DE602004010389T2

DE602004010389T2 - System und verfahren zur selbstanpassenden on-line steuerung einer abbrennstumpfschweissmaschine

Info

Publication number: DE602004010389T2
Application number: DE602004010389T
Authority: DE
Inventors: Francesco Drius; Fabio Guastini; Daniele Venier; Giuseppe Buzzi
Original assignee: Danieli and C Officine Meccaniche SpA; Danieli Automation SpA
Current assignee: Danieli and C Officine Meccaniche SpA; Danieli Automation SpA
Priority date: 2003-03-25
Filing date: 2004-03-24
Publication date: 2008-10-16
Anticipated expiration: 2024-03-25
Also published as: CN100436025C; ITMI20030589A1; CN1761548A; WO2004085107A1; US20070034611A1; WO2004085107A8; DE602004010389D1; EP1624993B1; EP1624993A1; ES2297404T3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Online-Steuerung einer Stumpfschweißmaschine für Stäbe, Vorblöcke oder Walzblöcke, z. B. vom Abschmelzschweißtyp, das in einen kontinuierlichen Prozess für die Herstellung von Vorblöcken oder Walzblöcken eingefügt wird, und auf ein speziell zur Ausführung des genannten Verfahrens erdachtes Steuersystem gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 bzw. 6 (siehe z. B. US-A-3 612 811 ).
Stand der Technik
Im Stand der Technik sind Stumpfschweißprozesse vom Abschmelzschweißtyp bekamt, die verschiedene Schritte umfassen.
Der erste Schritt ist der des Vorheizens, der beginnt, wenn die Schweißmaschine den äußeren Freigabebefehl zum Start der Schweißoperation empfängt. In diesem Schritt wird der Walzblock zwischen den Klemmbacken ergriffen und werden die Verbindungen zyklisch näher zueinander und voneinander wegbewegt, um zu veranlassen, dass darin ein Strom mit hoher Stärke fließt.
Um zu verhindern, dass die Enden der Walzblöcke mit einer größeren Kraft kleben als der Kraft des Lösens, die durch die Klemmbacken geliefert werden kam, wird das Vorheizen der Walzblöcke mit Impulsen von kurzer Dauer ausgeführt. Falls die Vorheizspannung zu hoch ist, kann es geschehen, dass Lichtbögen gestartet werden. Während des Vorheizens hält die Steuerung des Stroms allgemein den Maximalstrom, den die Leistungsversorgung im Kurzschluss aufrechterhalten kann. Der Zweck des Vorheizens ist nicht so sehr der des Heizens der Walzblöcke wie der des Abbrennens und daraufhin des Ausglättens möglicher Unregelmäßigkeiten der Kontaktoberflächen, in denen der Strom konzentriert würde. Tatsächlich ist es angesichts des niedrigen Widerstands der Walzblöcke bei einem Strom von 30 000 A nicht möglich, eine Wärmeleistung zuzuführen, die höher als einige tausend Watt (3–5 kW) ist, was nur eine mäßige Erwärmung erzeugt, die niedriger als ein Grad Celsius pro Sekunde ist.
Wenn der Vorheizschritt abgeschlossen worden ist, normalerweise nach einer voreingestellten Zeit, wird der hier als Szintillation bezeichnete zweite Schritt ausgeführt.
Beim Start dieses zweiten Schritts sind die elektrischen und mechanischen Wege des Prozesses darauf gerichtet zu veranlassen, dass der elektrische Lichtbogen startet und sich auf regelmäßige Weise zwischen den Stoßstellen verbreitert. Daraufhin werden während des Schmelzvorgangs die Geometrie des Lichtbogens und die den Stoßstellen zugeführte Wärmeleistung auf voreingestellten Wegen gehalten, die das Ergebnis der Schweißoperation optimieren. Die maximale Leistung, die in der Szintillation zugeführt werden kann, wird durch Einwirken auf die Versorgungsspannung eingestellt, die dadurch eingestellt werden kann, dass auf das Übersetzungsverhältnis des Transformators (als "Abgriffänderung" definiert) und auf den Auslösewinkel der an der Primärwicklung vorhandenen Phasendrosseleinrichtung eingewirkt wird. Es ist eine Positionsregelung vorgesehen, die mittels eines Hydraulikzylinders die relative Entfernung zwischen den Klemmbacken einstellt. Normalerweise wird die genannte Entfernung so eingestellt, dass der Lichtbogenstrom konstant zu halten versucht wird. Insofern, als der Szintillationsschritt in drei Zeitintervalle geteilt ist, die mit verschiedenen Geschwindigkeiten der gegenseitigen Annäherung der Klemmbacken gemanagt werden müssen, ist der für die Klemmbacken eingestellte Positionsweg üblicherweise von einem parabolischen Typ.
In dem ersten Zeitintervall wird die Oberfläche der Walzblöcke auf 1500°C gebracht. Insofern, als das Metall noch nicht schmilzt, könnten die Geschwindigkeiten der Klemmbacken in diesem Schritt selbst null sein.
Im zweiten Zeitintervall schmilzt der Stahl dadurch, dass die genutzte Leistung konstant gehalten wird. Anfangs ist der Stahl kalt, bis er in die Nähe der Oberfläche des Walzblocks gelangt, woraufhin die Wärme in einem großen Umfang ins Innere des Walzblocks verteilt wird und der Stahl folglich langsam schmilzt. Während der Walzblock erwärmt wird, neigt das Temperaturprofil in dem Stahl zu einer konstanten Grenzform, wobei die Schmelzrate konstant wird. In diesem Zeitintervall muss die Geschwindigkeit der Klemmbacken derart sein, dass sie dem Fortschritt der verbrauchten Oberflächen folgt.
Falls das Schweißsystem mit einem Konstantspannungs-Niederimpedanzgenerator geliefert wird, ist diese Verfolgung des Fortschritts der verbrauchten Oberflächen insofern, als dann, wenn die Geschwindigkeit der Klemmbacken erhöht wird, die Entfernung verringert wird und folglich der Strom und die Wärmeleistung zunehmen und sich somit die Geschwindigkeit des Schmelzvorgangs automatisch an die der Klemmbacken anpasst, kein entscheidender Faktor. Je höher die Geschwindigkeit der Klemmbacken ist, desto höher sind der Strom und die Schweißleistung und desto kleiner sind die Lichtbogenspannung und die Schweißzeit. Dagegen kann die Zunahme der Leistung die Geschwindigkeit der Annäherung der Klemmbacken nicht mehr kompensieren, wenn die Geschwindigkeit der Klemmbacken übermäßig zunimmt, wobei ein Kurzschluss erzeugt wird, sodass die unerwünschte Erscheinung des instabilen Schweißens verursacht wird.
