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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung eines Streckreduzierwalzwerks nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Steuerung eines Streckreduzierwalzwerks gemäß Anspruch 10.
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Aus der Praxis des Betriebs von Streckreduzierwalzwerken ist es bekannt, Drehzahldifferenzen von Antriebsmotoren zur Beeinflussung des Streckvorgangs mittels einer entsprechenden Rechnersteuerung anzupassen, um das Walzergebnis zu verbessern.
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DE 36 43 659 A1 beschreibt eine allgemeine Ansteuerung eines Streckreduzierwalzwerks in Abhängigkeit von gemessenen Wanddicken eines Walzgutes.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Steuerung eines Streckreduzierwalzwerks anzugeben, bei der komplexe Steuerungsdaten zur Veränderung von Motordrehzahlen bei hoher Betriebssicherheit verwendet werden können.
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Diese Aufgabe wird für eine eingangs genannte Vorrichtung erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Durch die Koppelung der SPS mit einer in einer universalen Hochsprache programmierten Rechnereinheit über eine echtzeitfähige Schnittstelle wird erreicht, dass komplexe Steuerungsalgorithmen effizient eingesetzt werden können.
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Unter einer SPS, Abkürzung für speicherprogrammierbare Steuerung, wird im Sinne der Erfindung dabei eine wenigstens einen, insbesondere mehrere der Motoren mit elektrischer Energie beaufschlagende Steuerung verstanden. Die Erfindung versteht „SPS“ als Sammelbegriff. Ein Motor im Sinne der Erfindung umfasst die zur Erzeugung der elektromotorischen Kraft erforderlichen Komponenten wie zum Beispiel Wicklung, Rotor und Stator. Aufgrund ihrer Programmierbarkeit umfasst die SPS auch eine elektronische Rechnereinheit. Diese Rechnereinheiten einer SPS sind je nach Anforderungen aufwendig oder auch begrenzt programmierbar. Die SPS-Programmabläufe sind dabei vorzugsweise zyklusorientiert.
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Unter einer universalen Hochsprache werden im Sinne der Erfindung besonders bevorzugt, aber nicht abschließend folgende Programmiersprachen verstanden: JAVA, C, C++, FORTRAN, BASIC sowie deren Derivate.
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Weiterhin vorteilhaft umfasst die erste Rechnereinheit einen Standard-Mikrocomputer und/oder ein Open-Source Betriebssystem und/oder ein allgemein verbreitetes General-Purpose-Betriebssystem wie Windows.
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Weiterhin vorteilhaft sind die erste Rechnereinheit und/oder die universelle Hochsprache herstellerneutral oder herstellerunabhängig.
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Weiterhin vorteilhaft führt die universelle Hochsprache eine ereignisorientierte Verarbeitung durch.
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Weiterhin vorteilhaft geht die universelle Hochsprache im Sprachumfang über die Standards von SPS-Sprachen, beispielsweise nach IEC61131, hinaus.
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Im Sinne der Erfindung dient die erste Rechnereinheit entweder vollständig oder teilweise der Berechnung von Solldrehzahlen der Motoren des Streckreduzierwalzwerks. Durch die echtzeitfähige Schnittstelle kann eine so zeitnahe Übermittlung von Berechnungsergebnissen zur Änderung der Drehzahlen an die SPS und hierüber an die Motoren sichergestellt werden, dass die Anpassung der Drehzahlen zumindest zwischen aufeinander folgenden Walzvorgängen, je nach Anforderungen auch während eines Walzvorgangs, erfolgt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass in der SPS eine Grundsteuerung der Motoren mit Grundmotordrehzahlen hinterlegt ist, wobei der SPS über die Schnittstelle eine jeweils einzustellende Korrektur zu den Grundmotordrehzahlen übermittelt wird. Eine solche Korrektur kann beispielsweise ein Differenzwert, ein bezogener Relativwert oder Gradient sein. Hierdurch wird auf einfache Weise erreicht, dass auch bei Ausfall oder Störung der ersten Rechnereinheit und/oder der echtzeitfähigen Schnittstelle eine beschädigungsfreie Weiterführung des Walzvorgangs erfolgt.
