DE19623671C2

DE19623671C2 - Verfahren und Einrichtung zum Führen eines Prozesses in der Grundstoffindustrie

Info

Publication number: DE19623671C2
Application number: DE19623671A
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Buervenich; Gerhard Dachtler; Ferdinand Hergert-Mueckusch; Andreas Schief; Ewald Schoemig
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1996-02-02
Filing date: 1996-06-13
Publication date: 2002-10-17
Anticipated expiration: 2016-06-14
Also published as: DE19623671A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Führen eines Prozesses in der Grundstoffindustrie.

Bei Anlagen der Grundstoffindustrie wie z. B. Stahlwerken gibt es häufig im bezug auf kontinuierlichen Materialfluß kriti sche Prozesse. Reißt der Materialfluß vor diesen kritischen Prozessen ab, so ist dies mit zusätzlichen Kosten oder Quali tätseinbußen in bezug auf das zu verarbeitete Material ver bunden. Ein typisches Beispiel für ein derartigen kritischen Teilprozeß ist das Gießen von flüssigem Metall insbesondere von Stahl in einem Stahlwerk. In einem Stahlwerk ist es wün schenswert, daß die Materialzufuhr beim Gießprozeß nicht ab reißt.

Mit diesem Problem befassen sich beispielsweise die "REFA Me thodenlehre des Arbeitsstudiums", Teil 2, Datenermittlung, 7. Auflage, 1992, Carl Hanser Verlag München, Seiten 41 bis 60, oder die DD 245 142. In der Zeitschrift Metallurgical Plant and Technology International 3/1993, wird auf den Seiten 76 bis 81 die Forderung nach Harmonisierung zwischen Stahlwerk, Gießanlage, Walzwerk und nachfolgenden Prozesstufen hingewie sen. Dazu wird insbesondere auch eine Geschwindigkeitsopti mierung zur Angleichung an einen Pfannenwechsel hingewiesen.

Dem STEEL & METALS Magazine, vol. 26, Nr. 10, 1988, ist auf den Seiten 885 bis 890 ein Prozessleitsystem in einem Stahl werk zur Automatisierung von Stranggußanlagen zum Gießen von Stahl beschrieben, wobei der Materialfluss durch das Stahl werk derart gesteuert wird, daß ein Abreißen des Material flusses verhindert wird. Die Einflussnahme auf den Prozess erfolgt dabei in Abhängigkeit von Pufferzeiten, nämlich da durch, dass die Stahlmenge in der Pfanne überwacht wird, wodurch rechtzeitiges Einleiten eines Pfannenwechsels noch vor dem Leerlaufen der Gießpfanne möglich wird.

Aufgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der Einrich tung ist es, den kontinuierlichen Materialfluß in einer An lage der Grundstoffindustrie in bezug auf kritische Teilpro zesse aufrechtzuerhalten.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren bzw. eine Einrichtung zum Führen eines Prozesses in einer Anlage der Grundstoffindustrie, z. B. einem Stahlwerk oder einem in tegrierten Hüttenwerk, mit in bezug auf kontinuierlichen Ma terialfluß kritischen Teilprozessen, z. B. Gießprozessen, insbesondere von Gießprozessen für Stahl, gelöst, wobei der Materialfluß durch die Anlage derart gesteuert bzw. geregelt wird, daß ein Stocken oder Abreißen des Materialflusses vor Eintritt in einen in bezug auf kontinuierlichen Materialfluß kritischen Teilprozeß verhindert wird, wobei die Einfluss nahme auf den Prozeß in Abhängigkeit der

- Bearbeitungszeit des Materials in den Aggregaten, in denen die Teilprozesse auflaufen,
- Pufferzeit, d. h. der Zeit, in der sich Material vor der Bearbeitung in einem Teilprozeß in einem dem Teilprozeß zugeordneten Puffer befindet, und
- Transportzeit des Materials zwischen den Aggregaten er folgt.

Auf diese Weise ist es möglich, die Qualität des bearbeiteten Materials zu verbessern bzw. Einbußen in bezug auf die Pro duktionsmenge zu verhindern.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Bearbeitungszeit eines Teilprozesses in eine nominale Bear beitungszeit, eine einstellbare Bearbeitungszeitvariation so wie eine nicht beeinflußbare Bearbeitungszeitabweichung un tergliedert.

