DE102016119702A1

DE102016119702A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Verteilung von Reinigungsintervallen bei n Schmelzöfen in einem Schmelz- und Druckgussbetrieb

Info

Publication number: DE102016119702A1
Application number: DE102016119702.5A
Authority: DE
Inventors: Arno Dentel; Wolfgang Schlüter; Jörg Schmidt
Original assignee: Hochschule fur Angewandte Wissenschaften Ansbach; Hochschule fur Angewandte Wss Ansbach; Georg Simon Ohm Hochschule fuer Angewandte Wissenschaften Fachhochschule Nurnberg
Current assignee: Hochschule fur Angewandte Wissenschaften Ansbach; Hochschule fur Angewandte Wss Ansbach; Georg Simon Ohm Hochschule fuer Angewandte Wissenschaften Fachhochschule Nurnberg
Priority date: 2016-10-17
Filing date: 2016-10-17
Publication date: 2018-04-19

Abstract

In der Nichteisen-Schmelz- und Druckgussindustrie werden aufgrund des verwendeten flüssigen Metalls große Energiemengen benötigt. In derartigen energieintensiven Industriebereichen ist das Energieeinsparpotential besonders groß. Hier können schon prozentual kleine Einsparungen zu absolut betrachtet großen Reduzierungen des Energieverbrauchs führen. Dabei weist die Industrie, welche Nicht-Eisen-Metall verarbeitet, nach der chemischen Industrie und der Stahlindustrie, den drittgrößten Umsatz bei den energieintensiven Industriezweigen auf.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verteilung von Reinigungsintervallen bei einer Mehrzahl von Schmelzöfen in einem Schmelz- und Druckgussbetrieb.
In der Nichteisen-Schmelz- und Druckgussindustrie werden aufgrund des verwendeten flüssigen Metalls große Energiemengen benötigt. In derartigen energieintensiven Industriebereichen ist das Energieeinsparpotential besonders groß. Hier können schon prozentual kleine Einsparungen zu absolut betrachtet großen Reduzierungen des Energieverbrauchs führen. Dabei weist die Industrie, welche Nicht-Eisen-Metall verarbeitet, nach der chemischen Industrie und der Stahlindustrie, den drittgrößten Umsatz bei den energieintensiven Industriezweigen auf.
In diesem Zusammenhang schlägt die Druckschrift DE 10 2014 010 820 A1 ein Verfahren zur Messung von Vorgängen in einem Schmelzofen sowie zur Verbesserung der Energieeffizienz des Schmelzofens vor.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren vorzuschlagen, welche die Prozesse in einem Schmelz- und Druckgussbetrieb betriebssicherer und damit energiesparender gestaltet. Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
Im Rahmen der Erfindung wird eine Vorrichtung vorgestellt, welche zur Verteilung von Reinigungsintervallen bei einer Mehrzahl Schmelzöfen für Leichtmetalllegierungen in einem Schmelz- und Druckgussbetrieb geeignet und/oder ausgebildet ist. Insbesondere ermittelt die Vorrichtung die Reinigungszeiten, in denen die Reinigungsintervalle stattfinden können. In den Reinigungsintervallen werden die Schmelzöfen gereinigt. Insbesondere erfolgt beim Reinigen ein Freischmelzen, wobei die Reinigungsintervalle größer als 10 Minuten, vorzugsweise größer als 30 Minuten sind und/oder kleiner als 1,5 Stunden ausgebildet sind.
Bei den Leichtmetalllegierungen handelt es sich insbesondere um Nicht-Eisen-Metalle und im Speziellen um Aluminiumlegierungen. Die Vorrichtung kann beispielsweise als eine elektronische Datenverarbeitungseinrichtung, wie zum Beispiel einem Computer, ausgebildet sein. Die Vorrichtung umfasst mehrere Module, wobei die Module wahlweise als Hardwaremodule oder als Softwaremodule ausgebildet sind.
Der Schmelz- und Druckgussbetrieb weist eine Mehrzahl von Schmelzöfen auf, wobei in den Schmelzöfen jeweils Leichtmetalllegierungen, insbesondere Aluminiumlegierungen, durch Schmelzen aus einem festen Zustand in einen flüssigen Zustand gebracht werden.
Ferner umfasst der Schmelz- und Druckgussbetrieb mehrere Druckgussanlagen (Gießzellen), welche vorzugsweise jeweils einen Dosierofen und eine Druckgussmaschine aufweisen. In dem Dosierofen wird die flüssige Leichtmetalllegierung, insbesondere die flüssige Aluminiumlegierung, vorgehalten. In den Druckgussmaschinen werden die Produkte aus der flüssigen Leichtmetalllegierung, insbesondere mittels Urformen, erzeugt.
Optional ergänzend umfasst der Schmelz- und Druckgussbetrieb Transporteinheiten, wie zum Beispiel Gabelstapler, die die flüssige Leichtmetalllegierung, insbesondere die flüssige Aluminiumlegierung, von den Schmelzöfen oder anderen Quellen zu den Dosieröfen der Druckgussanlagen bringen.
Die Vorrichtung weist ein Quellenmodul auf, wobei das Quellenmodul auf Basis von Quellen für das Flüssigleichtmetall eine zeitabhängige Quellenkennzahl bildet. Unter Quellen werden insbesondere die oder alle Einrichtungen verstanden, welche Flüssigleichtmetall zur Übergabe an den Druckgussbetrieb zur Verfügung stellen. Die Quellenkennzahl ist zeitabhängig und kann sich somit in Abhängigkeit der Änderungen der Quellen ebenfalls ändern. Insbesondere beschreibt die Quellenkennzahl das zeitabhängig zur Verfügung stehende Flüssigleichtmetall.