Während des Schweißens verbrennt der Stahl, der schmilzt, den Sauerstoff in der Nähe der Schweißzone, was den Vorteil mit sich bringt, dass das Schweißen nahezu in einer inerten Atmosphäre stattfindet. Falls der Lichtbogen dagegen gelöscht wird, tritt Sauerstoff ein, der ein Oxid erzeugt, das die Schweißung beschädigt. Ein weiterer Nachteil ist in diesem Fall, dass dann, wenn der Lichtbogen gelöscht wird, die Abkühlung der Oberfläche der Stoßstellen so schnell erfolgt, dass sie Probleme des Wiedererstarrens verursacht. Außerdem können kurze Intervalle des Löschens des Lichtbogens in dem Gebiet von 100 ms, falls sie kurz vor dem nachfolgenden Druckverformungsschritt auftreten, die Schweißung gefährden.
Andererseits tritt während des Szintillationsschritts der geschmolzene Stahl aus dem Spalt aus und bringt mögliche Oxide mit. Folglich gefährden mögliche kurze Unterbrechungen des Lichtbogens in einer weiten Entfernung von der Druckverformung nicht immer das Ergebnis der Schweißoperation; allerdings sind Lichtbogenunterbrechungen in jedem Fall zu vermeiden, da die Schweißung in diesem Fall wenig Energie empfängt und es eine Steuerung der Ergebnisse der Schweißoperation gibt. Dieser Fall kann auftreten, wenn zu große Auslösewinkel der Drosselvorrichtung genutzt werden, sodass die Stromabfälle, die erzeugt werden, den Lichtbogen instabil machen können und häufige Löschungen davon verursachen können, die die Schweißqualität gefährden.
Schließlich sieht der Szintillationsschritt außerdem ein drittes Zeitintervall vor, in dem der Spalt zwischen den Enden der Schweißblöcke geschlossen wird, um den Druckverformungsschritt zu starten. Es ist wichtig, den Spalt sehr schnell in der Weise zu schließen, dass die Luft beim Verstreichen der Zeit zwischen dem Löschen des Lichtbogens und dem Kontakt der Endoberflächen keine Zeit einzutreten hat, was sowohl eine Oxidation des Stahls als auch eine Abkühlung der Oberflächen der Walzblöcke verursacht. Während der Operation des Schließens des Spalts wird dadurch, dass der erste Teil der Druckverformungsoperation in Anwesenheit eines hohen Stroms ausgeführt wird, um mittels einer Energiezufuhr durch den Joule-Effekt die Abkühlung wegen der Diffusion von Wärme in den Walzblöcken zu kompensieren, darauf geachtet, dass der Lichtbogen nicht gelöscht wird. Der Strom wird nur etwa einhundert Millisekunden nach Auftreten des Kurzschlusses unterbrochen.
Die Rate, mit der der Stahl verbraucht wird, wenn der Lichtbogen gezündet wird, ist ein entscheidender Parameter und ist proportional zur Schweißleistung. Die genannte Rate sollte im Durchschnitt 1,8–2 mm/s betragen. Die Anfangsrate des Schweißprozesses ist die Hälfte der durchschnittlichen.
Beim Hochleistungsschweißen gibt es einen weiteren Nachteil; d. h., es geschieht, dass der Stahl schnell brennt und somit die "plastische" Zone, d. h. die, die bei einer Temperatur zwischen 1400°C und 1500°C zu finden ist und die für die Druckverformung verwendet wird, verdünnt wird. Dies kann "kalte" Schweißstellen verursachen. Stattdessen wird bei Leistungen, die zu niedrig sind, die Schweißzeit verlängert, wobei es eine unzureichende Entleerung der Oxide geben kann, die während der Szintillation gebildet werden.
Im Allgemeinen wird die Zeit zum Zünden des Lichtbogens in der Weise gewählt, dass eine Dicke des Stahls geschmolzen wird, die wenigstens gleich der ursprünglichen maximalen Unregelmäßigkeit des Produktes ist, wobei außerdem die konservativste Durchschnittsgeschwindigkeit des Schmelzvorgangs berücksichtigt wird, die näherungsweise 1,8 mm/s ist.
Die Definition eines maximalen Schwellenwerts für den Strom soll die Kurzschlüsse dadurch, dass die Entfernung zwischen den zu schweißenden Endoberflächen erhöht wird, schnell unterbrechen. Allerdings ist der genannte Schwellenwert recht kritisch zu kalibrieren. Im Fall einer falschen Kalibrierung kann die Herstellung von Kurzschlüssen im letzten Schritt der Szintillation die Güte der Schweißung gefährden. Auch wenn Kurzschlüsse, die beim Start des Szintillationsschritts erzeugt werden, die Schweißung nicht ernsthaft gefährden, falls sie innerhalb einhundert Millisekunden unterbrochen werden, veranlassen sie doch eine Verringerung der den Stoßstellen zugeführten Energie, wobei dies zu einer Streuung der Ergebnisse führt.
Aus dem Gesagten ergibt sich, dass der Teil des Szintillationsschritts, der den größten Einfluss auf die Qualität der Schweißoperation hat, der letzte (die letzten 2–3 Sekunden) ist, in dem es absolut notwendig ist zu verhindern, dass Löschungen des Lichtbogens oder Leistungsabfälle auftreten.
