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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Stabilisieren eines Bandes, insbesondere eines Metallbandes bei Verzinkungsanlagen.
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DE 10 2004 060 425 B3 ist ein Verfahren zur Bandbeschichtung bekannt, bei dem das Band vor oder nach einer Beschichtungseinrichtung zwischen zwei einander gegenüberliegend angeordneten Spulen einer Bandführungsvorrichtung durchgeführt wird, die einen Lagesensor für die Lagebestimmung des Bands zwischen den Spulen, Stromgeber für die Spulen und einen Schichtdickensensor zur Ermittlung der Schichtdicke der auf das Band aufgebrachten Schicht aufweist, mit folgenden Schritten:
- – Festlegen eines Soll-Schichtdickenverlaufs,
- – Ermittlung eines Ist-Schichtdickenverlaufs mittels des Schichtdickensensors,
- – Ermittlung einer Schichtdicken-Regeldifferenz durch Vergleich des Ist-Schichtdickenverlaufs mit dem Soll-Schichtdickenverlauf,
- – Ermittlung eines Positions-Sollwerts für die Bandposition zwischen den gegenüberliegenden Spulen mittels eines übergeordneten Schichtdicken-Reglers, dessen Eingangssignal die Schichtdicken-Regeldifferenz ist,
- – Ermittlung einer Positions-Regeldifferenz durch Vergleich des Positions-Istwerte mit dem Positions-Sollwert,
- – Beaufschlagen mindestens einer der Spulen mit einem Strom, wobei der Strom, ausgehend von dem Ausgangssignal eines Positionsreglers, dessen Eingangssignal die Positions-Regeldifferenz ist, eingestellt wird
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Aus
DE 195 35 854 C2 ist ein Verfahren zur Bandstabilisierung bekannt, wobei im Bereich eines Durchführkanals unterhalb des Schmelzbadspiegels ein der Aussteuerung eines elektromagnetischen Wanderfeldes überlagertes steuerbares Magnetfeld aufgebracht wird, dessen Feldstärke und/oder Frequenz in Abhängigkeit von der sensorisch erfassten Bandposition im Beschichtungskanal einstellbar ist.
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Bei einer Verzinkungsanlage durchläuft das unverzinkte Band zunächst eine Reihe von Behandlungsstufen, in denen das Band gereinigt und temperaturbehandelt wird, bevor es in das Zinkbad zum Verzinken eintaucht. In dem Zinkbad befinden sich eine Umlenkrolle und Stabilisierungsrollen, die das Band stützen. Das Band tritt aus dem Zinkbad aus, worauf überschüssiges Zink durch Düsen von dem Band abgeblasen wird. Danach läuft das Band in eine ca. 40–50 m lange Kühlstrecke, bevor es erneut um eine Führungsrolle geführt wird. Beim Transport des Bandes über die Badrolle, die Stabilisierungsrollen sowie durch die lange Kühlstrecke treten ungewollte Schwingungen auf, die auch durch die Stabilisierungsrollen im Zinkbad nicht ausgeglichen werden können. Durch die auftretenden Schwingungen ist es nicht möglich, eine minimale Zinkschicht aufrechtzuerhalten, vielmehr wird durch die Schwingungen das Band überverzinkt.
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Aus
WO 02/14192 ist es bekannt, auf gegenüberliegenden Seiten des Bandes in einem Abstand von diesem Elektromagnete anzuordnen, die eine Kraft in Richtung quer zum Band ausüben, wobei die Kraft der Elektromagneten durch Abstandssensoren gesteuert wird, die in der Nähe der Elektromagneten beiderseits des Bandes angeordnet sind. Hierdurch kann zwar die Mittenlage des Bandes im Bereich der Elektromagneten geregelt werden, es können aber die im weiteren Verlauf der Bandführung auftretenden Schwingungen nicht unterdrückt werden, die auf eine Veränderung des Abstandes des Bandes im Behandlungsbereich bzw. zwischen den Abblasdüsen zurückwirken.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Band im Behandlungsbereich zu stabilisieren.
