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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer industriellen Anlage, insbesondere der Hüttenindustrie, in welcher mindestens ein Prozess abläuft zum Herstellen oder Bearbeiten eines Werkstücks, insbesondere einer Bramme aus Stahl.
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Solche Verfahren sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt, so z. B. aus der deutschen Patentschrift
DE 198 81 711 B4 . Konkret offenbart diese Patentschrift ein Verfahren zur Steuerung einer Walzstraße, wobei in der Walzstraße ein Werkstück aus Stahl oder Aluminium mit bestimmten von dem Gefüge des Werkstücks abhängigen Materialeigenschaften hergestellt wird, die wiederum von dem Betriebsparametern der Walzstraße abhängig sind. Ausgehend von bestimmten vorab festgestellten Sollwerten für zumindest eine gewünschte Materialeigenschaft, wie z. B. Streckgrenze, Dehngrenze, Härte etc. werden mittels eines Gefügeoptimierers notwendige Betriebsparameter für die Walzstraße festgelegt.
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Ein ähnliches Verfahren zum Betreiben einer industriellen Anlage, insbesondere der Hüttenindustrie, offenbart auch die
DE 103 39 766 A1 . Durch das dort offenbarte Verfahren werden optimale Sollwerte für den gesamten Produktionsweg ermittelt, wobei die Operationen und Behandlungsschritte des Fertigungsablaufes für ein Werkstück rechnerisch modelliert und simuliert werden.
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Grundlage für die Optimierungsrechnung ist die chemische Analyse, deren Ergebnisse Eingangsgrößen für den Strangguss sind. Daran schließt sich das Warmwalzen und das Kaltwalzen an. Zur Verbesserung des Gefüges folgt nach dem Kaltwalzen ein Glühvorgang. Sämtliche einzelnen Behandlungsschritte fließen in mathematische Prozessmodelle eines Gefügeoptimierers ein, so dass dieser unter Berücksichtigung des gesamten Produktionsablaufes optimale Sollwerte ermitteln kann. Der Gefügeoptimierer ist wiederum mit einem Produktionssteuerungssystem gekoppelt. Dementsprechend kann die Produktion in Abhängigkeit des Ergebnisses des Gefügeoptimierers gesteuert werden. Insgesamt lassen sich mit Hilfe des Gefügeoptimierers erhebliche Energie- und Materialkosten einsparen.
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Die in den beiden genannten deutschen Druckschriften aus dem Stand der Technik beschriebenen Gefügeoptimierer sind nicht während eines Walzprozesses aktiv, sondern nur im Vorfeld eines Walzprozesses. Auch zielen sie im Wesentlichen allein auf eine Optimierung der chemischen Zusammensetzung eines Werkstücks ab. Es werden zwar Optimierungsprobleme beim Betreiben einer industriellen Anlage, insbesondere der Hüttenindustrie, angesprochen. Wie diese Optimierungsprobleme allerdings gelöst werden sollen, bleibt offen. In der Praxis scheitert die Lösung eines Optimierungsproblems bei den heutigen Rechnerleistungen oftmals an der zur Lösung eines komplexen Optimierungsproblems notwendigen Rechnerleistung bzw. Rechnerkapazität. Ein modernes Warmwalzwerk verfügt beispielsweise über einige hundert Aktuatoren, die durch Prozessmodelle angesteuert werden. Zur Lösung des Optimierungsproblems müsste der Optimierer bzw. das Prozessmodell in der Lage sein, den Einfluss aller Aktuatoren auf eine Zielgröße durchzurechnen, und zwar vorzugsweise in Echtzeit. Dazu reichen die heute verfügbaren Rechnerkapazitäten typischerweise nicht aus.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein bekanntes Verfahren zum Betreiben einer industriellen Anlage, insbesondere der Hüttenindustrie dahingehend weiterzubilden, dass zumindest eine gute Nährungslösung für die Berechnung von Soll-Werten für Anlagenparameter im Rahmen eines Optimierungsproblems während des laufenden Prozesses ermöglicht wird.
