DE102020201316A1

DE102020201316A1 - Verfahren und Einrichtung zum automatisierten Betrieb einer Anlage zur Lagerung von Schüttgut

Info

Publication number: DE102020201316A1
Application number: DE102020201316.0A
Authority: DE
Inventors: Philipp Eßer
Original assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Current assignee: KOCH SOLUTIONS GMBH, DE
Priority date: 2020-02-04
Filing date: 2020-02-04
Publication date: 2021-08-05

Abstract

Bei einem Verfahren und einer Einrichtung zum Betreiben einer Anlage zur Lagerung von Schüttgut mit wenigstens einem haldenförmigen Lagerbereich, insbesondere einer Anlage zum Materialumschlag von Schüttgut oder einer Materialgewinnungsanlage, ist insbesondere vorgesehen, dass für den wenigstens einen Lagerbereich ein digitales Haldenmodell erstellt wird und dass auf der Grundlage des erstellten Haldenmodells die Entstehung von physikalischen und/oder chemischen Zuständen, welche bei der Lagerung des jeweils eingelagerten Materials auftreten können, vorhergesagt wird, und dass vorhergesagte physikalische bzw. chemische Zustände beim Lagerungsbetrieb herangezogen werden, um eine möglichst materialschonende Lagerung des eingelagerten Materials zu gewährleisten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Anlage zur Lagerung von Schüttgut, z.B. einer Anlage zum Materialumschlag von Schüttgut oder einer im Tagebau eingesetzten Materialgewinnungsanlage mit einem Lagerungsbetrieb von in der Materialgewinnungsanlage abgebautem Abraum bzw. Schüttgut, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind auch ein Computerprogramm, ein maschinenlesbarer Datenträger zur Speicherung des Computerprogramms und eine Einrichtung, mittels derer das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist.
Stand der Technik
Bei der Lagerplatzhaltung an einem Materialumschlagplatz für Schüttgut, z.B. eines Materialumschlagplatzes eines Schiffshafens oder einer Materialabbaustätte, werden die Materialien in sogenannten Halden zwischengelagert. Diese Halden bestehen aus Aufschüttungen von z.B. Erz, Braunkohle, Rohmaterial für die Zementherstellung oder von Salzen wie z.B. Kalisalz (Kaliumkarbonat) oder dergleichen. Bei der Lagerplatzhaltung bzw. Lagerung von Schüttgut werden lagerungsbedingte, physikalische Einflüsse auf das jeweils gelagerte Material oft unzureichend oder sogar überhaupt nicht berücksichtigt.
Aus WO 2009/075945 A1 geht ein Verfahren zur Simulation eines Materialreservoirs, z.B. einer Öl- oder Gas-Lagerstätte zur Öl- oder Gasproduktion, hervor. Dabei wird ein Reservoir-Modell erzeugt, wobei das erzeugte Modell in verschiedene Domänen partitioniert wird, von denen jede Domäne einer effizienten Partition für einen bestimmten Teil des Modells entspricht. Bei dem Verfahren wird die Simulation des Reservoirs in mehrere Verarbeitungselemente aufgeteilt und eine Vielzahl von Verarbeitungselementen auf der Grundlage der Partitionen parallel verarbeitet. Bei dem dreidimensionalen Reservoir-Modell wird z.B. der Betrieb eines Öl- und/oder Gasreservoirs mit einem oder mehreren vertikalen Bohrlöchern simuliert. Das Modell wird durch ein Gitternetz in mehrere Knoten aufgeteilt, wobei die Knoten des Modells verschiedene Größen aufweisen können.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, bei einer hier betroffenen Anlage zur Lagerung von Schüttgut, z.B. einer Anlage zum Materialumschlag von Schüttgut (sog. „Materialumschlagplatz“ zum Umschlag von Schüttgut bei einer im Tagebau betriebenen Materialgewinnungsanlage, den Lagerungsbetrieb von dort gelagertem Material auf der Berechnungsgrundlage eines rechnergestützten Lagerplatzmodells bzw. Haldenmodells möglichst materialschonend, und dabei auch möglichst automatisiert, zu steuern.
Es ist dabei hervorzuheben, dass die Erfindung auch bei sogenannten „Mischbett“-Anlagen zur Anwendung kommen kann, in denen verschiedene Materialien und/oder verschiedene Materialqualitäten eines Materials und/oder Materialien mit verschiedenen Materialzuständen in einem Mischbett (zwischen-)gelagert werden, um diese miteinander zu vermischen. In einem solchen Anwendungsszenario kann das digitale Haldenmodell, zusätzlich zum Materialzustand, auch beschreiben, welches Material bzw. welche Materialqualität an einer bestimmten Stelle in der Halde vorliegt. Dadurch ist es möglich, auch den genauen Mischungsgrad von auszulagerndem Material nach erfolgter Vermischung vorherzusagen.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es bei der Lagerplatzhaltung bei einem Materialumschlagplatz für Schüttgut, z.B. einem an einem Schiffshafen oder einer Materialabbaustätte angeordneten Lagerplatz zum Umschlag vom Materialien, unter bestimmten physikalischen Einflussfaktoren verstärkt zu einer oberflächlichen Verhärtung und/oder Anbackung des gelagerten Materials kommen kann. Solche Einflussfaktoren sind z.B. der lagerungsbedingte mechanische Druck auf das Material, die durch äußere und/oder innere Einflüsse bedingte Materialtemperatur, die durch äußere und/oder innere Einflüsse bedingte Luftfeuchte bzw. Materialfeuchte und/oder die Lagerungszeit. Genannte lagerungsbedingte Materialveränderungen können z.B. bei Materialien bzw. Rohstoffen wie z.B. Eisenerz, Braunkohle, Rohmaterial für die Zementherstellung, z.B. Kalkstein, Kalkstein/Mergel/Ton-Gemische, Gips oder Ton, sowie Kaliumkarbonat, granularem Schwefel, Düngemittel, oder dergleichen, auftreten. Zusätzlich zur Materialfeuchte können weitere, für eine Verhärtung und/oder Anbackung des Materials relevante, materialabhängige physikalische bzw. chemische Einflussgrößen berücksichtigt werden, z.B. der Kalkgehalt im Falle von Kalkstein.
