DE10122322A1 - Verfahren zur Führung eines Stahlverarbeitungsprozesses, insbesondere eines Warmwalzprozesses - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Führung eines Stahlverarbeitungsprozesses, insbesondere eines Warmwalzprozesses, in dem die Automatisierungs-, Regelungs- und Steuerungsvorgänge hierarchischen Ebenen zugeordnet werden, wobei die einzelnen Automatisierungs-, Regelungs- und Steuerungsvorgänge des Stahlverarbeitungsprozesses in einer gemeinsamen ersten Ebene (TechLevel) zusammengefaßt werden, in dem die Prozeßautomatisierung, die Basisautomatisierung und die Antriebsregelung erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Führung eines Stahlverarbeitungs­ prozesses, insbesondere eines Warmwalzprozesses, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist allgemein bekannt, daß in der Stahlindustrie, insbesondere der Stahl­ verarbeitungsindustrie, die klassische Prozesssteuerungsstruktur in der Regel hauptsächlich aus mehr oder weniger autonomen Ebenen (Level 0 bis Level 4) besteht. Die Ebene Level 4 bezieht sich auf das Management (Produktionsplanung) und die Ebene Level 3 auf die Produktionskoordination, wie beispielsweise Materialverfolgung, Terminplanung und Qualitätskontrolle. In der Ebene Level 2 findet die Prozeßautomatisierung statt. Hier wird der techno­ logische Prozeß in Modellen abgebildet, die beispielsweise eine möglichst optimale Stichplanberechnung und eine möglichst genaue Voreinstellung (Setup) der Anlage erlauben. Hierbei handelt es meistens um relativ komplizierte physikalische Modelle mit einem Adaptionsalgorithmus, der diese Modelle anhand von Meßdaten an die Realität anpaßt. Eine besondere Aufgabe des Level 2 in vielen Automatisierungssystemen ist die Berechnung der statischen Regelstreckenverstärkungsfaktoren (control gains), die von dem Level 1, z. B. für Störgrößenaufschaltungen (feedforward controls), benötigt werden. Die Ebene Level 1 beinhaltet die Basisautomatisierung mit allen Basissteuerungen- und technologischen Steuerungen und Regelkreisen sowie der Visualisierung. Zu den Basisregelkreisen zählen beispielsweise Positions-, Kraft- und Geschwin­ digkeitsregelungen. Als technologische Regelungen bezeichnet man diejenigen, welche die Einhaltung der geforderten Produktqualitätsparamter (z. B. Dicke, Querprofil, Planheit) sicherstellen. In der Ebene Level 0 sind die Antriebssysteme und die Antriebsregelung angesiedelt.

Die Produktqualität, beispielsweise die Planheit gewalzter Bänder, jeder Stahl­ verarbeitungsstufe wird bestimmt durch die Parameter des als Vormaterial eingesetzten Bandes, durch den Funktionszustand der Werkzeuge, beispiels­ weise der Walzen, und durch die technologischen Bedingungen, wie Walzge­ schwindigkeit, Zug, Umformgrad und Temperaturverteilung über die Breite des Bandes bei diesem Teilprozeß. Die vorbeschriebene klassische Prozess­ steuerungsstruktur mit den Ebenen Level 0 bis Level 4 berücksichtigt nicht die Zusammenhänge zwischen den einzelnen Stahlverarbeitungsstufen.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Leistungsfähigkeit zukünftiger Automatisierungslösungen in der Stahlindustrie zu optimieren und die Produktqualität für den Endkunden zu erhöhen. Ziel der gesamten Verarbeitungskette ist die Erreichung eines optimalen Endproduktes mit bester Qualität und minimalen Kosten. Auch müssen die Ergebnisse der Zwischenstufen ebenfalls bestimmte Kosten- und Qualitätskriterien erfüllen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Führung eines Stahlverarbei­ tungsprozesses, insbesondere eines Warmwalzprozesses, mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 5 angegeben.

