Control de calidad en línea de corte de chapa con la plataforma PXI de National Instruments

Author(s):
Anibal Reñones - Fundacion CARTIF
Roberto Arnanz - Fundación CARTIF

Industry:
Industrial Controls/ Devices/ Systems

Products:
LabVIEW

The Challenge:
Monitorizar el estado de accionamientos eléctricos y la calidad del corte en un proceso de corte por cizalla de chapa bobinada. Medición sincronizada en continuo de variables eléctricas de los motores y la posición angular de motores y cuchillas.

The Solution:
Se ha desarrollado un sistema de medida y análisis basado en la plataforma PXI, con tarjeta de muestreo simultáneo para variables analógicas, tarjeta FPGA para adquisición de señales de encoder y sistema CompactRIO para adquisición remota.

El proceso a monitorizar

El proceso de corte de chapa a monitorizar consiste en una cizalla angular que permite el corte de piezas trapezoidales mediante el control de su posición angular. La compleja estructura mecánica de la cizalla produce un desajuste de los elementos mecánicos a lo largo del tiempo que tiene efectos sobre el control de la posición de corte de la cuchilla especialmente para ángulos pequeños. El controlador de posición comanda dos motores en configuración maestro-esclavo que desplazan angularmente las cuchillas superior e inferior de la cizalla.

Las señales que se desean medir del proceso son:

•         Señales eléctricas del motor: corrientes de los motores que controlan la posición de las cuchillas para correlacionar las consignas eléctricas con la respuesta mecánica.

•         Consignas de control: en especial consignas de velocidad de los distintos motores.

•         Señales de estado: señales digitales utilizadas por los autómatas de control para determinar la secuencia del proceso de corte.

•         Medidas de posicionamiento: determinan la posición instantánea de las cuchillas y son utilizadas para medir el ángulo del corte y la respuesta del control. Se necesitan medir cuatro encoder relacionados con el proceso de corte y uno para conocer la velocidad de línea.

En total se necesitan capturar de forma continua, para el 100% de la producción, ocho señales analógicas, ocho líneas digitales y cinco señales de encoder. La robustez requerida por el sistema, la capacidad de procesamiento para el análisis de los datos y la necesidad de sincronización de las distintas señales adquiridas hace de la plataforma PXI la solución idónea para esta aplicación.

Además del sistema de supervisión y diagnóstico para la operación de corte, se ha instalado un sistema NI CompactRIO para la monitorización del sistema de alimentación de chapa de la línea (distante del sistema de corte unos 25 m). En éste se capturan las señales de los motores y tacodinamos que controlan el desenrrollamiento de las bobinas y se comunica mediante TCP/IP con el sistema PXI para la transferencia de datos.

La utilización de NI LabVIEW como herramienta de programación ha permitido aprovechar toda la potencia del hardware de manera sencilla y con un bajo tiempo de desarrollo, así como la fácil integración de los diferentes sistemas.

 

La medición de señales con FPGA y plataforma PXI

 

Para la medición de señales analógicas se ha optado por una tarjeta de adquisición simultánea NI PXI-6143 de modo que se puedan detectar posibles desfases entre el control de ambos motores. Al requerir una gran precisión temporal para detectar desfases pequeños, la captura simultánea es la única que permite garantizar la sincronización de todas las señales capturadas.

La medición de las señales de posicionamiento angular requiere la captura de las señales de pulsos generadas por los encoder cuya frecuencia es del orden de 70 KHz. La posibilidad de programar a través de LabVIEW esta captura en una FPGA permite la captura de las señales de manera precisa y con un reducido tamaño de almacenamiento frente a las capturas de frecuencia constante gracias a la posibilidad de realizar el procesamiento de la señal en tiempo real. La tarjeta utilizada ha sido una NI PXI-7813R con una FPGA de 3 millones de puertas.

Otra de las ventajas que proporciona la FPGA en este caso es la posibilidad de añadir filtros a las señales digitales. En este caso concreto, a pesar del apantallamiento de los cables de los encoder y de que la medición se realiza en forma diferencial (CompactRIO-9411), pequeños niveles de ruido hace que aparezcan pulsos falsos en la medición de la señal digital. Un primer filtro elimina este ruido eléctrico, mientras que un segundo filtro elimina los “rebotes” en la señal del encoder debido a vibración.

El algoritmo así desarrollado permite detectar de manera exacta (con una precisión de décimas de microsegundo) los flancos de la señal del encoder, y por tanto su posición angular instantánea. Esto supone poder comparar con una precisión de microsegundos las diferencias de posición entre las cuchillas de la cizalla debido a problemas mecánicos o de control. Para garantizar la tasa de transferencia de esta información de los cinco encoder medidos, se ha optimizado el almacenamiento haciendo depender el número de datos almacenados de la velocidad del encoder. Dado que el sistema realiza una adquisición continua de toda la producción y que los ficheros pueden incluir miles de segundos, también se almacenan datos de sincronización para que el acceso a cualquier instante medido pueda ser aleatorio y no secuencial.

En la FPGA además de la medida de los encoder se implementa la captura de las señales digitales utilizadas/generadas por el autómata de control en el proceso y la generación de una señal de reloj utilizada para la captura de las señales analógicas. Esto permite la sincronización de la adquisición de las señales analógicas con las capturadas por la FPGA. La sincronización con el sistema CompactRIO se realiza mediante trigger digital generado por la aplicación de adquisición del PXI.

Se obtiene así una captura de las señales requeridas para el 100% de la producción con una sincronización de las señales con errores del orden de microsegundos. Además, de manera simultánea se realiza el análisis de dichas señales para obtener parámetros característicos del control referidos a cada uno de los cortes que realiza la línea. Este análisis puede ser realizado en línea debido a que el consumo de CPU por parte de las tareas de adquisición es inferior al 15%. La capacidad multihilo de la programación en LabVIEW permite simultanear estas tareas de manera sencilla y sin ningún requerimiento especial en la fase de programación.

Los datos una vez analizados permiten determinar además del ángulo exacto de corte - que proporciona una medida de la calidad de la pieza-, varios parámetros de control utilizados para el mantenimiento predictivo de los elementos mecánicos de la línea, lo que permitirá anticiparse a degradaciones en los elementos de la máquina que inciden en la calidad de las piezas.

Para la supervisión del proceso, los operarios disponen de un terminal táctil que indica el ángulo exacto en todas las piezas y tiene indicadores de alarma en caso de que excedan las tolerancias de fabricación. Este terminal opera bajo un sistema Linux embebido con una aplicación desarrollada en LabVIEW que se comunica con el sistema PXI a través de TCP/IP. Se dispone además de un servidor web que permite visualizar de manera remota la producción de la línea en todo momento.

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Anibal Reñones
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