ES2297404T3 - Sistema y procedimiento para el control en linea autoadaptivo de una maquina de soldadura de tope por contacto o chisporroteo. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para el control en línea de una máquina de soldadura de tope del tipo de soldadura por contacto o chisporroteo para barras, tochos o lingotes, durante los ciclos de soldadura, que comprende las etapas de: - Medición sobre la máquina de medidas directas mediante un sistema de adquisición, - Control de un accionamiento de una válvula que controla el posicionamiento de las pinzas de la máquina de soldadura; y - Control del ángulo de disparo de un divisor para controlar la potencia térmica suministrada al proceso de soldadura; en el que dichas etapas de control se regulan en base a un análisis mediante un observador de estado dinámico (A) de la historia del proceso de soldadura durante la ejecución de cada ciclo de soldadura, caracterizado por el hecho de que dicho observador de estado dinámico (A) estima, por medio de un modelo matemático, la tendencia de una pluralidad de variables de estado (X) y de variables de rendimiento (Z), en el que estas últimas comprenden la longitud del arco, la impedancia del arco, el voltaje primario y la corriente del arco, utilizadas como una base para controlar el propio ciclo de soldadura y los posteriores ciclos de soldadura, utilizando una pluralidad de mediciones directas (Ym) realizadas por el sistema de adquisición.
Description
Sistema y procedimiento para el control en línea
autoadaptativo de una máquina de soldadura de tope por contacto o
chisporroteo.
La presente invención se refiere a un
procedimiento de control en línea de una máquina de soldadura de
tope para barras, tochos o lingotes, por ejemplo del tipo de
soldadura por contacto o chisporroteo, insertado en un proceso
continuo para la fabricación de tochos o lingotes, y a un sistema de
control especialmente diseñado para llevar a cabo dicho
procedimiento según los preámbulos de las reivindicaciones 1 y 6
(véase, por ejemplo, el documento
US-A-3 612811), respectivamente.
Son conocidos para el estado de la técnica los
procesos de soldadura de tope del tipo de soldadura por contacto o
chisporroteo que comprenden diversas etapas.
La primera etapa es la de del precalentamiento,
que se inicia cuando la máquina de soldadura recibe el comando
externo de habilitación de inicio de la operación de soldadura. En
esta etapa, el lingote es sujetado entre las pinzas, y las uniones
se acercan y se separan entre sí cíclicamente haciendo que fluya una
corriente de gran intensidad en las mismas.
El precalentamiento de los lingotes se lleva a
cabo con pulsos de corta duración para prevenir que se peguen los
extremos de los lingotes con una fuerza superior a la fuerza de
separación que pueden proporcionar las pinzas. Si el voltaje de
precalentamiento es demasiado alto, puede producirse el encendido o
inicio de los arcos. Durante el precalentamiento, el control de la
corriente generalmente mantiene la corriente máxima que la fuente
de alimentación es capaz de soportar en cortocircuito. El propósito
del precalentamiento no es tanto calentar los lingotes sino más
bien quemar y a continuación alisar posibles irregularidades de las
superficies de contacto en las que debe concentrarse la corriente.
De hecho, en vista de la baja resistencia de los lingotes, con una
corriente de 30.000 A, no es posible suministrar una potencia
térmica superior a varios miles de vatios (de entre 3 kW y 5 kW),
lo que produce únicamente un modesto calentamiento inferior a un
grado centígrado por segundo.
Una vez finalizada la etapa de precalentamiento,
normalmente, tras un tiempo preestablecido, se lleva a cabo la
segunda etapa, denominada escintilación. En el inicio de esta
segunda etapa, las trayectorias eléctricas y mecánicas del proceso
están destinadas a hacer que se inicie el arco eléctrico y se
difunda entre las uniones de manera regular. A continuación,
durante la difusión, la geometría del arco eléctrico y la potencia
térmica, suministrada a las uniones, se mantienen en trayectorias
preestablecidas que optimizan el resultado de la operación de
soldadura.
La máxima potencia que puede suministrarse en la
escintilación se establece actuando sobre el voltaje de
alimentación, que puede ajustarse actuando sobre la relación de
transformación del transformador (definido como "cambio de
tomas" o ajuste de la tensión) y sobre el ángulo de disparo del
divisor de fase presente en el devanado primario. Se dispone un
control de posición, que ajusta la distancia relativa entre las
pinzas por medio de un cilindro hidráulico. Normalmente, dicha
distancia se ajusta, tratando de mantener constante la corriente
del arco. Típicamente, la trayectoria de la posición establecida
para las pinzas es de tipo parabólico, en la medida en que la etapa
de escintilación se divide en tres intervalos de tiempo que deben
gestionarse con diferentes velocidades de aproximación mutua de las
pinzas.
En el primer intervalo de tiempo, la superficie
de los lingotes se lleva hasta los 1.500ºC. En esta etapa las
velocidades de las pinzas podrían incluso ser cero en la medida en
que no se esté fundiendo aún el metal.
En el segundo intervalo de tiempo, manteniendo
constante la potencia empleada, el acero se funde. Inicialmente, el
acero se encuentra frío hasta que se aproxima a la superficie del
lingote, y a continuación el calor se difunde en gran medida hacia
el interior del lingote, y por consiguiente el acero se funde
lentamente. Conforme se calienta el lingote, el perfil de
temperatura en el acero tiende hacia una forma de límite constante,
y la velocidad de fusión se vuelve constante. En este intervalo de
tiempo, la velocidad de las pinzas debe ser tal como para poder
seguir al avance de las superficies que son consumidas.
