EP3568243B1

EP3568243B1 - Verfahren für eine zugregelung

Info

Publication number: EP3568243B1
Application number: EP18700485.8A
Authority: EP
Inventors: Jörn Sieghart; Ronny PETERS
Original assignee: SMS Group GmbH
Current assignee: SMS Group GmbH
Priority date: 2017-01-16
Filing date: 2018-01-12
Publication date: 2021-03-10
Anticipated expiration: 2038-01-12
Also published as: RU2732460C1; US20190366403A1; EP3568243A1; DE102017200560A1; WO2018130636A1; US11426778B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren für eine Zugregelung bei bandförmigem Material, insbesondere bei einem Metallband, zwischen zwei Spannstellen, wobei mindestens eine der Spannstellen einen Drehantrieb zur Beeinflussung der Zugspannung des Materials aufweist. Bei den Spannstellen kann es sich beispielsweise um zwei benachbarte Walzgerüste handeln
Ein entscheidendes Kriterium für eine Walzanlage, sei es eine Warmwalzanlage oder eine Kaltwalzanlage, ist die Walzstabilität. Die Walzstabilität hängt größtenteils von der Stabilität des Zugs des zu walzenden Metallbandes ab. Zugregler, also Regler, welche auf die Regelgröße Zug regeln, sind im Stand der Technik grundsätzlich bekannt, z. B. aus der EP 2 454 033 B1 oder der gattungsbildenden DE 10 2006 048 421 A1 . Als Stellglied der bekannten Zugregelungen kann beispielsweise die hydraulische Anstellung in einem Walzgerüst zur Anstellung der Arbeitswalzen dienen. Vorzugsweise werden die Arbeitswalzen dabei positionsgeregelt, da die Positionsregelung schneller auf den Zug wirkt als eine Regelung des Zuges durch eine Verstellung der Drehzahl der Drehantriebe der Walzen. Eine Kraftregelung wird oftmals bei den letzten Gerüsten einer Tandemstraße gefahren, um eine bestimmte Oberflächenrauigkeit auf das gewalzte Metallband einzubringen. Alternativ zu der besagten hydraulischen Anstellung der Walzen kann z. B. bei Einsatz einer Kraftregelung auch der Drehantrieb der Walzen eines Walzgerüstes mit variabler Einstellung der Drehzahl als Stellglied für die Zugregelung dienen.
Während eines Walzprozesses können verschiedenste Unregelmäßigkeiten auftreten, welche jeweils eine Korrektur des Zugs des Metallbandes erfordern. Beispiele bzw. Ursachen für solche Unregelmäßigkeiten sind:

Vor Beginn eines Walzprozesses wird regelmäßig ein Stichplan erzeugt, welcher die Dickenabnahmen und die zugehörigen Geschwindigkeitsänderungen für jedes einzelne Gerüst einer Walzstraße abschätzt bzw. vorausberechnet. Zeigt es sich später während des realen Walzprozesses, dass der Stichplan nicht mit der Realität übereinstimmt, so kommt es zu Massenflussstörungen, insbesondere bei Beschleunigungs- und Verzögerungsphasen, die der Zugregler ausregeln muss.
Neues Material wird gewalzt oder es wird Material mit falschen Walzdaten gewalzt.
Es ändert sich die Einlaufdicke des Metallbandes in ein einzelnes Walzgerüst oder der vorausberechnete Soll-Zug und/oder die Schmierverhältnisse in der Realität weichen von der Planung ab. Dies bedeutet ebenfalls eine Massenflussstörung, die bei Beschleunigungsfahrten Zugstörungen hervorruft, die allein durch die Geschwindigkeitsänderungen entstehen.
Abnutzung der Walzen.