Der dritte Schritt des Schweißprozesses ist der der Druckverformung, wobei er auf den Szintillationsschritt folgt. In diesem Schritt werden die Kraft des Drucks zwischen den Walzblöcken und der verwendete Strom so gesteuert, dass voreingestellte Wege befolgt werden, die die Qualität der Schweißverbindung optimieren. Am Ende des Schweißvorgangs wird der Strom auf einen Maximalwert eingestellt, um die Verschmelzung irgendwelcher Bereiche zu begünstigen, die kalt und oxidiert geblieben sein können, was einen Widerstand während der Annäherung der zwei Oberflächen verursachen könnte, wobei das Servoventil, das die Positionierung der Klemmbacken der Schweißmaschine steuert, vollständig geöffnet wird, um die maximale Spaltschließgeschwindigkeit zu erreichen. Der Druck wird durch das Expansionsgefäß PH (Hochdruck) bestimmt, das der Hydraulikkreis bereitstellt. Nachdem ein Löschen des Lichtbogens aufgetreten ist, ist es wichtig, den Spalt so bald wie möglich zu schließen, um das Eindringen von Luft in die Schweißzone und das Abkühlen der Oberflächen zu verhindern.
Der Strom geht nur dann auf null, wenn die nutzbare Leistung unter einen gegebenen Schwellenwert (z. B. 50 kW) fällt oder wenn in dem Steuersystem eine Bedingung der Zeitüberschreitung (z. B. 200 ms) auftritt.
Aus einer Analyse des mit einigen bekannten Abschmelzschweißmaschinen erhaltenen Produkts ist ein hoher Prozentsatz von Stoßstellen erfasst worden, die Schweißdefekte darstellen, die es geschafft haben, die Walzgerüste zu erreichen, ohne von der Qualitätskontrolle erfasst worden zu sein. Diese schlecht geschweißten Stoßstellen verursachten Qualitätsprobleme in dem Endprodukt und in Extremfällen sogar eine Stauung des Walzwerks.
Eine tiefgreifende Untersuchung des Problems auf der Grundlage der Erfassung der Daten über Hunderte von Schweißungen hat zu der Schlussfolgerung geführt, dass sich die große statistische Streuung der Schweißergebnisse aus der großen Streuung bestimmter Störungsfaktoren ergibt, die an dem Schweißprozess beteiligt sind. Die wichtigsten identifizierten Störungserscheinungen sind: die in der Geometrie der Oberflächen der zu schweißenden Stoßstellen vorhandenen Unregelmäßigkeiten, die häufig Bereiche der Endoberflächen der Walzblöcke haben, die sehr weit voneinander entfernt eingestellt sind und nicht zueinander passen, und die unterschiedliche Anfangstemperatur des Stahls.
Es ist ermittelt worden, dass die bei der Regulierung der Schweißprozesse in den Maschinen verwendeten Steuersysteme gemäß dem Stand der Technik große Parameterschwankungen der Prozesse, wenn diese auftreten, nicht behandeln können, was zu der Streuung der Ergebnisse des Schweißprozesses führt.
Darüber hinaus ist unter den Systemen zum Steuern des Schweißens für Wechselstromschweißmaschinen keine Steuereinheit bekannt, die die Robustheitsanforderungen erfüllen kann, die verlangt werden, um den Betrieb in bestimmten unvorteilhaften Bedingungen zu ermöglichen. Die Mehrzahl bekannter Schweißsteuereinheiten (siehe die folgenden Veröffentlichungen: A. P. Chekmarev, u. a., "Determining the flash allowance for welding hot billets in continuous rolling mills", Svar. Proiz., 1970, Nr. 8, S. 5–7, und "A new control system for the K-190P rail flash welding machine"; N. V. Podola, V. P. Krivenos, B. L. Grabchev, "Automatic Welding", Bd. 36, Nr. 8, August 1983, S. 40–43, 1, Tabelle 3, Literaturhinweis "AUTOMATIC WELDING") beruhen auf einem System, das veranlasst, dass die Klemmbacken einem parabolischen Weg einer Position ohne Rückwirkung, d. h. unabhängig von den Messungen der Spannung und des Lichtbogenstroms, folgen. Der genannte Weg wird nur im Fall des Auftretens von Kurzschlüssen geändert, wobei in diesem Fall zu dem parabolischen Weg mit einer vorgegebenen Position ein kleiner Schritt zum Öffnen der Klemmbacken hinzugefügt wird.
Auf diese Weise kann das Bewegungssystem die Geometrie des Lichtbogens insofern nicht stabilisieren, als es die genannte Geometrie nicht berücksichtigt.
Das Patent US-A-4.940.876 beschreibt eine Lichtbogenimpedanzsteuereinheit für Wechselstromschweißmaschinen. Der Regler hält die Lichtbogenimpedanz durch Einwirken auf die Hydraulikpositionsregelung konstant. Die Kurzschlussimpedanz, die in dem angenommenen Berechnungssystem ein wesentlicher Parameter ist, wird in dem Druckverformungsschritt am Ende jedes Schweißzyklus gemessen und erneut aktualisiert. Auf diese Weise berücksichtigt das Regelungssystem aber in keiner Weise die Tatsache, dass sich die Charakteristik des Lichtbogens in den Anfangsmomenten des Schweißprozesses enorm ändert und somit während eines Schweißzyklus nicht konstant bleibt. Diese Änderung tritt auf, da der Lichtbogen besonders in Anwesenheit unregelmäßiger Endoberflächen zunächst an einem Punkt der Stoßstellen beginnt, wo diese näher zueinander eingestellt worden sind, und daraufhin fortschreitend auf den Rest der Endoberfläche aufgeweitet wird, wobei er aber einige Sekunden damit verbringt, die gesamte Stoßstelle zu erfassen. Um die Lichtbogenimpedanz in Anwesenheit eines Lichtbogens, dessen Charakteristik sich ändert, in diesem Schritt konstant zu halten, kann das genannte Steuersystem nicht verhindern, dass während der Zündung Kurzschlüsse gebildet werden. Da es bei jedem Kurzschluss eine Löschung des Lichtbogens und somit eine Verringerung der den Stoßstellen zugeführten Wärmeenergie gibt, erzeugt diese Art der Steuereinheit Unregelmäßigkeiten in der der Schweißung zugeführten Energie und somit eine Streuung der Ergebnisse.
Das Dokument US-A-3612811 offenbart ein Verfahren zum Ausführen von elektrischem Stumpfschweißen von Werkstücken durch ununterbrochenes Abschmelzen der Enden der Werkstücke. Die Vorrichtung zur Schweißsteuerung ist mit zwei Kanälen versehen, von denen einer zwei Temperaturmeßfühler umfasst. Auf der Grundlage dieser Eingaben steuert ein Computer ein Stellglied, um die Werkstücke während des Abschmelzprozesses zu bewegen.