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Bei bevorzugten Detailgestaltungen der Erfindung übermittelt die Schnittstelle die Änderung der Drehzahlen mittels einer verbindungslosen digitalen Übertragung, mittels einer Echtzeit-Analogübertragung oder mittels einer Shared-Memory-Kommunikation an die SPS.
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Die erwähnte verbindungslose digitale Übertragung erfordert keine Rückmeldung oder Bestätigung des Datenaustausches durch die Gegenseite. Ein bevorzugtes Beispiel für die konkrete Realisierung einer solchen Übertragung findet sich im verbreiteten UDP-Netzwerkprotokoll.
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Mit allen genannten Varianten einer echtzeitfähigen Schnittstelle lässt sich eine schnelle und weitgehende herstellerneutrale Kommunikation sicherstellen.
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Allgemein vorteilhaft können Messgeräte Messwerte des Walzgutes, bevorzugt ein oder mehrere Werte aus der Gruppe Positionserkennung, Wanddicke, Durchmesser, Temperatur feststellen. Dabei werden die Messwerte bevorzugt mittels eines von der Schnittstelle separaten Bussystems übertragen. Dies erlaubt die komplexe Verarbeitung von umfassenden Prozessdaten zur Optimierung des Walzvorgangs, wobei bevorzugt die echtzeitfähige Schnittstelle nicht durch die Messdaten belastet wird.
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Im Interesse eines ausreichend schnellen und reibungslosen Ablaufs der Steuerung ist es vorgesehen, dass eine Aktualisierungsrate der Drehzahländerungen über die Schnittstelle nicht mehr als 40 ms, bevorzugt nicht mehr als 25 ms, beträgt.
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Gemäß der Erfindung ist eine zweite Rechnereinheit vorgesehen, wobei die zweite Rechnereinheit an der Ermittlung der Änderung der Drehzahlen beteiligt ist und mit der ersten Rechnereinheit über eine Verbindung kommuniziert. Bevorzugt ist dabei die zweite Rechnereinheit in einer universalen Hochsprache programmiert. Dies erlaubt insgesamt die Auslagerung weniger zeitkritischer Vorgänge der Berechnung und Datenverarbeitung auf die zweite Rechnereinheit, so dass insgesamt eine optimale Aufgabenverteilung auf die SPS, die erste Rechnereinheit und die zweite Rechnereinheit erzielt wird.
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Bei einer vorteilhaften Detailgestaltung kann zumindest eine der Rechnereinheiten, bevorzugt die zweite Rechnereinheit, zur Ermittlung der Änderung der Drehzahlen auf eine Datenbank zugreifen. Bevorzugt wird dabei eine relationale Datenbank mit der Datenbanksprache SQL Relationale Datenbanken sind mächtige Werkzeuge zur Speicherung und Optimierung von Prozessdaten. Durch die Erfindung wird die Verwendung solcher Datenbanken und der Sprache SQL in Verbindung mit der Steuerung eines Streckreduzierwalzwerks ermöglicht. Grundsätzlich sind aber auch andere Datenbankmodelle, z. B. objektorientierte Systeme und dafür geeignete Programmiersprachen verwendbar.
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Ferner ist es denkbar, dass die genannten Rechnereinheiten sowohl die aus dem Prozess empfangenen Rohdaten als auch die von ihr vorgenommenen Analysen und Berechnungen auf einem Langzeitarchivsystem ablegt, wo sie dann weiteren oder nachträglichen Datenauswertungen zur Verfügung stehen. Solche Analysen könnten dann ggf. von anderen Softwaresystemen vorgenommen werden.
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Im Interesse eines sicheren und einfachen Aufbaus ist es vorteilhaft vorgesehen, dass die Verbindung der ersten Rechnereinheit mit der zweiten Rechnereinheit ein Netzwerk umfasst. Das Netzwerk ist dabei besonders bevorzugt nicht echtzeitfähig. Diese Kommunikation der ersten und zweiten Rechnereinheit schont die Kapazität der Echtzeitschnittstelle.