Si el sistema de soldadura se suministra con un
generador de voltaje constante y baja impedancia, este seguimiento
del avance de las superficies que son consumidas no es un factor
crítico, en la medida en que, si se aumenta la velocidad de las
pinzas, se reduce la distancia, y por consiguiente aumentan la
corriente y la potencia térmica, y de esta manera la velocidad de
fusión se adapta automáticamente a la de las pinzas. Cuanto mayor
es la velocidad de las pinzas, mayores son la corriente y la
potencia de soldadura, y menores el voltaje del arco y el tiempo de
soldadura. Sin embargo, si la velocidad de las pinzas se aumenta de
manera excesiva, el incremento de potencia deja de compensar la
velocidad de aproximación de los lingotes, y se produce el
cortocircuito de manera que se produce el fenómeno no deseado de
soldadura inestable.
En el transcurso de la soldadura, el acero que
se funde quema el oxígeno de las proximidades de la zona de
soldadura, y ello implica la ventaja de que la soldadura se produce
en una atmósfera prácticamente inerte. Sin embargo, si se apaga el
arco eléctrico, entra oxígeno, lo que genera óxido que daña la
soldadura. En este caso, otra desventaja es que, con el arco
eléctrico apagado, el enfriamiento de la superficie de las uniones
es tan rápido que provoca problemas de resolidifación. También, los
intervalos breves de extinción del arco, en la región de los 100
ms, si se producen poco antes de la posterior etapa de recalcado,
pueden comprometer la soldadura.
Por otro lado, durante la etapa de
escintilación, el acero fundido sale por el hueco y se lleva consigo
posibles óxidos. Por consiguiente, la posible interrupción breve
del arco, a una distancia lejos del recalcado, no siempre
compromete el resultado de la operación de soldadura; sin embargo,
las interrupciones del arco en cualquier caso deben prevenirse
porque, en este caso, la soldadura recibe menos energía y se produce
una dispersión de los resultados de la operación de soldadura. Este
caso puede producirse si se emplean ángulos de disparo del divisor
que sean demasiado grandes, de manera que las caídas de corriente
que se producen pueden volver inestable el arco eléctrico y
producir extinciones frecuentes del mismo que comprometen la calidad
de la soldadura.
Finalmente, la etapa de escintilación también
prevé un tercer intervalo de tiempo en el que se cierra el hueco
entre los extremos de los lingotes para iniciar la etapa de
recalcado. Es importante cerrar el hueco rápidamente de manera que,
en el lapso de tiempo entre la extinción del arco y el contacto de
las superficies de los extremos, el aire no tendrá tiempo de
entrar, provocando tanto la oxidación del acero como el enfriamiento
de las superficies de los lingotes. Durante la operación de cierre
del hueco, se tiene cuidado de que no se apague el arco, de tal
manera que la primera parte de la operación de recalcado se lleva a
cabo en la presencia de una corriente elevada con el fin de
compensar, por medio de un suministro de energía mediante el efecto
Joule, el enfriamiento debido a la difusión de calor en los
lingotes. La corriente es interrumpida solamente durante
aproximadamente cien milisegundos tras producirse el
cortocircuito.
La velocidad a la que se consume el acero cuando
se enciende el arco es un parámetro crítico y es proporcional a la
potencia de soldadura. Dicha velocidad debería ser de media de entre
1,8 mm/seg y 2 mm/seg. La velocidad de inicio del proceso de
soldadura es la mitad de la velocidad media.
Con una soldadura de alta potencia, existe otra
desventaja; es decir, resulta que el acero se quema rápidamente,
reduciendo de esta manera la zona "plástica", es decir, la zona
que se encuentra a una temperatura de entre 1.400ºC y 1.500ºC, y
que se utiliza para el recalcado. Esto puede dar lugar a cierres
"fríos". En su lugar, a potencias que son demasiado bajas, se
alarga el tiempo de soldadura y puede haber una evacuación
insuficiente de los óxidos que se forman durante la
escintilación.
El tiempo de encendido del arco por lo general
se selecciona de tal manera que se fundirá un grosor del acero que
es por lo menos igual a la irregularidad máxima original del
producto y también teniendo en cuenta la velocidad media de fusión
más conservadora, que aproximadamente es de 1,8 mm/seg.
La definición de umbral máximo para la corriente
tiene el propósito de interrumpir los cortocircuitos rápidamente
incrementando la distancia entre las superficies de los extremos a
soldar. Sin embargo, dicho umbral es bastante crítico de calibrar.
En el caso de una calibración incorrecta, la producción de los
cortocircuitos en la etapa final de escintilación puede comprometer
la calidad de la soldadura. A pesar de que los cortocircuitos que
se producen al comienzo de la etapa de escintilación no comprometen
seriamente la soldadura, sin embargo, si se interrumpen dentro de
un intervalo de aproximadamente cien milisegundos, sí que causan una
reducción de la energía suministrada a las uniones, y esto conduce
a una dispersión de los resultados.
En base a lo indicado anteriormente, resulta que
la parte de la etapa de escintilación que tiene mayor influencia
sobre la calidad de la operación de soldadura es la última (los
últimos 2-3 segundos), en la que es absolutamente
necesario evitar que se produzcan extinciones del arco o caídas de
potencia.
La tercera etapa del proceso de soldadura es la
del recalcado y sigue a la etapa de escintilación. En esta etapa,
la fuerza de presión entre los lingotes y la corriente utilizada se
controlan para seguir unas trayectorias preestablecidas que
optimizan la calidad de la unión soldada. Al final de la fusión, la
corriente se establece a un valor máximo, con el fin de favorecer
la fusión de cualquier área que pueda estar fría y oxidada, lo que
podría causar una resistencia durante la aproximación de las dos
superficies, y se abre completamente la servoválvula que controla
el posicionamiento de las pinzas de la máquina de soldadura con el
fin de alcanzar la máxima velocidad de cierre de huecos. La presión
se determina por la alta presión (PH) del recipiente de expansión
que suministra el circuito hidráulico. Una vez que de produce la
extinción del arco, es importante cerrar el hueco tan pronto sea
posible para evitar la introducción del aire en la zona de soldadura
y el enfriamiento de las superficies.