Die Vorrichtung weist ferner ein Senkenmodul auf, wobei das Senkenmodul auf Basis von Senken für das Flüssigleichtmetall eine zeitabhängige Senkenkennzahl bildet. Die Senkenkennzahl beschreibt insbesondere den zeitabhängigen Verbrauch des Flüssigleichtmetalls der Senken, insbesondere der Druckgussanlagen.
Die Vorrichtung weist ferner ein Bewertungsmodul auf, wobei das Bewertungsmodul aus der Quellenkennzahl und der Senkenkennzahl eine zeitabhängige Speicherverteilungskennzahl bildet. Betrachtet man die Quellenkennzahl als eine Beschreibung des Angebots und die Senkenkennzahl als eine Beschreibung der Nachfrage an Flüssigleichtmetall, so beschreibt die Speicherverteilungskennzahl die Versorgungslage mit Flüssigleichtmetall des Schmelz- und Druckgussbetriebs. Die Versorgungslage und/oder die Speicherverteilungskennzahl ändert sich mit der Zeit in Abhängigkeit der zeitabhängigen Quellenkennzahl und der zeitabhängigen Senkenkennzahl.
Die Vorrichtung weist ein Planungsmodul auf, wobei das Planungsmodul die Reinigungsintervalle der Schmelzöfen in Abhängigkeit der zeitabhängigen Speicherverteilungskennzahl verteilt. Die Verteilung erfolgt derart, dass die Reinigungsintervalle in Zeiten gelegt werden, welche eine gute Versorgungslage aufweisen. Somit werden die Reinigungsintervalle gezielt zu solchen Zeiten verteilt, in denen der durch die Reinigung bedingte temporäre Ausfall eines Schmelzofens die Versorgungslage des Druckgussbetriebs nicht oder nur möglichst gering stört.
Die Vorrichtung erlaubt somit die Reinigungsintervalle für die Mehrzahl der Schmelzöfen so zu verteilen, dass trotz der Verschlechterung der Versorgungslage der Druckgussbetrieb durch den temporären, reinigungsbedingten Ausfall eines Schmelzofens eine unveränderte oder nur wenig verschlechterte Produktion an Teilen bzw. Produkten ermöglicht ist. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird somit ein Schmelz- und Druckgussbetrieb technisch optimiert und auf diese Weise die Zuverlässigkeit und damit auch die Energieeffizienz erhöht.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Quellen die Mehrzahl der Schmelzöfen sowie optional ergänzend eine Mehrzahl an Kippstationen. In den Kippstationen kann bereits geschmolzenes Flüssigleichtmetall eingefüllt werden, wobei das Flüssigleichtmetall beispielsweise dezentral, insbesondere außerhalb des Schmelz- und Druckgussbetriebs, geschmolzen wurde. Damit bilden die mit Flüssigleichtmetall gefüllten Kippstationen optional eine weitere Quelle ergänzend zu den Schmelzöfen. Vorzugsweise weist der Schmelz- und Druckgussbetrieb mehrere Schmelzöfen und mehrere Kippstationen auf.
Der Transport des Flüssigleichtmetalls von den Quellen, insbesondere von den Schmelzöfen und/oder von den Kippstationen, zu den Senken kann beispielsweise über Transporteinheiten, wie zum Beispiel Stapler erfolgen.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Senken als Druckgussanlagen, insbesondere als Druckgussmaschinen mit Dosieröfen, ausgebildet. In den Dosieröfen wird Flüssigleichtmetall zur unmittelbaren Verwendung an der Druckgussmaschine vorgehalten. Die Dosieröfen dienen insbesondere nur zur temporären Lagerung des Flüssigleichtmetalls und nicht zum Einschmelzen von festem Leichtmetall in das Flüssigleichtmetall.
Bei einer möglichen Realisierung der Erfindung ist die Quellenkennzahl durch einen Quotienten gebildet, wobei der Zähler die Summe der zeitabhängigen Füllstände der Schmelzöfen sowie optional ergänzend die zeitabhängigen Füllstände der Kippstationen ist. Der Nenner ist dagegen die zeitunabhängige Gesamtkapazität, insbesondere das zeitunabhängige Gesamtvolumen, der Dosieröfen der Druckgussmaschinen. Eine Quellenkennzahl gleich 1 würde bedeuten, dass in den Warmhaltebehältern der Schmelzöfen und Kippstationen genau so viel Flüssigleichtmetall zur Verfügung steht, wie in die Dosieröfen aller Druckgussanlagen passt.
Bei einer möglichen Weiterbildung der Erfindung ist die Senkenkennzahl als ein Mittelwert von Senkeneinzelkennzahlen für die Senken des Druckgussbetriebs ausgebildet. Die Senkeneinzelkennzahl basiert auf einem aktuellen Füllstand des Dosierofens für die jeweilige Druckgussanlage und/oder auf einer Restlaufzeit der jeweiligen Druckgussmaschine mit dem Leichtmetall in dem Dosierofen für die jeweilige Druckgussanlage. Durch die Senkenkennzahl wird die zeitabhängige Versorgung der Druckgussmaschinen mit Flüssigleichtmetall anhand des Füllstands der zugehörigen Dosieröfen beurteilt.
Bei einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung werden die Restlaufzeiten der Druckgussmaschinen zur Bestimmung der Senkeneinzelkennzahl herangezogen. Hierbei wird ausgehend von dem aktuellen Füllstand des Dosierofens der jeweiligen Druckgussmaschine die Restlaufzeit berechnet. Zur Berechnung werden z.B. die Taktzeiten, das Bruttoschussgewicht des zu produzierenden Produkts und der aktuelle Füllstand des Dosierofens verwendet.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass aus dem aktuellen Füllstand und/oder aus der Restlaufzeit RLZ eine Prioritätszahl PZ als die Senkeneinzelkennzahl BZi gebildet wird. Das Vorgehen wird anhand der nachfolgenden Tabelle beschrieben.

