DE60019152T2

DE60019152T2 - Kontrollsystem für eine brennofenanlage

Info

Publication number: DE60019152T2
Application number: DE60019152T
Authority: DE
Inventors: John Michael KEARNS; Brian Tony LANGE; Neville Frewin
Original assignee: PRETORIA PORTLAND CEMENT CO LT; PRETORIA PORTLAND CEMENT CO Ltd JOHANNESBURG
Current assignee: PRETORIA PORTLAND CEMENT CO LT; PRETORIA PORTLAND CEMENT CO Ltd JOHANNESBURG
Priority date: 1999-11-04
Filing date: 2000-11-01
Publication date: 2006-01-26
Anticipated expiration: 2020-11-02
Also published as: EP1228016B1; WO2001032581A1; EP1228016A1; ATE292098T1; DE60019152D1; US6790034B1; CA2389776A1; MXPA02004432A; AU1045901A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung einer Brennofenanlage und auf ein System zur Durchführung des Verfahrens.
Bei der Herstellung von Zement wird eine Brennofenanlage verwendet, um Rohmehl zu Klinker umzuwandeln, der dann gemeinsam mit anderen Materialien gemahlen wird, um Zement herzustellen. Auf Grund der großen Zahl von Variablen, die den Betrieb der Brennofenanlage und die Qualität des Klinkers beeinflussen, wurden im Lauf der Jahre verschiedene Steuerungssysteme und -verfahren vorgeschlagen. Dennoch bleibt es schwierig, den Betrieb solch einer Anlage zu optimieren, insbesondere auf Grund von Schwankungen bei dem Ausgangsmaterial, der Qualität des Brennmaterials, den Umgebungsbedingungen und anderer Variablen.
George C. M. et al., „SPC in the Manufacturing of Aluminous Cement by Sintering", American Ceramic Society Bulletin, US, Bd. 70, Nr. 4, 1. April 1991, Seiten 709–712 offenbaren ein Steuerungssystem für eine Brennofenanlage, das Mittel zum Nachweisen der Konzentration von Sauerstoff und/oder CO in dem Brennofen, Mittel zum Nachweisen der Temperatur an oder nahe bei der Haube des Brennofens, Mittel zum Nachweisen der Geschwindigkeiten der Primär- und Sekundärluft und Mittel zum Messen der Brennmaterial-Geschwindigkeit einschließt.
US-A-5882190 offenbart die Herstellung von Zementklinker unter Verwendung von Brennmaterialien mit hohem Schwefelgehalt durch Verbrennen von Brennmaterial mit hohem Schwefelgehalt innerhalb eines Brennofens. Die Herstellung von gesintertem Material wird durch Messen des Schwefelgehalts in dem Zementklinker und Verwenden dieser Messung zur Steuerung der Sauerstoffkonzentration an dem Einlass des Brennofens gesteuert.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Kontrollsystem für eine Brennofenanlage bereitgestellt, wobei das Kontrollsystem umfasst:
einen ersten Temperatursensor, der angeordnet ist, um die Temperatur an oder nahe der Haube des Brennofens zu messen und ein Ausgangssignal zu erzeugen, das diese Temperatur anzeigt;
Gas-Messeinrichtungen, die angeordnet sind, um die Konzentration mindestens eines Gases aus der Gruppe, umfassend O₂, NOX, SOX und CO, in dem Brennofen zu messen und mindestens ein entsprechendes Ausgangssignal zu erzeugen, das die relevante Gaskonzentration anzeigt; und
Steuereinrichtungen, die daran angepasst sind, das Ausgangssignal von dem ersten Temperatursensor zu empfangen und die Menge des Brennmaterials zu steuern, das dem Verbrennungsende des Brennofens zugeführt wird, um die Temperatur an oder nahe der Haube des Brennofens in einem vorbestimmten Bereich zu halten, wobei die Steuereinrichtungen weiterhin daran angepasst sind, das mindestens eine Ausgangssignal von den Gas-Messeinrichtungen zu empfangen und mindestens ein Haupt-Gebläserad des Brennofens zu steuern, um die Konzentration des mindestens einen Gases innerhalb eines vorbestimmten Bereichs zu halten.
Vorzugsweise umfasst das Kontrollsystem weiterhin einen zweiten Temperatursensor, der angeordnet ist, um die Temperatur an oder nahe bei dem hinteren Ende des Brennofens zu messen und ein Ausgangssignal zu erzeugen, das diese Temperatur anzeigt, wobei die Steuereinrichtungen weiterhin daran angepasst ausgebildet ist, das Ausgangssignal von dem zweiten Temperatursensor zu empfangen und die Menge an Brennmaterial zu steuern, die dem hinteren Ende des Brennofens zugeführt wird, um die Temperatur an oder nahe bei dem hinteren Ende des Brennofens innerhalb eines vorbestimmten Bereichs zu halten.
Die Steuereinrichtungen können weiterhin eine Steuermatrix beinhalten, die Werte beinhaltet, die die Verhältnisse zwischen einer Mehrzahl von Messwerten der Anlage festlegen, die die Temperatur an oder nahe der Haube des Brennofens, die Temperatur an oder nahe dem hinteren Ende des Brennofens und die O₂-, NOX-, SOX- und CO-Konzentrationen und eine Mehrzahl von Betriebsparametern einschließen, einschließlich der Menge an Brennmaterial, die dem Verbrennungsende des Brennofens zugeführt wird, der Menge an Brennmaterial, die dem hinteren Ende des Brennofens zugeführten wird, der Haupt-Gebläserad-Geschwindigkeit, der Brennofengeschwindigkeit, des Brennofen-Hauptantriebstroms, der Rohmehlzufuhr, des Kühlerluftstroms und der Kühlerrost-Geschwindigkeit.
Die Erfindung erstreckt sich auch auf ein Verfahren zur Steuerung einer Brennofenanlage unter Verwendung des oben beschriebenen Kontrollsystems.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Steuereinrichtung für eine Brennofenanlage bereitgestellt, wobei die Steuereinrichtung ein äußeres Qualitäts-Kontrollsystem aufweist, das zu mindestens einem inneren Kontrollsystem kaskadiert ist, wobei das äußere Qualitäts-Kontrollsystem ein erstes Rückkopplungs-Kontrollsystem aufweist, das daran angepasst ist, eine erste Sollwerteingabe zu empfangen, die eine gewünschte Menge an 3CaO·SiO₂ (C₃S) und/oder 2CaO·SiO₂ (C₂S) anzeigt, die in dem von der Brennofenanlage erzeugten Klinker anwesend sein soll, und eine zweite Rückkopplungswerteingabe, die die tatsächliche Menge an 3CaO·SiO₂ und/oder 2CaO·SiO₂ anzeigt, die in dem von der Brennofenanlage erzeugten Klinker vorhanden ist, wobei das erste Rückkopplungs-Kontrollsystem weiterhin daran angepasst ist, die erste Sollwerteingabe und die zweite Eingabe zu vergleichen und, falls sich die Eingaben unterscheiden, ein Ausgangssignal zu erzeugen, um eine Sollwerteingabe an das innere Kontrollsystem direkt oder indirekt zu ändern, um einen oder mehrere der Betriebsparameter der Brennofenanlage so anzupassen, dass die Menge des 3CaO·SiO₂- und/oder 2CaO·SiO₂-Gehalts in dem von der Brennofenanlage erzeugten Klinker im Wesentlichen gleich der gewünschten Menge an 3CaO·SiO₂ und/oder 2CaO·SiO₂ des Klinkers sein wird.
Vorzugsweise ist das innere Kontrollsystem ein Kontrollsystem für freien Kalk, wobei die zweite Sollwerteingabe einen dynamischen Sollwert für den Gehalt des Klinkers an freiem Kalk das innere Kontrollsystem umfasst und wobei das innere Kontrollsystem daran angepasst ist, ein Eingangssignal zu empfangen, das die tatsächliche Menge des freien Kalks anzeigt, der in dem von der Brennofenanlage erzeugten Klinker vorhanden ist, wobei das innere Kontrollsystem weiterhin daran angepasst ist, den dynamischen Sollwert für den Gehalt an freiem Kalk und die tatsächliche Menge an vorhandenem freiem Kalk zu vergleichen und, falls sich diese unterscheiden, ein Ausgangssignal zu erzeugen, um einen oder mehrere der Betriebsparameter der Brennofenanlage direkt oder indirekt zu ändern, so dass die Menge des freien Kalks, die in dem von der Brennofenanlage erzeugten Klinker vorhanden ist, im Wesentlichen gleich dem dynamischen Sollwert für den Gehalt an freiem Kalk sein wird.
Einem ersten Ausführungsbeispiel des zweiten Aspekts der Erfindung kann die Steuereinrichtung weiterhin ein thermodynamisches Kontrollsystem beinhalten, das zu dem inneren Kontrollsystem kaskadiert ist, wobei das innere Kontrollsystem einen Sollwert für mindestens eine Messung der Anlage an das thermodynamische Kontrollsystem ausgibt, und wo bei das thermodynamische Kontrollsystem daran angepasst ist, eine Eingabe von der Brennofenanlage zu empfangen, die den Wert der mindestens einen Messung der Anlage anzeigt, wobei das thermodynamische Kontrollsystem weiterhin daran angepasst ist, den Sollwert für die mindestens eine Messung der Anlage und den Wert der mindestens einen Messung der Anlage zu vergleichen und, falls diese sich unterscheiden, ein Ausgangssignal zu erzeugen, um einen oder mehrere Betriebsparameter der Brennofenanlage zu ändern.
Vorzugsweise ist das innere Kontrollsystem angeordnet, um eine Mehrzahl dynamischer Sollwerte für eine Mehrzahl von Messungen der Anlage an das thermodynamische Kontrollsystem auszugeben, wobei die Mehrzahl der Messungen der Anlage kontrollierte Variablen darstellen und aus der Gruppe ausgewählt sind, die die Temperatur am hinteren Ende, die Haubentemperatur, den CO-Pegel, den NOX-Pegel, den SOX-Pegel und den O₂-Pegel einschließt.
Die Betriebsparameter der Brennofenanlage können eine oder mehrere aus der Gruppe umfassen, die manipulierte Variablen bilden, die das der Brennofenanlage zugeführte Gesamtbrennmaterial, den dem hinteren Teil der Brennofenanlage zugeführten Prozentsatz des Brennmaterials oder jede beliebige andere abgeleitete Messung oder Angabe des der Anlage zugeführten Brennmaterials, die Haupt-Gebläserad-Geschwindigkeit, die Brennofengeschwindigkeit, den Kühlerluftstrom und die Kühlerrost-Geschwindigkeit umfasst. Diese Parameter werden manipuliert, um die Messungen der Anlage zu ändern, sodass sie sich entsprechenden Sollwerten annähern, wobei eine Steuermatrix verwendet wird, die Werte beinhaltet, die für die Verhältnisse zwischen den Betriebsparametern und den Messungen der Anlage bestimmend sind.
Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel des zweiten Aspekts der Erfindung können die Steuereinrichtungen weiterhin ein thermodynamisches Kontrollsystem beinhalten, das mit der Brennofenanlage verbunden ist, wobei das thermodynamische Kontrollsystem daran angepasst ist, eine Eingabe von der Brennofenanlage zu empfangen, die den Wert mindestens einer Messung der Anlage anzeigt, wobei das Kontrollsystem weiterhin daran angepasst ist, einen Sollwert für die mindestens eine Messung der Anlage und den Wert der mindestens einen Messung der Anlage zu vergleichen und, falls diese sich unterscheiden, ein Ausgangssignal zu erzeugen, um einen oder mehrere der Betriebsparameter der Brennofenanlage zu ändern, wobei der mindestens eine der Betriebsparameter der Brennofenanlage, der von dem thermodynamischen Kontrollsystem gesteuert wird, verschieden von dem einen oder mehreren Betriebsparameter(n) ist, der/die von dem Kontrollsystem für freien Kalk gesteuert wird/werden.
Der mindestens eine oder mehrere der Betriebsparameter der Brennofenanlage, der/die von dem thermodynamischen Kontrollsystem gesteuert wird/werden, umfasst(en) mindestens einen aus der Gruppe, die die dem Brennofen zugeführte Gesamtkohle, die Haupt-Gebläserad-Geschwindigkeit, die Brennofengeschwindigkeit, die Rohmehlzuführung, den Kühlerluftstrom und die Kühlerrost-Geschwindigkeit umfasst, und wobei der Betriebsparameter der Brennofenanlage, der von dem Kontrollsystem für freien Kalk gesteuert wird, der Prozentsatz des Brennmaterials ist, der dem hinteren Teil des Brennofens zugeführt wird.
Gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel des zweiten Aspekts der Erfindung ist das innere Kontrollsystem ein thermodynamisches Kontrollsystem, wobei der zweite Sollwert, der von dem äußeren Qualitäts-Kontrollsystem an das thermodynamische Kontrollsystem eingegeben wird, ein Sollwert für mindestens eine Messung der Anlage ist, und wobei das thermodynamische Kontrollsystem daran angepasst ist, eine Eingabe von der Brennofenanlage zu empfangen, die den Wert der mindestens einen Messung der Anlage anzeigt, wobei das thermodynamische Kontrollsystem weiterhin daran angepasst ist, den Sollwert für die mindestens eine Messung der Anlage und die Eingabe, die den Wert der mindestens einen Messung der Anlage anzeigt, zu vergleichen, und, falls diese sich unterscheiden, ein Ausgangssignal zu erzeugen, um einen oder mehrere der Betriebsparameter der Brennofenanlage zu ändern.
Die mindestens eine Messung der Anlage kann eine oder mehrere der Messungen der Anlage sein, die aus der Gruppe ausgewählt ist/sind, die die Temperatur am hinteren Ende, die Haubentemperatur und den NOX-Pegel einschließt.
Vorzugsweise ist die mindestens eine Messung der Anlage die Haubentemperatur.
In diesem Ausführungsbeispiel beinhaltet die Steuereinrichtung außerdem ein Kontrollsystem für freien Kalk, das angeordnet ist, um eine Sollwerteingabe für den Gehalt des Klinkers an freiem Kalk und eine Eingabe, die die tatsächliche Menge des freien Kalks anzeigt, der in dem von der Brennofenanlage erzeugten Klinkers vorhandenen ist, zu empfangen, wobei das Kontrollsystem für freien Kalk weiterhin daran angepasst ist, den Sollwert für den Gehalt an freiem Kalk und die Eingabe, die die tatsächliche Menge des vorhandenen freien Kalks anzeigt, zu vergleichen und, falls diese sich unterscheiden, ein Ausgangssig nal zu erzeugen, um einen oder mehrere der Betriebsparameter der Brennofenanlage direkt oder indirekt zu ändern, so dass die Menge des freien Kalks, der in dem von der Brennofenanlage erzeugten Klinkers vorhanden ist, im Wesentlichen gleich dem Sollwert für den Gehalt an freiem Kalk sein wird.
Der Sollwert für den freien Kalk kann von dem 3CaO·SiO₂-Kontrollsystem erhalten werden oder kann von einem Bediener des Kontrollsystems manuell eingegeben werden.
Der eine oder mehrere Betriebsparameter, der/die von dem Kontrollsystem für freien Kalk gesteuert wird/werden, unterscheidet(en) sich von dem einen oder mehreren Betriebsparameter(n), der/die von dem thermodynamischen Kontrollsystem gesteuert wird/werden.
Vorzugsweise ist der Betriebsparameter, der von dem Kontrollsystem für freien Kalk gesteuert wird, der Prozentsatz des Brennmaterials, der dem hinteren Teil des Brennofens zugeführt wird.
Die Erfindung erstreckt sich auch auf ein Verfahren zur Steuerung einer Brennofenanlage unter Verwendung des oben beschriebenen Kontrollsystems.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die 1 ist ein schematisches Blockdiagramm, das die grundlegende Anordnung einer Zementherstellungsanlage zeigt;
die 2 ist ein detaillierteres schematisches Blockdiagramm der Zementherstellungsanlage, das deren Brennofenanlage in weiteren Details zeigt;
die 3 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm, das die grundlegenden Schritte bei der Zementherstellung veranschaulicht;
die 4 ist ein Diagramm, das ein typisches Temperaturprofil längs der Brennofenanlage zeigt;
die 5 ist eine schematische Darstellung, die den Ursprung der verschiedenen überwachten Variablen veranschaulicht, die von dem Kontrollsystem verwendet werden;
die 6 ist eine Matrix, die das Verhältnis zwischen den Variablen veranschaulicht, die von dem Kontrollsystem verwendet werden;
die 7 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm des bestehenden Kontrollsystem eines Zementwerks, das verwendet wurde, um das erfindungsgemäße Verfahren und System zu testen;
die 8 ist eine vereinfachte schematische Darstellung, die die Integration des erfindungsgemäßen Kontrollsystems in das Kontrollsystem der 7 veranschaulicht;
die 9 ist ein schematisches Blockdiagramm, das ein erstes Ausführungsbeispiel der Regelkreisanordnung des erfindungsgemäßen Kontrollsystems zeigt;
die 10 ist ein schematisches Blockdiagramm, das das Verhältnis zwischen 3CaO·SiO₂ und freiem Kalk zeigt;
die 11 ist ein schematisches Blockdiagramm, das ein zweites Ausführungsbeispiel der Regelkreisanordnung des erfindungsgemäßen Kontrollsystems zeigt; und
die 12 ist ein schematisches Blockdiagramm, das ein drittes Ausführungsbeispiel der Regelkreisanordnung des erfindungsgemäßen Kontrollsystems zeigt.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Die 1 zeigt in der Form eines vereinfachten Blockdiagramms die grundlegende Anordnung einer Zementherstellungsanlage.
Der Kern des Zementwerks ist die Brennofenanlage, deren Haupteinrichtung der Brennofen selbst ist. Der Brennofen ist die primäre Prozesseinheit, in der Klinker hergestellt wird. Die Brennofenanlage umfasst den Brennofen, sowie eine Anzahl zusätzlicher vorgeschalteter und nachgeschalteter Prozesseinheiten. Die Anzahl dieser zusätzlichen Einheiten, die den Brennofen umgeben, hängt von dem Typ, dem Entwurf und dem Alter des Zementwerks ab. Die 2 zeigt eine typische Brennofenanlage 10, die einen Brennofen 12 und zugehörige Einrichtungen einschließt, die unten in weiteren Details beschrieben werden.
