Gebiet der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie ein System zur Zustandsüberwachung einer Sauerstoff- oder Instrumentenlanze in einem Sauerstoffaufblasverfahren zur Stahlerzeugung.
Stand der Technik
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Zur Stahlerzeugung sind verschiedene Verfahren bekannt. Weit verbreitet ist das sogenannte Sauerstoffaufblasverfahren (basic oxygen process, BOP), welches auch als Linz-Donawitz-Verfahren (LD-Verfahren) bekannt ist. Bei diesem Verfahren wird ein Konverter, der sogenannte Linz-Donawitz-Konverter (LD-Konverter), mit flüssigem Roheisen, einem Kühlmittel und einem Schlackenbildner, zum Beispiel Kalk oder Dolomit, beschickt. Durch eine in der Regel ausfahrbare, wassergekühlte Lanze wird reiner Sauerstoff auf die Einsatzstoffe aufgeblasen. Ähnlich wird auch bei der Argon-Sauerstoff-Entkohlung (argon oxygen decarburization, AOD) in einem entsprechenden Konverter Sauerstoff mittels einer Lanze von oben in die Stahlschmelze eingeblasen.
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Mittels verschiedener Einweg-Messsensoren, die über ein Kontaktsystem an einer sogenannten Sublanze (Instrumentenlanze) aufgesteckt werden, können Prozessgrößen in der Stahlschmelze erfasst werden, die dann der Steuerung des Konverterprozesses zugrunde gelegt werden.
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Aufgrund der in solchen Konvertern herrschenden hohen Temperaturen von 1600°C und den Ausgasungen, die durch den Entkohlungsprozess und das Verbrennen einiger Einsatzstoffe entstehen, herrschen in solchen Konvertern äußerst harsche Bedingungen. Diese führen unweigerlich zu einer starken Beanspruchung und üblicherweise einer schnellen Alterung der eingesetzten Lanzen. Da sich manche Alterungs- und Abnutzungserscheinungen der Lanzen nicht sensorisch messen lassen, ist üblicherweise eine manuelle Inspektion der Lanzen erforderlich.
Zusammenfassung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Zustandsüberwachung von Sauerstoff- oder Instrumentenlanzen in Sauerstoffaufblasverfahren zur Stahlerzeugung zu verbessern, insbesondere zu automatisieren, um die Anlagensicherheit und die Produktivität der Konverteranlage sicherzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren sowie ein System zur Zustandsüberwachung einer Sauerstoff- oder Instrumentenlanze in einem Sauerstoffaufblasverfahren zur Stahlerzeugung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
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Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche sowie der folgenden Beschreibung.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung weist das, insbesondere computerimplementierte, Verfahren zur Zustandsüberwachung einer Sauerstoff- oder Instrumentenlanze in einem Sauerstoffaufblasverfahren zur Stahlerzeugung folgende Schritte auf: i) sensorisches Aufnehmen wenigstens eines Bildes einer zu überwachenden Lanze in einem sich im Betrieb befindlichen Konverter zum Frischen von Eisen; ii) Laden eines Referenzbildes der zu überwachenden Lanze aus einem Speicher und, insbesondere automatisiertes, Vergleichen des wenigstens einen aufgenommenen Bildes mit dem geladenen Referenzbild; und iii) Ausgeben einer Fehlerinformation, vorzugsweise an Bedienpersonal, auf Grundlage eines Ergebnisses des Vergleichs.
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Ein Aspekt der Erfindung beruht auf dem Ansatz, ein aktuelles, vorzugsweise digitales, Bild einer zu überwachenden Lanze in einem LD-Konverter mit einem, vorzugsweise digitalen, Referenzbild dieser Lanze zu vergleichen. Das Referenzbild zeigt die zu überwachenden Lanze dabei zweckmäßigerweise in einem Normalzustand, d. h. einem optimalen Zustand oder einem Neuzustand. Der Normalzustand entspricht also vorzugsweise einem Zustand, in dem die Funktion der Lanze nicht beeinträchtigt ist. Das Referenzbild kann zu einem früheren Zeitpunkt aufgenommen worden sein und ist zweckmäßigerweise in einem Speicher abgelegt.