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Diese Aufgabe wird durch das in Patentanspruch 1 beanspruchte Verfahren gelöst. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die zum Zeitpunkt n vorausberechneten Soll-Werte eines ausgewählten Anlagenparameters für eine ausgewählte Gruppe von Einzelaggregaten der industriellen Anlage oder für eine zeitliche Abfolge von ausgewählten Prozessschritten an einem Einzelaggregat der industriellen Anlage zu einem Alt-Patter zusammengefasst bzw. gruppiert werden, wobei die Soll-Werte des Einzel-Patterns untereinander in einem funktionalen Zusammenhang stehen; und dass zur Berechnung des neuen Soll-Wertes für den zumindest einen Anlagenparameter zu dem Zeitpunkt n+1 das Alt-Pattern dem Prozessmodell als Eingangsgröße zugeführt wird und nur die Soll-Werte des Anlagenparameters des Alt-Patterns neu berechnet und in Form eines Neu-Patterns gruppiert werden. Eventuell vorhandene Soll-Werte für andere Anlagenparameter werden während der Neuberechnung konstant gehalten.
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Die erfindungsgemäße Lösung der oben genannten Aufgabe, d. h. die deutliche Reduzierung der zur Lösung des Optimierungsproblems erforderlichen Rechnerleistung erfolgt erfindungsgemäß dadurch, dass ausdrücklich nicht der Einfluss aller möglichen Aktuatoren auf eine Zielgröße durchgerechnet wird, sondern dass lediglich die Soll-Werte eines einzelnen ausgewählten Anlagenparameters für eine ausgewählte Gruppe von Einzelaggregaten der industriellen Anlage neu berechnet werden im Hinblick auf die Lösung des Optimierungsproblems. Dadurch wird der erforderliche Rechenaufwand deutlich reduziert und es gelingt auch eine Echtzeit-Berechnung der Soll-Werte für den ausgewählten Anlagenparameter mit hinreichender Genauigkeit zur Lösung des Optimierungsproblems.
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Die Auswahl eines geeigneten Anlagenparameters zur Behebung der Störung aus der Vielzahl von möglichen Anlagenparametern der industriellen Anlage erfolgt sinnvoll manuell durch einen Spezialisten. Alternativ ist es auch denkbar, durch Einbeziehung aller Anlagenparameter und Analyse mittels Mustererkennung, künstlicher Intelligenz oder anderer geeigneten Algorithmen sinnvolle Anlagenparameter auszuwählen und dafür sinnvolle Patterns zu identifizieren und zu parametrieren.
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Definitionen:
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Der Begriff „Störung“ meint jede beliebige Art einer möglichen Störung des Prozesses, welche bewirkt, dass die Ist-Beschaffenheit eines aus dem Prozess resultierenden Werkstücks von dessen Soll-Beschaffenheit abweicht. Das Vorliegen einer Störung kann an dem Ist-Wert eines Prozess- und/oder Anlagenparameters erkannt werden, wenn dieser von dessen Soll-Wert abweicht.
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Der Begriff „Anlagenparameter“ meint eine an einem Aggregat der Anlage wertmäßig einstellbare (Anlagen-) Variable, wie z.B. Größe des Walzspaltes, Walzgeschwindigkeit, Kühlmittelbeaufschlagungsmenge/Zeiteinheit, Ventilstellung, Transportzeiten etc. Diesen Variablen sind typischerweise konkrete Ist- oder Sollwerte bzw. konkrete Ist- oder Soll-Setzwerte zugeordnet.
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Der Begriff „Werkstückbeschaffenheit“ meint die aus einem Herstellungs- oder Bearbeitungsprozess des Werkstücks resultierende mechanische oder metallurgische Eigenschaft des Werkstücks, wie z.B. dessen Geometrie, dessen chemische Zusammensetzung, dessen Temperatur, dessen Gefügeeigenschaft, insbesondere Korngröße, Dehnung, Dehngrenze, Zugfestigkeit, Kaltzähigkeit etc.
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Es wird zwischen Ist- und Soll-Beschaffenheit unterschieden. Die Soll-Beschaffenheit ist die Zielgröße des erfindungsgemäßen Optimierungsprozesses.
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Der Begriff „Prozessparameter“ meint eine den Prozess beschreibende Variable, wie z.B. eine Temperatur, den Umformgrad, Bearbeitungs- oder Verweil-Zeiten etc. Diesen Variablen sind typischerweise konkrete Ist- oder Sollwerte zugeordnet. Die Ist- Werte der Prozessparameter sind typischerweise bedingt durch, das heißt, sie ergeben sich automatisch durch den eingestellten (Setz-) Wert von zumindest einem der Anlagenparameter.