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Bei einer hierzu alternativen Ausführungsform kann aber auch zumindest teilweise eine Kommunikation der beiden Rechnereinheiten über die echtzeitfähige Schnittstelle erfolgen.
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Bei allgemein vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung ist zumindest eine der Rechnereinheiten mit einer Prozessleitebene, bevorzugt mit einem Prozessleitrechner, verbunden. Besonders bevorzugt erfolgt dabei die Verbindung mit der Prozessleitebene über ein weiteres Netzwerk, das unabhängig von der Verbindung der Rechnereinheiten untereinander ist. Insgesamt wird hierdurch eine wenig zeitkritische Anbindung an ein höheres Level der Steuerung der Gesamtanlage ermöglicht. Die Verbindung mit dem Prozessleitsystem ermöglicht es den erfindungsgemäßen Rechnereinheiten, von dort Informationen über das zu walzende Produkt, wie beispielsweise Standards, Sollwerte etc. über die Sollwerte der Walzwerkseinstellung bzw. die aktuellen Istwerte der Walzwerkseinstellung zu erhalten. Umgekehrt können dem Prozessleitsystem Daten über den Zustand und das Verhalten der erfindungsgemäßen Rechnereinheiten sowie von diesen aufgenommene Messsignale übermittelt werden. Dabei können die genannten Daten teilweise oder gänzlich auch von der bzw. an die SPS erhalten oder gesendet werden.
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Die Aufgabe der Erfindung wird zudem gelöst durch ein Verfahren zur Steuerung eines Streckreduzierwalzwerks mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, umfassend die Schritte:
- a. Beaufschlagung der Motoren mit den Grundmotordrehzahlen durch die SPS;
- b. messsignalabhängige Ermittlung oder Vorgabe von Differenzen zu den Grundmotordrehzahlen zumindest teilweise durch die erste Rechnereinheit;
- c. Übermittlung der Korrekturwerte von der ersten Rechnereinheit an die SPS über die Schnittstelle;
- d. Wiederholung der Schritte b. und c. zumindest für aufeinanderfolgende Walzgüter, um die Qualität der Walzergebnisse zu verbessern.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie aus den abhängigen Ansprüchen.
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Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben und anhand der anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
- 1 zeigt eine Steuerung eines Streckreduzierwalzwerks nach dem Stand der Technik;
- 2 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Steuerung eines Streckreduzierwalzwerks;
- 3 zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Steuerung eines Streckreduzierwalzwerks;
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Ein vorbekanntes Streckreduzierwalzwerk nach dem Stand der Technik umfasst mehrere Walzen in Walzgerüsten 1, die von regelbaren Motoren angetrieben werden. Das Streckreduzieren eines Walzgutes 2 erfolgt dabei durch gezielte Ansteuerung der Motoren mit verschiedenen Drehzahlen, so dass das Walzgut zwischen den Walzen unter Zugspannung gesetzt wird.
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Die Motoren werden über eine herkömmliche speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) 3 mit elektrischer Energie versorgt. Die SPS 3 übernimmt vollständig die Abfrage und/oder Berechnung der Drehzahlen der Motoren während des Walzvorgangs.
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Die SPS 3 ist über ein Netzwerk 4 in Form eines Feldbussystems mit Sensoren 5, 6 verbunden, so dass Messwerte unmittelbar in die SPS einfließen. Die Sensoren 5 sind vorliegend exemplarisch Positionssensoren, zum Beispiel in Form von Lichtschranken. Die Sensoren 6 ermitteln weitere Messwerte zur Überwachung des Walzvorgangs, insbesondere Durchmesser, Wanddicke und Temperatur des Walzguts.
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Die SPS 3 kann zudem über ein nicht echtzeitfähiges Netzwerk 7 mit einem Prozessleitrechner 7a einer Prozessleitebene kommunizieren. Eine Einflussnahme auf einen laufenden Walzvorgang durch den Prozessleitrechner ist nicht vorgesehen.
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Bei einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 2 ist zusätzlich eine erste Rechnereinheit 8 vorgesehen. Die erste Rechnereinheit 8 ist überwiegend in einer universalen Hochsprache programmiert.