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Das aktuelle Bild der zu überwachenden Lanze kann beispielsweise mittels einer Kamera aufgenommen werden. Der Vergleich dieses aufgenommenen Bilds mit dem Referenzbild erfolgt vorzugsweise automatisiert. Beispielsweise kann der Vergleich von einem entsprechend ausgebildeten Algorithmus durchgeführt werden. Dies erlaubt eine zuverlässige, präzise und - wenn laufend neue Bilder der zu überwachenden Lanze aufgenommen werden - eine im Wesentlichen kontinuierliche Überwachung des Lanzenzustands. Es ist insbesondere nicht mehr nötig, dass Bedienpersonal des Konverters seine Aufmerksamkeit der Lanzenüberwachung widmet. Vielmehr kann sich das Bedienpersonal auf andere Aufgaben konzentrieren, da sich auf Grundlage des Vergleichs des aufgenommenen Bilds mit dem Referenzbild eine Fehlerinformation ausgeben lässt. Diese Fehlerinformation kann das Bedienpersonal auf das Vorliegen einer sog. Anomalie, beispielsweise einer Abweichung des Zustands der zu überwachenden Lanze vom Normalzustand, hinweisen. Gegebenenfalls kann die Fehlerinformation aber auch die durch den Vergleich festgestellte Anomalie charakterisieren.
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Es ist zum Beispiel denkbar, dass die Fehlerinformation ausgegeben wird, wenn eine Abweichung zwischen dem aufgenommenen Bild und dem Referenzbild festgestellt wird und/oder diese Abweichung einen vorgegebenen Schwellenwert erreicht oder überschreitet. Das Bedienpersonal kann in diesem Fall automatisiert alarmiert werden, zum Beispiel durch ein entsprechendes optisches oder akustisches Alarmsignal oder durch Ausgabe einer entsprechenden Meldung auf einer grafischen Benutzeroberfläche eines Steuerungssystems für den Konverter. Insbesondere kann die Fehlerinformation auch über einen Messaging Service, etwa per SMS, E-Mail, MS-Teams, WhatsApp und/oder dergleichen an Bedienpersonal ausgegeben werden.
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Besonders vorteilhaft an der vorgeschlagenen Zustandsüberwachung der Sauerstoff- oder Instrumentenlanze durch Vergleich eines aufgenommenen Bilds mit einem Referenzbild ist, dass auch geometrische Anomalien der zu überwachenden Lanze, zum Beispiel plastische Deformationen oder signifikanter Materialabtrag, erkannt werden können. Solche geometrischen Anomalien können nämlich in den üblichen Automatisierungsdaten, d. h. Sensordaten wie Temperaturmesswerte, Konzentrationsmesswerte, Druckmesswerte und/oder dergleichen, die der Prozessautomatisierung oder -steuerung zugrunde gelegt werden, nicht oder nur mit sehr gro-ßem Aufwand erkannt werden.
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung und deren Weiterbildungen beschrieben. Diese Ausführungsformen können jeweils, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird, beliebig miteinander sowie mit den im Weiteren beschriebenen Aspekten der Erfindung kombiniert werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird beim Vergleichen des wenigstens einen aufgenommenen Bilds mit dem Referenzbild geprüft, ob eine mit der Lanze aus dem wenigstens einen aufgenommenen Bild assoziierte Form von einer mit der Lanze aus der Referenzbild assoziierten, insbesondere geometrischen, Form abweicht. Es kann beispielsweise geprüft werden, ob sich die Konturen der Lanze auf dem aufgenommenen Bild und der Lanze auf dem Referenzbild gleichen. Beim Vergleichen lässt sich also zum Beispiel prüfen, ob diese Konturen deckungsgleich sind oder sich in Deckung bringen lassen. Verallgemeinernd lässt sich auch das Erscheinungsbild der Lanze auf dem wenigstens einen aufgenommenen Bild und auf dem Referenzbild vergleichen. Damit bietet das Vergleichen des wenigstens einen aufgenommenen Bildes mit dem Referenzbild eine einfache Möglichkeit, Fehlfunktionen oder Alterungs- und Abnutzungserscheinungen frühzeitig zu erkennen. Insbesondere können so plastische Deformationen der Lanze wie etwa ein Verbiegen, ein Eindellen, ein Materialabtrag und/oder Materialablagerungen auf der Lanze besonders zuverlässig erkannt werden.
