DE19706767A1

DE19706767A1 - Verfahren und Einrichtung zur Simulation einer Anlage der Grundstoffindustrie

Info

Publication number: DE19706767A1
Application number: DE1997106767
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr Ing Peuker; Friedemann Dr Schmid; Guenther Dipl Ing Bobien; Otto Dr Ing Gramckow
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1997-02-20
Filing date: 1997-02-20
Publication date: 1998-09-03

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Simulation einer Anlage oder einer Teilanlage der Grundstoff industrie, insbesondere einem Hüttenwerk, mit Verarbeitungs einheiten zur Bearbeitung von Material, das nach seiner Bear beitung von einer Verarbeitungseinheit in die nächste Verar beitungseinheit transportiert wird.

Es ist bekannt, in der Hüttentechnik Prozesse zu simulieren. Dabei ist die Modellbildung jedoch häufig sehr aufwendig.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bzw. eine Ein richtung anzugeben, die eine verbesserte Synthese einer hüt tentechnischen Anlage bzw. eine Anlage der Grundstoffindu strie, insbesondere eines Stahlwerks, ermöglicht.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 bzw. eine Einrichtung gemäß Anspruch 21 gelöst. Dadurch ist ein hoher Modularitätsgrad mit niedrigem Aufwand möglich. Ferner sind Veränderungen am Modell sehr leicht mög lich, d. h. es wird eine hohe Flexibilität bei der Modellgene rierung bzw. -anpassung erreicht. Weiterhin ist es auf diese Weise möglich, besonders geeignete Variantenrechnungen, vor allem bei Variationen der Systemstruktur, durchzuführen. Die Erfindung erleichtert ferner die systematische Bereitstellung und Pflege von verfahrenstechnischem Know-How in Form von Teilmodellen, die z. B. Bestandteil einer sich ständig erwei ternden Bibliothek sind.

In einer weiterhin vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind Teilmodelle mit anderen Teilmodellen derart koppelbar, daß die Ausgangsgrößen eines Teilmodells die Eingangsgrößen eines anderen Teilmodells bilden. Zudem weisen in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung Teilmodelle weitere Teilmodelle auf, deren Ein- und Ausgangsgrößen die gleiche Struktur wie die Ausgangsteilmodelle haben. Auf diese Weise ist eine be sonders effiziente Modellsynthese erreichbar.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Struktur der Ein- und Ausgangsgrößen der Teilmodelle eine für die entsprechende Modellbildung standardisierte Schnittstelle.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden für die Modellierung einer Verarbeitungseinheit oder eines Teils einer Verarbeitungseinheit verschiedene Teilmo delle, die sich im Abstraktionsgrad der Modellbildung, in be zug auf die Rechengenauigkeit, in bezug auf den Rechenzeitbe darf und in bezug auf ihr Zeitverhalten unterscheiden, ver wendet.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bzw. er finderische Einzelheiten bestehen darin,

- daß die Modellgenerierung auf der Grundlage einer Element bibliothek und einem graphischen Editor erfolgt,
- daß die Berechnung des Simulationsmodells gleichungsorien tiert (simultan) erfolgt,
- daß die Berechnung des Simulationsmodells blockorientiert (sequentiell) erfolgt,
- daß die Berechnung des Simulationsmodells zweistufig, d. h. in einer Mischform von simultanem und sequentiellem Ansatz, erfolgt,
- daß ein auf der Basis der erfindungsgemäßen Modellbildung arbeitender Simulator zusätzliche Komponenten aufweist,
- daß ein auf der Basis der erfindungsgemäßen Modellbildung arbeitender Simulator zusätzliche Komponenten für die Un terstützung zum Datenhandling, wie z. B. Variantenrechnun gen, graphische Darstellungen, vergleichende Darstellungen aufweist,
- daß ein auf der Basis der erfindungsgemäßen Modellbildung arbeitender Simulator zusätzliche Komponenten für die Un terstützung der Prozeßsynthese (Auswahl und Verschaltung der Teilmodelle), wie z. B. Module mit verbalem Expertenwis sen, eine Bibliothek von Referenzanlagen, Module mit heuri stischem Wissen in Form eines wissensbasierten Systems, Mo dule für einen analytischen Ansatz (z. B. Strukturparameter optimierung) aufweist,
- daß ein auf der Basis der erfindungsgemäßen Modellbildung arbeitender Simulator zusätzliche Komponenten zu erfassen den Bewertung der Entscheidungsalternativen (z. B. der An passung an Standardbaureihen, die Abschätzung von Kosten) aufweist,
- daß ein auf der Basis der erfindungsgemäßen Modellbildung arbeitender Simulator zusätzliche Komponenten für die Un terstützung des Entscheidungsprozesses unter Berücksichti gung mehrdimensionaler Zielvorstellung (z. B. Nutzwertanaly se), aufweist.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher er läutert, aus denen weitere, auch erfindungswesentliche, Ein zelheiten ebenso wie aus den Unteransprüchen entnehmbar sind. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Teilmodell,

