DE19609930C2

DE19609930C2 - Temperaturregelverfahren für eine induktive Erwärmungsanlage

Info

Publication number: DE19609930C2
Application number: DE1996109930
Authority: DE
Inventors: Ralf Dr Ing Sesing
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB Patent GmbH
Priority date: 1996-03-14
Filing date: 1996-03-14
Publication date: 1999-01-14
Anticipated expiration: 2016-03-15
Also published as: DE19609930A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Temperaturregelverfahren für eine induktive Er wärmungsanlage mit mindestens einer Induktionsspule mit vorgeschaltetem An triebssystem für den Transport des zu erwärmenden Materials durch die Indukti onsspule, mit mindestens einer Energieversorgungseinrichtung zur Speisung der Induktionsspule und mit einer Temperaturmeßeinrichtung zur Erfassung der Aus trittstemperatur des erwärmten Materials und ist vorzugsweise bei Durchstoßerwär mern (Schmiedeblockerwärmern) einsetzbar.

Ein derartiges Temperaturregelverfahren für eine induktive Erwärmungsanlage ist aus der DE 25 01 895 B2 bekannt und dient dort zur Erwärmung von Litzen, Dräh ten oder Bändern.

Bei induktiven Erwärmungsanlagen treten bei der Temperaturregelung große Totzei ten auf, wenn die Auswirkung einer Änderung der induktiven Erwärmungsleistung auf die Temperatur des zu erwärmenden Materials erfaßt werden soll. Konventionel le Regler für Strecken mit großen Totzeiten (beispielsweise I-Regler mit Totbereich) arbeiten mit sehr großen Zeitabständen zwischen zwei Reglereingriffen, wodurch sich in nachteiliger Weise sehr lange Ausregelzeiten ergeben. Eine Verkürzung die ser Ausregelzeiten führt in nachteiliger Weise zu einer Schwingneigung und somit zu nicht präzise eingehaltenen Austrittstemperaturen der erwärmten Materialien aus der Induktionsspule. Dies ist beispielsweise bei zu erwärmendem Material für Si cherheitsteile der Automobilindustrie nicht tolerierbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Temperaturregelverfahren für eine induktive Erwärmungsanlage der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem der nachteilige Einfluß von langen Totzeiten vermieden wird.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes des An spruchs 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der erfaßte Temperaturmeßwert ϑ_M(t) mit Hilfe einer Meßwertkorrekturfunktion ϑ_K,i(t, t_i) wie folgt korrigiert wird:

ϑMK(t) = ϑM(t) + ϑK,i(t,ti)

mit
ϑ_MK(t): korrigierter Temperaturmeßwert
t_i: Zeitpunkt eines Reglereingriffs, d. h. einer Sollwertänderung für die Energieversorgungseinrichtung,
daß die Meßwertkorrekturfunktion ϑ_K,i(t, t_i) aus einem Erwartungswert ϑ_F*(t - t_i) einer Fehlerfunktion ϑ_F und einem Erwartungswert Δϑ*(ΔS) für die Temperaturänderung bei einer Sollwertänderung ΔS für die Energieversorgungseinrichtung gebildet wird:

ϑK,i(t,ti) = ϑF*(t - ti) . Δϑ*(ΔS)

wobei der Erwartungswert ϑ_F*(t - t_i) der Fehlerfunktion ϑ_F und der Erwartungswert Δϑ*(ΔS) für die Temperaturänderung bei einer Sollwertänderung ΔS ermittelt und in Abhängigkeit der aktuellen Betriebsdaten, wie Spulengeometrie oder daraus ab geleitete Daten, Geometrie des zu erwärmenden Materials, Daten der Energiever sorgungseinrichtung und Durchsatz des zu erwärmenden Materials vorgegeben werden, daß die Fehlerfunktion wie folgt gebildet wird:

mit
ϑ_F(t - ti): Fehlerfunktion; ϑ_F = 0 für t < t_i, und t < t_(i+Δt)
t_(i+Δt): Zeitpunkt, bei dem die Austrittstemperatur des zu erwärmenden Materials nach einem Reglereingriff den stationären Zustand erreicht
ϑ_Ai: Austrittstemperatur des zu erwärmenden Materials zum Zeitpunkt des Reglereingriffs
ϑ_(Ai+Δt): Austrittstemperatur des zu erwärmenden Materials zum Zeitpunkt t_{(i + Δt)}nach einem Reglereingriff
ϑ_A(t - t_i): Zeitverlauf der Austrittstemperatur des zu erwärmenden Materials
und daß bei beliebig vielen Reglereingriffen während des Transports des zu erwär menden Materials (3) durch die mindestens eine Induktionsspule (1) die den jeweili gen Reglereingriffen zugeordneten Meßwertkorrekturfunktionen überlagert werden:

mit
i = 1....n Laufindex des Reglereingriffs
ϑ_K,i(t, t_i) Meßwertkorrekturfunktion für den i-ten Reglereingriff
t_i Zeitpunkt des i-ten Reglereingriffs