Die nominale Bearbeitungszeit ist dabei die Zeit, die für die Bearbeitung eines Teilprozesses vorgesehen ist. Dies kann z. B. die nominale Zeit zum Schmelzen von Stahl sein. Mit der nicht beeinflußbaren Bearbeitungszeitabweichung werden die Störgrößen modelliert, die zu zufälligen Abweichungen bzw. nicht beeinflußbaren systematischen Abweichungen von der no minalen Bearbeitungszeit führen. Die einstellbare Bearbei tungszeitvariation gibt eine Zeitdauer an, um die die Bear beitungszeit verlängert oder verkürzt werden kann, je nach dem, ob das Gesamtsystem eine schnelle oder eine langsame Be arbeitung des entsprechenden Teilprozesses erfordert. Auf diese Weise ist es möglich, Zeiten bzw. Zeitdauern in einem Prozeß in ähnlicher Weise wie Prozeßzustandsgrößen, wie etwa Temperatur, mit Regel- und Störgrößen zu modellieren. Diese Modellbildung erlaubt es, Ansätze zur Reglerauslegung, wie sie für Prozeßzustandsgrößen bekannt sind, auf Zeitabläufe zu übertragen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden Einrichtungs-, Einstell-, Reparatur- oder notwendige Wartezeiten in Bearbeitungspausen als Bearbeitungszeiten in terpretiert und entsprechend modelliert. Durch diese Modell bildung wird die Modellstruktur deutlich vereinfacht.

Weitere Vorteile und erfinderische Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, anhand der Zeichnungen und in Verbindung mit den Unteransprüchen. Im einzeln zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines integrierten Hüttenwerkes ohne Rückführung,

Fig. 2 ein generisches Prozeßmodell für einen Teilprozeß,

Fig. 3 den schematischen Ablauf eines Regelalgorythmusses.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Anlage der Grundstoffindustrie zur Erzeugung gewalzten Metalls z. B. Stahls. Die Anlage weist zwei Elektroöfen 1 und 2, mit denen zugeführter Schrott eingeschmolzen wird, zwei Pfannenöfen 4 und 5 zur weiteren chemischen Behandlung des Metalls, zwei Vakuumstationen 7 und 8, zwei Stranggießanlagen 10 und 11, einen Ausgleichsofen 12 und eine Walzstraße 13 auf

Die Hauptaufgabe einer Regelung besteht darin, das zeitliche Fortschreiten von Schmelzen in diesem Prozeß so zu steuern, daß innerhalb einer Schmelzsequenz ein kontinuierlicher Gießprozeß in den Stranggießanlagen 10 und 11 gewährleistet werden kann. In der gewählten beispielhaften Ausführung der Anlage bilden die beiden Behandlungslinien bestehend aus je einem Elektroofen 1 oder 2, einem Pfannenofen 4 oder 5, einer (optionalen) Vakuumstation 7 oder 8 und einer Gießanlage 10 oder 11 keine separaten Verarbeitungseinheiten. Wie durch die Kreuzungselemente 3, 6 und 9 angedeutet, kann das Material von einer Behandlungslinie auf die andere Behandlungslinie bewegt werden.

Fig. 2 zeigt ein generisches Prozeßmodell für einen Teilprozeß einer Anlage. Dabei bezeichnet Bezugszeichen 16 den Bearbeitungsbeginn B_j ⁱ des j-ten Teilprozesses im i-ten Prozeßdurchlauf, Bezugszeichen 19 das Bearbeitungsende E_j ⁱ eines j-ten Teilprozesses im i-ten Prozeßdurchlauf, Bezugszeichen 14 das Bearbeitungsende E_j-1 ⁱ eines j - 1-ten Teilprozesses im i-ten Prozeßdurchlauf, Bezugszeichen 15 eine ggf. regelbare, Wartezeit u_j ⁱ für den j-ten Teilprozeß beim i-ten Prozeßdurchlauf, Bezugszeichen 17 eine regelbare Prozeßzeit p_j ⁱ des j-ten Teilprozesses im i-ten Prozeßdurchlauf, Bezugszeichen 20 Transportzeiten für das Bewegen des Materials von einem unmittelbar vorgelagerten Aggregat zum Aggregat zur Durchführung des i-ten Teilprozesses und Bezugszeichen 18 den eigentlichen Bearbeitungsprozeß des Materials. Die Bearbeitungszeit des Materials wird dabei in zwei Teilzeiten einer nominalen Bearbeitungszeit r_j ⁱ und einer Abweichung von der realen Bearbeitungszeit d_j ⁱ unterteilt betrachtet.

Fig. 3 zeigt den schematischen Ablauf eines Regelalgoryth musses zum Regeln eines Prozesses aufbauend auf der Prozeßmodellbildung aus Fig. 2. Beispielhaft wird dabei ein Stahlwerk betrachtet, durch das eine Schmelze läuft.