Erfindungsgemäß wird durch das Verfahren zur Führung eines Stahlverar­ beitungsprozesses eine neue übergreifende hierarchische Steuer- und Re­ gelungsstruktur bereitgestellt. Diese Struktur berücksichtigt die Zusammenhänge zwischen den Stahlverarbeitungstufen und zielt auf eine Erreichung eines optimalen Endproduktes durch eine hierarchische Optimierung des gesamten Prozesses.

Erfindungsgemäß wird durch die neu eingeführte gemeinsame hierarchische Ebene, genannt TechLevel, in dem einzelne Automatisierungs-, Regelungs- und Steuerungsvorgänge des Stahlverarbeitungsprozesses zusammengefaßt werden, die bestehende Trennung zwischen den Ebenen (Level 0, Level 1 und Level 2) aufgehoben. Die Prozeßautomatisierung, Basisautomatisierung und Antriebsregelung finden somit ein einer Ebene statt. Diese Zusammenführung eignet sich bevorzugt für einen Stahlverarbeitungsprozess, insbesondere einen Walzprozeß, da hier ein komplexes Mehrgrößensystem mit strengen Kopplungen besteht, wobei der Informationsfluß zwischen den einzelnen Ebenen bisher durch die mehreren Ebenen erschwert wird. Vorteilhafterweise wird durch die Zusammenfassung dieser einzelnen Ebenen zu dem TechLevel erreicht, daß diese neue Art der Prozeßführung mit dem heutigen Trend der Automatisierung in der Stahlindustrie in Richtung von Komplettsystemen einhergeht. Seit einigen Jahren versuchen viele Anlagenbauer mit mehr oder weniger Erfolg, komplette Automatisierungssysteme einschließlich der Antriebsregelung anzubieten.

Auch bietet die Automatisierungshardware immer schnellere Rechengeschwin­ digkeiten, so daß der gesamte TechLevel auf einer einzigen Hardware laufen kann und es nicht mehr notwendig ist, wie im Stand der Technik die Ebenen auf getrennter Hardware laufen zu lassen. Auch macht die Zusammenfassung der einzelnen Automatisierungs-, Regelungs- und Steuerungsvorgänge des Stahlverarbeitungsprozesses in einer einzigen gemeinsamen Ebene den Austausch zahlreicher Signale zwischen den Ebenen überflüssig. Somit lassen sich dann auch modellbasierte Regelungen schneller und übersichtlicher realisieren. Die vielfach vorhandene, doppelte Modellierung auf den ersten Ebenen (Level 1 und Level 2) kann somit wegfallen bzw. noch enger als bisher verzahnt werden.

Außerdem wird durch die vorbeschriebene Zusammenfassung der Ebenen auch zwingend der Austausch von Know-how und Informationen zwischen Setup- Spezialisten und Regelungstechnikern, die sonst in unterschiedlichen Ebenen des Verfahrens zur Prozeßführung arbeiten, verbessert. Hierdurch können Synergien ausgenutzt und Entwicklungs-, Implementierungs- und Inbetriebnah­ mezeiten eingespart werden.

Besonders vorteilhaft wird eine weitere übergeordnete Ebene, der sogenannte SuperLevel, eingeführt, die eine Steuer-, Regelungs- und Optimierungsebene ist. Aufgabe dieser weiteren Ebene ist die Koordinierung der unterlagerten Rege­ lungsebenen basierend auf einer hierarchisch gekoppelten Optimierung, so daß die geforderte Produktqualität des Endproduktes erreicht wird. Durch die Einfüh­ rung des sogenannten SuperLevels, wird erreicht, daß die bisher mit viel Aufwand optimierten einzelnen technologischen Funktionen der getrennt betrachteten Stahlverarbeitungstufen nun einer Betrachtung des gesamten Stahlverarbeitungprozesses vom Ausgangsmaterial bis zum Endprodukt einschließlich der Zusammenhänge zwischen den Teilstufen weicht. In dieser einheitlichen Betrachtung steckt ein großes Innovations- und Verbesserungspo­ tential.