Darstellung der Erfindung
Die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist das Beseitigen der erwähnten Nachteile gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung mittels eines Verfahrens zur Steuerung einer Stumpfschweißmaschine vom "Abschmelz"-Typ gemäß Anspruch 1 und gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung mittels eines Steuersystems mit den Eigenschaften von Anspruch 6.
Ein Diagnosesystem gemäß der vorliegenden Erfindung kann durch gleichzeitiges Einwirken auf die veränderlichen Parameter, die in den verschiedenen Schritten der Schweißoperation eingreifen, die Ergebnisse der genannten Operation optimieren.
Die vorliegende Erfindung überwindet insbesondere Probleme, die von bekannten Steuereinheiten und insbesondere von der Impedanzsteuereinheit, die in der oben erwähnten US-A-4940876 beschrieben ist, die unter den Steuereinheiten eine der fortgeschritteneren Ausführungsformen bildet, aber nicht auf die Versorgungsspannung wirkt, um die Schweißsteuerung zu verbessern, ungelöst gelassen worden sind.
Um optimale Ergebnisse zu erhalten, steuert das Steuersystem gemäß der Erfindung während des Szintillationsschritts nicht nur die Lichtbogenimpedanz, sondern auch mehrere weitere Variablen, darunter an erster Stelle die Lichtbogenlänge. Dank dieser Tatsache wird die Möglichkeit des Auftretens von Kurzschlüssen insofern, als die Steuerung der Länge des Lichtbogens tatsächlich verhindert, dass die Stoßstellen einander berühren, drastisch verringert. Dies erfolgt durch Schätzen der Lichtbogenlänge mit einem mathematischen Modell, das auf der Kenntnis der physikalischen Gesetze, die das Verhalten des Prozesses bestimmen, und auf direkten Messungen beruht. Um die Versorgung mit der Leistung sicherzustellen, die auch bei einer veränderlichen Lichtbogenimpedanz erwünscht ist, wird darüber hinaus die Primärspannung dadurch gesteuert, dass auf den Auslösewinkel der Drosselvorrichtung eingewirkt wird. Falls der Lichtbogen beim Starten des Lichtbogens beim Start des Szintillationsschritts wegen Unregelmäßigkeiten der genannten Oberflächen in einem kleinen Teil der zu verschweißenden gegenüberliegenden Oberflächen beschränkt ist, stellt der genannte Lichtbogen somit ausgehend von derselben Länge eine hohe Impedanz dar. Das Steuersystem erhöht die Versorgungsspannung, um dem Lichtbogen auf jeden Fall die volle Leistung zuzuführen, die die Oberflächenunregelmäßigkeiten, an denen der Lichtbogen begonnen hat, schneller schmilzt. Somit begünstigt dies durch Einebnen der zu verschweißenden Endoberflächen eine schnelle Beseitigung der Unregelmäßigkeiten.
Daraufhin wird die zugeführte Wärmeleistung in der letzten Sekunde des Szintillationsschritts fortschreitend verringert, um in dem Gebiet der Walzblöcke in der Nähe der Endoberflächen eine umfassendere 'plastische' Schicht zu veranlassen, die die Qualität der Schweißung verbessert.
Um außerdem das Problem extremer Änderungen in den Bedingungen, für die das Steuersystem keine ausreichenden Spielräume der Zeit, die verwendet werden kann, und der Leistung, die zugeführt werden kann, besitzt, um die Schweißoperation richtig zu Ende zu bringen, zu überwinden, wird vorteilhaft ein System der Online-Diagnose geschaffen, das die Schweißverbindung auf zuverlässige Weise erkennt und deren Beseitigung aus der Verarbeitungslinie ermöglicht.
Ein weiterer Vorteil des Steuersystems gemäß der Erfindung ist die Anwesenheit eines Beobachters des dynamischen Zustands, der durch Betrachtung der gesamten Historie des Schweißprozesses bis zum gegenwärtigen Moment den Trend einer großen Anzahl von Zustands- und Leistungsvariablen, auf denen die Wirkung der Steuerung und Diagnose beruht, rekonstruieren und ebenfalls für die nachfolgenden Momente vorhersagen kann. Die gleichzeitige Steuerung dieser Variablen, um sie auf vorgegebenen Wegen zu halten, führt im Vergleich zu bekannten Steuersystem, die nur auf der Erfassung einiger Variablen beruhen, die direkt messbar sind, eine Tatsache, die den Schweißprozess unzuverlässiger macht, zu einer Verbesserung der Leistung.
Die Kombination aller dieser in dem Steuersystem gemäß der Erfindung vorgesehenen Elemente bestimmt die höhere Schweißqualität in den Walzblöcken.
Unter den Hauptaufgaben, die das Steuersystem löst, ist die, den Trend der elektrischen, thermischen und mechanischen Zustandsvariablen des Schweißsystems in jedem Schritt der Schweißoperation zuverlässiger und wiederholbarer zu machen, sowie die, möglicherweise nicht zuzulassen, dass sich irgendwelche Stoßstellen, in denen die Schweißoperation insgesamt nicht erfolgreich gewesen ist, zu den nachfolgenden Verarbeitungsschritten bewegen.
Liste der Figuren
Weitere Vorteile, die mit der vorliegenden Erfindung erzielt werden können, ergeben sich für den Fachmann deutlicher aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung einer besonderen und nicht einschränkenden Ausführungsform eines Systems zur Online-Steuerung einer Stumpfschweißmaschine anhand der folgenden Figuren, in denen:
1 ein Blockschaltplan des Steuersystems gemäß der Erfindung ist;
2 ein Funktionslogikdiagramm des Verfahrens gemäß der Erfindung ist; und
3 eine Anzahl von Graphen mit optimalen Wegen für einige Leistungsvariablen darstellt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die Lösung gemäß der Erfindung zur Lösung des technischen Problems schafft ein Verfahren zur Steuerung und Online-Diagnose einer Stumpfschweißmaschine des "Abschmelzschweiß"-Typs, die so ausgelegt ist, dass sie in einen kontinuierlichen Prozess zur Herstellung von Vorblöcken und Walzblöcken aufgenommen werden kann.