Alle besagten Situationen rufen Zugstörungen hervor, welche durch die Zugregelung möglichst schnell ausgeregelt werden müssen. Ansonsten entsteht ein instabiler Walzprozess, bis hin zu Bandrissen. Eine nicht schnell genug ausgeregelte Zugstörung vergrößert regelmäßig die Abmaßlänge des zu walzenden Metallbandes, das ist die Länge des Metallbandes, die später nicht verkauft werden kann, weil die vom Kunden gewünschten Dickentoleranzen nicht eingehalten werden können.
Den im Stand der Technik bekannten Zugregelungen, welche den Drehantrieb der Walzen eines Walzgerüstes als Stellglied verwenden, haftet der Nachteil an, dass sie oftmals zu langsam sind für die vielen und häufig auftretenden oben genannten Probleme im Walzprozess, die eine Korrektur erfordern.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein bekanntes Verfahren für die Regelung des Zugs bei einem bandförmigen Material zwischen zwei Spannstellen dahingehend weiterzubilden, dass die Zugregelung effektiver und schneller wird.
Diese Aufgabe wird durch das im Patentanspruch 1 beanspruchte Verfahren gelöst. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das Reglerausgangssignal im Rahmen seiner Umwandlung in das Stellsignal zumindest zeitweise in Abhängigkeit von einer die Geschwindigkeit des Metallbandes repräsentierenden Größe g(t) variiert wird.
Der Begriff "zumindest zeitweise" bedeutet, dass die erfindungsgemäße Umwandlung des Reglerausgangssignals in das Stellsignal nicht immer während einer Zugregelung erfolgen muss. Die erfindungsgemäße Umwandlung kann während einzelner Phasen der Zugregelung ausgesetzt sein, beispielsweise bevor die Zugregelung einen eingeschwungenen Zustand erreicht hat.
Der Begriff "eine die Geschwindigkeit des bandförmigen Materials repräsentierende (physikalische) Größe" ist breit auszulegen. Der Begriff meint zum einen die Geschwindigkeit des Metallbandes selber. Zum anderen schließt er aber auch jegliche andere physikalische Größe, welche einen Hinweis auf die Größe der Geschwindigkeit des Metallbandes zwischen den beiden Spannstellen erlaubt, mit ein. Beispielsweise schließt er auch die Drehzahl oder die Umfangsgeschwindigkeit von Walzen in einem Walzgerüst mit ein, wenn ein solches Walzgerüst als Spannstelle im Sinne der Erfindung fungiert. Auch muss es sich bei der Größe nicht zwingend um einen gemessenen Wert handeln.
Der Begriff "Metallband" wird in der vorliegenden Beschreibung und den vorliegenden Ansprüchen immer nur beispielhaft verwendet. Es steht jeweils synonym für bandförmiges Material aus einem beliebigen Werkstoff, auf welches sich die Erfindung allgemein bezieht.
Die vorliegende Erfindung betrifft lediglich Zugregelungen, bei denen ein Drehantrieb als Stellglied fungiert und bei denen deshalb ein Stellsignal Drehzahlen oder Drehzahländerungen für den Drehantrieb vorgibt.
Der Kerngedanke der Erfindung ist darin zu sehen, dass das Ausgangssignal des Zugreglers - anders als im Stand der Technik - nicht direkt als Stellsignal für einen Drehantrieb in einer Spannstelle, beispielsweise in einem Walzgerüst dient, sondern zuvor noch aufbereitet bzw. umgewandelt wird. Diese erfindungsgemäße Umwandlung bewirkt vorteilhafterweise, dass durch Geschwindigkeitsänderungen hervorgerufene Zugstörungen in dem Metallband vorgesteuert werden. Vorteilhafterweise ermöglicht die erfindungsgemäße Umwandlung des Reglerausgangssignals in das Stellsignal für den Drehantrieb, dass eine bisher typischerweise sehr kosten- und zeitintensive Inbetriebnahme eines Zugreglers deutlich vereinfacht und verkürzt werden kann. So können eine Vielzahl von Metallbändern, die bisher zu Testzwecken, insbesondere für Sprungversuche, während der Inbetriebnahme verbraucht werden, und der Zeitaufwand von Fachpersonal, welcher bisher erforderlich ist, um die Zugreglerdynamik für verschiedene Geschwindigkeitsbereiche einzustellen, bei Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens deutlich reduziert werden.
Für die erfindungsgemäße Zugregelung werden eine erste Variante und eine zweite Variante beschrieben. Die Ansprüche 2 bis 5 beziehen sich auf die erste Variante während sich die Ansprüche 6 und 7 auf die zweite Variante beziehen. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche 8 bis 20 beziehen sich jeweils auf beide Varianten.
Die in Anspruch 2 beschriebene erste Variante der erfindungsgemäßen Zugregelung beschreibt eine Vorsteuerung, die keinen geschwindigkeitsabhängigen Einfluss auf die Streckenverstärkung V(t) nimmt und dennoch notwendige Änderungen des Zugreglerausgangssignals R(t) relativ zu der die Geschwindigkeit des Metallbandes repräsentierenden Größe g(t) vornimmt. Diese erst Variante der erfindungsgemäßen Zugregelung arbeitet mit Lernpunkten. Wird die Anzahl der Lernpunkte gegen unendlich erhöht, so wird die Zugkorrektur direkt abhängig von der Anlagengeschwindigkeit gemacht und somit auch von deren Streckenverstärkung.
Das Stellsignal S(t) berechnet sich gemäß der ersten Variante der erfindungsgemäßen Zugregelung aus dem Reglerausgangssignal R(t) gemäß der folgenden Formel: $S (t) = R (t) - \sum_{t_{i} \leq t} (A_{1} (t_{i})) + \frac{g (t)}{g (t_{0})} * \sum_{t_{i} \leq t} (\frac{A_{1} (t_{i})}{V (t_{i})})$
mit:

A1(t0) vorgegeben
Z(t0) vorgegeben
t_i : Lernzeitpunkte
t ₀: erster Lernzeitpunkt,