Gemäß einem ersten Aspekt des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens wird für einen jeweiligen Lagerbereich, bzw. eine entsprechende Halde, ein digitales Haldenmodell erstellt. Auf der Grundlage dieses Modells wird die Wahrscheinlichkeit für die Entstehung von im Vorfeld empirisch, z.B. durch Vorversuche oder Simulationsrechnungen, bestimmten physikalischen Zuständen, welche bei der Lagerung des jeweils eingelagerten Materials auftreten können, berechnet. Diese Zustände werden dann als Prozessgrößen bei der Automation des Lagerungsbetriebs herangezogen, um die genannten, unerwünschten physikalischen Lagerungszustände durch einen geeigneten Lagerungsbetrieb bzw. entsprechende Gegenmaßnahmen wirksam zu vermeiden.
Es ist hierbei anzumerken, dass ein genannter Lagerbereich in der einschlägigen Literatur als eine an einem Lagerplatz (engl. stockyard‟) angeordnete Halde (engl. „stockpile“) bezeichnet wird, welche einen Lagerort für hier betroffenes Schüttgut darstellt. Eine solche Halde wird z.B. bei einer hier betroffenen Materialgewinnungsanlage vorwiegend durch Gurtfördergeräte erzeugt bzw. gespeist.
Gemäß einem weiteren Aspekt des vorgeschlagenen Verfahrens, bzw. des entsprechenden Haldenmodells, wird eine hier betroffene Halde in eine Vielzahl von kleineren Volumenelementen zerlegt. Bei diesen Volumenelementen handelt es sich bevorzugt um in den drei Raumrichtungen symmetrische Elemente, z.B. würfelförmige Volumenelemente, wodurch die Berechnung der auf ein einzelnes Volumenelement einwirkenden physikalischen Kräfte, bzw. die Berechnung des entsprechenden physikalischen Zustandes eines solchen Volumenelements, erheblich vereinfacht wird. Bei der Berechnung eines aktuellen Haldenmodells werden jeweils für ein vorgegebenes Volumenelement die Einflüsse von darüber und seitlich angeordneten Nachbarelementen berücksichtigt. Dabei kann die zu berücksichtigende Anzahl nächster Nachbarelemente ggf. vergrößert werden, um die Genauigkeit der Modellrechnung zu verbessern. Bei Testberechnungen hat sich ergeben, dass die Berücksichtigung von horizontal nur nächsten Nachbarn und von vertikal möglichst sämtlichen, oberhalb des betrachteten Volumenelementes angeordneten Volumenelementen ausreichend präzise Ergebnisse liefert.
Gemäß einem weiteren Aspekt des vorgeschlagenen Verfahrens werden bei der Berechnung genannter Volumenelemente der lokal bzw. im Mittel vorherrschende, bevorzugt isostatische Druck sowie die im jeweiligen Volumenelement im Mittel vorliegende Temperatur berücksichtigt, um aus diesen Größen zu berechnen, wie wahrscheinlich eine Verhärtung des Materials des jeweils betrachteten Volumenelements und/oder eine Anbackung des Materials dieses Elements mit dem Material eines der Nachbarelemente ist. Dabei werden bevorzugt im Vorfeld empirisch ermittelte Daten für das Verhärtungs- und/oder Anbackungsverhalten verschiedener Materialien zugrunde gelegt. Die so im Vorfeld ermittelten Daten umfassen z.B. die Verhärtungs- bzw. Anbackungswahrscheinlichkeit (in %) in Abhängigkeit von dem an der Grenzfläche zwischen zwei Volumenelementen vorliegenden Druck und der Temperatur, und zwar in Abhängigkeit von dem jeweiligen Material.
Gemäß einem weiteren Aspekt des vorgeschlagenen Verfahrens wird bei der Berechnung genannter Volumenelemente des Haldenmodells zusätzlich die bereits abgelaufene Lagerungszeit des jeweiligen Materials berücksichtigt. Dadurch können zeitabhängige Effekte bei dem Verhärtungs- und/oder Anbackungsverhalten des jeweiligen Materials präziser berücksichtigt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt des vorgeschlagenen Verfahrens werden die für die Berechnung des Haldenmodells erforderlichen räumlichen Daten einer aktuell vorliegenden Materialaufschüttung mit sensorisch erfassten, topografischen Oberflächendaten zusammengeführt bzw. verglichen und anhand des Vergleichs ggf. eine Anpassung des Haldenmodells an die aktuelle Materialaufschüttung vorgenommen. Die sensorische Erfassung solcher Oberflächendaten kann dabei berührungslos mittels üblicher Kamerasysteme oder lasertechnisch, radartechnisch, optisch, oder auch mittels autonom agierender Flug- oder Fahrdrohnen, erfolgen. Die für die Berechnung des Haldenmodells ebenfalls erforderlichen physikalischen Daten, wie z.B. aktuelle Temperaturen an den Oberflächen bzw. in den Außenbereichen einer Materialaufschüttung, können ebenfalls bevorzugt berührungslos sensorisch erfasst werden, z.B. mittels an sich bekannter Infrarotthermometer (sog. Pyrometer) oder mittels an sich bekannter Wärmebildkameras.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt des vorgeschlagenen Verfahrens können die Ergebnisse der Berechnung eines aktuell gültigen Haldenmodells, z.B. im Falle einer Lagerplatzhaltung mit einer Maschinensteuerung zum Betrieb entsprechender Transport- bzw. Fördertechnik (z.B. Bandabsetzer) für Schüttgut, einer speicherprogrammierbaren (SPS-)Steuerung in Echtzeit zugeführt werden. Dadurch kann eine erhebliche Automatisierung des Betriebs eines hier betroffenen Lagerplatzes erreicht werden.