Das Verfahren gemäß der Erfindung sieht im Wesentlichen die Steuerung zweier Stellglieder vor, die auf der Grundlage vorgegebener Kriterien, die in der folgenden Beschreibung detaillierter veranschaulicht sind, auf den Auslösewinkel der Drosselvorrichtung zum Steuern der elektrischen Maschine, die der Schweißung Wärmeleistung zuführt, bzw. auf das Öffnen des Ventils, das die Positionierung der Klemmbacken der Schweißmaschine steuert, einwirken.
Besonders anhand von 1, in der die folgenden Symbole verwendet sind,

U: = Steuersignale (Transformationsrate, Auslösewinkel, Ventilschalter);
Ym: = Direktmessungen (Wechselstromleistung, Wechselspannung, Strom, Gleichspannung, Auslasstemperatur, Einlasstemperatur, Zylinderstellung, Ventilstellung, Zylinderdruck);
Z: = Leistungsvariablen;
Z_set: = Sollwege von Z;
Z_spec: = Spezifikation der Wege von Z;
X: = geschätzte Zustandsvariable;
Sync: = Zustand der Schweißsequenz; und
Y_diag: = Diagnosealarme,

Gemäß einem besonders vorteilhaften Aspekt der Erfindung sieht das Steuersystem ebenfalls ein Diagnosesystem vor, das die Stoßstellen identifizieren kam, die es wegen der Anwesenheit extremer Werte der Störungserscheinungen nicht richtig schweißen konnte.
Das dynamische Steuergesetz, Block C, wirkt gleichzeitig auf den Auslösewinkel einer Drosselvorrichtung, die die Versorgung reguliert, und auf die Hydrauliksteuerung der Bewegung der Klemmbacken, indem es den realen Trend der elektrischen, mechanischen und thermischen Werte des Schweißprozesses nahe dem optimalen Trend hält. Da nicht alle Variablen, die den Trend des Schweißprozesses bestimmen, gemessen werden können, wird ein Verfahren zur Schätzung auf der Grundlage eines mathematischen und heuristischen Modells geschaffen, das die zur Vervollständigung der Informationen über den Zustand der Schweißung notwendigen Variablen online rekonstruiert. Auf der Grundlage dieser Zustandsvariablen werden die Variablen identifiziert, die die Qualität des Prozesses bestimmen, deren Trend die Güte des globalen Ergebnisses der Schweißung bestimmt. Für diese Variablen, die hier "Leistungsvariablen" genannt werden, sind durch Tests die optimalen Wege bestimmt worden, die während der Schweißoperation befolgt werden sollten.
Auf der Grundlage der durch einen Beobachter des dynamischen Zustands gelieferten Leistungsvariablen ist außerdem ein Diagnosesystem entwickelt worden, das beim Auftreten eines Problems erfassen kann, ob die Schweißung nicht die Sollqualität erreicht hat. Der durch dieses Diagnosesystem erzeugte Alarm ermöglicht zu verhindern, dass die defekte Stoßstelle zu dem nachfolgenden Verarbeitungsschritt fortschreitet.
Das Steuersystem gemäß der Erfindung umfasst die im Folgenden besonders anhand von 1 beschriebenen Funktionsblöcke.
Das System umfasst einen Beobachter eines dynamischen Zustands, Block A, der den Zustand des Schweißprozesses X erfasst und ebenfalls jene Komponenten erfasst, die nicht direkt gemessen werden, deren Trend aber wichtige Wirkungen auf das Endergebnis hat. Der Dynamik-Beobachter, Block A, verwendet die direkten Messungen Ym, die Eingangssteuerungen U und eine Menge physikalischer Gesetze und experimenteller Regeln (f(X, U, Ym, Sync)), die den Trend des Prozesses definieren, um ein Bild des Zustands zu erhalten, in dem der Schweißprozess vorgefunden wird, und um seine Entwicklung dX/dt in der Zeit vorherzusagen. Der Beobachter des dynamischen Zustands, Block A, liefert mehrere Ausgaben der Leistung Z, die jene Variablen präsentieren, deren Wege ein gutes Ergebnis der Schweißoperation definieren. Außerdem sind in diesen mehreren Leistungsvariablen Z Größen enthalten, die, da sie nicht direkt messbar sind, dadurch erhalten werden, dass die dynamische Entwicklung des Prozesses durch physikalische und experimentelle Gesetze interpretiert wird, die geeignet in dem Dynamik-Beobachter A gespeichert sind. Die Aktivität der Steuerung und die Online-Diagnose des Steuersystems werden dank der genannten mehreren Leistungsvariablen Z ausgeführt. Durch den Beobachter A des dynamischen Zustands werden die Variablen rekonstruiert, die in den verschiedenen Schritten die Funktion haben, den Zustand und die Ergebnisse des Schweißprozesses zu identifizieren.
Unter den betrachteten Leistungsvariablen sind vorteilhaft: der Druck in dem Zylinder; die Stellung des Zylinders; die Geschwindigkeit des Zylinders; die Stellung des Servowinkels; der Auslösewinkel der Drosselvorrichtung; das Übersetzungsverhältnis des Transformators, das nur in dem Fall verwendet wird, in dem die Steuereinheit es automatisch steuern kann; die von dem Netz verbrauchte elektrische Leistung; die Spannung der den Anschlüssen des Transformators zugeführten Gleichspannungsversorgung; die Lichtbogenspannung; der Lichtbogenstrom; die den Stoßstellen zugeführte Wärmeenergie; die an die Stoßstellen übermittelte Wärmeleistung; ein Wärmeabbild der Stoßstellen; die Breite der Zwischenräume zwischen den Stoßstellen; die Menge geschmolzenen Metalls; die Schmelzrate der Stoßstellen; die Lichtbogenleistung; die durch die Leistungsversorgung zugeführte elektrische Leistung; und die Lichtbogenimpedanz.
Der Beobachter des dynamischen Zustands, Block A, sieht in Reaktion auf die Steuereingaben unter Verwendung von Algorithmen, die physikalische und experimentelle Gesetze berücksichtigen, den Trend des Prozesses voraus und verwendet die Messungen lediglich zur Aktualisierung der getroffenen Vorhersagen und zur Korrektur der Werte jener Parameter, die Zeitänderungen unterliegen.