V (t) = \frac{g (t)}{g (t_{0})}

wobei V(t) ein Verstärkungsfaktor ist, welcher den vorzugsweise auf die vorgegebene Konstante g(t₀) normierten Verlauf der die Geschwindigkeit des Metallbandes (200) repräsentierenden Größe g(t) über der Zeit repräsentiert.
Lernpunkte t_i werden erfindungsgemäß aufgrund realer Störeinflüsse, wie z. B. manueller Referenzzugänderungen, Umverteilungen, allgemeiner Störungen aus dem Prozess, etc. generiert. Aufgrund dieser Störeinflüsse/Ereignisse, wie sie auch in Anspruch 3 aufgezeigt sind, ändern sich die Umgebungsbedingungen für die Zugregelung. Die besagten Lernpunkte helfen dabei, den Reglerausgang sofort und exakt auf die aktuell geänderten Gegebenheiten des Massenflusses anzupassen. Insofern beschreibt die erste Variante der erfindungsgemäßen Zugregelung eine adaptive Vorsteuerung. Die Zugregelung wird insgesamt schneller, das Stellsignal S(t) muss voraussichtlich nur kleine, vielleicht idealerweise sogar keine Korrekturen mehr fahren, wenn die Anlage ihre Geschwindigkeit nach und während einer Störung ändert.
Der abhängige Anspruch 4 beschreibt verschiedene Situationen, wann die Zugregelung gemäß der ersten Variante gefahren wird, d. h. unter welchen Bedingungen das Stellsignal vorzugsweise gemäß der Formel 2 berechnet wird. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die die Geschwindigkeit des Metallbandes repräsentierende Größe zwischen einem oberen und einem unteren Schwellenwert liegt.
Bei der zweiten Variante der erfindungsgemäßen Zugregelung gemäß Anspruch 6 wird zunächst wieder der Verstärkungsfaktor V(t) gemäß der oben genannten Formel 1 gebildet. Dann wird das Stellsignal S(t) gebildet gemäß der folgenden Formel: $S (t) = R (t) * V (t),$
Bei dieser zweiten Variante wird der Ausgang des Zugreglers R(t) direkt mit dem Verstärkungsfaktor V(t), der sich kontinuierlich mit der Anlagengeschwindigkeit ändern kann, erhöht oder verringert und somit umgewandelt in das Stellsignal S(t).
Im Unterschied zu der ersten Variante beeinflusst die zweite Variante, zusätzlich zu der unterstützenden Vorsteuerung bei Geschwindigkeitsänderungen, auch die Dynamik des Reglers selbst. So kann an den Antrieb bei einer beispielhaft angenommenen Störgröße a und einer Geschwindigkeit b die Korrektur des Reglers ΔR folgen, aus der wiederum erfindungsgemäß ein Stellsignal ΔR=>ΔS1 für den Drehantrieb folgt. Ändert sich nun die Geschwindigkeit b auf die Geschwindigkeit c mit c≠b, kann die gleiche angenommene Störgröße a die gleiche Korrektur des Reglers ΔR hervorrufen, es folgt jedoch eine unterschiedliche Reaktion des Stellsignals ΔR=>ΔS2 mit ΔS2≠ ΔS1. Dieser geschwindigkeitsabhängige Unterschied des Stellsignal ΔS (t) gilt gleichermaßen für Beschleunigungs- und Konstantfahrten.
Die Regelungstechnischen Vorteile der zweiten Variante gegenüber dem Stand der Technik entsprechen den Vorteilen der Variante 1. Zusätzlich bietet die Variante 2 die Möglichkeit der Aufwand einer Inbetriebnahme des Zugregelung deutlich zu reduzieren, indem die Dynamik der Regelung durch den Faktor V(t) analog zur Geschwindigkeit automatisch verändert wird und diese somit nicht oder nur in geringeren Maße durch Versuche eingestellt werden muss.
Die zweite Variante wird vorzugsweise dann gefahren, d. h. das Stellsignal wird gemäß Formel 3 vorzugsweise dann berechnet, wenn die die Geschwindigkeit des Metallbandes repräsentierende Größe g(t) einen vorgegebenen oberen Schwellenwert g_max2 unterschreitet und einen vorgegebenen unteren Schwellenwert g_min2 überschreitet; oder wenn der Massenfluss die dominante Größe für die Dynamik der Zug-Regelung ist; oder wenn das Verstärkungssignal V(t) einen größeren Einfluss auf die Dynamik der Zugregelung haben soll als bei Formel 2; oder bevor sich die Zugregelung in einem eingeschwungenen Zustand befindet, wobei dann vorzugsweise gilt: V(t)=1.
Optional kann die Zugregelung von der zweiten Variante auf die erste Variante umgeschaltet werden, sobald und solange die die Geschwindigkeit des Metallbandes repräsentierende Größe, insbesondere die Geschwindigkeit des Metallbandes selber, ein vorgegebenes positives Geschwindigkeitslimit überschreitet. Dieses Geschwindigkeitslimit wird beispielsweise durch den unteren Schwellenwert g_min1 der Variante 1 definiert, wenn dieser größer als der obere Schwellenwert g_max2 der zweiten Variante ist. Sobald die die Geschwindigkeit des Metallbandes repräsentierende Größe g(t) dieses Geschwindigkeitslimit wieder unterschreitet, kann wieder auf die Variante 2 zurückgeschaltet werden. Die zeitweise Umschaltung führt dazu, dass weiterhin die Geschwindigkeitskorrektur gemäß Massenfluss verändert wird, aber der Zugregler die Verstärkung bei hohen Geschwindigkeiten konstant hält.
Die Reglerverstärkung muss z. B. dann konstant gehalten werden, wenn die Dynamik der Drehantriebe die limitierende Größe für die Dynamik des Zugreglers ist bzw. wird.
Sowohl die erste wie auch die zweite Variante werden vorzugsweise dann gefahren, wenn sich die Zugregelung in einem eingeschwungenen Zustand befindet.
Es kann vorteilhaft sein, den Verstärkungsfaktor V(t) auf einen konstanten Wert zu beschränken, wenn die die Geschwindigkeit des Metallbandes repräsentierende Größe g(t) einen vorgegebenen Schwellenwert g_maxi überschreitet. Das ermöglicht es, bei hohen Geschwindigkeiten die Korrektur des Zugreglers absolut und die Verstärkung des Reglers konstant zu halten. Die Beschränkung des Verstärkungsfaktors kann bei den beiden Varianten der Zugregelung sinnvoll sein.
Ebenfalls für beide Varianten kann es sinnvoll sein, die Stellgröße S(t) in Abhängigkeit bzw. relativ zu der die Geschwindigkeit des Metallbandes repräsentierenden Größe zu beschränken. Mathematisch ausgedrückt gilt dann Folgendes: $S_{\min} (g (t)) < S (t) < S_{\max} (g (t))$
Dies schützt die Anlage z. B. im Fall eines nichtdetektierten Bandrisses bei geringen Geschwindigkeiten. Durch die relative Limitierung sind die Reglerlimits S_min(g(t)) und S_max(g(t)) bei hohen Geschwindigkeiten g(t) offener als bei geringen Geschwindigkeiten. Beispielsweise gilt: $S_{\min} (g (t)) = - g (t) * 0,4;$
$S_{\max} (g (t)) = g (t) * 0,4$
Vorteilhafterweise wird das Stellsignal S(t) oder der Verstärkungsfaktor V(t) bei der ersten und/oder bei der zweiten Variante jeweils berechnet unter Berücksichtigung der Voreilung k des Metallbandes, vorzugsweise durch Multiplikation mit einer Funktion f(k). Die Voreilung k repräsentiert den Unterschied zwischen der Geschwindigkeit g(t) des Metallbandes und der Umfangsgeschwindigkeit V_cx der das Metallband walzenden Arbeitswalzen in einem Walzgerüst gemäß der folgenden Formel: $g (t) = V_{cx} * (k + 1)$
Gemäß der ersten Variante berechnet sich dann das Stellsignal S(t) wie folgt: $S (t) = [R (t) - \sum_{ti \leq t} (A_{1} (t_{i})) + \frac{g (t)}{g (t_{0})} * \sum_{ti \leq t} (\frac{A_{1} (t_{i})}{V (t_{i})})] * f (k)$
Gemäß der zweiten Variante berechnet sich das Stellsignal S(t) unter Berücksichtigung der Voreilung wie folgt: $S (t) = [R (t) * V (t) * f (k)]$
Durch die Berücksichtigung der Voreilung wird die erfindungsgemäße Zugregelung noch besser auf geschwindigkeitsändernde Störungen voreingestellt bzw. vorgesteuert und dadurch noch effektiver und noch schneller.
Die Voreilung k selber kann entweder von der die Geschwindigkeit des Metallbandes repräsentierenden Größe g(t) in der Form k(g(t)) abhängen oder als Konstante vorgegeben sein.
Wenn alternativ oder zusätzlich zu dem Stellsignal S(t) auch ein Ableitungssignal der Form dS(t)/dt zur Ansteuerung des Drehantriebs erzeugt und ausgegeben wird, kann damit der Drehantrieb noch präziser angesteuert werden, weil mit diesem Ableitungssignal auch eine Korrektur der Beschleunigung des Drehantriebs möglich ist. Auch die Möglichkeit der Verwendung des Ableitungssignals besteht sowohl bei der ersten wie auch bei der zweiten Variante.
Während das Stellsignal S(t) im Rahmen der vorliegenden Erfindung immer eine Drehzahl bzw. eine Änderung der Drehzahl für einen Drehantrieb vorgibt, kann das Reglerausgangssignal R(t) entweder eine Änderung der Drehzahl für den Drehantrieb oder eine Dickenänderung für das Metallband in einem Walzgerüst vorgeben. In letzterem Fall muss dann eine Umrechnung des Reglerausgangssignals in das Stellsignal für den Drehantrieb erfolgen.
Bei den zwei Spannstellen, zwischen denen das Metallband unter Zug eingespannt ist, kann es sich um zwei vorzugsweise benachbarte Walzgerüste einer Walzstraße handeln, wobei mindestens eines der Walzgerüste den Drehantrieb zum Drehantreiben einer seiner Walzen aufweist. In einer besonderen Ausgestaltung erfolgt dann an dem in Walzrichtung ersten Walzgerüst eine Dickenregelung und an dem in Walzrichtung nachgelagerten zweiten Walzgerüst die erfindungsgemäße Zugregelung mit einer Ansteuerung des dortigen Drehantriebs als Stellglied. Durch die vorhergehende Drehzahlregelung wird die nachgelagerte Zugregelung wesentlich entlastet, d.h. das Stellsignal braucht nur noch kleinere Änderungen der Drehzahl an den Drehantrieb auszugeben.
Bei der im letzten Absatz beschriebenen Konstellation ist es vorteilhaft, wenn das Reglerausgangssignal einerseits die besagte Änderung der Dickenabnahme des Metallbandes für die Dickenregelung an dem ersten Walzgerüst repräsentiert und insofern als Stellsignal für die Dickenabnahme an dem ersten Walzgerüst fungiert. Das Reglerausgangssignal R(t) kann dann andererseits gemäß der ersten oder zweiten Variante der erfindungsgemäßen Zugregelung in das Stellsignal für den Drehantrieb umgewandelt werden, wobei die Umwandlung auch eine Umrechnung der Änderung der Dickenabnahme in eine Änderung der Drehzahl für den Drehantrieb mit einschließt.
Bei den beiden Spannstellen zwischen denen der Zug des Metallbandes mit dem erfindungsgemäßen Verfahren geregelt wird, kann es sich alternativ um ein Rollenpaar als erste Spannstelle und eine in Walzrichtung dem Rollenpaar nachgeschaltete Haspeleinrichtung als zweite Spannstelle handeln. Der für die erfindungsgemäße Zugregelung erforderliche Drehantrieb kann dann entweder bei dem Rollenpaar vorhanden sein zum Drehantreiben von mindestens einer seiner Rollen und/oder bei der Haspeleinrichtung zum Drehantreiben des Haspels. Bei dem Rollenpaar kann es sich um ein Treiberrollenpaar oder um ein Arbeitswalzenpaar in einem Walzgerüst handeln.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Der Beschreibung sind vier Figuren beigefügt, wobei