Die modifizierte und neue Struktur des Verfahrens zur Führung eines Stahl­ verarbeitungsprozesses, insbesondere für Warmwalzverfahren, mit den neuen gemeinsamen Ebene TechLevel und der übergeordneten Ebene SuperLevel wird ergänzt mit den bekannten übergeordneten Ebenen Produktionskoordina­ tion sowie Management. Dabei wird der Stahlverarbeitungsprozeß als soge­ nanntes "großes Steuerungssystem" betrachtet. Hierbei existieren mehrere relativ selbständige Teilsysteme, die durch Wechselwirkungen oder durch gemeinsame Ressourcen verkoppelt sind. Bezüglich der Zielfunktion sind Teilziele für die einzelnen Teilsysteme vorhanden, die ein für das gesamte System bestehendes Gesamtziel mitbestimmen, wobei die Teilziele unter sich und mit dem Gesamtziel teilweise auch in Widerspruch stehen können. Auch besitzt das System besitzt hinsichtlich der Steuereinrichtung eine funktional dezentrale oder hierarchische Struktur der Steuereinrichtungen bzw. Steueral­ gorithmen.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung an Hand von einem in einer Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein prinzipielles Schema der erfindungsgemäßen Steuerungs- und Regelungsstruktur und

Fig. 2 ein prinzipielles Schema der erfindungsgemäßen Steuerungs- und Regelungsstruktur in Anwendung auf einen Warmwalzprozess.

Die Fig. 1 zeigt ein prinzipielles Schema der erfindungsgemäßen Steuerungs- und Regelungsstruktur, die im wesentlichen die Überordnung einer zweiten Ebene SuperLevel über eine neue erste gemeinsame Ebene TechLevel zeigt.

Die gemeinsame Ebene TechLevel weist eine Vielzahl von zueinander parallelen Teilprozessen auf, die lokal sowie global miteinander gekoppelt sind und jeweils mit Setup-Reglern verbunden sind. Die Setup-Regler werden innerhalb der Ebene TechLevel lokal optimiert. Diese lokale Optimierung der aus verschiede­ nen Teilprozessen bestehenden Teilsysteme ist dann mit einer globalen Optimie­ rungs-, Regelungs- und Steuerungsstragie innerhalb der Ebene SuperLevel verbunden. Eine zusätzliche globale Kopplung der Teilsysteme erfolgt innerhalb der Ebene TechLevel.

Diese Struktur trägt dem Umstand Rechnung, daß die Summe der Einzeloptima der Teilprozesse im allgemeinen nicht zwangsläufig das Gesamtoptimum ist. Damit soll die Qualität des Endproduktes in den Vordergrund rücken und in die Betrachtung und Festlegung der Qualität der Zwischenprodukte eingehen. Dabei muß die Kopplungsstruktur zwischen den verschieden Teilprozessen innerhalb der gemeinsamen Ebene TechLevel berücksichtigt werden. Insbesondere sollen bei Erreichen von Stellgrößenbeschränkungen in einzelnen Teilprozessen die Sollwertvorgaben für die Teilprozesse durch den SuperLevel so umgesteuert werden, daß die Stellgrößenbeschränkungen eingehalten werden. Die Gesamtregelungsstruktur spiegelt somit die innere physikalische Struktur des Prozesses wieder. Für die Realisierung der einzelnen Ebenen sind Modelle unterschiedlicher Detailliertheit und Gültigkeitsbereiche notwendig, um die Komplexität der Optimierungsaufgabe zu reduzieren. Die Detailliertheit der Modelle nimmt ausgehend von der Ebene TechLevel über die Ebenen Super- Level, Produktkoordination und Management ab, wohingegen die Gültigkeitsbe­ reiche der Modelle zunehmen. Die für den SuperLevel verwendeten Modelle beschreiben das Gesamtprozessverhalten des Prozesses somit das Zusam­ menwirken der Teilprozesse (Kopplungen) und müssen aus diesem Grund nicht so detailliert sein. Geeignete Modelle wären hierfür qualitative Modelle (z. B. Petri-Netze), deterministische oder stochastische Automaten oder Modelle basie­ rend auf algebraischen Gleichungen. Im Gegensatz hierzu beschreiben die Modelle auf dem TechLevel den jeweiligen Teilprozeß lokal sehr detailliert, beispielsweise durch DGL- oder NN- oder Fuzzyansätze.