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Als Fehlerinformation kann dabei insbesondere die Abweichung der Form der Lanze auf dem aufgenommenen Bild von der Form der Lanze aus dem Referenzbild ausgegeben werden. Insbesondere kann diese Abweichung auf einem Bild hervorgehoben und dieses derart modifizierte Bild als Fehlerinformation ausgegeben werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird ein Maß für die Abweichung der mit der Lanze aus dem wenigstens einen aufgenommenen Bild assoziierten Form von der mit der Lanze aus dem Referenzbild assoziierten Form ermittelt und die Fehlerinformation in Abhängigkeit vom ermittelten Maß ausgegeben. Die Fehlerinformation kann zum Beispiel ausgegeben werden, wenn das ermittelte Maß ein vorbestimmtes Maß erreicht oder überschreitet. Die Ermittlung eines solchen Maßes für die Abweichung der Form kann eine genauere Beurteilung der vorliegenden Anomalie, insbesondere die Schwere der Anomalie, erlauben. Das Maß kann also zum Beispiel anzeigen, wie weit die festgestellte Anomalie fortgeschritten ist. Gegebenenfalls kann ein solches Maß auch zu ergreifenden Maßnahmen zugrunde gelegt werden, etwa wenn eine Sublanze durch Gegenbewegung in ihre ursprüngliche Form zurückgebogen oder eine Sauerstoff-Aufblaslanze durch eine neue Lanze ersetzt werden soll.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Abweichung der mit der Lanze aus dem aufgenommenen Bild assoziierten Form von der mit der Lanze aus dem Referenzbild assoziierten Form im aufgenommenen Bild markiert. Vorzugsweise wird das so entstandene bearbeitete Bild zumindest als Teil der Fehlerinformation ausgegeben. Anders gesagt kann eine Nachbearbeitung des aufgenommenen Bilds, ein sogenanntes post processing, vorgenommen werden, anhand der das Bedienpersonal eine visuelle Rückmeldung über die festgestellte Anomalie erhält. Dadurch ist auch für weniger erfahrenes Bedienpersonal leicht zu erkennen, worin das vorliegende Problem oder die vorliegende Anomalie besteht.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird auf Grundlage des Vergleichs ermittelt, ob und/oder in welchem Ausmaß i) Schlacke an der Lanze anbackt, ii) sich die Ausrichtung der Lanze geändert hat, iii) die Lanze verbogen ist, iv) ein Lanzenkopf abgenutzt ist, v) und/oder ein Kühlmittel aus einem Riss in der Lanze austritt. Anhand des Vergleichs kann also der Typ der vorliegenden Anomalie ermittelt werden. Anders gesagt kann die festgestellte Anomalie kategorisiert werden. Insbesondere kann die vorliegende Abweichung des aufgenommenen Bilds von dem Referenzbild einer bestimmten Fehlerkategorie zugeordnet werden. Die genannten Anomalien i) - v) entsprechen den typischerweise bzw. am häufigsten in einem Konverter bzw. Sauerstoffaufblasverfahren auftretenden Fehlern. Anhand der, insbesondere geometrischen, Auswertung des aufgenommenen Bilds können diese typischen Anomalien zuverlässig voneinander unterschieden werden. Diese Unterscheidung lässt sich dann zweckmäßigerweise zumindest als Teil der Fehlerinformation ausgeben, sodass das Bedienpersonal zielgerichtete Gegenmaßnahmen ergreifen kann. Beispielsweise kann so eine Ausrichtung der Lanze korrigiert, die Lanze ausgetauscht oder zurückgebogen und/oder ein neuer Lanzenkopf aufgeschweißt werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird anhand des Vergleichs eine Bewegung in mehreren aufgenommenen Bildern der Lanze ermittelt und der Ausgabe der Fehlerinformation zugrunde gelegt. Beispielsweise kann, etwa auf Grundlage mehrerer einander folgenden Vergleiche von mehreren aufgenommenen Bildern mit dem Referenzbild und/oder gegebenenfalls auch der aufgenommenen Bilder untereinander, entlang der Lanze rinnendes Kühlmittel detektiert werden. Eine detektierte Bewegung im Bereich der Lanze kann infolgedessen auf Risse in der Lanze hindeuten. Es kann also eine Leckage durch eine Bewegungsdetektion festgestellt werden. Das spezifische Suchen von Bewegung in den zum Vergleich herangezogenen Bildern erlaubt eine besonders zuverlässige Zustandsüberwachung der Lanze, da solche Bewegungen sehr zuverlässig auf Fehler hinweisen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird auf Grundlage des Vergleichs ein Maß für die Beeinträchtigung der Betriebssicherheit ermittelt und zumindest als Teil der Fehlerinformation ausgegeben. Beispielsweise kann die anhand des Vergleichs festgestellte Anomalie der Kategorie "gefährlich" oder der Kategorie "ungefährlich" zugeordnet und diese Zuordnung als Teil der Fehlerinformation ausgegeben werden. Dadurch lässt sich die Betriebssicherheit deutlich erhöhen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Vergleich von einem maschinell erlernten Modell ausgeführt. Ein maschinell erlerntes Modell im Sinne der Erfindung ist vorzugsweise ein von einem oder mehreren Algorithmen auf Grundlage von Trainingsdaten erzeugtes statistisches Modell. Das maschinell erlernte Modell kann insofern auch als trainiertes Modell bezeichnet werden. Das maschinell erlernte Modell ist zweckmäßigerweise das Ergebnis von maschinellem Lernen. Ein derart maschinell erlerntes Modell kann gemeinhin auch als künstliche Intelligenz bezeichnet werden, welche Muster und Gesetzmäßigkeiten in den Trainingsdaten erkannt hat und damit auch unbekannte Daten gemäß dieser Muster und Gesetzmäßigkeiten beurteilen oder auswerten kann.
