DE19922548A1 - Verfahren zur Mischungsregelung der Aufgabekomponenten in Mahlanlagen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Mischungsregelung von Aufgabekomponenten in Zementmahlanlagen zur Einhaltung einer vorgegebenen SO₃-Konzentration im Fertiggut.

Zur Absicherung der Zementeigenschaften, die nach DIN 1164-1 (1994) festgelegt sind, wird ein hohes Qualitätsniveau der Zemente gefordert. Dazu ist es notwendig, trotz der auf den Prozeß der Zementherstellung einwirkenden Störeinflüsse, die Qualitätsparameter über den Zeitraum der Betriebsführung einzuhalten.

Die Störungen, bezogen auf die Produkteigenschaften der Ausgangsstoffe der Zementmah­ lung, spiegeln sich einerseits in der Härte des Klinkers und somit seiner Mahlbarkeit wider. Ein weiterer Einflußfaktor ist die schwankende chemische Zusammensetzung der Aus­ gangsstoffe wie Klinker, Gips, Hüttensand und Kalkstein. Diese Einflußfaktoren zeigen ihre Wirkung auf die SO₃-Konzentration des Fertiggutes.

Durch eine erhöhte SO₃-Konzentration im Klinker sinkt die Druckfestigkeit und das Er­ starren des Zementmörtels wird beschleunigt. Abhilfe kann durch eine Sulfatträgeroptimie­ rung erfolgen. Zu diesem Zweck wird Gips als wirksames Mittel zur Erstarrungsverzöge­ rung eingesetzt. Der höchstzulässige Gesamtgehalt an SO₃ im Zement kann nach der je­ weiligen Zementnorm zwischen 2,5% bis 4% liegen. Dazu ist es erforderlich, die Gips­ menge genau zu dosieren, auch wenn ihre SO₃-Konzentration und die der übrigen Aufga­ bekomponenten Schwankungen unterworfen ist.

Der Mischungsprozeß der einzelnen Aufgabekomponenten erfolgt üblicherweise im Rah­ men des Mahlprozesses in der Mahlanlage. Die Mahlanlage wird dabei über Schüttgutför­ dereinrichtungen wie beispielsweise Dosierbandwaagen oder Förderbänder mit den ein­ zelnen Aufgabekomponenten beschickt. Die üblichen Aufgabekomponenten sind Klinker, Gips und Zuschlagstoffe. Jede Komponente der Ausgangsstoffe ist Träger einer SO₃-Kon­ zentration.

Neben der Feinheit des Fertiggutes ist die SO₃-Konzentration des Fertiggutes ein wichtiger Parameter, der die Eigenschaften des Zementes für den späteren Einsatz wesentlich beein­ flußt.

Zur Messung der SO₃-Konzentration werden herkömmliche Verfahren herangezogen. Diese können naßchemisch manueller Art sein oder mittels automatischer Analysentechnik realisiert werden. Da diese Analyseverfahren verhältnismäßig aufwendig sind, wird nur in größeren Zeitabständen, die in der Größenordnung der Prozeßdauer liegen, der Istwert der SO₃-Konzentration ermittelt.

Ein gebräuchliches Verfahren zur Komponentendosierung in der Praxis von Zement­ mahlanlagen ist die SO₃-Aufgaberegelung. Dabei wird der SO₃-Analysenwert erfaßt und mit einem Vorgabewert verglichen. Das entstehende Differenzsignal wird auf den Eingang eines Reglers gegeben, der die prozentuale Zusammensetzung der Frischgutmenge nach­ führt, so daß die Regeldifferenz beseitigt wird. Da der gesamte Mischungsprozeß innerhalb der Zementmahlanlage stattfindet, sind keine weiteren Informationen, wie Zwischengrößen und Zustandswerte über den tatsächlichen Prozeßzustand, die den Mischungsprozeß näher beschreiben, verfügbar. Derartige Regelverfahren sind beispielsweise beschrieben in "POLAB® - das Laborautomatisierungssystem" (Firmenschrift von Krupp Polysius, Beckum-Neubeckum o.J.) sowie in Mann, K.: "POLAB® - Qualitätssicherung mit moder­ ner Robotertechnik" ZKG 43 (1990) Heft 6, S. 297-299 oder in Eggert, A.; Teutenberg, J.: "Qualitätssicherung und -steuerung durch modulare und flexible Systemtechnik - POLAB® " ZKG 45 (1992) Heft 2, S. 70-78 und in Rölver, E.: "Fünf multimodulare POLAB® - La­ borautomationssysteme in Zementwerken der neuen deutschen Bundesländer" ZKG 47 (1994) Heft 11, S. 648-657.