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Reaktionszeiten der Regeleinrichtung vermindert und die Ausregelzeiten erheblich verkürzt werden, ohne daß eine Schwingneigung bei der Regelung auftritt, indem der Regeleinrichtung anstelle der (realen) Temperaturmeßwerte die erfindungsge mäß korrigierten (fiktiven) Temperaturmeßwerte zugeführt werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekenn zeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausfüh rungsbeispiels erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Temperaturregelung für einen Schmiedeblockerwärmer,

Fig. 2 eine vereinfachte Temperaturregelung,

Fig. 3 bis 5 Zeitverläufe der Austrittstemperatur eines Blocks, einer Sollwertände rung (Reglereingriff) und einer erfindungsgemäß definierten Fehler funktion.

In Fig. 1 ist eine Temperaturregelung für einen Schmiedeblockerwärmer dargestellt. Der Erwärmer weist mindestens eine Induktionsspule 1 auf, die von einer Energie versorgungseinrichtung 5 gespeist wird. Üblicherweise sind jedoch mehrere in einer Reihe liegende Induktionsspulen 1 vorhanden, die elektrisch in Reihe oder parallel geschaltet sind und über eine oder mehrere Energieversorgungseinrichtungen 5 ge speist werden. Ein Antriebssystem 2 des Schmiedeblockerwärmers (beispielsweise ein Rollenantrieb) transportiert die zu erwärmenden Blöcke (allgemein: das zu er wärmende Material) 3 in die und durch die Induktionsspule 1. Eine Temperatur meßeinrichtung 4 (beispielsweise ein Teilstrahlungs-Pyrometer, ein Zwei-Farben-Pyrometer oder ein Kontaktthermometer) erfaßt als Regelgröße den Temperaturmeßwert ϑ_M(t).

Einer Regeleinrichtung 6 werden als Führungsgrößen der Temperatursollwert ϑ und der Durchsatz DS (Material pro Zeiteinheit) sowie als Vorsteuerparameter die Spu lengeometrie SB oder daraus abgeleitete Parameter, die Blockgeometrie BG (Abmessungen des zu erwärmenden Materials) und die Daten ED der Energiever sorgungseinrichtung 5 zugeleitet. Die Regelgröße ϑ_M wird durch eine Einheit 9 zur Vorverarbeitung der Temperaturmeßwerte korrigiert. Dabei wird die bei der Tempe raturerfassung auftretende Meßfehlerverteilung berücksichtigt. Es wird beispielswei se berücksichtigt, daß Zunder auf der Materialoberfläche der austretenden Blöcke 3 oftmals die Messung einer zu geringen Temperatur bewirkt. Das der Einheit 9 ent nehmbare Signal wird in einer Additionsstelle 10 mit einem von einer Einheit 8 aus gegebenen Signal zum korrigierten Temperaturmeßwert ϑ_MK addiert, welcher der Regeleinrichtung 6 eingegeben wird.

Die Regeleinrichtung 6 gibt einen Sollwert S_v für das Antriebssystem 2 vor, welcher die Vortriebsgeschwindigkeit v eines Blocks 3 bzw. des zu erwärmenden Materials bestimmt. Des weiteren gibt die Regeleinrichtung 6 einen Sollwert S für die minde stens eine Energieversorgungseinrichtung 5 vor, welcher die Spannung oder Lei stung der mindestens einen Energieversorgungseinrichtung 5 und damit der minde stens einen Induktionsspule 1 bestimmt. Dieser Sollwert S wird ferner einer Einheit 7 zur Bildung von Meßwertkorrekturfunktionen ϑ_K,i(t, t_i) zugeleitet. Zur Bildung dieser Meßwertkorrekturfunktionen werden der Einheit 7 aktuelle Betriebsdaten BD zuge führt, welche von der Regeleinrichtung 6 aus den Größen SG, BG, ED, DS und ϑ gebildet werden. Die Meßwertkorrekturfunktionen selbst werden einer Einheit 8 zur Gewichtung der Korrekturfunktionen zugeführt. Diese Einheit 8 ist durch die Rege leinrichtung 6 einstellbar und empfängt zu diesem Zweck Adaptionssignale AD von dieser.