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Das maschinell erlernte Modell kann mittels Supervised Learning trainiert sein. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn bereitgestellte Bilder eines Trainingsdatensatzes im Wesentlichen durchgängig annotiert sind, d. h. der Zustand der abgebildeten Lanzen wenigstens mit "gut" oder "schlecht" gekennzeichnet ist.
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Alternativ kann das Modell mittels semi-Supervised Learning trainiert sein. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn bereitgestellte Bilder eines Trainingsdatensatzes nur teilweise annotiert sind und/oder der Datensatz nur wenige Bilder mit Lanzen in einem "schlechten" Zustand enthält. Das Modell kann in diesem Fall vorteilhaft durch kontinuierliche Datenerhebung mittels sog. pseudolabeling oder entropy nachtrainiert werden.
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Schließlich kann das Modell auch mittels Unsupervised Learning trainiert sein. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn viele Bilder vorhanden sind, auf denen die Lanzen in einem "guten" Zustand zu sehen sind, d. h. der Trainingsdatensatz keine Lanzenanomalien umfasst. Beim Unsupervised Learning können zum Beispiel Autoencoder mit einem convolutional neural network eingesetzt werden. Hierbei wird das Eingangsbild mit einer Rekonstruktion (d. h. hinter dem Decoderlayer) verglichen. Wenn eine große Abweichung vorliegt, kann vom Vorliegen einer Anomalie ausgegangen werden. Es können somit Bilder mit Fehlern von normalen Bildern unterschieden und durch anschließendes Clustering der Features aus dem Bottlenecklayer des Autoencoders (z. B. K-Means, DBSCAN, Hierarchical Clustering, GMM (Gaussian Mixture Models,...)) Fehlerkategorien (Kategorie 1, 2,...) definiert werden.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung weist das System zur Zustandsüberwachung einer Sauerstoff- oder Instrumentenlanze in einem Sauerstoffaufblasverfahren zur Stahlerzeugung, insbesondere zur Ausführung des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, auf: i) eine Sensorvorrichtung zum Aufnehmen wenigstens eines Bildes einer zu überwachenden Lanze in einem sich im Betrieb befindlichen Konverter zum Frischen von Eisen; ii) einen Speicher, in dem ein Referenzbild der zu überwachenden Lanze gespeichert ist; iii) ein Vergleichsmodul, welches dazu eingerichtet ist, das Referenzbild aus dem Speicher zu laden und wenigstens ein mittels der Sensorvorrichtung aufgenommenes Bild mit dem geladenen Referenzbild, insbesondere automatisiert, zu vergleichen; und iv) eine Schnittstelle, über die eine Fehlerinformation auf Grundlage eines Ergebnisses des Vergleichs, vorzugsweise an Bedienpersonal, ausgebbar ist. Insbesondere kann das Vergleichsmodul auch dazu eingerichtet sein, die Fehlerinformation auf Grundlage eines Ergebnisses des Vergleichs zu erzeugen und die Ausgabe über die Schnittstelle zu veranlassen.
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Das System weist zweckmäßigerweise eine Steuerungsvorrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, die Verfahrensschritte der hier beschriebenen Verfahren auszuführen.
