¿Qué significa precisión en la guía de la banda?

¿Qué significa precisión en la guía de la banda? Esta es una pregunta que se suele formular con frecuencia a los proveedores de estos sistemas. No es fácil dar respuesta a este interrogante, dado que depende de muchos factores relacionados tanto con la guía de la banda, como con la banda misma, y la correspondiente instalación. Si bien el proveedor de la guía de la banda controla los factores aplicables a dicha guía, los factores que se aplican a la instalación son controlados por el usuario o por el fabricante del equipo. Por su parte, los factores aplicables a la banda están bajo el control del usuario y/o del proveedor de la banda.

A la exactitud se le puede definir como la diferencia entre la posición deseada y real de la banda en el sensor de la banda, bien sea en un momento dado o como un valor promedio a lo largo de un período de tiempo extendido. Esta posición en el sensor se conoce también como error siguiente. En el resto de este artículo, la exactitud se referirá a lo relacionado con el error siguiente en el sensor.

¿Dónde se mide la exactitud? Esta se mide en el borde de la banda, en el sensor.

El desplazamiento de la banda en el sensor puede ser causado por variaciones en el proceso, así como por los empalmes, la colocación del rollo en el eje para el desbobinado, el estado en que se encuentre el borde de banda y la desviación de la banda. Esta última puede ser el resultado de un enrollado deficiente, de variaciones en las propiedades del material tales como calibre y densidad, así como de variaciones en el proceso, desalineación de los elementos del equipo de proceso, "banda muerta" o movimiento de la estructura de transporte de la banda.

El desplazamiento de la banda puede ocasionar dos tipos de errores: continuos o transitorios. Los continuos son los tipos de error relacionados con cero velocidad, tales como un cambio de paso en un empalme. Los de transición, por su parte, son errores relacionados con la velocidad, sea ésta constante o variable. El error se aleja del punto de guía deseado a una determinada velocidad. El sensor detecta el movimiento de la banda como un desplazamiento en relación con punto de guía.

Con el fin de minimizar el error de la banda en el sensor, el proveedor de guías debe diseñarlas de modo que éstas se caractericen por una estructura rígida y una holgura mínima o nula en los componentes mecánicos del sistema de control. Esta holgura puede producirse por muchas razones, entre ellas los espacios mecánicos presentes en el montaje del actuador, el espacio axial en los cojinetes de los rodillos y la deflexión mecánica de la estructura de la guía. Tanto el sensor como el controlador están diseñados para detectar el borde de la banda y ofrecerle al actuador una alta ganancia y una señal amplia del ancho de la banda.

El control que se suele utilizar en las guías de las bandas es el sistema de control proporcional de bucle cerrado denominado tipo 1. El bucle de control está compuesto por la banda, el sensor, el controlador y un actuador/guía. Cada uno de estos elementos cumple una función muy importante en el sistema general.

El sensor detecta el error en la banda y produce un signo al controlador. El controlador produce el signo de corrección al actuador/guía. El actuador/guía provee la corrección en la velocidad de la banda en la dirección opuesta al error.

La magnitud de la velocidad de la corrección es proporcional a la magnitud del error de la banda en el sensor. La  Figura 1 ilustra un sistema de control de bucle cerrado tipo 1.

La salida del sistema de guía (velocidad de corrección) relativa a su entrada es la ganancia o sensibilidad del sistema. La respuesta del sistema es la característica de este último para reaccionar rápidamente a un cambio de error y poder manejar los errores en diferentes frecuencias.

La ganancia o sensibilidad es la salida dividida por la entrada. La ganancia del bucle abierto del sistema en general es el resultado de la ganancia de cada componente del sistema de control. La mayoría de las ganancias de los componentes de un sistema son fijos, pero una de ellas es variable. Si K1 es la ganancia del sensor, la entrada corresponde al desplazamiento del error medido en relación con el punto de guía; la salida del sensor es una corriente o voltaje. K2 es la ganancia del controlador, la entrada es la señal de corriente o voltaje y la salida puede ser un voltaje. El controlador tiene la capacidad de variar la salida, por lo cual su ganancia es variable. El propósito de que sea variable es ajustar la ganancia para compensar tanto la holgura como otros componentes no ideales del bucle de control. K3 es la ganancia del actuador, la entrada puede ser voltaje o corriente y la salida es la velocidad lineal. El proveedor de guías de banda diseña cada componente de manera que ofrezca una óptima ganancia al sistema completo.

Por consiguiente, la ganancia del sistema de bucle abierto sería:
KS = K1 x K2 x K3 = ma/pulg x voltios/mA x pulgadas por seg/voltios

= pulgadas/seg/pulg = xx/segundo (conocido como xx inverso de los segundos).