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Dies wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Anspruch 1 und 5 erreicht. Dadurch, dass die Querbewegung des Bandes an einer vorgegebenen Stelle (Behandlungsbereich) aus der Querbewegung des Bandes an einer anderen Stelle vorherbestimmt wird, wird im Behandlungsbereich eine Stabilisierung des Bandes erreicht, sodass im Falle einer Verzinkungsanlage eine gleichmäßige minimale Zinkschicht ausgebildet werden kann, weil der Lauf des Metallbandes zwischen den Abblasdüsen stabilisiert ist.
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Die Erfindung wird beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
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1 in einer schematischen Ansicht die Bandführung im Bereich eines Zinkbads,
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2 in schematischer Darstellung den Regelkreis zum Führen des Bandes,
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3 in einer Draufsicht auf das Band die Anordnung von zweiten Abstandssensoren am Prädiktionsort,
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4 eine Darstellung der Signalaufbereitung,
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5 den zeitlichen Verlauf der Bandschwingungen am Prädiktionsort und am Kompensationsort mit Festlegung eines Zeitausschnitts sowie ein in dieser Messaufnahme ausgewähltes Zeitfenster,
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6 wie Kreuzkorrelationsfunktionen zwischen den Sensorsignalen in verschiedenen Zeitfenstern gewonnen werden und sich die Verschiebungen (Laufzeiten der mechanischen Welle) in den Maxima einstellen,
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7 + 8 den Einfluss unterschiedlicher Fensterbreiten und die Berechnung der minimalen Messdauer, die erforderlich ist, um noch Maxima der Kreuzkorrelation zu gewinnen,
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9 die Verläufe der Maxima der Kreuzkorrelationskoeffizienten, der zugehörigen minimalen Zeitfensterbreiten (Messdauer) und die der Laufzeiten,
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10 die Ermittlung der Übertragungsfunktion der angeglichenen Sensorsignale zwischen Prädiktionsort und Kompensationsort,
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11 die zeitlichen Verläufe der Bandschwingungen am Prädiktionsort und am Kompensationsort,
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12 die Anordnung von mehreren Paaren von Elektromagneten und Abstandssensoren im Behandlungsbereich, und
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13 eine schematische Ansicht der Anordnung von Aktorenpaaren.
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1 zeigt schematisch eine Verzinkungsanlage mit einem Ofen 1, durch den ein Metallband 4 geführt wird, bevor es in das Zinkbad 2 eintaucht. Im Zinkbad wird das Band 4 um eine Badrolle 3 in Richtung zu einer Kühlanlage 9 umgelenkt, wobei das Band 4 vor dem Austritt aus dem Zinkbad 2 durch eine Stabilisierungsrolle 5 abgestützt wird. Nach dem Austritt aus dem Zinkbad wird überschüssiges Zink durch Abblasdüsen 6 von der Bandoberfläche entfernt. Um den Abstand des Bandes in Querrichtung, wie durch einen Doppelpfeil 7 angedeutet, zwischen den Abblasdüsen 6 einzustellen und zu stabilisieren, ist eine Bandstabilisierungseinrichtung 8 vorgesehen.
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2 zeigt Einzelheiten einer solchen Bandstabilisierungseinrichtung 8, wobei beiderseits des Bandes 4 in einem Abstand von diesem Aktoren in der Form von Elektromagneten 10a und 10b angeordnet sind. Im Bereich dieser Elektromagnete sind beiderseits des Bandes 4 Abstandssensoren 11a und 11b vorgesehen, die den Abstand des Bandes 4 von einer vorgegebenen Mittenlage messen und die Abstandssignale an eine Regelelektronik 12 weitergeben, von der aus die beiden Elektromagnete über Verstärkerstufen 13a und 13b angesteuert werden, um eine entsprechende Kraft auf das Metallband 4 quer zu dessen Ebene auszuüben, wenn die Bandlage zwischen den Abblasdüsen 6 korrigiert werden muss.