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Mit einem derartigen System kann zuverlässig und im Wesentlichen kontinuierlich Information zum Zustand der zu überwachenden Lanze gesammelt werden, ohne dass das Bedienpersonal spezifisch Aufmerksamkeit hierauf richten muss. Dadurch können Probleme früher identifiziert und so das Eintreten von gegebenenfalls katastrophalen Betriebsstörungen vermieden werden. Insbesondere können so auch Lanzen in der harschen Prozessumgebung innerhalb eines Konverters überwacht werden, ohne dass Bedien- oder Wartungspersonal einer Gefährdung durch die Prozessbedingungen ausgesetzt ist. Gegebenenfalls können dadurch auch Anomalien detektiert werden, die sich durch sonstige Sensoren zur Überwachung von Prozessparametern des Konverterprozesses nicht erfassen lassen.
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Ein Modul im Sinne der vorliegenden Erfindung kann hard- und/oder softwaretechnisch ausgebildet sein. Das Modul kann insbesondere eine, vorzugsweise mit einem Speicher- und/oder Bussystem daten- bzw. signalverbundene, Verarbeitungseinheit aufweisen. Beispielsweise kann das Modul eine Mikroprozessoreinheit (CPU) oder ein Modul einer solchen und/oder ein oder mehrere Programme oder Programmmodule aufweisen. Das Modul kann dazu ausgebildet sein, Befehle, die als ein in einem Speichersystem abgelegtes Programm implementiert sind, abzuarbeiten, Eingangssignale von einem Datenbus zu erfassen und/oder Ausgangssignale an einen Datenbus abzugeben. Ein Speichersystem kann ein oder mehrere, insbesondere verschiedene, Speichermedien, insbesondere optische, magnetische, Festkörper- und/oder andere nicht-flüchtige Medien, aufweisen. Das Programm kann derart beschaffen sein, dass es die hier beschriebenen Verfahren zumindest teilweise verkörpert bzw. auszuführen imstande ist, sodass das Modul zumindest einen Teil der Schritte solcher Verfahren ausführen kann und damit insbesondere eine Sauerstoff- oder Instrumentenlanze überwachen kann.
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Die Sensorvorrichtung ist vorzugsweise als Kamera ausgebildet. Die Kamera kann dabei auch Teil eines konventionellen ITV-Systems (Industrial TV-Systems) sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Sensorvorrichtung als Kamera zum Erfassen von Infrarotstrahlung oder als Laserscanner ausgebildet. Durch die Ausbildung der Sensorvorrichtung als Infrarotkamera können Schwierigkeiten mit den in einem LD-Konverter gegebenenfalls nur schlechten Lichtbedingungen umgangen werden. Das gleiche gilt für den Einsatz eines Laserscanners, der auf eine aktive Beleuchtung der zu erfassenden Lanze nicht angewiesen ist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beruht das Referenzbild auf einem zuvor mittels einer Kamera aufgenommenen Bild oder einer technischen Dokumentation der Lanze. Das Referenzbild kann beispielsweise ein CAD-Bild oder eine ähnliche Konstruktionszeichnung der Lanze oder davon abgeleitet sein. Dadurch lässt sich sicherstellen, dass im Referenzbild ein ungestörter Zustand der Lanze abgebildet ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert wird. Dabei zeigen:
- FIG 1
- ein Beispiel eines Systems zur Zustandsüberwachung einer Sauerstoff- oder Instrumentenlanze, und
- FIG 2
- ein Beispiel von Zustandsanomalien von Sauerstoff- oder Instrumentenlanzen.
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Soweit zweckdienlich, werden in den Figuren dieselben Bezugszeichen für dieselben oder einander entsprechende Elemente der Erfindung verwendet.
Beschreibung der Ausführungsformen
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FIG 1 zeigt ein Beispiel eines Systems 10 zur Zustandsüberwachung einer Sauerstoff- oder Instrumentenlanze 5 in einem Sauerstoffaufblasverfahren zur Stahlerzeugung. Die Sauerstoff- oder Instrumentenlanze 5 ist dabei in einem nicht gezeigten Linz-Donawitz-Konverter (LD-Konverter) oder einem anderen Konverter zum Frischen von Eisen angeordnet. Das System 10 weist eine Sensorvorrichtung 1, einen Speicher 3, ein Vergleichsmodul 2 und eine Schnittstelle 6 auf. Das System 10 ist in FIG 1 rein beispielhaft an ein Automatisierungssystem 4, zum Beispiel eine speicherprogrammierbare Steuerung (programmable logic controller, PLC), zur Steuerung des Sauerstoffaufblasverfahrens angeschlossen. Das System 10 kann gegebenenfalls aber auch Teil dieses Automatisierungssystems 4 sein.