Die erfindungsgemäß ebenfalls vorgeschlagene Einrichtung ist eingerichtet, eine hier betroffene Lagerplatzsteuerung oder eine mit einer Lagerplatzhaltung ausgestatteten Materialgewinnungsanlage, insbesondere einen dort vorgesehenen Lagerbereich bzw. eine entsprechende Halde, mittels des vorgeschlagenen Verfahrens weitestgehend automatisiert und dennoch materialschonend zu betreiben.
Gemäß einem ersten Aspekt weist die vorgeschlagene Einrichtung eine Sensorik zur bevorzugt berührungslosen Erfassung von topografischen Daten der jeweiligen Halde, insbesondere von deren aktuellen Oberflächendaten, und/oder zur Erfassung von physikalischen Daten der jeweiligen Halde, insbesondere von deren Temperaturdaten, auf. Zusätzlich weist die Einrichtung eine Datenverarbeitungseinheit auf, mittels der, auf der Grundlage der sensorisch erfassten Oberflächendaten und/oder physikalischen Daten, ein aktuelles Haldenmodell berechnet wird. Die Ergebnisse der Berechnungen anhand des Haldenmodells werden von der Einrichtung einer Steuerungseinheit der jeweiligen Lagerplatzanlage bzw. Materialgewinnungsanlage zugeführt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorgeschlagenen Einrichtung ist vorgesehen, dass die Datenverarbeitungseinheit eingerichtet ist, aktuelle physikalische und/oder chemische Zustandsgrößen der Halde anhand des digitalen Haldenmodells sowie der sensorisch erfassten Daten zu berechnen, aktuelle physikalische bzw. chemische Zuständen des in der Halde gelagerten Materials anhand der berechneten Zustandsgrößen zu berechnen sowie eine Vorhersage von möglichen Materialveränderungen des gelagerten Materials anhand der berechneten physikalischen bzw. chemischen Zustände zu treffen bzw. entsprechende Vorhersagedaten bereitzustellen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorgeschlagenen Einrichtung ist vorgesehen, dass die Steuerungseinheit eingerichtet ist, anhand der von der Datenverarbeitungseinheit gelieferten Vorhersagedaten (eine) geeignete (Gegen-)Maßnahme(n) zur Verhinderung einer Materialänderung bzw. Materialverschlechterung zu berechnen und die so berechneten Gegenmaßnahmendaten z.B. einer SPS-Steuerung oder Maschinensteuerung zur Lagerhaltung zuzuführen, mittels der die Gegenmaßnahmen bei der Lagerhaltung durchgeführt werden.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt der vorgeschlagenen Einrichtung ist vorgesehen, dass die die Steuerungseinheit eingerichtet ist, wenigstens eine geeignete (Gegen-)Maßnahme anhand von vorgegebenen, möglichen Maßnahmen durchzuführen, wobei für bestimmte physikalische bzw. chemische Zustände geeignete Gegenmaßnahmen im Vorfeld anhand von Testversuchen ermittelt werden.
Die Erfindung kann insbesondere im Bereich von z.B. an Schiffshäfen vorgesehenen Materialumschlagplätzen zum Umschlagen von Schüttgut (z.B. Erz, Kohle, Braunkohle, Düngemittel, oder Salzen wie Kaliumkarbonat) sowie im Bereich einer entsprechenden Materialgewinnung solchen Schüttguts, z.B. bei einer im Tagebau betriebenen Minenanlage oder in einer Lagereinrichtung für Schüttgüter der Zementproduktion, mit den hierin beschriebenen Vorteilen zur Anwendung kommen. Das Verfahren und die Einrichtung können allerdings auch bei anderweitig vorgesehenen Lagerplätzen, z.B. bei Lagerplätzen zur Lagerung von Stein-/Natursteingut, entsprechend eingesetzt werden.
Das erfindungsgemäße Computerprogramm ist eingerichtet, jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, insbesondere wenn es auf einem Steuergerät zur Steuerung der Lagerhaltung eines hier betroffenen Lagerbereichs bzw. Lagerplatzes abläuft. Es ermöglicht insbesondere die Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einem elektronischen Steuergerät, z.B. einem SPS-Steuergerät, ohne an dem Steuergerät bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Hierzu ist der maschinenlesbare Datenträger vorgesehen, auf welchem das erfindungsgemäße Computerprogramm gespeichert ist. Durch Aufspielen des erfindungsgemäßen Computerprogramms auf eine Einrichtung bzw. ein entsprechendes elektronisches Steuergerät wird die erfindungsgemäße Einrichtung erhalten, welches eingerichtet ist, um eine hier betroffene Lagerplatzsteuerungsanlage bzw. ein entsprechendes Lager bzw. Zwischenlager für Schüttgut bzw. Abraum einer Materialgewinnungsanlage mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zu betreiben bzw. zu steuern.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen. In den Zeichnungen sind identische oder funktional gleichwirkende Elemente bzw. Merkmale mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweiligen angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Figurenliste