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Der Begriff „Prozessmodell“ meint ein auf einem Computer ablaufbares Berechnungsmodell zur Vorausberechnung von Sollwerten für Anlagen- und/oder Prozessparameter auf Basis von Werkstückparametern und des physikalischen Aufbaus der industriellen Anlage oder Teilen davon zur Erreichung einer vorgegebenen Soll-Beschaffenheit des Werkstücks.
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Der Begriff „Pattern“ meint die Verteilung von vorausberechneten Sollwerten eines ausgewählten Anlagenparameters bei/über einer ausgewählten Gruppe von Einzelaggregaten der industriellen Anlage oder bei einer zeitlichen Abfolge von ausgewählten Prozessschritten an einem einzelnen Aggregat der industriellen Anlage. Die Sollwerte des Patterns an den Einzelaggregaten stehen in der Regel in einem funktionalen Zusammenhang miteinander. Ein Pattern ist eine Eingangsgröße für das Prozessmodell zur Lösung des Optimierungsproblems.
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Ende der Definition
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Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens können die zu dem Zeitpunkt n und / oder zu dem Zeitpunkt n+1 erfolgenden Berechnungen von Soll-Werten vor Beginn des Prozesses oder zeitlich parallel zu dem laufenden Prozess stattfinden. Die letztgenannte Alternative bietet den Vorteil, dass ein laufender Prozess nicht unterbrochen werden muss und dass ein zeitlich parallel berechneter neuer Soll-Wert für einen Anlagenparameter vorteilhafterweise während des laufenden Prozesses neu eingestellt werden kann.
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Vorteilhafterweise werden die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens so lange wiederholt, bis keine Störung des Prozesses mehr festgestellt wird und/oder die - Beschaffenheit des Werkstücks mit dessen Soll-Beschaffenheit übereinstimmt. Die besagte Wiederholung der Schritte erfolgt vorzugsweise zu späteren Zeitpunkten n > n+1 und dann vorzugsweise zyklisch.
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Bei der Lösung des Optimierungsproblems werden vorzugsweise auch technologische Limits von technologischen Aggregaten der Anlage, die zur Durchführung des Prozesses verwendet werden, berücksichtigt. Diese Berücksichtigung kann beispielsweise in Form einer Randwertoptimierung erfolgen.
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Das Ermitteln eines Ist-Wertes eines Prozessparameters zur Feststellung, ob der Prozess gestört ist, kann beispielsweise durch Messungen während des mindestens einen laufenden Prozesses oder durch Simulation des Prozesses mit dem Prozessmodell mit den aktuellen Ist-Prozessparametern erfolgen.
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Bei dem Prozess kann es sich beispielsweise um einen mechanischen, insbesondere umformtechnischen Vorgang handeln. Bei dem umformtechnischen Vorgang kann es sich insbesondere um einen Walzvorgang, weiter insbesondere um einen Warmwalzvorgang, handeln. Im Falle eines Walzvorganges kann das Alt- und Neu-Pattern beispielsweise aus der Menge/Verteilung von Soll-Werten für die Dickenreduktion an den Gerüsten der Walzstraße als Anlagenparameter gebildet sein. Alternativ kann das Alt- und Neu-Pattern für den Walzvorgang aus der Menge an Soll-Werten für die Walzgeschwindigkeit des Werkstücks am Ausgang der Gerüste der Walzstraße als Anlagenparameter gebildet sein.
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Alternativ zu einem mechanischen Prozess kann es sich bei dem hier betrachteten Prozess auch um einen metallurgischen Prozess handeln.
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Bei der Ist- oder Soll-Beschaffenheit des Werkstücks kann es sich z. B. um dessen Anteile von dessen stofflichen Bestandteilen, z. B. dessen Nb-Gehalt oder dessen C-Gehalt handeln. Alternativ kann die Ist- oder Soll-Beschaffenheit des Werkstücks, dessen mechanische Eigenschaften, dessen Gefügebeschaffenheit oder dessen Produktqualität meinen.