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Eine Regelung mit nur einem Sensorpaar in Aktornähe, also im Bereich der Elektromagnete 10a, b, vermag hohe Anforderungen bezüglich maximaler Überschwingweite, Anstiegszeit und Ausregelzeit bei Regelstrecken höherer Ordnung und gegebener Totzeit nicht zu erfüllen, da die Reaktionszeit der Regelung, des Stellgliedes (elektronische Ansteuerung) und des Aktors (Elektromagnet) eine unmittelbare Kompensation der entstehenden Bandschwingungen am Aktor verhindert.
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Zur Kompensation der Bandschwingungen, insbesondere am Behandlungs- bzw. Bearbeitungsort, werden Aktore eingesetzt, die über ein Stellglied und mit einer geeigneten Regelung mit Vorsteuerung betrieben werden. Dazu sind an mindestens zwei Stellen in der Nähe der Oberfläche des Bandes Abstandssensoren vorgesehen. Ein Sensor befindet sich auf herkömmliche Weise unmittelbar in der Nähe der Elektromagnete (Aktor) und ein weiterer in einem Abstand in der Nähe der schwingungserzeugenden Quelle (Störung).
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Die in 2 im Behandlungsbereich der Abblasdüsen 6 bzw. im Bereich der beiden Elektromagnete 10a, b angeordneten Abstandssensoren 11a und 11b bilden erste Abstandssensoren. In eifern Abstand in Laufrichtung des Bandes treten durch eine Störstelle, beispielsweise durch ein Kühlgebläse, Schwingungen des Bandes auf, die den Bereich zwischen den Abblasdüsen 6 beeinflussen. Um diese Schwingungen zu kompensieren, werden im Bereich der Störstelle zweite Abstandssensoren vorzugsweise beiderseits des Bandes positioniert, um die durch Schwingungen hervorgerufene Auslenkung des Bandes in diesem Bereich zu ermitteln.
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3 zeigt in einer Draufsicht auf das Band 4 schematisch die Anordnung der Abstandssensoren 11a und 11b am Kompensationsort im Bereich der Elektromagneten 10a, b und die in einem Abstand in Laufrichtung des Bandes im Bereich der Störstelle positionierten zweiten Abstandssensoren 14a, 14b. Diese zweiten Abstandssensoren 14a und 14b bilden einen Prädiktionsort, mittels dem die am Kompensionsort auftretenden Schwingungen des Bandes für den Regelkreis vorhergesagt werden.
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Das Band 4 läuft unter einem bestimmten Bandzug F zwischen zwei nicht dargestellten Walzen und erfährt in einer vorgegebenen Position, z. B. durch ein Kohlgebläse 9, zwischen den Walzen eine störende Auslenkung, die das Band in Schwingungen versetzt, wonach infolge der Eigenspannung des Bandes zwischen den Walzen stehende und wegen des Bandlaufs fortschreitende mechanische Wellen auftreten. Diese erzeugen am Ort der Bandbearbeitung (im Bereich der Abblasdüsen 6) planare Schwingungen und Torsionsschwingungen, die die Toleranzen der Zinkschicht nachhaltig verschlechtern.
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Die Vorsteuerung mit einem zweiten Sensor bzw. Sensorpaar am Entstehungsort der Bandschwingungen dient dem Regler als Vorinformation, da sich die Bandschwingungen vom Entstehungsort in Richtung auf die Aktoren und den ersten Sensor mit einer charakteristischen Laufzeit ausbreiten. Diese Laufzeit lässt sich vorteilhaft ausnutzen, um die Reaktionszeit des Regelkreises wesentlich zu verkürzen und Instabilitäten zu vermeiden.
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Aufgrund der Überlagerung von stehenden und fortlaufenden Wellen entlang des Bandes erleiden die zeitlichen Auslenkungen am Entstehungsort (zweiter Sensor) bis hin zu den Aktoren (erster Sensor) eine Veränderung im Mittelwert, in der Amplitude und Phasenlage, sodass zur Prädiktion des zeitlichen Verhaltens der Schwingung am Aktor aus dem zeitlichen Verlauf der Schwingung am Entstehungsort eine Bearbeitung des Zeitsignals zweckmäßig ist. Die Abstandssignale P und K werden vorteilhafterweise wie folgt bearbeitet.
