ES2333695T3 - Metodo para controlar una cantidad de material suministrada durante una transferencia material. - Google Patents
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Abstract
Un método para controlar una cantidad de material suministrado durante una transferencia de material, que comprende las etapas de: aportar una cantidad deseada de un material a suministrar desde una posición de suministro hasta una posición deseada; caracterizado por: actualizar la cantidad deseada durante el suministro del material utilizando un algoritmo basado en un modelo predictivo; y actualizar dicho algoritmo basado en un modelo predictivo basado en datos de rendimiento de proceso utilizando un procedimiento de mínimos cuadrados recursivo, en el que dicho algoritmo basado en un modelo predictivo actualiza la cantidad deseada para igualar una cantidad suministrada más una cantidad sobrante prevista, en el que dicha cantidad sobrante prevista está definida por el siguiente modelo predictivo: K1 * Q + K2 * Q2 donde, K1 y K2 son parámetros de dicho modelo predictivo que son independientes del caudal de material, y Q es el caudal medido o calculado del material.
Description
Método para controlar una cantidad de material
suministrada durante una transferencia de material.
La presente invención se refiere a sistemas de
pesado y suministro, y de manera más específica a un método
mejorado para controlar la cantidad de material suministrado durante
una transferencia de material.
En muchos sistemas de pesado/mezclado de lotes,
los materiales son suministrados a un depósito de mezcla en una
secuencia y según cantidades determinadas en una receta o fórmula.
Con frecuencia, los materiales son suministrados al depósito de
mezcla a velocidades de suministro variables. En algunos sistemas,
la velocidad de suministro varía de menos de 0,45 kg/s (una libra
por segundo) a más de 136,1 kg/s (trescientas libras por segundo).
Independientemente de las velocidades de suministro, es deseable
suministrar la cantidad exacta de material al lote en el menor
tiempo posible. Esto supone utilizar velocidades máximas de
suministro durante el mayor tiempo posible y, a continuación, a
medida que la cantidad suministrada se aproxima a una cantidad
deseada, detener el suministro para obtener la cantidad deseada de
material sin reducir la velocidad de suministro del producto.
Durante el suministro del material, la lectura
de la báscula en cada momento es diferente de la cantidad real de
material suministrado o del peso final que se obtendría si se
detuviese o interrumpiese el suministro en dicho momento exacto. La
diferencia entre el peso final del lote y la lectura de la báscula
en la interrupción se denomina Sobrante. Por este motivo, no es
posible suministrar el material a velocidad máxima y luego detener
el suministro cuando la lectura de la báscula alcanza el peso
deseado para obtener la cantidad exacta de material deseada.
Un método habitual para solucionar este problema
utiliza un suministro de dos etapas que cambia a un suministro
lento y de goteo a medida que la lectura de la báscula alcanza un
porcentaje establecido (normalmente el 80-90%) de
la cantidad deseada. Variantes de este método utilizan suministros
de etapas múltiples o válvulas de regulación, pero todas presentan
el efecto de alargar la duración del suministro. Es posible mejorar
la precisión disminuyendo el caudal de goteo, con el inconveniente
de una mayor duración del suministro. Los agitadores del proceso
provocan un ruido considerable, que solamente puede ser reducido o
eliminado mediante un filtrado mecánico o electrónico, sacrificando
la duración del suministro para obtener una mayor precisión.
El documento EP 0533968 da a conocer un método y
un dispositivo para controlar dispositivos de llenado en balanzas
de medición diferencial. En las balanzas de medición de este tipo,
se dispone entre un depósito previo y un recipiente de suministro
un dispositivo de cierre para el llenado cíclico de dicho recipiente
de suministro, abriéndose dicho dispositivo en el caso de un
llenado mínimo predecible del recipiente de suministro y cerrándose
en el caso de un llenado máximo predecible. En una primera operación
de llenado y medición, se establece o predetermina una evolución
entre el peso y el tiempo como evolución de referencia, y se
almacena de modo que pueda ser invocada. Durante la operación de
pesado, la evolución del peso se determina de manera continua
durante la operación de llenado y medición, y se compara con la
evolución de referencia predeterminada. Si la evolución determinada
del peso difiere de la evolución de referencia en una cantidad
determinable, el dispositivo de cierre recibe una señal o
indicación de que ésta última es defectuosa.
Resulta necesario un método para cuantificar y
predecir la cantidad de sobrante que se producirá durante el
suministro de material. Asimismo, es necesario un método para
controlar mejor la cantidad de material suministrado durante una
transferencia de material, de acuerdo con una cantidad deseada.
Aunque la memoria descriptiva concluye con
reivindicaciones que delimitan especialmente y reivindican
distintivamente la presente invención, se cree que la presente
invención se comprenderá mejor a partir de la siguiente descripción
de las realizaciones preferidas, conjuntamente con los dibujos
acompañantes, en los cuales los números de referencia similares
identifican elementos similares y en donde:
la Figura 1 es un diagrama de bloques
esquemático de un dispositivo para controlar la cantidad de material
suministrado durante una transferencia de material;
la Figura 2 es un diagrama de bloques
esquemático de la lógica de control para determinar el punto de
interrupción del suministro de un material, pudiendo estar
incorporada dicha lógica de control en un controlador de
báscula;
la Figura 3 es un diagrama de flujo que muestra
un método para controlar la cantidad de material suministrado
durante una transferencia de material;
la Figura 4 es un diagrama de flujo que muestra
un método para controlar las cantidades y la duración de suministros
múltiples de material utilizando una técnica de suministro
superpuesto;
la Figura 5 es un ejemplo de un método para
determinar si al menos un parámetro de un algoritmo basado en un
modelo predictivo previo debe ser sustituido por al menos un nuevo
parámetro del algoritmo basado en un modelo predictivo, a efectos
de adaptar el algoritmo basado en un modelo predictivo;
la Figura 6 es una configuración del proceso a
título de ejemplo para un sistema de pesado/mezclado de lotes;
la Figura 7 es un diagrama que muestra una
secuencia habitual de suministros múltiples de material sin la
utilización de una técnica de suministro superpuesto como la de la
técnica anterior;
la Figura 8 es un diagrama que muestra una nueva
secuencia de suministros múltiples de material que utiliza una
técnica de suministro superpuesto como la descrita en la presente
invención; y
la Figura 9 es un diagrama que muestra los
cálculos de la técnica de suministro superpuesto.
