DE10234047A1

DE10234047A1 - Verfahren zur Erkennung und Fehlerursachenzuordnung von periodischen Fehlern in qualitätsrelevanten Prozessgrößen in Walzwerken und Bandbehandlungsanlagen

Info

Publication number: DE10234047A1
Application number: DE2002134047
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl.-Ing. Schneider; Alexander Dr. Horch
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 2002-07-25
Filing date: 2002-07-25
Publication date: 2004-02-05
Anticipated expiration: 2022-07-26
Also published as: DE10234047B4

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Erkennung und Fehlerursachenzuordnung von periodischen Fehlern in qualitätsrelevanten Prozessgrößen in Walzwerken und Bandbehandlungsanlagen mit Abwickler, Walzen und Aufwickler vorgeschlagen, wozu eine Umrechnung einer zeitbasiert erfaßten Größe mit äquidistanten Zeitschritten auf eine vom zu detektierenden Fehlertyp abhängige Größe erfolgt, und zwar DOLLAR A È bei zu detektierenden periodisch äquidistanten Bandhärteschwankungen des einlaufenden Bandes und/oder zu detektierenden periodischen Abweichungen der einlaufseitigen Banddicke und/oder zu detektierenden Walzenexzentritäten und/oder zu detektierenden Walzenunrundheiten auf eine längenbasierte Größe mit äquidistanten Längenschritten, DOLLAR A È bei zu detektierendem Bundschlag des Abwicklers (oder Aufwicklers) und/oder drehharmonischen Bandhärteschwankungen auf eine Abwickler-Drehwinkel-basierte Größe (oder Aufwickler-Drehwinkel-basierte Größe) mit äquidistanten Winkelschritten. DOLLAR A Diese vom zu detektierenden Fehlertyp abhängige Größe wird einer Ordnungsanalyse unterzogen, um derart Amplituden als Funktion von Schwingungen je Längeneinheit oder Schwingungen je Drehwinkeleinheit zu erhalten. Die bei der Ordnungsanalyse gewonnenen Peaks dieser Amplituden werden mit Kennwerten, wie Anzahl Schwingungen je Längeneinheit oder Anzahl Schwingungen pro Umdrehung verglichen. Es erfolgt eine Fehlerzuordnung, wenn die gewonnenen Peaks der Amplituden und die Kennwerte in hohem Grade übereinstimmen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erkennung und Fehlerursachenzuordnung von periodischen Fehlern in qualitätsrelevanten Prozessgrößen in Walzwerken und Bandbehandlungsanlagen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung kann allgemein bei gewalzten Bändern, wie Metallbänder, Folien (beispielsweise aus Kunststoff), Papier usw. verwendet werden.
In J. Kaulen, H. Teichen, B. Geropp und H. Cerv, Rundlauf von Walzen als qualitätssichernde Voraussetzung für die Produktion flacher Bahnen, Teil 1, ALUMINIUM, 71. Jahrgang 1995, Nr. 5, Seiten 628–630 wird festgestellt, daß zur Steigerung der Produktivität beim Walzen insbesondere die Verarbeitungsgeschwindigkeit erhöht wird, woraus sich besondere Anforderungen an das Zusammenspiel aller Komponenten einer Walzanlage ergeben. Die Bandqualität wird maßgeblich beeinträchtigt durch Torsionsschwingungen im Frequenzbereich 5–15 Hz, durch Translationsschwingungen im Frequenzbereich 100–200 Hz und durch Translationsschwingungen im Frequenzbereich 550–650 Hz.
In K. Uchtmann, R. Winh, Maschinendiagnose an drehzahlveränderlichen Antrieben mittels Ordnungsanalyse, Antriebstechnik 38 (1999), Nr. 5, Seiten 44–49 wird erläu tert, daß man Schäden und andere Unregelmäßigkeiten an Elementen der Antriebstechnik sehr zuverlässig durch Messung und Analyse der Schwingungen erkennt. Dabei wird die Frequenz auftretender Schwingungen mit den theoretischen Schadensfrequenzen verglichen. Bei drehzahlvariablen Antrieben bietet die Ordnungsanalyse die Möglichkeit zur Untersuchung und exakten Identifikation von Schwingungen.
Ausgegangen wird von einer Spektralanalyse von Schwingungssignalen zur frühzeitigen Erkennung von Unregelmäßigkeiten an komplexen Maschinen. Die Spektralanalyse beruht auf dem Vergleich der Peaks in den Spektren der Schwingungsmessung mit den möglichen, zuvor berechneten theoretischen kinematischen Erregerfrequenzen (frequenzselektive Schwingungsdiagnose). Bei der Spektralanalyse wird das aufgezeichnete Zeitsignal mit Hilfe der Fast-Fourier-Transformation (FFT) in das Frequenzspektrum umgerechnet. Das Zeitsignal besteht aus unabhängigen Augenblickswerten, die in Abhängigkeit einer äquidistanten Zeitachse digital bereitgestellt werden. Das Spektrum besteht demzufolge aus Spektrallinien, die in Abhängigkeitr einer äquidistanten Frequenzachse dargestellt werden. Jede Spektrallinie (Peak) ist dabei ein Maß für die Intensität und die Häufigkeit des Auftretens von Schwingungen mit der zugehörigen Frequenz im zugrunde gelegten Zeitfenster. Die FFT geht also von der Stationarität des Signals hinsichtlich Amplitude und Frequenz aus.