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Das erfindungsgemäße Prozessmodell ist vorzugsweise ausgebildet, die Ist-Beschaffenheit des Werkstücks am Ende des Prozesses vorhersagen zu können.
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Schließlich handelt es sich bei den erfindungsgemäß betrachteten Prozessparametern beispielsweise um Setzungen für Aggregate der Anlage, um Verweilzeiten des Werkstücks in einem Ofen und / oder um Walzparameter.
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Die Erfindung wird nachfolgend in Form von Ausführungsbeispielen beschrieben:
- Beispielhaft wird eine Walzstraße mit einem darin ablaufenden Walzprozess betrachtet. Die Walzstraße besteht aus einer Mehrzahl von in Materialflussrichtung hintereinander angeordneten Walzgerüsten zum Walzen eines Werkstücks, beispielsweise in Form einer metallischen Bramme. Typischerweise findet in den einzelnen hintereinander angeordneten Walzgerüsten eine sukzessive Dickenreduzierung des Werkstückes statt. In einem eingefahrenen Zustand ist das Werkstück so lang, dass es gleichzeitig durch alle Gerüste hindurchläuft und von allen Gerüsten gleichzeitig verarbeitet wird. Insofern sind die Dickeneinstellungen der einzelnen Walzgerüste der Walzstraße über das Werkstück miteinander verknüpft. Die Ausgangsgröße, insbesondere die Ausgangsdicke des Werkstücks in einem Gerüst entspricht der Eingangsdicke des Werkstückes an dem nachfolgenden Gerüst. Für dieses Anwendungsbeispiel könnte beispielsweise ein Abnahme-Pattern definiert werden, welches die Abnahmen, d. h. die Dickenreduktionen des Werkstücks an den einzelnen Walzgerüsten der Walzstraße festlegt bzw. miteinander verknüpft. Die Dickenabnahmen bedingen die sich einstellenden Walzkräfte. Erfindungsgemäß kann für diesen Fall insofern alternativ auch ein Alt-Pattern definiert werden, welches die Walzkraftverteilung an den einzelnen Gerüsten F1 - F7 einer Warmwalzstraße wie nachfolgend beispielhaft gezeigt, festlegt.
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Physikalisch direkt einstellbarer Anlagenparameter sind die Dickenabnahmen. Durch das Prozessmodell werden die Walzkräfte vorausberechnet. Um von den Alt-Pattern (n) auf das Neu-Pattern (n+1) zu kommen, verändert das Prozessmodell die Dickenabnahme, bis die gewünschten Walzkräfte erreicht sind. Diese Dickenabnahmen werden durch das Prozessmodell wiederum in Anstellpositionen der Walzgerüste umgerechnet und als neue Anlagenparameter verwendet.
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Beispiel:
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| |
Alt-Pattern (n) |
Neu-Pattern (n+1) |
| Gerüst |
Walzkraft P1 |
Walzkraft P2 |
| F1 |
25 MN (100 %) |
20 MN (80 %) |
| F2 |
25 MN (100 %) |
30 MN (120 %) |
| F3 |
22,5 MN (90 %) |
25 MN (100 %) |
| F4 |
20 MN (80 %) |
22,5 MN (90 %) |
| F5 |
15 MN (60 %) |
20 MN (80 %) |
| F6 |
12,5 MN (50 %) |
17,5 MN (70 %) |
| F7 |
10 MN (40 %) |
15MN(60%) |
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Einziger Anlagenparameter dieses Patterns ist die Walzkraft. Angegeben sind in der Tabelle absolute Zahlen und relative Zahlen. Je nach Prozessmodellausführung ist die Anwendung des einen oder anderen Parametersatzes im Pattern angemessen. Für diesen ausgewählten Anlagenparameter, hier beispielhaft die Walzkraft, werden zum Zeitpunkt n die Soll-Werte für eine ausgewählte Gruppe von Einzelaggregaten der industriellen Anlage, d. h. im vorliegenden Beispiel die einzelnen Gerüst F1 bis F7 der Warmwalzstraße, zum Zeitpunkt n vorausberechnet. Diese Soll-Werte des so gebildeten Alt-Patterns stehen untereinander in einem funktionalen Zusammenhang. Dieser resultiert aus der oben besagten Verknüpfung der Dickeneinstellungen an den einzelnen Gerüsten über das gemeinsame eingespannte Werkstück.