La presente invención se refiere a un método
para controlar una cantidad de material suministrado durante una
transferencia de material según la reivindicación 1. En las
reivindicaciones dependientes se describen otras ventajas. Este
método incluye las etapas de aportar una cantidad deseada de
material a suministrar desde una posición de suministro hasta una
posición deseada, actualizar la cantidad deseada durante el
suministro del material utilizando un algoritmo basado en un modelo
predictivo, y actualizar el algoritmo basado en un modelo
predictivo basado en datos de rendimiento de proceso utilizando un
procedimiento de mínimos cuadrados recursivo. La presente invención
también hace referencia a un algoritmo de selección adaptativo que
se utiliza para determinar si al menos un parámetro del algoritmo
basado en un modelo predictivo previo debe ser sustituido por al
menos un nuevo parámetro del algoritmo basado en un modelo
predictivo, a efectos de adaptar el algoritmo basado en un modelo
predictivo en respuesta a un cambio del proceso.
La Fig. 1 representa una realización preferida
de un sistema 10 según la presente invención. El sistema 10 está
representado con un depósito de mezcla 11 y un depósito 12 de pesado
previo. Es posible utilizar cualquier número de depósitos de
mezclado y/o de pesado previo. Es posible utilizar materiales tales
como líquidos, polvos o gránulos, aunque de manera no limitativa.
Dichos materiales pueden ser suministrados y medidos en cada
depósito 11, 12 mediante válvulas, tales como las válvulas
13-15. Es posible utilizar cualquier tipo de
válvula, tal como una válvula de mariposa, aunque de manera no
limitativa. Es posible medir el material contenido en cada depósito
11, 12 mediante la utilización de células 16 de carga. Es posible
utilizar cualquier tipo de célula de carga, tal como las
comercializadas por Mettler Toledo, aunque de manera no limitativa.
El sistema 10 incorpora además un controlador de báscula 17 que está
conectado a un controlador 18 de lógica programable (PLC, por sus
siglas en inglés). El controlador de báscula transmite información
sobre el suministro de material, tal como el peso 19 del material,
la velocidad 20 de suministro del material y una señal 21 de
interrupción al PLC 18. El controlador 17 de báscula y el PLC 18
trabajan conjuntamente con un controlador 22 de salida de válvula
para determinar el instante adecuado para cerrar las válvulas y
permitir el suministro de material a efectos de obtener la cantidad
deseada de material a suministrar. Aunque se describen una báscula
de célula de carga y un controlador de báscula, un experto en la
materia entenderá que es posible la utilización de sistemas de
medición y/o controladores alternativos, incluidos, aunque de manera
no limitativa, sistemas de báscula de pesado previo, caudalímetros,
cintas transportadoras pesadoras y/o combinaciones de los mismos.
Una interfaz 23 de operario permite a un técnico acceder al sistema
10 para crear informes o llevar a cabo otras funciones relacionadas
con dicho sistema.
Haciendo referencia a la Fig. 2, se muestra un
diagrama de bloques esquemático de la lógica de control para
determinar el punto de interrupción de un material suministrado.
Esta lógica de control puede estar incorporada en el controlador 17
de báscula. Los datos de entrada procedentes de la célula 16 de
carga pueden ser filtrados por un filtro 30 a efectos de reducir
ruidos, tal como el ruido provocado por los agitadores en el
interior del depósito 11 de mezcla. Mediante la utilización de los
datos de entrada filtrados, el peso 19 y la velocidad 20 de
suministro del material son transmitidos al PLC 18, tal como se
muestra en la Fig. 1. Una cantidad 33 deseada de control,
introducida en el PLC 18, se compara con el peso 19 en el bloque 34
de decisión, a efectos de determinar el punto de interrupción para
cerrar las válvulas de suministro del material. En el bloque 35 se
utilizan parámetros lógicos para facilitar la indicación del momento
en el que se cierran las válvulas, aunque es posible utilizar otros
métodos lógicos de control.
Haciendo referencia a la Fig. 3, se utiliza un
diagrama de flujo que muestra un método para controlar la cantidad
de material suministrado durante una transferencia de material. En
las Figs. 3 y 4 se utilizan símbolos de diagrama de flujo estándar,
con bloques rectangulares para representar la ejecución de una
etapa, tal como el inicio del suministro o la lectura del peso del
material, y bloques con forma de diamante para representar una
decisión tomada por el sistema 10 y/o el componente. Una letra
rodeada por un círculo situada a la derecha del diagrama de flujo
representa un punto de salida que vuelve a entrar al diagrama en la
misma letra rodeada por un círculo situada a la izquierda de dicho
diagrama de flujo. Este método empieza en el bloque de inicio 40.
El peso de báscula (PB) inicial se mide en el bloque 42. En el
bloque 44, el peso deseado (PD) se ajusta para que sea igual a PB +
el peso de fórmula (PF), siendo PF el peso deseado del material a
suministrar. En el bloque 46, la válvula 13 se abre para permitir
el suministro del material principal. En el bloque 48, se lee y
posteriormente se filtra el peso de báscula actual, tal como se
muestra en la Fig. 2, obteniéndose el peso de báscula filtrado (P).