1 zeigt schematisch ein digitales Haldenmodell zur Illustration des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Einrichtung.
2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Berechnung eines physikalischen Haldenmodells anhand einer schematischen Darstellung einer lokalen Anordnung von Volumenelementen.
3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der Einrichtung anhand eines kombinierten Fluss-/Blockdiagramms.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Das in 1 gezeigte Haldenmodell betrifft die Zwischenlagerung von Kaliumkarbonat (sogenannte „Pottasche“) in einer Halde. Bei der Lagerung von Kaliumkarbonat tritt unter bestimmten physischen Einflussfaktoren wie Druck, Temperatur, Luftfeuchte und/oder Lagerzeit eine Anbackung und/oder Verhärtung des Materials auf. Dieser oder ein ähnlicher Effekt kann unter Umständen auch bei anderen Materialien beobachtet werden.
Angebackenes Material hat z.B. die folgenden nachteiligen Auswirkungen:

- Eine Verringerung der Materialqualität und somit Umsatzeinbußen für den Materialeigentümer;
- eine stärkere Abnutzung von Rücklademaschinen aufgrund von Zahnverschleiß;
- eine Verringerung der Effizienz der Lagerplatzeinrichtung und somit Umsatzeinbußen aufgrund einer verlangsamten Auslagerung sowie durch erforderliche, weitere Arbeitsschritte, um das angebackene Material wieder zu mahlen.