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Schritt S1: Bei der Signalaufbereitung wird über ein vorgegebenes Zeitfenster ein Mittelwert des Sensorsignals P zur Abstandsmessung am Entstehungsort (Prädiktionsort) und des Sensorsignals K zur Abstandsmessung am Kompensationsort (Bezugsort) gebildet.
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Schritt S2: Weiterhin wird zur Erfassung der gemittelten Amplitudenwerte am Prädiktionsort und am Kompensationsort ein Gleichrichtwert gebildet, der einen Mittelwert der Amplitudenauslenkung ergibt.
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Schritt S3: In einem dritten Schritt wird das Sensorsignal P am Prädiktionsort an das Sensorsignal K am Kompensationsort aus S1 und S2 angepasst.
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Schritt S4: In einem vierten Schritt wird die Laufzeit und die erforderliche Messdauer der mechanischen Welle zwischen Prädiktionsort und Kompensationsort bestimmt. Dabei wird wie folgt vorgegangen.
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Ein entsprechend dem Schwingungsverhalten festgelegter Zeitausschnitt des Sensorsignals P am Prädiktionsort und des Sensorsignals K am Kompensationsort wird über eine Anzahl von gleich großen Zeitfenstern unterteilt.
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Jedes Zeitfenster des Sensorsignals P am Prädiktionsort wird mit dem Sensorsignal K am Kompensationsort derart verglichen, dass das Zeitfenster am Prädiktionsort um eine festgelegte Zeitspanne gegenüber dem Zeitfenster des Kompensationsortes in Zeitschritte verschoben wird und in jedem Zeitschritt die Kreuzkorrelationskoeffizienten berechnet werden. Das Maximum der über diese Zeitspanne entstehenden Kreuzkorrelationskoeffizienten entspricht der besten Übereinstimmung des Sensorsignals am Prädiktionsort mit dem am Kompensationsort für jeweils ein Zeitfenster. Der maximale Kreuzkorrelationskoeffizient steht im Zusammenhang mit einer bestimmten Zeitverschiebung des Fensters, das der Laufzeit der mechanischen Welle entspricht.
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Zur Sicherheit wird zudem die Fensterbreite von ihrer Ausgangsgröße in vorgegebenen Schritten auf das Doppelte vergrößert. Damit ergibt sich bei den maximalen Kreuzkorrelationskoeffizienten die zugehörige ideale Fensterbreite, die einer minimalen Messdauer während des Prozessablaufs entspricht.
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Auf diese Weise entsteht über dem zuvor festgelegten Zeitausschnitt ein Verlauf der maximalen Kreuzkorrelationskoeffizienten, der zugehörigen Laufzeiten und der zugehörigen Messzeiten über die Anzahl der Zeitfenster. Eine Mittelwertbildung über die Anzahl der Zeitfenster ergibt
- – einen Kreuzkorrelationskoeffizienten der Bandschwingungen zwischen Prädiktionsort und Kompensationsort,
- – eine mittlere Laufzeit der mechanischen Wellen zwischen Prädiktionsort und Kompensationsort, und
- – eine minimale Messdauer zur ausreichenden Erfassung der Bandschwingungen.
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Schritt S5: Weiterhin wird das Sensorsignal P am Prädiktionsort an das Sensorsignal K am Kompensationsort durch zeitliche Verschiebung des Sensorsignals P um die mittlere Laufzeit angeglichen.
