Sistema Automático de Medida de Longitud sin Contacto en Líneas de Corte de Chapas de Bobinas de Acero Cañero-Nieto, J.M.2 ; Spínola, C.G.1; Moreno-Aranda, G.2; Martín-Vázquez, M.J.1 ; Bonelo, J.M.3 *1 Departamento de Electrónica, Universidad de Málaga, C.P.:29071, Málaga, España, Tel.: +34 952131388, Fax: +34 952132781, e-mail: [email protected] *2 T.C.C., S.A., c/ Robinson Crusoe, 5 L-2. C.P.:29006 Málaga, España, Tel./Fax: +34 952335999, e-mail: [email protected] *3 Acerinox, S.A., Factoría del Campo de Gibraltar, C.P.:11370, Los Barrios (Cádiz), España, Tel.: +34 956629305, Fax: +34 956629306, e-mail: [email protected] Resumen — En este trabajo se presenta un sistema de tiempo real que realiza la medida sin contacto de la longitud de chapas de acero inoxidable rectangulares con precisión milimétrica mientras se desplazan por una cinta transportadora. La longitud se obtiene mediante un sensor láser de velocidad sin contacto, de tecnología doppler, que integra las medidas de velocidad que adquiere. El sistema ha sido aplicado a la inspección de control de calidad en una línea de corte transversal de chapas de bobinas de acero quedando integrado dentro del sistema de información industrial de una factoría de acero inoxidable. Se presenta un sistema preciso, fiable y robusto dentro de un entorno industrial hostil.

(a)

I. INTRODUCCIÓN La industria siderúrgica especializada produce habitualmente en bobinas de varios cientos o miles de metros, de entre 900 y 1600 mm de ancho y espesores comprendidos entre 0,2 y 10 mm. Después del proceso de laminación en el que se consigue el espesor deseado, las bobinas se procesan en líneas de recocido y acabado, que suelen tener varios cientos de metros de longitud y requieren, en general, un procesamiento continuo. Finalmente, las bobinas son llevadas a líneas de corte donde se obtiene el producto en las condiciones y dimensiones de suministro deseadas por el cliente. Las líneas de corte (Fig 1) pueden ser líneas de corte transversal o de corte longitudinal produciendo chapas o flejes respectivamente. El control de la calidad en aplicaciones industriales tiene por objeto monitorizar y garantizar la calidad de los productos industriales fabricados [1]. El control dimensional de magnitudes como el espesor, el ancho y la longitud resultan ser fundamentales durante todo el proceso de producción y de acabado de los productos. Los métodos tradicionales de control de calidad basados en la comprobación de un número reducido de muestras son hoy inadecuados. No obstante, la inspección y medida manual del 100 % de los productos

(b) Fig 1: Líneas de corte: (a) longitudinal y (b) transversal.

requiere un tiempo considerable. Por otro lado, las medidas no son igualmente fiables debido a la percepción subjetiva del operador humano que se acrecentarán cuando el elemento que se pretende medir se encuentra en movimiento. Así mismo, otros factores como la fatiga y falta de concentración debido a la tarea repetitiva afectarán a la fiabilidad de la medida. Por ello se requiere incrementar el grado de automatización del control de calidad [2] siendo un aspecto importante la incorporación de sistemas de medición automáticos y en línea.