Gemäß dem in 1 in einer isometrischen Draufsicht dargestellten Haldenmodell wird der jeweils betroffene Lagerplatz in ein digitales Lagerplatzmodell überführt, indem dieser in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel in digitale, würfelförmige Volumenbereiche bzw. Volumenkörper unterteilt wird. Die Größe dieser Bereiche bestimmt die Auflösung des digitalen Modells und kann je nach Anforderung variiert werden.
Jedem der Volumenbereiche können verschiedene, physikalische bzw. chemische Zustandsgrößen (Parameter) zugeordnet werden. Diese Größen können sein:

- Der momentane, in dem Volumenbereich herrschende (mittlere) Druck;
- der Zeitpunkt der Einlagerung des betreffenden Materials in dem Volumenbereich zur Berechnung des seitdem vergangenen Lagerungszeitraums;
- die Außertemperatur in der Haldenumgebung zum Zeitpunkt der Einlagerung des betreffenden Materials;
- die in der Haldenumgebung herrschende Luftfeuchtigkeit zum Zeitpunkt der Einlagerung des betreffenden Materials;
- der genannte Druck in einem Volumenbereich, und zwar multipliziert mit dem seit dem genannten Zeitpunkt der Einlagerung vergangenen Lagerungszeitraum, um eine zeitabhängige Druckkennzahl zu erhalten;
- die Art des betreffenden Materials;
- Qualitätsinformationen über das betreffende Material, z.B. die chemische Zusammensetzung und Reinheit oder die physikalische Feinheit der Materialpartikel);
- sowie weitere Einflussfaktoren bzw. Einflussgrößen für die Lagerung des betreffenden Materials, z.B. dessen Anbackungswahrscheinlichkeit, und zwar bevorzugt in Abhängigkeit genannter Zustandsgrößen.

Bei dem in 1 dargestellten Haldenmodell liegen in den hier gezeigten Volumenbereichen 100 die folgenden Werte vorgenannter Zustandsgrößen und Materialeigenschaften vor:

- Zeitpunkt der Einlagerung des betreffenden Materials:	2019.04.10 / 12:35:24
- Lagerungszeitraum bis dato:	56:20:54 h
- Momentaner, durchschnittlicher Druck:	10.000 N
- Materialart:	Pottasche
- Materialqualität:	xyz
- Anbackungswahrscheinlichkeit:	50%

Die genannten Werte ergeben in dem vorliegenden Beispiel von Pottasche für die hellgrau schattierten acht Volumenbereiche bzw. -elemente 105 eine (nicht zu vernachlässigende) Anbackungsgefahr, für die mittelgrau schattierten vier Volumenbereiche 110 eine Anbackungswahrscheinlichkeit von <30% und für die dunkelgrau schattierten vier Volumenbereiche 115 eine Anbackungswahrscheinlichkeit von >90%
Das entsprechend der 1 somit vorliegende, digitale Haldenmodell wird in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel mittels bilderfassender Sensoren, z.B. Laser, Radar, photogrammetrische Sensoren, oder dergleichen, erstellt, welche bevorzugt an einem (Band-)Absetzer und/oder an einem Rückladegerät der jeweiligen Lagerhaltungseinrichtung angeordnet sind.
Beim Einlagern des Materials werden die zu diesem Zeitpunkt verfügbaren Parameter, in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel das eingelagerte Material, der Einlagerungszeitpunkt, die bei der Einlagerung herrschende Luftfeuchtigkeit, etc. dem zu diesem Zeitpunkt jeweils befüllten Volumenbereich zugeordnet. Auf Basis dieser Zustandsgrößen bzw. Parameter berechnet ein materialspezifischer Algorithmus die Wahrscheinlichkeit von Zuständen des Materials in den jeweiligen, vorliegend würfelförmigen Volumenbereichen in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel gemäß der folgenden Beziehung: $M a t e r i a l z u s t a n d (t) = \sum_{i = 1}^{n} {w_{i} * \sum_{j = 0}^{τ} {v_{i} * X_{i} * (t - t_{j})}}$
in der die Größe t den Zeitpunkt des Materialzustandes, die Größe X_i eine materialbezogene Zustandsgröße X_i, die Größe w_i einen Gewichtungsfaktor für die Zustandsgröße X_i, die Größe v_i einen Gewichtungsfaktor für Zeitabhängigkeit der Zustandsgröße X_i, und die Größe T_i die Anzahl der zeitlich zurückliegenden bzw. historischen Zeitschritte, die für die Zustandsgröße X_i betrachtet werden, bedeuten.
Beispiel für die Zustandsberechnung:

In dem Beispiel wird als Material bzw. Lagergut Kaliumkarbonat (Pottasche) zugrunde gelegt, von dem angenommen wird, dass es nach x Stunden Lagerzeit unter einem Druck y zu 90% anbackt. Der vorgenannte Algorithmus wird auf der Grundlage entsprechender Vorversuche und/oder den dabei gewonnenen physikalischen bzw. chemischen Zusammenhängen gebildet bzw. angepasst. Der Algorithmus ermöglicht damit eine Bewertung von Wahrscheinlichkeiten bzw. Vorhersage von hier betroffenen, lagerungsbedingten Zuständen, z.B. genannter Anbackungszustände, die das Material in genannten Volumenbereichen annimmt.