En la práctica, la ganancia del bucle abierto en general puede variar desde un valor muy bajo (4/segundos o menos) hasta uno alto (40/segundos o superior). Mientras mayor sea la ganancia del sistema en general, mayor será la exactitud (y menor también el error siguiente) en el sensor. Conociendo cuál es la ganancia del sistema en general, la precisión o el error siguiente en el sensor se pueden terminar dividiendo la velocidad del error por la ganancia del sistema. Por ejemplo, si la ganancia del sistema es de 20 inverso de los segundos (20/segundos) y la tasa de error lateral es de 0,5 pulgada por segundo, la precisión será de 0,025 pulgadas. Si la ganancia del sistema se aumenta a 40 inverso de los segundos, la exactitud será entonces de 0,0125 pulgadas.

Si se presenta una holgura en las conexiones mecánicas, dicha holgura se agrega a la exactitud. La holgura en el sistema de control produce un efecto desestabilizador. Un sistema con holgura no se puede operar a una ganancia tan alta como la de un sistema sin holgura. Entonces, la holgura debería minimizarse o ser eliminada del sistema de control. En equipos bien construidos sin holguras, las tasas de error lateral son muy lentas y, por lo tanto, la precisión puede ser excelente. Por ejemplo, a una tasa de error lateral de 1 pulgada por segundo y un sistema de ganancia de 40 inverso de los segundos, la precisión será de 0.0025". La  Figura 2 ilustra la comparación entre la precisión y la velocidad del error correspondiente a un sistema de baja ganancia con holgura. Por su parte, la  Figura 3 ilustra la relación entre exactitud y velocidad de error correspondiente a un sistema de alta ganancia sin holgura.

El diseño del sistema de la guía de la banda debe incluir una cantidad suficiente de impulso y velocidad para corregir el error que detecte el sensor. El diseñador de las guías de la banda debe, pues, diseñar el equipo para que el impulso, velocidad y magnitud de la corrección tengan magnitudes superiores que los niveles de impulso, velocidad y error esperados. Es importante recordar que un error en la banda cambia la dirección de avance de dicha banda. Así pues, el sistema debe contar con un impulso suficiente como para acelerar la masa de la guía de la banda a la velocidad del error y luego detener dicha masa y acelerarla a una velocidad en dirección contraria cuando el error de la banda cambie de sentido. Debido a esto el sistema debe tener un ancho de banda (respuesta del sistema) mayor a la frecuencia máxima de error esperada. Un estimado de la respuesta del sistema es la ganancia del bucle abierto dividido por 2 Pi. Por consiguiente, un sistema con capacidad de 40 inverso de los segundos debe tener un ancho de banda de aproximadamente 6,4 Hertz. El sistema corregirá frecuencias de error comprendidas entre 0 y 6,4 Hertz. Un sistema de control típico requiere 4 constantes de tiempo para corregir el 98% de una entrada de paso (empalme). Un sistema de respuesta estándar ofrecerá un tiempo de respuesta de aproximadamente 150 milisegundos y un sistema de respuesta alto ofrecerá un tiempo de respuesta de entre 80 y 100 milisegundos.

No es suficiente con oir de un proveedor de guías de banda que la precisión que ofrece su sistema es de 0,005". Lo que está afirmando en realidad es que, en condiciones ideales de su laboratorio, donde dicho proveedor puede controlar todos los factores que inciden en el sistema, pudo lograr una exactitud de 0,005" a una velocidad de error y ganancia determinadas. En el campo, sin embargo, es posible que la exactitud que se logre sea completamente diferente, debido a los múltiples factores sobre los cuales el proveedor no tiene ningún control y a las condiciones reales, no ideales, tanto de la banda como el proceso.

Así las cosas, ¿cómo se contestaría la pregunta de en qué consiste la exactitud en la guía de la banda? El proveedor de guías de banda sabe cuáles son las ganancias de todos los componentes de su sistema de guías y el tiempo de respuesta correspondiente. Por tanto, puede recomendar ciertas pautas de instalación para que la estructura de soporte sea rígida y la instalación sea la indicada. Sin embargo, el proveedor depende de las características de la banda que controla el usuario de la guía. Sabiendo esto, pues, el proveedor de guías de banda puede pronosticar que la precisión de su sistema tendrá un cierto valor correspondiente a una ganancia del sistema y a una velocidad de error determinadas, es decir que, a una ganancia del sistema de 40 inverso de los segundos y una velocidad de error de 0,1 pulgadas por segundo, la precisión en el sensor será de 0,0025".

Cuando un comprador de guías de banda adquiere una guía, debe considerar cuidadosamente cuáles son los requisitos de sus aplicaciones ¿Qué precisión es la requerida? ¿Qué ahorros se obtendrían al adquirir una guía de banda con mayor capacidad de ganancia, mejor tiempo de respuesta y menor holgura de una guía de banda de la competencia? Al poder trabajar con bandas más angostas en el proceso el comprador de la guía de la banda puede ahorrar miles de dólares en materiales. Cuando se adquiere una guía de banda de alta calidad un gasto ligeramente superior al principio puede dar como resultado grandes ahorros a lo largo de la vida útil de la guía.

El presente artículo fue publicado originalmente por la revista "Converting", publicación de Reed Business Information - Estados Unidos, división de Reed Elsevier, Inc.