Die Ordungsanalyse ist ein Verfahren, um an Maschinen oder Antrieben mit variabler Drehzahl frequenzselektive Untersuchungen durchzuführen. Hierbei wird ein Zeitsignal aus unabhängigen Augenblickswerten in Abhängigkeit einer äquidistanten, dem Drehwinkel proportionalen Bezugsachse digital bereitgestellt. So besteht das Ergebnis der FFT aus einem Spektrum (Ordnungsspektrum) in Abhängigkeit einer äquidistanten Ordnungsachse. Das Ergebnis der Ordungsanalyse kann in Form der Kaskaden- oder Wasserfalldarstellung bereitgestellt werden. Hierbei wird die Amplitude jedes errechneten Spektrums über der Ordnung und in Abhängigkeit der Drehzahl aufgetragen. Die Wasserfalldarstellung bietet darüber hinaus eine einfache Möglichkeit, festzustellen, ob ein Spektralanteil drehzahlabhängig oder drehzahlunabhängig ist. Hierdurch ergeben sich Ansätze für die Gestaltung vollautomatischer Diagnosealgorithmen. Die Wasserfalldarstellung von Hochlauf- oder Auslaufvorgängen liefert zuverlässige Informationen zu Eigenschwingungen und Resonanzzuständen.
In F. Feldmann, M. Kerkmann, Prozeßoptimierung an einem CV6-6-HS-Reversiergerüst, stahl und eisen 121 (2001) Nr. 8, Seiten 81–88 wird im Abschnitt "Walzenfehlerdiagnose" erläutert, daß Exzentritäten und Unrundheiten der Walzen die Dickentoleranzen (Banddicke) beeinflussen. Des weiteren können mechanische Markierungen und Standstellen der Walzen die Bandoberflächenqualität beeinträchtigen. Eine Automatik beschleunigt die Gerüstantriebe auf eine vordefinierte Geschwindigkeit und verfährt die hydraulische Anstellung auf einen festen Arbeitspunkt. In diesem Betriebszustand wird die Walzkraft über eine vom Walzendurchmesser abhängige Zeit registriert und mit einer Fast Fourier Transformation (FFT) analysiert.
In M. Schneider, A. Kummerow, Rechnergestützte Prozeßdiagnose bei Qualitätsproblemen in Flachwalzwerken, VDI-Symposium Bamberg, 15./16. Mai 2001, ISBN 3-18-091598-6, S. 209–221 wird erläutert, in welcher Art und Weise schnell, objektiv und zuverlässig erkannt werden kann, wenn qualitätsrelevante Größen bei Flachprodukten, insbesondere bei Kaltwalzwerken, wie Banddickengenauigkeit, Planheft und Oberflächengüte, aus dem vorgegebenen Toleranzband zu laufen drohen. Bezüglich der Vorgehensweise bei der Diagnose der Qualitätsgröße Banddickengenauigkeit ist es zweckmäßig, zunächst die periodischen und dann die aperiodischen Fehlerursachen zu finden. Um die Diagnose anzustoßen und erste Hinweise auf die Fehlerursache zu finden, werden Kennwerte der Banddickenabweichung und deren messbaren Einflußgrößen gebildet. Darauf folgen Frequenzanalysen der Banddickenabweichung und messbaren Einflußgrößen. Die Maxima der Frequenzanalysen werden mit Drehfrequenzen von Haspeln und Walzen und deren ganzzahligen Vielfachen verglichen.
Des weiteren können Ergebnisse aus der Kennwertanalyse und der Analyse der Zeitsignale herangezogen werden, um die Zuordnung der Fehlerursache zu präzisieren. Mit Hilfe eines Simulationstools werden die einzelnen Fehleranteile per Simulation sukzessive von dem gemessenen Banddickensignal subtrahiert, um zum einen die einzelnen Störgrößen besser zu quantifizieren und zum anderen verbleibende Restfehler weiter zu analysieren.
Der bekannte Stand der Technik kann wie folgt zusammengefaßt werden: Das Banddickensignal als ein wichtiges Qualitätsmerkmal wird einer Frequenzanalyse unterworfen, um periodische Anteile zu erkennen und den Fehlerursachen zuzuordnen. Fehlerursachen können sein:

– Walzenunrundheiten, wie exzentrische Walzen, ovale Walzen und periodische Radiusfehler der Walzen, beispielsweise vom Walzenschleifen herrührend,
– Bundunrundheiten, wie exzentrische Coils und Bundschlag,
– periodische Fehler der einlaufseitigen Banddicke, die von den vorgenannten Fehlern verursacht wurden,
– periodische Bandhärteschwankungen,
– angeregte Torsionsschwingungen in den Antriebssträngen und
– angeregte Gerüsteigenschwingungen.

Bisherige Anwendungen beziehen sich im wesentlichen auf eine Analyse von Walzenunrundheitsfehlern. Dabei muß zwischen einer Analyse ohne Band und einer Analyse mit Band unterschieden werden. Bei der Analyse ohne Band werden Walzkraft und/Anstellposition analysiert, um eine Diagnose der Walzenunrundheiten vor dem Walzen durchzuführen. Bei der Analyse mit Band wird neben den vorgenannten Signalen auch die Zielgröße „auslaufseitige Banddicke" analysiert. Im Vergleich zur Analyse ohne Band sind die Signale bereits durch den normalen Betrieb erheblich verrauscht, was die Analyse erheblich erschwert.