Der Nachteil der bekannten Verfahren besteht darin, daß während des Mischungsprozesses nur Einfluß auf die Zuführung der Aufgabekomponenten genommen werden kann, nach­ dem der aktuelle Istwert der SO₃-Konzentration ermittelt wurde. Aufgrund der großen Zeitdauer für das Ziehen der automatischen Zementsammelprobe und die Probenanalyse, die bei ca. einer Stunde liegt, bedeutet das, daß bei einem Istwert der SO₃-Konzentration, der außerhalb der zulässigen Toleranz liegt, eine nunmehr durchgeführte Korrektur der Zu­ führung der einzelnen Aufgabekomponenten erst nach Ablauf der Prozeßdauer eine Ver­ besserung des Istwertes bewirkt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren anzugeben, bei dem trotz der ver­ gleichsweise großen Zeitkonstanten des Prozesses, bedingt durch das Ziehen der automati­ schen Zementsammelprobe und die Analysenzeit, eine schnelle Einstellung der Zuführung der Aufgabekomponenten zur Sicherung einer ständig gleichbleibenden SO₃-Konzentra­ tion des Fertiggutes, die innerhalb des zulässigen Toleranzbandes liegt, erreicht wird.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art mit den Merkmalen gemäß des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bei dem vorgestellten Verfahren zur Mischungsregelung mehrerer Aufgabekomponenten bei der Herstellung von Zement, bei dem eine vorgegebene SO₃-Konzentration im Fertig­ gut eingehalten werden soll, wird der Mischungsprozeß, der in der Mahlanlage stattfindet, durch ein mathematisches Prozeßmodell nachgebildet, indem die Parameter, d. h. die Zeit­ konstanten aller dynamischen Teilsysteme ermittelt werden. Für das mathematische Pro­ zeßmodell wird eine Adaptionsschleife berechnet, die eine online-Nachführung des mitlaufenden Prozeßmodells am Mischungsprozeß gestattet. Durch das mathematische Prozeßmodell wird eine Zustandsinformation ermittelt, die gemeinsam mit dem Führungs­ wert für die SO₃-Konzentration und dem ermittelten Istwert für die SO₃-Konzentration einem Zustandsregler zugeführt wird.

Der Zustandsregler bildet einen Stellvektor für den Mischungsprozeß, d. h. für die Steue­ rung der Zuführeinrichtungen der einzelnen Aufgabekomponenten.

Der ermittelte Istwert der SO₃-Konzentration und der durch das mathematische Prozeßmo­ dell errechnete Vorhersagewert für die SO₃-Konzentration werden einer Adaptionsschleife zugeführt, dessen Korrektursignal für die Anpassung des mathematischen Prozeßmodells an die realen Bedingungen des Prozesses dient. Auf der Grundlage des Stellvektors und des Korrektursignals, das der Abweichung zwischen dem ermittelten Istwert der SO₃-Konzen­ tration und dem durch das mathematische Prozeßmodell errechneten Vorhersagewertes für die SO₃-Konzentration entspricht, wird durch das mathematische Prozeßmodell eine Zu­ standsinformation gebildet, die im realen Prozeß nicht verfügbar ist.