Fig. 1 ein Schema einer Zug-Regelung gemäß der Erfindung;
Fig. 2 ein Schema zur Umwandlung eines Reglerausgangssignals R(t) in ein Stellsignal S(t) gemäß der Erfindung;
Fig. 3 beispielhafte Signalverläufe für eine erste Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
Fig.4 beispielhafte Signalverläufe für eine zweite Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die genannten Figuren in Form von Ausführungsbeispielen detailliert beschrieben.
Figur 1 zeigt ein Schema 100 einer Zugregelung gemäß der vorliegenden Erfindung. Grundlage der Erfindung ist ein Regelkreis für eine Zugregelung, wie er in Figur 1 allgemein dargestellt ist. Der Regelkreis sieht vor, dass der Ist-Zug eines Metallbandes mit Hilfe einer Ermittlungseinrichtung 160 gemessen oder anderweitig ermittelt wird, wenn das Metallband zwischen zwei Spannstellen unter Zug eingespannt ist bzw. diese Spannstellen unter Zug durchläuft. Der Begriff Zug steht hier synonym für Zugspannung. Der so ermittelte Ist-Zug wird in einem Soll-/Ist-Wert-Vergleicher 110 mit einem vorgegebenen Soll-Zug für das Metallband verglichen, und das Ergebnis dieses Vergleiches, bei dem es sich typischerweise um eine Differenzbildung handelt, wird als Regelabweichung e(t) auf eine Reglereinrichtung 120 ausgegeben. Die Reglereinrichtung erzeugt an ihrem Ausgang ein Reglerausgangssignal R(t).
Dieses Reglerausgangssignal R(t) repräsentiert typischerweise eine Drehzahländerung für einen Drehantrieb. Erfindungsgemäß dient das Reglerausgangssignal R(t) jedoch nicht unmittelbar als Stellsignal zur Ansteuerung eines Stellglieds 140 in Form eines Drehantriebs, sondern vielmehr sieht die vorliegende Erfindung vor, dass das Reglerausgangssignal zunächst in einer Umwandlungseinrichtung 130 in geeigneter Weise, wie nachfolgend beschrieben, in ein Stellsignal S(t) umgewandelt wird. Erst das Stellglied S(t) dient dann tatsächlich zur Ansteuerung des Drehantriebs 140. Der Drehantrieb 140 wird so angesteuert, dass der Zug des Metallbandes 200 auf den vorgegebenen Sollwert geregelt wird, wenn das Metallband die Regelstrecke 150 durchläuft, welche im Wesentlichen aus zwei Spannstellen besteht. Die beschriebene Regelung arbeitet vorzugsweise zeitlich kontinuierlich, so dass die einleitend beschriebene Ermittlung des Ist-Zugs des Metallbandes innerhalb der Regelstrecke kontinuierlich erfolgt und der ermittelte Ist-Zug kontinuierlich auf den vorgegebenen Soll-Zug geregelt wird.
Figur 2 zeigt den Funktionsaufbau der in Figur 3 gezeigten Umwandlungseinrichtung 130 im Detail.
Zunächst ist zu erkennen, dass die Umwandlungseinrichtung 130 das Reglerausgangssignal R(t) als Eingangsgröße empfängt und das besagte Stellsignal S(t) als Ausgangsgröße auf den Drehantrieb 140 als Stellglied ausgibt. Neben dem Reglerausgangssignal (R(t) empfängt die Umwandlungseinrichtung 130 weiterhin eine die Geschwindigkeit des Metallbandes 200 repräsentierende Größe g(t). Dabei kann es sich um die konkrete Geschwindigkeit des Metallbandes selber handeln; es kann sich dabei jedoch auch um jegliche andere physikalische Größe handeln, welche einen Hinweis auf die Größe der Geschwindigkeit des Metallbandes zwischen den beiden Spannstellen erlaubt.
Neben dem Stellsignal S(t) kann es sinnvoll sein, auch dessen zeitliche Ableitung dS(t)/dt = a(t) als Ausgangssignal a(t) auf den Drehantrieb 140 auszugeben. Das Ableitungssignal a(t) ermöglicht dann eine Beschleunigungskorrektur für den Drehantrieb.
Die erfindungsgemäße Zugregelung und insbesondere die Umwandlungseinrichtung 130 kann in einer ersten Variante oder alternativ in einer zweiten Variante betrieben werden; je nach Variante sind die Funktionsblöcke F1 und F2 innerhalb der Umwandlungseinrichtung 130 unterschiedlich betrieben bzw. ausgebildet. Die jeweils unterschiedliche Ausbildung bzw. Funktionsweise der Umwandlungseinrichtung 130 für beide Varianten wird nachfolgend primär mathematisch beschrieben.
Für beide Varianten sieht der Block F2 innerhalb der Umwandlungseinrichtung 130 die Generierung eines Verstärkungsfaktors V(t) vor, in dem das empfangene Eingangssignal g(t) vorzugsweise auf eine vorgegebene Konstante g(t₀) normiert wird. Für V(t) gilt deshalb: $V (t) = \frac{g (t)}{g (t_{0})}$