El caudal (Q) del material se calcula como Q = (W - W_{último})/(t
- t_{último}), siendo t la duración del suministro y siendo
W_{último} y t_{último} valores similares para las lecturas
previas. Esta etapa se lleva a cabo en el bloque 50. El sobrante
previsto (SP) se define y calcula en el bloque 52 mediante el
siguiente modelo predictivo: SP = K_{1} * Q + K_{2} *
Q^{2}, donde K_{1} y K_{2} son parámetros del modelo
predictivo y son independientes del caudal de material, y Q es el
caudal medido o calculado del material mencionado anteriormente. El
peso final previsto (PFP) se define y calcula como PFP = P + SP en
el bloque 54. En el bloque de decisión 56, si PFP es menor que PD,
el método sale por la letra "A" rodeada por un círculo situada
a la derecha y entra nuevamente al diagrama de flujo en la letra
"A" rodeada por un círculo situada a la izquierda, en caso
contrario, el método continua hacia el bloque 58. En el bloque 58,
la válvula 13 y similares se cierran o interrumpen a efectos de
detener el suministro del material. En el bloque 60 se permite que
pase un período de tiempo suficiente (por ejemplo, de 1 a 3
segundos) para que la báscula se estabilice. El peso final (PF) del
material se mide en el bloque 62. En el bloque 64 se define y
calcula el error de suministro (E) como E = PF - PD. En el bloque 66
se define y calcula el sobrante real (S) como S = sobrante previsto
en el punto de interrupción (SP_{c}) + E. En el bloque 68 los
parámetros K_{1} y K_{2} del modelo predictivo, se actualizan
mediante el nuevo punto (Q, S), siendo Q igual al caudal de
material en el punto de interrupción y siendo S el sobrante real.
Este método finaliza en el bloque final 70.
La teoría de la fórmula de sobrante previsto
mencionada anteriormente reconoce los efectos de los siguientes
cuatro componentes (a-d), que contribuyen a crear
discrepancias entre la lectura de la báscula en cualquier momento
determinado y el peso de báscula final que se obtendría si el
suministro se detuviese en ese momento, es decir, si la válvula
recibiese la orden de cerrarse en ese momento exacto, denominado
momento de "interrupción":
- a.
- Material en suspensión: una parte del material que ha pasado a través de la válvula puede seguir en "caída libre" y no haber alcanzado todavía la mezcla.
- b.
- Fuerza de deceleración: necesaria una fuerza para detener el material que cae en la mezcla. Esta fuerza dinámica se suma a la lectura de la báscula hasta que el flujo de material se ha detenido.
- c.
- Desfase báscula/filtro: durante el suministro, la lectura de la báscula en cualquier momento puede quedar "desfasada" con respecto al peso real en dicha báscula cuando se aplica un filtrado para atenuar las vibraciones debidas a los agitadores o a otros componentes del proceso. Independientemente del tipo de filtrado (mecánico, electrónico o digital), la discrepancia o desfase del peso de la báscula aumentará a medida que aumenta el caudal. Un mayor filtrado para obtener una mayor suavidad también aumenta el desfase.
- d.
- Paso a través de la válvula: Las válvulas no pueden cerrarse de manera instantánea. Cierta cantidad de material pasa a través de la válvula mientras la misma se cierra.
\vskip1.000000\baselineskip
Esta discrepancia entre la lectura del peso
medido en el punto de interrupción y el peso final del material en
el depósito de mezcla después de que el proceso se "estabiliza"
se denomina sobrante, que se define de manera precisa como:
Sobrante = peso final del lote-lectura de la báscula
en la interrupción. Mediante la utilización de este principio, se
ha derivado una aplicación práctica en un modelo predictivo de SP =
K_{1} * Q + K_{2} * Q^{2}, donde Q es el caudal medido o
calculado del material y K_{1}, K_{2} son parámetros del modelo
predictivo que son independientes del caudal Q de material.
Haciendo referencia al modelo predictivo de SP =
K_{1} * Q + K_{2} * Q^{2} mencionado anteriormente,
cuando la velocidad hacia abajo inicial del material suministrado es
igual a cero o independiente del caudal, se utilizan los siguientes
valores:
K_{1} = T_{f}
+ K_{V} -
v_{0}/32,2
K_{2} =
0
donde,
T_{f} es una constante de tiempo de compuesto
de filtro,
K_{V} es un factor de paso a través de la
válvula igual a 100 y
v_{0} es la velocidad inicial hacia abajo del
material.
\newpage
Cuando la velocidad inicial hacia abajo del
material es proporcional al caudal, se utilizan los siguientes
valores:
K_{1} = T_{f}
+
K_{V},
T_{f} es una constante de tiempo de compuesto
de filtro,
K_{V} es un factor de paso a través de la
válvula igual a 101
y
K_{2} = -
1/(32,2 * \rho *
A_{V}),
\rho es la densidad del material, y
A_{V} es el área de sección transversal de una
válvula u otro conducto a través del cual el material se desplaza
desde la posición de suministro hasta la posición deseada.
\vskip1.000000\baselineskip
Haciendo referencia a la Fig. 4, se utiliza un
diagrama de flujo que muestra un método para controlar las
cantidades y la duración de suministros múltiples de material
utilizando una técnica de suministro solapado. Este método empieza
en el bloque de inicio 80. El peso de báscula (PB) inicial se mide
en el bloque 82. En el bloque 84, el peso deseado (PD) se ajusta
para que sea igual a PB + el peso de fórmula (PF), siendo PF el
peso deseado del material a suministrar. En el bloque 86 se añade a
PD el peso de cada suministro o resto solapado pesado previamente.