Diese Zustandsinformation wird mit dem Führungswert der SO₃-Konzentration und dem ermittelten Istwert der SO₃-Konzentration durch den Zustandsregler zu einem korrigierten Stellvektor verarbeitet.

Im Zustandsregler werden weiterhin technologische Nebenbedingungen durch einen nach­ geordneten Verarbeitungsblock bei der Bildung des korrigierten Stellvektors berücksich­ tigt. Dabei ist der Mischungsprozeß, der im Mahlkreislauf abläuft, zeitoptimal ausgelegt, wenn der Übergangsvorgang nach der Ausgabe einer minimalen Anzahl von Stellvektoren des Reglers abgeschlossen ist.

In einer gesonderten Prozeßsicherungsschaltung, die dem Zustandsregler nachgeordnet ist, werden Betriebsstörungen in der Zuführung der Aufgabekomponenten kompensiert, indem bei Störung einer Zuführungseinrichtung iür eine Aufgabekomponente die Zeitdauer der Störung erfaßt wird und bei Wegfall der Störung für den gleichen Zeitraum eine entspre­ chende Erhöhung des Massenstromes der entsprechenden Aufgabekomponente erfolgt. Die Zeitdauer der Störung darf nicht größer sein als die größte Zeitkonstante des Mischungs­ prozesses.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die zugehörigen Figuren stellen dar:

Fig. 1 Prinzipdarstellung des Mahlkreislaufes

Fig. 2 Prinzipdarstellung der modellgestützten Regelschaltung

Fig. 3 Blockdarstellung der Prozeßsicherungsschaltung.

Die Fig. 1 zeigt die schematische Darstellung einer Umlaufmahlanlage nach dem Stand der Technik. Dabei besteht die Umlaufmahlanlage aus einer Kugelmühle 1 und einem dynami­ schen Windsichter 2. Die Mühle 1 wird über Schüttgutzuführungseinrichtungen 3.1 bis 3.3 wie Dosierbandwaagen oder Förderbänder mit dem Frischgut 8 beschickt. Das Frischgut 8 besteht aus den Komponenten: Klinker 5, Gips 6 und den Zuschlagstoffen 7. Jede Kompo­ nente der Ausgangsstoffe ist Träger einer SO₃-Konzentration.

Das Frischgut 8 wird nach dem Passieren der Einlaufschnecke durch die sich in dem dre­ henden Mühlenrohr befindlichen Mahlkugeln zerschlagen. Dabei wandert das aufzumah­ lende Frischgut 8 langsam in Richtung Mühlenausgang, wo es von der Mühle über eine Fördereinrichtung, z. B. ein Becherwerk, als Sichteraufgabemassenstrom 9 in den Sichter 2 transportiert wird. Der Sichter 2 trennt die feinen von den groben Anteilen. Der Feinanteil wird als Fertiggut 10 aus dem Kreislauf ausgetragen und zum Silo transportiert. Der Grob­ anteil 12, der Grieß, wird über pneumatische Fördereinrichtungen 4 zum Mühleneingang transportiert. Das Mahlgut durchläuft den Mahlkreislauf solange, bis es vom Sichter 2 als ausreichend fein erkannt und als Fertiggut 10 ausgeschleust wird.

Neben der Feinheit des Fertiggutes 10, z. B. eines Zementes mit definiertem Q(15)-Wert oder Blaine-Wert, ist die SO₃-Konzentration des Fertiggutes 10 ein wichtiger Parameter, der die Eigenschaften des Zementes für den späteren Einsatz wesentlich beeinflußt. Zur Messung der SO₃-Konzentration werden übliche Verfahren herangezogen.

Die Fig. 2 der Zeichnung zeigt einen Mahlkreislauf 14 mit der zugehörigen modellgestütz­ ten PI-Zustandsregelung. Der Block Mahlkreislauf 14 beinhaltet die Elemente des Mahl­ kreislaufes nach Fig. 1. Dem Mahlkreislauf wird ein Frischgutmassenstrom 8 zugeführt. Aus diesem Mahlkreislauf wird ein Fertiggutmassenstrom 10 mit einer SO₃-Endkonzen­ tration ausgetragen.