Fig. 2 eine Walzstraße und ihre erfindungsgemäße Modellie rung,

Fig. 3 ein Hüttenwerk und seine erfindungsgemäße Modellie rung,

Fig. 4 ein Konzept zum Zusammenwirken verschiedener Kompo nenten.

Fig. 1 zeigt ein Teilmodell 3. Dabei bezeichnet Bezugszeichen 1 die Eingangsgrößen und Bezugszeichen 2 die Ausgangsgrößen. Erfindungsgemäß haben die Eingangsgrößen 1 und die Ausgangs größen 2 die gleiche Struktur. In der beispielhaften Struktur weisen die Eingangsgrößen 1 und die Ausgangsgrößen 2 je zwei Größen bzw. Gruppen 4 und 5 bzw. 6 und 7 von Größen auf. D.h., die mit Bezugszeichen 4, 5, 6 und 7 bezeichneten Größen können entweder Skalare oder Mengen von Größen sein. Außerdem ist es möglich, daß die mit Bezugszeichen 4, 5, 6 und 7 be zeichneten Größen Elemente aufweisen, die ihrerseits weitere Elemente aufweisende Mengen sind. Eine mögliche Struktur für Eingangs- bzw. Ausgangsgrößen von Teilmodellen zur Modellie rung von Teilen einer Anlage der Grundstoffindustrie zeigt Tabelle 1. Da durchgängig die gleiche Struktur für die Ein- und Ausgangsgrößen der Teilmodelle verwendet wird, sind nicht alle möglichen Elemente der Schnittstelle für jedes Teilmo dell belegt. So zeigt Tabelle 1 beispielhaft die Verwendung von Ein- und Ausgangsgrößen für ein Walzgerüst, für eine Zwi schengerüstkühlung, für einen Ofen und für eine Stranggußan lage.

Beispiele für die Charakterisierung einer erfindungsgemäßen Schnittstelle

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus einer Walzstraße und der da zugehörigen erfindungsgemäßen Modellierung. Der Ausschnitt der Walzstraße weist vier Walzgerüste 11, 12, 13, 14 zum Walzen eines Walzbandes 10 auf. Walzgerüst 11 wird durch Teilmodell 15, Walzgerüst 12 durch Teilmodell 16, Walzgerüst 13 durch Teilmodell 17 und Walzgerüst 14 durch Teilmodell 18 model liert. Schnittstelle 19 beschreibt die Zustände des Walzban des 10 vor Walzgerüst 11. Schnittstelle 20 beschreibt die Zu stände des Walzbandes 10 vor Walzgerüst 12. Schnittstelle 21 beschreibt die Zustände des Walzbandes 10 vor Walzgerüst 13. Schnittstelle 22 beschreibt die Zustände des Walzbandes 10 vor Walzgerüst 14. Schnittstelle 23 beschreibt den Zustand des Walzbandes 10 hinter dem Walzgerüst 14. Für eine beson ders exakte Modellierung ist es notwendig, auch für die Strecke, das Walzband 10 zwischen den Walzgerüsten 11, 12, 13, 14 durchläuft ein Teilmodell vorzusehen, mittels dessen ins besondere das Abkühlen des Walzbandes 10 zwischen den Walzge rüsten 11, 12, 13, 14 modelliert wird.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Anlage der Grundstoffindustrie zur Erzeugung gewalzten Metalls z. B. Stahls. Die Anlage weist zwei Elektroöfen 32 und 33, mit de nen zugeführter Schrott, dessen Eigenschaften mittels der Schnittstellen 30 und 31 beschrieben werden, eingeschmolzen wird, zwei Pfannenöfen 35 und 36 zur weiteren chemischen Be handlung des Metalls, zwei Vakuumstationen 38 und 39, zwei Stranggießanlagen 41 und 42, einen Ausgleichsofen 45 und eine Walzstraße 47 auf.