La corriente baja hasta cero solamente cuando la
potencia útil cae por debajo de un umbral dado (por ejemplo, 50 kW)
o cuando se produce la condición de "Time Out" o tiempo límite
(por ejemplo, 200 ms) en el sistema de control.
A partir de un análisis del producto obtenido
con algunas máquinas de soldadura por contacto o chisporroteo
conocidas, se ha detectado un alto porcentaje de uniones que
presentan defectos de soldadura que llegaron hasta la sección de
laminación sin ser detectados por el control de calidad. Estas
uniones mal soldadas provocaron problemas de calidad en el producto
final y en casos extremos incluso atascos en la laminadora.
Un estudio exhaustivo del problema, basado en la
adquisición de datos de cientos de soldaduras, ha llevado a la
conclusión de que la gran dispersión estadística de los resultados
de la soldadura se debe a la gran dispersión de ciertos factores de
perturbación que implica el proceso de soldadura. Los fenómenos de
perturbación más importantes identificados son: las irregularidades
presentes en la geometría de las superficies de las uniones a
soldar, que con frecuencia presentan unas áreas de las superficies
de los extremos de los lingotes muy separadas entre sí que no
coinciden, y la temperatura inicial diferente del acero.
Se ha descubierto que los sistemas de control
según el estado de la técnica utilizados en la regulación de los
procesos de soldadura en las máquinas son incapaces de controlar las
variaciones paramétricas importantes del proceso cuando éstas se
producen, lo que conduce a la dispersión de los resultados del
proceso de soldadura.
Además, entre los sistemas para controlar la
soldadura para máquinas de CA (corriente alterna), no se conoce
ningún controlador que sea capaz de cumplir con los requerimientos
de resistencia exigidos para permitir el funcionamiento en
determinadas condiciones desfavorables. La mayoría de controladores
de soldadura conocidos (véanse las siguientes aplicaciones: A. P.
Chekmarev et al., "Determining the flash allowance for
welding hot billets in continuous rolling mills", Svar. Proiz.,
1970, No. 8, p.p. 5-7 y "A new control system for
the K-190P rail flash welding machine"; N. V.
Podola, V. P. Krivenos, B. L. Grabchev, "Automatic Welding",
Vol. 36, No. 8, Aug. 1983, p.p. 40-43, Figura 1,
Tabla 3, ref. "AUTOMATIC WELDING"), se basan en un sistema que
hace que las pinzas sigan una trayectoria parabólica de posición de
bucle abierto, es decir, independientemente de las medidas de
voltaje y de corriente del arco. Dicha trayectoria se modifica
solamente en el caso de que se produzcan cortocircuitos, en cuyo
caso se añade, a la trayectoria parabólica de posición predefinida,
una pequeña etapa de apertura de las pinzas.
De esta manera, el sistema de movimiento es
incapaz de estabilizar la geometría del arco en la medida en que no
tiene en cuenta dicha geometría.
La patente estadounidense
US-A-4.940.876 describe un
controlador de la impedancia del arco para máquinas de soldadura de
CA. El regulador mantiene la impedancia del arco constante actuando
sobre el control de posición hidráulico. La impedancia de
cortocircuito, que es un parámetro esencial en el sistema de cálculo
adoptado, se mide y se reactualiza, en la etapa de recalcado, al
final de cada ciclo de soldadura. De esta manera, el sistema de
control, sin embargo, no tiene en consideración en modo alguno que
la característica del arco en los momentos iniciales del proceso de
soldadura varía enormemente, y por lo tanto, no permanece constante
en el transcurso del ciclo de soldadura.
Esta variación se produce debido a que,
especialmente en le presencia de superficies de los extremos
irregulares, el arco eléctrico comienza primero en un punto de las
uniones que se encuentran más cerca entre sí y a continuación se
amplía progresivamente al resto de la superficie del extremo,
empleando, sin embargo, algunos segundos para abarcar la unión
completa. Con el fin de mantener la impedancia del arco constante en
esta etapa en la presencia de un arco que cambia su característica,
dicho sistema de control es incapaz de prevenir que se produzcan
cortocircuitos durante el encendido. Ya que en cada cortocircuito se
produce una extinción del arco y por lo tanto una reducción de la
energía térmica suministrada a las uniones, este tipo de controlador
produce irregularidades en la energía suministrada a la soldadura,
y por lo tanto se produce una dispersión de los resultados.
El documento
US-A-3612811 describe un
procedimiento para la realización de la soldadura eléctrica de tope
de piezas produciendo continuamente chispas entre los extremos de
las piezas. El aparato para el control de soldadura está provisto
de dos canales de los cuales uno comprende dos sensores de
temperatura. Un ordenador, basándose en estas entradas, controla un
actuador para mover las piezas en el transcurso del proceso de
generación de chispas o chisporroteo.
El propósito principal de la presente invención
es eliminar las desventajas indicadas anteriormente, según un
primer aspecto de la invención, por medio de un procedimiento para
controlar una máquina de soldadura de tope del tipo de "soldadura
por contacto o chisporroteo" según la reivindicación 1 y, según
un segundo aspecto de la invención, por medio de un sistema de
control con las características de la reivindicación 6.