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Die Sensorvorrichtung 1 ist zum Aufnehmen wenigstens eines Bildes 7 der zu überwachenden Lanze 5 während des Betriebs des LD-Konverters eingerichtet. Dazu kann die Sensorvorrichtung 1 oder zumindest ein Teil von ihr innerhalb des Konverters angeordnet sein. Zweckmäßigerweise umfasst die Sensorvorrichtung 1 wenigstens einen optischen Sensor, zum Beispiel eine Kamera oder einen Laserscanner. Die Sensorvorrichtung 1 kann dementsprechend zur Detektion elektromagnetischer Strahlung mit einer Wellenlänge im sichtbaren und/oder Infrarotbereich eingerichtet sein. Über eine entsprechende Optik kann die Sensorvorrichtung 1 so das Bild 7 der zu überwachenden Lanze 5 aufnehmen oder beim Abrastern der Lanze 5 erzeugen. Gegebenenfalls kann die Sensorvorrichtung 1 auch einen Bildstrom mehrerer Bilder 7 bereitstellen, zum Beispiel um eine im Wesentlichen kontinuierliche Überwachung der Lanze 5 zu ermöglichen.
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Die Schnittstelle 6 dient der Ausgabe von einer die Lanze 5 betreffenden Fehlerinformation an Bedienpersonal. Die Schnittstelle 6 kann hard- oder softwaretechnisch ausgebildet sein. Bei der Schnittstelle 6 kann es sich zum Beispiel um einen Lautsprecher, eine Signalleuchte oder einen Bildschirm handeln, über den bzw. die das Bedienpersonal über das Vorliegen einer Anomalie informierbar ist. Die Schnittstelle 6 kann aber auch als Softwareschnittstelle ausgebildet sein, über welche die Fehlerinformation an andere datenverarbeitende Geräte, gegebenenfalls zur Weiterverarbeitung, ausgegeben werden kann. Über eine derartige Schnittstelle 6 ist es beispielsweise möglich, die Fehlerinformation an das Automatisierungssystem 4 zu übergeben, welches diese Fehlerinformation dann bei der Steuerung des Konverterprozesses, d. h. des Sauerstoffaufblasverfahrens, berücksichtigen kann. Alternativ oder zusätzlich kann die Fehlerinformation so auch auf einer grafischen Benutzeroberfläche des Automatisierungssystems 4 an das Bedienpersonal ausgegeben werden. Es ist also denkbar, dass das Automatisierungssystem 4 die Schnittstelle 6 verkörpert oder bereitstellt.
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Im Speicher 3 ist ein Referenzbild 8 der zu überwachenden Lanze 5 gespeichert. Das Referenzbild 8 zeigt die Lanze 5 zweckmäßigerweise in einem Normalzustand, d. h. einem Zustand, in dem kein Fehler vorliegt und die Funktion der Lanze 5 nicht beeinträchtigt ist.
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Das Vergleichsmodul 2 ist dazu eingerichtet, das Referenzbild 8 der zu überwachenden Lanze 5 aus dem Speicher 3 zu laden und das wenigstens eine mittels der Sensorvorrichtung 1 aufgenommene Bild 7 mit dem geladenen Referenzbild 8 zu vergleichen. Auf Grundlage des Vergleichs kann das Vergleichsmodul 2 dann die Ausgabe der Fehlerinformation über die Schnittstelle 6 veranlassen, etwa wenn das Erscheinungsbild der Lanze 5 auf dem aufgenommenen Bild 7 vom Erscheinungsbild der Lanze 5 auf dem Referenzbild 8 abweicht.
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Das Vergleichsmodul 2 weist vorzugsweise ein maschinell erlerntes Modell 9 auf. Das Vergleichsmodul 2 weist also vorzugsweise einen Algorithmus auf, der eine Anomalie der Lanze 5 in dem wenigstens einen aufgenommenen Bild 7 dadurch detektiert, dass dort ungewöhnliche Muster oder Ausreißer gegenüber Normdaten, wie sie durch das Referenzbild 8 verkörpert sind, detektiert werden. Dieses maschinell erlernte Modell 9 ist vorzugsweise als convolutional neural network ausgebildet.
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Das Vergleichsmodul 2 oder zumindest sein Algorithmus, insbesondere das maschinell erlernte Modell 9, ist zweckmäßigerweise zur Identifikation dieser ungewöhnlichen Muster oder Ausreißer in dem wenigstens einen aufgenommenen Bild 7 trainiert. Dieses Training findet zweckmäßigerweise auf einem Trainingsdatensatz von Normbildern oder Videos statt. Die Feststellung von Merkmalen (sog. Features wie Kanten, Ecken, Texturen und Farben), welche die Muster oder Ausreißer verkörpern, können in diesen Normbildern oder Videos manuell extrahiert und als Teil des Trainingsdatensatzes dem Lernprozess, also dem Training des Modells 9, zugrunde gelegt werden. Es ist aber auch denkbar, dass das Modell 9 solche Merkmale bzw. die dahinter stehende Hierarchie automatisch aus den Rohdaten, zum Beispiel aus den Pixeln einer Vielzahl von Bildern, erlernt.