I. Beschreibung der ersten Variante

Für die erste Variante der erfindungsgemäßen Zugregelung berechnet die Umwandlungseinrichtung 130 gemäß Fig. 2 das Stellsignal S(t) wie folgt: $S (t) = A_{1} (t) + A_{2} (t)$
$A_{1} (t) = R (t) - (A_{1} (t_{0}) + A_{1} (t_{1}) + A_{1} (t_{2}) + .. + A_{1} (t_{n})) mit t_{n} \leq t$
$A_{2} (t) = V (t) * (Z (t_{0}) + Z (t_{1}) + Z (t_{2}) + .. + Z (t_{n})) mit t_{n} \leq t$
$Z (t_{i}) = \frac{A_{1} (t_{i})}{V (t_{i})}$
$V (t) = \frac{g (t)}{g (t_{0})}$
Daraus folgt: $S (t) = R (t) - \sum_{t_{i} \leq t} (A_{1} (t_{i})) + \frac{g (t)}{g (t_{0})} * \sum_{t_{i} \leq t} (\frac{A_{1} (t_{i})}{V (t_{i})})$
mit

t _i: Zeitpunkt eines Lernpunktes
t ₀: Zeitpunkt des ersten Lernpunktes

Figur 3 veranschaulicht die Generierung des Stellsignals S(t) als Ausgangssignal der Umwandlungseinrichtung 130 gemäß der ersten Variante anhand konkreter Beispiele für die Eingangssignale g(t) und R(t). Bei dem Beispiel in Figur 3 ist der Verstärkungsfaktor V(t) in seinem Zeitverlauf identisch mit dem Eingangssignal g(t), d.h. der Normierungsfaktor g(t₀) wurde hier beispielhaft zu 1 gesetzt.
Neben dem Verstärkungsfaktor V(t) werden innerhalb der Umwandlungseinrichtung 130 diverse andere Zwischensignale A1(t), Z(t) und A2(t) generiert, aus denen letztendlich das Stellsignal S(t) berechnet wird. Die Berechnung der Zwischensignale ist oben mathematisch dargestellt und, wie gesagt, in Figur 3 an einem Beispiel erläutert.
Als Besonderheit werden im Rahmen der Zugregelung nach der ersten Variante Zeitpunkte t_i, bei denen besondere Ereignisse eintreten, als sogenannte Lernzeitpunkte definiert. Im Folgenden sind einige Beispiele für entsprechende Ereignisse genannt, bei denen ein Lernzeitpunkt gesetzt bzw. ausgelöst wird:

g(t) = g _LPi **Erreicht die aktuelle Geschwindigkeit g(t) eine vorgegebene bzw. parametrierte Geschwindigkeit g _LP , so wird ein Lernpunkt ausgelöst
g _LP [m/s]: Geschwindigkeit Lernpunkt
mit: g _LPi : Geschwindigkeit an der ein Lernpunkt gesetzt werden soll;
oder $\frac{dg (t)}{dt} \neq 0$
**Bevorzugt wird die Referenzbeschleunigung analysiert. Startet die Anlage eine positive oder negative Beschleunigungsphase mit $\frac{dg (t)}{dt} \neq 0,$
so wird zu diesem Zeitpunkt ein Lernpunkt gesetzt;
oder $\frac{dg (t)}{dt} \neq 0 \land |A_{1} (t)| \geq A_{1 Max}$
**Überschreitet während einer Beschleunigungsphase $\frac{dg (t)}{dt} \neq 0$
der Betrag von A₁(t) einen bestimmten WertA _1Max, wird ein Lernpunkt ausgelöst.