Para el caso específico del control de calidad de la longitud de chapas, hemos abordado la automatización de la medida de su longitud en la línea de corte. Muchos de los sistemas que se emplean en la industria realizan la medida de la longitud por contacto. En general, suelen basarse en encóders incrementales con ruedas medidoras que están en contacto con la superficie de la chapa cuyo desplazamiento genera un tren de pulsos digitales proporcional al desplazamiento producido. Mediante el conteo de estos pulsos se infiere la longitud. Los principales problemas que tiene esta técnica de medida son los errores producidos por el deslizamiento entre la rueda medidora y la chapa, la acumulación de suciedad y el desgaste producido por el propio contacto físico de ambos elementos. Por otro lado, suelen ser sistemas aparatosos y que requieren bastante mantenimiento. Un sistema de medida sin contacto evita que el material procesado y el sistema de medición entren en contacto físico evitando la posibilidad de provocar daños que afecten a la calidad del material y, por ende, a los costes de producción. Por otro lado, puede realizar la medición de manera mucho más precisa al no tener que entrar en contacto con el material evitando desgastes, desajustes o incluso daños en el sistema de medida. Desde el punto de vista de la medición sin contacto, ciertos trabajos han aportado soluciones para la realización de medidas dimensionales empleando técnicas de procesamiento de imagen con cámaras de área ([3]) y lineales ([4][5][6]) algunas de las cuales pueden ser aplicadas a la medición de la longitud de chapas. Otros han planteado soluciones basadas en la medida de la velocidad transversal mediante sistemas de tecnología láser distinguiendo dos tipos de sensores: speckle ([7]) y doppler ([8]). En nuestro sistema consideramos más apropiado el uso de sensores específicos, dadas las características de nuestra aplicación y las longitudes a medir. Elegimos el sensor láser doppler de velocidad transversal cuyo desarrollo industrial se encuentra más avanzado. Un sensor de velocidad láser doppler es un sistema de medida sin contacto que realiza mediciones de velocidad transversal a una alta frecuencia de muestreo lo que permite medir la longitud mediante la integración de la velocidad durante el tiempo de paso del objeto bajo el sensor. El principio del láser dóppler diferencial se basa en la generación y tratamiento del patrón de interferencia generado por la superposición de dos haces láser sobre una superficie en movimiento [9]. En este trabajo se presenta un sistema de inspección de tiempo real de medida de longitud de chapas de acero mediante un sensor láser de tecnología dóppler en una línea de corte transversal de chapa como alternativa a la medición realizada por un operador humano con la finalidad de mejorar el control de calidad del proceso.

Un sistema de este tipo ha sido recientemente instalado y se encuentra en operación en la factoría que Acerinox, S.A. tiene en Los Barrios (España). II. REQUISITOS DEL SISTEMA El sistema de medida desarrollado debe cumplir con las siguientes especificaciones : a) Medir chapas rectangulares de diferentes anchos con longitudes comprendidas entre 1000 y 6000 mm. b) La medición se realiza durante el desplazamiento continuo de las chapas por la cinta transportadora a velocidades de hasta 60 m/min. c) Los espesores de las chapas están comprendidos entre 1 y 10 mm. d) Los acabados superficiales no han de afectar a las medidas de longitud. e) La precisión de la medida estará dentro de los +/- 2 mm para la máxima longitud. f) Debe medir de forma continua todas las chapas en la que se corta cada bobina. g) Los datos deben estar disponibles on-line y quedar almacenados para su evaluación posterior. h) No debe alterar el proceso de producción. i) Debe ser fiable y robusto, ya que ha de funcionar durante largos períodos de tiempo bajo un entorno industrial agresivo. III. SISTEMA DE MEDICIÓN Medir la longitud de un objeto a partir de la velocidad con la que pasa bajo el sensor implica su integración a lo largo del tiempo. Para asegurar la precisión de la medida, dada la diversidad de longitudes a medir, hemos diseñado un sistema basado en un sensor láser doppler que mide la velocidad de la chapa que pasa debajo del sensor mientras es desplazada por la cinta transportadora y un conjunto de fotocélulas láser de alta precisión (Fig 2), las cuales detectan la presencia de la chapa y acotan el tiempo que el sensor láser doppler está integrando las medidas de velocidad. Considerando una chapa de longitud mayor a ki y menor que ki+1, la longitud Li medida por el sensor dóppler será el resultado de integrar las medidas de velocidad obtenidas a lo largo del intervalo que se inicia cuando la fotocélula B1 detecta la chapa (flanco de subida) y finaliza cuando la fotocélula Bi deja de detectarla (flanco de bajada). Conocidos los valores ki , la longitud de la chapa L vendrá dada por la siguiente ecuación:

L=Li k i

(1)

El valor individual de cada constante ki será la distancia entre la primera fotocélula, B1, y las restantes fotocélulas Bi. Para la obtención de estas constantes se emplea un procedimiento específico de calibración.

L

Fotocélulas

··· ···

kn

Sensor Láser Doppler

···

ki Activación Integración

k2 Controlador Tiempo Real

B2 ···

Bi

···

Bn

TCP/IP

B1

Sensor Láser Dóppler

RS-485 chapa

PC Control (Supervisión /Interfaz )

···

Ln

··· Li L2

Fig 2: Sistema de medida de longitud.