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Insofern kann das Trainieren des Modells 9 ein unüberwachtes Lernen (unsupervised learning) umfassen, insbesondere wenn Daten mit manuell extrahierten und mit Anomalien assoziierten Merkmalen nicht oder nur in geringem Umfang vorliegen. Das Modell 9 kann in diesem Fall eine Verteilung der Daten erkennen und Abweichungen oder Ausreißer aus dieser Verteilung als Anomalien markieren. Ist dagegen eine ausreichende Menge an Daten verfügbar, in denen die Merkmale bzw. die damit assoziierten Anomalien manuell extrahiert bzw. gekennzeichnet wurden, kann das Modell explizit zwischen normalen und anormalen Mustern unterscheiden; in diesem Fall wird von überwachtem Lernen gesprochen. Gegebenenfalls kann auch eine Kombination dieser beiden Lernverfahren angewandt werden, zum Beispiel wenn eine kleine Menge von Daten mit markierten Anomalien und eine große Menge unmarkierter Daten vorliegt.
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Grundsätzlich kann das Vergleichsmodul 2 verschiedene Techniken zur Detektion von Anomalien anwenden. Denkbar sind etwa rekonstruktionsbasierte Techniken, bei denen das entsprechende maschinell erlernte Modell 9 darauf trainiert ist, das Referenzbild 8, d. h. ein Bild, in dem sich die zu überwachenden Lanze 5 in einem Normalzustand befindet, zu rekonstruieren. Die Rekonstruktionsfehler zeigen dann die Anomalien an. Solche rekonstruktionsbasierten Techniken werden zum Beispiel von sog. Autoencodern oder erzeugenden gegnerischen Netzwerken angewandt. Ein anderer Ansatz besteht darin, das Modell 9 dahingehend zu trainieren, dass es eine Grenze für Abweichungen von Normdaten, wie sie durch das Referenzbild 8 charakterisiert sind, ziehen kann. Dadurch kann das Modell 9 alles, was außerhalb dieser Grenze liegt, als Anomalie klassifizieren. Solche Techniken werden zum Beispiel von Vektormaschinen angewandt. Schließlich können auch statistische- und distanzbasierte Techniken eingesetzt werden. Das Modell 9 kann also auch dahingehend trainiert werden oder sein, dass Abweichungen von neuen Datenpunkten aus den aufgenommenen Bildern 7 von einer während des Trainings gelernten Normverteilung gemessen werden. Große Abweichungen können dann als Anomalien gekennzeichnet werden.
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Das Vergleichsmodul 2 kann auch dazu eingerichtet sein, Nachbearbeitungstechniken einzusetzen. Dabei werden zweckmäßigerweise Techniken wie die Lokalisierung durch die Verwendung von Ausprägungskarten (saliency maps) oder andere Aufmerksamkeitsmechanismen eingesetzt. Damit kann das Vergleichsmodul 2 diejenigen Bereiche in dem wenigstens einen aufgenommenen Bild 7 markieren oder hervorheben, in denen die Anomalie festgestellt wurde.
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Mittels des Systems 10 kann ein Verfahren 100 zur Zustandsüberwachung der Sauerstoff- oder Instrumentenlanze 5 in dem Sauerstoffaufblasverfahren zur Stahlerzeugung ausgeführt werden. In einem Verfahrensschritt S1 nimmt die Sensorvorrichtung 1 das wenigstens eine Bild 7 der zu überwachenden Lanze 5 auf. Dieses Bild wird zweckmäßigerweise dem Vergleichsmodul 2 bereitgestellt. In einem weiteren Verfahrensschritt S2 wird das Referenzbild 8 aus dem Speicher 3 geladen und dabei zweckmäßigerweise ebenfalls dem Vergleichsmodul 2 bereitgestellt. In einem weiteren Verfahrensschritt S3 wird das wenigstens eine aufgenommene Bild 7 mit dem Referenzbild 8 verglichen. Auf Grundlage eines Ergebnisses dieses Vergleichs kann dann die Fehlerinformation in einem weiteren Verfahrensschritt S4 über die Schnittstelle 6 an das Bedienpersonal ausgegeben werden. Insbesondere kann auch das Vergleichsergebnis als solches als Fehlerinformation ausgegeben werden.