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Schritt S6: In einem weiteren Schritt wird eine Übertragungsfunktion zwischen dem Prädiktionsort und dem Kompensationsort gebildet, die das charakteristische Verhalten der mechanischen Wellen in Bezug auf Dämpfung und Vorhaltzeit beschreibt. Sie wird auf folgende Weise ermittelt:
- – Es wird die Struktur der Übertragungsfunktion aus dem ermittelten Streckenverhalten des Bandes festgelegt, und
- – es erfolgt eine Parameterschätzung der Übertragungsfunktion durch Verarbeitung des angeglichenen Sensorsignals P am Prädiktionsort mit dem unveränderten Sensorsignal K am Kompensationsort derart, dass die Abweichung (der Fehler) zwischen den beiden Signalverläufen mithilfe der an sich bekannten prediction error method minimiert werden kann.
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Schritt S7: Schließlich wird die Bandschwingung am Kompensationsort aus den Bandschwingungen am Entstehungsort dadurch vorhergesagt, dass die Teilergebnisse aus den vorhergehenden Schritten S1 bis S6 zu einer geschlossenen Verfahrensweise zusammengestellt werden, wie sich dies aus den 3 und 4 ergibt.
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5a zeigt den zeitlichen Verlauf einer Bandschwingung am Prädiktionsort bzw. am Kompensationsort mit Festlegung eines Zeitausschnitts. 5b zeigt ein in dieser Messaufnahme ausgewähltes Zeitfenster.
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6 zeigt, wie Kreuzkorrelationsfunktionen zwischen den Sensorsignalen P und K in verschiedenen Zeitfenstern gewonnen werden und sich die Verschiebungen (Laufzeiten der mechanischen Welle) in den Maxima einstellen. Hierbei zeigt 6a den Verlauf des Sensorsignals am Kompensationsort mit einem festen Zeitfenster. 6b zeigt den Verlauf des Sensorsignals P am Prädiktionsort und die Verschiebung des Zeitfensters in konstanten Zeitschritten. 6c zeigt schließlich den Verlauf der Kreuzkorrelationskoeffizienten über der Anzahl der Verschiebungen, wobei Kreuzkorrelationskoeffizienten für fünf Zeitfenster und sechzig Verschiebungen wiedergegeben sind. Hierbei wird eine Fensterbreite von 500 ms und eine Verschiebung (Laufzeit) von 10 ms verwendet. Es ergeben sich die Laufzeiten in den Maxima der Kreuzkorrelationskoeffizienten.
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7 und 8 verdeutlichen den Einfluss unterschiedlicher Fensterbreiten und weisen auf die Berechnung der minimalen Messdauer bin, die erforderlich ist, um die Maxima der Kreuzkorrelationen sicher zu gewinnen. 7 zeigt eine zusätzliche Vergrößerung der Fensterbreite von 500 ms auf 1000 ms, wobei die Kreuzkorrelationskoeffizienten für ein variables Zeitfenster über der Anzahl der Verschiebungen aufgetragen sind.
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8 erläutert die Ermittlung der maximalen Kreuzkorrelationskoeffizienten in Abhängigkeit von fünfzig Fensterbreiten bei jeweils sechzig Verschiebungen für fünf Zeitfenster, wobei maximale Kreuzkorrelationskoeffizienten pro Zeitfenster über der Anzahl der Fensterbreiten aufgetragen sind.
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9 zeigt als Beispiel die Verläufe der Maxima der Kreuzkorrelationskoeffizienten, der zugehörigen minimalen Zeitfensterbreiten (Messdauer) und die der Laufzeiten. Ihre Mittelwerte sind die Bezugswerte zwischen den Sensorsignalen P und K. In 9a sind Kreuzkorrelationskoeffizienten über dem Zeitintervall in s aufgetragen. 9b gibt den Verlauf der Fensterbreiten in ms über der Anzahl der Fenster wieder und 9c zeigt die Laufzeit in ms über der Anzahl der Fenster.
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10 verdeutlicht die Ermittlung der Übertragungsfunktion G(s) der angeglichenen Sensorsignale zwischen Prädiktionsort und Kompensationsort. K gibt in 10 eine Konstante wieder, Tz ist die Vorhaltezeit und Tp1 ist die Nachstellzeit.