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Die erste Rechnereinheit 8 ist über eine echtzeitfähige Schnittstelle 9 mit der SPS 3 verbunden. Vorliegend ist die echtzeitfähige Schnittstelle 9 als verbindungslose digitale Schnittstelle ausgebildet. Dies kann zum Beispiel unter Verwendung von UDP (User Datagram Protocol) als Netzwerkprotokoll realisiert sein.
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Zudem ist eine zweite Rechnereinheit 10 vorgesehen, die ebenfalls überwiegend in einer universalen Hochsprache programmiert ist. Die zweite Rechnereinheit 10 greift zudem mittels der Datenbanksprache SQL auf eine relationale Datenbank zu. In der Datenbank ist eine große Menge an Prozessdaten für das Streckreduzierwalzwerk hinterlegt. Je nach Anforderungen kann die Datenbank auch laufend durch Messdaten aktueller Walzvorgänge erweitert werden.
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Grundsätzlich kann dabei jeder Walzvorgang dauerhaft gespeichert werden, um zu beliebiger Zeit wieder darauf zuzugreifen. Hierdurch kann eine Qualitätskontrolle verbessert werden.
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Die zweite Rechnereinheit ist über eine vorliegend nicht echtzeitfähige Verbindung 11 mit der ersten Rechnereinheit verbunden.
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Ein weiterer Unterschied zu dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik besteht darin, dass die zweite Rechnereinheit 10 an Stelle der SPS 3 mit dem Netzwerk 4, bevorzugt einem Feldbus, verbunden ist, so dass die zweite Rechnereinheit die Daten den Sensoren 5, 6 empfängt. Bei einer alternativen Ausführungsform kann auch die erste Rechnereinheit mit dem Netzwerk 4 verbunden sein.
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Bei einer möglichen Abwandlung des Ausführungsbeispiels kann die zweite Rechnereinheit auch über das echtzeitfähige Netzwerk 9 mit der ersten Rechnereinheit 8 kommunizieren, was durch eine gestrichelte Linie 9' in 2 dargestellt ist. Diese Kommunikation bzw. Verbindung kann alternativ oder ergänzend zu dem Netzwerk 11 vorgesehen sein.
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Die Erfindung funktioniert nun wie folgt:
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Das Prozessleitsystem 7, 7a stellt vor Beginn eines Walzvorgangs Solldaten des Prozesses (zum Beispiel Walzfall, Kenndaten, eventuell Grundmotordrehzahlen) Der SPS 3 zur Verfügung. Die SPS 3 erzeugt daraus die Grundmotordrehzahlen, sofern nicht unmittelbar von dem Prozessleitsystem mitgeteilt.
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Die zweite Rechnereinheit 10 nimmt an diesem Datenaustausch teil und erhält so Kenntnis über die durchzuführenden Walzungen.
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In der SPS sind auf diese Weise Grundmotordrehzahlen für die Motoren hinterlegt, die einen störungsfreien Streckwalzvorgang ermöglichen. Die SPS versorgt die Motoren mit Energie und stellt so einen zumindest störungsfreien Ablauf eines Walzvorgangs sicher.
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Vor und/oder während des Walzvorgangs erfolgt eine Ermittlung von Messwerten aus den Sensoren 5, 6 durch die zweite Rechnereinheit 10 über den Feldbus 4. Einige Sensoren 5 sind bevorzugt über eigene Verbindungswege (nicht dargestellt) mit der zweiten Rechnereinheit 10 verbunden.
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Durch eine in universaler Hochsprache programmierte Software werden dann in Abhängigkeit erfasster Messwerte Korrekturen zu den Grundmotordrehzahlen oder Vorläuferdaten hierzu ermittelt. Bevorzugt fließen in die Berechnung der Korrekturen oder Vorläuferdaten auch Daten aus der Datenbank ein.
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Über das Prozessleitnetzwerk 7 erhält die zweite Rechnereinheit 10 auch bestimmte Prozessgrößen wie IST-Motorströme, IST-Drehzahlen und Betriebszustände.