Un sistema de diagnóstico según la presente
invención, actuando simultáneamente sobre los parámetros variables
que intervienen en las diversas etapas de la operación de soldadura,
es capaz de optimizarlos resultados de dicha operación.
En particular, la presente invención supera
problemas que se han dejado sin resolver por controladores conocidos
y, en particular, por el controlador de impedancia descrito en el
documento US-A-4940876 indicado
anteriormente, que, entre los controladores, constituye una de las
formas de realización más avanzadas pero que no actúa sobre el
voltaje de alimentación para mejorar el control de la soldadura.
Con el fin de obtener resultados óptimos, el
sistema de control según la invención controla, durante la etapa de
escintilación, no solamente la impedancia del arco sino también una
pluralidad de otras variables, entre las cuales, en primer lugar se
encuentra la impedancia del arco. Debido a este hecho, se reduce
drásticamente la posibilidad de que se produzcan cortocircuitos en
la medida en que el control de la longitud del arco en efecto
prevenga que se toquen las uniones entre sí. Esto se hace estimando
la longitud del arco con un modelo matemático que está basado en el
conocimiento de las leyes físicas que determinan el comportamiento
del proceso, y en las mediciones directas. Además, para garantizar
el suministro de la potencia deseada también sobre una impedancia
de arco variable, el voltaje primario se controla actuando sobre el
ángulo de disparo del divisor. Si en el inicio del arco en el
comienzo de la etapa de escintilación el arco se encierra en una
pequeña parte de las superficies frontales a soldar con motivo de
las irregularidades de dichas superficies, de esta manera, dicho
arco presenta, dada la misma longitud, una alta impedancia. El
sistema de control aumenta el voltaje de alimentación con el fin de
suministrar al arco, en cualquier caso, toda la potencia que funde
más rápidamente las irregularidades de las superficies, sobre las
que se ha iniciado el arco. Por lo tanto esto favorece una rápida
eliminación de las irregularidades alisando las superficies de los
extremos a soldar.
A continuación, se reduce progresivamente la
potencia térmica suministrada en el último segundo de la etapa de
escintilación para dar lugar a una capa "plástica" más
extensiva en el área de los lingotes en las proximidades de las
superficies de los extremos, lo que mejora la calidad de la
soldadura.
Con el fin de superar también el problema de
variaciones extremas en las condiciones para las que el sistema de
control no presenta márgenes de tiempo que puedan utilizarse y
márgenes de potencia que puedan suministrarse, suficientes para
finalizar la operación de soldadura apropiadamente, se proporciona
ventajosamente un sistema de diagnóstico en línea que reconoce o
identifica la unión soldada de manera fiable y permite su
eliminación de la línea de procesamiento.
Una ventaja adicional del sistema de control
según la invención es la presencia de un observador de estado
dinámico que, considerando la historia completa del proceso de
soldadura hasta el momento actual, es capaz de reconstruir y
también de predecir para los posteriores instantes la tendencia de
un gran número de variables de estado y de rendimiento, sobre las
que se basa la acción de control y diagnóstico. El control
simultáneo de estas variables, con el fin de mantener las mismas en
unas trayectorias predefinidas, conduce a una mejora del
rendimiento comparado con sistemas de control conocidos, que se
basan solamente en la detección de algunas variables que pueden
medirse directamente, un hecho que hace que el proceso de soldadura
sea menos fiable.
La combinación de todos estos elementos,
previstos en el sistema de control según la invención, determina la
calidad de soldadura superior en los lingotes.
Entre los propósitos principales que el sistema
de control hace que sean posibles, hay uno que hace referencia a
que sea más fiable y repetitiva, en cada etapa de la operación de
soldadura, la tendencia de las variables de estado eléctricas,
térmicas y mecánicas del sistema de soldadura, mientras que otro
hace referencia a la posibilidad de no permitir que ninguna unión
en la que la operación de soldadura no ha tenido un éxito total
pueda avanzar hacia posteriores etapas de procesamiento.
Ventajas adicionales que pueden conseguirse con
la presente invención resultarán más claras paras un experto en la
materia a partir de la descripción detallada de una forma de
realización particular y no limitativa de un sistema para el
control en línea de una máquina de soldadura de tope que a
continuación sigue con relación a las siguientes figuras, entre las
que:
La Figura 1 es el diagrama de bloques de un
sistema de control según la invención;
La Figura 2 es el diagrama lógico funcional del
procedimiento según la invención; y
La Figura 3 presenta un número de gráficos con
trayectorias óptimas de algunas variables de rendimiento.
La solución según la invención para resolver el
problema técnico prevé un procedimiento para el control y el
diagnóstico en línea de una máquina de de soldadura de tope del tipo
"soldadura por contacto o chisporroteo", adaptado para ser
incluido en un proceso continuo para la fabricación de tochos y
lingotes.
El procedimiento según la invención básicamente
prevé controlar, en base a criterios predeterminados ilustrados en
mayor detalle en la descripción que a continuación sigue, dos
actuadores que actúan respectivamente sobre el ángulo de disparo
del divisor para controlar la máquina eléctrica que suministra la
potencia térmica a la soldadura y sobre las apertura de la válvula
que controla el posicionamiento de las pinzas de la máquina de
soldadura.