Unter den Parametern, die sich in der Zeit ändern können und die der Beobachter eines dynamischen Zustands, Block A, während der Ausführung des Schweißprozesses online identifiziert, sind: die Parameter, die der Spannungs-Strom-Lichtbogenlängencharakteristik entsprechen, der thermische Wirkungsgrad des Lichtbogens, der als das Verhältnis zwischen den Stoßstellen zugeführter Wärmeenergie und dem Lichtbogen zugeführter Elektroenergie definiert ist, der Wirkungsgrad der Leistungsversorgung, der Widerstand der Gleichspannungsschaltung und die Position der Stoßstellen zu Beginn der Schweißoperation. Im Fall eines Ausfalls für ein System der direkten Messung einer Variablen sagt der Beobachter A eines dynamischen Zustands auf jeden Fall den Trend der genannten Variablen weiter voraus und kann das dynamische Steuergesetz, Block C, den Prozess, wenn auch mit einer etwas verschlechterten Leistung, auch dann regulieren, wenn die Letztere Variable nicht mehr gemessen wird.
Ein weiteres in dem Steuersystem enthaltenes Element ist der Dynamik-Generator von Wegen für die Leistungsvariablen, Block B, der Algorithmen verwendet, die auf physikalischen Gesetzen und experimentellen Regeln vom Typ g(X, U, Ym, Sync) beruhen. Der Dynamik-Generator von Wegen liefert die optimalen Wege Z_set, von denen erwünscht ist, dass sie die Leistungsvariablen Z befolgen. Die Wege werden über eine Menge von durch den Konstrukteur geeignet gewählten Parametern Z_spec konfiguriert.
In dem Steuersystem ist das bereits erwähnte dynamische Steuergesetz, Block C, vorgesehen, das auf der Grundlage der Werte der Leistungsvariablen Z und der optimalen Wege Z_set die Steuerung für die Stellglieder U berechnet.
Darüber hinaus ist eine dynamische Diagnosevorrichtung, Block D, vorgesehen, die durch Vergleich der Wege der Leistungsvariablen mit den Sollleistungsvariablen Indizes der Schweißqualität X_diag erzeugt. Falls diese Qualitätsindizes außerhalb eines vorgegebenen Intervalls liegen, wird ein Alarmsignal erzeugt, das die Annahme einer Strategie der Wiederherstellung der Schweißung durch das dynamische Steuergesetz, Block C, veranlasst, das die Unterbrechung der Schweißoperation vor dem Druckverformungsschritt vorsieht. In Extremfällen, in denen der Alarm während des Druckverfolgungsschritts erzeugt worden ist, ist der nächste Schritt das Zerschneiden der geschweißten Stoßstelle. Die dynamische Diagnosevorrichtung D steuert außerdem den Wirkungsgrad der Mess- und Betätigungsvorrichtung. Im Fall eines Ausfalls werden Alarme erzeugt, die veranlassen, dass das dynamische Steuergesetz, Block C, eine für den Betrieb unter verschlechterten Bedingungen geeignete Steuerstrategie annimmt.
Außerdem umfasst das System einen durch den Block E dargestellten Generator von Sync-Signalen (auch Sequenzmanager genannt), der veranlasst, dass das dynamische Steuergesetz, Block C, in jedem Schritt der Schweißoperation die richtige Betriebsstrategie annimmt, wobei er an alle Blöcke des Steuersystems die richtigen Signale sendet.
Die Betriebsmodalität des Beobachters eines dynamischen Zustands, Block A, gemäß der Erfindung wird auf folgende Weise ausgeführt. Der Zustandsbeobachter, Block A, folgt während des gesamten Schweißprozesses dem Profil der zu schweißenden Stoßstelle. Der Beobachter A des dynamischen Zustands berechnet durch Erfassen des Verhaltens des Stellglieds U, das eine elektrische Leistungsversorgung und ein Hydraulikventil umfasst, den Zustand der Spannungen und Ströme der Schaltung, berechnet das Gleichgewicht der Wärmeleistung in den Stoßstellen, erfasst das Wärmeabbild des Walzblocks, die Geometrie des Lichtbogens und den Zustand des Systems der Hydraulikbewegung. Der Zustandsbeobachter A aktualisiert durch Vergleichen der geschätzten Werte der Variablen mit den jeweiligen effektiven Messungen den geschätzten Zustand und den Wert der Parameter, die durch Online-Ausführung ihrer Identifizierung der Änderung unterliegen.
Die Strategie der Beobachtung ändert sich in den verschiedenen Schritten des Schweißprozesses gemäß den durch den Generator von Sync-Signalen, Block E, definierten Betriebsmodalitäten. Der Zustandsbeobachter erzeugt aus dem rekonstruierten Zustand des Prozesses Leistungsvariable Z, die die für ein gutes Schweißergebnis zu steuernden Hauptwege repräsentieren, die Variablen, an denen die Diagnoseschlussfolgerung auszuführen ist, die Variablen, die ermöglichen, dass der Sync-Generator die Übergänge von einem Schritt zu einem anderen des Schweißprozesses und die Änderungen der Betriebsart festsetzt.
Im Folgenden wird die Betriebsart des Generators optimaler Wege, Block B, beschrieben. Die optimalen Wege Z_set sind Variable in der Zeit und werden beginnend von bestimmten Einstellungsparametern Z_spec der Maschine berechnet.
Die Leistungsvariablen Z, denen Wege für die Steuerung des Vorheizschritts zugewiesen werden, umfassen die Kompressionskraft der zu schweißenden Walzblöcke, die Geschwindigkeit der Verlagerung der Stoßstellen, den Strom, der in die Stoßstellen fließen gelassen wird, und die Zeit des Kontakts zwischen den Stoßstellen.
Die Leistungsvariablen Z, denen Wege für die Steuerung des Szintillationsschritts zugewiesen werden, umfassen die Länge des Lichtbogens, die durch den Lichtbogen zugeführte Wärmeleistung, die Lichtbogenspannung, die Lichtbogenimpedanz und das Temperaturprofil an den Stoßstellen. Die Leistungsvariablen Z, denen Wege für die Steuerung des Druckverformungsschritts zugewiesen werden, umfassen den Druck der Druckverformung der Walzblöcke, den Strom, der in die Stoßstellen fließen gelassen wird, und die Position der Stoßstellen.