Zur letztgenannten Analyse wird vorzugsweise bei konstanter Walzgeschwindigkeit das zeitbasierte Banddickensignal einer Frequenzanalyse unterzogen, um ein Verschmieren des Spektrums zu vermeiden. Dies hat allerdings den Nachteil, daß man den Untersuchungszeitraum dem gerade aktuellen Konstantfahrbereich anpassen muß. Der Konstantfahrbereich ist von Stich zu Stich unterschiedlich, da er von den jeweiligen Prozessbedingungen und den Bedienoperationen abhängig ist. Demzufolge ist das der Analyse zugrundeliegende Zeitfenster unter Umständen relativ klein. Dies hat dann eine relativ grobe Frequenzauflösung in der Frequenzanalyse zur Folge, was wiederum die Zuordnung zu den erregenden Störfrequenzen schwierig gestaltet. Dies ist insbesondere bei der Zuordnung zu Walzen nachteilig, bei denen gleichartige Walzen, beispielsweise Stützwalzen, geringfügig unterschiedliche Walzendurchmesser haben (dies kommt in der Praxis häufig vor, da bei dem im Betrieb üblichen Walzenschleifen die Walzen im Laufe der Zeit unterschiedliche Radienabnahmen erfahren), die entsprechend geringfügig unterschiedliche Drehfrequenzen erzeugen.
Von Nachteil ist weiterhin, daß die Untersuchung von Coilunrundheiten wegen der variierenden Drehfrequenz der Coiler auch bei kontanter Walzgeschwindigkeit wegen des vorstehend erwähnten Verschmiereffektes in der Frequenzanalyse unpräzise wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erkennung/Analyse und Fehlerursachenzuordnung von periodischen Fehlern in qualitätsrelevanten Prozessgrößen in Walzwerken und Bandbehandlungsanlagen, wie beispielsweise die Banddicke, der eingangs genannten Art anzugeben, um damit Qualitätsmängel frühzeitig zu erkennen, den verursachenden Stellgliedern zuzuordnen und zu beheben.
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Ursachen von fehlerhaften periodischen Änderungen in qualitätsrelevanten Prozessgrößen, wie Banddicke, Beschichtungsdicke usw. frühzeitig erkannt werden und dementsprechend eine Beeinflussung der betroffenen Stellglieder veranlaßt werden kann, um die erkannten Fehlerursachen abzustellen.
Weitere Vorteile sind aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:
1 ein Walzgerüst mit Bandwickelvorrichtungen und Erfassungseinrichtungen für interessierende Meßwerte (Prozeßsignale),
2 eine Funktionsübersicht bezüglich Fehlererkennung und Fehlerursachenzuordnung periodischer Fehler der auslaufseitigen Banddicke,
3 eine Übersicht über Fehlerursachenzuordnung von periodischen Fehlern,
4 eine Darstellung Amplitude/Anzahl Schwingungen je Längeneinheit der abgewickelten Walzenumfangslänge und Zuordnung zu den entsprechenden Ordnungen der verschiedenen Walzen,
5 eine Ermittlung der Ordnungsanalyse bezüglich der Wicklerumdrehung, d. h. eine Darstellung Amplitude/Anzahl Schwingungen pro Umdrehung einer Aufhaspel,
6 eine Frequenzanalyse der einlaufseitig längenbasierten auslaufseitigen Banddicke (oberer Abschnitt) sowie eine Frequenzanalyse der längenbasierten einlaufseitigen Banddicke (unterer Abschnitt) mit entsprechenden Darstellungen Amplitude/Anzahl Schwingungen pro Längeneinheit.
In 1 ist ein Walzgerüst mit Bandwickelvorrichtungen und Erfassungseinrichtungen für interessierende Meßwerte (Prozeßsignale) dargestellt. Es ist ein allgemein bekanntes Walzgerüst 1 mit oberer Stützwalze 2, unterer Stützwalze 3, oberer Arbeitswalze 4, unterer Arbeitswalze 5 und Stelleinrichtung 6 für Walzkraft und Anstellposition gezeigt. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Stützwalzen unabhängig voneinander angetrieben (Twin Drive Antriebskonzept). Eine Gerüstantriebswelle 9 für den Antrieb der oberen Stützwalze 2 wird mittels eines Stützwalzen-Antriebsmotors 10 angetrieben (hierdurch erfolgt gleichzeitig der Antrieb der oberen Arbeitswalze). Zusätzlich wird eine Gerüstantriebswelle 29 für den Antrieb der unteren Stützwalze 3 mittels eines Stützwalzen-Antriebsmotors 30 angetrieben (hierdurch erfolgt gleichzeitig der Antrieb der unteren Arbeitswalze).
Andere Antriebskonzepte sind möglich, beispielsweise Kammwalzenantrieb der Arbeitswalzen: Ein oder mehrere hintereinander angeordnete Motoren sind mit einem Getriebe zur Momentenwandlung und danach mit einem Kammmwalzgetriebe verbunden. Das Kammmwalzgetriebe hat die Aufgabe, das Moment von einer Welle auf zwei Wellen zu verteilen, mit denen dann jeweils die Arbeitswalzen verbunden sind.
Ein Band 12 durchläuft den zwischen den Arbeitswalzen 4, 5 gebildeten Walzspalt. Dieses Band 12 wird von einem Abwickler (Abhaspel, einlaufseitige Haspel) 13 abgewickelt, wobei dieser Abwickler 13 über eine Abwickler-Antriebswelle 14 von einem Abwickler-Antriebsmotor 15 angetrieben wird. Das Band 12 gelangt über eine einlaufseitige Umlenkrolle 18 zum Walzgerüst und über eine auslaufseitige Umlenkrolle 22 zu einem Aufwickler (Aufhaspel, auslaufseitige Haspel) 24, wobei dieser Aufwickler 24 über eine Aufwickler-Antriebswelle 25 von einem Aufwickler-Antriebsmotor 26 angetrieben wird.
Bei einer Bandbehandlungsanlage spricht man allgemein von Rollen an Stelle der Arbeitswalzen + Stützwalzen.