Wichtig ist hierbei anzumerken, daß die neue weitere Ebene SuperLevel nicht zu verwechseln mit der bekannten Management- und der Planungsebene (in der Regel Level 4) oder der Produktions- und Koordinationsebene (in der Regel Level 3). Der SuperLevel-Regler übernimmt die Beeinflussung der untergeord­ neten TechLevel-Regler durch Vorgabe geeigneter Koordinierungsgrößen für den jeweiligen Teilprozeß, so daß das Verhalten des Gesamtprozesses bezüg­ lich eines zu definierenden Kriteriums optimal ist. Der SuperLevel-Regler soll insbesondere dann eingreifen, wenn Stellgliedbeschränkungen in einem Teilprozeß erreicht werden oder dort unerwartete Störungen auftreten, die beispielsweise eine Verschiebung des Arbeitspunkts in Folge einer thermischen Bombierung mit sich bringen. Während in der Planungsphase die Sollgrößen einmal unter statischen Gesichtspunkten bestimmt werden, erfolgt durch den SuperLevel-Regler ein dynamischer Eingriff während des Prozeßablaufes.

Die Fig. 2 zeigt ein prinzipielles Schema der erfindungsgemäßen Steuerungs- und Regelungsstruktur in Anwendung auf einen Warmwalzprozess WWW, der eine Vorstraße, eine Fertigstraße und eine Kühlstrecke mit Haspel als Teilsyste­ me aufweist. Auch ist es beispielsweise möglich, Teilsysteme einer Gießma­ schine, einer kompakten Stahlproduktion (CSP, Compact Steel Production) und einer Kühlstrecke mit Haspel oder Teilsysteme einer Stranggießanlage, eines Warmwalzwerkes und eines Kaltwalzwerk über das erfindungsgemäße Verfah­ ren zu betreiben.

Claims (5)

1. Verfahren zur Führung eines Stahlverarbeitungsprozesses, insbesondere eines Warmwalzprozesses, in dem die Automatisierungs-, Regelungs- und Steuerungsvorgänge hierarchischen Ebenen zugeordnet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Automatisierungs-, Regelungs- und Steuerungsvorgänge des Stahlverarbeitungsprozesses in einer gemeinsa­ men ersten Ebene (TechLevel) zusammengefaßt werden, in dem die Pro­ zeßautomatisierung, die Basisautomatisierung und die Antriebsregelung erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gemein­ samen ersten Ebene (TechLevel) eine zweite Ebene (SuperLevel) überge­ ordnet wird, die eine Steuer-, Regelungs- und Optimierungsebene zur Koor­ dinierung der unterlagerten Regelungsebenen basierend auf einer hierar­ chisch gekoppelten Optimierung ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einer zusätzlichen der zweiten Ebene (SuperLevel) übergeordneten dritten Ebene (Level 3) Informationen bezüglich der Produktionskoordination, wie bei­ spielsweise Materialverfolgung, Terminplanung, Qualitätskontrolle, verar­ beitet werden und in einer weiteren der dritten Ebene (Level 3) übergeord­ neten vierten Ebene (Level 4) Informationen bezüglich der Produktionspla­ nung verarbeitet werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Ebene (TechLevel) die einzelnen Steuerungs- und Rege­ lungsvorgänge der einzelnen Teilprozesse auf einer gemeinsamen Hardware ausgeführt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß von der zweiten Ebene (SuperLevel) bei Erreichen von Stellgrößenbeschränkungen in einzelnen Teilprozessen der ersten Ebene (TechLevel) über Regler die Sollwertvorgaben für die Teilprozesse in der ersten Ebene so umgesteuert werden, daß die Stellgrößenbeschränkungen eingehalten werden.