En el bloque 88 se calcula el tiempo de retraso T_{tr}, del
suministro del material principal, al que también se hace
referencia como inicio de suministro principal. Todos los
suministros o restos solapados pesados previamente se inician en el
bloque 90. En el bloque 92 se espera a que el tiempo de retraso
T_{tr}, expire, antes del inicio del suministro de material
principal en el bloque 94. En el bloque 96, este método espera a
que todos los suministros o restos solapados pesados previamente se
completen. El peso deseado (PD) se ajusta según cualquier error de
peso en los suministros o restos solapados pesados previamente. A
continuación, el método pasa al bloque 98, en el que se mide el peso
de báscula actual, se filtra y se le da un valor (P). En el bloque
100, se calcula el caudal (Q) del material como Q = (P -
P_{último})/(t - t_{último}), donde t es la duración del
suministro y P_{último} y t_{último} son valores similares para
las lecturas previas. El sobrante previsto (SP) se define y calcula
en el bloque 102 mediante el siguiente modelo predictivo: SP =
K_{1} * Q + K_{2} * Q^{2}, donde K_{1} y K_{2} son
parámetros del modelo predictivo y son independientes del caudal de
material, y Q es el caudal medido o calculado del material
mencionado anteriormente. El peso final previsto (PFP) se define y
calcula como PFP = P + SP en el bloque 104. En el bloque de
decisión 106, si PFP es menor que PD, el método sale por la letra
"B" rodeada por un círculo situada a la derecha y entra
nuevamente al diagrama de flujo en la letra "B" rodeada por un
círculo situada a la izquierda, en caso contrario, el método
continua hacia el bloque 108. En el bloque 108, la válvula 13 y
similares se cierran o interrumpen a efectos de detener el
suministro del material. En el bloque 110 se permite que pase un
periodo de tiempo suficiente (por ejemplo, de 1 a 3 segundos) para
que la báscula se estabilice. El peso final (PF) del material se
mide en el bloque 112. En el bloque 114 se define y calcula el error
de suministro (E) como E = PF - PD. En el bloque 116 se define y
calcula el sobrante real (S) como S = sobrante previsto en el punto
de interrupción (SP_{i}) + E. En el bloque 118 los parámetros
K_{1} y K_{2} del modelo predictivo se actualizan mediante el
nuevo punto (Q, S), siendo Q igual al caudal de material en el punto
de interrupción y siendo S el sobrante real. Este método finaliza
en el bloque final 120.
\vskip1.000000\baselineskip
Los parámetros K_{1} y K_{2} del modelo
predictivo son independientes del caudal Q, pero pueden cambiar
lentamente debido a cambios en las características del proceso o del
material, tales como una variación en las válvulas u otras
incidencias en el proceso. Después de cada suministro de material,
se utiliza la siguiente rutina y estrategia para determinar si un
nuevo punto (por ejemplo, caudal de interrupción, sobrante real) es
válido para actualizar el modelo predictivo. Haciendo referencia a
la Fig. 5, se define un sistema de coordenadas 130 para mostrar los
valores de una variable dependiente con respecto a los valores de al
menos una variable independiente. La variable dependiente está
relacionada con la variable independiente mediante una función
matemática que está definida por un modelo predictivo, tal como se
ha explicado anteriormente. A continuación, se define un área de
referencia cerrada 132 en el sistema de coordenadas 130. El área de
referencia cerrada 132 tiene un punto central fijo 140 situado en
valores de las variables dependiente e independiente que se basan
en los valores de los datos de suministro de material aceptables
predeterminados, estableciéndose inicialmente las dimensiones del
área de referencia cerrada basándose en los valores de los datos de
suministro de material aceptables predeterminados. Estas
dimensiones y el punto central 140 están sujetos a un ajuste basado
en normas utilizando los datos de rendimiento del proceso. A
continuación, se define un número finito de áreas de selección
cerradas 134, 136 más pequeñas sucesivamente (se utilizan dos áreas
en el ejemplo de la Fig. 5, aunque es posible utilizar cualquier
número de áreas) en el sistema de coordenadas 130. Cada una de las
áreas de selección cerradas 134, 136 tiene un punto central 138
situado en valores de las variables dependiente e independiente que
se basan en los valores promedio actuales de dichas variables
dependiente e independiente calculados a partir de los datos de
rendimiento del proceso. Las dimensiones de las áreas de selección
cerradas 134, 136 están definidas por múltiplos fraccionarios más
pequeños sucesivamente de las dimensiones del área de referencia
cerrada. A continuación, se define al menos una norma de decisión
mediante la que es posible utilizar un nuevo punto específico (tal
como los ejemplos 141, 142, 143 y 144 de la Fig. 5) que tiene los
valores de las variables dependiente e independiente derivados de
los datos de rendimiento del proceso para seleccionar una norma
específica mediante la que se modificará el modelo predictivo. La
selección depende de cuál de las áreas 132, 134, 136 contiene el
punto. Si el nuevo punto 141 está contenido en el área de selección
136 más pequeña y en el área de referencia cerrada 132, se
actualiza al menos un parámetro del modelo predictivo. Si el nuevo
punto 142 está contenido en el área de selección 134 más grande y
en el área de referencia cerrada 132 pero no en el área de
selección 136 más pequeña, se pone a cero al menos un parámetro del
modelo predictivo. Si el nuevo punto 143 está contenido en el área
de referencia cerrada 132 pero no en cualquiera de dichas áreas de
selección 134, 136, no se realiza ningún cambio en ningún parámetro
del modelo predictivo en la primera incidencia en dicha zona. Si el
nuevo punto 144 está fuera del área de referencia cerrada 132, no se
realiza ningún cambio en ningún parámetro del modelo
predictivo.