Es sind folgende Erfassungseinrichtungen für interessierende Meßwerte (Prozeßsignale) vorgesehen:

– eine Walzkraft-Erfassungseinrichtung 7 zur Erfassung der Walzkraft Fr,
– eine Anstellposition-Erfassungseinrichtung 8 zur Erfassung der Anstellposition S,
– eine Drehzahlerfassungseinrichtung 11 zur Erfassung der Motordrehzahl n_M1Mot des Stützwalzen-Antriebsmotors 10,
– eine Drehzahlerfassungseinrichtung 16 zur Erfassung der Motordrehzahl n_UncMot des Abwickler-Antriebsmotors 15,
– eine Durchmessererfassungseinrichtung 17 zur Erfassung des Radius R_Unc des Abwicklers 13 (aus dem Radius läßt sich der Durchmesser berechnen),
– eine einlaufseitige Bandzugerfassungseinrichtung 19 zur Erfassung des einlaufseitgen Bandzuges Ft0,
– eine einlaufseitge Banddickenerfassungseinrichtung 20 zur Erfassung der einlaufseitigen Banddicke (Einlaufbanddicke) h0,
– eine auslaufseitige Banddickenerfassungseinrichtung 21 zur Erfassung der auslaufseitigen Banddicke (Auslaufbanddicke) h1,
– eine auslaufseitge Bandzugerfassungseinrichtung 23 zur Erfassung des auslaufseitgen Bandzuges Ft1,
– eine Drehzahlerfassungseinrichtung 27 zur Erfassung der Motordrehzahl n_CoiMot des Aufwickler-Antriebsmotors 26,
– eine Durchmessererfassungseinrichtung 28 zur Erfassung des Radius R_Coi des Aufwicklers 24 (aus dem Radius läßt sich der Durchmesser berechnen),
– eine Drehzahlerfassungseinrichtung 31 zur Erfassung der Motordrehzahl des Stützwalzen-Antriebsmotors 30 (bei Vorliegen eines Twin-Drive-Antriebskonzeptes).

Allgemein können beispielsweise folgende periodische Fehleranteile (Fehlertypen) in der auslaufseitigen Banddicke h1 auftreten und aufgrund der Analyse der erfaßten Prozeßsignale (siehe Erfassungseinrichtungen gemäß 1) erkannt werden:

– Periodische Bandhärteschwankungen des einlaufenden Bandes 12 und/oder periodische Abweichungen der einlaufseitigen Banddicke h0,
– Bundschlag und/oder Bundunrundheiten beim Abwickler 13 und/oder Aufwickler 24,
– Walzenexzentritäten bzw. Rollenexzentritäten (bei Bandbehandlungsanlage) und/oder Walzenunrundheiten von Stützwalzen 2, 3 und/oder Arbeitswalzen 4, 5 bzw. Rollenunrundheiten (bei Bandbehandlungsanlagen).

2 zeigt eine Funktionsübersicht bezüglich Fehlerzuordnung (Fehlerursachenzuordnung) der erkannten periodischen Fehleranteile der auslaufseitigen Banddicke. Zentrale Funktionen sind Verfahren zur Erkennung von periodischen Signalanteilen, wie zum Beispiel Ordnungsanalysen (zweiter Block) und Fehlerzuordnung (dritter Block). Die Funktionsweise wird nachfolgend anhand von verschiedenartigen Fehlerszenarien im einzelnen erläutert. Dabei behandeln die Fehlerszenarien I und II Fälle, bei denen die Fehler in den aktuellen Walzen, Haspeln bzw. Bund und einlaufendem Band begründet sind. Die Fehlerszenarien III, IV und V behandeln Fälle, bei denen die Fehler vor dem aktuellen Stich liegen:
Fehlerszenarium I: in auslaufseitiger Banddicke h0 ist/sind Stützwalzenexzen trität/en (Exzentritäten der Stützwalzen 2 und/oder 3) eingewalzt
4 zeigt hierzu eine Darstellung der Schwingungen pro Längeneinheit der abgewickelten Walzenumfangslänge und die Zuordnung zu den entsprechenden Ordnungen der verschiedenen Walzen. Das Amplitudenspektrum ist mit durchgehendem Linienzug gezeichnet. Man sieht, daß es signifikante Beiträge BurB1 (bei 0,265 1/m) bzw. BurT1 (bei 0,277 1/m) bei der ersten Harmonischen der unteren Stützwalze bzw. der oberen Stützwalze gibt (siehe Balken). Die Größe der Beiträge liest sich hier zu 2 μm bzw. 2,75 μm. Es sind weitere Beiträge BurB2 bzw. BurT2 bei der zweiten Harmonischen der unteren Stützwalze bzw. der oberen Stützwalze erkennbar.
Es wird eine Ordnungsanalyse auf die gemessenen Abweichungen der auslaufseitigen Banddicke h1 als Funktion der gewalzten Bandlänge Lr angewandt. Dazu wird zunächst die gewalzte Bandlänge Lr benötigt. Die Bandlänge Lr erhält man durch Integration der Walzgeschwindigkeit vr. Die Walzgeschwindigkeit vr ergibt sich aus der Motordrehzahl n_M1Mot des Stützwalzen-Antriebsmotors 10, dem (Getriebe-)Übersetzungsverhältnis des Walzen-Antriebsstranges i_M1 und dem Walzenradius R_M1 der angetriebenen Walze, hier der Arbeitswalze 4:
Bei einer Bandbehandlungsanlage mit zu detektierender Rollenexzentrität wird allgemein die Bandbehandlungsgeschwindigkeit an Stelle der Walzgeschwindigkeit aus der Motordrehzahl des geschwindigkeitsgeführten Rollen-Antriebsmotors, dem Übersetzungsverhältnis des Rollen-Antriebsstranges und dem Rollenradius ermittelt.