In der gewählten beispielhaften Ausführung der Anlage bilden die beiden Behandlungslinien bestehend aus je einem Elektro ofen 32 oder 33, einem Pfannenofen 35 oder 36, einer (optio nalen) Vakuumstation 38 oder 39 und einer Gießanlage 41 oder 42 keine separaten Verarbeitungseinheiten. Das Material kann von einer Behandlungslinie auf die andere Behandlungslinie bewegt werden. Dies wird durch Verteilermodelle 34, 37, 40 bei der Modellierung berücksichtigt.

Die Teilmodelle 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 45, 47 sind über Ein- bzw. Ausgangsgrößen 30, 31, 34, 37, 40, 43, 44, 46, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80 und 81 miteinander verknüpft.

Fig. 4 zeigt das Zusammenspiel eines Simulators auf der Basis der erfindungsgemäßen Modellierung mit anderen softwaretech nischen Komponenten. Dabei bezeichnet Bezugszeichen 50 eine Datenbank, Bezugszeichen 51 eine Unit-Bibliothek, Bezugszei chen 52 einen Simulator, Bezugszeichen 53 ein Modell, Bezugs zeichen 54 Units, Bezugszeichen 55 Materialströme, Bezugszei chen 56 eine Struktur, Bezugszeichen 57 einen Optimierer, Be zugszeichen 58 Tools, Bezugszeichen 59 physikalisch-chemische Kenngrößen, Bezugszeichen 60 Daten realer Anlagen, Bezugszei chen 61 Gleichungslöser, Bezugszeichen 62 einen graphischen Modellgenerator, Bezugszeichen 63 eine Datenvisualisierung, Bezugszeichen 64 problemspezifische Daten, Bezugszeichen 65 eine Auslegung, Bezugszeichen 66 eine Anpassung an Standard baureihen, Bezugszeichen 67 Kostenabschätzung, Bezugszeichen 68 Standardbaureihen, Bezugszeichen 69 Preise.

Aus dem wichtigsten Anwendungsfall, der Prozeßsynthese, läßt sich das Zusammenspiel mit anderen Komponenten ableiten. Der Simulator realisiert im engeren Sinne nur eine einfache Form der Bewertung und benötigt im wesentlichen Wissen (Know How) in Form

- einer Element-Bibliothek und
- einer Material-Datenbank.

In der Walzwerkstechnik ist es schwierig, für das Simulati ons-Modell alle Entscheidungsgrößen so vorzugeben, daß alle Nebenbedingungen (z. B. Fertigbandtemperatur, Gefügeeigen schaften) eingehalten sind. Dafür bietet sich ein externer Optimierer an, der auf der Basis eines vereinfachten Modells ein zulässiges und in definierter Form optimales Ergebnis liefert, das als Startbelegung für die wesentlichen Entschei dungsgrößen des Simulators dienen kann.

Um den eigentlichen Synthese-Schritt zu vollziehen, sind

- verbales Expertenwissen,
- eine Bibliothek von Referenz-Anlagen,
- heuristisches Wissen in Form eines wissensbasierten Systems und/oder
- ein analytischer Ansatz (z. B. Strukturparameter- Optimierung)

notwendig.

Um eine umfassende Bewertung vornehmen zu können, sollten

- die Anpassung an Standard-Baureihen,
- die Abschätzung von Kosten

durch entsprechende Module unterstützt werden.

Um den Entscheidungsprozeß des Entscheidungsträgers unterstüt zen zu können, sollten Tools

- zur Verwaltung von Variantenrechnungen,
- zum grafischen Vergleich von Lösungsalternativen,
- zur Kompromißfindung bei mehrkriteriellen Problemen (z. B. Nutzwertanalyse)

zur Verfügung stehen.