El número mínimo de fotocélulas para poder implementar el sistema es n=2, de esta manera se asegura que cuando el sensor dóppler está midiendo siempre hay bajo él chapa en movimiento, eliminando así la incertidumbre introducida por los bordes. La longitud mínima que puede medirse queda determinada por la distancia entre las fotocélulas B1 y B2, es decir, el valor de la constante k2. El número de fotocélulas a emplear en una instalación dependerá de la precisión requerida para las longitudes máximas y de las características concretas del sensor doppler utilizado. Hay que tener en cuenta que aumentar el número de fotocélulas incrementa el coste y dificultad de la instalación y mantenimiento. IV. ARQUITECTURA DEL SISTEMA DE MEDIDA. La arquitectura del sistema de medida (Fig 3) está formada por tres niveles funcionales: sensorial, tiempo real y gestión, supervisión e interfaz. A. Nivel sensorial. El nivel sensorial está compuesto por el sensor láser doppler, que adquiere las medidas de velocidad de la chapa en movimiento, y por las fotocélulas de detección de chapa. B. Nivel de tiempo real. Este nivel va a realizar las tareas de tiempo real requeridas por el sistema siendo implementadas por un controlador específico independiente. De esta manera, quedan completamente separadas del resto de tareas que no son, exclusivamente, de tiempo real.

Fig 3: Arquitectura del sistema de medida.

En esencia estas tareas de tiempo real son: 1) Generar la señal de integración en función de las señales digitales de las fotocélulas y su evolución a lo largo del tiempo. 2) Determinar la fotocélula Bi correspondiente con la constante ki que, según el rango de longitud de la chapa, debe usarse para el cálculo de la longitud L. Un efecto que provoca error en la determinación del tiempo de integración, y por tanto en la longitud medida, es la diferencia de velocidad que pudiera llevar la chapa al comienzo y final del intervalo de integración por el retraso introducido desde la presencia/ausencia de la chapa hasta la generación de la señal correspondiente. El tiempo de respuesta tr para generar la señal de integración se debe básicamente al tiempo de respuesta de las fotocélulas trf y al tiempo de respuesta del controlador, trc.

t r≈t rf t rc

(2)

Siendo vdif la máxima diferencia de velocidad que puede darse entre los instantes de inicio y final del período de integración y limitando la incertidumbre de la medida, en unidades de longitud, a un valor Lγ el tiempo de respuesta tr ha de cumplir:

t r≤

L v dif

(3)

Otro efecto que puede producir error en el intervalo de integración es la diferencia de retraso entre el comienzo y el final de la integración. En el peor caso esta diferencia será el propio trc, y ocurrirá cuando el cambio en la señal de la fotocélula de inicio se produce justo antes del muestreo de su señal y justo después en la de final. Siendo vmax la máxima velocidad de la línea y permitiendo un error Lγ por este efecto, se tiene:

t rc≤

L v max

(4)

C. Nivel de gestión, supervisión e interfaz. En este nivel se implementarán todas las funciones requeridas para el control y obtención de la medida que no requieren un tiempo real estricto. El PC de control usado para realizar estas funciones está basado en una CPU y sistema operativo estándar por la facilidad de integración, flexibilidad y coste que tienen estos sistemas. Las funciones que realiza son las siguientes: • Acceso, vía TCP/IP, al sensor láser doppler para leer el valor numérico Li de la última longitud de chapa medida una vez finalizada la integración (durante el tiempo que no está integrando, el sensor mantiene activo este valor para que pueda realizarse su lectura). • Acceso, vía RS-485, al controlador para identificar la fotocélula Bi que determina la finalización de la integración. Esta fotocélula resuelve el valor ki que se aplicará en el cálculo de la longitud L de la chapa. • Cálculo de la longitud total L de la chapa según la ecuación (1) a partir de los valores Li y kii correspondientes. • Lectura de variables que informan del estado operativo del controlador y del sensor láser doppler. • Acceso a información del estado de la línea de corte (cintas transportadoras en movimiento, corte de alimentación eléctrica, etc.). • Función de pasarela con niveles superiores para la transferencia de información. Almacenamiento en Base de Datos de los datos relevantes para su trazabilidad. • Interfaz de usuario que permite: - Visualizar las medidas de las chapas. - Estado operativo del sistema. - Acciones de control sobre otros niveles. • Módulo especial de calibración para la obtención de los valores de las constantes ki. V. IMPLEMENTACIÓN. Basándonos en los requisitos del sistema respecto a la máxima longitud de chapa a medir y la precisión requerida, se ha implementado una solución particular del sistema genérico que sólo requiere dos fotocélulas de detección (n=2). A. Ubicación. El sensor láser doppler y las fotocélulas de detección de chapa (Fig 4) se encuentran instalados sobre unos soportes ajustables de manera que los sensores quedan posicionados perpendicularmente a la chapa y alineados según la línea de desplazamiento de las chapas a lo largo de las cintas transportadoras existentes tras la cizalla de la línea de corte (Fig 5).