Die zeitbasierte Meßgröße "Abweichungen der auslaufseitigen Banddicke h1" mit äquidistanten Zeitschritten delta t wird auf eine längenbasierte Größe mit äquidistanten Längenschritten umgerechnet. Auf diese Größe wird dann eine Ordnungsanalyse, d. h. Frequenzanalyse oder FFT (Fast Fourier Transformation) oder, ein anderes Verfahren zur Erkennung von periodischen Fehleranteilen, wie beispielsweise ein Korrelationsverfahren – speziell orthogonale Korrelation – angewandt. Es ergibt sich die Fourier transformierte F_delta_h1(Lr) der Abweichung delta-h1 der auslaufseitigen Banddicke h1 als Funktion der gewalzten Bandlänge Lr.
Diese Aussage ist auch für die nachfolgenden Fehlerszenarien gültig.
Das Ergebnis dieser Prozedur liefert analog zur FFT einer zeitbasierten Größe Amplituden als Funktion von Schwingungen je Längeneinheit. Wenn die Abszisse auf den Umfang einer Stützwalze 2, 3 bezogen wird, hat man beim Abzissenwert "1" die Amplitude der Schwingung in der auslaufseitigen Banddicke h1 je Stützwalzenumdrehung. Entsprechend ist dann beim Abszissenwert "2" die Amplitude bei zwei Schwingungen je Stützwalzenumdrehung usw. Wenn die Abszisse der gleichen FFT auf den Umfang einer anderen Walze bezogen wird, sieht man an den entsprechenden Abszissenwerten "1", "2", "3",... die Amplituden bei der entsprechenden Anzahl Schwingungen je Umdrehung der betrachteten Walze. Wenn an den genannten Abszissenwerten "1", "2" bzw. "3" Peaks (Spitzenwerte, Scheitelwerte, Höchstwerte) auftreten, liegt der Schluß nahe, daß eine, zwei, bzw. drei... Walzenunrundheiten je Walzenumdrehung vorhanden sind. Dies entspricht dem einfachen Fall einer Fehlerzuordnung ohne weitere Störquellen.
Falls jedoch zufällig eine weitere Störquelle in dem aktuellen Zeitbereich die gleiche Frequenz hat, läßt sich mit dieser einfachen Methode nicht mehr eindeutig eine Schlußfolgerung durchführen. In diesem Fall sind weitere Auswertungen vorzunehmen, die es erlauben, die Fehlerursache eindeutig zuzuordnen. Eine Übersicht über Fehlerursachenzuordnung von periodischen Fehlern ist in 3 dargestellt. Solche weiteren Auswertungsmöglichkeiten sind:

– Weitere Kriterien im Frequenzbereich, beispielsweise Anzahl der Ordnungen bei bestimmten Fehlern (beispielsweise ist bei Bundschlag mindestens die erste, zweite und dritte Ordnung stark vertreten),
– Kriterien im Zeitbereich durch Auswertung von Kennwerten von Prozeßgrößen und Verknüpfungen von Prozeßgrößen – beispielsweise Amplitudenverläufe von Prozeßgrößen während eines Bearbeitungsvorganges, beispielsweise Amplituden der Zugspitzen, verursacht durch Bundschlag, die über einen Stich betrachtet werden und mit abnehmendem Bundradius bei gleicher Bandgeschwindigkeit größer, bei zunehmender Bandgeschwindigkeit ebenfalls größer werden usw.
– Kriterien im Zeitbereich durch Auswertung der Signalform von Prozeßgrößen. Beispiel: Signalform von Prozeßgrößen bei Bundschlag entspricht Impulsantwort eines gedämpften Schwingers, während Bundexzentrität oder Bundovalität sinusförmige Prozeßgrößen verursachen,
– Unterstützung der obigen Kriterien mit einem Prozeßmodell.

Diese Aussage ist auch für die nachfolgenden Fehlerszenarien gültig. Die unter Fehlerszenarium 1 gemachten Aussagen gelten analog für Unrundheiten der Stützwalzen and aller anderen Walzen (Zwischenwalzen, Arbeitswalzen).
Fehlerszenarium 11a: in auslaufseitiger Banddicke h1 wirkt Bundunrundheit an Aufwickler 24 störend ein
Die Vorgehensweise ist analog zu Fehlerszenarium 1 mit dem Unterschied, daß eine Ordnungsanalyse auf die gemessenen Abweichungen der auslaufseitigen Banddicke h1 als Funktion des Aufwickler-Drehwinkels alfa_Coi durchgeführt wird – siehe hierzu 5, welche eine Ermittlung der Ordnungsanalyse bezüglich der Wicklerumdrehung zeigt – und es ergibt sich die Fouriertransformierte F_delta_h1(alfa_Coi) der Abweichung der auslaufseitigen Banddicke h1 als Funktion des Aufwickler-Drehwinkels alfa_Coi. Den Aufwickler-Drehwinkel alfa_Coi erhält man aus der Integration der Aufwickler-Drehzahl n_Coi. Diese ergibt sich aus der Motordrehzahl n_CoiMot des Aufwickler-Antriebmotors 26 und dem (Getriebe-)Übersetzungsverhältnis i_Coi des Aufwickler-Antriebsstranges:
Die zeitbasierte Meßgröße "Abweichungen der auslaufseitigen Banddicke h1" mit äquidistanten Zeitschritten delta_t wird auf eine drehwinkelbasierte Größe mit äquidistanten Winkelschritten umgerechnet. Auf diese Größe wird dann die Ordnungsanalyse, d. h. Frequenzanalyse oder FFT oder Korrelation angewandt. Das Ergebnis dieser Prozedur liefert analog zur FFT einer zeitbasierten Größe Amplituden als Funktion von Schwingungen je Drehwinkeleinheit (ein radiant).