Die optimalen Wege für die Leistungsvariablen Z sind eine dynamische Funktion der Zeit und der Leistungsvariablen Z selbst und werden unter Verwendung geeigneter Algorithmen erzeugt, die eine Menge von Regeln enthalten, die von physikalischen Gesetzen und von experimentellen Daten erhalten werden.
Da die Leistungsvariablen, z. B. Lichtbogenimpedanz, Lichtbogenspannung, Lichtbogenstrom, voneinander abhängig sind, wobei sie durch genaue Relationen verknüpft sind, reichen einige wenige Einstellparameter Z_spec aus, um die Trends zahlloser Wege für die Leistungsvariablen Z zu definieren.
Im Folgenden wird die Betriebsmodalität des dynamischen Steuergesetzes, Block C, beschrieben. Das dynamische Steuergesetz, Block C, veranlasst, dass eine Teilmenge der Leistungsvariablen Z, die gemäß dem Schritt des Prozesses gewählt wird, den jeweiligen optimalen Wegen folgt. Falls es nicht möglich ist, allen spezifizierten Wegen genau zu folgen, minimiert das dynamische Steuergesetz, Block C, einen gewichteten Durchschnitt der Verfolgungsfehler der Wege; die Gewichte dieses Durchschnitts werden durch die Steuerverstärkungen bestimmt und mit einer Technik der Mehrzieloptimierung berechnet. Auf diese Weise sind die größten Fehler diejenigen, die den größten Beitrag zur Wirkung der Steuerung liefern.
Die Betriebsmodalität der dynamischen Diagnosevorrichtung, Block D, wird wie folgt ausgeführt. Der Hauptzweck der Diagnosevorrichtung ist das Unterbrechen der Schweißoperation im Fall eines durch die dynamische Diagnosevorrichtung erfassten vorhersehbaren Störungsfaktors, bei dem sich die Qualität der Schweißung verschlechtert. Eine schlechte Schweißung kann äußerst gefährlich sein, da sie zur Stauung in den nachfolgenden Verarbeitungsschritten, insbesondere in dem Walzwerk, führen kann.
Der häufigste und entscheidendste Störungsfaktor besteht in einer deutlichen Unregelmäßigkeit in dem Profil der zu schweißenden Stoßstellen; allerdings kann auch eine weitere Störung wie etwa hohe Kontaktwiderstände mit den Klemmbacken, die keine Übermittlung der Sollleistung an den Lichtbogen ermöglichen, Schwankungen der Leitungsspannung usw. auftreten.
Eine weitere durch die dynamische Diagnosevorrichtung D ausgeführte Funktion ist die der Erfassung möglicher Ausfälle in dem Schweißsystem.
Der dynamischen Diagnosevorrichtung, Block D, werden die Leistungsvariablen Z und die Wegspezifikationen Z_set zugeführt. Ausgehend von diesen Eingangsvariablen erzeugt sie dynamisch in sich mittels eines Algorithmus, der auf einer Menge physikalischer Regeln und experimenteller Intervalle der Werte X_diagn beruht, eine Anzahl von Diagnosevariablen Ydiagn. Falls die Diagnosevariablen Ydiagn aus den jeweiligen Intervallen experimentell voreingestellter Werte austreten, gibt die Diagnosevorrichtung D spezifische Alrame aus. Die Alarme werden an den Generator von Sync-Signalen, Block E, gesendet, der dementsprechend die angemessene Reaktionsstrategie realisiert.
Im Folgenden wird die Betriebsmodalität des Sync-Signal-Generators, Block E, beschrieben. Der Sync-Signal-Generator hat die Hauptaufgabe, den Funktionsblock des Steuersystems über den Zustand der Schweißsequenz zu informieren. Die Schweißsequenz umfasst grundlegend die drei erwähnten Schritte: Vorheizen, Szintillation und Druckverformung. Jeder von diesen wird weiter in Unterschritte zerlegt. Der Start des Schweißzyklus wird durch ein Freigabesignal bestimmt, das in dem Moment, in dem der zu schweißende Walzblock richtig auf der Schweißmaschine positioniert worden ist, durch das zentrale Steuersystem des Walzwerks ausgegeben wird, das bei Bedarf in das System zum Steuern der Schweißung integriert sein kann.
Der Übergang von einem Schritt zum anderen des Schweißzyklus wird auf der Grundlage der Zeit oder aufgrund dessen, dass bestimmte Bedingungen der Leistungsvariablen Z erreicht sind, bestimmt.
Der Sync-Signal-Generator, Block E, informiert die Blöcke des Steuersystems hinsichtlich des Schritts und des Unterschritts des Schweißzyklus, in dem er arbeitet.
Die Betriebsmodalität jedes Schritts des Steuerprozesses kann geändert werden, falls durch die Diagnosevorrichtung, Block D, Alarme ausgegeben worden sind. Der Sync-Generator empfängt die genannten Diagnosealarme, interpretiert sie und sendet die Befehle zum Fortfahren in der richtigen Betriebsart der verschlechterten Operation an die Blöcke des Steuersystems.
Durch das vorteilhafte Beispiel in den Graphen aus 3 sind eine Anzahl optimaler Wege veranschaulicht, die während der Szintillation an einigen nicht direkt gemessenen Leistungsvariablen eingestellt werden.
Das System zum Steuern einer Stumpfschweißmaschine gemäß der oben beschriebenen Erfindung kann mittels eines bewusst konstruierten computergestützten Systems oder ebenfalls auf besonders vorteilhafte Weise mittels eines Programms für einen elektronischen Universalprozessor, zum Beispiel einen PC, erhalten werden. In diesem Fall entsprechen die oben beschriebenen Funktionsblöcke, d. h. der Beobachter A des dynamischen Zustands, der Generator B dynamischer Wege, das dynamische Steuergesetz C, der Generator E von Sync-Signalen und das dynamische Diagnosesystem D Software-Blöcken, die geeignet in der zur optimalen Verwendung auf dem zur Steuerung der Schweißmaschine verwendeten Prozessortyp passenden Programmiersprache geschrieben sind.