Esta rutina o método se inicia automáticamente
por el hecho de que los valores iniciales de los parámetros del
algoritmo basado en un modelo predictivo se establecen
automáticamente a partir de los datos del primer suministro de
material. Asimismo, dicha rutina o método se corrige automáticamente
por el hecho de que los parámetros del algoritmo basado en un
modelo predictivo se ponen a cero cuando se detectan características
modificadas del proceso o del material que cumplen criterios
especificados.
\vskip1.000000\baselineskip
Los parámetros independientes K_{1} y K_{2}
del modelo predictivo se utilizan y mantienen para cada material
diferente de la secuencia de lotes. Los parámetros K_{1} y K_{2}
del modelo predictivo se actualizan o ponen a cero después de cada
suministro de material según el proceso de selección descrito
anteriormente. Las ecuaciones utilizadas para llevar a cabo esta
actualización o puesta a cero se derivan utilizando un método
matemático convencional denominado de "mínimos cuadrados
recursivo" que, para una secuencia de puntos, minimiza la suma
del cuadrado de la desviación entre el punto real y la estimación
del punto obtenida mediante el modelo predictivo. Cada punto
consiste en el flujo de interrupción Q como variable
independiente y en el sobrante real S como variable
dependiente. Después de que ha finalizado el suministro de material,
el nuevo punto (Q, S) se utiliza en las siguientes
ecuaciones para actualizar o poner a cero los parámetros K_{1} y
K_{2} del modelo predictivo y los parámetros adicionales,
definidos a continuación, que se utilizan en dicho modelo
predictivo.
Establecer que (Q_{i}, S_{i}),
donde Q_{i} = Flujo de interrupción y S_{i}
= Sobrante real, representa el nuevo punto.
Utilizar un punto inicial (es decir, a partir
del primer suministro del material) o uno que se utilizará para
poner a cero el modelo predictivo, (Q_{0},
S_{0}).
\vskip1.000000\baselineskip
Definir cinco parámetros adicionales necesarios
para el modelo de la siguiente manera:
- A =
- Flujo promedio
- AA =
- Sobrante promedio
- B =
- (Flujo)^{2} promedio
- BB =
- (Flujo \cdot Sobrante) promedio
- C =
- (Flujo)^{3} promedio.
\vskip1.000000\baselineskip
A continuación, el modelo predictivo de SP =
K_{1} * Q + K_{2} * Q^{2} mencionado anteriormente se
actualiza o pone a cero según las siguientes ecuaciones:
\newpage
Para cada nuevo punto (Q_{i},
S_{i}), donde Q_{i} = Flujo de interrupción y
S_{i} = Sobrante real:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
De este modo,
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
A_{0} = Q_{0} (Flujo
promedio)
B_{0} = Q_{0}_{-}
C_{0} = Q_{0}^{3}_{-}
AA_{0} = S_{0} (Sobrante
promedio)
BB_{0} =
Q_{0}^{.}S_{0}
\newpage
De este modo,
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
En las ecuaciones anteriores, \beta es un
factor de ponderación que tiene un valor entre 0 y 1. Los
valores más pequeños de \beta permiten obtener una mayor
ponderación con respecto a puntos previos. Un valor de
\beta=0,17, which weights the 25º punto más reciente en 0,01 y el
50º punto más reciente en 0,0001, se ha utilizado de manera eficaz
en diversas aplicaciones del presente método.
\vskip1.000000\baselineskip
Existen multitud de diseños de procesos para
sistemas de fabricación de lotes, teniendo todos ellos sus ventajas
específicas. Uno de los sistemas más sencillos consiste en una
arquitectura de depósitos múltiples. Los depósitos están
dimensionados para suministrar materiales con la precisión
necesaria. Esto también permite aumentar la producción de
operaciones paralelas. Dichos depósitos están montados en
dispositivos de pesado de célula de carga, y el movimiento del
material se controla controlando cambios en el peso. De manera
general, solamente es posible controlar un único movimiento de
material a la vez en cada depósito.
Haciendo referencia a la Fig. 6, el presente
ejemplo de configuración 160 de proceso de pesado/mezclado de lotes
tiene dos depósitos 162, 164 de pesado previo que soportan un
depósito principal 166 en el que se produce el producto final. Esta
configuración permite procesar los materiales intermedios en los
depósitos 162, 164 de pesado previo dispuestos en la parte superior
y suministrarlos al depósito principal 166 dispuesto en la parte
inferior cuando es necesario. Aunque en la Fig. 6 se representa un
sistema que tiene dos depósitos de pesado previo, un experto en la
materia entenderá que es posible utilizar sistemas y/o controladores
de medición alternativos, que incluyen, aunque de manera no
limitativa, caudalímetros, cintas transportadoras pesadoras y/o
combinaciones de los mismos.
\vskip1.000000\baselineskip
Durante la fabricación de un producto, cada
depósito pasa por su ciclo de fórmula e interactúa con los otros
depósitos, tal como se muestra en el diagrama de actividad habitual
de la Fig. 7. En este ejemplo, los materiales A, B y C se
suministran a los depósitos de pesado previo en paralelo a las
actividades que se llevan a cabo en el depósito principal. Cuando
el depósito principal está listo para recibir los materiales
intermedios pesados previamente, los mismos son transferidos a
dicho depósito principal, suspendiéndose todas las demás
actividades en el depósito principal. Este método de fabricación de
lotes suministra un producto de calidad a un ritmo eficaz. No
obstante, a medida que aumenta la necesidad de obtener más cantidad
de producto, la incorporación de sistemas de fabricación
adicionales o el aumento en el número de horas de fabricación
mediante horas extra o más turnos de trabajo son opciones
habituales.