Con particular referencia a la Figura 1, en la
que se utilizan los siguientes símbolos:
- U
- = señales de control (relación de transformación, ángulo de disparo, interruptor de válvula);
- Ym
- = mediciones directas (potencia de CA, voltaje de CA, corriente, voltaje de CC (corriente continua), temperatura de salida, temperatura de entrada, posición del cilindro, posición de la válvula, presión del cilindro);
- Z
- = variables de rendimiento;
- Z_{set}
- = trayectorias deseadas para Z;
- Z_{spec}
- = especificaciones de las trayectorias de Z;
- X
- = variables de estado estimadas;
- Sync
- = estado de la secuencia de soldadura; y
- Y_{diag}
- = alarmas de diagnóstico,
el procedimiento según la invención se
implementa por medio de un sistema de control que comprende una ley
de control dinámico multivariable, bloque C, basada en técnicas de
optimización multiobjetivo y de síntesis robusta capaces de
mantener bajo un control preciso todas las trayectorias de las
variables que determinan la calidad del proceso, incluso en
condiciones en las que hay una incertidumbre sobre los parámetros
que definen la característica del arco y la geometría de las
uniones, con el fin de hacer que las tendencias de todas las
cantidades eléctricas, mecánicas y térmicas converjan rápidamente,
justo desde el inicio de la operación de soldadura, hasta los
valores deseados, a pesar de que se produzcan amplias variaciones
paramétricas en el transcurso del proceso de
soldadura.
soldadura.
Según un aspecto ventajoso particular de la
invención, el sistema de control también prevé un sistema de
diagnóstico capaz de identificar las uniones que no se pudieron
soldar correctamente con motivo de la presencia de valores extremos
de los fenómenos de perturbación.
La ley de control dinámico, bloque C, actúa
simultáneamente sobre el ángulo de disparo de un divisor, que
regula la alimentación, y sobre el control hidráulico del movimiento
de las pinzas manteniendo la tendencia real de los valores
eléctricos, mecánicos y térmicos del proceso de soldadura cerca de
la tendencia óptima. Ya que no todas las variables que determinan
la tendencia del proceso de soldadura pueden medirse, se dispone un
procedimiento de estimación basado en un modelo matemático y
heurístico que reconstruye en línea las variables necesarias para
completar la información sobre el estado de la soldadura. En base a
estas variables de estado, se identifican las variables que
determinan la calidad del proceso, cuya tendencia determina la
calidad del resultado global de la soldadura. Para estas variables,
denominadas "variables de rendimiento", a través de ensayos,
se han determinado las trayectorias óptimas que deberían seguirse
durante la operación de soldadura.
En base a las variables de rendimiento
suministradas por un observador de estado dinámico se ha
desarrollado también un sistema de diagnóstico capaz de detectar si
la soldadura no ha podido alcanzar la calidad deseada con motivo de
algún problema. La alarma generada mediante este sistema de
diagnóstico permite evitar que la unión defectuosa proceda a la
posterior etapa de procesamiento.
El sistema de control según la invención
comprende los bloques funcionales descritos a continuación con
particular referencia a la Figura 1.
El sistema comprende un observador de estado
dinámico, bloque A, que detecta el estado del proceso de soldadura
X, y que detecta también aquellos componentes que no se miden
directamente pero cuya tendencia tiene unos efectos importantes
sobre el resultado final. El observador dinámico, bloque A, utiliza
las mediciones directas Ym, los controles de entrada U, y un
conjunto de leyes físicas y reglas experimentales que definen la
tendencia del proceso (f(X, U, Ym, Sync)) para obtener una
imagen del estado en el que se encuentra el proceso de soldadura y
para predecir su evolución dX/dt en el tiempo. El observador de
estado dinámico, bloque A, suministra una pluralidad de salidas de
rendimiento Z que representan aquellas variables cuyas trayectorias
definen un buen resultado de la operación de soldadura.
También se encuentran incluidas en esta
pluralidad de variables de rendimiento Z cantidades que, ya que no
se miden directamente, se obtienen interpretando la evolución
dinámica del proceso a través de leyes físicas y experimentales
apropiadamente almacenadas en el observador dinámico A. Debido a
dicha pluralidad de variables de rendimiento Z, se lleva acabo la
actividad de control y diagnóstico en línea del sistema de control.
Las variables que en las diversas etapas tienen la función de
identificar el estado y los resultados del proceso de soldadura son
reconstruidas por el observador de estado dinámico A.
Entre las variables de rendimiento consideradas
se encuentran ventajosamente: la presión en el cilindro; la
posición del cilindro; la velocidad del cilindro; la posición de la
servoválvula; el ángulo de disparo del divisor; la relación de
transformación del transformador, utilizada únicamente en el caso en
el que el controlador es capaz de controlarlo automáticamente; la
potencia eléctrica absorbida por la red; el voltaje de la
alimentación de CC a los terminales del transformador; el voltaje
del arco; la corriente del arco; la energía térmica suministrada a
las uniones; la potencia térmica comunicada a las uniones; el mapa
térmico de las uniones; la anchura del hueco entre las uniones; la
cantidad de metal fundido; la velocidad de fusión de las uniones; la
potencia del arco; la potencia eléctrica suministrada por la fuente
de alimentación eléctrica; y la impedancia del arco.
El observador de estado dinámico, bloque A,
prevé la tendencia del proceso en respuesta a las entradas de
control con la utilización de algoritmos que tienen en cuenta leyes
físicas y experimentales, y utiliza las mediciones solamente para
actualizar las previsiones hechas y para corregir el valor de
aquellos parámetros que están sujetos a variaciones en el
tiempo.
Entre los parámetros que pueden variar en el
tiempo y que el observador de estado dinámico, bloque A, identifica
en línea en el transcurso de la ejecución del proceso de soldadura
se encuentran: los parámetros correspondientes a la característica
voltaje-corriente-longitud del arco,
el rendimiento térmico del arco, definido como la relación entre la
energía térmica suministrada a las uniones y la energía eléctrica
suministrada al arco, el rendimiento de la fuente de alimentación
eléctrica, la resistencia del circuito de CC, y la posición de las
uniones al inicio de la operación de soldadura. En el caso de un
fallo a algún sistema de medición directa de una variable, el
observador de estado dinámico A continúa en cualquier caso en
predecir la tendencia de dicha variable, y, a pesar de que ésta
última no se mide más, la ley de control dinámico, bloque C, es
capaz de regular el proceso, aunque con un rendimiento ligeramente
inferior.
