos en donde 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 lazo de retroalimentación iterativo. Las ganancias del controlador se nombran por su relación de cómo se usa la señal de error. La ganancia proporcional se usa para calcular la corrección de salida en proporción con la señal de error. La ganancia integral se usa para calcular la corrección de salida de acuerdo con la suma, o integral, de un valor derivado de las señales de error. La ganancia derivada se usa para calcular la corrección de salida en relación con la proporción de cambio, o derivada, de la señal de error u otra señal, como por ejemplo, el lazo de retroalimentación. Los métodos de control típicos de la técnica anterior se "sintonizan" u optimizan al seleccionar los valores de ganancia apropiados para el controlador para lograr la estabilidad de proceso y la proporción de respuesta deseados. Los operadores del proceso pueden ajustar los valores de ganancia del controlador, estos ajustes son manuales y están asociados con los cambios en el material entrante o el desempeño del equipo del proceso. En algunos procesos, los valores de las ganancias del controlador se programan para cambiar con el diámetro del rodillo del material en la medida que se enrolla o desenrolla, lo que depende de los detalles específicos del proceso que se va a controlar. Los métodos de control típicos no ofrecen un control apropiado de la tensión a bajas velocidades de proceso. Los métodos típicos de sintonización de lazo producen un control de tensión en un intervalo de velocidad que va desde la velocidad máxima a aproximadamente una décima parte de la velocidad máxima. Estos métodos por lo general son bastantes inestables y oscilatorios a velocidades bajas. Algunos métodos permanecen estables a velocidades bajas pero sacrifican la capacidad de responder rápidamente a cambios en las condiciones de proceso a velocidades altas. La incapacidad de controlar la tensión en el material a velocidades bajas provoca una pérdida del control de tensión durante las fases de aceleración y desaceleración del proceso. La pérdida de control en estos momentos provoca rompimientos indeseados en el material, un incremento en los desechos del proceso y pérdida de productividad. La falta de control de tensión adecuado a velocidades bajas y también la carencia de respuesta del sistema de control adecuada a los cambios en el módulo de elasticidad del material que se va a procesar también causa productos terminados no uniformes que se deberán eliminar como desecho.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La invención comprende un método para controlar la tensión de un material continuo durante el procesamiento del material. El método comprende el control de tensión del material en todo el intervalo de velocidades del proceso. El método controla la tensión en la medida que la velocidad, el módulo de elasticidad y/o la tensión de enrollado del material cambian. En una modalidad, el método comprende las etapas de: determinar una señal de error en el proceso controlado, determinar la ganancia integral instantánea de acuerdo con el valor análogo de velocidad del material en el proceso y determinar una ganancia proporcional. En otra modalidad, el método comprende las etapas de: determinar un valor de ajuste para la tensión del material, medir la tensión del material, determinar el error de tensión, determinar el valor análogo de velocidad del material, determinar una ganancia proporcional, determinar una ganancia integral instantánea del proceso de acuerdo con el valor análogo de velocidad, y ajustar la salida de proceso de acuerdo con el error de tensión, la ganancia proporcional y con la ganancia integral.

DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS La Figura 1 es un diagrama de bloques esquemático de un segmento de un proceso que manipula material y que utiliza el método de la invención.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Definiciones: Cálculo de corrección del controlador: El cálculo se realiza por un controlador en base a una señal de error y en base a las ganancias del controlador para reducir la señal de error. Señal de error: La diferencia entre un valor de ajuste de un parámetro y el valor medido para el parámetro. Ganancia: Un teorema matemático que relaciona una salida del controlador, o una unidad de proceso, con una entrada del controlador. Ganancia integral: Un factor usado para calcular la corrección en la salida de un proceso en base a la integral de un valor derivado de la señal de error. Las ganancias integrales se usan en controladores integrales, controladores proporcional + integral, y controladores proporcional + integral + derivado. Ganancia integral instantánea: El valor de la ganancia integral determinada por un controlador que sintoniza el cálculo en un instante particular en el tiempo. La ganancia instantánea se puede calcular en cualquier instante de acuerdo con una variable del proceso. El valor de la ganancia puede cambiar de acuerdo con el cambio del valor de la variable con el tiempo. Como un ejemplo no restrictivo, la ganancia integral instantánea se puede hacer variar de acuerdo con el valor análogo de velocidad de un material manipulado. En una modalidad, el valor de la ganancia integral instantánea se usa directamente en el cálculo de corrección del controlador en la medida que la ganancia integral instantánea se calcula. En otra modalidad, el valor de la ganancia integral instantánea se puede hacer continuo, promediar o filtrar, usando funciones matemáticas tal como se conoce en la técnica, antes de usar la ganancia en el cálculo de corrección del controlador. En cualquier modalidad, se puede usar un retardo para compensar el tiempo que se toma para determinar el valor de la ganancia integral instantánea y el tiempo que se toma para usar el valor recientemente determinado de la ganancia en el cálculo de corrección del controlador. Ganancia integral instantánea de límite inferior: El valor de la ganancia integral en un valor análogo de velocidad de límite inferior del material. Referencia maestra de velocidad: Un valor maestro usado para sincronizar los cambios de velocidad a través de un proceso usando múltiples unidades de tracción o controladores. ' Velocidad máxima: La velocidad máxima del material alcanzable en un proceso que manipula un material. Salida: La señal de control difundida hacia el o los objetos de un controlador. Ganancia proporcional: Un factor usado para calcular la corrección de la salida de un controlador de proceso en base en la señal de error.