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Zur Bewertung und Veranschaulichung sind in 11 zeitliche Verläufe der Bandschwingungen am Prädiktionsort und am Kompensationsort gegenübergestellt. Es sind die Sensorsignale P und K in Millimetern über dem Zeitbereich in s dargestellt, wobei sich eine Signalübereinstimmung bei diesem Ausführungsbeispiel von 93,8% und damit eine sehr gute Prädiktion der Bandschwingungen ergibt.
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12 zeigt eine Anordnung von Paaren von Elektromagneten 10a und 10b am Kompensationsort, wobei Schwingungsverläufe des Bandes 4 bei 4' und 4'' wiedergegeben sind. Jedes Paar von Elektromagneten 10, 10' und 10'' wird jeweils über eine Regelung 14, 14', 14'' mit Verstärker ausgehend von einer Regeleinheit 12 angesteuert.
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13 zeigt schematisch die Anordnung von fünf Paaren von Elektromagneten bzw. Aktoren am Kompensationsort zum Kompensieren der von der Störstelle (Prädiktionsort) induzierten Schwingungen.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird ein Bewegungsablauf an einer vorgegebenen Stelle (Behandlungsort) über einen bestimmten Zeitabschnitt zuvor aus einem Bewegungsablauf an einer anderen geeigneten Stelle vorherbestimmt. Diese Prädiktion von zeitlichen Abläufen verbessert eine diese Messwerte einbeziehende Regelung derart, dass ein aktorischer Eingriff auf den Prozess an Stabilität gewinnt und im Falle der Störgrößenregelung eine Kompensation ausreichend schnell und hinreichend genau erfolgen kann.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht nur bei Verzinkungsanlagen anwendbar, sondern auch bei anderen Arten von Bandlaufregelungen, bei denen Aktoren verwendet werden, die auf das Band in dessen Querrichtung einwirken, wobei anstelle von Elektromagneten auch andere Arten von Aktoren, wie beispielsweise Pressluftaktoren zum Verstellen der Lage einer Kunststofffolienbahn, und andere geeignete Sensoren verwendet werden können, die eine Positionserfassung ermöglichen. Als Abstandssensoren können z. B. optische oder elektrische wie induktive oder kapazitive Abstandssensoren verwendet werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch bei stationären Bändern oder Flächenstücken einsetzbar, die von einer Störstelle aus in Schwingung versetzt werden und an einer anderen Stelle in ihrer Lage stabilisiert werden müssen.
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Sowohl bei einem stationären Band oder Flächenstück als auch bei einem laufenden Band können mehrere Aktorenpaare im Bereich des Kompensationsortes, der in der Regel im Bereich eines Behandlungsortes für das Band oder Flächenstück liegt, vorgesehen werden, um die von der Störstelle ausgehenden Schwingungen zu unterdrücken. Dabei kann jedem Aktorpaar ein Abstandssensor zugeordnet sein oder auch nur ein Abstandssensor mehrere Aktorpaare steuern. Bei dem Ausführungsbeispiel in 12 sind jedem Aktorpaar zwei Abstandssensoren zugeordnet.
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Die einzelnen Aktoren können parallel zur Ebene des Bandes 4 bzw. eines entsprechenden Flächenstücks verstellbar angeordnet sein, um die Position der Aktoren auf ein bestimmtes Schwingungsmuster einzustellen, wie dies durch Pfeile 20 in 13 angedeutet ist. Ferner ist es auch möglich, die Aktoren quer zur Ebene des Bandes 4 verstellbar anzuordnen, wie durch Pfeile 21 angedeutet.
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Es ist auch möglich, bei einem laufenden Band vor und/oder hinter den Aktoren Abstandssensoren vorzusehen, wenn in diesen Bereichen durch eine Störung Schwingungen am Band erzeugt werden. Ebenso ist es möglich, bei einem stationären Flächenstück in Abständen um den Kompensationsort Abstandsmessungen im Bereich von Störstellen vorzunehmen, die um den Kompensationsort auftreten, wobei zur Kompensation der am Kompensationsort induzierten Schwingungen eine Prädiktion der an mehreren Störstellen auftretenden Schwingungen vorgenommen wird.