Das in 2 angegebene Diagramm repräsentiert den Ablauf oder das Logikfunktionsdiagramm des Prozesses mit Angabe der Größen, die den Übergang von einer Phase des Schweißprozesses zur nächsten ermöglichen. Es geht deutlich der Vorteil hervor, den die Anwesenheit des Diagnosesystems gemäß der Erfindung in Bezug auf bekannte Steuersysteme ermöglicht, wodurch die Qualität der Stoßstelle über eine Online-Prüfung während des Abschmelzschritts den nachfolgenden Zustand unterscheiden kann. Auf diese Weise können die defekten Schweißungen zurückgewiesen werden, ohne dass dies während der nachfolgenden Verarbeitungsoperationen Probleme erzeugt.

Claims

Verfahren zur Online-Steuerung einer Stumpfschweißmaschine vom Abschmelzschweißtyp für Stäbe, Vorblöcke oder Walzblöcke während Schweißzyklen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: – Messen an der Maschine durch direkte Messungen eines Erfassungssystems, – Steuern einer Betätigung eines Ventils, das die Positionierung von Klemmbacken der Schweißmaschine steuert; und – Steuern des Auslösewinkels einer Drosselvorrichtung zum Steuern der Wärmeleistung, die dem Schweißprozess zugeführt wird; wobei die genannten Steuerschritte auf der Grundlage einer Analyse durch einen Beobachter (A) eines dynamischen Zustands der Historie des Schweißprozesses während der Ausführung jedes Schweißzyklus reguliert werden, gekennzeichnet durch die Tatsache, dass der genannte Beobachter (A) eines dynamischen Zustands unter Verwendung mehrerer direkter Messungen (Ym), die durch das Erfassungssystem durchgeführt werden, mittels eines mathematischen Modells den Trend mehrerer Zustandsvariablen (X) und Leistungsvariablen (Z) schätzt, wobei die Letzteren die Lichtbogenlänge, die Lichtbogenimpedanz, die Primärspannung und den Lichtbogenstrom umfassen, die als eine Grundlage für die Steuerung des Schweißzyklus selbst und der nachfolgenden Schweißzyklen verwendet werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem Folgendes vorgesehen ist, um die genannten Steuerschritte zu regulieren: – Beobachten der Zustandsvariablen (X) der Schweißzyklen durch den Beobachter (A) eines dynamischen Zustands; – Definieren vorgegebener optimaler Wege (Z_set), die von mehreren Leistungsvariablen (Z) befolgt werden sollen, mittels eines Generators (B) dynamischer Wege für Leistungsvariablen (Z); – Ausführen eines dynamischen Steuergesetzes (C) auf der Grundlage des Werts der Leistungsvariablen (Z), der optimalen Wege (Z_set) und einer Betriebsstrategie, die gemäß dem Schritt bestimmt wird, den der Schweißprozess durchläuft; und – Erzeugen von Sync-Signalen (Sync) mittels eines Signalgenerators (E), auf deren Grundlage das dynamische Steuergesetz (C) die gegebenen Betriebsstrategien annimmt.
Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem das dynamische Steuergesetz (C) während eines Szintillationsschritts des Schweißprozesses die Lichtbogenlänge konstant hält und auf der Grundlage der Änderung der Lichtbogenimpedanz die Primärspannung ändert.
Verfahren gemäß Anspruch 3, bei dem durch ein dynamisches Diagnosesystem (D) eine Online-Diagnose geliefert wird, für die der Vergleich der Wege der Leistungsvariablen (Z) mit den Sollwegen (Z_set) durch das genannte dynamische Diagnosesystem (D) vorgenommen wird, das Schweißqualitätsindizes erzeugt.
Verfahren gemäß Anspruch 6, bei dem eine automatische Online-Änderung des Übersetzungsverhältnisses eines Transformators (Abgriffänderung) zur Versorgung der Stumpfschweißmaschine vorgesehen ist.
System zum Steuern einer Stumpfschweißmaschine für Stäbe, Vorblöcke oder Walzblöcke, wobei die Maschine ein Ventil zum Steuern der Positionierung von Klemmbacken der Maschine und eine Drosselvorrichtung umfasst, wobei das Steuersystem so ausgelegt ist, dass es das Verfahren gemäß Anspruch 1 ausführen kann, und wobei es umfasst: – ein Erfassungssystem zum Realisieren direkter Messungen an der Maschine, und dadurch gekennzeichnet, dass es ferner umfasst – einen Beobachter (A) eines dynamischen Zustands, der so ausgelegt ist, dass er mehrere Zustandsvariablen (X) eines Schweißprozesses beobachten kann, der von der genannten Maschine ausgeführt wird; – einen Generator (B) dynamischer Wege für Leistungsvariablen (Z), der so ausgelegt ist, dass er vorgegebene zu befolgende optimale Wege (Z_set) für die Leistungsvariablen (Z) definieren kann, wobei die Letzteren die Lichtbogenlänge, die Lichtbogenimpedanz, die Primärspannung und den Lichtbogenstrom umfassen; – dass der Beobachter eines dynamischen Zustands und der Generator dynamischer Wege geeignet sind, durch ein darin implementiertes mathematisches Modell den Trend der Zustandvariablen und von Leistungsvariablen zu schätzen; – ein dynamisches Steuergesetz (C), das so ausgelegt ist, dass es auf der Grundlage des Werts der Leistungsvariablen (Z) und der optimalen vorgegebenen Wege (Z_set) das Ventil und die Drosselvorrichtung steuern kann; und – einen Generator (E) für Sync-Signale, der so ausgelegt ist, dass er Sync-Signale (Sync) erzeugen kann.
System gemäß Anspruch 6, bei dem eine Übersetzungsverhältnis-Änderungseinrichtung (Abgriffänderungseinrichtung) vorgesehen ist, die so ausgelegt ist, dass sie das Übersetzungsverhältnis steuern kann.
System gemäß Anspruch 7, bei dem ein dynamisches Diagnosesystem (D) vorgesehen ist, das so ausgelegt ist, dass es Indizes der Schweißqualität erzeugen kann, wobei es die Wege der Leistungsvariablen (Z) mit den Sollwegen (Z_set) vergleicht.
System gemäß Anspruch 8, bei dem der Beobachter (A) eines dynamischen Zustands, der Generator (B) dynamischer Wege, das dynamische Steuergesetz (C), der Generator von Sync-Signalen (E) und das dynamische Diagnosesysteme (D) mittels eines Computerprogramms implementiert werden.