Wenn die Abszisse auf den Drehwinkel einer Umdrehung des Aufwicklers 24, also 2π bezogen wird, hat man beim Abszissenwert "1" die Amplitude der Schwingung in der auslaufseitigen Banddicke h1 je Umdrehung des Aufwicklers 24. Entsprechend ist dann beim Abszissenwert "2" die Amplitude bei zwei Schwingungen je Umdrehung des Aufwicklers 24 usw. Wenn an den genannten Abszissenwerten "1", "2" bzw. "3" Peaks (Spitzenwerte, Scheitelwerte, Höchstwerte) auftreten, liegt der Schluß nahe, daß eine, zwei, bzw. drei... Bundunrundheiten je Umdrehung des Aufwicklers 24 vorhanden sind. Dies entspricht dem einfachen Fall einer Fehlerzuordnung ohne weitere Störquellen.
5 zeigt als Beispiel hierzu das Amplitudenspektrum für die aufhaspelbezogene Auslaufbanddicke. Es sind die signifikanten Beiträge bis zur dritten Harmonischen zu sehen (siehe hierzu die gestrichelt dargestellten Balken bei den Abszissenwerten eine Schwingung/Umdrehung, zwei Schwingungen/Umdrehung und drei Schwingungen/Umdrehung).
Eine genauere Fehlerzuordnung – nämlich ob die Fehlerursache eine Bundexzentrität oder ein Bundschlag ist – ist allein anhand der Ordnungsanalyse schwierig. Hier wird zusätzlich eine Untersuchung im Zeitbereich unter Berücksichtigung von bekannten Regeln durchgeführt, beispielsweise nehmen durch Bundschlag verursachte Schwingungs-Amplituden im Bandzug bei konstanter Walzgeschwindigkeit vr mit wachsendem Durchmesser des Aufwicklers 24 ab. Dieser Sachverhalt zeigt den Unterschied zu Bundexzentritäten auf und wird deshalb als Unterscheidungs-Kriterium verwendet.
Fehlerszenarium 11b: in auslaufseitiger Banddicke h1 wirkt Bundunrundheit an Abwickler 13 störend ein
Die Vorgehensweise ist analog zum vorstehend behandelten Fehlerszenarium IIa mit dem Unterschied, daß statt des Aufwickler-Drehwinkels alfa_Coi der Abwickler-Drehwinkel alfa_Unc, statt der Aufwickler-Drehzahl n_Coi die Abwickler-Drehzahl n_Unc und statt des (Getriebe-) Übersetzungsverhältnisses des Aufwickler-Antriebsstranges i_Coi das (Getriebe-) Übersetzungsverhältnisses des Abwickler-Antriebsstranges i_Unc verwendet werden.
Die folgenden Fehlerszenarien IIIa–IIId behandeln Fälle, bei denen die einlaufseitige Banddicke bereits periodische Fehler enthält. Die einlaufseitige Banddicke ist das Bindeglied zur Vorgeschichte des aktuellen Stiches. Hierbei ist es von Interesse, inwieweit sich die Fehler der einlaufseitgen Banddicke auf die auslaufseitige Banddicke auswirken. Der Prozeß und die Banddickenregelung können diese Störungen bedämpfen bzw. im ungünstigen Fall verstärken. Die periodischen Fehler bezüglich der einlaufseitigen Banddicke können unterteilt werden in solche, die periodisch bezüglich der Einlaufbandlänge sind und in solche, die drehharmonisch bezüglich eines Wicklerdrehwinkels (von vorhergehenden Stichen) sind. Bei den folgenden Fehlerszenarien IIIa, IIIb, IIIc, IIId kann sich die Auswertung entweder auf die einlaufseitige Banddicke oder die auslaufseitige Banddicke des aktuellen Stiches beziehen. Bei Bezug auf die einlaufseitige Banddicke ergibt sich der Vorteil, daß darin nur die Fehler der Vorgeschichte enthalten sind, während in der auslaufseitigen Banddicke auch die neu hinzugekommenen Fehler des aktuellen Stiches enthalten sind.
Fehlerszenarium IIIa: in auslaufseitiger Banddicke h1 wirken periodische Fehler in der einlaufseitigen Banddicke h0 störend ein
6 zeigt hierzu Frequenzanalysen der einlaufseitig längenbasierten auslaufseitigen Banddicke (oberer Abschnitt) und der einlaufseitig längenbasierten einaufseitigen Banddicke (unterer Abschnitt). In dieser Darstellung läßt sich direkt sehen, welche Frequenzen das einlaufende Band „mitbringt" (siehe unterer Abschnitt) und welche im auslaufenden Band noch vorhanden sind (und gegebenenfalls durch die Verarbeitung neu hinzugekommen sind, siehe oberer Abschnitt). Die beiden durch gestrichelte Balken gezeigten Frequenzen im Einlauf sind leicht zu erkennen. Beide werden durch den Walzprozess in ihrer Amplitude stark verringert, sie sind jedoch im Auslauf noch immer klar erkennbar. Der obere Abschnitt von 6 entspricht dabei – bis auf die Stauchung durch Bezug auf die Einlaufdicke – dem Spektrum gemäß 4. Rechts von der zweiten Einlaufstörung sind die Stützwalzenbeiträge sichtbar. Ergebnis:
„unterer" Peak: Wellenlänge 9 m, Amplitude 4 μm Einlauf, 1 μm Auslauf,
„oberer" Peak: Wellenlänge 4,3 m, Amplitude 7 μm Einlauf, 2,1 μm Auslauf.