Klasse K	1	2	3	4	...	k	Σ
RLZ [s]	WBZ_min	2 ∗ WBZ_min	3 ∗ WBZ_min	6 ∗ WBZ_min	...	WBZ_max	RLZ_max
n_i	n₁	n₂	n₃	n₄	...	n_k	n
PZ_i	PZ₁	PZ₂	PZ₃	PZ₄	...	PZ_k	PZ
BZi	BZ₁	BZ₂	BZ₃	BZ₄	...	BZ_k	BZ_DGM

Mit:

K: Klasse
RLZ: Restlaufzeit
WBZmin: minimale Wiederbeschaffungszeit
ni: Anzahl der Druckgussanlagen in der Klasse i
PZi: Prioritätszahl der Klasse i
BZi: Senkeneinzelkennzahl der Klasse i
BZ: Senkenkennzahl

In der Titelzeile sind Klassen K aufgelistet, wobei die Klassen K ein Ordnungssystem bilden.
In der ersten Zeile sind die Restlaufzeiten RLZ für die Druckgussanlagen für die jeweiligen Klassen aufgelistet. Prinzipiell könnten die Restlaufzeiten in Sekunden angegeben werden. Dann wären die Restlaufzeiten z.B. in der Klasse 1 600 Sekunden, in der Klasse 2 1200 Sekunden etc. Allerdings sind in der Tabelle die Restlaufzeiten auf die minimale Wiederbeschaffungszeit WBZmin normiert, welche vorliegend mit 600 Sekunden angenommen wurde. Die minimale Wiederbschaffungszeit WBZmin ist insbesondere die Zeit, die benötigt wird, um Flüssigleichtmetall von den Quellen zu den Senken zu transportieren. In der Tabellle bedeutet dies, dass die Druckgussanlagen in der Klasse K=1 eine Restlaufzeit RLZi haben, die der einfachen minimalen Wiederbeschaffungszeit WBZmin entspricht.
In der zweiten Zeile ist die Anzahl der Druckgussmaschinen (ni) dargestellt, welche die jeweilige Restlaufzeit haben und sich in der jeweiligen Klasse i befinden. Ausgehend von dem durch die Klasse i definierten Restlaufzeitbereich wird die Prioritätszahl PZi gebildet, welche in der dritten Zeile aufgetragen ist. Beispielsweise kann für die Prioritätszahl PZ1 = 100, PZ2=40, PZ3=10, PZ4=10, PZ5=5, PZ6=3, PZ7=2 und PZ8=1 gewählt werden. Die Größe BZi bezeichnet insbesondere die anteilige Senkenkennzahl pro Klasse K.
Die Klassen K werden somit entsprechend dem Risiko eines Leerlaufs des Dosierofenspeichers unterschiedlich gewichtet. Ist ein Leerlauf innerhalb kurzer Zeit zu erwarten, ist die Prioritätszahl PZi deutlich höher, als wenn das Leerlaufen erst nach einer längeren Zeitspanne zu erwarten ist.
Die Senkenkennzahl BZDGM beurteilt die aktuelle Versorgungslage der Druckgussanlagen auf der Basis dieser Gewichtungszahlen. Eine hohe Zahl steht für eine schlechte Versorgung, welche ein baldiges Leerlaufen von mehreren Dosieröfen erwarten lässt, eine niedrige Zahl steht für eine hohe Versorgungssicherheit.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist das Bewertungsmodul ein Regelwerk auf, welches beispielsweise als eine Look-Up Tabelle ausgebildet ist, wobei das Bewertungsmodul auf Basis des Regelwerks, der Quellenkennzahl sowie der Senkenkennzahl die zeitabhängige Speicherverteilungskennzahl SVK bildet. Insbesondere wird jeder Paarung von Quellenkennzahl und Senkenkennzahl eine Speicherverteilungskennzahl SVK zugeordnet. Die Speicherverteilungskennzahl SVK kann einen nummerischen Wert einnehmen, alternativ ist auch ein Symbol, z.B. eine Anzahl von + oder - möglich.
Es ist optional vorgesehen, dass das Planungsmodul ausgebildet ist, in einem iterativen Vorgehen in einem ersten Durchlauf ein erstes Reinigungsintervall zur Reinigung eines ersten Schmelzofens auf Basis der zeitabhängigen Speicherverteilungskennzahl zu suchen. In dem ersten Durchlauf wird das Zeitintervall für den größten Schmelzofen aus den verfügbaren Schmelzöfen gesucht. Der Hintergrund dieser Ausgestaltung ist es, dass bei der ersten Suche nach einem geeigneten Zeitintervall der beste Platz gewählt werden kann, sodass der Schmelzofen mit der größten Kapazität die beste zeitliche Position zur Reinigung erhält.
Es ist besonders bevorzugt, dass dasjenige Zeitintervall als Reinigungsintervall gewählt wird, welches die größte in dem Zeitintervall aufsummierte Speicherverteilungsgesamtkennzahl aufweist. Trägt man beispielsweise die zeitabhängige Speicherverteilungskennzahl in einem Graphen auf, so wird das Zeitintervall gewählt, in dem die Fläche unter dem Graphen in dem Zeitintervall maximal ist.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird der erste Durchlauf für weitere Schmelzöfen in gleicher Weise durchgeführt, wobei jedoch vor der Verteilung eines Zeitintervalls für einen weiteren Schmelzofen jeweils die zeitabhängige Speicherverteilungskennzahl unter Berücksichtigung bereits vergebener Zeitintervalle als Reinigungsintervalle neu berechnet wird. Mathematisch betrachtet wird dann in jedem m-ten Schritt mit 1<m≤n die zeitabhängige Speicherverteilungskennzahl unter Berücksichtigung der m-1 Reinigungsintervalle bestimmt und in einem m-ten Durchlauf ein m-tes Zeitintervall zur Reinigung eines m-ten Schmelzofens auf Basis der zeitabhängigen Speicherverteilungskennzahl gesucht, wobei der m-te Schmelzofen der m-größte Schmelzofen aus der Menge der Schmelzöfen ist. Anders ausgedrückt wird dem größten Schmelzofen der beste zeitliche Platz, dem zweitgrößten Schmelzofen der zweitbeste zeitliche Platz etc. zugeordnet. Dies wird dadurch erreicht, dass nach Zuordnung des ersten Reinigungsintervalls die zeitabhängige Speicherverteilungskennzahl neu berechnet wird und auf Basis der neuberechneten Speicherverteilungskennzahl das Zeitintervall für den zweit- oder nächstgrößten Schmelzofen gewählt wird.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die Vorrichtung ein Schichtmodul auf, wobei in dem Schichtmodul Schichtzeiten und gegebenenfalls Sperrzeiten eingebbar sind. Es ist vorgesehen, dass das Planungsmodul ausgebildet ist, die Reinigungsintervalle innerhalb des Schichtintervalls zu legen. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass in der vorgegebenen Schicht, vorzugsweise in jeder Schicht jeder der Schmelzöfen ein Reinigungsintervall zugeordnet bekommt.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung zur Automatisierung der Vorrichtung weist diese mindestens eine Eingangsschnittstelle auf, wobei über die mindestens eine Eingangsschnittstelle aktuelle Füllstände der Quellen zur Bestimmung der Quellenkennzahl eingebbar sind. Besonders bevorzugt umfasst die Vorrichtung eine Mehrzahl von Messeinrichtungen zur Messung der Füllstände der Quellen, wobei die Mehrzahl der Messeinrichtungen datentechnisch mit der mindestens einen Eingangsschnittstelle verbunden ist, sodass die aktuellen Füllstände an die Vorrichtung übergeben werden können. In gleicher Weise ist es bevorzugt, dass die Vorrichtung eine Ausgangsschnittstelle zur Übertragung der Planungsintervalle an die Schmelzöfen ausgebildet ist, sodass die Schmelzöfen beispielsweise den Freischmelzvorgang automatisiert einleiten können.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verteilung von Reinigungsintervallen bei einer Mehrzahl von Schmelzöfen, wobei das Verfahren vorzugsweise auf der Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche bzw. wie dieses zuvor beschrieben wurde ausgeführt wird. Bei dem Verfahren werden die folgenden Schritte durchgeführt:

- Berechnung einer Quellenkennzahl,
- Berechnen einer Senkenkennzahl,
- Bestimmung einer Speicherverteilungskennzahl,
- Verteilung der Reinigungsintervalle für die Schmelzöfen auf Basis der Speicherkennzahl.

Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkung der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie der beigefügten Figuren. Diese zeigen:
Einander entsprechende oder gleiche Teile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

1 eine schematische Darstellung des Materialflusses in einem Schmelz- und Druckgussbetrieb;
2 eine abstrahierte Darstellung des Materialflusses und der Flüssigleichtmetallfüllstände des Schmelz- und Druckgussbetriebs in der 1;
3 ein schematisches Blockdiagramm einer Vorrichtung zur Verteilung von Reinigungsintervallen als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4 eine beispielhafte Tabelle zur Bestimmung der Speicherverteilungskennzahl;
5 ein Flussdiagramm zur Erläuterung des Verfahrens zur Bestimmung der Reinigungsintervalle;
6, 7 beispielhafte Ergebnisse für die Verteilung der Reinigungsintervalle.

Die 1 zeigt in einer schematischen Darstellung den Materialfluss in einem Schmelz- und Druckgussbetrieb 1. Grob betrachtet kann der Schmelz- und Druckgussbetrieb 1 in einen Schmelzbetrieb 2 und in einen Druckgussbetrieb 3 unterteilt werden, wobei in dem Schmelzbetrieb 2 Flüssigleichtmetall bevorratet oder geschmolzen wird und für den Druckgussbetrieb 3 bereitgestellt wird. Im Druckgussbetrieb 3 werden aus dem Flüssigleichtmetall im Druckgussverfahren beliebige Produkte hergestellt. Das Flüssigleichtmetall ist insbesondere als eine flüssige Aluminiumlegierung und/oder als ein Flüssigaluminium ausgebildet.
Das Leichtmetall wird über Lastkraftwagen 4 entweder als festes Leichtmetall 5, insbesondere als Masselpakete, also als Halbzeug für die Schmelze, oder bereits als Flüssigleichtmetall 6 angeliefert. Das feste Leichtmetall 5 wird in einem Zwischenlager 7 gelagert. Der Schmelzbetrieb 2 weist eine Mehrzahl, insbesondere m Schmelzöfen 8 auf, wobei in den Schmelzöfen 8 das feste Leichtmetall 5 in Flüssigleichtmetall geschmolzen wird. Am Ausgang der Schmelzöfen 8 steht damit Flüssigleichtmetall zur Verfügung.
Das bereits angelieferte Flüssigleichtmetall 6 wird in Kippstationen 9 eingefüllt, insbesondere weist der Schmelzbetrieb 2 j Kippstationen 9 auf. Damit stellen die j Kippstationen 9 Flüssigleichtmetall zur Verfügung. Die Schmelzöfen 8 und die Kippstationen 9 werden als Quellen für Flüssigleichtmetall in dem Schmelz- und Gussbetrieb 1 betrachtet. Der Transport des festen Leichtmetalls 5 zu den Schmelzöfen 8 erfolgt über Transporteinheiten 10, in diesem Beispiel über Stapler.
Im Druckgussbetrieb 3 sind n Druckgussanlagen 12 angeordnet, wobei jede der Druckgussanlagen 12 mindestens oder genau einen Dosierofen 13 und mindestens oder genau eine Druckgussmaschine 14 aufweist. Die Dosieröfen 13 nehmen Flüssigleichtmetall auf und bevorraten es für die Druckgussmaschinen 14. Ein Aufschmelzen von festem Leichtmetall ist jedoch in den Dosieröfen 13 nicht vorgesehen. Damit bilden die Druckgussanlagen 12 Senken für das Flüssigleichtmetall.
Von dem Schmelzbetrieb 2 wird das Flüssigleichtmetall durch die Transporteinheiten 10 über Impellerstationen 11 zu den Druckgussanlagen 12 geführt. Das minimale Zeitintervall von dem Druckgussbetrieb 3 zum Schmelzbetrieb 2 und der Transport des Flüssigleichtmetalls von dem Schmelzbetrieb 2 zu dem Druckgussbetrieb 3 wird als minimale Wiederbeschaffungszeit WBZmin bezeichnet.
Die 2 zeigt in einem Blockdiagramm den Materialfluss im Schmelz- und Druckgussbetrieb 1 der vorhergehenden Figur in einer stark schematisierten Weise. Auf der linken Seite ist der Schmelzbetrieb 2 zusammenfassend dargestellt, wobei die m Schmelzöfen 8 einen gemeinsamen Füllstand und die j Kippstationen 9 ebenfalls einen gemeinsamen Füllstand aufweisen. Der Gesamtfüllstand ist dann die Summe der Füllstände der Schmelzöfen 8 und der Kippstationen 9. Die Füllstände sämtlicher Quellen sind abhängig von der Zeit t.