Zement wird hauptsächlich aus Klinker (> 75%) und anderen Bestandteilen, so wie Gips und verschiedenen anderen Streckmitteln, hergestellt. Die Zementfabrik verwendet als ihre Rohmaterial-Einspeisungen Kalkstein und verschiedene andere Mineralien, so wie Ton, Tonschiefer und Eisenoxid enthaltende Materialien. Die Einspeisungsmaterialien werden gebrochen, gesiebt, gemahlen und gemischt, um das Rohmehl zu bilden, das die hauptsächliche Zugabe zu der Brennofenanlage darstellt. Die Brennofenanlage erzeugte Klinker, der dann mit Gips und anderen Streckmitteln, so wie Schlacke, gemischt und gemahlen wird, um Zement herzustellen. Der Gesamtprozess ist in der 1 gezeigt. Das erfindungsgemäße Verfahren und System steuert nur die Brennofenanlage, d.h. die Umwandlung von Rohmehl in Klinker und nicht die gesamte Zementfabrik.
Das Verfahren, das das Rohmehl in der Brennofenanlage in Klinker umwandelt, wird „Brennen" oder Sintern genannt und ist im Wesentlichen ein vielstufiges Verfahren, das hauptsächlich heiße Luft verwendet, um die notwendigen chemischen und metallurgischen Umwandlungen in dem Rohmehl zu bewirken. Die meisten der Verfahrensumwandlungen finden in dem Brennofen 12 statt, der typischerweise ein langsam rotierendes Stahlrohr mit 3 bis 5 m im Durchmesser und mit einer Länge in dem Bereich von 50 bis 250 m und typischerweise in etwa 80 m ist. Das Rohr ist mit einem geringen Winkel aus der Horizontalen geneigt. Das Rohmehl bewegt sich auf Grund der Rotation des Rohrs durch den Brennofen, wodurch das Material sich in dem Brennofen auf Grund von dessen Neigung aus der Horizontalen langsam nach unten bewegt oder rutscht.
Bei älteren oder einfacheren Brennöfen finden alle Umwandlungen in dem Brennofen statt. In moderneren Anlagen findet der erste Teil des Verfahrens typischerweise in einer vorgeschalteten Einheit statt, die als Vorwärmer oder Vorkalzinator 14 bezeichnet wird, wo das Vorwärmen, Trocknen und die Kalzinierung stattfinden. Dieses Verfahren ist in der 3 gezeigt. Der eigentliche Klinkerbildungsprozess, sowie eine gewisse Kalzinierung finden dann in dem Brennofen statt. Das Ziel des Aufspaltens des Verfahrens in die Vorwärmer/Kalzinator-plus-Brennofen-Anordnung ist es, bessere Wärmeeffizienzen zu erreichen und weniger Wärme in die Abluft zu entlüften. Die Zementfabrik, bei der der Prototyp des erfindungsgemäßen Verfahrens und Systems angewendet wurden, verwendet einen Vorwärmer.
Die folgende Beschreibung bezieht sich auf den Prototyp der Brennofenanlage, und es wird bemerkt werden, dass verschiedene Änderungen erforderlich sein können, um die Erfindung bei einem Brennofen auszuführen, der auf andere Weise arbeitet.
Mit Bezug auf die 2 wird das Rohmehl, das als das Zufuhrmaterial zu dem Brennofen verwendet wird, durch das Mischen von Rohmaterialien von den Halden 30 in einer Dosieranlage 32 gewonnen, von wo aus diese einer Rohmühle 34 zugeführt werden, die das Rohmehl zerkleinert. Das Rohmehl wird in einem Rohmehlmischungs- oder -homogenisierungssilo 36 gelagert und mittels eines Rohmehl-Zuführförderers 38 in die Brennofenanlage 10 zu dem Vorwärmer/Vorkalzinator 14 zugeführt.
Im Allgemeinen und unabhängig von der physikalischen Anordnung der Brennofenanlage ist der erste Prozess das Trocknen und Erwärmen des Rohmehls auf in etwa 800°C bis 1000°C, wobei die gesamte Feuchtigkeit, sowohl die freie als auch die in dem Rohmehl enthaltene, ausgetrieben wird. Außerdem beginnen bestimmte chemische Reaktionen abzulaufen, wobei zum Beispiel das Kalziumkarbonat und gegebenenfalls Magnesiumkarbonat in dem Rohmehl in Kalzium- und Magnesiumoxide und Kohlendioxid, das mit den Gasen austritt, aufgespalten werden (als „Kalzinierung" bezeichnet). Die beteiligten Reaktionen sind endotherm. In dem Fall einer mit einem Vorwärmer ausgestatteten Anlage wird dieses kalzinierte oder teilweise kalzinierte Material dann an dem „Zufuhrende" in den Brennofen eingeführt. Dieses Material gleitet langsam in dem Brennofen nach unten auf eine Flamme zu, die an dem anderen Ende des Brennofens angeordnet ist, das als das „Verbrennungsende" bezeichnet wird. Dieses Verfahren kann auch in einem Vorkalzinator stattfinden, der parallel zu den Vorwärmern angeordnet ist.
Während die Temperatur zunimmt, beginnen das Aluminiumoxid und die Eisenoxide in dem Material mit dem Kalziumoxid zu reagieren, um Calciumaluminate, hauptsächlich C₃A, und Calciumalumoferrite, typischerweise C₄AF, zu bilden. Diese Materialien besitzen einen relativ niedrigen Schmelzpunkt und bilden eine Schmelze oder Flüssigkeit in der Materialmischung, die als ein Fluss bezeichnet werden. Die Anwesenheit dieser Schmelze trägt dazu bei, die festen Kalziumoxidpartikel und die festen Siliciumdioxid- und Silikatpartikel zusammenzubringen, um sie zur Reaktion zu bringen, um Kalziumsilikate zu bilden. Anfänglich wird das gesamte Siliciumdioxid zu Di-Calciumsilikat (2CaO·SiO₂) und zu Tri-Calciumsilikat (3CaO·SiO₂) umgewandelt. Dieser Prozess ist in erster Linie ein exothermer Prozess.
Die abschließenden Silikatreaktionen finden in der Verbrennungszone des Brennofens statt, wo sich die Flamme befindet und wo die Temperaturen in etwa 1400–1500°C betragen. Die Reaktionen finden statt, wobei das Material in einer teilweise geschmolzenen Form vorliegt, was zuweilen als Sintern bezeichnet wird.
Der Klinker, der den Brennofen verlässt, ist sehr heiß, in etwa 1300°C, und muss auf Umgebungstemperatur abgekühlt werden. Dies wird in einer Kühlereinheit 16 durchgeführt, die einen oder mehrere Lüfter 18 verwendet, und die dem Brennofen nachgeschaltet ist. Der Kühler in der Prototypanlage war ein Rostkühler. Verschiedene andere Typen von Kühlern können verwendet werden, zum Beispiel. Planetenkühler. Planetenkühler besitzen keine separaten Lüfter wie die Rostkühler.
Das Beheizen des Brennofens wird durch Einspeisen von Kohle oder von anderen Brennmaterialien (z.B. Öl, Reifen, Gas, Abfallmaterialien) in den Brennofen und nachfolgendes Entzünden dieses Brennmaterials, um Hitze aus einer langen Flamme zu erzeugen, durchgeführt. Das Entzünden des Brennmaterials wird selbstunterhaltend, sobald der Brennofen eine ausreichend hohe Temperatur erreicht hat. Das Einspeisen von Brennmaterial kann an beiden Enden des Brennofens erfolgen, aber der Hauptort der Kohle-(Brennmaterial)Einspeisung ist an dem „Verbrennungsende" des Brennofens. Um den Verbrennungsvorgang am Laufen zu halten, muss Luft durch den Brennofen gesaugt werden, um Sauerstoff bereitzustellen. Dies wird mittels eines Haupt-Gebläserads in Form eines Induktions-Durchzuglüfters („induced draft fan" ID-Lüfters) 20 bewirkt, der über Leitungen und Rohre mit dem Brennofen verbunden ist. Falls ein Vorwärmer oder Vorkalzinator verwendet wird, sind diese Einheiten zwischen dem ID-Lüfter und dem Brennofen angeordnet, so dass die Luft durch den Brennofen, dann den Vorwärmer/Vorkalzinator und schließlich durch den ID-Lüfter selbst gesogen wird. Nach dem Austritt aus dem ID-Lüfter wird die Luft durch ein Entstaubungssystem, so wie einen Elektrofilter 22, geführt und dann über einen Kamin 24 in die Atmosphäre entlüftet.
Die in den Brennofen gesogene Luft stammt aus zwei Hauptquellen, der Primärluft, die Luft ist, die durch einen Primärlüfter 26 eingespeist wird, während die Kohle aus der Kohleanlage 28 pneumatisch gefördert und in den Brennofen eingespeist wird, und der Sekundärluft, die von dem Kühler 16 angesogen wird. Die Luft aus dem Kühler ist wegen des Wärmeaustauschprozesses heiß, der zwischen dem heißen Klinker, der in den Kühler zugeführt wird, und der kühleren Luft (Umgebungstemperatur), die in den Kühler gesogen oder geblasen wird, stattfindet.
Der Kühler kann verschiedene Formen annehmen, aber der Kühler, der für das Testen der vorliegenden Erfindung verwendet wurde, war ein Rostkühler, der eine Anzahl von Lüftern besitzt, die Umgebungsluft in den Kühler pumpen.
Es wird auf Grund der obigen Beschreibung verstanden werden, dass in der Brennofenanlage ein Gegenstrom-Luftstrom zu dem Materialstrom stattfindet. Der Luftstrom ist somit wie folgt: Luft tritt in den Kühler ein, die von dem heißen Klinker erwärmt wird, der den Brennofen verlässt. Diese erwärmte Luft, „Sekundärluft" genannt, wird dann in das Verbrennungsende des Brennofens eingeleitet, wo sie den Beheizungs- und Verbrennungsprozess in dem Brennofen unterstützt. Diese erwärmte Luft wird heißer und verlässt dann den Brennofen, wo sie, falls ein Vorwärmer oder Vorkalzinator verwendet wird, in diese Einheiten eingeleitet wird, um darin den Kalzinierungs- und Trocknungsprozess zu beeinflussen.
Die heiße Luft, die den Brennofen verlässt, wird in dem Vorwärmer und/oder Vorkalzinator verwendet, um das Rohmehl zu vorkalzinieren, zu erwärmen und zu trocknen, wobei durch den Wärmeaustauschprozess in dem Vorwärmer die Luft zunehmend kühler wird. Die Luft verlässt den Vorwärmer mit in etwa 300°C. Diese austretende Luft wird dann möglicherweise anderenorts in der Anlage verwendet, um Material in dem Rohmehl oder den Kohleanlagen zu trocknen, bevor sie schließlich in ein Entstaubungssystem eingeleitet und dann in die Atmosphäre entlüftet wird. Bei Anlagen ohne Vorwärmer oder Vorkalzinatoren werden Wärmeaustauscher in Form von Kreuzen/Ketten/Nocken, die gewöhnlich die Form von Stahlplatten oder Stahlketten aufweisen, die auf der Innenseite des Zufuhrendes des Brennofens angebracht sind, verwendet, um diesen Wärmeaustausch durchzuführen. Diese austretende Luft tritt auch mit in etwa 300°C aus, bevor sie in das Entstaubungssystem eingeleitet wird.
Im Allgemeinen steuern Bediener die Brennofenanlage, indem sie das Verhalten einer Anzahl von Einrichtungseinheiten oder -teilen in der Anlage in Antwort auf die Zustände der Anlage anpassen. Die Kenntnis der Zustände der Anlage wird von den Bedienern aus Informationen geschlossen, die von dem Anlagenüberwachungs-, -steuerungs- und -datenerfassungssystem (SCADA), dem verteilten Steuerungssystem (DCS) oder anderen Formen der elektrischen Instrumentenausrüstung angezeigt werden.
Die Informationen werden von verschiedenen Sensoren, die in der ganzen Anlage installiert sind, in das SCADA-System eingeleitet. Diese Sensoren liefern Informationen über den Zustand verschiedener Einrichtungsteile, sowie über den Zustand der ablaufenden Pro zesse liefert. Das SCADA-System liefert liefert einen Blick oder ein „Fenster" in die Brennofenanlage, indem es Daten in der Form von Symbolen, Tabellen, Diagrammen oder graphischen Darstellungen angezeigt. Das SCADA-System stellt auch die Mittel bereit, mit denen die Bediener die verschiedenen Einrichtungen ändern oder steuern, indem sie Einrichtungen an- oder ausschalten, Abläufe beginnen oder beenden oder Sollwerte für verschiedene Einrichtungsteile bereitstellen.
Die Bediener müssen eine Anzahl von Steuerungsaufgaben ausführen, dies sind die Steuerung der Anlage unter einem mechanischen und Sicherheits-Gesichtspunkt, sowie die Steuerung der Anlage im Hinblick auf die Produktion und die Qualität.
Es wird jedoch erkannt werden, dass die verschiedenen Wärmequellen in dem Brennofen, nämlich aus der in der Brennofenhaube befindlichen Flamme, aus exothermen chemischen Reaktionen und die aus dem Kühler rückgewonnene Wärme, die Steuerung der Thermodynamik des Brennofens sehr schwierig machen.
Die thermodynamische Steuerung der Brennofenanlage ist die Steuerung der Brennofenanlage mit dem Ziel, die effiziente Produktion und die Qualität des Klinkers, wie oben beschrieben, aufrecht zu erhalten. Somit ist es die Hauptaufgabe der thermodynamischen Steuerung, kontinuierlich Klinker zu produzieren, der den Qualitätsanforderungen entspricht, und gleichzeitig die Produktionskosten durch die Minimierung des Brennmaterialverbrauchs und von mechanischen Belastungen der Anlage, insbesondere der Ofenausmauerung des Brennofens, zu minimieren. Dieser Zweck wird erreicht, indem der thermodynamische Zustand der Brennofenanlage gesteuert wird. Die Brennofenanlage schließt den Kühler, den Brennofen, den Vorwärmer und, falls vorhanden, den Vorkalzinator ein. Wenn das thermodynamische Kontrollsystem den thermodynamischen Zustand oder das thermodynamische Profil der Brennofenanlage steuert, können andere, höherrangige Ziele des Gesamtkontrollsystems erreicht werden, d.h. die Qualität des Klinkers kann gesteuert werden.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft deshalb die Bereitstellung von Steuereinrichtungen für die Steuerung der Thermodynamik der Brennofenanlage.
Die thermodynamische Steuerung der Brennofenanlage erfolgt, indem die Zustände der Anlage mittels Sensormessungen beobachtet werden und dann das Verhalten der Einheiten der Anlage angepasst wird, um die korrekten thermodynamischen Bedingungen aufrecht zu erhalten, um wiederum den korrekten Kalzinierungs- und Klinkerbildungsprozess zu bewirken. Gleichzeitig muss eine maximale Produktion aufrecht erhalten werden und die verschiedenen Kosten minimiert werden.
Die direkteste Anzeige des thermodynamischen Zustands der Brennofenanlage ist das Temperaturprofil entlang der Brennofenanlage, das den Brennofen und die dem Brennofen vorgeschalteten und nachgeschalteten Einheiten, d.h. den Kühler, die Vorwärmer und Vorkalzinatoren, einschließt. Dieses Temperaturprofil kann von einer Einzelpunkt- bis zu einer Mehrpunktanzeige des Profils reichen. Ein vereinfachtes Temperaturprofil (nicht maßstabsgetreu) ist in der 4 veranschaulicht.
Es gibt im Allgemeinen zu viele Faktoren, die ein Bediener jederzeit in Betracht ziehen muss, wenn er versucht, die Brennofenanlage manuell zu steuern, und deshalb ist es einfach nicht möglich, die Optimierung manuell zu erreichen. Letztendlich wird eine gewisser annehmbarer Betriebszustand im Beharrungszustand erreicht, wobei der Brennofen in Bezug auf Durchsatz und Qualität angemessen funktioniert. Soweit zu dem derzeitigen Standard des Brennofenbetriebs, der auf einer manuellen oder teilautomatisierten Steuerung beruht.
Die Schwierigkeit bei der manuellen Steuerung beruht zum Teil auf der Schwierigkeit festzustellen, was innerhalb des Brennofens sowohl in prozessualer als auch in metallurgischer Hinsicht passiert. Dies ist ein allgemeines Problem, das besonders bei Hochtemperatursystemen hervortritt, bei denen keine direkte, kontinuierliche, industrielle Temperaturmessung existiert. Dies schließt nicht nur die tatsächlichen thermodynamischen Bedingungen ein, sondern auch die tatsächlichen metallurgischen und physikalischen Zustände des Materials ein, das in Klinker umgewandelt wird, sowie den Zustand der Beschichtung, die an den feuerfesten Bausteinen des Brennofens haftet. Es wird gegenwärtig angenommen, dass die Instrumentierung rings um den Brennofen ausreicht, um gültige und korrekte Annahmen über die thermodynamischen und Klinkerherstellungsprozesse in dem Brennofen machen zu können.
Außerdem sind Labormessungen im Allgemeinen arbeitsaufwendig, und diese Qualitätsmessungen sind nur nach in etwa einer Stunde verfügbar, nachdem die Probe entnommen wurde. Bei der Anlage, die verwendet wurde, um die Erfindung zu testen, ist die Probenentnahme und der größte Teil der Analyse automatisiert, zusätzlich zu der manuellen Probenentnahme und Analyse. Die Laboranalyse wird auch an dem Rohmehl, das dem Brennofen zugeführt wird, sowie an der Kohle, die zum Heizen verwendet wird, durchgeführt.
Wiederum sind diese Messungen einige Zeit, nachdem die Proben entnommen wurde, verfügbar.
Außerdem benötigt auch die Änderung der thermodynamischen Bedingungen in dem Brennofen, um die Ursache des Problems auszugleichen, Zeit. Dies wird durch die Tatsache verschlimmert, dass die Ergebnisse einiger der Steuerungsmaßnahmen Sekunden benötigen, um sich zu manifestieren, aber in anderen Fällen 20 Minuten bis zu einer Stunde benötigen. Insbesondere manifestieren sich Änderungen des Gas- oder Luftzustands des Brennofens relativ schnell (in der Größenordnung von Sekunden), wogegen Änderungen des thermodynamischen oder Temperaturzustands sich relativ langsam manifestieren (in der Größenordnung von Minuten) und Änderungen der Qualität oder des metallurgischen Zustands, d.h. von freiem Kalk und 3CaO·SoO₂, sich noch langsamer manifestieren (in der Größenordnung von einer Stunde).
Dies wird weiter durch die Tatsache verschlimmert, dass es eine Verzögerung gibt, bevor eine Temperaturänderung in einem Teil des Systems, z.B. dem Kühler oder Brennofen, eine Auswirkung hat, die in dem Vorwärmer bemerkt wird, und umgekehrt. Außerdem gibt es intrinsische Verzögerungen, die durch den Fluss des Materials in dem Brennofen und dem Kühler verursacht werden.
Die Zeitverzögerungen verkomplizieren somit die Steuerung der Brennofenanlage weiter, weil die Bediener dazu neigen, Maßnahmen zum Ausgleichen von Störungen zu spät zu ergreifen.
Der Brennofen unterliegt einer Anzahl von bedeutenden Störungen während des Betriebs. Diese Störungen schließen ein:

