Controlo de tensão em malha aberta vs malha fechada

Malha aberta ou malha fechada é a decisão que determina se a sua linha mantém a tensão definida ou apenas o binário definido. A malha aberta comanda um binário e assume que a banda obedece. A malha fechada mede a banda e corrige o binário até a força estar certa. Custo, escolha do sensor, tempo de comissionamento e a dose de afinação de malha que a sua equipa de manutenção aceita tolerar decorrem todas dessa única diferença.

A maioria dos compradores assume que a malha fechada é simplesmente melhor e passa à frente. Habitualmente é, mas nem sempre, e as excepções são caras. Este artigo aborda as duas arquitecturas, as duas formas de a malha aberta seguir o diâmetro da bobina, o que um sensor mede realmente, quando a malha fechada tem desempenho pior e como decidir.

A diferença numa frase

A malha aberta controla a causa. A malha fechada controla o resultado.

Num posto em malha aberta, o controlador envia corrente para um travão ou uma embraiagem e fica por aí; nada mede a banda. Num posto em malha fechada, uma célula de carga mede a banda, o controlador compara essa leitura com o valor de consigna e a corrente é ajustada para fechar o desvio. Ambas continuam a obedecer à mesma equação:

T (N·m) = F (N) × R (m)

Binário igual a força da banda vezes raio da bobina. A malha aberta calcula T a partir de uma estimativa de R e espera que corra bem. A malha fechada continua a alterar T até F estar correcto, seja qual for o valor de R.

O que a malha aberta controla afinal

Um posto de desbobinagem ou de rebobinagem em malha aberta é uma fonte de binário com correcção de diâmetro. Na desbobinagem, um travão de pó magnético retém a bobina mãe, obrigando a banda a ser puxada sob carga. Na rebobinagem, uma embraiagem de pó magnético puxa a banda para o núcleo. Em ambos os casos o binário segue a corrente da bobina de forma quase linear, e é precisamente por isso que os dispositivos de pó são tão adequados ao serviço em malha aberta.

A malha aberta lida bem com marcha estabilizada. O que não consegue é ver uma perturbação: uma emenda a passar, uma bobina mãe com um lado duro e outro mole, um rolamento a começar a arrastar, um ponto de pressão a escorregar. Nada numa malha aberta sabe que isso aconteceu, pelo que a tensão deriva em silêncio.

Os dois métodos de compensação de diâmetro

A malha aberta só funciona se o controlador conhecer R. Há duas formas de o fornecer.

Método 1 — medir o raio. Um sensor de distância ultrassónico ou laser apontado à superfície da bobina indica directamente o raio restante. Sem qualquer sensor adicional também é possível deduzi-lo: medindo a velocidade da bobina e a velocidade da linha, calcula-se R = V ÷ (2πn), em que V é a velocidade da linha em m/min e n é a velocidade da bobina em rev/min. Ambas as abordagens seguem o raio real de forma contínua e auto-corrigem-se quando as condições mudam.

Método 2 — acumular espessura. Parte-se do diâmetro do núcleo e somam-se duas espessuras de material por rotação. Só precisa de um sensor de proximidade e da introdução da espessura, pelo que é a opção mais económica e a menos exacta. Uma bobina enrolada nunca é a soma das suas espessuras: o ar arrastado, a compressibilidade e a variação de espessura fazem com que o diâmetro real seja maior do que o calculado. Papel, não-tecido e têxtil são os piores casos. O erro acumula-se a cada volta, pelo que o binário está mais errado exactamente onde a bobina é maior e um erro de tensão custa mais material.

Regra prática: se o seu material é compressível, ou se uma bobina demora mais de cerca de vinte minutos a formar-se, meça o raio em vez de acumular espessura.

O que um sensor de malha fechada mede realmente

Acrescentar um sensor não lhe dá automaticamente uma leitura de tensão fidedigna. Uma célula de carga sob um rolo de medição lê a resultante de dois ramos de banda mais tudo o resto que actua nesse rolo:

F_sensor = 2 × T × sin(θ ÷ 2) + componente do peso do rolo + arrasto dos rolamentos

θ é o ângulo de abraçamento. A 180° a célula vê 2T, a 90° vê 1.41T e a 30° apenas 0.52T. Um ângulo de abraçamento pequeno faz mais do que reduzir o sinal — amplifica todos os outros erros, porque a contribuição da banda cai enquanto o peso do rolo e o arrasto se mantêm. Use o maior ângulo de abraçamento que o traçado permita e tare sempre o peso do rolo antes de calibrar.

O termo do arrasto dos rolamentos explica por que razão um rolo livre encravado pode esconder-se dentro de uma malha que parece saudável: o controlador mantém fielmente um número que já não é tensão de banda. A arquitectura do sensor conta aqui. Os sensores de tensão de bloco de apoio suportam a bobina em ambas as extremidades, uma célula de carga de tensão em consola adapta-se a bandas estreitas e a trocas rápidas de bobina, e um sensor de tensão de banda de veio passante transforma um rolo dedicado no elemento de medição onde o espaço é escasso.