Auf der rechten Seite sind die Füllstände der Druckgussanlagen 12 insbesondere der Dosieröfen 13 der Druckgussanlagen 12 dargestellt. Diese haben einen Füllstand FS_DGM für jede Druckgussanlage 12. Aus dem Füllstand FS_DGM resultiert eine Restlaufzeit bis das Flüssigleichtmetall verbraucht ist von RLZ_DGM. Die Restlaufzeit RLZ_DGM ist abhängig vom Bruttoschussgewicht pro Teil BSG_DGM sowie die Taktzeit TZ_DGM. Zwischen dem Schmelzbetrieb 2 und dem Druckgussbetrieb 3 ist ein weiterer Speicher dargestellt, welcher das Flüssigleichtmetall auf den Transporteinheiten 10 darstellt. Dieser hat den Füllstand FS_DGM-_ST. Die Gesamtkapazität der Dosieröfen 13 der Druckgussanlagen 12 ist die Summe der einzelnen maximalen Kapazitäten FS_DGM,max der einzelnen Dosieröfen 13. Der Gesamtfüllstand der Dosieröfen 13 der Druckgussanlagen 12 ist die Summe der einzelnen Füllstände FS_DGM der einzelnen Dosieröfen 13.
Die Schmelzöfen 8 werden regelmäßig, oftmals alle einmal während einer Schicht (8 Stunden) freigeschmolzen und gereinigt. Optional gibt es unmittelbar nach Schichtbeginn eine Sperrzeit, in der nicht freigeschmolzen wird. Vorteilhaft ist es, den Reinigungsvorgang dann durchzuführen, wenn ein Überangebot an Flüssigleichtmetall vorliegt bzw. der Bedarf an Flüssigleichtmetall durch die Druckgussanlagen 12 gering ist. Nachfolgend wird eine Vorrichtung 15 und ein Verfahren vorgestellt, welches die Versorgungslage in dem Schmelz- und Druckgussbetrieb 1 anhand von Kennzahlen beurteilt und automatisiert die günstigsten Zeiten für die Reinigung der einzelnen Schmelzöfen 8 bestimmt.
Die 3 zeigt in einem schematischen Blockdiagramm eine Vorrichtung 15 zur Verteilung von Reinigungsintervallen für die Schmelzöfen 8 in dem Schmelz- und Druckgussbetrieb 1. Die Vorrichtung 15 ist beispielsweise als ein Computer oder eine andere Datenverarbeitungsanlage ausgebildet. Die Vorrichtung 15 weist eine Eingangsschnittstelle 16 auf, über die die Einzelfüllstände FS(KS_m;t) oder der Gesamtfüllstand FS_KS(t) der Kippstationen 9 sowie die Einzelfüllstände FS(SO_m;t) oder der Gesamtfüllstand FSso(t) der Schmelzöfen 8 an die Vorrichtung 15 übergeben werden können. Ferner werden die Füllstände der Dosieröfen 13 der Druckgussanlagen 12 erfasst. Dabei kann wahlweise vorgesehen sein, dass die Kippstationen 9 und/oder die Schmelzöfen 8 sowie die Dosieröfen 13 der Druckgussanlagen 12 Sensoren 17a oder andere Messeinrichtungen aufweisen, die die Füllstände automatisiert erfassen und an die Eingangsschnittstelle 16 übertragen. Alternativ und/oder ergänzend kann eine Eingabeeinrichtung 17b vorgesehen sein, über die die Füllstände manuell eingegeben werden und/oder weitere Informationen, wie zum Beispiel der Gesamtaufbau des Schmelz- und Druckgussbetriebs 1 eingegeben werden können.
Ferner weist die Vorrichtung 15 eine Ausgangsschnittstelle 18 auf über die Daten zu den Reinigungsintervallen ausgegeben werden. Es kann dabei vorgesehen sein, dass die Ausgangsschnittstelle 18 datentechnisch mit den Schmelzöfen 8 verbunden ist, sodass diese Daten automatisiert übertragen und von den Schmelzöfen 8 automatisiert angewendet werden. Alternativ hierzu ist die Ausgangsschnittstelle 18 mit einer Ausgabeeinrichtung 19 verbunden über die die Daten ausgegeben werden. Die Ausgangseinrichtung 19 kann beispielsweise als ein Monitor ausgebildet sein, auf den die Reinigungsintervalle bzw. deren Verteilung dargestellt ist. Es ist jedoch auch möglich, dass die Ausgangseinrichtung 19 als ein Drucker realisiert ist, der die Daten zur weiteren Verwendung ausdruckt.