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Zur Berechnung von neuen Soll-Werten für den besagten Anlagenparameter, hier die Walzkraft, zu einem Zeitpunkt n+1 wird das Alt-Pattern dem Prozessmodell als Eingangsgröße zugeführt. Zur Lösung des Optimierungsproblems werden nur die Soll-Werte des Anlagenparameters des Alt-Patterns neu berechnet und in Form eines Neu-Patterns gruppiert, wie in dem obigen Beispiel ebenfalls gezeigt. Während der Lösung des erfindungsgemäßen Optimierungsproblems werden eventuell vorhandene Soll-Werte für andere Anlagenparameter bewusst konstant gehalten.
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Durch die Neu-Berechnung und anschließende Neu-Einstellung der Soll-Werte für die Walzkraft in der Walzstraße verändert sich deren Temperaturhaushalt; die Endwalztemperatur erhöht sich oder das Band kann langsamer gewalzt werden. Entsprechend ergeben sich andere Eingangsbedingungen für eine der Warmwalzstraße in Materialflussrichtung nachgeschaltete Kühlstrecke.
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In ähnlicher Art und Weise können Sollwerte für die Walzgeschwindigkeit als Anlagenparameter beim Vorwalzen mit Pattern angepasst werden:
| | Alt-Pattern (n) | Neu-Pattern (n+1) |
| Stich # | Walzgeschwindigkeit P1 | Walzgeschwindigkeit P2 |
| 1 | 1,5 m/s | 1,7 m/s |
| 2 | 2,0 m/s | 2,3 m/s |
| 3 | 2,5 m/s | 3,0 m/s |
| 4 | 3,0 m/s | 3,5 m/s |
| 5 | 3,5 m/s | 4,0 m/s |
| 6 | 4,0 m/s | 4,5 m/s |
| 7 | 4,0 m/s | 5,0 m/s |
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Durch diese Veränderung des Alt-Patterns „Walzgeschwindigkeit Vorstraße“ in das gezeigte Neu-Pattern ergibt sich eine erhöhte Vorbandtemperatur mit dem Ergebnis, dass dieses in der Fertigstraße, d. h. der Warmbandwalzstraße langsamer gewalzt werden kann.
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Es sind viele verschiedene Pattern denkbar.
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Allgemein gesprochen umfasst ein Pattern die sinnvolle Setzung einer Gruppe von Aktuatoren und/oder Parametern innerhalb eines Anlagenteils, beispielsweise einer Warmwalzlinie.
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So könnte auch die Abnahmeverteilung beim Vorwalzen durch einen anderen Pattern angepasst werden.
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Weiter kann durch ein Entzunderungspattern die Anzahl von Entzunderungsvorgängen variiert werden und so ebenfalls den Temperaturhaushalt beeinflussen.
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Ebenfalls kann ein Pattern die Erwärmungskurve im Ofen beschreiben, mit dem die einzelnen Zonen des Ofens angesteuert werden.
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Der Optimierer teilt den einzelnen Prozessmodellen also mit, welche Pattern zu variieren sind, ohne die Vielzahl von Aktuatoren und Prozessparametern direkt anzusprechen. Die einzelnen Prozessmodelle rechnen dann unter Einhaltung der ggf. vorhandenen technologischen Begrenzungen, wie z. B. Walzkraft, Walzmoment, Antriebsbelastung, Greifwinkelrestriktionen, eine Setzung der Walzstraßen-Aggregate aus. Der Optimierer prüft dann das Berechnungsergebnis aller Einzelmodelle, den Einfluss auf die Zielgröße (z. B. mechanische Eigenschaft des Endprodukts) und variiert ggf. die Pattern, bis die Zielgröße erreicht ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren bietet den Vorteil, dass die Produktqualität vorzugsweise in Echtzeit sichergestellt werden kann, trotz Störungen beim Herstellen oder Bearbeiten des Werkstückes. Außerdem werden durch die Verwendung der Patterns die Iterationsgeschwindigkeit und die Iterationssicherheit bei der wiederholten Durchführung des Verfahrens erhöht bzw. verbessert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19881711 B4 [0002]
- DE 10339766 A1 [0003]