(1) das „Schüren", wobei Inspektionstüren in dem Aufstiegsrohr des Zufuhrendes auf dem Boden des Vorwärmers oder in anderen Teilen des Vorwärmers geöffnet werden und kalte Luft- und/oder Wasserstrahlen verwendet werden, um einen pneumatischen oder thermischen Schock auf Ablagerungen und Anhäufungen von Material auszuüben, die beseitigt werden müssen, um einen kontinuierlichen und ungehemmten Fluss von teilweise kalziniertem Material aus den Vorwärmern in den Brennofen zu ermöglichen.
(2) den „Abfall des Belags", wobei ein Teil des Klinkerbelags in dem Brennofen von der inneren Auskleidung oder den feuerfesten Bausteinen des Brennofens abfällt, was zu einer unerwarteten Zunahme des Flusses von sehr heißem Material in den Brennofen führt.

Diese beiden Arten von Störungen verursachen große thermische Störungen in der gesamten Brennofenanlage und sind manuell sehr schwer zu steuern. Sie führen deshalb gewöhnlich dazu, dass eine große Menge von Material erzeugt wird, das den Anforderungen nicht genügt, sowie zu thermodynamischen Störungen, die bis zu einigen Stunden andauern können.
Es wird somit verständlich, dass alle oben genannten Faktoren zusammengenommen die effiziente Steuerung des Brennofens manuell oder unter Verwendung der derzeit verfügbaren teilautomatisierten Kontrollsysteme sehr schwierig erreichbar machen.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wurde ein neuer Typ von Kontrollsystem ausgeführt, der sich auf die Steuerung der Thermodynamik des Brennofens konzentriert, um die Qualität und den Durchsatz des Brennofens effizient zu steuern.
Unter nochmaliger Bezugnahme auf die 4 wird das Temperaturprofil entlang des Brennofens durch Temperatursensoren bestimmt, die idealerweise in Intervallen von dem Kühler bis zu dem Vorwärmer längs der physikalischen Länge der Brennofenanlage angeordnet sind. Die Sensoren werden typischerweise Thermoelemente sein, aber sie können ein beliebiger anderer Typ von Thermosensor sein, so wie Pyrometer.
Die gemessene Temperatur kann auch abgeleitet werden, indem z.B. eine Mittelwerts- oder eine andere Art von mathematisch abgeleiteter oder gefilterter Temperatur verwendet wird, die den thermodynamischen Zustand des Brennofens in der Nähe der Brennofenhaube oder wo immer die Messung durchgeführt wird, anzeigt.
Es ist zu bevorzugen, mehrere Sensoren verfügbar zu haben, um ein präziseres Temperaturprofil bereitzustellen. Falls jedoch das genaue Temperaturprofil oder -verlauf unbekannt ist, kann die Steuerung des Brennofens auf die Anzahl der verfügbaren thermodynamischen Steuermittel begrenzt werden.
Wenn nur ein Sensor verwendet wird, wird dieser Sensor die Haubentemperatur in dem Brennofen messen, die die wichtigste Temperaturmessung darstellt. Jedoch beträgt die bevorzugte Anzahl von Sensoren mindestens zwei, die zwei Freiheitsgraden bezüglich der Steuerung des Temperaturprofils ermöglichen. Für ein Temperaturprofil mit zwei Punkten ist eine weitere Temperaturmessung an dem Zufuhrende der Brennofenanlage erforderlich, so wie dem hinteren Ende oder Zufuhrende des Brennofens. Falls ein Vorwärmersystem vorhanden ist, kann ein Sensor an irgendeinem Punkt in dem Vorwärmersystem oder an dem oberen Ende des Vorwärmers angeordnet sein.
Um die thermodynamische Steuerung der Anlage zu erreichen, müssen die Energiequellen und die -austrittspforten innerhalb der Anlage gesteuert werden, damit es ein optimales Wärmegleichgewicht innerhalb des Brennofens gibt, das wiederum die minimale Energiemenge benötigt, um eine korrekte Klinkerproduktion durchzuführen, die den minimalen Qualitätsanforderungen entspricht. Somit wird die Energiezufuhr durch Kohlezuführung minimiert, die Wiedergewinnung von sekundärer Wärme aus den Kühlern wird maximiert und – mit einem Rostkühler – wird eine minimale Energie- oder Wärmemenge aus dem hinteren Ende des Kühlers durch den ID-Lüfter des Kühlers in die Atmosphäre entlüftet.
Das Wärme- und somit Temperaturprofil in der Brennofenanlage wird erfindungsgemäß gesteuert, indem ein thermodynamisches Kontrollsystem mit mehreren Variablen verwendet wird, das eine Anzahl von kontrollierten Variablen, sowie eine Anzahl von manipulierten Variablen aufweist. Die kontrollierten Variablen sind für gewöhnlich eine Anzahl von Prozessvariablen, die Informationen und Kenntnisse über den Zustand des Brennofens liefern.
In dem Prototypsystem wurde ein thermodynamisches Kontrollsystem als eine 6 × 5-Steuermatrix ausgeführt, d.h. 6 × 5 Einzeleingabe-Einzelausgangssignal-(SISO)Steuerpaare, wobei jedes Paar oder Matrixelement aus einer kontrollierten Variable (CV) 52 und einer manipulierten oder Störvariable (MV oder DV) 53 besteht. Die 5 zeigt schematisch den Ursprung der relevanten Variablen. Die Steuermatrix ist in der 6 veranschaulicht.
Die in der Testanlage konfigurierten, kontrollierten und manipulierten Variablen waren:
Kontrollierte Variablen (CVs)

1. Die Haubentemperatur (THaube). Die Haubentemperatur wird nahe dem Verbrennungsende des Brennofens gemessen und zeigt die Temperatur der Luft etc. nahe dem Verbrennungsende des Brennofens an. Diese Temperatur kann der exakte gemessene Wert sein oder kann ein Wert sein, der von einer Anzahl von Temperatursensoren abgeleitet wurde, die die gleiche oder eine ähnliche Temperaturinformation liefern. Während des normalen Betriebs beträgt diese Temperatur gewöhnlich zwischen 800°C bis 1200°C, typischerweise 1120°C.
2. Eine Temperatur am hinteren Ende (Thinten). Diese Temperatur wird nahe dem Zufuhrende des Brennofens oder an einem Punkt in der Brennofenanlage gemessen, der die Temperatur der austretenden Luft aus der Brennofenanlage anzeigt, und der somit die Qualität des Wärmetransfers anzeigt, der innerhalb der Brennofenanlage stattgefunden hat. Für die versuchsgegenständliche Anlage ist dies optimalerweise die Temperatur am oberen Ende des Vorwärmers, weil die Wahl der Messung nahe dem Zufuhrende des Brennofens den Wärmetransfer unbeachtet lässt, der in dem Vorwärmer oder Vorkalzinator stattfindet. Diese Messung kann wiederum eine von einer Anzahl anderer Temperaturmessungen abgeleitete Messung sein. Während des normalen Betriebs beträgt dieser Wert zwischen 250°C bis 350°C, typischerweise 305°C.
3. O₂ (%). Dies ist eine Messung der Sauerstoffkonzentration in dem Brennofen, die den Verbrennungsprozess in dem Brennofen anzeigt. Während des normalen Betriebs beträgt der Wert zwischen 2 bis 5%, typischerweise 4%.
4. NOX (ppm). Dies ist die Konzentration von NOX in der Luft, die aus dem Brennofen austritt und das in der Flamme erzeugt wird, und zeigt somit die Flammentemperatur an. Dieser Messwert könnte zwischen 300 bis 2000 ppm betragen und beträgt typischerweise 700 ppm. Auf Grund von Problemen mit der Kalibrierung ist der relative Wert dieser Messung wichtiger als ihr absoluter Wert.
5. CO (%). Dies ist die Konzentration von Kohlenmonoxid oder CO in der austretenden Luft aus dem Brennofen. Ein typischer Wert beträgt in etwa 0,03%. Diese kontrollierte Variable ist sehr wichtig, da, wenn sie zu hoch ist, eine Explosionsgefahr in dem Filter bestehen kann, und deshalb muss diese CV sehr sorgfältig überwacht werden.

Es wird in Betracht gezogen, dass die SOX-Konzentration ebenfalls als eine kontrollierte Variable verwenden werden könnte.
Manipulierte Variablen (MV) oder Störvariablen (DV)

6. Gesamt-Kohlefluss (Cges). Dies ist der gesamte Massenfluss der Kohle, die von sowohl dem Verbrennungsende als auch dem Zufuhrende in den Brennofen eingepumpt wird, typischerweise 10 bis 12 Tonnen pro Stunde (tph) bei der versuchsgegenständlichen Brennofenanlage.
7. % Kohle zum hinteren Teil (%Chinten). Dies ist der Prozentsatz der Gesamtkohle, die in das Zufuhr- oder hintere Ende des Brennofens eingepumpt wird. Der Prozentsatz beträgt in dem Bereich von 5 bis 15%, typischerweise 12%, und hängt von dem Typ des Brennofens ab.
8. Brennofengeschwindigkeit (Ges). Die Rotationsgeschwindigkeit des Brennofens beträgt von 1 bis 3 upm, typischerweise 1,6 upm. Die Brennofenzufuhr oder Rohmehlzufuhr ist an die Brennofengeschwindigkeit gekoppelt und beträgt typischerweise in dem Bereich von 50 bis 400 Tonnen/Std oder mehr.
9. Rostgeschwindigkeit (Rost). Die Rostgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit des ersten Rostmotors auf dem Rostkühler. Sie wird als ein Prozentsatz der maximalen Rostgeschwindigkeit ausgedrückt.
10. Kühlerluftstrom (LüftC). Ein abgeleiteter Luftstromwert, der in m³/Std gemessen wird, der entweder die Summe oder der Mittelwert einer Anzahl von Luftstrom-Lüftersystemen sein könnte, die Luft in den Kühler pumpen. Der Wert für die versuchsgegenständliche Anlage ist der Gesamtwert von drei Luftlüfter-Flussraten, die sich alle unter PID-Steuerung befinden. Sollte die PID-Steuerung eines beliebigen entfallen, so kann das System angepasst werden, um diesen Lüfter nicht zu beachten und einen beliebigen der anderen zu verwenden. Diese Luftströme sind drei von in etwa 20 Lüftern, die in dem Kühler angeordnet sind, und werden von dem Personal der Anlage als die bedeutendsten im Hinblick auf die Kühlung angesehen.
11. ID-Lüftergeschwindigkeit (LüftID). Relative Geschwindigkeit des ID-Lüfters im Vergleich zu seiner Maximalgeschwindigkeit. Der ID-Lüfter ist normalerweise ein Lüfter mit veränderlicher Geschwindigkeit. Sollte der ID-Lüfter nicht ein Lüfter mit veränderlicher Geschwindigkeit sein, dann kann die Dämpfungsposition des Dämpfers des ID-Lüfters verwendet werden, d.h. diese Variable muss irgendetwas sein, das eine direkte Steuerung der Menge der in den Brennofen gesogenen Luft ermöglicht.