Zwei der soeben beschriebenen Ereignisse für das Auslösen von Lernpunkten sind in Figur 3 veranschaulicht. So ist in Figur 3 zu erkennen, dass der Lernzeitpunkt 1 zu dem Zeitpunkt t₀ dann bzw. deshalb gesetzt wird, weil die Anlage zum Zeitpunkt t₀ eine Beschleunigungsphase startet; in Figur 3 ist dies darin zu erkennen, dass sich die die Geschwindigkeit des Metallbandes repräsentierende Größe g(t) ab diesem Zeitpunkt ändert. Konkret steigt die Größe g(t) zu diesem Zeitpunkt ausgehend von einer bis dahin konstanten Größe an, d. h. zum Zeitpunkt t₀ startet eine positive Beschleunigungsphase. Der zweite Lernzeitpunkt in Figur 3 wird ausgelöst, weil während der dann vorherrschenden negativen Beschleunigungsphase, also während der herrschenden Verzögerungsphase, der linksseitige Grenzwert von A₁(t) einen vorbestimmten Wert A_1max. erreicht bzw. auf diesen absinkt. Die Setzung der Lernpunkte hat in jedem Fall die Auswirkung, dass die Funktion A₁(t) an den Lernzeitpunkten einen Sprung aufweist, weil sie dann berechnet wird gemäß Formel 2.1 aus dem Reglerausgangssignal R(t) abzüglich eines bestimmten Betrages.
Durch die gesetzten Lernpunkte wird die Vorsteuerung sofort und exakt auf die aktuellen Gegebenheiten, insbesondere auf geschwindigkeitsbedingte Änderungen des Massenflusses angepasst. Durch das Setzen der Lernpunkte wird das zukünftige Reglerausgangssignal R(t), d. h. das Reglerausgangssignal nach dem jeweils gesetzten Lernzeitpunkt in Form des Signals Z(t) auf den Vorsteuerzweig kopiert; siehe Figur 2, so dass sich das Stellsignal S(t) in Summe durch das Setzen der Lernzeitpunkte nicht ändert. Andererseits wird bei einer Änderung der Anlagengeschwindigkeit die neu gelernte Massenflussstörung von der Umwandlungseinrichtung 130 automatisch vorgesteuert, indem die Massenflusssteuerung durch das Stellsignal S(t) wieder linear zur Anlagengeschwindigkeit verändert wird. Idealerweise muss dann - wenn zuvor das Stellsignal (St) ideal zur Änderung der Anlagengeschwindigkeit angepasst wurde - das Reglerausgangssignal R(t) keine oder nur sehr geringe Korrekturen fahren, wenn die Anlage ihre Geschwindigkeit ändert, d. h. wenn eine Änderung bei g(t) eintritt.
Fig. 3 zeigt beispielhafte Signalverläufe für die Eingangssignale R(t) und g(t) und das daraus nach Formel 2 in der Umwandlungseinrichtung 130 berechnete Stellsignal S(t). Ein Vergleich des Reglerausgangssignals R(t), welches typischerweise im Stand der Technik direkt als Stellsignal für einen nachgeschalteten Drehantrieb dient, mit dem erfindungsgemäß berechneten Stellsignal S(t) lässt insbesondere zwischen den Zeitpunkten t₀ und t₂ erkennen, dass das Reglerausgangssignal R(t) zur Berechnung des Stellsignals S(t) mit der die Geschwindigkeit des Metallbandes repräsentierenden Größe g(t) bzw. dem Verstärkungsfaktor V(t) gewichtet bzw. variiert wurde.

II: Beschreibung der zweiten Variante

Gemäß Fig. 2 berechnet sich das Stellsignal S(t) bei der zweiten Variante in Abhängigkeit des Reglerausgangssignals R(t) wie folgt: $S (t) = A 1 (t) + A 2 (t)$
$A 1 (t) = 0$
$A_{2} (t) = V (t) \times Z (t) mit Z (t) = R (t)$
Daraus folgt: $S (t) = V (t) \times R (t)$
mit $V (t) = \frac{g (t)}{g (t_{0})}$
Ein Beispiel für eine derartige Berechnung des Stellsignals S(t) gemäß der zweiten Variante ist in Figur 4 dargestellt. Auch in Figur 4 zeigt ein Vergleich des Reglerausgangssignals R(t) mit dem Stellsignal S(t), dass das Reglerausgangssignal erfindungsgemäß in Abhängigkeit des Verstärkungsfaktors V(t) bzw. in Abhängigkeit der die Geschwindigkeit des Metallbandes repräsentierenden Größe g(t) variiert bzw. gewichtet wird. Im Unterschied zu der Gewichtung nach der ersten Variante greift die Gewichtung bei der zweiten Variante wesentlich unmittelbarer durch; dies zeigt sich an der tatsächlich proportionalen Verstärkung der lokalen Maxima und Minima, insbesondere im Bereich Δt. Bei der ersten Variante werden diese nicht oder nur abgeschwächt verstärkt, wie aus dem Signalverlauf S(t) in Figur 3 erkennbar ist.
Die zweite Variante kann nicht nur dann gefahren werden, wenn sich die Zugregelung in einem eingeschwungenen Zustand befindet, sondern auch bereits vor Erreichen des eingeschwungenen Zustandes, z. B. beim Einfädeln von Metallband in eine Anlage, insbesondere zwischen die beiden Spannstellen, oder bei einer Zugaufbausequenz, etc. Für die Variante 2 gilt dann beispielsweise folgender mathematischer Zusammenhang: $V (t) = 1$
Daraus folgt $S (t) = R (t)$
Dies entspricht dann einer direkten Durchschaltung/Verwendung des Reglerausgangssignals R(t) als Stellsignal S(t) für den Drehantrieb. Die erfindungsgemäße Umwandlung von R(t) in S(t) findet dann nicht statt bzw. ist auf einen Kurzschluss reduziert.