Die Anlagensteuerung kann nun auf Basis der so berechneten Wahrscheinlichkeiten bzw. Vorhersagen so eingerichtet bzw. programmiert werden, dass die Wahrscheinlichkeit, dass ein bestimmter, ungewünschter (lagerungsbedingter) Materialzustand eintritt, verringert wird.
Mögliche Maßnahmen im Betrieb einer hier betroffenen Lagerungseinrichtung zur Verringerung der Eintrittswahrscheinlichkeiten bestimmter Materialzustände können sein:

- Eine rechtzeitige Auslagerung des Materials, d.h. eine entsprechende Verringerung der Einlagerungszeit;
- eine geringere Aufhaldung von Material und damit eine geringere Höhe einer Halde an kritischen Stellen, wodurch sich der Druck auf ein bzw. in einem beschriebenen Volumenelement verringert;
- Einlagerung neuen Materials nur an entsprechend unkritischen Stellen, ebenfalls zur Verringerung des genannten Drucks.

In der 2 ist eine schematische Darstellung einer lokalen Anordnung von beschriebenen Volumenelementen, und zwar zu Vereinfachungszwecken von nur fünf aneinandergrenzenden Volumenelementen 200 - 220, gezeigt. Anhand dieser Darstellung wird ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Berechnung eines hier betroffenen, physikalischen Haldenmodells anhand eines genannten Algorithmus' beschrieben.
Der nur für die beiden Volumenelemente 200, 205 gezeigte Druckgradient Δp_1,2 in vertikaler Richtung der gezeigten Anordnung wird im Wesentlichen bestimmt durch die gravitationsbedingte Druckausübung des oberen Volumenelements 200 auf das darunterliegende Volumenelement 205. Der Druckgradient zwischen den beiden unteren Volumenelementen 205, 210 ergibt sich dann entsprechend, wobei allerdings die gesamte Druckbelastung der beiden Volumenelemente 200, 205 auf das darunterliegende Volumenelement 210 zu berücksichtigen ist.
Der ebenfalls nur für die beiden Volumenelemente 200, 205 gezeigte Temperaturgradient ΔT_1,2 in vertikaler Richtung der gezeigten Anordnung wird im Wesentlichen bestimmt durch äußere Einflüsse wie die Sonneneinstrahlung und die Bodentemperatur sowie die daraus über die Haldenhöhe (in der y-Richtung 230) sich ergebende Temperaturdifferenz ΔT 225. Der Temperaturgradient zwischen den beiden unteren Volumenelementen 205, 210 ergibt sich dann entsprechend.
Aus genannten Druck- und Temperaturgradienten können die in den drei Volumenelementen 200 - 210 herrschenden mittleren Drücke und mittleren Temperaturen abgeleitet werden. Aus diesen Daten kann, für das jeweils vorliegende Material spezifisch, die lagerungsbedingten physikalischen bzw. chemischen Materialveränderungen ermittelt werden. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel erfolgt diese Ermittlung anhand von in Testversuchen für das jeweilige Material gewonnenen Daten, welche z.B. in Form von (elektronischen) Tabellen oder Datenbanken vorliegen.
Der nur für die beiden Volumenelemente 205, 215 gezeigte Druckgradient Δp_1,3 in horizontaler Richtung der gezeigten Anordnung wird im Wesentlichen bestimmt durch horizontale Druckbelastungskomponenten zwischen horizontal benachbarten Volumenelementen, welche durch die bei einer Schüttung von kornförmigem Material mögliche seitliche Bewegung einzelner Materialpartikel verursacht werden.
Der ebenfalls nur für die beiden Volumenelemente 205, 215 gezeigte Temperaturgradient ΔT_1,3 in horizontaler Richtung der gezeigten Anordnung wird im Wesentlichen bestimmt durch den Temperaturverlauf entlang der Halde, und zwar in dem vorliegenden Beispiel entlang der gezeigten x-Richtung 235.
In der 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der Einrichtung anhand eines kombinierten Block-/Flussdiagramms dargestellt. Eine Datenverarbeitungseinheit 300 berechnet im Block bzw. Schritt 305 ein beschriebenes, digitales Haldenmodell auf der Grundlage von sensorisch 310 erfassten aktuellen physikalischen und/oder chemischen Daten. Diese Daten umfassen in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sowohl geometrischen Daten bzw. entsprechende Oberflächendaten einer betreffenden Halde, in der Umgebung der Halde und/oder innerhalb der Halde sensorisch erfasste Temperaturdaten sowie materialspezifische Daten bezüglich des momentan in der Halde gelagerten Materials. Anhand dieser Daten wird ein aktuelles bzw. momentan gültiges Haldenmodell berechnet 305.