Otro elemento que comprende el sistema de
control es el generador de trayectorias dinámico para las variables
de rendimiento, bloque B, que utiliza algoritmos basados en leyes
físicas y reglas experimentales, del tipo g(X, U, Ym, Sync).
El generador de trayectorias dinámico suministra las trayectorias
óptimas Z_{set} que se desea que sigan las variables de
rendimiento Z. Las trayectorias se configuran por medio de un
conjunto de parámetros Z_{spec} apropiadamente seleccionados por
el diseñador.
En el sistema de control se proporciona la ley
de control ya indicada anteriormente, bloque C, que calcula el
control para los actuadores U en base a los valores de las variables
de rendimiento Z y las trayectorias óptimas Z_{set}.
Además se dispone un dispositivo de diagnóstico
dinámico, bloque D, que, comparando las trayectorias de las
variables de rendimiento con las deseadas, genera unos índices de
calidad de la soldadura X_{diag}. En caso de que estos índices
de calidad queden fuera de un intervalo predeterminado, se genera
una señal de alarma que hace que la ley de control dinámico, bloque
C, adopte una estrategia de recuperación de la soldadura, que prevé
la interrupción de la operación de soldadura previamente a la etapa
de recalcado. En casos extremos, en los que la alarma se haya
generado durante la etapa de recalcado, la siguiente etapa
consistirá en cortar la unión soldada. El dispositivo de
diagnóstico dinámico D también controla el rendimiento del
dispositivo de medición y actuación. En el caso de un fallo, se
generan unas alarmas, que inducen a que la ley de control dinámico,
bloque C, adopte una estrategia de control adecuada para operar en
condiciones degradadas.
El sistema también comprende un generador de
señales de sincronización, representado por el bloque E (también
denominado Gestor de Secuencias) que induce a que la ley de control
dinámico, bloque C, adopte, en cada etapa de la operación de
soldadura, la estrategia de operación apropiada, enviando las
señales apropiadas a todos los bloques del sistema de control.
La modalidad de funcionamiento del observador de
estado dinámico, bloque A, según la invención se lleva a cabo de la
siguiente manera. A través del proceso de soldadura, el observador
de estado, bloque A, sigue el perfil de la unión a soldar.
Detectando el comportamiento de los actuadores U, que comprenden una
fuente de alimentación de potencia eléctrica y una válvula
hidráulica, el observador de estado dinámico A calcula el estado de
los voltajes y las corrientes del circuito, calcula el equilibrio de
la potencia térmica en las uniones, detecta el mapa térmico del
lingote, la geometría del arco eléctrico, y el estado del sistema de
movimiento hidráulico. Comparando los valores estimados de las
variables con las respectivas mediciones reales, el observador de
estado A actualiza el estado estimado y el valor de los parámetros
que están sujetas a variación llevando a cabo su identificación en
línea.
La estrategia de observación cambia en las
diferentes etapas del proceso de soldadura según las modalidades
operativas definidas por el generador de señales de sincronización,
bloque E. A partir de un estado reconstruido del proceso, el
observador de estado genera unas variables de rendimiento Z que
representan las trayectorias principales a controlar para un buen
resultado de la soldadura, las variables sobre las que debe llevarse
a cabo la inferencia del diagnóstico, las variables que permiten al
generador de señales de sincronización establecer los pasos de una
etapa a otra del proceso de soldadura y los cambios del modo de
funcionamiento.
El modo de funcionamiento del generador de
trayectorias óptimas, bloque B, se describe a continuación. Las
trayectorias óptimas Z_{set} varían en el tiempo y se calculan
empezando desde determinados parámetros de configuración Z_{spec}
de la máquina.
Las variables de rendimiento Z a las que se
asignan trayectorias para el control de la etapa de precalentamiento
comprenden la fuerza de compresión de los lingotes a soldar, la
velocidad de desplazamiento de las uniones, la corriente que hay
que hacer fluir en las uniones, y el tiempo de contacto entre las
uniones.
Las variables de rendimiento Z a las que se
asignan trayectorias para el control de la etapa de escintilación
comprenden la longitud del arco, la potencia térmica suministrada
por el arco, el voltaje del arco, la impedancia del arco, y el
perfil de temperatura en las uniones.
Las variables de rendimiento Z a las que se
asignan trayectorias para el control de la etapa de recalcado
comprenden la presión de recalcado de los lingotes, la corriente que
hay que hacer fluir en las uniones, y la posición de las
uniones.
Las trayectorias óptimas para las variables de
rendimiento Z que son una función dinámica del tiempo y de las
propias variables de rendimiento Z y se generan, utilizando
algoritmos apropiados, que incorporan un conjunto de reglas
obtenidas a partir de leyes físicas y de datos experimentales.
Ya que las variables de rendimiento son
mutuamente dependientes, estando unidas mediante relaciones
precisas, por ejemplo, impedancia del arco, voltaje del arco,
corriente del arco, son suficientes unos pocos parámetros de
configuración Z_{spec} para poder determinar las tendencias de las
innumerables trayectorias para las variables de rendimiento Z.