Die Auswertung, d. h. Zuordnung zu Fehlerursachen, ist analog zu Fehlerszenarium 1, wobei der einzige Unterschied in der Skalierung der Abszisse bzw. der Stelle der Markierung der Kennwerte, wie z. B. „1", „2", „3" Schwingungen je Walzenumfang besteht. Der Skalierwert ergibt sich aus dem Kehrwert des auf die Einlaufseite des aktuellen Stiches umgerechneten Walzenumfanges Lr0,pa des betrachteten Walzentyps im p-ten Vorstich.
Fehlerszenarium IIIb: in auslaufseitiger Banddicke h1 wirken periodische äquidistante Bandhärtefehler delta_kf störend ein
Dieser Fehlertyp kann von ungleich abgelaufenen Temperaturvorgängen, wie z. B. unterschiedlichem Temperaturverlauf an den Auflagestellen im Ofen (skid marks) bzw. von ungleichen Abkühlbedingungen bei Unplanheit (Kühlmittelansammlungen in den Dellen, z. B. bei Vierteltaschen) in Vorstichen herrühren. Auf diesen Fehlertyp kann geschlossen werden, wenn sowohl keine Einlaufdickenschwankungen als auch keine Walzenexzentritäten bzw. -unrundheiten im aktuellen Stich festgestellt werden können.
Die Eintragung von Kennwerten in die Frequenzanalyse ist bei diesem Fehlerszenarium nicht immer möglich. Im Falle von skid marks kann als Kennwert der Kehrwert des Abstandes der Ablagestellen im Ofen unter Berücksichtigung der bis zum aktuellen Stich erfolgten Längung genommen werden.
Fehlerszenarium IIIc: in auslaufseitiger Banddicke h1 wirken drehharmonische Dickenfehler im Einlauf aufgrund von Haspelexzentritäten bzw. Bundunrundheiten (Wickler) in einem vorangegangenem Stich
Die Auswertung ist analog zu dem Fehlerszenarium IIa bzw. IIb mit dem Unterschied, daß statt des aktuellen Abhaspel- bzw. Aufhaspel-Drehwinkel-Meßwertes ersatzweise der Abhaspel- bzw. Aufhaspel-Drehwinkel des betrachteten Vorstiches umgerechnet auf die Einlaufseite des aktuellen Stiches verwendet wird. Wenn dieser Abhaspel- bzw. Aufhaspel-Drehwinkel nicht als Meßwert vorzugsweise der Bandlänge vorliegt, wird er rechnerisch ausgehend von dem gemessenen aktuellen Drehwinkel mit Hilfe einer Ab bildungsfunktion g(ha, hp) mit ha als aktueller Banddicke und hp als Banddicke im p-ten Vorstich ermittelt.
Die Kennwerte ergeben sich aus Anzahl Schwingungen je Umdrehung des Auf- bzw. Abhaspels des betrachteten Vorstiches umgerechnet auf die Einlaufseite des aktuellen Stiches vorzugsweise als Funktion der Einlaufbandlänge bzw. des Abhaspelradius sowie der Banddicken im betrachteten Vorstich und des aktuellen Stiches.
Fehlerszenarium IIId: in auslaufseitiger Banddicke h1 wirken drehharmonische Bandhärtefehler im Einlauf aufgrund von ungleichen Temperaturverläufen in einem vorausgegangenem Bearbeitungsschritt bezüglich des Bundes.
Dies kann z. B auftreten, wenn der warme Bund an einer Ablagestelle aufgesetzt wird und dort abkühlt. Die eingeprägten Bandhärtestörungen verlaufen dann drehharmonisch bezogen auf den Abwickelvorgang direkt nach der Entstehung der Härteänderung. Auf diesen Fehlertyp kann geschlossen werden, wenn das Fehlerszenario IIIc ausgeschlossen werden kann. Die Auswertung ist analog zu dem Fehlerszenario IIb mit dem Unterschied, daß statt des aktuellen Abhaspel-Drehwinkel-Meßwertes ersatzweise der Abhaspel-Drehwinkel des betrachteten Vorstiches umgerechnet auf die Einlaufseite des aktuellen Stiches verwendet wird. Wenn dieser Abhaspel-Drehwinkel nicht als Meßwert vorzugsweise der Bandlänge vorliegt, wird er rechnerisch ausgehend von dem gemessenen aktuellen Drehwinkel mit Hilfe einer Abbildungsfunktion g(ha, hp) mit ha als aktueller Banddicke und hp als Banddicke im p-ten Vorstich ermittelt.
Die Kennwerte ergeben sich aus Anzahl Schwingungen je Umdrehung des Abhaspels des betrachteten Vorstiches umgerechnet auf die Einlaufseite des aktuellen Stiches vorzugsweise als Funktion der Einlaufbandlänge bzw. des Abhaspelradius sowie der Banddicken im betrachteten Vorstich und des aktuellen Stiches.
Fehlerszenarium IV: in auslaufseitiger Banddicke h1 wirken periodische Fehler aufgrund von angeregten Torsionsschwingungen in den Antriebssträngen der Walzen 2, 3, 4, 5 und/oder Abwickler 13 und/oder Aufwickler 24
In diesem Fall wird eine Frequenzanalyse von der Zielgröße als Funktion der Zeit t durchgeführt, da die angeregte Eigenfrequenz nicht von der Walzgeschwindigkeit vr abhängt.
Fehlerszenarium V: in auslaufseitiger Banddicke h1 wirken periodische Fehler aufgrund von angeregten Schwingungen des Walzgerüstet (Gerüstschwingungen, Chattering)
In diesem Fall ist es möglich, daß aufgrund von relativ hohen Frequenzen der Störung und der endlichen Dynamik der auslaufseitigen Banddickenerfassungseinrichtung 21 die Schwankungen der auslaufseitigen Banddicke h1 lediglich stark abgeschwächt erfaßt werden, obwohl real beachtliche Amplituden in den Schwankungen der auslaufseitigen Banddicke h1 vorhanden sind. Deshalb sind die Meßwerte der Anstellposition S und der Walzkraft Fr die geeigneteren Zielgrößen. Es wird eine Frequenzanalyse von der Zielgröße als Funktion der Zeit t durchgeführt, da die angeregte Eigenfrequenz nicht von der Walzgeschwindigkeit vr abhängt.

