Surfin’ Inspección superficial en línea y en caliente de productos largos siderúrgicos

Autor(es):

J.A. Gutiérrez - Tecnalia
A. Cruz-López - Tecnalia
A. Lago - Tecnalia
A. Bilbao - Tecnalia
R. González - Tecnalia

SURFIN’ es un sistema patentado (Pat.10382359.7-2204) para el análisis de la calidad superficial de productos siderúrgicos en caliente (1000ºC) mediante tecnología de iluminaciones especiales, filtrados ópticos, procesamiento de imagen y sistemas de aprendizaje automático. El sistema es capaz de detectar los defectos en las primeras fases del proceso de fabricación cuando la pieza está incandescente. El equipo SURFIN detecta y clasifica automáticamente, marcas de rodillo, grietas y otros defectos superficiales en productos como barras, tubos, palanquillas, planchones o beam blanks.

Artículo:

La iluminación es un arma fundamental en las aplicaciones de Visión Artificial Industrial. Se controla la luz que se emplea, la iluminación del entorno y en su caso la emisión del objeto a inspeccionar,  de esta manera se pueden apreciar características superficiales del elemento a estudio, color, textura, acabado… En ocasiones la energía emitida por el propio objeto es mayor que la reflejada, por ejemplo cuando el objeto está incandescente. En estos casos se hace difícil apreciar las características superficiales del objeto. Sin embargo, el sistema SURFIN’ propone un método que permite filtrar las componentes correspondientes a la emisión por radiación por temperatura y poder así obtener las propiedades superficiales. Esta técnica permite obtener imágenes como si el material estuviera frío. El sistema trabaja con un sistema de iluminación especial láser (y otras) muy alejada de la radiación emitida por el metal caliente y un doble esquema de filtrado óptico.

Por otra parte el sistema SURFIN` incluye una aplicación a medida de gestión y detección cuyo motor es un módulo de  análisis de características de imágenes (texturas, tamaños...) y un clasificador  de defectos basado en Inteligencia Artificial. Este módulo utiliza modelos de máquinas de soporte vectorial (SVM). Las condiciones industriales de la línea de laminación ocasionan que la superficie del producto a inspeccionar habitualmente no esté limpia. Esto hace que aparezcan gran cantidad de manchas y marcas que resultan difíciles de diferenciar de los auténticos defectos superficiales. Asimismo en función del tipo de material (colada, espesor, diámetro) el aspecto superficial del producto puede sufrir grandes variaciones, a las que el sistema de inspección necesita adaptarse de modo automático.

El equipo SURFIN ha sido diseñado para poder trabajar en condiciones industriales muy agresivas y variables. En el caso del sector siderúrgico esto supone por una parte unas condiciones industriales muy exigentes como muy alta temperatura, proceso rápido, presencia de vapor de agua y aceite, suciedad…. Por otra parte, cada línea de producción es diferente, uno de los aspectos clave del éxito del sistema SURFIN es su flexibilidad para adaptarse a las necesidades específicas de cada cliente. Esta flexibilidad ha supuesto que el equipo haya evolucionando incorporando gran número de mejoras propuestas por los usuarios y su conocimiento del entorno.

El primer sistema SURFIN fue instalado en las instalaciones de Tubos Reunidos en el año 2007, para la inspección superficial en caliente de tubos de acero sin soldadura. El sistema consta de un pórtico de inspección con tres carcasas a 180º, cada una de las cuales contiene las cámaras, iluminación y los dispositivos ópticos y electrónicos necesarios. Las imágenes y datos se envían por fibra óptica a un ordenador situado en la sala de control, en el que se lleva a cabo el procesamiento para la detección e identificación de defectos.