Die Vorrichtung 15 weist ein Quellenmodul 20 auf, wobei das Quellenmodul 20 eine Quellenkennzahl bestimmt. Die Quellenkennzahl als Bewertungszahl für den Schmelzbetrieb 2, bestehend aus m Schmelzöfen 8 und j Kippstationen 9 (in denen extern angeliefertes Flüssigaluminium zur Verfügung steht), beschreibt die Gesamtmenge des zur Verfügung stehenden Flüssigaluminiums normiert auf die Kapazität der Dosierofenspeicher aller Druckgussmaschinen 14 der Druckgussanlagen 12. $B Z_{S O} = \frac{\sum_{i = 1}^{m} F S_{S O, i} + \sum_{i = 1}^{j} F S_{K S, i}}{\sum_{i = 1}^{n} F S_{D G M, m a x, i}} = \frac{\sum_{i = 1}^{4} F S_{S O,1} + \sum_{i = 1}^{1} F S_{K S, i}}{\sum_{i = 1}^{31} F S_{D G M, m a x, i}}$
Dabei ist FS_S0,i der Füllstand der Ofenwanne des i-ten Schmelzofens, FS_KS,i der Vorrat an Flüssigaluminium an der i-ten Kippstation und FS_DGM,max,i die Kapazität des Dosierofens der i-ten Druckgussmaschine. Eine Bewertungszahl von 1 würde bedeuten, dass in den Warmhaltebehältern der Schmelzöfen 8 und Kippstationen 9 genau so viel Flüssigaluminium zur Verfügung steht, wie in die Dosierofenspeicher aller Druckgussmaschinen 14 der Druckgussanlagen 12 passt.
Die Vorrichtung 15 weist ferner ein Senkenmodul 21 auf. Das Senkenmodul 21 dient dazu, eine Senkenkennzahl zu bestimmen. Mit der Senkenkennzahl als weitere Bewertungszahl wird die aktuelle Versorgung der Druckgussmaschinen 14 der Druckgussanlagen 12 mit Flüssigaluminium anhand des Füllstandes der zugehörigen Dosieröfen 13 beurteilt: Dabei werden die Restlaufzeiten RLZ der Druckgussmaschinen 14 der n Druckgussanlagen 12 aus den Taktzeiten, dem Bruttoschussgewicht und dem aktuellen Dosierofenfüllstand bestimmt. Die ermittelten Restlaufzeiten RLZ werden dann, normiert auf die minimale Wiederbeschaffungszeit WBZ_min durch die Transporteinheiten 10, den verschiedenen Klassen K zugeordnet. In diesem Zusammenhang wird auf die bereits oben dargestellte Tabelle verwiesen.
Die Klassen werden nun entsprechend dem Risiko eines Leerlaufens des Dosierofenspeichers unterschiedlich gewichtet. Ist ein Leerlaufen innerhalb kurzer Zeit zu erwarten, ist die Gewichtungszahl PZ_i als Prioritätszahl deutlich höher, als wenn das Leerlaufen erst nach einer längeren Zeitspanne zu erwarten ist. Die durchschnittliche Bewertungszahl BZ_DGM beurteilt die aktuelle Versorgunglage der Druckgussmaschinen 14 auf der Basis dieser Gewichtungszahlen. Eine hohe Zahl steht für eine schlechte Versorgung, welche ein baldiges Leerlaufen von mehreren Dosieröfen 13 erwarten lässt, eine niedrige Zahl steht für eine hohe Versorgungssicherheit.
Nachstehend ist die Berechnungsformel für die Senkenkennzahl als Bewertungszahl BZ_DGM ausgeführt: $B Z_{D G M} = \sum_{i = 1}^{k} B Z_{i} \frac{\sum_{i = 1}^{k} P Z_{i} * n_{i}}{\sum_{i = 1}^{k} n_{i}}$
Dabei ist PZ_i der Gewichtungsfaktor für die i-te Klasse, n_i die Zahl der Druckgussmaschinen 14, die in die i-te Klasse fallen und BZ_i die Bewertungszahl für die i-te Klasse.
Die Vorrichtung 15 weist ferner ein Bewertungsmodul 22 auf, um eine Speicherverteilungskennzahl SVK zu bestimmen. Die Bewertungszahlen für das Angebot (Quellenkennzahl) und die Nachfrage an Flüssigaluminium (Senkenkennzahl) werden beide beurteilt und anhand dieser Beurteilung erfolgt eine Einschätzung der Versorgungslage mit Flüssigaluminium: Hohes Angebot an Flüssigaluminium (in 4 ++) bei gleichzeitig langen Restlaufzeiten (in 4 ++) entspricht einer sehr guten Versorgungslage (Unterlast = Überproduktion), geringes Angebot an Flüssigaluminium (in 4 --) bei gleichzeitig geringen Restlaufzeiten (in 4 --) der Druckgussmaschinen 14 einer sehr schlechten Versorgungslage (Überlast = Unterproduktion). Die Versorgungslage wird z.B. sekündlich auf die Speicherverteilungskennzahl SVK abgebildet.