Ein Nachteil des bekannten Verfahrens, bedingt durch die große Analysenzeit, ist das Vor­ liegen des Istwertes y der SO₃-Konzentration des Fertiggutes 10 nur zu äquidistanten Zeit­ punkten. Zwischengrößen oder Zustandsgrößen, die den SO₃-Prozeß näher beschreiben, sind nicht verfügbar.

Daraus ergibt sich das Erfordernis, Werte zu ermitteln, die eine Aussage über den Zustand des Mischungsprozesses zur Absicherung der SO₃-Konzentration gestatten und diese so in das Regelungsgesetz unter Anwendung eines zeitoptimalen Kriteriums zu integrieren, daß ein gutes Führungsverhalten und eine gute Störunterdrückung des geschlossenen Regel­ kreises erzielt wird. Die Abstimmung des Mischungsprozesses der Mahlanlage auf das zeitoptimale Kriterium wird durch ein klassisches Reglerauslegungsverfahren nicht er­ reicht, da der Reglerentwurf trotz großer Analysenzeit und Zeitkonstanten des Prozesses und damit verbundener großer Abtastzeit auf Basis des quasikontinuierlichen Entwurfes erfolgt.

Um auch bei technischen Prozessen mit vergleichsweise großen Zeitkonstanten eine schnelle Einstellung des Qualitätskennwertes SO₃-Konzentration im Fertiggut 10 zu erreichen, wird so verfahren, daß eine rechnerische Nachbildung der Prozeßdynamik des Mischungsprozesses erfolgt. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren erfolgt die Regleraus­ legung auf der Grundlage der diskreten Beschreibung der Prozeßdynamik, d. h. die großen Zeitkonstanten des Prozesses sowie die rekonstruierte Zustandsinformation des Pro­ zesses und die Vorgabe eines zeitoptimalen Kriteriums werden unter Beachtung der großen Abtastzeit für die diskrete Reglerauslegung benutzt.

Das Regelungsverfahren wird zunächst dadurch vorbereitet, daß vor der Inbetriebnahme ein mathematisches Modell des Mischungsprozesses, der die Entwicklung der SO₃-Kon­ zentration des Fertiggutes 10 in der Zementmahlanlage 14 beschreibt, aufgestellt und die Parameter, d. h. die Zeitkonstanten aller dynamischen Teilsysteme ermittelt werden. Dabei erfolgt die Parameteridentifikation des mathematischen Prozeßmodells 15 mit den für die Steuerung des Prozesses notwendigen Prozeßvariablen, d. h. mit den Stellwerten der Dosierbandwaagen 3.1 bis 3.3 und dem Istwert y der SO₃-Konzentration des Fertiggutes 10. Für das mathematische Prozeßmodell 15 wird eine Adaptionsschleife berechnet, die eine online-Nachführung des mitlaufenden Prozeßmodells 15 am Mehrgrößenprozeß des Mahlkreislaufs 14 gestattet. Das mathematische Prozeßmodell 15 berechnet auf der Grundlage des Stellvektors u und des Fehlersignals den Vektor der Zustandsinformation des Prozesses, der im realen Prozeß nicht verfügbar ist. Der Stellvektor u stellt die kom­ ponentenweise Zusammenfassung der Stellwerte für die einzelnen Dosierbandwaagen 3.1 bis 3.3 des Mahlkreislaufes dar. Der Zustandsvektor ist die aus dem mathematischen Modell abgreifbare Information, wenn das mathematische Modell in Zustandsdarstellung beschrieben wird. Dieser Zustandsvektor beinhaltet die Information über den errechneten Vorhersagewert der SO₃-Konzentration als auch den Vorhersage-Wert für die SO₃-Kon­ zentrationsänderungsgeschwindigkeit. Durch diese Zustandsinformation gewinnt die Quali­ tät der Mischungsregelung der Mahlanlage, da die Dynamik des Prozesses sich in der Zu­ standsinformation widerspiegelt und diese für die Regelung des Prozesses genutzt wird. Auf der Basis des mathematischen Prozeßmodells 15 und eines Entwurfskriteriums wird ein Zustandsregler 13 berechnet, dessen Stellvektor u den Prozeß zeitoptimal anregt, so daß ein beliebiger Systemzustand x ₀ in endlicher Zeit nach Null überführbar ist, d. h. jeder Punkt des Prozeßraumes ist ansteuerbar. Der Zustandsregler 13 wird als PI-Zustandsregler 13 mit endlicher Einstellzeit ausgelegt, um eine schnelle Ausregelung des Prozesses und eine gute Störunterdrückung zu bewirken.