Claims

Verfahren zur Erkennung und Fehlerursachenzuordnung von periodischen Fehlern in qualitätsrelevanten Prozessgrößen in Walzwerken und Bandbehandlungsanlagen mit Abwickler (13), Walzen (2, 3, 4, 5) oder Rollen und Aufwickler (24), dadurch gekennzeichnet, – daß eine Umrechnung einer zeitbasiert erfaßten Größe mit äquidistanten Zeitschritten auf eine vom zu detektierenden Fehlertyp abhängige Größe erfolgt und zwar – bei zu detektierenden periodisch äquidistanten Bandhärteschwankungen des einlaufenden Bandes und/oder zu detektierenden periodischen Abweichungen der einlaufseitigen Banddicke (h0) und/oder zu detektierenden Walzenexzentritäten und/oder zu detektierenden Rollenexzentritäten und/oder zu detektierenden Walzenunrundheiten und/oder zu detektierenden Rollenunrundheiten auf eine längenbasierte Größe mit äquidistanten Längenschritten, – bei zu detektierendem Bundschlag des Abwicklers (13) und/oder zu detektierenden Bundunrundheiten beim Abwickler (13) und/oder drehharmonischen Bandhärtefehlern auf eine Abwickler-Drehwinkel-basierte Größe mit äquidistanten Winkelschritten, – bei zu detektierendem Bundschlag des Aufwicklers (24) und/oder zu detektierenden Bundunrundheiten beim Aufwickler (24) auf eine auf Aufwickler-Drehwinkel-basierte Größe mit äquidistanten Winkelschritten, – daß diese vom zu detektierenden Fehlertyp abhängige Größe einer Ordnungsanalyse unterzogen wird, um derart Amplituden als Funktion von Schwingungen je Längeneinheit oder Schwingungen je Drehwinkeleinheit zu erhalten, – daß die bei der Ordnungssanalyse gewonnenen Peaks dieser Amplituden mit Kennwerten, wie Anzahl Schwingungen je Längeneinheit oder Anzahl Schwingungen pro Umdrehung verglichen werden und – daß eine Fehlerzuordnung erfolgt, wenn die gewonnen Peaks der Amplituden und die Kennwerte in hohem Grade übereinstimmen.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Frequenzanalyse als Ordnungsanalyse.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Fast Fourier Transformation als Ordnungsanalyse.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Korrelationsverfahren, insbesondere orthogonale Korrelation, als Ordnungsanalyse.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ordnungsanalyse auf die gemessenen Abweichungen der auslaufseitigen Banddicke (h1) als Funktion der gewalzten oder behandelten Bandlänge (Lr) erfolgt, welche durch Integration der Walzgeschwindigkeit oder Bandbehandlungsgeschwindigkeit erhalten wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ordnungsanalyse auf die gemessenen Abweichungen der einlaufseitigen Banddicke (h0) als Funktion der gewalzten oder behandelten Bandlänge (Lr) erfolgt, welche durch Integration der Walzgeschwindigkeit oder Bandbehandlungsgeschwindigkeit erhalten wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ordnungsanalyse auf die gemessenen Abweichungen der auslaufseitigen oder einlaufseitigen Banddicke als Funktion der gewalzten oder behandelten Bandlänge (Lr) aus mindestens einem der vorigen Stiche erfolgt, welche durch Integration der Walzgeschwindigkeit oder Bandbehandlungsgeschwindigkeit erhalten wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Walzgeschwindigkeit oder Bandbehandlungsgeschwindigkeit aus der Motordrehzahl des Walzen-Antriebsmotors oder Rollen-Antriebsmotors, dem Übersetzungsverhältnis des Antriebsstranges und dem Walzenradius oder Rollenradius erhalten wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ordnungsanalyse auf die gemessenen Abweichungen der auslaufseitigen Banddicke (h1) als Funktion des Abwickler-Drehwinkels oder Aufwickler-Drehwinkels erfolgt, welcher durch Integration der Abwickler-Drehzahl oder Aufwickler-Drehzahl erhalten wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ordnungsanalyse auf die gemessenen Abweichungen der auslaufseitigen Banddicke (h1) als Funktion des Abwickler-Drehwinkels oder Aufwickler-Drehwinkels aus mindestens einem der vorigen Stiche erfolgt, welcher durch Integration der Abwickler-Drehzahl oder Aufwickler-Drehzahl erhalten wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abwickler-Drehzahl oder Aufwickler-Drehzahl aus der Motordrehzahl des Abwickler-Antriebsmotors oder Aufwickler-Antriebsmotors und dem Übersetzungsverhältnis des Antriebsstranges erhalten wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Analysen im Zeitbereich als weitere Auswertungen für die eindeutige Zuordnung einer Fehlerursache vorgenommen werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß neben der auslaufseitigen Banddicke (h1) weitere Prozeßsignale, wie einlaufseitiger Bandzug (Ft0) und/oder auslaufseitiger Bandzug (Ft1) und/oder Walzkraft (Fr) und/oder Anstellposition (S) für die eindeutige Zuordnung einer Fehlerursache ausgewertet werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Vergleiche mit einem Prozeßmodell als weitere Auswertungen für die eindeutige Zuordnung einer Fehlerursache vorgenommen werden.