Bevorzugte Anwendungsgebiete für die Erfindung sind die Pro zeßsynthese (off-line-Berechnung unter Variation der System struktur), die Produktionsplanung, die Vorausberechnung von Materialeigenschaften und Prozeßzuständen und die Analyse und Bewertung existierender Walzwerke.

Claims

1. Verfahren zur Simulation einer Anlage oder einer Teilanla ge der Grundstoffindustrie, insbesondere einem Hüttenwerk, mit Verarbeitungseinheiten zur Bearbeitung vom Material, das nach seiner Bearbeitung von einer Verarbeitungseinheit in die nächste Verarbeitungseinheit transportiert wird, wobei die Simulation der Anlage mittels eines Anlagenmodells erfolgt, das Teilmodelle aufweist, wobei Eingangsgrößen und Ausgangs größen der Teilmodelle Größen zur Beschreibung des Zustands des Materials sind, und wobei die Eingangsgrößen und die Aus gangsgrößen die gleichen Größen umfassen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Teilmodelle mit anderen Teilmodellen derart koppelbar sind, daß die Ausgangsgrößen eines Teilmodells die Eingangs größen eines anderen Teilmodells bilden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Teilmodelle weitere Teilmodelle aufweisen, deren Ein- und Ausgangsgrößen die gleiche Struktur wie das Ausgangsteilmo dell haben.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur der Ein- und Ausgangsgrößen der Teilmodelle eine für die entsprechende Modellbildung standardisierte Schnittstelle ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangs- und Ausgangsgrößen der Teilmodelle mehrere Elemente aufweisen, die Größen zur Beschreibung des Zustands des Materials sind.

6. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente der Ein- und Ausgangsgrößen in Form eines Vektors oder einer Liste dargestellt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Elemente der Ein- und Ausgangsgrößen mehrere Informatio nen über den Zustand des Materials enthalten, wobei Detailin formationen über die Materialzustände, die ein entsprechendes Element einer Ein- bzw. Ausgangsgröße repräsentiert, in einer insbesondere zentralen, Datenbasis abgefragt werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilmodelle implizite oder explizite Modelle sind.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilmodelle analytische Modelle, z. B. Gleichungssy steme oder Differentialgleichungssysteme, Modelle auf der Ba sis von FEM-Methoden oder Differenzenverfahren, neuronale Netze oder wissensbasierte Modelle sind.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilmodelle stationäre bzw. statische Modelle sind.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilmodelle quasi stationäre Modelle sind.

12. Verfahren nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilmodelle dynamische Modelle sind.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Teilmodelle Verarbeitungseinheiten oder Teile von Verar beitungseinheiten abbilden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß anwendungsunabhängig für die Modellierung einer Verarbei tungseinheit und eines Teils einer Verarbeitungseinheit ver schiedene Teilmodelle, die sich im Abstraktionsgrad der Mo dellierung, in bezug auf die Rechengenauigkeit, in bezug auf den Rechenzeitbedarf und in bezug auf ihr Zeitverhalten un terscheiden, verwendet werden.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilmodelle in einer Modellbibliothek zentral zusam mengefaßt sind und gewartet werden.

16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Teilmodelle zur Prozeßsynthese verwendet werden.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilmodelle zur Lösung von Produktionsplanungs- und Steuerungsproblem verwendet werden.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilmodelle zur Vorausberechnung von Materialeigen schaften und Prozeßzuständen verwendet werden.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilmodelle zur Analyse und Bewertung von existieren den Systemen in der Hüttentechnik, insbesondere in der Walz werkstechnik verwendet werden.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Transportweg zwischen zwei Verarbeitungseinheiten mo delliert wird.

21. Einrichtung zur Simulation einer Anlage oder einer Tei lanlage der Grundstoffindustrie mit Verarbeitungseinheiten zur Bearbeitung vom Material, das nach seiner Bearbeitung von einer Verarbeitungseinheit in die nächste Verarbeitungsein heit transportiert wird, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Simulation der Anlage mittels eines Anlagenmodells erfolgt, das Teilmodelle aufweist, wobei Eingangsgrößen und Ausgangs größen der Teilmodelle Größen zur Beschreibung des Zustands des Materials sind, und wobei die Eingangsgrößen und die Aus gangsgrößen die gleichen Größen umfassen.