\vskip1.000000\baselineskip
A efectos de reducir la duración del ciclo de
los lotes, y por lo tanto aumentar la producción, la presente
invención suministra el material utilizando un sistema de célula de
carga al mismo tiempo que un material intermedio es transferido
desde un pesado previo. Este método aumenta significativamente la
producción de un proceso existente sin realizar modificaciones
físicas. La disminución en la duración del ciclo depende de varios
factores, cada sistema debe ser evaluado para determinar su
potencial. Tal como se muestra en el diagrama de actividad de
suministro solapado de la Fig. 8, los restos pesados previamente se
coordinan con el suministro de material, de modo que ambos se
añaden al depósito principal al mismo tiempo. A efectos de que el
sistema funcione y de obtener un suministro preciso del material
principal, el suministro del pesado previo finaliza antes de que
finalice el suministro del material.
Esta técnica de suministro solapado funciona
manteniendo la información sobre el rendimiento de la mayor parte
de los aspectos del proceso. Esta información, que incluye los
caudales de material, los tamaños de los depósitos y los tiempos de
vaciado, se actualiza de manera constante a medida que el proceso se
utiliza. De este modo, dicha información se utiliza para realizar
las predicciones necesarias a efectos de llevar a cabo el suministro
solapado descrito en el diagrama de tiempo de la Fig. 9. Haciendo
referencia a la Fig. 9, se describen las siguientes
definiciones:
- ^{T}_{bm}
- Es un tiempo de "banda muerta" en el que pueden entrar los pesados previos sin provocar ningún problema en el suministro de material. Este tiempo puede ser configurado por un ingeniero, y se establece normalmente en 5 segundos.
- ^{T}_{tr}
- Es el tiempo calculado de retraso del material principal mientras se produce el suministro del pesado previo, de modo que se cumple el (^{T}_{ma} + ^{T}_{bm}) requerido.
- ^{T}_{ma}
- Es el tiempo en el que el suministro de material debe llevarse a cabo de manera única, sin que entre ningún material pesado previamente en el depósito principal. Si algún suministro pesado previamente interfiere con dicho tiempo de suministro único, se interrumpirá el suministro de material. Este tiempo puede ser configurado por un ingeniero, y se establece normalmente en 15 segundos.
- ^{T}_{sm}
- Es el tiempo previsto de duración del suministro del material al depósito principal.
- ^{T}_{sol}
- Es el tiempo de solapamiento en el que el pesado previo y el material serán suministrados al depósito principal.
- ^{T}_{pw1}
- Es el tiempo previsto más largo que cualquier pesado o pesados previos seleccionados tardarán en suministrar el contenido al depósito principal.
\vskip1.000000\baselineskip
- ^{M}_{real}
- Es el caudal real del suministro del material al depósito que lo contiene. Es un dato en tiempo real y se actualiza cada segundo.
- ^{M}_{prom}
- Es la velocidad de suministro promedio del material. Se actualiza al final de cada utilización de dicho material.
- ^{M}_{etc.}
- Es el número de segundos previsto que tardará en finalizar el suministro del material. Cuando la transferencia está en progreso, se desarrolla utilizando datos del proceso en tiempo real.
- ^{M}_{sp}
- Es la cantidad de material que se añadirá durante la operación de solapamiento.
- ^{PP}_{real}
- Es el caudal real del suministro al que el pesado previo suministra su material al depósito que lo contiene. Es un dato en tiempo real y se actualiza cada segundo.
- ^{PP}_{prom}
- Es el promedio de caudal histórico al que el pesado previo suministra su material al depósito que lo contiene. Se actualiza al final de cada transferencia del pesado previo.
- ^{PP}_{etc.}
- Es el número de segundos previsto que tardará en finalizar el suministro del material pesado previamente. Cuando la transferencia está en progreso, se desarrolla utilizando datos del proceso en tiempo real.
- ^{PP}_{ma}
- Es la masa prevista del suministro del pesado previo al depósito que lo contiene. Se determina en el momento en el que el depósito que lo contiene ordena el suministro del material pesado previamente.
\vskip1.000000\baselineskip
Durante el suministro solapado, existen
numerosas comprobaciones del proceso para reducir la posibilidad de
que se produzca cualquier alteración en dicho proceso. A
continuación se describen las etapas y la secuencia en la que se
llevan a cabo al realizar un suministro solapado:
- 1.
- El sistema espera hasta que todos los pesados previos solicitados han finalizado toda actividad y están listos para transferir el material al depósito principal.
- 2.
- Se evalúan los pesados previos y se determina cuál tendrá el mayor ^{T}_{pwl}, mediante la fórmula: ^{PP}_{ma} / ^{PP}_{prom}
- 3.
- Se calcula el tiempo de suministro del material mediante la fórmula: ^{T}_{sm} = ^{M}_{sp} / ^{M}_{prom}
- 4.
- Se determina la cantidad prevista de material en el depósito principal mediante la combinación de todas las cantidades de pesado previo previstas, ^{PP}_{ma}, y la referencia de los suministros de material, ^{M}_{sp}, para un total.
- 5.
- Se calcula el tiempo de retraso del inicio del suministro del material utilizando el mayor, ^{T}_{ppl}, como: ^{T}_{tr} = (^{T}_{ppl} - ^{T}_{sm} + ^{T}_{bm} + ^{T}_{ma}) no siendo ^{T}_{tr} nunca inferior a cero.
- 6.
- Se ordena el inicio de la transferencia a todos los pesados previos solicitados.
\newpage
- 7.
- Cuando se ha iniciado la transferencia de todos los pesados previos, y se ha cumplido ^{T}_{tr}, empieza el suministro del material.
- 8.