Die MVs und CVs sind nicht notwendigerweise auf das oben Gesagte beschränkt und können erweitert oder einschränkt werden. Zum Beispiel gibt es bei einigen Brennöfen keine Feuerung an dem hinteren Ende, und einige Anlagen besitzen einen ID-Lüfter mit einer festen Geschwindigkeit, so dass die Dämpfereinstellung des ID-Lüfters verwendet wird. Ein weiteres Beispiel, bei dem eine Auswahl verwendet wird, ist, wenn bei der Anlage nicht alle Gasanalysatoren zur Verfügung stehen. Wenn zum Beispiel die NOX-Angabe nicht verfügbar ist, können die mit dieser zusamenhängenden Steuerzellen durch Ausschalten dieser Zellen „inaktiviert" werden, so dass diese CV wirksam aus den verschiedenen Optimierungsgleichungen eliminiert wird, die gelöst werden. Dies kann durchgeführt werden, indem die Gewichtungsfaktoren für NOX auf Null gesetzt werden.
Der Inhalt jeder Zellmatrix in der 6 ist eine mathematische Beschreibung der Wechselwirkung jeder CV mit der entsprechenden MV oder DV, z.B. wie die Haubentemperatur auf eine Änderung der Gesamtkohlezufuhr antworten wird. Diese Beschreibungen sind gegenwärtig Zeit-basierte Beschreibungen und werden entweder anhand von Grundprinzipien oder automatisch unter Verwendung des Kontrollsystem oder eines anderen offline-Werkzeugsatzes (-„toolkits") abgeleitet, wobei die charakteristische Antwort automatisch von Daten abgeleitet wird, die von der Anlage gewonnen wurden. Es gibt andere Mittel, um die charakteristische Antwort einer bestimmten Variable auf eine andere zu spezifizieren, und dies könnte zum Beispiel in den „S-„ oder Häufigkeitsbereichen sein. Diese Antwortbeschreibungen sind typischerweise Antworten entweder erster oder zweiter Ordnung mit Zeitverzögerungen. Die Verstärkungen der Antworten werden entweder automatisch unter Verwendung des Werkzeugsatzes des Kontrollsystems abgeleitet, oder sie können manuell spezifiziert werden. Jede Zelle weist eine Zeit-Antwortkurve auf, wobei die Stärke der Antwort, d.h. der Startpunkt und der letztendliche Wert im Beharrungszustand, die Verstärkung darstellt.
Der Verstärkungswert jeder Zelle könnte konstant, linear oder sogar eine Funktion einer oder mehrerer anderer Variablen sein.
Jede der 5 kontrollierten Variablen steht in einem Verhältnis zu jeder der 6 manipulierten Variablen, was das Kontrollsystem zu einem Mehrvariablen-Kontrollsystem macht. Falls eine manipulierte Variable verändert wird, zum Beispiel die Gesamtkohle, wird dies eine Auswirkung auf jede der 5 CVs haben. Das Ziel des Kontrollsystems ist es, es zu ermöglichen, einen gewünschten Wert für eine Zielvariable aufzustellen und es dann dem Kontrollsystem zu erlauben, die manipulierten Variablen in solch einer Weise zu manipulieren, dass sie sich nicht von ihren Zielwerten entfernen oder innerhalb eines zulässigen Bereichs gehalten werden. Somit besitzen wir ein thermodynamisches Kontrollsystem, das als eine 6 × 5-Matrix von wechselwirkenden, manipulierten und kontrollierten Variablen konzipiert wurde.
Obwohl die oben genannte Matrix unter Verwendung einer Anzahl von Softwarepaketen ausgeführt werden könnte, wurde das Kontrollsystem in der Testeinrichtung unter Verwendung der Software „Process Perfecter" (Handelsmarke) von Pavilion Technologies ausgeführt.
Bei der Verwendung von Process Perfecter für das Mehrvariablen-, nicht-lineare Kontrollsystem muss die Matrix von 30 Verhältnissen definiert werden, damit das Kontrollsystem weiß, dass die kontrollierten Variablen in einer bekannten und spezifischen Weise antworten werden, falls eine manipulierte Variable sich in einer bestimmten Weise ändert. Dieses Verhältnis ist die Einzelausgangssignal-Einzeleingabe-Antwort der kontrollierten Variable auf die manipulierte Variable.
Um das Kontrollsystem in Betrieb zu setzen, muss ein Systemidentifizierungsverfahren durchgeführt werden, das die 30 Verhältnisse identifiziert. Es gibt zwei Wege, um diese Systemidentifizierung durchzuführen. Diese bestehen darin, die Identifizierung automatisch unter Verwendung des „Auto-Identifizierungs"-Moduls von Process Perfecter durchzuführen, oder Erfahrungen und Grundprinzipien zu verwenden, um die Verhältnisse abzuleiten. Diese Verhältnisse werden dann als eine Vielzahl von Antworten erster oder zweiter Ordnung spezifiziert. Falls kein Verhältnis zwischen einer manipulierten und einer kontrollierten Variable besteht, dann gilt, dass das Modell, das dieses Paar repräsentiert, Modell gleich Null ist. Die Verwendung von Anlagen-Stufentests kann ebenfalls eingesetzt werden, um Stufentestdaten zu erzeugen, die verwendet werden können, um die Verhältnisse durch ein beliebiges der oben genannten Mittel abzuleiten.
Diese Verhältnisse werden als ein Satz von Parametern angegeben, die als eine Zeitantwort graphisch aufgetragen werden können, wobei die x-Achse die Zeit und die y-Achse die Stärke der Antwort der kontrollierten Variable auf eine schrittweise Änderung der kontrollierten Variable ist. Das Modell für die Zeitantwort jedes manipulierte/kontrollierte-Variable-Paars wird durch eine Zeitantwort über ein bestimmtes Zeitintervall dargestellt, und es entspricht bei der tatsächlich verwendeten Anlage 110 Zeitintervallen, wobei jedes Intervall als 1 Minute ausgewählt wurde. Das Zeitintervall von 1 Minute wurde als ein Ergebnis einer Studie ausgewählt, in der die Zeitkonstanten in den Brennofenprozessen insgesamt beobachtet wurden, und die Bediener und Experten beobachteten, wie oft sie Änderungen bei dem Brennofen durchführen und wie schnell der Brennofen reagiert. Offensichtlicherweise konnte die Anzahl der Zeitintervalle und die Länge des Zeitintervalls gemäß Steuerungsanforderungen variiert werden, und die Prozesscharakterisierung des spezifischen Brennofens konnte automatisiert werden.
Außerdem können zu Zwecken der Vereinfachung die Variablen, die mit dem thermodynamischen Kontrollsystem in Zusammenhang stehen, konzeptionell in „Gas-" und „thermodynamische" Variablen aufgespalten werden.
Die Gaszustände oder -variablen beziehen sich auf die Gasdrücke, Luftströme, Lüftergeschwindigkeiten und die Gaszusammensetzung. Die thermodynamischen Zustände beziehen sich auf die Temperaturen und die mechanischen Zustände des Brennofens, die hauptsächlich durch die Temperaturen, Massenflüsse, die Brennofengeschwindigkeit und das Drehmoment des Brennofens angezeigt werden, das wiederum durch den Brennofen-Hauptantriebsstrom angezeigt wird. Der Grund für diese Einteilung ist, dass die Gasdynamiken schneller als die anderen thermodynamischen Antworten sind und somit ein Teil der Dynamiken in dieser Hinsicht leichter zu verstehen sind.
Alle Variablen sind im Effekt thermodynamische Variablen.
Der Brennofen-Hauptantriebsstrom ist auch ein Indikator des thermodynamischen Zustands und des Klinkerbildungsverfahrens innerhalb des Brennofens. Der Haupantriebsstrom ist proportional zu dem erforderlichen Drehmoment, um den Brennofen anzutreiben, das wiederum die Menge des Materials und des Klinkerbelags innerhalb des Brennofens anzeigt, und auch anzeigt, wie der Belag und die Beschichtung der Bausteine ringsum den inneren Brennofenmantel verteilt ist. Somit kann der Brennofen-Hauptantriebsstrom als eine Störvariable in dem thermodynamischen Kontrollsystem verwendet werden. In dem Prototypsystem wurde er in effektiver Weise als eine nicht gemessene Störung berücksichtigt, aber er kann auch als eine gemessene Störung berücksichtigt werden.
Die Verstärkungen der Antworten des Prototypen des thermodynamischen Kontrollsystems sind in der Verstärkungsmatrix zusammengefasst.
Die grauen Zellen zeigen an, dass für diese bestimmte Version des Kontrollsystems aus den folgenden Gründen kein Modell eingeschlossen wurde:

a) Die Kenntnisse und Erfahrungen, Stufenversuche, etc. haben gezeigt, dass kein Verhältnis zwischen der spezifischen kontrollierten und manipulierten Variable besteht, oder dass das Verhältnis so schwach ist, dass sein Auslassen keine merkliche Auswirkung auf den Betrieb des Brennofens hat.
b) Die Erfahrung und das Testen des Kontrollsystems hat gezeigt, dass es gegensätzliche Bewegungen gibt, die von dem Kontrollsystem ausgeführt werden, wenn das Modell in diesem Bereich aktiv ist, was somit ein Oszillieren oder Instabilitäten in dem geschlossenen Regelkreis der Brennofenanlage verursacht. Ein Beispiel ist die Verwendung sowohl des Gesamtkohleflusses als des ID-Lüfters, um die Haubentemperatur zu steuern.