La modalidad de funcionamiento de la ley de
control dinámico, bloque C, se describe a continuación. La ley de
control dinámico, bloque C, induce a que un subconjunto de las
variables de rendimiento Z, seleccionadas según la etapa del
proceso, siga las respectivas trayectorias óptimas. Si no resulta
posible seguir exactamente todas las trayectorias especificadas, la
ley de control dinámico, bloque C, minimiza una media ponderada de
los errores de seguimiento de las trayectorias; los valores de esta
media ponderada se determinan mediante las ganancias de control y
se calculan con una técnica de optimización multiobjetivo. De esta
manera, serán los errores más grandes los que produzcan la mayor
contribución a la acción de control.
La modalidad de funcionamiento del dispositivo
de diagnóstico dinámico, bloque D, se lleva a cabo de la siguiente
manera. El propósito principal del dispositivo de diagnóstico es el
de interrumpir la operación de soldadura en el caso de que algún
factor de perturbación imprevisible detectado mediante el
dispositivo de diagnóstico dinámico fuera a degradar la calidad de
la soldadura. Una soldadura pobre puede ser extremadamente peligrosa
ya que puede provocar un atasco en las posteriores etapas de
procesamiento, en particular en la laminadora.
El factor más frecuente y más crítico de
perturbación consiste en una irregularidad marcada en el perfil de
las uniones a soldar; sin embargo, también pueden producirse otras
perturbaciones tales como altas resistencias de contacto con las
pinzas que no permiten la comunicación de la potencia deseada al
arco, variaciones en el voltaje de línea, etc.
Una función adicional llevada a cabo por el
dispositivo de diagnóstico dinámico D es la de la detección de
posibles fallos en el sistema de soldadura.
El dispositivo de diagnóstico dinámico, bloque
D, se suministra por las variables de rendimiento Z, y mediante las
especificaciones de trayectorias Z_{set}. Comenzando desde estas
variables de entrada, genera dinámicamente dentro del mismo una
serie de variables de diagnóstico Ydiagn por medio de un algoritmo
basado en un conjunto de reglas físicas e intervalos experimentales
de valores X_{diagn}. Si las variables de diagnóstico Ydiagn se
salen de los respectivos intervalos de valores preestablecidos
experimentalmente, el dispositivo de diagnóstico D emite unas
alarmas específicas. Las alarmas son enviadas al generador de
señales de sincronización, bloque E, que implementa
correspondientemente la estrategia de respuesta adecuada.
La modalidad operativa del generador de señales
de sincronización, bloque E, se describe a continuación. El
generador de señales de sincronización tiene la principal tarea de
informar al bloque funcional del sistema de control sobre el estado
de la secuencia de soldadura. La secuencia de soldadura
fundamentalmente comprende las tres etapas indicadas anteriormente:
precalentamiento, escintilación, y recalcado. Cada una de estas se
divide en subetapas. El inicio del ciclo de soldadura se determina
mediante una señal de habilitación, que es emitida por el sistema
de control central de la laminadora, que puede integrarse en el
sistema para controlar la soldadura, si resulta necesario, en el
instante en el que el lingote a soldar se ha posicionado
correctamente en la máquina de soldadura.
La transición de una etapa a otra del ciclo de
soldadura se determina en base al tiempo o en base a determinadas
condiciones de las variables de rendimiento Z a las que se
llega.
El generador de señales de sincronización,
bloque E, informa a los bloques del sistema de control sobre la
etapa y la subetapa del ciclo de soldadura en el que se encuentra
operando.
La modalidad de funcionamiento de cada etapa del
proceso de control puede modificarse en el caso en el que las
alarmas hayan sido emitidas por el dispositivo de diagnóstico,
bloque D. El generador de señales de sincronización recibe dichas
alarmas de diagnóstico, las interpreta, y envía, a los bloques del
sistema de control, los comandos para proceder del modo correcto de
funcionamiento degradado.
En los gráficos de la Figura 3, se ilustran una
serie de trayectorias óptimas establecidas durante la escintilación
sobre algunas variables de rendimiento no medidas directamente, a
modo de ejemplo ventajoso.
El sistema para controlar una máquina de
soldadura de tope según la invención descrito anteriormente puede
obtenerse por medio de un sistema informático diseñado para tal
propósito, o también, de una manera particularmente ventajosa, por
medio de un programa para un procesador electrónico de propósito
general, por ejemplo, un PC. En este caso, los bloques funcionales
descritos anteriormente, es decir, el observador de estado dinámico
A, el generador de trayectorias dinámico B, la ley de control
dinámico C, el generador de señales de sincronización E, y el
sistema de diagnóstico dinámico D se corresponden con los bloques
software, apropiadamente escritos en el lenguaje de programación
adecuado para una utilización óptima sobre el tipo de procesador
utilizado para el control de la máquina de soldadura.
El diagrama indicado en la Figura 2 representa
el diagrama lógico funcional o el diagrama de flujo, del proceso
con la indicación de las cantidades que permiten el paso de una
etapa del proceso de soldadura a la siguiente. Se pone de
manifiesto claramente la ventaja que la presencia del sistema de
diagnóstico según la invención proporciona con respecto a sistemas
de control conocidos, en el que a través de una comprobación en
línea, durante la etapa de centelleo, la calidad de la unión puede
discriminar el estado posterior. De esta manera, las soldaduras
defectuosas pueden ser rechazadas sin que esto cree problemas
durante las posteriores operaciones de procesamiento.
\vskip1.000000\baselineskip
Esta lista de referencias citadas por el
solicitante de la presente invención se proporciona solamente para
conveniencia del lector. Dicha lista no forma parte del documento de
patente europea. A pesar de que se ha tenido mucho cuidado durante
la recopilación de las referencias, no debe excluirse la posibilidad
de que se hayan producido errores u omisiones y a este respecto la
OEP se exime de toda responsabilidad.