III. Aussagen, die sowohl für die erste wie auch für die zweite Variante gelten

Wenn sich die Zugregelung in einem eingeschwungenen Zustand befindet, kann sie erfindungsgemäß entweder gemäß der ersten oder der zweiten Variante gefahren werden. In den Figuren 3 und 4 beginnt dieser eingeschwungene Zustand jeweils bei dem Zeitpunkt t₀ mit der Geschwindigkeit g(t₀). Im eingeschwungenen Zustand kann auch zwischen der ersten und der zweiten Variante umgeschaltet werden.
Eine Umschaltung auf die zweite Variante kann erfolgen, wenn durch eine Geschwindigkeitsänderung der Anlage ein günstigeres Regelverhalten erzielbar ist, indem die Dynamik des Zugreglers aufgrund der Geschwindigkeitsänderung ebenfalls verändert wird. In der zweiten Variante erfolgt eine Anpassung der Dynamik zumindest teilweise durch die erfindungsgemäße Umwandlung der Größe R(t) in S(t) automatisch.
Die direkte Verstärkung des Reglersignals R(t) bei der Umwandlung in das Stellsignal S(t) gemäß Variante zwei hat den Vorteil, das eine Inbetriebnahme des Reglers schneller erfolgen kann, da die Abhängigkeit der Regeldynamik von der Geschwindigkeit zumindest teilweise durch die erfindungsgemäße Umwandlung R(t) nach S(t) gelöst wird. Auch kann die sich hierdurch ergebende kontinuierliche Anpassung der Dynamik der Regler auf die Anforderungen bei und nach Geschwindigkeitsänderung genauer gegenüber der herkömmlichen Einstellung für verschiedene Arbeitspunkte sein.
Es kann in bestimmten Situationen vorteilhaft sein, die Verstärkung des Reglerausgangs R(t) bei der Umwandlung in S(t) nicht weiter zu erhöhen. Ist dies der Fall, kann von Variante zwei auf Variante eins umgeschaltet werden. Diese Umschaltung von Variante zwei auf Variante eins wie auch die Rückschaltung von Variante eins auf Variante zwei erfolgt vorzugsweise durch eine zusätzliche Logik, welche vermeidet das sich das Stellsignal S(t) aufgrund der Umschaltung ändert. Z. B. wird von Variante zwei auf Variante eins umgeschaltet, wenn die Dynamik des Antriebes limitierende Größe der Zugreglerdynamik ist.
Sowohl für die erste wie für die zweite Variante besteht weiterhin die Möglichkeit den Geschwindigkeitsfaktor $V (t) = \frac{g (t)}{g (t_{0})}$
z.B. positiv zu limitieren.
Ein Beispiel zur Limitierung: $V (t) = g_{\max} / g (t 0), wenn g (t) \geq g_{\max};$
ansonsten gilt: $V (t) = \frac{g (t)}{g (t_{0})}$
Also ist V(t) bei Geschwindigkeiten ≥ g_max = konstant. Das ermöglicht es, bei hohen Geschwindigkeiten die Korrektur des Zugreglers absolut und die Verstärkung des Reglers konstant zu halten.

Bezugszeichenliste

100: Zugregelung
110: Soll-/Istwert-Vergleicher
120: Reglereinrichtung
130: Umwandlungseinrichtung
140: Stellglied, insbesondere Drehantrieb
150: Regelstrecke mit zwei Spannstellen
160: Ermittlungseinrichtung für den Ist-Zug
200: bandförmiges Material, insbesondere Metallband

e(t): (Zug-)Regelabweichung
R(t): Reglerausgangssignal
S(t): Stellsignal für Drehantrieb
V(t): Verstärkungsfaktor

a(t): Ableitungssignal
g(t): Geschwindigkeit des Metallbandes repräsentierende Größe

ti: Zeitpunkt

Claims

Verfahren für eine Zugregelung bei einem bandförmiges Material (200) zwischen zwei Spannstellen, wobei es sich bei den zwei Spannstellen um 2 vorzugsweise benachbarte Walzgerüste einer Walzstraße handelt und wobei mindestens eines der Walzgerüste einen Drehantrieb (140) zum Drehantreiben einer seiner Walzen aufweist, oder wobei es sich bei einer der zwei Spannstellen um ein Rollenpaar und bei der anderen der zwei Spannstellen um eine in Walzrichtung nachgeschaltete Haspeleinrichtung handelt, wobei das Rollenpaar den Drehantrieb (140) zum Drehantreiben mindestens einer seiner Rollen und/oder die Haspeleinrichtung den Drehantrieb (140) zum Drehantreiben des Haspels aufweist, mit folgenden Schritten:
Ermitteln des Ist-Zugs zwischen den beiden Spannstellen;

Ermitteln einer Regelabweichung e(t) als Differenz zwischen dem Ist-Zug und einem vorgegebenen Soll-Zug;

Eingeben der Regelabweichung e(t) auf eine Reglereinrichtung (120) zum Erzeugen eines Reglerausgangssignals R(t);

Umwandeln des Reglerausgangssignals R(t) in ein Stellsignal S(t); und

Regeln des Ist-Zugs auf den Soll-Zug durch Variieren der Drehzahl des Drehantriebs (140) als Stellglied nach Maßgabe des Stellsignals S(t);

dadurch gekennzeichnet, dass

das Reglerausgangssignal R(t) im Rahmen seiner Umwandlung in das Stellsignal S(t) zumindest zeitweise in Abhängigkeit von einer die Geschwindigkeit des bandförmigen Materials repräsentierenden Größe g(t) variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Zugregelung gemäß einer ersten Variante gefahren wird, indem:
ein Verstärkungsfaktor V(t) gebildet wird zu: $V (t) = \frac{g (t)}{g (t_{0})},$
welcher den vorzugsweise auf eine vorgegebene Konstante g(t₀) normierten Verlauf der die Geschwindigkeit des bandförmigen Materials (200) repräsentierenden Größe g(t) über der Zeit repräsentiert; und
das Stellsignal S(t) gebildet wird gemäß folgender Formel: $S (t) = R (t) - \sum_{t_{i} \leq t} (A_{1} (t_{i})) + \frac{g (t)}{g (t_{0})} * \sum_{t_{i} \leq t} (\frac{A_{1} (t_{i})}{V (t_{i})})$
mit:
A1(t0) vorgegeben