Die Datenverarbeitungseinheit 300 berechnet 315 anhand des digitalen Haldenmodells 305 sowie der sensorisch erfassten Daten 310 aktuelle physikalische und/oder chemische Zustandsgrößen der Halde. Anhand dieser berechneten Zustandsgrößen werden aktuelle physikalische bzw. chemische Zustände des in der Halde gelagerten Materials berechnet 320 und anhand der so berechneten physikalischen bzw. chemischen Zustände eine Vorhersage zu möglichen Materialveränderungen des gelagerten Materials getroffen 325 bzw. entsprechender Vorhersagedaten bereitgestellt 330. Zur Vorhersage kann dabei die Wahrscheinlichkeit für die Entstehung von physikalischen Zuständen, welche bei der Lagerung des jeweils eingelagerten Materials auftreten können, berechnet werden 325, 330.
Die so bereitgestellten 330 Vorhersagedaten werden einer Steuerungseinheit 335 der jeweiligen Lagerplatzanlage bzw. Materialgewinnungsanlage zugeführt. Anhand der vorliegenden Vorhersagedaten 330 werden in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel in der Steuereinheit 335 eine oder mehrere geeignete Gegenmaßnahmen zur Verhinderung einer Materialänderung berechnet 340 und die dabei sich ergebenden Daten vorliegend einer SPS-Steuerung 350 zuführt, mittels der die berechneten 340 Gegenmaßnahmen beim Haldenbetrieb der hier betroffenen Lagereinrichtung durchgeführt werden.
Es ist anzumerken, dass die Berechnung der geeigneten Gegenmaßnahme(n) in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel anhand eines vorgegebenen Katalogs bzw. einer entsprechenden Auswahl 345 möglicher Gegenmaßnahmen durchführt wird, wobei für bestimmte physikalische bzw. chemische Zustände geeignete Gegenmaßnahmen im Vorfeld anhand von Testmessungen bzw. -versuchen ermittelt werden.
Es ist ferner anzumerken, dass ein vorbeschriebenes Verfahren sowie eine vorbeschriebene Einrichtung z.B. bei einem an einer Materialgewinnungsanlage (Erzabbau, Kohleabbau, Kaliabbau, etc.) vorgesehenen Materialzwischenlager oder an einem Schiffshafen vorgesehenen Materialumschlagplatz zum Umschlagen von entsprechendem Schüttgut einsetzbar sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2009/075945 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Anlage zur Lagerung von Schüttgut mit wenigstens einem haldenförmigen Lagerbereich, insbesondere einer Anlage zum Materialumschlag von Schüttgut oder einer Materialgewinnungsanlage, dadurch gekennzeichnet, dass für den wenigstens einen Lagerbereich ein digitales Haldenmodell erstellt wird (305) und dass auf der Grundlage des erstellten Haldenmodells die Entstehung von physikalischen und/oder chemischen Zuständen, welche bei der Lagerung des jeweils eingelagerten Materials auftreten können, vorhergesagt wird (320, 325), und dass vorhergesagte physikalische bzw. chemische Zustände beim Lagerungsbetrieb herangezogen werden (340), um eine möglichst materialschonende Lagerung des eingelagerten Materials zu gewährleisten.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Grundlage des Haldenmodells die Wahrscheinlichkeit für die Entstehung von physikalischen Zuständen, welche bei der Lagerung des jeweils eingelagerten Materials auftreten können, berechnet wird (325).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die materialschonende Lagerung des eingelagerten Materials durch vorgegebene Maßnahmen bzw. Gegenmaßnahmen (340) im Lagerungsbetrieb gewährleistet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Erstellung (305) des digitalen Haldenmodells ein haldenförmiger Lagerbereich in eine Vielzahl von kleineren Volumenelementen (100 - 115, 200 - 220) zerlegt wird und dass die auf ein einzelnes Volumenelement einwirkenden physikalischen Kräfte und/oder chemischen Einflüsse berechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenelemente (100 - 115, 200 - 220) durch in den drei Raumrichtungen symmetrische Elemente gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass für ein vorgegebenes Volumenelement (100 - 115, 200 - 220) die physikalischen Kräfte und/oder chemischen Einflüsse von darüber angeordneten (200, 205) und von seitlich angeordneten (215, 220) Nachbarelementen berücksichtigt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zu berücksichtigende Anzahl nächster Nachbarelemente