Durch die Führungswertvorgabe w für die SO₃-Konzentration des Fertiggutes 10 und die Differenzbildung mit dem ermittelten Istwert der SO₃-Konzentration y wird ein Fehler­ signal e erzeugt, welches durch Aufgabe auf den PI-Regler einen Stellwert erzeugt. Der Stellwert des PI-Regler wird vereinigt mit dem Stellwert des Zustandsreglers, welcher aus der Multiplikation des Zustandsvektors mit der Reglermatrix K entsteht. Dieser Summenstellwert wird auf den Verarbeitungsblock 17 gegeben. Dabei bietet der Verarbei­ tungsblock 17 des Zustandsreglers 13 die Möglichkeit, technologische Nebenbedingungen 19 für die Prozeßführung zu berücksichtigen. Diese technologischen Nebenbedingungen sind z. B. die prozentuale Größe und Konstanz von einzelnen Komponenten über den Zeitraum der Prozeßführung bzw. Normierungsbedingungen. Der Verarbeitungsblock 17 erzeugt jetzt unter Beachtung der einzuhaltenden Restriktionen den Stellvektor u für die prozentuale Zusammensetzung der aktuellen Frischgutmenge 8. Der Stellvektor u steuert die Dosierbandwaagen 3.1 bis 3.3 des Mahlprozesses als auch das mathematische Modell an. Wirken auf den Prozeß Störungen, so wird der errechnete Vorhersagewert für die SO₃-Konzentration vom ermittelten Istwert der SO₃-Konzentration y abweichen. Durch eine Differenzbildung beider Werte ist ein Korrektursignal ableitbar, welches auf das mathematische Modell aufgeschaltet wird und die Adaption, d. h. die Nachführung bewirkt. Der neu entstehende Vektor der Zustandsinformation wird dann sofort im Rege­ lungsgesetz verarbeitet und führt zur Erzeugung eines aktuellen Steuervektors u.

Treten im Prozeß Störungen in Form des Ausfalls der Gipsbandwaage 3.2 auf, wird eine Kompensationsschaltung, im weiteren als Prozeßsicherungsschaltung 16 bezeichnet, über ein Nichtverfügbarkeitssignal 18 aktiviert.

Die Prozeßsicherungsschaltung 16 gewährleistet unter bestimmten Voraussetzungen eine Fortsetzung der Prozeßführung im Havariefall. Dabei wird als Havariefall der Ausfall der Gipsbandwaage 3.2 verstanden. Der Ausfall der Zufördermenge des Kalziumsulfates in Form von Gips, Anhydrit oder Gemisch bedeutet eine Verletzung des Qualitätskennwertes SO₃ des Fertiggutes 10 zu kleineren Werten. Die in der Gips-Dosierbandwaage 3.2 inte­ grierte Auswertelogik registriert über eine Kraftmeßdose keine Bandbelegung. Damit signalisiert sie eine Störung und meldet über ein Nichtverfügbarkeitssignal 18 ihren Status an die Regelschaltung. Der nächste SO₃- Analysenwert reißt stark aus, da die Kompo­ nentenmischung nicht mehr stimmt. Der Zustandsregler 13 reagiert beim nächsten ermit­ telten Istwert der SO₃-Konzentration y mit einem entsprechenden Stellvektor u.