Sobald diese elementaren Antworten der Matrix spezifiziert wurden, können sie verändert oder modifiziert werden, sobald weiteres Kenntnisse oder Information verfügbar werden, was zunehmende oder schrittweise Verbesserungen des Kontrollsystems erlaubt, wenn Erfahrungen gewonnen werden. Außerdem kann das Kontrollsystem bei Bedarf erweitert oder eingeschränkt werden. Zum Beispiel kann ein kleines Kontrollsystem (5 × 4) für eine Brennofenanlage abgeleitet werden, die einfache Planetenkühler verwendet. Falls die Anlage jedoch verändert wird, um Rostkühler zu verwenden, kann die Steuermatrix erweitert werden, um weitere CVs und MVs, soweit zutreffend, einzuschließen, zum Beispiel zu einer (6 × 4)-Matrix.
Es muss beachtet werden, dass die absoluten Werte der verschiedenen Variablen nicht so wichtig sind wie die relativen Werte der verschiedenen kontrollierten und manipulierten Variablen zueinander. Es ist deshalb wichtig, dass diese Variablen diese relativen Verstärkungen bewahren.
Bei dem Prototyp des Kontrollsystems wurde die Überwachung des Temperaturprofils unter Verwendung einer Temperaturangabe, die die Temperaturdynamik in der Nähe der Haube anzeigte, sowie einer Temperaturmessung durchgeführt, die die Temperatur entweder an dem Ende der Brennofenanlage oder irgendwo in der Mitte anzeigte. Wie aus der Steuermatrix entnommen werden kann, ist die in den Brennofen zugeführte Kohle oder das Brennmaterial das hauptsächliche „Mittel", das zur Steuerung des Temperaturprofils verwendet wird. Dies erfordert die Steuerung des Massenflusses der Kohle, die dem Verbrennungsende des Brennofens zugeführt wird.
Die Steuerung des Verbrennungsprozesses in dem Brennofen wird mittels Überwachung der O₂-, CO- und NOX-Gaszustände des Brennofens durchgeführt. Die O₂- und CO-Konzentrationen geben einen Hinweis, wie gut der Verbrennungsprozess abläuft. Falls das CO zu hoch ist, bedeutet dies, dass es möglicherweise nicht genug O₂ gibt, etc.. Das NOX zeigt die tatsächliche Flammentemperatur an, und diese könnte auch durch ein Pyrometer in dem Zuführende des Brennofens, sowie durch die tatsächliche Haubentemperatur selbst angezeigt werden. In einigen Fällen können die Sensorinstrumente nicht verfügbar sein, und deshalb wird das Kontrollsystem während der Laufzeit so eingestellt oder konfiguriert, dass es die entsprechende Angabe ignoriert und die entsprechende Gas-CV nicht berücksichtigt wird.
Das Hauptmittel zur Steuerung des Verbrennungsprozesses ist die Steuerung der Luftmenge, die durch den Brennofen gesaugt wird. Dies wird hauptsächlich durch die Steuerung des ID-Lüfters bewirkt, was in dem Fall, dass es sich um einen Lüfter mit veränderlicher Geschwindigkeit handelt, durch die Steuerung seiner Geschwindigkeit bewirkt wird. Gewöhnlich gibt es Ventile oder Dämpfer entweder stromaufwärts oder stromabwärts des ID-Lüfters, und diese können auch verwendet werden, um den Brennofen-Luftstrom zu steuern. Diese Dämpfer müssen verwendet werden, falls der ID-Lüfter kein Lüfter mit veränderlicher Geschwindigkeit, sondern ein Lüfter mit einer festen Geschwindigkeit ist.
Die Rostgeschwindigkeit wird angepasst, um die Stärke des heißen Klinkers auf dem Rost und somit die Luftmenge und den Grad des Wärmetransfers, der zwischen der Kühlluft und dem heißen Klinker stattfindet, zu ändern. Dies wird eine bedeutende Auswirkung auf das Temperaturprofil des Brennofens haben.
Ein Rostkühler besitzt mindestens eine (typischerweise zwei) wichtige zugehörige manipulierte Variablen (MV), die verwendet wird/werden, um den Sekundärluftstrom von dem Kühler zu dem Brennofen zu steuern. Diese MV wird hauptsächlich als ein Mittel zum Kühlen des Brennofens verwendet, wogegen die Kohle primär als ein Mittel zum Beheizen verwendet wird.
Der Luftstrom kann auch durch Variieren der Primärluft, die in den Brennofen eingeleitet wird, gesteuert werden, die ein Teil des Kohlefeuerungssystems sein kann, da die Kohle gewöhnlich auf pneumatische Weise in den Brennofen eingeführt wird. Alternativ kann diese Primärluftzufuhr von dem pneumatischen System des Brennofens selbst getrennt sein. Jedoch wird dieser Luftstrom im allgemeinen nicht verwendet, weil sein Beitrag zu dem Gesamtluftstrom nahezu unbedeutend sein kann.
Die oben genannte Steuerung des Kühlers wird in Abhängigkeit von dem jeweiligen Kühler und dem Kontrollsystem, das mit dem Kühler bereitgestellt werden kann, verändert. Somit ist die Steuerung anderen unabhängigen Regelkreisen übergeordnet, die in dem Kühler aktiv sind, so wie diejenigen, die die Drucksteuerung ausüben, und durch ihre Tätigkeit verschiedene Luftzonen oder -taschen innerhalb des Kühlers selbst erzeugen.
Die Brennofengeschwindigkeit ist über das Kontrollsystem der Anlage direkt an die Rohmehl-Zufuhrrate gekoppelt. Diese Kopplung stellt ein direkt wirkendes Kontrollsystem dar, das es dem Bediener erlaubt, eine Produktionsrate auszuwählen, wobei das Kontrollsystem dann automatisch das korrekte Verhältnis der Brennofengeschwindigkeit zu der Rohmehl-Zufuhrrate auswählen wird, um eine korrekte Steuerung der Schichtdicke in dem Brennofen zu ermöglichen. Die Schichtdicke oder der Materialpegel in dem Brennofen besitzt einen optimalen Pegel für die korrekte und optimale Klinkerherstellung.
Bei der Testanlage wurde die Brennofengeschwindigkeit als eine Störvariable (DV) konfiguriert, die von dem Bediener unabhängig eingestellt wird, um bestimmte Produktionsziele zu erreichen, und die das Brennofen-Kontrollsystem wegen der bestehenden Kreuzkopplungen in der Steuermatrix, die die Brennofengeschwindigkeit mit verschiedenen anderen kontrollierten und manipulierten Variablen verbinden, automatisch berücksichtigt. Dies ermöglicht es dem Bediener, die Produktion zu beschleunigen und das System automatisch die resultierenden thermodynamischen Ungleichgewichte berücksichtigen zu lassen, die sich aus der Zunahme oder Abnahme der Brennofengeschwindigkeit ergeben.
Bei einer Abwandlung des Steuerschemas könnten die Brennofengeschwindigkeit und die Zufuhrrate entkoppelt und als getrennte MVs behandelt werden.
Wie dem oben Gesagten entnommen werden kann, besteht das primäre Mittel der thermodynamischen Steuerung des Brennofens in der Anpassung der folgenden Einrichtungen und Einstellungen: der ID-Lüftergeschwindigkeit, der Geschwindigkeit des Brennofens, der Flussrate der Kohle, die an beiden Enden in den Brennofen zugeführt wird, und im Fall nur bestimmter Kühler der Geschwindigkeit der Kühler und der Luftmassen-Flussrate in den Kühler. Es gibt andere Einrichtungen, die verwendet werden können, aber diese hängen von dem tatsächlichen physikalischen Entwurf der Anlage ab, und sie sind gewöhnlich auf einen bestimmten feststehenden Zustand eingestellt und werden in einer konstanten Weise betrieben.
Die meisten Brennofenanlagen besitzen heutzutage eine Anzahl von Grundpegel-Kontrollsystemen, die eine gewisse Form einer automatischen Steuerung durchführen. Diese Grundpegel-Kontrollsysteme basieren auf industriellen, vorgefertigten Standardkontrollsystemen, die PID-(proportional-, Integral- und Ableitungs-)Kontrollsysteme ausführen. Insbesondere in der versuchsgegenständlichen Anlage stellen diese Kontrollsysteme im allgemeinen sicher, dass:
die Gewichts-Zufuhreinrichtungen gemäß gewünschten Sollwerten zuführen;
der Brennofen und die ID-Lüfter eine gewünschte Geschwindigkeit einhalten;
die Kühlerlüfter die korrekte Menge an Luft für einen gegebenen Sollwert liefern. (Es gibt in etwa 20 PIDs in dem Kühler der versuchsgegenständlichen Einrichtung);
der Haubendruck des Brennofens bei einem gegebenen Wert gehalten wird. Dies wird durch das Anpassen der Geschwindigkeit des Kühler-Abluftlüfters bewirkt; und
die Kühlergeschwindigkeit stets den Zielwerten entspricht.
Alle Sollwerte für diese PID-Kontrollsysteme werden gewöhnlich von dem Bediener eingestellt und kontinuierlich von dem Bediener in Übereinstimmung mit den Produktionszielen angepasst.
Um das thermodynamische Kontrollsystem in die Anlage zu integrieren und es zu betreiben, muss es mit allen relevanten Variablen der Anlage versorgt werden und muss auch fähig sein, variable Steueranweisungen zurück an die Anlage zu senden. Das Kontrollsystem ist somit über die Steuerungssysteme der Anlage mit der Anlage verbunden, die im vorliegenden Fall auf dem „KICS" (wissensbasiertes und intelligentes Steuerungssystem) genannten Steuerprodukt basieren, das von Business Execution Systems and Technology (SA) produziert wird, das wiederum auf dem Echtzeit-Expertensystem „G2" von Gensym Corporation basiert. Das KICS-Steuerungssystem stellt dem gesamten Zementwerk auf effektive Weise die gesamte SCADA-Funktionalität bereit.
Das erfindungsgemäße thermodynamische Kontrollsystem benötigt nicht notwendigerweise die KICS- oder G2-Systeme, sondern kann im Prinzip an jedes Zementwerk über jedes beliebige Kontrollsystem, das in dieser Anlage installiert ist, angeschlossen werden. Diese Kontrollsysteme können von jedem beliebigen Typ oder jeder beliebigen Form sein, aber sollten einer Mindestanforderung bezüglich der Steuerung, Verbindbarkeit, Datenübertragungen und möglicherweise der Vor- und Nachbearbeitung von Daten genügen, so dass die Datenverarbeitung einfacher zu konfigurieren und einzurichten ist.
Das Prototypsystem verwendet außerdem eine weitere Ebene bei dem G2-System, um eine spezielle maßgefertigte Prozesssteuerungshülle ("wrapper") rund um das Perfecter-Steuerungssystem bereitzustellen. Diese Hülle ist ein intelligentes Echtzeit-Expertensystem, das bestimmte einprogrammierte Regeln und Heuristiken aufweist, die die korrekten Operationen des thermodynamischen Kontrollsystems ermöglichen. Das Expertensystem bietet verschiedene Filterungs-, Spitzenabweisungs- und andere Signalaufbereitungs- und -verarbeitungsfähigkeiten, die spezifisch entwickelt wurden, um den Besonderheiten der Prototypanlage, sowie den speziellen Anforderungen des thermodynamischen Kontrollsystems zu genügen.
Insbesondere stellt das Expertensystem die Mittel bereit, durch die die Reinigungs- und Kalibrierungsspitzen in den Gasanalysatoren, die für CO- und O₂-Messungen verwendet wurden, abgewiesen werden können. Diese Filter sind spezielle bewegliche Minimalfilter, die auch gekoppelte bewegliche und exponentielle Filter erster Ordnung sind.
Das Expertensystem stellt auch Regeln bereit, durch die der korrekte oder „beste" Analysator ausgewählt wird. Außerdem stellt das Expertensystem auch die Mittel bereit, durch die verschiedene Bedingungen für fest-, Fuzzy- und/oder maximale Geschwindigkeiten von Änderungen bei dem Process-Perfecter-Kontrollsystem auf Grund von veränderlichen Anlagenbedingungen und Produktionserfordernissen in Echtzeit verändert werden können.
Das Prozesssteuersystem für die versuchsgegenständliche Anlage besteht aus einem Siemens-S5-PLC-System, das direkt mit der Zement- und Brennofenanlage verbunden ist. Das System führt alle analogen und digitalen I/O-, Sicherheitsverrieglungs-, PID-Steuerungs- und verschiedene andere Hochgeschwindigkeitsverarbeitungen durch. Dieses System bietet auch eine vollständige Steuerung aller Motoren in der Anlage über Motorensteuerungszentren (MCCs), die an den relevanten Punkten angeordnet sind. Die Kommunikation zwischen den PLCs und KICS wird mittels einer SETCIM-Echtzeit-Datenbank durchgeführt. Die Gesamtstruktur des Kontrollsystems der Anlage ist in der 7 gezeigt.
Aus der 7 kann entnommen werden, dass das Kontrollsystem aus 4 primären KICS-Steuerservern mit Serverterminals oder Bedienerbildschirmen besteht. Drei der Server sind fähig, auf die gesamte Anlage zuzugreifen und sie zu steuern, während der vierte spezifisch dafür reserviert ist, die Zementbeladungs-, -verpackungs- und -versandeinrichtungen zu betreuen. Das KICS-System ist mit dem PLC über zwei SETCIM-Echtzeit-Datenbanken, mittels Aspentech-H1-Treibermodulen, sowie KBE-G2/SETCIM-Kommunikationsbrücken verbunden.
Alle KICS-Systeme laufen auf Hewlett-Packard-HP-9000-RISC-Computern, wobei das Betriebssystem HP UNIX, 10.20 oder höher ist. Dies schließt die SETCIM-Echtzeit-Datenbanken und die Kommunikationsmodule ein, die alle auf HP UNIX ablaufen.
Das Kontrollsystem ist mit dem Steuerungssystem über einen der drei Haupt-KICS-Server der Anlage verbunden. Weil jeder Server Zugriff auf die gesamte Anlage hat, kommt es nicht darauf an, welcher Server verwendet wird oder dass nur ein Server mit einem Computer verbunden ist, auf dem die Process-Perfecter-Software abläuft. Process Perfecter selbst läuft auf einem HP-Pentium-II-PC-Computer ab, auf dem Microsoft Windows NT 4.0 läuft.
Die Gesamtarchitektur des kombinierten Steuerungssystems ist in der 8 gezeigt, aus der auch entnommen werden kann, dass die Process-Perfecter-Software durch ein iDX genanntes Kommunikationssystem mit dem KICS-Steuerserver verbunden ist und mit diesem kommuniziert. iDX ist ein Mehrfachprotokoll-Knotenpunkt (-„hub"), der von Business Execution Systems and Technology (SA) (Pty) Ltd bereitgestellt wird, der es G2 ermöglicht, mit Process Perfecter über das Process-Perfecter-OPC-Kommunikationsmodul zu kommunizieren.
Somit stellt das thermodynamische Kontrollsystem der vorliegenden Erfindung ein Kontrollsystem bereit, das mit der Zement-Brennofenanlage in einem geschlossenen Kreis angeordnet ist. Das Kontrollsystem verwendet das vorhandene Steuerungssystem der Anlage, mit dem es über eine Kommunikationsschicht verbunden ist, und ist ein in Software umgesetztes, Modell-basiertes, Mehrfachvariablen-Kontrollsystem mit Prädikation.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine direktere Steuerung der Qualität des Klinkers.
Die Qualität des Klinkers wird bestimmt, indem seine chemische Zusammensetzung analysiert wird. Dies geschieht im Labor, wo Klinkerproben regelmäßig unter Verwendung verschiedener manueller und/oder automatisierter Verfahren und Einrichtungen analysiert werden. Abhängig davon, wie modern die Anlage ist, und von der Investition in das Labor und die Probennahmesysteme, wird jede Anlage eine Auswahl aller möglichen, verfügbaren Qualitätsmessungen durchführen.
Bei der Anlage, die verwendet wurde, um die Erfindung zu testen, sind die hauptsächlich verwendeten Klinkerqualitätsmessungen der FCAO des freien Kalks des Klinkers, der Kalkstein-Sättigungsfaktor LSF und das Klinker-3CaO·SiO₂ (d.h. die Menge an Tri-Calciumsilikat in dem Klinker). Andere Steuerparameter, die verwendet und gemessen werden könnten, schließen Litergewichte, 2CaO·SiO₂, A2F etc. ein.
Der Wert des freien Kalks ist wichtig, weil er anzeigt, wie „hart" der Klinker gebrannt wurde (d.h. der Grad bis zu dem der Klinker totgebrannt wurde) und wie viel freier Kalk nach dem Klinkerbildungsprozess in dem Klinker verblieben ist. Ein zu hoher Gehalt an freiem Kalk, wenn das Brennen „weich" (ungar) war, ist unerwünscht, weil der freie Kalk die Qualität des Zements verringert oder abbaut. 3CaO·SiO₂ ist einer der Haupt-Endbestandteile von Klinker. Es gibt einen optimalen Bereich von Werten von 3CaO·SiO₂ und einen Maximalwert an freiem Kalk, der jederzeit eingehalten werden sollte. Der optimale Bereich von 3CaO·SiO₂ beträgt typischerweise zwischen 55% und 75%.
Obwohl null freier Kalk ideal wäre, sind die mit dem Aufheizen des Klinkers bis zu dem Grad, bei dem null freier Kalk erreicht wird, verbundenen Brennmaterialkosten zu hoch, und somit ist das gewöhnliche Ziel, das Gleichgewicht des freien Kalks gerade unter 1,5% anzustreben. Dies ergibt die minimal erforderliche Qualität bei den niedrigst möglichen Produktionskosten, d.h. mit der minimalen Kohlezufuhr. Der optimale Punkt von 1,5% freiem Kalk ist nicht notwendigerweise universell und kann entsprechend dem Entwurf der lokalen Anlage und den Anforderungen an die Zementherstellung variieren.
Das zu „totgebrannte" Brennen, um den Wert des freien Kalks sehr weit nach unten zu treiben, hat eine weitere nachteilige Auswirkung auf den Klinker, der extrem hart und schwierig zu brechen wird, was die nachfolgenden Brechungskosten erhöht und somit die Kosten der Zementherstellung erhöht.
Die Hauptaufgabe der Steuerung eines beliebigen Brennofen-Steuerungssystems ist es, unabhängig davon ob es automatisiert ist oder nicht, die Qualität des Klinkers zu steuern und gleichzeitig den Produktionsdurchsatz und die Brennofenstabilität aufrecht zu erhalten. Die Qualitätssteuerung ist die Steuerung des 3CaO·SiO₂ des Klinkers und des freien Kalks des Klinkers. Diese Steuerung beinhaltet es, einen gewünschten Sollwert für das 3CaO·SiO₂ und den freien Kalk des Klinkers, sowie die Minimierung von Abweichungen der Qualitätsparameter zu erreichen. Die Steuerung der Klinkerqualität muss durchgeführt werden, während gleichzeitig die mechanische Sicherheit, der Durchsatz und die Minimierung der Kosten aufrecht erhalten werden müssen. Es gibt jedoch derzeit keine automatische Steuerung von 3CaO·SiO₂ oder freiem Kalk. Die Bediener steuern manuell Zielwerte des freien Kalks oder andere mit freiem Kalk in Zusammenhang stehende Parameter an.
Die manuelle Steuerung, die bezüglich 3CaO·SiO₂ oder des freien Kalks zur Verfügung steht, ist die Aussonderung von Material, das den erforderlichen Standards nicht entspricht, sowie die nachfolgende Anpassung des thermodynamischen Zustands des Brennofens in Antwort auf dieses Problem. Diese Materialaussonderung erfolgt, falls zum Beispiel der freie Kalk über in etwa 2% beträgt. Idealerweise beträgt der freie Kalk zwischen 1,0 und 1,5%.
Weil die automatische oder direkte Steuerung des freien Kalks manuell erfolgt, brennen die Bediener entweder härter oder weicher, um die Menge des freien Kalks in dem Klinker entweder zu verringern bzw. zu erhöhen. Es gibt auch andere nachfolgende manuelle Verfahren, die von Bedienern der Anlage ausgeführt werden, um Probleme bei der Rohmehl-Zuführung etc. auszugleichen, die zu hohen Pegeln an freiem Kalk beitragen, um den freien Kalk und das 3CaO·SiO₂ zurück zu den Betriebsbedingungen zu bringen, unter denen sie im Hinblick auf die Steuerung der Klinker- und Zement-Qualität annehmbar sind.
Die Schwierigkeit bei dieser manuellen Steuerung von entweder freiem Kalk oder 3CaO·SiO₂ besteht darin, dass es viele ungemessene und gemessene Störungen in dem Brennofen gibt, zum Beispiel eine gemessene Störung der Qualität des eintretenden Rohmehls in Form von tatsächlichen Werten und Abweichungen.
Somit zielt der zweite Aspekt der vorliegenden Erfindung darauf ab, die Brennofenanlage in einer mehrschichtigen Weise zu steuern, wobei stets zwei oder mehr Steuerziele ausgewertet werden. Die Steuerungsaufgabe der ersten oder niedrigeren Ebene ist die wie oben beschriebene thermodynamische Steuerung des Brennofens. Das Ziel dieser Aufgabe ist es, den Brennofen in einem thermodynamischen Zustand zu halten, der die Herstellung von Klinker mit der richtigen Qualität und mit erforderlichen Produktionsraten innerhalb verschiedener Kosten- und mechanischen und Verfahrensbedingungen ermöglicht. Die nächste Steuerungsebene ist die Anpassung des thermodynamischen Zustands auf der Basis des gewünschten Gehalts des Klinkers an freiem Kalk. Die nächste Ebene der Steuerung ist die Anpassung des Sollwerts des freien Kalks, um sicher zu stellen, dass der Gehalt des Klinkers und somit des Zements an 3CaO·SiO₂ sich innerhalb der Vorgabe befindet.
Es wird bemerkt werden, dass das 2CaO·SiO₂ ebenfalls als ein wichtiges Maß der Klinkerqualität angesehen werden könnte. Der 2CaO·SiO₂-Gehalt des Klinkers könnte als solcher wie jede andere wichtige chemische Eigenschaft gesteuert werden.
Das bevorzugte Ausführungsbeispiel des Kontrollsystems stellt somit drei Ebenen der Steuerung bereit, nämlich ein inneres thermodynamisches Kontrollsystem, eine mittlere Ebene eines Kontrollsystems für freien Kalk und eine äußere Ebene eines Kontrollsystems für 3CaO·SiO₂. Die Ausführung des Kontrollsystems für freien Kalk ist optional und hängt davon ab, ob Messungen des freien Kalks in dem Steuerungssystem der Anlage verfügbar sind. In einigen Fällen kann dieses Kontrollsystem der zweiten Ebene ein Kontrollsystem des „Litergewichts" anstatt eines Kontrollsystems für freien Kalk sein.
Das Litergewicht ist die manuelle Messung derjenigen Masse an Klinker, die einen Literbehälter füllt. Der für diese Messung verwendete Klinker wird auf eine bestimmte Größenfraktion vorgesiebt. Somit ergibt diese Messung ein Maß der Reaktivität des Klinkers oder der Fläche der Oberfläche pro Masseneinheit des Klinkers. Dies stellt eine manuelle Alternative dar, um eine gute Angabe darüber zu erhalten, wie gut die Herstellung des Klinkers verläuft und bezüglich seiner chemischen und metallurgischen Eigenschaften. Das Kontrollsystem für freien Kalk kann durch ein Kontrollsystem für das „Litergewicht" ersetzt werden, wobei die Thermodynamik des Brennofens in einer ähnlichen Weise gesteuert wird wie bei dem Kontrollsystem für freien Kalk, um eine bestimmte „Litergewicht"-Anforderung einzuhalten.
Auf Grund des oben Gesagten kann das Kontrollsystem als ein zweischichtiges Kontrollsystem verallgemeinert werden, wobei die untere Ebene ein thermodynamisches Kontrollsystem ist und die höhere Ebene ein Qualitäts-Kontrollsystem ist, wobei das Qualitäts-Kontrollsystem weiter in Kontrollsysteme mit zwei oder mehr Ebenen unterteilt sein kann, nämlich das mittlere Kontrollsystem für freien Kalk und das äußere Kontrollsystem für 3CaO·SiO₂.
Ein erstes Ausführungsbeispiel des Prototyps des dreischichtigen oder drei-Ebenen-Kontrollsystems ist schematisch in der 9 gezeigt. Da es keine direkten Steuerungsmaßnahmen gibt, die bei der Anlage ergriffen werden können, um das 3CaO·SiO₂ und den freien Kalk des Klinkers zu steuern, erfolgt die Steuerung dieser Qualitätsparameter auf indirekte Weise und wird durch Anpassen des thermodynamischen und des Betriebszustands des Brennofens in Antwort auf die Eigenschaften des Rohmehls und des Brennmaterials, die dem Brennofen eingeführt werden, sowie der Eigenschaften des entstehenden Klinkers durchgeführt.
Die Kontrollsysteme der höheren Ebene befassen sich nur damit, zu versuchen, die Qualität aufrecht zu erhalten, die sich als eine ziemlich langsam bewegende Dynamik erweist, während die Optimierung der Produktion und andere Aufgaben von dem thermodynamischen Kontrollsystem 46 der niedrigeren Ebene behandelt werden.
In der hierarchischen Struktur des Kontrollsystems werden dem thermodynamischen Kontrollsystem 46 Sollwerte für die Aufrechterhaltung des thermodynamischen Zustands zugewiesen, die von dem Kontrollsystem der höheren Ebene bestimmt wurden, um die Qualitätspegel an freiem Kalk oder 3CaO·SiO₂ aufrecht zu erhalten. In dem ersten veranschaulichten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist dieses Kontrollsystem der höheren Ebene zunächst das Kontrollsystem für 3CaO·SiO₂, das dann das Kontrollsystem für freien Kalk mit einem dynamischen Zielwert für freien Kalk versorgt, welcher der erforderliche freie Kalk ist, wie er von dem Kontrollsystem für 3CaO·SiO₂ ausgegeben wurde, um das 3CaO·SiO₂ zurück zum Zielwert zu steuern. Das Verhältnis zwischen dem 3CaO·SiO₂ und dem freiem Kalk wird unten beschrieben werden.
Das Kontrollsystem 42 für 3CaO·SiO₂ empfängt einen Zielwert für 3CaO·SiO₂, sowie das aktuelle 3CaO·SiO₂, das in der Anlage von den Laboren gemessen wurde. Der aktuelle 3CaO·SiO₂-Wert wird dem Kontrollsystem 42 für 3CaO·SiO₂ rückgemeldet, wobei eine erste Rückkopplungsschlaufe 48 verwendet wird. Das Kontrollsystem errechnet dann einen Wert für freien Kalk, der den aktuellen Prozesswert für 3CaO·SiO₂ zurück zu dem Zielwert bringen wird, wobei er weitere Faktoren, die 3CaO·SiO₂ beeinflussen, berücksichtigt.
Bei diesem Kontrollsystem ist das 3CaO·SiO₂ die kontrollierte Variable und der freie Kalk ist die manipulierte Variable.
Das zu Grunde liegende Verhältnis zwischen dem 3CaO·SiO₂ und dem freien Kalk wurde auf verschiedene Weisen abgeleitet, die verwendet werden, um das Verhältnis des Kontrollsystems der obersten Ebene für 3CaO·SiO₂ abzuleiten.
Das erste ist ein empirisches mathematisches Verhältnis, worin 3CaO·SiO2 = f(FcaO, LSF, SR, ALM) und = f{CaO, SiO2, Al2O3, TiO2, Fe2O3, Mn2O3, SO3},worin FCaO der freie Kalk ist
SR das Siliziumdioxidverhältnis ist
LSF der Kalksteinsättigungsfaktor ist
ALM das Aluminiumoxid-Modul ist
und die Übrigen verschiedene chemische Oxide, etc. sind.
Die verschiedenen chemischen Analysen werden ausgehend von Röntgenanalysen der verschiedenen Proben berechnet, die in der Anlage beim Rohmehl und Klinker genommen werden, und werden dann verwendet, um die Werte von SR, ALM, LSF, etc., SR und LSF zu berechnen, die, wie bei 49 gezeigt, dem Kontrollsystem für 3CaO·SiO₂ gemeinsam mit dem gemessenen Gehalt an 3CaO·SiO₂ rückgemeldet werden.
Das zweite Verhältnis ist ein neuronales-Netz-Verhältnis, worin verschiedene Anlagenvariablen und das 3CaO·SiO₂ die Eingaben sind und das Ausgangssignal das 3CaO·SiO₂ ist. Diese neuronale Netz ist optional und wird verwendet, um Abschätzungen bezüglich des 3CaO·SiO₂ während der Probennahmezeiten der Labormessungen des tatsächlichen 3CaO·SiO₂ bereitzustellen. Falls das neuronale Netz auf Grund des Fehlens verschiedener Eingaben nicht möglich ist, kann das neuronale Netz durch eine Stichproben- oder eine Prädiktortyp-Schätzfunktion für 3CaO·SiO₂ ersetzt werden.
Das dritte Verhältnis verwendet eine zu Grunde liegende Gleichung
Das Verhältnis ist in implementierter Form in dem Blockdiagramm von 10 gezeigt.
Bei dem Kontrollsystem 44 für freien Kalk wird der in der Anlage gemessene freie Kalk dem Kontrollsystem 44 unter Verwendung einer zweiten Rückkopplungsschlaufe 50 rückgemeldet und wird mit dem Sollwert für freien Kalk oder dem Zielwert für freien Kalk verglichen. Das Kontrollsystem 44 für freien Kalk bestimmt dann, wie die erforderlichen thermodynamischen Zielwerte 52 sein sollten, um dem Zielwert für freien Kalk zu entsprechen, d.h. um den Fehler des freien Kalks auf Null zu verringern.
Es gibt eine Vielzahl von Definitionen des Fehlers, den der Process Perfecter ansteuern soll. Der erste und offensichtliche Typ ist die Abweichung oder der Unterschied zwischen tatsächlichen und gewünschten kontrollierten Variablen, so wie dem freien Kalk. Jedoch könnte der Fehler auch die Menge sein, um die der Wert des freien Kalks sich aus einem erlaubten Betriebsbereich in ein Fuzzy- oder hart begrenztes Gebiet eines unerwünschten Betriebs eindringt.
Die thermodynamischen Zielwerte, die bei dem Prototyp als die Ausgangssignal des Kontrollsystems für freien Kalk verwendet werden und die die kontrollierten Variablen darstellen, sind wie folgt:

– die Haubentemperatur
– die Temperatur am hinteren Ende
– der erforderliche CO-Pegel
– der erforderliche NOX-Pegel
– der erforderliche O₂-Pegel

Das Kontrollsystem 44 für freien Kalk erhält seinen tatsächlichen Messwert der Anlage oder aktuellen Prozesswert des freien Kalks aus einer von zwei Quellen.

1) Die erste ist ein Prädiktor für freien Kalk oder ein virtueller Online-Analysator (VOA) 54, der auf einem neuronalen Netz basiert, der den gegenwärtigen unverzüglichen Wert des freien Kalks aus verschiedenen Prozessparametern der Anlage vorhersagt, die die Werte 40 des Qualitätslabors der Anlage einschliessen.
2) Falls aus irgendeinem Grund der Prädiktor für freien Kalk oder der virtuelle Online-Analysator (VOA) nicht funktioniert, erhält das Kontrollsystem für freien Kalk seinen Wert für freien Kalk aus dem Qualitätsteuerungssystem 40 und 56 des eigentlichen Anlagenlabors. Dieser wird automatisch aus den Qualitäts-Steuerungssystemen der Anlage über das Steuerungssystem der Anlage eingeleitet, oder wird per Hand in das Steuerungssystem der Anlage eingeleitet, falls die Kommunikationsverbindung zwischen dem Qualitäts-Steuerungssystem der Anlage und dem Steuerungssystem der Anlage versagt.

Das Kontrollsystem 44 für freien Kalk prüft sowohl den Zielwert für den freien Kalk als auch den tatsächlich freien Kalk und errechnet dann auf der Grundlage dieser Fehleraus gangssignale, welche die erforderlichen Sollwerte für die thermodynamischen Variablen sind.
Das Kontrollsystem für freien Kalk errechnet ein Profil von zukünftigen Maßnahmen, die es auf die manipulierten Variablen anwenden wird, um den Fehler auf Null oder nahe bei Null zu verringern. Die Form dieses Maßnahmenprofils hängt ab von:

a) den Modellen zwischen den manipulierten und kontrollierten Variablen, und
b) den Einstellparametern, die dem Kontrollsystem in Bezug jedes kontrollierte-Variable/manipulierte-Variable-Paar mitgeteilt werden.

Das Modell, wie manipulierte Variablen den freien Kalk beeinflussen, ist in einer Matrix von Verhältnissen in der Kontrollsystemsoftware gespeichert. Diese Verhältnisse sind typischerweise Zeitantworten erster oder zweiter Ordnung, die die Antworten des freien Kalks auf stufenförmige Änderungen des Werts der thermodynamischen manipulierten Variablen sind. Mit anderen Worten, wie:

a) der freie Kalk sich in Antwort auf eine stufenförmige Änderung des Prozentsatzes der Kohle, die dem hinteren Ende des Brennofens zugeführt wird, verändert;
b) der freie Kalk sich in Antwort auf eine stufenförmige Änderung der Haubentemperatur verändert;
c) der freie Kalk sich in Antwort auf eine stufenförmige Änderung der Temperatur am hinteren Ende verändert;
d) der freie Kalk sich in Antwort auf eine stufenförmige Änderung der CO-Pegel verändert;
e) der freie Kalk sich in Antwort auf eine stufenförmige Änderung der NOX-Pegel verändert.

Die Modelle dieser Verhältnisse von stufenförmigen Antworten wurden von Zementexperten und Bedienern an der Anlage, sowie durch Untersuchung des Verhältnisses zwischen gewonnenen Daten von freiem Kalk und Änderungen dieser Variablen aufgestellt. Diese Daten wurden aus normalen Betriebsvorgängen gewonnen, die in einer Echtzeit-Datenbank gespeichert wurden, sowie aus expliziten Stufenversuchen, die während der Stufenversuchsphase des Projekts durchgeführt wurden.
Die fünf Antworten des Kontrollsystems für freien Kalk sind alle kritisch gedämpfte Antworten zweiter Ordnung.
Zum Beispiel sollte eine Änderung von THaube von 1000 auf 1500 Grad, d.h. 500°C, eine Änderung von in etwa 0,1% des FCaO von freiem Kalk verursachen. Dies entspricht einer Zunahme von 0,0002, und weil die Temperaturzunahme den freien Kalk verringert, ist die Zunahme negativ. Die absoluten Werte sind nicht wichtig, sondern statt dessen die relativen Werte. Um die absoluten Werte bei der Simulierung realistischer erscheinen zu lassen, wird ein Ausgleich eingestellt, um die absoluten Werte in Übereinstimmung mit realen Anlagenwerten zu bringen.
Gegenwärtig nimmt das Kontrollsystem für freien Kalk an, dass die Zunahmen jeder der vier Antworten konstant sind, d.h. dass die Zunahmen linear sind. Jedoch können diese Zunahmen zu Funktionen der Anlagenzustände selbst gemacht werden, d.h. zu nichtkonstanten. In diesem Fall werden sich die Zunahmen in Abhängigkeit von den Bedingungen der Anlage verändern. Diese Situation (wenn die Verstärkungen eine Funktion des Anlagenzustands sind) ist die Nicht-Linearität, die im allgemeinen alle Prozesse aufweisen.
So kann zum Beispiel unter der Annahme, dass eine 1.e Änderung der Haubentemperatur eine –0,002%ige Änderung des freien Kalks ergibt, falls die Haubentemperatur von 1000°C auf 1050°C ansteigt, dieser Wert sich um –0,1% ändern.
Die Zunahmen des freien Kalks, die bei dem Prototyp des Kontrollsystems für freien Kalk verwendet wurden, waren wie folgt:

THaube-Zunahme: –0,002

Thinten-Zunahme: –0,001

CO-Zunahme: 10

NOX-Zunahme: –0,004
Da das thermodynamische Kontrollsystem 46 des gegenwärtigen Systems fünf kontrollierte Variablen besitzt, besteht die Möglichkeit, alle fünf dieser kontrollierten Variablen unter Verwendung des Qualitätssteuerungssystems einzustellen oder festzusetzen. Somit ist das Kontrollsystem für freien Kalk nur ein 1 × 5- oder 1 × N-Kontrollsystem. Sollte eine Anlage wünschen, zum Beispiel den freien Kalk des Klinkers und des LSFs des Klinkers auf dieser Ebene zu steuern, dann würde aus dem Kontrollsystem ein 2 × 5-Kontrollsystem werden.
In dem Prototypen des Brennofens stammten vier der Zielwerte der kontrollierten Variablen von dem Kontrollsystem für freien Kalk, während der O₂-Zielwert manuell von einem Bediener eingegeben wurde. Somit ist es möglich, verschiedene Kontrollsystem- und Manipulatorvariablen abhängig von der jeweiligen Anordnung des Brennofens hinzuzufügen und zu entfernen.
Ein weiteres mögliches Ausfürungsbeispiel des Kontrollsystems für freien Kalk oder der Qualität besteht darin, dass das Kontrollsystem entweder als eine Kombination von wie oben beschriebenen mathematischen Verhältnissen oder durch heuristische Verhältnisse oder Regeln ausgeführt werden kann. Dies stellt eine mögliche Alternative dar, die die Hülle des Expertensystems oder eine andere Software verwendet, um die Verhältnisse zwischen dem freien Kalk und den Eingaben an das thermodynamische Kontrollsystem auszuführen.
Diese Verwendung von Regeln in dem Kontrollsystem ist eine Option, die von dem Typ des Brennofens, der Steuerinfrastruktur und dem Ausmaß der erforderlichen Automatisierung und der damit verbundenen Komplexität bestimmt wird, die von dem Ausmaß des Vorteils oder zusätzlichen Wertes herrührt. Diese Art der Ausführung des Qualitätssteuerungssystems stellt lediglich eine Alternative bezüglich der ausgewählten Technologie dar und wird verwendet, um die relative Unabhängigkeit des Kontrollsystems von dem Typ der Technologie zu veranschaulichen.
Die 11 veranschaulicht ein alternatives Ausführungsbeispiel des zweiten Aspekts der Erfindung. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Qualitätssteuerungssystem teilweise parallel und teilweise kaskadiert zu dem thermodynamischen Kontrollsystem 46.
Das Ausgabesignal des Kontrollsystems 44 für freien Kalk besteht sowohl aus tatsächlichen manipulierten Variablen der Anlage und möglicherweise einer oder mehreren thermodynamischen Variablen. Bei einer ersten Arbeitsweise gibt das Kontrollsystem für freien Kalk den Sollwert für den Prozentsatz der Kohle an das hintere Ende des Brennofens aus, während die übrigen Sollwerte von dem thermodynamischen Kontrollsystem 44 gesteuert werden. Somit ist die Einstellung eine teilweise kaskadierte Konfiguration, wobei das Kontrollsystem 42 für 3CaO·SiO₂ zu dem Kontrollsystem 44 für freien Kalk kaskadiert ist und diese beiden gemeinsam parallel zu dem thermodynamischen Kontrollsystem 46 arbeiten.
Obwohl die manipulierte Variable, der Prozentsatz der Kohle für das hintere Ende (%Chinten), von dem Kontrollsystem für freien Kalk gesteuert wird, werden ihre Auswirkungen als eine Störung des thermodynamischen Kontrollsystems dennoch berücksichtigt, und sie kann zu jeder beliebigen Zeit aktiviert werden, so dass das thermodynamische Kontrollsystem den Prozentsatz der Kohle für das hintere Ende ebenfalls steuern kann.
Die gestrichelten Linien 58 in der Figur veranschaulichen die eingebaute Möglichkeit dieses Ausführungsbeispiels, mit der gleichen Anordnung wie das erste Ausführungsbeispiel konfiguriert zu werden, worin die Ausgabe des Kontrollsystems 44 für den freien Kalk nur dem thermodynamischen Kontrollsystem 46 eingegeben wird. Dies soll es dem Kontrollsystem erlauben, an die Verwendung bei Brennöfen angepasst zu werden, die keine Kohlezufuhr zu dem hinteren Ende des Brennofens aufweisen. Somit wird das indirekte Verfahren, ein thermodynamisches Ausgangssignal von dem Kontrollsystem für freien Kalk in einer kaskadierten Konfiguration abzuleiten, um das thermodynamische Kontrollsystem zu steuern, die in diesem Fall verwendete Konfiguration sein.
Wenn das thermodynamische Kontrollsystem und das Kontrollsystem für freien Kalk nacheinander arbeiten, besteht das Ziel darin, Klinker von guter Qualität herzustellen, indem die Kontrollsysteme gemeinsam eine stabile und korrekte thermodynamische Umgebung schaffen, in der verschiedene Klinkerbildungsprozesse stattfinden können. Das Temperaturprofil wird durch Manipulieren von zwei Profilvariablen gesteuert, d.h. der Profilebene oder -höhe und der Neigung des Temperaturprofils. Die beiden entsprechenden Mittel sind die Haubentemperatur und die Kohlezufuhr zum hinteren Ende, die von dem thermodynamischen Kontrollsystem bzw. dem Kontrollsystem für freien Kalk gesteuert werden.
Die 12 veranschaulicht ein drittes Ausführungsbeispiel des zweiten Aspekts der Erfindung.
Dieses Ausführungsbeispiel konzentriert sich auf die Tatsache, dass der primäre Qualitätsparameter von Klinker die 3CaO·SiO₂-Komponente ist. Deshalb unternimmt dieses Ausführungsbeispiel den Versuch, das 3CaO·SiO₂ zu steuern, während es dem Wert für freien Kalk erlaubt, frei innerhalb seiner Bedingungen zu variieren, d.h. unterhalb des maximalen Pegels von beispielsweise 1,5%.
Die Hauptstörungen, die den 3CaO·SiO₂-Gehalt des Klinkers beeinflussen, sind die thermodynamischen Bedingungen in dem Brennofen, die Eigenschaften des eintretenden Rohmaterials und die Eigenschaften der Kohle oder des Brennmaterials, das in dem Brennofen verwendet wird. Somit empfängt das Kontrollsystem 42 für 3CaO·SiO₂ einen Sollwert für den 3CaO·SiO₂-Wert gemeinsam mit Messungen, die verschiedene Eigenschaften des eintretenden Rohmaterials und des in dem Brennofen verwendeten Brennmaterials anzeigen. Das Kontrollsystem 42 für 3CaO·SiO₂ gibt dann einen Zielwert an das thermodynamische Kontrollsystem 46 aus. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist dieser Zielwert der Zielwert der Haubentemperatur THaube, aber andere Temperaturangaben könnten gleichermaßen verwendet werden, so wie die NOX-Angabe oder eine oder mehrere Temperaturangaben von dem hinteren Ende.
Das Kontrollsystem 42 für 3CaO·SiO₂ kann auch dem Kontrollsystem 44 für freien Kalk den Zielwert für freien Kalk eingeben, wie die gepunktete Linie 60 in der Figur anzeigt.
Das Gesamtkontrollsystem der Erfindung wird ausgeführt, indem die Process-Perfecter-Software und alle relevanten Kommunikationsmodule oder ausführbaren Dateien auf dem bezeichneten Computer ausgeführt werden. Wenn diese ausführbaren Dateien ablaufen, werden von den Brennofenanlagen-DCS automatisch bi-direktionale Kommunikationen eingerichtet, und Process Perfecter, sowie die online-Module des neuronalen Netzes beginnen sofort mit der Ausführung. Jedoch betreibt das Kontrollsystem anfänglich oder soweit nicht anders angegeben nicht die Anlage, und die Bediener üben noch die Steuerung aus. Dies beruht darauf, dass die MV-Sollwerte, die von dem Kontrollsystem an das Steuerungssystem übermittelt werden, nicht an das Feld übermittelt werden, bevor die entsprechenden Softwareschalter in dem DCS- oder SCADA-System geschlossen sind. Die vollständige geschlossene Regelkreissteuerung wird aktiviert, wenn diese Sollwertschalter in dem Steuerungssystem angeschaltet werden.
Wenn das Kontrollsystem die Brennofenanlage steuert, kann der Bediener das Verhalten des Kontrollsystems überwachen, anpassen, fein einstellen und ändern. Dies schließt auch das Ermöglichen oder Nicht-Ermöglichen des Einschlusses von Kontrollsystemen höherer Ordnung ein. Diese Steuerung wird entweder über die eigenen GUIs von Process Perfecter oder über die in das Steuerungssystem eingebauten GUIs durchgeführt. Die endgültige konstruierte Lösung erlaubt die explizite Steuerung und Anpassung der Ziele des Steuerungssystems, der Bedingungen und Einstellparamater, sowohl von den DCS/KICS-GUIs als auch dem GUI von Process Perfecter. Die Verwendung externer GUIs, um diese Steue rung durchzuführen, wird durch die Verfügbarkeit der GUI-Parameter von Process Perfecter über das PDI für das externe Steuerungssystem erleichtert.
Die Funktionen des Kontrollsystems bestehen aus der Grundfunktionalität der Process-Perfecter-Software, sowie aus der zusätzlichen Funktionalität, die in das externe Steuerungssystem eingebaut ist. Die GUIs von Process Perfecter stellen die folgende Steuerfunktionalität in Bezug auf das Kontrollsystem bereit:

a) Steuerung jeder SISO-Kontrollsystemzelle von der gesamten Steuermatrix aus, die an- oder ausgeschaltet werden kann. Dies erlaubt entweder die volle oder die selektive Steuerung der Brennofenanlage. Somit kann das thermodynamische Kontrollsystem zum Beispiel verwendet werden, um nur den Kühler oder nur die Brennofentemperaturen zu steuern.
b) Der Bediener kann Zielwerte oder Sollwerte für jede beliebige kontrollierte oder manipulierte Variable auf jeder beliebigen Ebene des Kontrollsystems ändern. Offensichtlich werden, falls ein Kontrollsystem einer höheren Ebene in dem Kreis aktiv ist, individuelle Einstellungen von Zielwerten in Kontrollsystemen niedrigerer Ebenen durch das Kontrollsystem der höheren Ebene überschrieben. Das Einstellen einer manipulierten Variable auf einen bestimmten Zielwert bedeutet, dass die Variable nicht für die Steuerung verwendet werden kann, und dies beschränkt, was das Steuerungssystem unternehmen kann, um den Brennofen zu steuern.
c) Die Geschwindigkeit des Brennofens wurde zu einer Störvariable gemacht und wird somit von den Bedienern gesteuert. Die Geschwindigkeit des Brennofens ist direkt an die Rohmehlzufuhr gekoppelt, was somit die Geschwindigkeit des Brennofens verändert, die Zufuhrrate von Rohmehl in den Brennofen verändert, und somit eine der bekannten Hauptstörungen für den Brennofen darstellt. Die Steuerung des Durchsatzes mittels der Brennofengeschwindigkeit wird verwendet, weil die Rohmehlzufuhr von der Geschwindigkeit des Brennofens abhängt, d.h. die Rohmehlzufuhr befindet sich in linearer Abhängigkeit zu der Geschwindigkeit des Brennofens. Somit kann das Kontrollsystem in anderen Brennöfen entweder die Brennofengeschwindigkeit oder die Rohmehlzufuhr oder beides verwenden.
d) Die Bediener können jeder MV oder CV harte Bedingungen auferlegen. Diese harten Bedingungen ermöglichen, den Betriebsbereich der Anlage bezüglich der minimalen oder maximalen Auslenkungen festzusetzen, die die manipulierten Variablen bezüg lich der Steuerung annehmen können. Das Aufstellen harter Bedingungen bei den kontrollierten Variablen bedeutet nicht, dass sie nicht verletzt werden können, aber bedeutet, dass schwere Strafen verhängt werden, wenn sie verletzt werden sollten, und dass das Kontrollsystem jede Anstrengung unternehmen wird, um diese Verletzungen der harten Bedingungen zu verringern.
e) Weiche oder Fuzzy-Bedingungen. Allen Variablen in der Matrix des Kontrollsystems können weiche Bedingungen auferlegt werden. Die Verletzung der weichen Bedingungen bedeutet, dass die Variable einer ständig zunehmenden Kostenstrafe im Hinblick auf ihre Verletzung unterliegen wird. Dies bedeutet, dass das Kontrollsystem, falls erforderlich, diese Bedingungen verletzen wird, aber letztendlich danach streben wird, diese Bedingungen auf der Basis aller anderen Bedingungen innerhalb des Systems zu minimieren, um somit die Optimierung der Brennofenanlage bezüglich unstabiler oder schlechter Auslenkungen verschiedener Prozessvariablen zu ermöglichen.
f) Prioritäten und Gewichtungen. Alle Bedingungen, Zielwerte, etc. können verschiedene Gewichtungen oder Kosten aufweisen, die es ermöglichen, die Brennofenanlage so einzustellen, dass verschiedene Prozessabweichungen Prioritäten gegenüber andern besitzen, um somit sicher zu stellen, dass korrekte Steuermaßnahmen bezüglich des Brennofens ergriffen werden. Weil die Prioritäten etc. während der Laufzeit verändert werden können, bedeutet dies, dass die Einstellung der Optimierung jedes Kontrollsystems von jedem Bediener des Steuerungssystems der Anlage angepasst werden können, was die Anpassungsoptimierung des Kontrollsystems an Hand verschiedener Kriterien ermöglicht.
g) Frustums („Kegelstümpfe"). Frustums sind weichen oder Fuzzy-Beschränkungen ähnlich; mit der Ausnahme, dass die verhängten Strafen im Lauf der Zeit schwerer werden. Dies bedeutet, dass das Kontrollsystem jederzeit versucht, jeden Zielwert innerhalb des Frustums zu halten, um Prozessabweichungen mit Blick auf die Zukunft zu minimieren.
h) Bedingungen der Geschwindigkeit von Änderungen. Jede Prozessvariable (insbesondere die manipulierten Variablen) besitzt eine Einstellung der maximalen Geschwindigkeit von Änderungen, die sowohl für Aufwärts- als auch der Abwärtsbewegungen eingestellt werden kann. Dies stellt einen Sicherheitsmechanismus bereit, wobei verschiedene Steuermaßnahmen im Lauf der Zeit beschränkt oder mit Bedingungen ver sehen werden können, um keine zu schweren Änderung in dem Brennofen einzuführen und ihn somit unstabil zu machen.