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FIG 2 zeigt ein Beispiel verschiedener Anomalien einer Sauerstoff- oder einer Instrumentenlanze 5, die beim Betrieb in einem Linz-Donawitz-Konverter auftreten können. Diese Anomalien können zum Beispiel Folge der harschen Umgebungsbedingungen innerhalb dieses LD-Konverters sein.
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FIG 2A zeigt an der Lanze 5 angebackene Schlacke 11 im Bereich eines Lanzenkopfes 5a. Derartiges Anbacken von Schlacke 11 kann dazu führen, dass die Lanze 5 nicht mehr oder jedenfalls nicht, ohne Beschädigungen zu verursachen, durch ihre entsprechende Zugangsöffnung aus dem LD-Konverter herausgefahren werden kann.
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FIG 2B zeigt eine, zum Beispiel durch den Einfluss hoher Temperaturen verursachte, Fehlausrichtung der Lanze 5 um einen Winkel α. Auch eine solche Fehlausrichtung verhindert, dass die Lanze 5 problemlos durch eine Zugangsöffnung 12 des LD-Konverters gefahren werden kann.
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Dieselbe Problematik ergibt sich auch für die in FIG 2C dargestellte, verbogene Lanze 5.
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FIG 2D zeigt eine Lanze 5, deren Lanzenkopf 5a abgenutzt, zum Beispiel zerfressen, ist, wodurch die Funktionstüchtigkeit der Lanze 5 beeinträchtigt sein kann.
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FIG 2E zeigt eine Lanze 5, in der sich mehrere Risse 13 gebildet haben. Im Betrieb dieser Lanze 5 kann Kühlmittel aus den Rissen 13 austreten, wodurch eine ausreichende Kühlung der Lanze 5 nicht mehr gewährleistet werden kann.
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Ein Vergleichsmodul eines Systems zur Zustandsüberwachung einer Sauerstoff- oder Instrumentenlanze 5, wie es beispielsweise in FIG 1 gezeigt ist, kann dazu eingerichtet sein, beim Vergleich eines aufgenommenen Bilds der zu überwachenden Lanze 5 mit einem Referenzbild der Lanze 5 festzustellen, ob eine der hier gezeigten Anomalien vorliegt. Die Anomalien aus FIG 2A, 2B, 2C und 2D können beispielsweise detektiert werden, indem das Erscheinungsbild der Lanze 5 aus dem wenigstens einen aufgenommenen Bild mit dem Erscheinungsbild der dieser Lanze 5 auf dem Referenzbild verglichen wird. Insbesondere kann die mit der abgebildeten Lanze 5 assoziierte Form mit der Form der Lanze 5 aus dem Referenzbild verglichen werden. Denn die Anomalien aus FIG 2A, 2B, 2C und 2D sind im Wesentlichen geometrischer Natur. Ein entsprechend eingerichtetes Vergleichsmodul kann die verschiedenen Anomalien dadurch leicht voneinander unterscheiden und entsprechend kategorisieren.
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Um auch die in FIG 2E gezeigte Rissbildung in der Lanze 5 detektieren zu können, ist das Vergleichsmodul zweckmäßigerweise dazu eingerichtet, auf der Grundlage von mehreren Vergleichen von mehreren aufgenommenen Bildern mit dem Referenzbild oder gegebenenfalls auch der mehreren aufgenommenen Bilder untereinander einer Bewegung im Bereich der zu überwachenden Lanze 5 festzustellen. Eine solche Bewegung ist bei einer Rissbildung durch Austreten des Kühlwassers zu erwarten.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste
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- 1
- Sensorvorrichtung
- 2
- Vergleichsmodul
- 3
- Speicher
- 4
- Automatisierungssystem
- 5
- zu überwachende Sauerstoff- oder Instrumentenlanze
- 5a
- Lanzenkopf
- 6
- Schnittstelle
- 7
- aufgenommenes Bild
- 8
- Referenzbild
- 9
- maschinell erlerntes Modell
- 10
- System
- 11
- Schlacke
- 12
- Zugangsöffnung
- 13
- Riss
- 100
- Verfahren
- S1
- Aufnehmen eines Bilds
- S2
- Laden eines Referenzbilds
- S3
- Vergleichen
- S4
- Ausgeben
- α
- Winkel