Tramo: La longitud entre los componentes de unidades de tracción sucesivas en un proceso de manipulación de material. Ajuste de equilibrio de velocidades: Un factor de control usado para compensar las diferencias en los requerimientos del proceso en distintas porciones de un proceso que manipula material. El ajuste de equilibrio de velocidades se usa para compensar la velocidad de una sección del proceso de una referencia maestra de velocidad. Valor de ajuste de tensión: la tensión deseada del material en un proceso que manipula material. Cálculo de sintonización: un cálculo para determinar un valor para una ganancia. Valor análogo de velocidad: un factor análogo a la velocidad del material en un proceso que manipula material. El valor análogo se puede derivar de la medición directa de la velocidad del material o se puede derivar de una referencia maestra de velocidad para el proceso. El proceso de la invención se puede poner en práctica en un proceso que manipule material y que tenga un solo segmento de impulsión o múltiples segmentos de impulsión. En un proceso de múltiples segmentos, de la forma en que se desee, el método se puede poner en práctica en un solo segmento o en múltiples segmentos. Un segmento del proceso se define como una porción del proceso entre dos unidades de tracción, una unidad de tracción de corriente arriba y una unidad de tracción de corriente abajo. La unidad de tracción de corriente arriba es la unidad de tracción ubicada en el inicio del segmento del proceso. La unidad de tracción de corriente abajo es la unidad de tracción ubicada en el final de un segmento del proceso. El método se puede usar para controlar la tensión en el material en un segmento, al controlar la velocidad de la unidad de corriente arriba, la unidad de tracción de corriente abajo o tanto las unidades de corriente arriba y corriente abajo. El control de la tensión ajustando la velocidad de la unidad de tracción de corriente arriba puede requerir ajustes adicionales en las velocidades de las unidades de tracción además de ajustes en la de corriente arriba. Se pueden requerir de ajustes adicionales para todas las unidades de corriente arriba, desde la unidad de tracción de corriente arriba del segmento controlado del proceso, hasta la unidad de tracción inicial del proceso. Incrementar la velocidad de la unidad de tracción de corriente arriba reducirá la tensión en el segmento. Disminuir la velocidad de la unidad de tracción de corriente arriba incrementará la tensión en el segmento. Incrementar la velocidad de la unidad de tracción de corriente abajo incrementa la tensión y disminuir la velocidad de la unidad de tracción de corriente abajo disminuye la tensión. El método que se describe controla la tensión en una trama de papel durante el proceso para convertir la trama de rollos matriz en productos terminados. El experto en la técnica comprenderá que el método no está limitado a este uso y es aplicable a cualquier proceso en donde un material continuo se procese bajo tensión. De conformidad con la Figura 1 , la tensión en la trama de papel 10 se controla por la diferencia de velocidades entre la velocidad del motor corriente arriba 90 y la unidad de tracción corriente abajo (no se muestra). Esta diferencia de velocidades se puede alterar al ajustar la salida del controlador de tensión 60 para aumentar o disminuir la velocidad del motor corriente arriba 90 vía el controlador 80 del motor. Aumentar la velocidad del motor corriente arriba 90 en relación con el motor corriente abajo (no se muestra) reducirá la tensión de la trama 10, y disminuir la velocidad del motor corriente arriba 90 en relación con el proceso corriente abajo incrementará la tensión de la trama 8 La salida del controlador 60 se ajusta de acuerdo con la señal de error y con las ganancias del controlador 60. La señal de error, la ganancia proporcional y la ganancia integral instantánea se usan en el cálculo de corrección del controlador para ajustar la salida del controlador para 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 de conformidad con el valor análogo de velocidad de la trama 10 lo que produce un control efectivo en la tensión de la trama en todo el intervalo de velocidades del proceso para convertir tramas, y también adecúa las variaciones en el módulo de elasticidad de la trama 10, o la tensión de bobinado de la trama 10. El método se puede poner en práctica usando cualquier controlador 60 que use la integral de un valor derivado de la señal de error para derivar la corrección de la salida del controlador. Un controlador ilustrativo para poner en práctica el método de la invención es un tarjeta Universal Drive Controller, en un sistema de control Reliance Automax Distributed distribuido por Reliance Electric, Mayfield Heights, Ohio. Para el proceso se determina un valor de ajuste de la tensión correlacionado con la tensión deseada. El valor del valor de ajuste se ingresa al controlador. La tensión de la trama usada para determinar la señal de error se puede medir en cualquier punto en el tramo del proceso en donde la tensión se vaya a controlar. La tensión de la trama por lo habitual se mide al conducir la trama 10 alrededor de un elemento del proceso fijado a una celda de carga. Un sensor ilustrativo para medir la tensión es un sensor Tensionceli 30, distribuido por Comptrol Inc., Cleveland, Ohio. La señal de error entonces se determina como la diferencia entre el valor de ajuste de la tensión y la tensión medida. En una modalidad, la ganancia integral instantánea se determina usando una ganancia integral máxima y el valor análogo de velocidad de la trama. La ganancia integral máxima se calcula de acuerdo con la proporción de la velocidad máxima del proceso y el tramo del segmento controlado del proceso. La ganancia integral máxima usada en el cálculo de la sintonización se puede basar en la proporción de la velocidad máxima con respecto a la longitud del tramo, o bien, el recíproco de la proporción dependiendo de las unidades específicas de integración usadas en el controlador. La ganancia integral instantánea entonces se hace variar de acuerdo con la proporción del valor análogo de velocidad de la trama y el valor de ajuste de la velocidad máxima. En otra modalidad, la ganancia integral instantánea se determina de acuerdo con el valor análogo de velocidad de la trama y el tramo del segmento de proceso sin considerar la velocidad máxima del proceso o la ganancia integral máxima. La ganancia integral instantánea usada en el cálculo de corrección del controlador se puede basar en la proporción del valor análogo de velocidad de la trama con respecto a la longitud de tramo del proceso, o bien, el recíproco de la proporción dependiendo de las unidades específicas de integración usadas en el controlador. El valor análogo de velocidad de la trama se puede fijar igual a la referencia maestra de velocidad 20 usada para sincronizar las velocidades en el proceso que manipula tramas. Alternativamente, al valor análogo de velocidad de la trama para un segmento particular se puede derivar a partir de la medición de la velocidad de la trama en el segmento controlado. Cuando la velocidad de la trama se mide, el valor análogo se puede fijar igual al valor instantáneo de la velocidad de la trama o para un valor matemáticamente filtrado de la velocidad, para reducir los efectos de cambios repentinos en la velocidad. El valor instantáneo de la velocidad de la trama se puede filtrar a través del uso de funciones matemáticas de estandarización, como las que se conocen en la técnica.