Die Prozeßsicherungsschaltung 16 wertet den zeitlichen Ausfall der Bandwaage 3.2 aus und modifiziert den Stellvektor nach der Zuschaltung der Gips-Bandwaage 3.2 so, daß die fehlende Gipsmenge nachgeführt wird. Dabei wird die Gipsmenge nach Zuschaltung der Bandwaage für die Zeitdauer t_a des Bandwaagenausfalls, unter dem Aspekt der Einhaltung der Normierungsbedingung der Komponenten, auf den doppelten Wert vor dem Gips­ bandwaagenausfall erhöht. Dabei darf die Zeitdauer t_a des Gipsbandwaagenausfalls dem Betrag der größten Zeitkonstanten τ_g des Prozesses entsprechen. Das Nichtverfüg­ barkeitssignal 18 steuert ebenfalls den Schalter 20, so daß bei Aktivierung der Prozeßsiche­ rungsschaltung 16 der modifizierte Stellvektor u _mod für die Steuerung der Mahlanlage 14 herangezogen wird und nicht der Stellvektor u der am Ausgang des Zustandsreglers 13 ausgegeben wird. Die Fig. 3 zeigt die Struktur der modellgestützten Zustandsregelung mit erweiterter Prozeßsicherungsschaltung 16 für den Prozeß.

Die modellgestützte Zustandsregelung und die Prozeßsicherungsschaltung 16 können so­ wohl hardwaremäßig als auch softwaremäßig ausgeführt sein.

Claims (2)

1. Verfahren zur Regelung des Mischungsverhältnisses von mehreren Aufgabekompo­ nenten bei der Herstellung von Zement in einer Trockenmahlanlage, wobei eine vorgege­ bene SO₃-Konzentration im Fertiggut eingehalten werden soll, indem in definierten Zeitab­ ständen die SO₃-Konzentration ermittelt und in Abhängigkeit des ermittelten Wertes das Mischungsverhältnis der Aufgabekomponenten beeinflußt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischungsprozeß durch ein mathematisches Prozeßmodell (15) nachgebildet wird, das der Ermittlung der Zustandsinformation () und Vorhersagewerten () für die SO₃-Kon­ zentration im Fertiggut dient, wobei einem Zustandsregler (13) der Führungswert (w) für die SO₃-Konzentration, der ermittelte Istwert (y) für die SO₃-Konzentration sowie die Zu­ standsinformation () zugeführt werden und der Zustandsregler (13) einen Stellvektor (u) für den Mischungsprozeß der Aufgabekomponenten (5, 6, 7) in der Mahlanlage (14) sowie das mathematische Prozeßmodell (15) bildet, während aus dem ermittelten Istwert (y) und dem errechneten Vorhersagewert () ein Korrektursignal () gebildet wird, welches das mathematische Prozeßmodell (15) nachführt und den realen Bedingungen des Prozesses adaptiv anpaßt, weiterhin werden im Zustandsregler (13) technologische Nebenbedingun­ gen (19) durch den Verarbeitungsblock (17) bei der Bildung des Stellvektors (u) berück­ sichtigt.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einer nachgeordneten Prozeßsicherungsschaltung (16) Betriebsstörungen in der Zufüh­ rung der Aufgabekomponente (6) berücksichtigt werden, indem bei Störung einer Zufüh­ rungseinrichtung (3.2) für die Aufgabekomponente (6) die Zeitdauer der Störung (t_a) erfaßt und bei Wegfall der Störung für den gleichen Zeitraum durch entsprechende Erhöhung des Massenstromes der entsprechenden Aufgabekomponente (6) eine Kompensation erreicht wird, wobei die Zeitdauer der Störung (t_a) maximal dem Wert der größten Zeitkonstante (τ_g) des Prozesses sein darf.