Dem Regler werden

- die neuesten relevanten werte des Prozeßverlaufs,
- der Produktionsplan,
- die Intervalle, in denen sich eingehende zufällige Größen bewegen,
- die Intervalle, in denen eingehende zu kontrollierende Größen gewählt werden können und
- eine Zielfunktion zur Verfügung gestellt.

Er liefert eine Regelung, die

- alle Randbedingungen des Produktionsplans garantiert einhält,
- innerhalb der durch die erste Forderung möglichen Regelungen diejenige auswählt, welche die Zielfunktion optimiert.

Unter einem Produktionsplan sind dabei die Reihenfolge sowie grobe Zeitvorgaben für übergeordnete Arbeitsabläufe zu verstehen. Die Zielfunktion des Reglers enthält Optimierungs kriterien wie z. B. das Minimieren des Energieverbrauchs oder das Maximieren des Durchsatzes. Ist es dem Regler nicht möglich innerhalb der Intervalle, in denen sich eingehende zu kontrollierende Größen befinden dürfen, Kontrollgrößen zu finden so gibt er Diagnosedaten aus, aus denen zu erkennen ist, warum die geforderte Regelung nicht möglich ist.

Im ersten Schritt 21 des Regelverfahrens werden für jede Schmelze (Schmelzenidentität b) innerhalb des projektierbaren Vorausschaubereichs und für jedes Aggregat (Aggregatidentität a), das von ihr durchlaufen wird, je eine Zelle Z(a, b) definiert. Diese Zelle hat den Zustand

- NEU, wenn die Schmelze b noch nicht am Aggregat a angekommen ist,
- ANGEKOMMEN, wenn die Schmelze angekommen ist, der Beginn des Prozesses aber noch nicht feststeht,
- ENTSCHIEDEN, wenn die Schmelze angekommen ist, der Prozeßbeginn feststeht, aber noch nicht eingetreten ist,
- GESTARTET, wenn der Prozeß begonnen hat, aber noch nicht beendet ist,
- BEENDET, wenn der Prozeß beendet ist.

Die Zelle Z(a, b) besteht aus den Viertelzellen A(a, b), B(a, b), C(a, b) und E(a, b). Diese enthalten jeweils

- einen Zeitpunkt t_Z (entweder eine Zahl oder eine Variable),
- ein Intervall [u_Z, o_Z],
- den Namen Z_V der Vorgänger-Viertelzelle,
- einen Vermerk KONTROLLIERT oder ZUFÄLLIG.

Die Propagation der Gesamtanlage ergibt sich dann aus der Progagationsgleichung

t_Z = t_Zv + π,

wobei π ∈ [u_Z, O_Z] im Fall ZUFÄLLIG beliebig ist, und im Fall KONTROLLIERT vom Regler gewählt wird. Konkret enthält A(a, b)

- den Zeitpunkt des Ankommens von Schmelze b am Aggregat a,
- das Intervall der möglichen Transportzeiten vom Vorgängeraggregat zu diesem Aggregat,
- die E-Zelle des Vorgängeraggregats für diese Schmelze,
- ZUFÄLLIG.

B(a, b) enthält

- den Zeitpunkt des Prozeßbeginns von Schmelze b am Aggregat a,
- das Intervall der möglichen Wartezeiten zwischen Ankunft und Prozeßbeginn,
- die A-Zelle diese Schmelze an diesem Aggregat,
- KONTROLLIERT.

C(a, b) enthält

- den Zeitpunkt des geplanten Prozeßendes von Schmelze b am Aggregat a,
- das Intervall der möglichen Prozeßzeiten,
- die B-Zelle diese Schmelze an diesem Aggregat,
- KONTROLLIERT.

E(a, b) enthält

- das tatsächliche Prozeßende,
- das Intervall der möglichen Prozeßzeitschwankungen,
- die C-Zelle diese Schmelze an diesem Aggregat,
- ZUFÄLLIG.

In einem zweiten Schritt 22 wird das Grund-Constraint-System, das die Randbedingungen des Systems enthält, bestimmt. Für jedes Aggregat a und für jeden Schmelzenwechsel von b₁ nach b₂ wird die E-Zeit E der Zelle Z(a, b₁) und die B-Zeit B der Zelle Z(a, b₂) betrachtet. In jedem Fall muß dann gelten

E ≦ B

(evtl. auch E_TΔt ≦ B, falls eine Mindestschmelzzeit gegeben ist).

Hinter dieser Randbedingung verbirgt sich z. B. der Umstand, daß eine Schmelze ein Aggregat verlassen haben muß, bevor eine weitere Schmelze in das Aggregat gegeben wird.