- Se controla el tiempo de suministro único, ^{T}_{ma}, para asegurar que ninguna transferencia de pesado previo violará el ^{T}_{ma} de los materiales, utilizando el siguiente método:
Basándose en los resultados de esta comparación,
sucederá una de las siguientes cosas:
- a.
- Si no se viola el tiempo de suministro único, finalizará la transferencia de los pesados previos. El suministro del material finalizará, y al final del mismo todos los datos del sistema, que incluyen, aunque de manera no limitativa, información procedente de los suministros medidos de manera independiente, se actualizarán para reflejar el funcionamiento actual del proceso.
- b.
- Si se viola el tiempo de suministro único, ocurre lo siguiente:
- 1.
- Se detiene el suministro.
- 2.
- Finaliza la transferencia de los pesados previos y se actualizan sus datos de proceso.
- 3.
- Se determina el déficit de peso del suministro del material y se informa al operario de dicho déficit, de modo que sea posible llevar a cabo medidas correctoras.
- 4.
- Se evita la utilización del siguiente material en un suministro solapado, de modo que sea posible recoger datos precisos del sistema.
- 5.
- Se reinicia la actividad de solapamiento normal después de haber recogido los datos precisos.
\vskip1.000000\baselineskip
La presente invención puede ser implementada,
por ejemplo, haciendo que un sistema informático ejecute una
secuencia de instrucciones legibles por máquina. Estas instrucciones
pueden estar incluidas en varios tipos de medios portadores de
señales, tales como una unidad de disco duro o una memoria
principal. A este respecto, otro aspecto de la presente invención
hace referencia a un programa, que comprende medios portadores de
señales que incluyen un programa de instrucciones legibles por
máquina, ejecutables mediante un procesador de datos digital, tal
como un procesador central (CPU), a efectos de llevar a cabo las
etapas del método. Las instrucciones legibles por máquina pueden
comprender cualquiera de varios lenguajes de programación conocidos
en la técnica (por ejemplo, Visual Basic, C, C++, etc.).
Se entenderá que la presente invención puede ser
implementada en cualquier tipo de sistema informático. Un tipo
aceptable de sistema informático comprende un procesador principal o
central (CPU) conectado a una memoria principal (por ejemplo, una
memoria de acceso aleatorio [RAM]), un adaptador de pantalla, un
adaptador de almacenamiento auxiliar y un adaptador de red. Estos
componentes del sistema pueden estar interconectados mediante la
utilización de un bus de sistema.
Por ejemplo, la CPU puede ser un procesador
Pentium, fabricado por Intel Corporation. No obstante, se entenderá
que la presente invención no se limita a un procesador específico, y
que dicha invención puede utilizar cualquier otro tipo de
procesador, tal como un coprocesador o un procesador auxiliar. Es
posible utilizar un adaptador de almacenamiento auxiliar para
conectar dispositivos de almacenamiento masivo (tales como una
unidad de disco duro) a un sistema informático. No es necesario que
la totalidad del programa resida simultáneamente en el sistema
informático. De hecho, este último escenario se produciría
probablemente si el sistema informático fuese una red de
ordenadores y, por lo tanto, dependiese de un mecanismo de
transporte bajo pedido para acceder a mecanismos o partes de
mecanismos que residen en un servidor. Es posible utilizar un
adaptador de pantalla para conectar directamente un dispositivo de
pantalla al sistema informático. Es posible utilizar un adaptador
de red para conectar el sistema informático a otros sistemas
informáticos.
Es importante destacar que aunque la presente
invención se ha descrito en el contexto de un sistema informático
totalmente funcional, los expertos en la materia entenderán que los
mecanismos de la presente invención pueden estar distribuidos como
un programa en varias formas, y que la presente invención se aplica
de la misma manera independientemente del tipo específico de medio
portador de señales utilizado para llevar a cabo la distribución.
Ejemplos de medios portadores de señales incluyen: medios de tipo
grabable, tales como discos flexibles, unidades de disco duro y CD
ROM, y medios de tipo de transmisión, tales como enlaces de
comunicaciones digitales y analógicas e inalámbricos.
Claims (20)
1. Un método para controlar una cantidad de
material suministrado durante una transferencia de material, que
comprende las etapas de:
aportar una cantidad deseada de un material a
suministrar desde una posición de suministro hasta una posición
deseada; caracterizado por:
actualizar la cantidad deseada durante el
suministro del material utilizando un algoritmo basado en un modelo
predictivo; y
actualizar dicho algoritmo basado en un modelo
predictivo basado en datos de rendimiento de proceso utilizando
un procedimiento de mínimos cuadrados
recursivo,
en el que dicho algoritmo basado en un modelo
predictivo actualiza la cantidad deseada para igualar una cantidad
suministrada más una cantidad sobrante prevista, en el que dicha
cantidad sobrante prevista está definida por el siguiente modelo
predictivo:
K_{1} * Q +
K_{2} *
Q^{2}
donde,
K_{1} y K_{2} son parámetros de dicho modelo
predictivo que son independientes del caudal de material, y
Q es el caudal medido o calculado del
material.
2. El método de la reivindicación 1, en el que
la velocidad hacia abajo inicial del material es igual a cero o
independiente del caudal, de modo que:
K_{1} = T_{f}
+ K_{V} -
v_{0}/32,2
K_{2} =
0
donde,
T_{f} es una constante de tiempo compuesto de
filtro,
K_{V} es un factor de paso a través de la
válvula igual a
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
y v_{0} es la velocidad hacia
abajo inicial del
material.
3. El método de la reivindicación 1, en el que
la velocidad hacia abajo inicial del material es proporcional al
caudal, de modo que:
K_{1} = T_{f}
+
K_{V},
en el
que:
T_{f} es una constante de tiempo compuesto de
filtro,
\newpage
K_{V} es un factor de paso a través de la
válvula igual a
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
y K_{2} = - 1/(32,2 * \rho
*A_{V}),
en el que \rho es la densidad del material,
y
A_{V} es un área de sección transversal de una
válvula u otro conducto a través del cual el material se desplaza
desde la posición de suministro hasta la posición deseada.