Conforme la velocidad de la trama 10 cambia, el valor de la ganancia integral instantánea se vuelve a calcular y el controlador 60 utiliza el nuevo valor de la ganancia integral instantánea para determinar la corrección en la salida del controlador para reducir el valor de error de la tensión. Unos dispositivos físicos y/o software particulares del controlador 60 pueden limitar el valor análogo de velocidad más bajo para el cual se calcula la ganancia integral instantánea. El valor del límite inferior se determina de acuerdo con los detalles específicos del proceso controlado. En una modalidad, la ganancia integral instantánea se fija en cualquier valor análogo de velocidad de la trama inferior a 1 % de la velocidad máxima del proceso. En otra modalidad, la ganancia integral se fija en cualquier valor análogo de velocidad de la trama inferior a 0.1 % de la velocidad máxima del proceso. La velocidad en la que se determina el límite inferior de la ganancia integral instantánea no está limitado a las modalidades antes mencionadas. La velocidad de límite inferior puede ser cualquier velocidad inferior a la velocidad máxima del proceso. Una ganancia integral instantánea de límite inferior se determina para un valor análogo de velocidad de la trama de límite inferior seleccionado. La ganancia integral instantánea de límite inferior entonces se usa en cualquier valor análogo de velocidad de la trama inferior a o igual al valor análogo de velocidad de la trama de límite inferior. Los métodos de control de lazo de la técnica anterior utilizan la ganancia proporcional como el medio primario de sintonización del lazo. Ajustar la ganancia integral instantánea de acuerdo con los cambios en el valor análogo de velocidad de la trama proporciona un control estable de la tensión de respuesta rápida en todo el intervalo de velocidades de un proceso. A diferencia de técnica anterior, el método de la invención usa la ganancia proporcional para adecuar los cambios en las condiciones del proceso. A manera de ejemplo, el impacto adverso en la tensión de la trama causado por un rodillo 11 deformado de la trama se puede reducir por medio del ajuste de la ganancia proporcional. La ganancia proporcional se puede fijar en un valor alto a velocidades bajas y después se puede reducir de acuerdo con los cambios en la velocidad de la trama para reducir los efectos indeseables causador por el rodillo deformado de la trama. En otra modalidad, la ganancia proporcional se selecciona para proporcionar una respuesta adecuada a través del intervalo de velocidades del proceso y dejarla sin cambios. El método no excluye el uso de la ganancia derivada para adecuar cambios grandes y repentinos en la señal de error en un proceso que utilice un controlador PID. Una ganancia proporcional auxiliar también se puede agregar a los cálculos del controlador. La ganancia proporcional auxiliar modifica la salida del lazo de control para incrementar el intervalo de control disponibles y/o para proporcionar otros medios para adecuar los cambios del proceso. Los proceso que manipula trama y que tienen múltiples segmentos pueden tener requerimientos de tensión en el proceso que son únicos a los segmentos respectivos del proceso. A manera de ejemplo, un proceso para convertir rodillos matriz de un material de trama de papel en productos terminados de papel puede comprender un segmento para desenrollar el rodillo matriz, un segmento para grabar la trama, un segmento para imprimir en la trama y un segmento para enrollar la trama impresa y grabada. Cada segmento puede requerir de distintas tensiones de la trama para un desempeño óptimo. El método descrito anteriormente se puede usar para controlar semejante proceso de múltiples segmentos. La etapa adicional de incorporación de un ajuste de equilibrio de velocidades 70 en el método de control de la invención brinda un nivel más refinado de control. Para cada segmento del proceso, se determina un ajuste de equilibrio de velocidades 70 en base a la valoración del operador sobre la tensión deseado para ese segmento. El ajuste de equilibrio de velocidades 70 se determina para cualquier tensión deseada en algún segmento particular. El ajuste de equilibrio de velocidades 70 ajusta la velocidad del segmento de la referencia maestra de velocidad 20 para establecer un punto de operación base para la tensión del segmento. La referencia maestra de velocidad 20 se modifica de acuerdo con el ajuste de equilibrio de velocidades 70 para determinar una referencia local de velocidad para el controlador 80 del motor. La tensión de la trama entonces se controla usando el método descrito anteriormente para mantener la tensión en el segmento del proceso. Se puede utilizar un lazo de retroalimentación adicional para calcular el ajuste de equilibrio de velocidades 70 de conformidad con el cálculo de corrección del controlador. En esta modalidad, el ajuste de equilibrio de velocidades 70 se vuelve a calcular para reducir la corrección del controlador a cero. Volver a calcular el ajuste de equilibrio de velocidades 70 para reducir la corrección del controlador 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 en base a la integral de un valor derivado de la señal de error para manipular un material bajo tensión. Como ejemplos no restrictivos, el método se puede usar en la manipulación de alambre, soga, hilos, filamentos de fibra óptica, películas, tramas de papel, hojas metálicas, cintas y otros materiales continuos que se procesen por lo común bajo presión.