Ist darüberhinaus das Aggregat eine Gießanlage, so liefert die Just-in-time-Bedingung zusätzlich

E ≧ B

(oder auch E + Δt ≧ B, falls eine Höchstschmelzenwechselzeit Δt gegeben ist). Die Kollektion all dieser Ungleichungen ist das Grund-Constraint-System. Darüber hinaus können vom Benutzer weitere Constraint-Ungleichungen definiert werden (etwa aggregatsübergreifende Bedingungen an Abkühlzeiten).

Im dritten Schritt 23 der Regelung wird die Menge der Viertelzellen innerhalb des Vorausschaubereichs mit einer Informationsordnung versehen. Für jedes Paar von Viertelzellen Z₁ und Z₂ wird entschieden, ob bei allen möglichen Verläufen der Zeitpunkt t_Z1 feststeht, ehe über die mögliche Regelung in Z₂ entschieden werden muß. Die Viertelzellen werden dann so linear angeordnet (von 1 bis N durchnumeriert), daß, falls obiges der Fall ist, Z₁ vor Z₂ kommt. Darüber hinaus wird dafür gesorgt, daß diejenigen Viertelzellen die mit dem Vermerk KONTROLLIERT versehen sind und in deren Regelung keine ZUFÄLLIGe Viertelzelle eingeht, die niedrigsten Ordnungsnummern bekommen. Dies sind diejenigen Viertelzellen, für die im folgenden der Kontrollwert bestimmt wird (Nummern 1 bis M). D. h., daß die kontrollierbaren Zellen die nichtkontrollierbaren Zellen vorangestellt werden. Die Viertelzellen einer Zelle behalten in jedem Fall die Reihenfolge A, B, C, E bei, jedoch müssen die Viertelzellen aller Zellen nicht unmittelbar aufeinander erfolgen.

In einem vierten Schritt 24 wird das so ermittelte Constraint-System ausgewertet. Sind die Viertelzellen entsprechend obigem von 1 bis N durchnumeriert so ist das Grund-Constraint-System U_N ein Ungleichungssystem in den Zeiten t_Z1 bis t_ZN. Das System U_k-1 entsteht aus U_k durch die beiden folgenden Schritte, die N - M mal auszuführen sind, bis das Constraint-System U_M ermittelt ist.

Entsprechend der obigen Propagationsgleichung wird die Zeit t_Zk mit der höchsten Ordnungsnummer ausgedrückt durch Variablen mit kleinerer Ordnungsnummer. Dies geschieht in verschiedener Weise je nach Vermerk ZUFÄLLIG oder KONTROLLIERT und ist in mathematischen Theoremen begründet. Der Umfang des Constraint-Systems wird hierbei deutlich vergrößert. Darüber hinaus entstehen neue Variable t_Z1(Z_k), bzw. Z₁(Z_k); die den größtmöglichen, bzw. kleinstmöglichen Wert einer Variable t_Z1 ausdrücken, falls alle Informationen ausgewertet werden, die der Viertelzelle Z_k vorliegen.

Mit Hilfe einiger mathematischer Theoreme wird das Constraint-System nun äquivalent, oder mindestens hinreichend, umgeformt und verkleinert (insbesondere Redundanzen beiseitigt), um eine Explosion des Systemumfanges zu vermeiden. Werden bei der Umformung Widersprüche im Constraint-System festgestellt, terminiert der Algorithmus mit der Ausgabe des Widerspruchs und der Diagnose, welche der eingehenden Parameter für die Nicht-Regelbarkeit verantwortlich sind.

Das Constraint-System U_M wird nun in den Variablen t_Z1 bis t_ZM gelöst, um die Menge der erlaubten Regelungen zu bestimmen. Innerhalb dieser Menge wird dann die Regelung ausgewählt, die die zugrunde liegende Zielfunktion optimiert. Diese Regelung wird an das Stahlwerk übergeben.