Durante el desarrollo de la primera versión se detectaron distintos problemas (ópticos, mecánicos, de refrigeración y de limpieza) que dieron lugar a un rediseño y mejora del sistema. La experiencia adquirida condujo a importantes mejoras en la instalación de SURFIN 2.0 en el tren de laminación de Aceros Inoxidables Olarra, que lleva a cabo la inspección en caliente de barra de alambrón. Este segundo sistema fue instalado en octubre de 2011. Algunas de las mejoras de la versión 2.0 del sistema son:

• Estructura mecánica más compacta que permite un alineamiento mucho más rápido y sencillo de los elementos ópticos, así como mantener su estabilidad en el tiempo. Así se han conseguido imágenes de gran calidad.
• Sistema de refrigeración por agua, que permite la colocación de los sensores e iluminación más cerca del producto a inspeccionar, o bien que este sea más masivo o más largo, pase más lentamente o con mas alta continuidad (tiempo entre elementos menor o cero).
• Mejoras en el software: interface de usuario más flexible y con más información, base de datos más grande, mayor capacidad multiusuario y de gestión remota.

Futuro

Una de las solicitudes que se han abordado en la nueva versión que se está desarrollando para el acabado final de Tubos Reunidos  es el procesamiento en tiempo real hasta una velocidad de elemento de 10 m/s de la captación, obtención de características de imagen y la clasificación con estrategia SVM del total de la producción.  Esto implica captar y procesar  36.000 líneas/s, de 2048 pix/línea x 8 bits/pixel x 3 (o 4 ) cámaras. Esto nos da un throughput de procesamiento de alto nivel de 216 MB /seg. Ante este volumen se han planteado distintas estrategias que se están aplicando en las nuevas versiones, entre ellos un procesamiento modular que permite ejecutar los hilos de la aplicación en varias máquinas.

Otro aspecto i es la garantía de correcta detección (calibración/verificación) Si bien en la parte SW es sencillo usando imágenes pregrabadas, en la parte de captación esto incluye importantes desafíos, ya que simular los defectos en un patrón que pueda presentarse al sistema es complejo en condiciones reales.

Además se está trabajando también en: visualización en tiempo real, nuevas aproximaciones para el clasificador inteligente, otras refrigeraciones activas y nuevos sistemas de limpieza, entre ellos un planteamiento basado en nano - estructuras auto - limpiables.

Conclusión:

Los sistemas de Visión Artificial industrial cada vez están implantados en entornos mas complejos y hostiles, en concreto el sistema SURFIN’ hace posible la detección de defectos superficiales (grietas, marcas, roturas…) durante el propio proceso de fabricación en caliente. La detección temprana de los defectos supone importantes ventajas:

1. Se reduce el coste de fabricación de los productos al disminuir los rechazos por este tipo de defectos y las operaciones de repaso necesarias para el material afectado. Buena parte de las reclamaciones de calidad son de defectos superficiales, y este sistema los previene y evita que  lleguen al cliente final.
2. Se evita aplicar labores de valor añadido a materiales defectuosos, con el consiguiente desperdicio de esfuerzo, material y tiempo de máquina. Por ejemplo en una de las instalaciones, antes de introducir el sistema SURFIN, los defectos se detectaban mediante una inspección visual ya enfrío, lo que suponía hasta 70 Tm de material defectuoso (50.000€) que seguía pasando por costosos procesos de producción.
3. Se facilita el mantenimiento preventivo. La presencia de ciertos defectos advierte de fallos en el proceso, como el deterioro de las cajas de laminación, que pueden ser solventados con antelación en paradas programadas y no cuando finalmente se produce una rotura, lo que ocasiona graves inconvenientes.
4. Se aumenta la utilización de la línea, al ser necesario un menor número de paradas para investigar y solventar las causas de los defectos encontrados en frío con posterioridad.
5. Se ahorra energía, ya que hay tratar y procesar una cantidad menor de material para la cumplimentación de los pedidos.
6. El sistema permite mejorar el conocimiento de la empresa de su propio proceso productivo. No siempre se conocen con detalle muchos de los defectos que pueden aparecer durante la laminación en caliente (si el efecto posterior). Con este conocimiento es posible buscar la causa de cada clase de defecto y establecer un plan de actuación para modificar los parámetros de fabricación en cada caso.

Por todo esto el sistema SURFIN’ permite un aumento de la competitividad a través de herramientas tecnológicas basadas en Visión Artificial en buena parte soportadas con productos National Instruments.

Información del Autor:

J.A. Gutiérrez
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