- \bullet US 3612811 A
- \bullet US 4940876 A
\bullet Determining the flash allowance for
welding hot billets in continuous rolling mills. A. P.
CHEKMAREV et al. Svar. Proiz. 1970,
5-7
\bullet N. V. PODOLA; V. P.
KRIVENOS; B. L. GRABCHEV. A new control system for the
K-190P rail flash welding machine. Automatic
Welding, August 1983, vol. 36 (8),
40-43.
Claims (9)
1. Procedimiento para el control en línea de una
máquina de soldadura de tope del tipo de soldadura por contacto o
chisporroteo para barras, tochos o lingotes, durante los ciclos de
soldadura, que comprende las etapas de:
- -
- Medición sobre la máquina de medidas directas mediante un sistema de adquisición,
- -
- Control de un accionamiento de una válvula que controla el posicionamiento de las pinzas de la máquina de soldadura; y
- -
- Control del ángulo de disparo de un divisor para controlar la potencia térmica suministrada al proceso de soldadura; en el que dichas etapas de control se regulan en base a un análisis mediante un observador de estado dinámico (A) de la historia del proceso de soldadura durante la ejecución de cada ciclo de soldadura, caracterizado por el hecho de que dicho observador de estado dinámico (A) estima, por medio de un modelo matemático, la tendencia de una pluralidad de variables de estado (X) y de variables de rendimiento (Z), en el que estas últimas comprenden la longitud del arco, la impedancia del arco, el voltaje primario y la corriente del arco, utilizadas como una base para controlar el propio ciclo de soldadura y los posteriores ciclos de soldadura, utilizando una pluralidad de mediciones directas (Ym) realizadas por el sistema de adquisición.
2. Procedimiento de la reivindicación 1, en el
que para regular dichas etapas de control se disponen:
- -
- La observación de las variables de estado (X) de los ciclos de soldadura mediante el observador de estado dinámico (A);
- -
- La definición de trayectorias óptimas predeterminadas (Z_{set}) a seguir por una pluralidad de variables de rendimiento (Z) por medio de un generador de trayectorias dinámico (B) para las variables de rendimiento (Z);
- -
- La ejecución de una ley de control dinámico (C) basada en el valor de las variables de rendimiento (Z), de las trayectorias óptimas (Z_{set}) y de la estrategia de funcionamiento determinada según la etapa que se esté ejecutando en el proceso de soldadura; y
- -
- La generación de señales de sincronización (Sync) por medio de un generador de señales (E), en base a que la ley de control dinámico (C) adopta las estrategias de operación dadas.
3. Procedimiento según la reivindicación 2, en
el que la ley de control dinámico (C), durante la etapa de
escintilación del proceso de soldadura, mantiene constante la
longitud del arco y varía el voltaje primario en base a la
variación de la impedancia del arco.
4. Procedimiento según la reivindicación 3, en
el que se proporciona un diagnóstico en línea mediante un sistema
de diagnóstico dinámico (D), para el que se realiza la comparación
de las trayectorias de las variables de rendimiento (Z) con las
trayectorias deseadas (Z_{set}) mediante dicho sistema de
diagnóstico dinámico (D), generando unos índices de calidad de
soldadura.
5. Procedimiento según la reivindicación 6, en
el que se dispone una variación en línea, automática, de la
relación de transformación de un transformador (con cambiador de
tomas o ajuste de la tensión) para el suministro de la máquina de
soldadura de tope.
6. Sistema para controlar una máquina de
soldadura de tope para barras, tochos o lingotes, en el que la
máquina comprende una válvula para controlar el posicionamiento de
las pinzas de la máquina, y un divisor, en el que el sistema de
control se adapta para llevar a cabo el procedimiento según la
reivindicación 1 y comprende:
- -
- Un sistema de adquisición para realizar mediciones directas sobre la máquina, y caracterizado por comprender adicionalmente:
- -
- Un observador de estado dinámico (A) adaptado para observar una pluralidad de variables de estado (X) de un proceso de soldadura llevado a cabo por dicha máquina;
- -
- Un generador de trayectorias dinámico (B) para las variables de rendimiento (Z), adaptado para definir trayectorias óptimas predeterminadas (Z_{set}) para que sean seguidas por las variables de rendimiento (Z), en el que estas últimas comprenden la longitud del arco, la impedancia del arco, el voltaje primario y la corriente del arco;
- -
- El observador de estado dinámico y el generador de trayectorias dinámico que son adecuados para estimar a través de un modelo matemático implementado en los mismos la tendencia de las variables de estado y de las variables de rendimiento.
- -
- Una ley de control dinámico (C) adaptada para controlar la válvula y el divisor en base al valor de las variables de rendimiento (Z) y las trayectorias óptimas predeterminadas (Z_{set}); y
- -
- Un generador de señales de sincronización (E) adaptado para generar señales de sincronización (Sync).
7. Sistema según la reivindicación 6, en el que
se dispone un variador de la relación de transformación (con
cambiador de toma o ajuste de la tensión), adaptado para controlar
la relación de transformación.
8. Sistema según la reivindicación 7, en el que
se dispone un sistema de diagnóstico dinámico (D), adaptado para
generar índices de calidad de soldadura, comparando las trayectorias
de las variables de rendimiento (Z) con las trayectorias deseadas
(Z_{set}).
9. Sistema según la reivindicación 8, en el que
el observador de estado dinámico (A), el generador de trayectorias
dinámico (B), la ley de control dinámico (C), el generador de
señales de sincronización (E), y el sistema de diagnóstico dinámico
(D) se implementan por medio de un programa informático.
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