Claims

13 REIVINDICACIONES

1. Un método para controlar un proceso para manipular un material que tiene un valor análogo de velocidad y una tensión; el método comprende las etapas de: a) determinar un valor de ajuste para la tensión; b) determinar la tensión; c) determinar un error de tensión; d) determinar el valor análogo de velocidad; e) determinar una ganancia proporcional; y se caracteriza por las etapas de: f) determinar una ganancia integral instantánea de acuerdo con el valor análogo de velocidad; y g) ajustar la salida de acuerdo con el error de tensión, la ganancia proporcional y la ganancia integral instantánea.

2. El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la etapa de determinar la ganancia integral instantánea de acuerdo con el valor análogo de velocidad además comprende las etapas de: a) determinar una velocidad máxima; b) determinar una ganancia integral para la velocidad máxima; y c) determinar la ganancia integral Instantánea de acuerdo con el valor análogo de velocidad y la velocidad máxima.

3. El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la etapa de determinar la ganancia integral instantánea de acuerdo con el valor análogo de velocidad además comprende la etapa de: 14 a) determinar la ganancia integral instantánea de acuerdo con el valor análogo de velocidad y un tramo del proceso.

4. El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque además comprende las etapas de: h) determinar un valor análogo de velocidad de límite inferior; i) determinar una ganancia integral instantánea de límite inferior para el valor análogo de velocidad de límite inferior; y j) fijar el valor de la ganancia integral instantánea igual a la ganancia integral instantánea de límite inferior si el valor análogo de velocidad del material es inferior o igual al valor análogo de velocidad de límite inferior.

5. El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque además comprende una etapa de ajuste de la ganancia proporcional.

6. El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque además comprende una etapa de ajuste de la salida de acuerdo con el ajuste de equilibrio de velocidades de tracción.

7. El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque además comprende una etapa de ajuste de la velocidad de al menos una unidad de tracción seleccionada del grupo formado por: una unidad de tracción corriente arriba y una unidad de tracción corriente abajo.

8. El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque además comprende una etapa de ajuste de la velocidad de múltiples unidades de tracción corriente arriba.

9. El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque además comprende una etapa de selección de una ganancia auxiliar.

10. El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado 15 además porque el material comprende material de trama de papel.