Bezeichnung Zustand SVK

UL Unterlast 10

UL-NL Übergangsbereich Normallast zu Unterlast 6

NL Normallast 3

ÜL-NL Übergangsbereich Überlast zu Normallast 1

ÜL Überlast 0
Diese Kennzahlen werden Speicherverteilungskennzahlen (abgekürzt SVK) genannt. nachfolgend ist eine Tabelle mit beispielhaften Werten dargestellt.
Damit ist der funktionale Zusammenhang $S V K = ƒ (B Z_{D G M}, B Z_{S O})$
eindeutig definiert. Eine DGM-Bewertungszahl von 2,5 und eine SO-Bewertungszahl von 0,4 zeigen beispielsweise eine Normallast mit einer SVK von 3 an.
Mit der Ermittlung der Speicherverteilungskennzahl SVK kann die Versorgungssituation der Druckgussmaschinen 14 mit Flüssigaluminium beurteilt werden. Beispielwese durch eine umfassende Materialfluss-Simulation des Schmelz- und Druckgussbetriebes 1 können vorausschauend sekündlich die Speicherverteilungskennzahl SVK und damit gezielt Zeitintervalle mit guter Versorgungslage (Unterlast = Überproduktion) ermittelt werden. In diesen Zeitintervallen kann dann durch das Freischmelzen und Reinigen eines Schmelzofens 8 die gesamte Schmelzleistung herabgesetzt werden, ohne die Produktion zu gefährden.
Optional weist die Vorrichtung 15 ein Schichtmodul 23 auf, wobei in dem Schichtmodul 23 Daten über Schichtverläufe, Sperrzeiten etc. abgelegt sind. Z.B. ist es möglich, in dem Schichtmodul 23 festzulegen, dass alle Schmelzöfen 8 einmal in einer vorgebbaren Zeit, z.B. in einer Schicht von 8h ein Reinigungsintervall erhalten sollen. Zudem können Sperrzeiten hinterlegt werden, so dass Zeiten, in denen aus organisatorischen Gründen kein Reinigungsintervall durchgeführt werden soll, eingegeben und berücksichtigt werden können.
In einem Planungsmodul 24 der Vorrichtung 15 werden die Reinigungsintervalle für die Schmelzöfen 8 verteilt. Der Algorithmus zur Ermittlung der Freischmelz- und Reinigungsintervalle ist in 5 als Flussdiagramm dargestellt. Um den optimalen Freischmelzzeitpunkt und/oder die optimale Reinigungszeit für einen Schmelzofen 8 herauszufinden, werden in einem ersten Durchlauf bei k = 0 über eine Materialflusssimulation des Schmelz- und Druckgussbetriebes 1 die Speicherverteilungskennzahlen SVZ für den Fall eines Durchlaufens der Schmelzöfen 8 (ohne Freischmelzen und Reinigen) ermittelt.
In dem Schritt 100 erfolgt eine Simulation einer Schicht mit k-Reinigungsintervallen. In dem Schritt 200 erfolgt eine Berechnung der Kennzahlen, insbesondere der Quellenkennzahl, der Senkenkennzahl und der Speicherverteilungskennzahl. Im Anschluss wird für den Schmelzofen 12 mit der größten Schmelzleistung unter Vorgabe der Zeitdauer für das Reinigungsintervall, insbesondere das Freischmelzen und Reinigen, und optional (Schritt 400) unter Berücksichtigung der Sperrzeit das Zeitintervall mit der größten aufsummierten Speicherverteilungskennzahl SVZ (Schritt 300) ermittelt und als Reinigungsintervall bestimmt. Nach einer erneuten Simulation mit k = 1, in der das Reinigungsintervall des größten Schmelzofens 12 enthalten ist, wird für den Schmelzofen 12 mit der zweitgrößten Schmelzleistung das Zeitintervall mit der größten aufsummierten Speicherverteilungskennzahl SVZ ermittelt und als Reinigungsintervall bestimmt. So wird bis zum Schmelzofen 12 mit der kleinsten Schmelzleistung fortgefahren.
Durch dieses Verfahren erhält man simulationsgestützt die besten Zeitpunkte für das Reinigungsintervall, insbesondere das Freischmelzen und Reinigen der einzelnen Schmelzöfen 8, wobei der Flüssigaluminiumversorgung der Druckgussmaschinen 14 die höchste Priorität eingeräumt wird. Voraussetzung für den Algorithmus ist eine vorhandene Materialflusssimulation des gesamten Schmelz- und Druckgussbetriebes 1, mit der die Füllstände der Schmelzöfen 8 und der Dosieröfen 13 der Druckgussmaschinen 14 für eine Schicht im Sekundenabstand prognostiziert werden können.
Die Materialflusssimulation kann z.B. als hybride ereignisgesteuerte und dynamische Simulation den kompletten Materialfluss abdecken und ist z.B. in Matlab/Simulink/Stateflow implementiert. Um die aktuelle Schmelzleistung zu berechnen ist ein Energiemodell des Schmelzofens 12 implementiert. Die Umsetzung des Algorithmus aus 5 in Matlab zeigt der nachfolgende Code:
In der Funktion GetTimeSlotsSmart wird auf Basis der durch die Simulation ermittelten Kennzahlen das optimale Freischmelz- und Reinigungsintervall bestimmt. Das ermittelte Freischmelz- und Reinigungsintervall wird dann in der Konfigurationsdatei der Materialfluss-Simulation gesetzt. Beim nächsten Schleifendurchgang wird dieses Intervall dann von der Materialfluss-Simulation DGBetrieb aus der Konfigurationsdatei ausgelesen und die Schicht einschließlich des Freischmelz- und Reinigungsintervalls simuliert.
In den 6 und 7 sind Ergebnisse beim Betrieb der Vorrichtung 15 dargestellt. In der 6 sind die Ergebnisse dargestellt, wobei eine gute Versorgungslage herrscht. Hierbei ist die Speicherverteilungskennzahl SVK in dem ersten Zeitbereich sehr hoch, nämlich 10, und wird erst nach 5h kleiner und geht auf Werte zwischen 6 und 3 zurück. Die eingezeichneten Reinigungsintervalle R1...R4 beziehen sich auf vier Schmelzöfen 8, wobei das Reinigungsintervall R1 dem größten Schmelzofen 8, das Reinigungsintervall R2 dem zweitgrößten Schmelzofen etc. zugewiesen ist. Nachdem die Speicherverteilungskennzahl SVK durchgehend sehr hoch ist, werden die Reinigungsintervalle R1...R4 nacheinander und in absteigender Reihenfolge der Größe der Schmelzöfen 8 vorgeschlagen.
In der 7 ist dagegen eine schlechtere Versorgungslage gegeben, wobei die Speicherverteilungskennzahl SVK zwischen den Werten 1 und 3 schwankt. Bei diesen Randbedingungen schlägt das Planungsmodul 24 vor, zunächst den drittgrößten Schmelzofen 8 (R3), dann den größten Schmelzofen 8 (R1), dann den kleinsten Schmelzofen 8 (R4) und schließlich den zweitgrößten Schmelzofen 8 (R2) zu reinigen. Ferner sind durch die Vorrichtung 15 und insbesondere das Planungsmodul 24 zeitliche Abstände zwischen den Reinigungsintervallen berücksichtigt.
Bezugszeichenliste