In Fig. 2 ist eine im Vergleich zu Fig. 1 vereinfachte Temperaturregelung dargestellt, bei der die Einheiten 8 und 9 entfallen und die Ausgangssignale der Temperatur meßeinrichtung 4 sowie der Einheit 7 zur Bildung der Meßwertkorrekturfunktionen direkt zur Additionsstelle 10 gelangen.

Nachfolgend wird die Arbeitsweise der Einheit 7 zur Bildung der Meßwertkorrektur funktionen beschrieben. Jede Änderung des Sollwerts S während des Durchlaufs eines Blocks (oder mehrerer Blöcke) hat eine Änderung des Temperaturmeßwerts ϑ_M zur Folge, die jedoch erst zu dem Zeitpunkt abgeschlossen ist, zu dem der Block 3 - der zum Zeitpunkt der Änderung in die erste Induktionsspule 1 einläuft - die letzte Induktionsspule verläßt. Erst zu diesem Zeitpunkt kann die sich aufgrund der Ände rung des Sollwertes einstellende geänderte stationäre Temperatur ermittelt werden.

Fig. 3 zeigt hierzu beispielhaft den Zeitverlauf der Austrittstemperatur ϑ_A(t) des zu erwärmenden Materials 3. In Fig. 4 ist dargestellt, daß der Sollwert S zum Zeitpunkt t_i (Zeitpunkt des Reglereingriffs) vom Sollwert S_i-1 auf den Sollwert S_i, erhöht wird. Die Sollwertänderung ΔS entspricht der Differenz zwischen S_i-1 und S_i. Zum Zeitpunkt t_i weist das Material die Austrittstemperatur ϑ_Ai auf. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, steigt ϑ_A(t) ab dem Zeitpunkt t_i, kontinuierlich an und erreicht erst zum Zeitpunkt t_{i + Δt} einen stationären Zustand mit einer stationären Austrittstemperatur ϑ_Ai+Δt des Materials. Während dieser Zeitspanne Δt = t_i+Δt - t_i wirkt der Reglereingriff (Änderung des Soll werts S) dynamisch und übt Einfluß auf ϑ_A(t) aus (Dauer der Temperaturänderung).

Bei kontinuierlicher Vortriebsgeschwindigkeit v (Rollenantrieb ohne Taktbetrieb) gilt für Δt

Δt = 1/v (1)

wobei I die Spulenlänge der mindestens einen Induktionsspule ist.

Bei Taktbetrieb gilt näherungsweise

Δt ≈ T . (1/1_B) (2)

mit T = Taktzeit = Zeitspanne zwischen der Entnahme zweier Blöcke
I_B = Blocklänge eines Block

Der Ausdruck I/I_B ist ein Maß für die Anzahl der Blöcke in der bzw. in den Spulen.

In Fig. 5 ist gezeigt, daß erfindungsgemäß eine Fehlerfunktion ϑ_F(t - t_i) definiert werden kann, um die durch Δt repräsentierte nachteilige Totzeit bei der Regelung auszuschalten:

mit ϑ_F = 0 für t < t_i und t < t_i+Δt.

Diese Fehlerfunktion ϑ_F repräsentiert den in Fig. 5 schraffiert gezeichneten Zeitver lauf-

Aus dem Zeitverlauf der Fehlerfunktion läßt sich eine Meßwertkorrekturfunktion ϑ_K(t,t₁) wie folgt definieren:

ϑK,i(t,ti) = ϑF*(t - ti) . Δϑ*(ΔS) (4)

wobei ϑ_F*(t - t_i) der Erwartungswert (Schätzwert) der Fehlerfunktion (Zeitverlauf) und Δϑ*(ΔS) der Erwartungswert (Schätzwert) für die Temperaturänderung bei einer Sollwertänderung ΔS sind. Dabei werden Δϑ* und ϑF* empirisch ermittelt oder unter Berücksichtigung der relevanten Daten der induktiven Erwärmungsanlage berechnet und durch die Einheit 7 entsprechend den aktuellen Betriebsdaten BD vorgegeben. Die Korrektur der Meßwerterfassung erfolgt durch Addition von ϑ_M(t) und ϑ_K,i(t,t_i) zum korrigierten Temperaturmeßwert ϑ_MK:

ϑMK(t) = ϑM(t) + ϑK,i(t,ti) (5)

Für beliebig viele nacheinander vorgenommene Reglereingriffe ergibt sich eine Überlagerung der den jeweiligen Reglereingriffen zugeordneten Meßwertkorrektur funktionen:

wobei i = 1....n = Laufindex des Reglereingriffs
t_i= Zeitpunkt des i-ten Reglereingriffs.

Bei mehreren aktiven Reglereingriffen innerhalb eines Zeitabstandes, der kleiner als die Durchlaufzeit eines Blockes durch die Spule(n) ist, ergibt sich die wirksame Meßwertkorrekturfunktion durch Addition der einzelnen zeitversetzten Korrektur funktionen.

Die zusätzlichen Einheiten 8 und 9 optimieren die Regelung. Durch die Einheit 9 wird durch weitgehende Kompensation von Meßfehlern die Zuverlässigkeit der Temperaturerfassung verbessert. Durch die Einheit 8 wird der Einfluß der Meßwert korrekturfunktionen gewichtet, was zur Dämpfung eventueller Schwingneigungen bei der Regelung beiträgt. Durch Adaption dieser Gewichtung mittels der Adaptions signale AD ergibt sich eine weitere Optimierung bei der Dämpfung von Schwingnei gungen, wodurch das Regelsystem nahezu optimal an den jeweiligen Betriebszu stand der Anlage angepaßt werden kann.

Bezugszeichenliste

1

mindestens eine Induktionsspule

2

Antriebssystem (Rollenantrieb)

3

zu erwärmende Blöcke (allgemein: das zu erwärmende Material)

4

Temperaturmeßeinrichtung

5

mindestens eine Energieversorgungseinrichtung

6

Regeleinrichtung

7

Einheit zur Bildung der Meßwertkorrekturfunktionen ϑ_K,i

(t, ti)

8

Einheit zur Gewichtung der Korrekturfunktionen (durch

6

adaptierbar)

9

Einheit zur Vorverarbeitung der Temperaturmeßwerte

10

Additionsstelle
ISpulenlänge von

1

I_B

Blocklänge von

3

i = 1....nLaufindex des Reglereingriffs
nletzter Reglereingriff
SGSpulengeometrie oder daraus abgeleitete Daten = Vorsteuerparameter
BGBlockgeometrie = Vorsteuerparameter
EDDaten von

5

= Vorsteuerparameter
DSDurchsatz = Führungsgröße (Material pro Zeiteinheit)
BDaktuelle Betriebsdaten (siehe SG, BG, ED, DS, ϑ)
ADAdaptionssignale
S_V

Sollwert für

2

( = Sollwert für v)
SSollwert für

5

(Spannung oder Leistung)
S_i-1

Sollwert für

5

vor dem Zeitpunkt t_i

S_i

Sollwert für

5

zum und nach dem Zeitpunkt t_i

, (Reglereingriff)
ΔS= S_i

- S_i-1

= Sollwertänderung für

5

(Reglereingriff)
TTaktzeit = Zeitspanne zwischen der Entnahme zweier Blöcke

3

tZeit
t_i

Zeitpunkt des Reglereingriffs
t_i+Δt

= t_i

+ Δt = Zeitpunkt, bei dem ϑ_A

nach einem Reglereingriff den statio nären Zustand erreicht
Δt= t_i+Δt

- t_i

= Zeitspanne für den Durchlauf eines Blockes durch die Spule, während der ein Reglereingriff dynamisch wirkt und Einfluß auf ϑ_A

(t) ausübt
vVortriebsgeschwindigkeit eines Blocks

3

ϑTemperatur-Sollwert = Führungsgröße
ϑA(t)Austrittstemperatur des Materials(Zeitverlauf)
ϑA_i