Claims

1. Verfahren zum Führen eines Prozesses in einer Anlage der Grundstoffindustrie, z. B. einem Stahlwerk oder einem inte grierten Hüttenwerk, mit in bezug auf kontinuierlichen Mate rialfluß kritischen Teilprozessen, z. B. Gießprozessen, ins besondere von Gießprozessen für Stahl, wobei der Materialfluß durch die Anlage derart gesteuert bzw. geregelt wird, daß ein Stocken oder Abreißen des Materialflusses vor Eintritt in ei nen in bezug auf kontinuierlichen Materialfluß kritischen Teilprozeß verhindert wird, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einflußnahme auf den Prozeß in Abhängigkeit der
Bearbeitungszeit des Materials in den Aggregaten, in de nen die Teilprozesse auflaufen,
Pufferzeit, d. h. der Zeit, in der sich Material vor der Bearbeitung in einem Teilprozeß in einem dem Teilprozeß zugeordneten Puffer befindet, und
Transportzeit des Materials zwischen den Aggregaten
erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Bearbeitungszeit eines Teilprozesses in eine nominale Bearbeitungszeit (r_j), eine einstellbare Bearbeitungszeitvariation (p_j) sowie eine nicht beeinflußbare Bearbeitungszeitabweichung (d_j) untergliedert verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Einflußnahme auf einen Teilprozeß über die einstellbare Bearbeitungszeitvariation (p_j) und/oder die Pufferzeit (u_j) erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einflußnahme auf den Prozeß mittels eines Reglers in Abhängigkeit von Meßwerten über das Prozeßgeschehen, vom Produktionsplan der Anlage, ei ner Zielfunktion, d. h. einem Optimierungskriterium, sowie von garantierten Grenzen für Bearbeitungszeiten, Pufferzeiten und Transportzeiten erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, daß für die Regelung der Anlage der zeitliche Ablauf in einem Teilprozeß in vier Schritten, sogenannten Viertelzellen, unterteilt erfolgt, wobei jede Viertelzelle einen Zeitpunkt, ein Zeitintervall zur Beschrei bung möglicher Prozeßzeitschwankungen, den Namen der Vorgän gerviertelzelle, d. h. den Namen des vorab ablaufenden Teil schrittes eines Teilprozesses, sowie einen Vermerk, ob die Prozeßzeitschwankungen dieser Teilzelle beeinflußbar oder nicht beeinflußbar sind, erhält.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, daß ein sogenanntes Grund constraint-System, das die Randbedingungen des Systems ent hält, bestimmt wird, wobei das Bearbeitungsende eines vorher gehenden Prozesses nicht nach dem Bearbeitungsbeginn eines nachfolgenden Prozesses liegen darf und wobei bei Einhalten der just-in-time-Bedingung zusätzlich der Bearbeitungsbeginn eines nachfolgenden Prozesses nicht hinter dem Bearbeitungs ende eines vorangehenden Prozesses liegen darf.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Viertelzellen unter Berücksichtigung von Randbedingungen über die Reihenfolge be stimmter Teilprozesse oder über zeitliche Bedingungen wie mi nimale oder maximale Prozeßdauer oder minimale oder maximale Wartezeit beim Übergang von einem Aggregat zum anderen gemäß der Randbedingungen, wie deren des Grundconstraint-Systems geordnet werden, wobei beeinflußbare Viertelzellen vor nicht beeinflußbaren Viertelzellen angeordnet werden und die Rei henfolge (A, B, C, E) der Viertelzellen eingehalten wird, ohne daß diese jedoch direkt aufeinander folgen müssen.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch ge kennzeichnet, daß die im Grundconstraint- System formulierten Ungleichungen ein Ungleichungssystem bil den, das rückwärts sukzessive gelöst wird, so daß zulässige Zeitintervalle für die beeinflußbaren Zeiten wie etwa die be einflußbare Bearbeitungszeitabweichung (d_j) oder die Puffer zeit (u_j) berechnet werden und daß innerhalb dieser Interval le Werte gewählt werden, die den Gesamtprozeßablauf z. B. im Hinblick auf Minimierung des Energieverbrauches oder Maximie rung des Materialdurchsatzes optimieren.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Um rüst- und Reparaturzeiten für Aggregate durch das gleiche Prozeßmodell wie für die Bearbeitung von Material modelliert werden.

10. Einrichtung zum Führen eines Prozesses in einer Anlage der Grundstoffindustrie, z. B. einem Stahlwerk oder einem in tegrierten Hüttenwerk, mit in bezug auf kontinuierlichen Ma terialfluß kritischen Teilprozessen, z. B. Gießprozessen, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Materialfluß durch die Anlage derart gesteuert bzw. geregelt wird, daß ein Stoc ken oder Abreißen des Materialflusses vor Eintritt in einen in bezug auf kontinuierlichen Materialfluß kritischen Teil prozeß verhindert wird, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einflußnahme auf den Prozeß in Abhängigkeit der
Bearbeitungszeit des Materials in den Aggregaten, in de nen die Teilprozesse auflaufen,
Pufferzeit, d. h. der Zeit, in der sich Material vor der Bearbeitung in einem Teilprozeß in einem dem Teilprozeß zugeordneten Puffer befindet, und
Transportzeit des Materials zwischen den Aggregaten
erfolgt.