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Die zweite Rechnereinheit 10 teilt über das Netzwerk 11 der ersten Rechnereinheit die Drehzahldifferenzen oder auch Vorläuferdaten mit.
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Die Differenzen der Drehzahlen werden von der ersten Rechnereinheit über die echtzeitfähige Schnittstelle 9 zu der SPS 3 übermittelt und entsprechend an den Motoren eingestellt. Die Übermittlung von Differenzdrehzahlen erfolgt permanent mit Zykluszeiten von unter 25 ms.
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Falls aufgrund einer Störung z.B. einer der Rechnereinheiten 8, 10 oder der Schnittstelle 9 keine Differenzdrehzahlen mehr an die SPS übermittelt werden, so kann der Walzvorgang auf sichere Weise mit den Grundmotordrehzahlen (oder alternativ hierzu mit zuletzt eingestellten Drehzahlen) beendet werden.
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3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Als einziger Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die echtzeitfähige Schnittstelle hier nicht als digitale Schnittstelle, sondern als Echtzeit-Analogschnittstelle 12 ausgeführt. Ein Digital-Analog-Wandler 12a wandelt den Wert einer von der ersten Rechnereinheit 8 bereitgestellten Korrektur in eine analoge Spannungs- oder Stromgröße. Auf der Seite der SPS 3 wird diese dann über einen Analog-Digital-Wandler 13 wieder in einen Digitalwert zurückgewandelt.
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Allgemein versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Insbesondere bei der genauen Ausgestaltung der Netzwerke, Schnittstellen und Kommunikationswege 4, 7, 9, 9', 11, 12 können abweichende Lösungen vorgesehen sein.
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Denkbar wäre z.B., dass Messwerte über das Prozessleitnetzwerk an die erste oder auch zweite Rechnereinheit 8, 10 gelangen. Ferner können die Echtzeit-Korrekturen ebenfalls über ein allen Prozessbeteiligten gemeinsames Netzwerk an die Motorsteuerung gelangen. Weiterhin kann es vorgesehen sein, dass die erste und/oder zweite Rechnereinheit 8, 10 auch Prozessgrößen wie Temperatur, Wanddicke, Motordrehzahlen, Motormomente, Betriebszustandsinformationen (START, STOP, NOT-AUS etc.) auch direkt über die die digitale oder analoge Schnittstelle von der Motorsteuerung erhalten können.
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Die beiden Rechnereinheiten 8, 10 müssen nicht wie in den Ausführungsbeispielen als räumlich separierte Einheiten, sondern sie können auch in einer gemeinsamen elektronischen Schaltung integriert vorliegen. In einer denkbaren Ausführungsform sind die Aufgaben der Rechnereinheiten auf einem gemeinsamen Computer installiert. Die bereits beschriebenen Funktionsdifferenzierungen bleiben hierbei aber erhalten und würden dann von den als logischen Einheiten unterscheidbaren Systemen / Rechnereinheiten auf der gleichen und gemeinsam genutzten CPU ausgeführt. Denkbar ist diesbezüglich ebenfalls, die jeweiligen Rechnereinheiten als sogenannte Virtuelle Maschinen auf dem selben Server zu betreiben. Mit einer Virtuellen Maschine wird eine Recheneinheit vollständig logisch abgebildet und kann als neues Softwareobjekt auf einem anderen Rechner betrieben werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Walzgerüste mit Walzen und Motoren
- 2
- Walzgut
- 3
- SPS = speicherprogrammierbare Steuerung
- 4
- Bussystem, Feldbus
- 5
- Sensoren, Positionssensoren
- 6
- Sensoren für Durchmesser, Wanddicke, Temperatur etc.
- 7
- Netzwerk auf Prozessleitebene
- 7a
- Prozessleitrechner
- 8
- erste Rechnereinheit
- 9
- echtzeitfähige Schnittstelle, digitale Version
- 10
- zweite Rechnereinheit
- 11
- Netzwerk, Verbindung zwischen erster und zweiter Rechnereinheit
- 12
- echtzeitfähige Schnittstelle, analoge Version
- 12a
- Digital-Analog-Wandler
- 12b
- Analog-Digital-Wandler
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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