Fig 4: Instalación de sensores en la línea de corte.

La altura de fijación de cada sensor respecto a la chapa se selecciona según el rango de medida dado por el fabricante dentro de sus especificaciones. B. Sensores de detección de chapa. Los sensores de detección de chapa usados en el sistema son fotocélulas láser de reflexión de alta precisión. Para la selección del tiempo de respuesta de las fotocélulas nos hemos basado en las ecuaciones (2) y (3). Considerando que la diferencia de velocidad de la chapa en los instantes de inicio y fin del período de integración no va a superar nunca el valor vdif = 166,67 mm/s (10 m/min) y limitando la incertidumbre a un valor máximo de Lγ = 0,1 mm el tiempo de respuesta de las fotocélulas ha de cumplir tr ≤ 300μs - trc. En nuestro caso se optó por unas fotocélulas con un tiempo de respuesta trf = 200μs. C. Controlador de tiempo real. Fijado el tiempo de respuesta de las fotocélulas (trf ≤ 200μs) también queda determinado el tiempo de respuesta del controlador de tiempo real trc. Según (2) y (4) se tiene que el tiempo de respuesta del controlador deberá ser inferior a trc = 100μs. Dado que el trc es bastante pequeño, por coste y flexibilidad se optó por un diseño basado en microcontrolador. En concreto, se ha usado una tarjeta comercial que integra el microcontrolador MC9S08SH32 basado en el microprocesador HCS08 de 8 bits con reloj interno de 20 Mhz. D. PC de control. El PC de control es el elemento fundamental para la integración del sistema de medida dentro del proceso de

producción de la factoría. Se trata de un chasis industrial con CPU estándar y sistema operativo basado en windows. Las principales tareas que realiza son: • Composición de la medida final L de las chapas mediante el acceso al microcontrolador y al sensor láser doppler. • Recopilación de información del estado del sistema de medida y de la línea de corte. • Recopilación de datos de producción (identificación de bobinas, divisiones, espesores, anchos, longitudes nominales, tolerancias, acabados, cliente, etc.). • Muestra al usuario de inspección de calidad: - Datos de la producción en curso. - Número de chapas cortadas y orden del corte. - Medidas de longitud de las chapas notificando si están o no dentro de los límites de tolerancia preestablecidos. - Estado actual de sistema de medida y línea de producción. • Control sobre el sistema de medida (detención del proceso de medida, restauración del sistema, etc.) y posibilidad de interactuar con la línea de producción (señal de alarma o detención del proceso de corte cuando se detecta una chapa fuera de tolerancia). • Permite la introducción de medidas manuales realizadas por el usuario de inspección para realizar un seguimiento de la precisión del sistema. • Asistencia durante el procedimiento de calibración del sistema y almacenamiento de las nuevas constantes. • Transferencia de información a niveles superiores almacenando en Base de Datos los datos necesarios para la trazabilidad de la producción.