Z(t0) vorgegeben

t _i: Lernzeitpunkte

t ₀: erster Lernzeitpunkt
Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Zeitpunkte
an welchen die die Geschwindigkeit des bandförmigen Materials (200) repräsentierende Größen g(t) jeweils einen vorgegebenen Schwellenwert g_LPi erreicht,
oder
an welchen die die Geschwindigkeit g(t) des bandförmigen Materials (200) repräsentierende Größe g(t) nicht mehr konstant ist, sondern beginnt, sich zu ändern, so dass dg(t)/dt ≠ 0
oder
an welchen - während einer Beschleunigungsphase des bandförmigen Materials (200) - der Betrag von A1(t) einen vorgegebenen Schwellenwert A_1max überschreitet,
jeweils als die Lernzeitpunkte ti gesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Stellsignal (S(t)) berechnet wird gemäß Formel (2),
wenn die die Geschwindigkeit des bandförmigen Materials (200) repräsentierende Größe g(t) einen vorgegebenen oberen Schwellenwert g_max unterschreitet und einen vorgegebenen unteren Schwellenwert g_min überschreitet.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das - wenn sich die Zugregelung in einem eingeschwungenen Zustand befindet - das Stellsignal S(t) gemäß der ersten Variante berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Zugregelung gemäß einer zweiten Variante gefahren wird, indem ein Verstärkungsfaktor V(t) gebildet wird zu: $V (t) = \frac{g (t)}{g (t_{0})}$
welcher den vorzugsweise auf die vorgegebene Konstante g(t0) normierten Verlauf der die Geschwindigkeit des bandförmigen Materials (200) repräsentierenden Größe g(t) über der Zeit repräsentiert; und
das Stellsignal S(t) gebildet wird gemäß folgender Formel: $S (t) = R (t) * V (t),$
mit
R(t): Reglerausgangssignal.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Stellsignal S(t) berechnet wird gemäß Formel (3),
wenn die die Geschwindigkeit des bandförmigen Materials (200) repräsentierende Größe g(t) einen vorgegebenen oberen Schwellenwert g_max2 unterschreitet und einen vorgegebenen unteren Schwellenwert g_min2 überschreitet;
oder
wenn das Verstärkungssignal V(t) einen größeren Einfluss auf die Dynamik der Zugregelung haben soll als bei Formel 2;
oder
bevor sich die Zugregelung in einem eingeschwungenen Zustand befindet, wobei dann vorzugsweise gilt: V(t)=1.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Zugregelung von der zweiten Variante auf die erste Variante umgeschaltet wird, sobald und solange gilt: $g (t) > g_{\min 1} > g_{\max 2}$
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
das - wenn sich die Zugregelung in einem eingeschwungenen Zustand befindet - das Stellsignal S(t) gemäß der zweiten Variante berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Verstärkungsfaktor V(t) auf einen konstanten Wert beschränkt wird, wenn die die Geschwindigkeit des bandförmigen Materials (200) repräsentierende Größe g(t) einen vorgegebenen Schwellenwert g_maxi überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Fall der Formel 2 gilt: $g_{\min 1} < g_{maxi} < g_{\max 1};$
oder
im Fall der Formel 3 gilt: $g_{\min 2} < g_{maxi} < g_{\max 2}$
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Stellgröße S(t) in Abhängigkeit zu der die Geschwindigkeit g(t) des bandförmigen Materials (200) repräsentierenden Größe g(t) beispielsweise wie folgt limitiert wird: $S_{\min} (g (t)) < S (t) < S_{\max} (g (t))$
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Stellsignal S(t) berechnet wird unter Berücksichtigung der Voreilung des bandförmigen Materials, vorzugsweise durch Multiplikation mit einer Funktion f(k), wobei k die Voreilung ist.
Verfahren nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Voreilung k(g(t)) ihrerseits in Abhängigkeit der die Geschwindigkeit g(t) des bandförmigen Materials (200) repräsentierenden Größe g(t) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Voreilung als Konstante vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
alternativ oder zusätzlich zu dem Stellsignal S(t) auch ein Ableitungssignal der Form dS(t)/dt, welches eine Korrektur der Beschleunigung des Drehantriebs repräsentiert, als Eingangssignal für den Drehantrieb (140) bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Reglerausgangssignal R(t) eine Änderung der Drehzahl für den Drehantrieb (140) repräsentiert.
Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
an dem in Walzrichtung ersten Walzgerüst eine Dickenregelung erfolgt; und an dem in Walzrichtung nachgelagerten zweiten Walzgerüst der Drehantrieb (140) für zumindest eine der Walzen des zweiten Walzgerüstes vorhanden ist und angesteuert wird,
und dass der Zug des zwischen dem ersten und dem zweiten Walzgerüst eingespannten bandförmigen Materials (200) geregelt wird gemäß dem Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, indem der Drehantrieb (140) des zweiten Walzgerüstes angesteuert wird durch das Stellsignal S(t).
Verfahren nach Anspruch 18;
dadurch gekennzeichnet, dass
das Reglerausgangssignal R(t) einerseits eine Änderung der Dickenabnahme des bandförmigen Materials (200) an dem ersten Walzgerüst als Spannstelle repräsentiert und als Stellsignal für die Dickenabnahme an dem ersten Walzgerüst fungiert; und
das Reglerausgangssignal R(t) andererseits gleichzeitig gemäß der ersten oder zweiten Variante in das Stellsignal für den Drehantrieb (140) umgewandelt wird, wobei die Umwandlung auch eine Umrechnung der Änderung der Dickenabnahme in eine Änderung der Drehzahl für den Drehantrieb einschließt.
Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
es sich bei dem Rollenpaar um ein Treiberrollenpaar oder um ein Arbeitswalzenpaar in einem Walzgerüst handelt.