Auf Grund der graphischen Benutzeroberflächenmerkmale der Process-Perfecter-Software, bietet das Kontrollsystem ein vollständiges Bild der Anlage und ihres Zustands mit mehrfachen Variablen. Dieses Bild besteht auf einer Echtzeit-Abbildung und -Tendenzen, die die gegenwärtige und vergangene Geschichte aller Variablen widerspiegeln, die in dem Kontrollsystem verwendet werden. Diese Ansichten schließen auch Vorhersagen über das zukünftige Verhalten der Zement-Brennofenanlage ein. Somit kann der Bediener sehen, was seine/ihre Auswirkung oder die Auswirkung des Kontrollsystems auf die Anlage in der Zukunft bezüglich eines Zeithorizonts sein wird, der von dem Benutzer eingestellt werden kann.
Verschiedene Steuerungs- und Optimierungsmechanismen können in das Kontrollsystem eingefügt werden, die Betriebs-, Sicherheits- und geschäftliche Aufgaben der Brennofenanlage erfüllen. Zum Beispiel werden die Kohleeinstellungen, um den Brennofen bezüglich der Produktionskosten zu optimieren, so eingestellt werden, dass ein zu hoher Kohleverbrauch eine hohe Strafe nach sich ziehen wird. Folglich wird das Kontrollsystem, falls der ID-Lüfter oder eine andere manipulierte Variable auf niedrigere Kosten oder eine niedrigere Priorität als die Kohle eingestellt ist, einen stärkeren Gebrauch von der Sekundärluft aus dem Kühler machen, in dem Versuch, die hohe erforderliche Temperatur aufrecht zu erhalten, statt mehr Kohle in den Brennofen einzuführen. Diese Art von Steuerstrategie wird offensichtlich von der Notwendigkeit, hohe Temperaturen, aber nicht zu hohe, aufrecht zu erhalten, ausgeglichen oder gegenreguliert werden, und somit wird das Kontrollsystem diese Erfordernisse gegen zum Beispiel die NOX-Zielwerte abwägen, die die Flammentemperatur anzeigen.
Die Vorteile des Kontrollsystem, das auf der Testanlage lief, waren zahlreich.
Die Veränderungen der Haubentemperatur wurden im Vergleich zu dem früheren Betrieb der Anlage deutlich verringert, speziell in der Anwesenheit von bedeutenden Störungen der Brennofenanlage, so wie dem „Schüren" und dem „Abfall des Belags". Außerdem hielt das Kontrollsystem die Steuerung während diesen Zeiträumen der Störung aufrecht, wogegen Kontrollsysteme des Standes der Technik nicht fähig waren, mit den Störungen zurecht zu kommen und die Steuerung des Brennofens zu Gunsten spezieller Subroutinen aufgaben, die nur dafür entworfen waren, mit solchen Situationen zurecht zu kommen.
Außerdem kam das Kontrollsystem gut mit Zufuhrmaterial zurecht, das den Vorgaben nicht entsprach und das bei der eintretenden Rohmehlzufuhr einen hohen oder niedrigen LSF aufwies. Eine hoher LSF bedeutet, dass mehr Energie erforderlich ist, um den Kalzinierungsprozess durchzuführen. Dieses Problem ist normalerweise vorübergehend und kann verursachen, dass der Gehalt an freiem Kalk in dem Klinker zu hoch ist, und somit zu Klinker außerhalb der Vorgaben führen.
Außerdem wurde beobachtet, dass die Temperatur an dem hinteren Ende des Brennofens unter dem Kontrollsystem beständig bei optimalen Temperaturen blieb, d.h. bei vorgegebenen niedrigen Pegeln, die optimale Energieaufnahmewerte bei der Kalzinierung und die Verringerung der in die Atmosphäre entlüfteten Wärme anzeigen.
Die CO-Pegel wurden innerhalb der Sicherheitspegel gehalten, und wenn Spitzen oder Ausschläge auftreten, reagiert das Kontrollsystem optimal und sicher, um die CO-Pegel zurück in diesen Bereich zu bringen.
Das Kontrollsystem hielt die O₂-Spiegel innerhalb des gewünschten Betriebsbereichs.
Andauernde höhere Durchsatz- oder Produktionsraten wurden verwirklicht, die viel höher sind als diejenigen, die unter der Steuerung durch einen Bediener erreicht werden.
Die Verwendung des Kontrollsystems führte zu einer signifikanten Verbesserung der Effizienz des Brennofens (d.h. der Menge der verbrauchten Energie pro Tonne Klinker) und führte somit zu signifikanten Einsparungen von elektrischer Energie.
Die Verwendung des Kontrollsystems führte auf Grund der besseren Brennofenstabilität auch zu signifikanten Einsparungen bei den feuerfesten Bausteinen.
Außerdem wurden auch Einsparungen bei der Elektrizität bemerkt.
Der freie Kalk in dem Klinker wird über längere Zeitdauern innerhalb der Zielwerte und mit kleineren Abweichungen gehalten, und die Pegel an Klinker außerhalb der Vorgaben waren viel niedriger als zuvor beobachtet. Deshalb war das Silo für den Klinker außerhalb der Vorgaben nach kurzer Zeit leer.
Das Kontrollsystem wies eine nahe bei 100% liegende verfügbare Betriebszeit auf und genoss eine Akzeptanz bei den Bedienern und dem Management. Das System stellte geringere Anforderungen an die Bediener, was zu einem Bedarf an weniger Bedienern führte.
Alle oben genannten Ergebnisse führten zu großen Kosteneinsparungen.
Somit wird bemerkt werden, dass die vorliegende Erfindung ein Kontrollsystem bereitstellt, das nicht nur ein verbessertes thermodynamisches Kontrollsystem bereitstellt, sondern auch die Qualitäts- und thermodynamische Steuerung einer Brennofenanlage integriert.

Claims

Steuerung für eine Brennofenanlage umfassend: einen ersten Temperatursensor, der so angeordnet ist, dass er die Temperatur in oder in der Nähe der Brennzone des Brennofens misst und einen Ausgabewert erzeugt, der diese Temperatur angibt; einen Gasmessfühler, der so angeordnet ist, dass er die Konzentration mindestens eines Gases aus der Gruppe umfassend O₂, NOX, SOX und CO im Brennofen misst und mindestens einen entsprechenden Ausgabewert erzeugt, der die betreffende Gaskonzentration angibt; und eine Steuereinrichtung, die so ausgestaltet ist, dass sie den Ausgabewert von dem ersten Temperatursensor erhält und die Menge an Brennstoff, die der Brennzone des Brennofens zugeführt wird, steuert, um die Temperatur im oder in der Nähe des Abzugs des Brennofens innerhalb eines vorgegebenen Bereiches zu halten, und die weiterhin so ausgestaltet ist, dass sie den mindestens einen genannten Ausgabewert von dem Gasmessfühler erhält und mindestens ein Hauptlüftungsrad des Brennofens steuert, um die Konzentration des mindestens einen genannten Gases innerhalb eines vorgegebenen Bereiches zu halten.
Steuerung gemäß Anspruch 1, die weiterhin einen zweiten Temperatursensor umfasst, der so angeordnet ist, dass er die Temperatur am oder in der Nähe des rückwärtigen Endes des Brennofens misst und einen Ausgabewert erzeugt, der diese Temperatur angibt, und deren Steuereinrichtung weiterhin so ausgestaltet ist, dass sie den Ausgabewert von dem zweiten Temperatursensor erhält und die Menge an Brennstoff, die dem rückwärtigen Ende des Brennofens zugeführt wird, steuert, um die Temperatur am oder in der Nähe des rückwärtigen Endes des Brennofens innerhalb eines vorgegebenen Bereiches zu halten.
Steuerung gemäß Anspruch 2, worin die Steuereinrichtung weiterhin eine Steuermatrix einschließt, die Werte einschließt, die für die Beziehungen zwischen einer Vielzahl von Messgrößen der Anlage, einschließlich der Temperatur im oder in der Nähe des Abzugs des Brennofens, der Temperatur am oder in der Nähe des rückwärtigen Endes des Brennofens und der O₂-, NOX-, SOX- und CO-Konzentrationen, und einer Vielzahl von Betriebsparametern, einschließlich der Menge an Brennstoff, die der Brennzone des Brennofens zugeführt wird, der Menge an Brennstoff, die dem rückwärtigen Ende des Brennofens zugeführt wird, der Geschwindigkeit des Hauptlüftungsrades, der Geschwindigkeit des Brennofens, des Stroms für den Hauptantrieb des Brennofens, der Rohmehlzuführung, des Kühlerluftstroms und der Kühlerrostgeschwindigkeit, bestimmend sind.
Steuereinrichtung für eine Brennofenanlage, die eine äußere Qualitätssteuerung umfasst, welche mindestens einer inneren Steuerung nachgeschaltet ist, worin die äußere Qualitätssteuerung eine erste Regelung umfasst, die so ausgestaltet ist, dass sie eine erste Sollwert-Eingabe, die die gewünschte Menge 3CaO·SiO₂ und/oder 2CaO·SiO₂ angibt, welche in dem durch die Brennofenanlage hergestellten Klinker vorhanden sein soll, und einen zweiten zu regelnden Eingabewert, der die gegenwärtige Menge 3CaO·SiO₂ und/oder 2CaO·SiO₂ angibt, welche in dem durch die Brennofenanlage hergestellten Klinker vorhanden ist, erhält, und worin die erste Regelung weiterhin so ausgestaltet ist, dass sie die erste Sollwert-Eingabe und den zweiten Eingabewert vergleicht und, wenn die Eingabewerte verschieden sind, einen Ausgabewert erzeugt, der eine Sollwert-Eingabe für die innere Steuerung ändert, wodurch ein oder mehrere Betriebsparameter der Brennofenanlage direkt oder indirekt so eingestellt werden, dass die Menge an 3CaO·SiO₂ und/oder 2CaO·SiO₂ im durch die Brennofenanlage hergestellten Klinker im wesentlichen der gewünschten Menge an 3CaO·SiO₂ und/oder 2CaO·SiO₂ im Klinker gleicht.
Steuereinrichtung gemäß Anspruch 4, worin die innere Steuerung eine Steuerung des freien Kalks ist, worin die zweite Sollwert-Eingabe für die innere Steuerung einen dynamischen Sollwert für den Gehalt an freiem Kalk im Klinker umfasst, worin die innere Steuerung so ausgestaltet ist, dass sie einen Eingabewert erhält, der die gegenwärtige Menge an freiem Kalk, die im durch die Brennofenanlage hergestellten Klinker vorhanden ist, angibt, und worin die innere Steuerung weiterhin so ausgestaltet ist, dass sie den dynamischen Sollwert für den Gehalt an freiem Kalk und die gegenwärtig vorhandene Menge an freiem Kalk vergleicht und, wenn diese Werte verschieden sind, einen Ausgabewert erzeugt, der direkt oder indirekt einen oder mehrere Betriebsparameter der Brennofenanlage ändert, so dass die Menge an freiem Kalk, die im durch die Brennofenanlage hergestellten Klinker vorhanden ist, im wesentlichen dem dynamischen Sollwert für den Gehalt an freiem Kalk gleicht.
Steuereinrichtung gemäß Anspruch 5, die weiterhin eine thermodynamische Steuerung einschließt, die der inneren Steuerung nachgeschaltet ist, worin die innere Steuerung einen Sollwert für mindestens eine Messgröße der Anlage an die thermodynamische Steuerung ausgibt, worin die thermodynamische Steuerung so ausgestaltet ist, dass sie von der Brennofenanlage einen Eingabewert erhält, der den Wert mindestens einer Messgröße der Anlage darstellt, und worin die thermodynamische Steuerung weiterhin so ausgestaltet ist, dass sie den Sollwert für mindestens eine Messgröße der Anlage und den Wert mindestens einer Messgröße der Anlage vergleicht und, wenn diese Werte verschieden sind, einen Ausgabewert erzeugt, wodurch ein oder mehrere Betriebsparameter der Brennofenanlage geändert werden.
Steuereinrichtung gemäß Anspruch 5 oder Anspruch 6, worin die innere Steuerung so angeordnet ist, dass sie eine Vielzahl dynamischer Sollwerte für eine Vielzahl von Messgrößen der Anlage an die thermodynamische Steuerung ausgibt, wobei die Vielzahl von Messgrößen der Anlage gesteuerte Variablen darstellt und aus der Gruppe, die die Temperatur am rückwärtigen Ende, die Temperatur im Abzug, die CO-Konzentration, die NOX-Konzentration, die SOX-Konzentration und die O₂-Konzentration einschließt, ausgewählt ist.
Steuereinrichtung gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, worin die Betriebsparameter der Brennofenanlage einen oder mehrere Parameter aus der Gruppe beeinflussbarer Variablen umfassen, die den gesamten Brennstoff, der der Brennofenanlage zugeführt wird, den Prozentsatz an Brennstoff, der dem rückwärtigen Ende der Brennofenanlage zugeführt wird, die Geschwindigkeit des Hauptlüftungsrades, die Geschwindigkeit des Brennofens, den Kühlerluftstrom und die Kühlerrostgeschwindigkeit umfasst.
Steuereinrichtung gemäß Anspruch 8, die so angeordnet ist, dass sie unter Einsatz einer Steuermatrix, die Werte einschließt, welche die Beziehungen zwischen den Betriebsparametern und den Messgrößen der Anlage bestimmen, die Parameter beeinflusst, um die Messgrößen der Anlage zu ändern, so dass sie sich den entsprechenden Sollwerten annähern.
Steuereinrichtung gemäß Anspruch 5, die weiterhin eine thermodynamische Steuerung einschließt, die mit der Brennofenanlage verbunden ist, worin die thermodynamische Steuerung so ausgestaltet ist, dass sie einen Eingabewert von der Brennofenanlage erhält, der den Wert mindestens einer Messgröße der Anlage darstellt, worin die Steuerung weiterhin so ausgestaltet ist, dass sie einen Sollwert für die mindestens eine Messgröße der Anlage und den Wert der mindestens einen Messgröße der Anlage vergleicht und, wenn diese Werte verschieden sind, einen Ausgabewert erzeugt, wodurch ein oder mehrere Betriebsparameter der Brennofenanlage geändert werden, und worin der mindestens eine durch die thermodynamische Steuerung gesteuerte Betriebsparameter der Brennofenanlage von dem einen oder den mehreren durch die Steuerung des freien Kalks gesteuerten Betriebsparametern verschieden ist.
Steuereinrichtung gemäß Anspruch 10, worin der mindestens eine oder mehrere Betriebsparameter der Brennofenanlage, die durch die thermodynamische Steuerung gesteuert werden, mindestens einen Parameter aus der Gruppe, umfassend die gesamte dem Brennofen zugeführte Kohle, die Geschwindigkeit des Hauptlüftungsrades, die Geschwindigkeit des Brennofens, die Rohmehlzuführung, den Kühlerluftstrom und die Kühlerrostgeschwindigkeit, umfassen und worin der Betriebsparameter der Brennofenanlage, der durch die Steuerung des freien Kalks gesteuert wird, der Prozentsatz an Brennstoff, der dem rückwärtigen Ende des Brennofens zugeführt wird, ist.
Steuereinrichtung gemäß Anspruch 5, worin die innere Steuerung eine thermodynamische Steuerung ist, worin die zweite Sollwert-Eingabe von der äußeren Qualitätssteuerung an die thermodynamische Steuerung ein Sollwert für mindestens eine Messgröße der Anlage ist, worin die thermodynamische Steuerung so ausgestaltet ist, dass sie einen Eingabewert von der Brennofenanlage erhält, der den Wert der mindestens einen Messgröße der Anlage darstellt, und worin die thermodynamische Steuerung weiterhin so ausgestaltet ist, dass sie den Sollwert für die mindestens eine Messgröße der Anlage und den Eingabewert, der den Wert der mindestens einen Messgröße der Anlage darstellt, vergleicht und, wenn diese Werte verschieden sind, einen Ausgabewert erzeugt, wodurch ein oder mehrere Betriebsparameter der Brennofenanlage geändert werden.
Steuereinrichtung gemäß Anspruch 12, worin die mindestens eine Messgröße der Anlage eine oder mehrere Messgrößen der Anlage, ausgewählt aus der Gruppe, die die Temperatur am rückwärtigen Ende, die Temperatur im Abzug und die NOX-Konzentration einschließt, ist.
Steuereinrichtung gemäß Anspruch 13, worin die ausgewählte Messgröße der Anlage die Temperatur im Abzug ist.
Steuereinrichtung gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, die eine Steuerung des freien Kalks einschließt, die so angeordnet ist, dass sie eine Sollwert-Eingabe für den Gehalt an freiem Kalk im Klinker und einen Eingabewert, der die gegenwärtige Menge an freiem Kalk, die im durch die Brennofenanlage hergestellten Klinker vorhanden ist, angibt, erhält, und worin die Steuerung des freien Kalks weiterhin so ausgestaltet ist, dass sie den Sollwert für den Gehalt an freiem Kalk und den Eingabewert, der die gegenwärtig vorhandene Menge an freiem Kalk angibt, vergleicht und, wenn diese Werte verschieden sind, einen Ausgabewert erzeugt, wodurch direkt oder indirekt ein oder mehrere Betriebsparameter der Brennofenanlage geändert werden, so dass die Menge an freiem Kalk, die in dem durch die Brennofenanlage hergestellten Klinker vorhanden ist, im wesentlichen dem Sollwert für den Gehalt an freiem Kalk gleicht.
Steuereinrichtung gemäß Anspruch 15, worin der Sollwert für den freien Kalk von der Steuerung für das 3CaO·SiO₂ erhalten wird.
Steuereinrichtung gemäß Anspruch 15, worin der Sollwert für den freien Kalk durch das Bedienpersonal der Steuerung manuell eingegeben wird.
Steuereinrichtung gemäß einem der Ansprüche 15 bis 17, worin der eine oder mehrere Betriebsparameter, die durch die Steuerung des freien Kalks gesteuert werden, von dem einen oder mehreren Betriebsparametern, die durch die thermodynamische Steuerung gesteuert werden, verschieden sind.
Steuereinrichtung gemäß einem der Ansprüche 15 bis 18, worin der Betriebsparameter, der durch die Steuerung des freien Kalks gesteuert wird, der Prozentsatz an Brennstoff, der dem rückwärtigen Ende des Brennofens zugeführt wird, ist.