E. Supervisión on-line, almacenamiento y análisis de datos. Las longitudes medidas por el sistema pueden ser supervisadas on-line por otros usuarios conectados a través de la red de área local de la factoría, Así mismo, los datos de las medidas realizadas por el sistema de medida son almacenados en una base de datos para consulta, generación de estadísticos y análisis. VI. RESULTADOS. Para verificar la precisión del sistema de medida se han comparado medidas manuales, realizadas mediante un flexómetro calibrado, y medidas realizadas por el sistema de medición tomando como muestras las chapas cortadas procedentes de una bobina. Sobre un total de 270 chapas medidas de longitud nominal 2504 mm y espesor nominal 3,2 mm se obtuvo un error medio de 0,20 mm, un error absoluto medio de 0,28 mm y una desviación típica de 0,507 mm. Durante un período de cinco meses se han estado almacenando las medidas reportadas por los operadores de inspección para realizar un estudio estadístico del comportamiento del sistema con chapas de diferentes longitudes y espesores nominales provenientes de bobinas con diferentes acabados superficiales. Los resultados se muestran en la TABLA I (agrupados por rangos de longitud nominal) y TABLA II (agrupados por rangos de espesores nominales) donde n representa el número de muestras obtenidas en cada intervalo. En la TABLA I se observa un incremento de la diferencia absoluta media, que puede ser causado por el error de la integración de las medidas de velocidad, ya que aumenta ligeramente con la longitud de la chapa medida. No obstante, no se aprecia diferencia considerable que justifique el uso de más fotocélulas. TABLA I ESTADÍSTICOS DE POBLACIÓN DE CHAPAS (grupos de longitudes nominales)

Fig 5: Integración del sistema.

Longitud Nominal (mm)

n

Diferencia Absoluta Media (mm)

Desviación Típica (mm)

[1500-2900]

449

1,07

1,22

[2900-3900]

197

1,31

1,54

[3900-4900]

17

1,58

0,71

[4900-6500]

17

1,58

1,69

Por otro lado, en la TABLA II se observa que la desviación de la medida aumenta con el espesor de la bobina. Este hecho puede deberse a un efecto que se ha observado en las chapas cortadas en las que conforme aumenta el espesor de la chapa el corte transversal de la cizalla se curva perdiendo su forma plana.

AGRADECIMIENTOS TABLA II ESTADÍSTICOS DE POBLACIÓN DE CHAPAS (rangos de espesores nominales) Espesor (mm)

n

Diferencia Absoluta Media (mm)

Desviación Típica (mm)

[0-3]

257

0,78

1,06

[4-7]

270

1,26

1,18

[8-10]

153

0,57

1,55

Como se muestra en la TABLA I y II se cumple con los requisitos del sistema respecto a la precisión en la longitud de chapa medida.

Nuestro agradecimiento desde el principio a Acerinox S.A. por haber apoyado esta investigación especialmente al Departamento de Sistemas de Información y Departamento Técnico por su inestimable ayuda. REFERENCIAS [1]

[2]

VII.

CONCLUSIONES

En este trabajo se ha presentado un sistema de medida sin contacto de longitud de chapas de acero para una línea de corte transversal que cumple con los requisitos propuestos. Se ha expuesto una solución general para la medida de la longitud compuesta por un sensor láser doppler y un número n de fotocélulas láser de detección de chapa. Según la longitud máxima a medir, esta solución permitiría mantener la precisión del sistema aumentando el número de fotocélulas. La arquitectura del sistema de medida se ha clasificado en tres niveles funcionales: un nivel sensorial, compuesto por un sensor láser dóppler que adquiere e integra las medidas de velocidad de las chapas y un número n fotocélulas para la detección de chapa, un segundo nivel de tiempo real, compuesto por un controlador que procesa las señales de las fotocélulas para generar la señal de integración de las medidas de velocidad del láser doppler, y un tercer nivel de gestión, supervisión e interfaz realizadas por un PC de control. Se ha implementado e integrado la arquitectura del sistema de medida en una línea de corte posibilitando la supervisión on-line, el almacenamiento y el acceso de datos históricos y estadísticos de longitudes de chapas medidas por el sistema a través de la red de área local de la factoría. En la actualidad, ha sido posible abordar el desarrollo de una herramienta informática para controlar la calidad dimensional de la producción a partir de lo datos almacenados por el sistema. Esta herramienta permite realizar una trazabilidad de las chapas (bobina origen de la chapa y caja de destino, cantidad de chapas en cada caja, valores estadísticos de longitudes de chapa por caja, … ,etc.).

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

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