4. El método de la reivindicación 1, en el que
dicha K_{1} y dicha K_{2} se actualizan a partir de los datos
de rendimiento del proceso utilizando dicho procedimiento de mínimos
cuadrados recursivo.
5. El método de la reivindicación 1, en el que
se utiliza un algoritmo de selección adaptativo para determinar si
al menos un parámetro del algoritmo basado en un modelo predictivo
previo debería ser sustituido por al menos un nuevo parámetro del
algoritmo basado en un modelo predictivo a fin de adaptar el
algoritmo basado en un modelo predictivo en respuesta a un cambio
del proceso, basándose dicha determinación en los datos de
rendimiento del proceso.
6. El método de la reivindicación 5, en el que
dicho algoritmo de selección adaptativo comprende las etapas
de:
definir un sistema de coordenadas para mostrar
los valores de una variable dependiente con respecto a los valores
de al menos una variable independiente, estando relacionada dicha
variable dependiente con dicha variable independiente mediante una
función matemática que define un modelo predictivo;
definir un área de referencia cerrada en dicho
sistema de coordenadas, teniendo dicha área de referencia cerrada
un punto central fijo situado en valores de dichas variables
dependiente e independiente que se basan en los valores de los
datos de suministro de material aceptables predeterminados, en el
que las dimensiones de dicha área de referencia cerrada se
establecen inicialmente basándose en los valores de los datos de
suministro de material aceptables predeterminados, en el que dichas
dimensiones y dicho punto central están sujetos a un ajuste basado
en normas utilizando los datos de rendimiento del proceso;
definir un número finito de áreas de selección
cerradas más pequeñas sucesivamente en dicho sistema de coordenadas,
teniendo cada una de dichas áreas de selección cerradas un punto
central situado en valores de dichas variables dependiente e
independiente que se basan en los valores promedio actuales de
dichas variables dependiente e independiente calculados a partir de
los datos de rendimiento del proceso, en el que las dimensiones de
dichas áreas de selección cerradas están definidas por múltiplos
fraccionarios más pequeños sucesivamente de dichas dimensiones del
área de referencia cerrada;
definir al menos una norma de decisión mediante
la que es posible utilizar un nuevo punto específico que tiene los
valores de dichas variables dependiente e independiente derivados de
los datos de rendimiento del proceso para seleccionar una norma
específica mediante la que se modificará dicho modelo predictivo,
dependiendo dicha selección de cuál de dichas áreas contiene dicho
punto.
7. El método de la reivindicación 6, que
comprende además las etapas de:
definir dos de dichas áreas de selección
cerradas y cuatro de dichas normas de decisión de la siguiente
manera:
- \quad
- si dicho nuevo punto está contenido en el área de selección más pequeña y en dicha área de referencia cerrada, actualizar dichos parámetros del modelo predictivo,
- \quad
- o si dicho nuevo punto está contenido en la más grande de dichas áreas de selección y en dicha área de referencia cerrada pero no en dicha área de selección más pequeña, poner a cero los parámetros del modelo predictivo,
- \quad
- o si dicho nuevo punto está contenido en dicha área de referencia cerrada pero no en cualquiera de dichas áreas de selección, no realizar ningún cambio en dichos parámetros del modelo predictivo en la primera incidencia en dicha zona,
- \quad
- de otro modo, poner a cero dichos parámetros del modelo predictivo, de otro modo, si el nuevo punto está fuera de dicha área de referencia cerrada, no realizar ningún cambio en dichos parámetros del modelo predictivo.
\vskip1.000000\baselineskip
8. El método de la reivindicación 6, en el que
dicha variable dependiente es una cantidad sobrante real.
9. El método de la reivindicación 6, en el que
el número de dichas variables independientes es igual a uno y dicha
variable independiente es el caudal de interrupción de dicho
material.
10. El método de la reivindicación 6, en el que
dicho número de áreas de selección cerradas es 2.
11. El método de la reivindicación 6, en el que
dicho número de áreas de selección cerradas es 3.
12. El método de la reivindicación 1, en el que
dicho método se inicia automáticamente por el hecho de que los
valores iniciales de dichos parámetros del algoritmo basado en un
modelo predictivo se establecen automáticamente a partir de los
datos del primer suministro de material.
13. El método de la reivindicación 1, en el que
dicho método se corrige automáticamente por el hecho de que dichos
parámetros del algoritmo basado en un modelo predictivo se ponen a
cero cuando se detectan características modificadas del proceso o
del material que cumplen criterios especificados.
14. El método de la reivindicación 1, en el que
dicho Q es igual al caudal máximo medido o calculado del
material.
15. El método de la reivindicación 1, en el que
dichas etapas están contenidas en un medio legible por
ordenador.
16. El método de la reivindicación 1, en el que
dichas etapas están contenidas en un dispositivo de control
digital.
17. El método de la reivindicación 1, en el que
dichas etapas están contenidas en una señal de datos informáticos
incluida en una onda portadora.
18. El método de la reivindicación 1, en el que
se mantiene un caudal único de suministro de material hasta un
instante en el que el suministro de material se interrumpe
totalmente.
19. El método de la reivindicación 18, en el que
el caudal único de suministro de material se establece en su máximo
nivel.
20. El método de la reivindicación 18, en el que
dicho método utiliza un algoritmo basado en un modelo predictivo y
un algoritmo adaptativo, donde dicho algoritmo adaptativo actualiza
al menos un parámetro del algoritmo basado en un modelo
predictivo.
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