Quando a malha fechada tem pior desempenho do que a malha aberta

É esta a parte que a maioria dos guias de selecção omite.

• Gama de sensor sobredimensionada. Uma célula com capacidade várias vezes superior à força de trabalho coloca o sinal nos primeiros poucos por cento da sua gama; o ruído domina e a malha persegue o ruído — modulando o travão e imprimindo um padrão visível na bobina. Uma malha aberta com atenuação bem definida é mais suave do que isso.
• Sensor demasiado afastado da perturbação. Cada metro de troço livre entre o sensor e o actuador acrescenta complacência e atraso. Baixa-se então o ganho e obtém-se uma malha lenta, ou sobe-se e obtém-se oscilação. Mudar o sensor de sítio resolve mais do que reafiná-lo.
• Aceleração rápida. Uma célula de carga não consegue separar a tensão da banda da força necessária para acelerar o rolo de medição. Durante uma rampa agressiva a leitura salta e uma malha rígida reage a uma perturbação que não está na banda. A solução passa pela limitação da taxa de rampa ou pelo avanço de aceleração.
• Medir uma zona morta. Se o sensor estiver a jusante de um ponto de pressão que já fixa a tensão, a malha não tem autoridade aí. Vai accionar o travão durante muito tempo sem alterar o número.

Nos quatro casos, a resposta honesta não é um controlador melhor. É um sensor reposicionado, um sensor redimensionado ou uma rampa mais lenta.

O que a malha fechada lhe custa

Item	Malha aberta	Malha fechada
Hardware	Controlador mais actuador	Acrescenta um a dois sensores, suportes e cablagem
Comissionamento	Apenas configuração da atenuação	Zero e span, tara, cálculo do ângulo de abraçamento, afinação da malha
Competência necessária	Qualquer electricista competente	Alguém capaz de afinar uma malha
Modos de falha	O binário deriva com o diâmetro	Deriva do sensor, ruído, oscilação, avarias de cabos
Melhor aplicação	Papel, cartão, bandas tolerantes, linhas lentas	Película, folha, elétrodo de lítio, alta velocidade

O retorno sai do refugo e das rejeições em rebobinagem: estime a sua taxa actual de rejeição menos a esperada, multiplicada pelo volume anual e pelo custo de material por unidade. Se isso não cobrir o custo instalado em um ano, mantenha-se na malha aberta. Um controlador de tensão de banda automático completo trata o seguimento de diâmetro, a atenuação e múltiplas zonas, enquanto um controlador de tensão compacto cobre um único posto de banda estreita por menos.

Como decidir: lista de verificação em cinco pontos

1. O material é fino, elástico ou dispendioso? Em caso afirmativo, avance para malha fechada.
2. Existe já um rolo com grande ângulo de abraçamento perto da perturbação? Se não existe, corrija primeiro o percurso da banda.
3. Consegue obter um sinal de raio fiável? Se não, a malha aberta vai derivar.
4. A linha arranca e para com frequência? Então use malha fechada com limitação de rampa.
5. Quem vai afinar a malha depois do comissionamento? Se a resposta é ninguém, escolha malha aberta com boa atenuação.

Perguntas frequentes

P: Um dançarino é malha aberta ou malha fechada? Nem uma nem outra, em rigor. Um dançarino mede posição, não força, pelo que constitui uma terceira arquitectura: mantém um braço mecânico de armazenamento a meio curso e infere a tensão da pressão de ar ou da regulação de peso. Os dançarinos absorvem perturbações curtas melhor do que qualquer das duas e são comuns em desbobinagens com emendas.

P: Preciso de sensores na desbobinagem e na rebobinagem? Só se ambas as zonas exigirem controlo apertado. Muitas linhas correm a rebobinagem em malha fechada — onde a qualidade da bobina é avaliada — com a desbobinagem em malha aberta, e esse é um compromisso perfeitamente válido.

P: Posso evoluir de malha aberta para malha fechada mais tarde? Sim, e é um caminho de modernização frequente. Precisa de um rolo convertível em rolo de medição, de espaço para o sensor e de um controlador com entrada de sensor. Confirme ambos antes de comprar o actuador.

P: Por que razão a minha malha fechada oscila a baixa tensão? Normalmente por uma de três causas: a gama do sensor está muito acima da sua força de trabalho, o ângulo de abraçamento é demasiado pequeno ou o ganho está definido para um produto mais pesado. Verifique gama e geometria antes de mexer no ganho.

Conclusão

Malha aberta ou malha fechada é uma troca entre um binário que consegue prever e uma força que consegue verificar. A malha aberta é mais económica, mais simples e honestamente adequada a materiais tolerantes e regimes estabilizados — desde que o diâmetro seja medido e não estimado. A malha fechada é a resposta certa para películas, folhas, elétrodos de bateria e linhas de alta velocidade, mas apenas quando o sensor está correctamente dimensionado, bem posicionado e sujeito a uma rampa que consiga acompanhar.

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