Austrittstemperatur des Materials zum Zeitpunkt t_i

, = Temperatur zum Zeitpunkt des Reglereingriffs
ϑ_Ai+Δt

Austrittstemperatur des Materials zum Zeitpunkt t_i+Δt

= stationäre Aus trittstemperatur nach einem Reglereingriff
ϑ_F

(t - t_i

)Fehlerfunktion (Zeitverlauf)
ϑ_F

*(t - t_i

)Erwartungswert (Schätzwert) der Fehlerfunktion (Zeitverlauf)
ϑ_MK

korrigierter Temperaturmeßwert
ϑ_M

(t)Temperaturmeßwert (Regelgröße)
ϑ_K,i

(t, t_i

)Meßwertkorrekturfunktion
Δϑ*(ΔS)Erwartungswert (Schätzwert) für die Temperaturänderung bei einer Sollwertänderung ΔS

Claims

1. Temperaturregelverfahren für eine induktive Erwärmungsanlage mit min destens einer Induktionsspule (1) mit vorgeschaltetem Antriebssystem (2) für den Transport des zu erwärmenden Materials (3) durch die Induktionsspule, mit minde stens einer Energieversorgungseinrichtung (5) zur Speisung der Induktionsspule und mit einer Temperaturmeßeinrichtung zur Erfassung der Austrittstemperatur (ϑ_A) des erwärmten Materials, dadurch gekennzeichnet, daß der erfaßte Temperatur meßwert ϑ_M(t) mit Hilfe einer Meßwertkorrekturfunktion ϑ_K,i(t, t_i) wie folgt korrigiert wird:
ϑMK(t) = ϑM(t) + ϑK,i(t,ti)
mit
ϑ_MK(t): korrigierter Temperaturmeßwert
t_i: Zeitpunkt des Reglereingriffs, d. h. einer Sollwertänderung für die Ener gieversorgungseinrichtung,
daß die Meßwertkorrekturfunktion ϑ_K,i(t, t_i) aus einem Erwartungswert ϑ_F*(t - t_i) einer Fehlerfunktion ϑ_F und einem Erwartungswert Δϑ*(ΔS) für die Temperaturänderung bei einer Sollwertänderung ΔS für die Energieversorgungseinrichtung (5) gebildet wird:
ϑK,i(t,t_i) = ϑF*(t - t_i) . Δϑ*(ΔS)
wobei der Erwartungswert ϑF*(t - t_i) der Fehlerfunktion ϑF und der Erwartungswert Δϑ*(ΔS) für die Temperaturänderung bei einer Sollwertänderung ΔS ermittelt und in Abhängigkeit der aktuellen Betriebsdaten (BD), wie Spulengeometrie (SG) oder dar aus abgeleitete Daten, Geometrie (BG) des zu erwärmenden Materials, Daten (ED) der Energieversorgungseinrichtung (5) und Durchsatz (DS) des zu erwärmenden Materials (3) vorgegeben werden, daß die Fehlerfunktion wie folgt gebildet wird:
mit
ϑ_F(t - t_i): Fehlerfunktion; ϑF = 0 für t < t_i und t < t_(i+Δt)
t_(i+Δt): Zeitpunkt, bei dem die Austrittstemperatur des zu erwärmenden Mate rials nach einem Reglereingriff den stationären Zustand erreicht
ϑ_Ai: Austrittstemperatur des zu erwärmenden Materials zum Zeitpunkt des Reglereingriffs
ϑ_(Ai+Δt): Austrittstemperatur des zu erwärmenden Materials zum Zeitpunkt t_i+Δt nach einem Reglereingriff
ϑ_A(t - t_i): Zeitverlauf der Austrittstemperatur des zu erwärmenden Materials
und daß bei beliebig vielen Reglereingriffen während des Transports des zu erwär menden Materials (3) durch die mindestens eine Induktionsspule (1) die den jeweili gen Reglereingriffen zugeordneten Meßwertkorrekturfunktionen überlagert werden:
mit
i = 1....n Laufindex des Reglereingriffs
ϑ_K,i(t, ti) Meßwertkorrekturfunktion für den i-ten Reglereingriff
t_i Zeitpunkt des i-ten Reglereingriffs

2. Tenperaturregelverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Erwartungswert Δϑ*(ΔS) für die Temperaturänderung bei einer Sollwertän derung ΔS empirisch ermittelt wird.

3. Temperaturregelverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Erwartungswert Δϑ*(ΔS) für die Temperaturänderung bei einer Sollwertän derung ΔS berechnet wird.

4. Temperaturregelverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwertkorrekturfunktion gewichtet wird, wobei eine Ad aption der Gewichtung erfolgt.