horizontal nur nächste Nachbarn (215, 220) und vertikal möglichst sämtliche, oberhalb des betrachteten Volumenelementes angeordnete Volumenelemente (200, 205) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechnung der Volumenelemente (100 - 115, 200 - 220) des Haldenmodells der in einem Volumenelement (210) lokal vorherrschende Druck und/oder die in diesem Volumenelement (210) vorliegende Temperatur und/oder die in diesem Volumenelement (210) vorherrschende Luftfeuchte bzw. Materialfeuchte berücksichtigt werden, um aus diesen Größen zu berechnen, wie wahrscheinlich eine Verhärtung des Materials des jeweils betrachteten Volumenelements (210) und/oder eine Anbackung des Materials dieses Volumenelements mit dem Material eines der Nachbarelemente (205, 220) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechnung der Volumenelemente (100 - 115, 200 - 220) des Haldenmodells in einem Volumenelement (210) vorliegende, für eine Verhärtung und/oder Anbackung des Materials relevante, materialabhängige physikalische bzw. chemische Einflussgrößen berücksichtigt werden.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Vorfeld empirisch ermittelte Daten für das Verhärtungs- und/oder Anbackungsverhalten verschiedener Materialien zugrunde gelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die im Vorfeld ermittelten Daten für ein vorgegebenes Material die Verhärtungs- bzw. Anbackungswahrscheinlichkeit in Abhängigkeit von dem an der Grenzfläche zwischen zwei Volumenelementen (100 - 115, 200 - 220) vorliegenden Druck und der Temperatur umfassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechnung der Volumenelemente (100 - 115, 200 - 220) des Haldenmodells zusätzlich die bereits abgelaufene Lagerungszeit des jeweiligen Materials berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass für die Berechnung (305) des Haldenmodells erforderliche räumliche Daten einer aktuell vorliegenden haldenförmigen Materialaufschüttung mit an der Materialaufschüttung sensorisch erfassten, topografischen Daten verglichen werden und anhand des Vergleichs ggf. eine Anpassung des Haldenmodells an die aktuelle Materialaufschüttung vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ergebnisse der Berechnung des digitalen Haldenmodells bzw. die entsprechenden (Gegen-)Maßnahmen einer Maschinensteuerung zum Betrieb einer an der jeweiligen Lagerplatzanlage bzw. Materialgewinnungsanlage vorgesehenen Transport- und/oder Fördertechnik für Schüttgut in Echtzeit zugeführt werden.
Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 durchzuführen.
Einrichtung, welche eingerichtet ist, eine Anlage zur Lagerung von Schüttgut mit wenigstens einem haldenförmigen Lagerbereich, insbesondere eine Anlage zum Materialumschlag von Schüttgut oder eine Materialgewinnungsanlage, anhand des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 zu steuern.
Einrichtung nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch eine Sensorik (310) zur Erfassung von topografischen Daten der Halde, insbesondere von deren aktuellen Oberflächendaten, und/oder zur Erfassung von physikalischen Daten der jeweiligen Halde, insbesondere von deren Temperaturdaten.
Einrichtung nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch eine Datenverarbeitungseinheit, mittels der, auf der Grundlage der sensorisch (310) erfassten Oberflächendaten und/oder physikalischen Daten, ein aktuelles Haldenmodell (305) berechnet wird, wobei die Ergebnisse der Berechnungen anhand des Haldenmodells einer Steuerungseinheit (335) der jeweiligen Lagerplatzanlage bzw. Materialgewinnungsanlage zugeführt werden.
Einrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverarbeitungseinheit eingerichtet ist, aktuelle physikalische und/oder chemische Zustandsgrößen einer haldenförmigen Materialaufschüttung anhand des digitalen Haldenmodells (305) sowie der sensorisch (310) erfassten Daten zu berechnen (320), anhand der so berechneten Zustandsgrößen aktuelle physikalische bzw. chemische Zustände des in der Halde gelagerten Materials zu berechnen sowie eine Vorhersage von möglichen Materialveränderungen des gelagerten Materials anhand der berechneten physikalischen bzw. chemischen Zustände zu treffen (325) bzw. entsprechende Vorhersagedaten bereitzustellen.