1: Schmelz- und Druckgussbetrieb
2: Schmelzbetrieb
3: Druckgussbetrieb
4: Lastkraftwagen
5: Leichtmetall
6: Flüssigleichtmetall
7: Zwischenlager
8: Schmelzöfen
9: Kippstationen
10: Transporteinheiten
11: Impellerstationen
12: Druckgussanlagen
13: Dosieröfen
14: Druckgussmaschinen
15: Vorrichtung
16: Eingangsschnittstelle
17a: Sensoren / Messeinrichtung
17b: Eingabeeinrichtung
18: Ausgangsschnittstelle
19: Ausgangseinrichtung
20: Quellenmodul
21: Senkenmodul
22: Bewertungsmodul
23: Schichtmodul
24: Planungsmodul
R1 bis R4: Reinigungsintervalle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102014010820 A1 [0003]

Claims

Vorrichtung (15) zur Verteilung von Reinigungsintervallen (R1...R4) bei einer Mehrzahl (m) Schmelzöfen (8) für Leichtmetalllegierungen in einem Schmelz- und Druckgussbetrieb (1), mit einem Quellenmodul (20), wobei das Quellenmodul (20) aus Quellen (8,9) für Flüssigleichtmetall (6) eine zeitabhängige Quellenkennzahl (BZso) bildet, mit einem Senkenmodul (21), wobei das Senkenmodul (21) aus Senken (12) für Flüssigleichtmetall (6) eine zeitabhängige Senkenkennzahl (BZ_DGM) bildet, mit einem Bewertungsmodul (22), wobei das Bewertungsmodul (22) aus der Quellenkennzahl (BZso) und der Senkenkennzahl (BZ_DGM) eine zeitabhängige Speicherverteilungskennzahl (SVK) bildet, mit einem Planungsmodul (24), wobei das Planungsmodul (24) die Reinigungsintervalle (R1...R4) in Abhängigkeit der zeitabhängigen Speicherverteilungskennzahl (SVK) verteilt.
Vorrichtung (15) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Quellen als Schmelzöfen (8) sowie optional ergänzend als Kippstationen (9) und/oder dass die Senken als Druckgussanlagen (12) ausgebildet sind.
Vorrichtung (15) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Quellenkennzahl (BZso) durch einen Quotient aus der Summe der zeitabhängigen Füllstände der Schmelzöfen (8) sowie optional ergänzend der zeitabhängigen Füllstände der Kippstationen (9) als Zähler und der zeitunabhängigen Gesamtkapazität von Dosieröfen (13) der Druckgussanlagen (12) als Nenner gebildet ist.
Vorrichtung (15) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Senkenkennzahl (BZ_DGM) als ein Mittelwert von Senkeneinzelkennzahlen für die Senken (12) ausgebildet ist, wobei die Senkeneinzelkennzahlen jeweils als ein aktueller Füllstand des Dosierofens und/oder als eine Restlaufzeit der Druckgussmaschine mit dem Dosierofen ausgebildet ist.
Vorrichtung (15) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem aktuellen Füllstand und/oder aus der Restlaufzeit eine Prioritätszahl (PZ) als die Senkeneinzelkennzahl gebildet ist.
Vorrichtung (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bewertungsmodul (22) ein Regelwerk aufweist, wobei das Bewertungsmodul (22) auf Basis des Regelwerks die zeitabhängige Speicherverteilungskennzahl (SVK) bildet.
Vorrichtung (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Planungsmodul (24) ausgebildet ist, in einem iterativen Vorgehen in einem ersten Durchlauf (k=0) ein erstes Reinigungsintervall (R1) eines ersten Schmelzofens (8) auf Basis der zeitabhängigen Speicherverteilungskennzahl (SVK) zu suchen, wobei der erste Schmelzofen (8) der größte Schmelzofen aus der Mehrzahl der Schmelzöfen (8) ist.
Vorrichtung (15) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Zeitintervall als Reinigungsintervall (R1) gewählt wird, welches die größte in dem Zeitintervall aufsummierte Speicherverteilungskennzahl (SVK) aufweist.
Vorrichtung (15) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem m-ten Schritt mit 1<m<n die zeitabhängige Speicherteilungskennzahl (SVK) unter Berücksichtigung der m-1 Reinigungsintervalle (R1..R_m-1) bestimmt wird und in einem m-ten Durchlauf ein m-tes Zeitintervall zur Reinigung eines m-ten Schmelzofens (8) auf Basis der zeitabhängigen Speicherverteilungskennzahl (SVK) zu suchen, wobei der m-te Schmelzofen (8) der m-größte Schmelzofen aus den m Schmelzöfen (8) ist.
Vorrichtung (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Schichtmodul (23), wobei in dem Schichtmodul (23) eine Schichtintervall vorgebbar ist und das Planungsmodul (24) ausgebildet ist, die Reinigungsintervalle (R1 ...R4) innerhalb des Schichtintervalls zu legen.
Vorrichtung (15) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schichtmodul (23) Sperrzeiten vorgebbar sind, wobei das Planungsmodul (24) ausgebildet ist, die Reinigungsintervalle (R1...R_m) außerhalb von den Sperrzeiten zu legen.
Vorrichtung (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens eine Eingangsschnittstelle (16), wobei über die mindestens eine Eingangsschnittstelle (16) aktuelle Füllstände der Quellen (8,9) zur Bestimmung der Quellenkennzahl (BZso) eingebbar sind.
Vorrichtung (15) nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Messeinrichtungen (17a) zur Messung der Füllstände der Quellen (8,9), wobei die Mehrzahl der Messeinrichtung (17a) datentechnisch mit der mindestens einen Eingangsschnittstelle (16) verbunden ist.
Vorrichtung (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Ausgangsschnittstelle (18) zur Übertragung der Reinigungsintervalle (R1...R_m) an die Schmelzöfen (8).
Verfahren zur Verteilung von Reinigungsintervallen (R1...R_m) bei m Schmelzöfen (8) mit der Vorrichtung (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.