Verfahren und Einrichtungen zur Regelung von Stellgrößen in hüttentechnischen Anlagen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung unterschiedlichster Regelgrößen in hüttentechnischen Anlagen wie beispielsweise Stahlwerke, Stranggießanlagen, Walzwerke zur beispielsweisen Ansteuerung von hydraulischen, elektrischen und auch pneumatischen Vorrichtungen mit einem Regelungssystem, mit dem aus der Führungsgröße und der Rückführ- große die Berechnung einer stattgefundenen Regelabweichung durchgeführt und eine neue Stellgröße für die Regelstrecke vorgegeben wird, mit dem das beispielsweise aus einem Ventil bestehende Stellglied die Regelgröße umsetzt, mit der dann die dem Prozess zuzuführende Gesamtversorgungsmenge von beispielsweise Hy-drauliköl, Wasser, Luft, elektrischer Spannung bzw. Strom aus der gegebenen Versorgung geregelt wird.
Beim Betrieb von hüttentechnischen Anlagen sind eine Reihe von Regelungen unterschiedlichster Regelgrößen zur Ansteuerung von hydraulischen, elektrischen und auch pneumatischen Antrieben notwendig, die sich direkt oder indi- rekt auf die innere als auch auf die äußere Qualität des Endproduktes auswirken. Als Beispiel sei hier die Spritzkühlung genannt, die zum einen die innere Qualität durch die Geschwindigkeit der Durcherstarrung beeinflusst, als auch als äußere Qualität die Oberfläche des Endproduktes. Die Qualität (Regelgüte), mit der alle Regelungen, die an der Produktion von stranggegossenen Produk- ten beteiligt sind, ihre Regelgrößen einstellen, ist dabei von großer Bedeutung.
In vielen Fällen sind die Anforderungen an diese Regelungen inzwischen so hoch geworden, dass die Hersteller von Stellgliedern (Ventile, etc.), die in Stranggießanlagen Einsatz finden, diesen Anforderungen nicht mehr nach- kommen können. Für die Regelung des Spritzwassers stehen am Markt nur Regelventile zur Verfügung, die ein Regelverhältnis über die Regelstrecke von
maximal 1 : 15 ermöglichen, wobei 1 die minimale und 15 die maximale zu regelnde Regelgröße darstellen. Bei einem immer breiter werdendem Spektrum von Stahlqualitäten, die auf einer Stranggießanlage gegossen werden sollen, werden allerdings Regelverhältnisse von weit mehr als 1 : 15 benötigt, da eine immer größer werdende Bandbreite des einzustellenden Spritzwasserdurch- flusses gefordert wird.
Nach dem Stand der Technik wird beispielsweise bei den an Stranggießanlagen eingesetzten Regelungen die Regelgröße nach folgendem Prinzip beein- flusst. Das Regelungssystem erhält die Führungsgröße für die Regelgröße und berechnet aus der Rückführgröße die so genannte Regelabweichung. Entsprechend der Regelabweichung wird die Stellgröße für die Regelstrecke vorgegeben. Die Regelstrecke (Ventile, etc.) muss diesen Wert aus der gegebenen Versorgung (Hydrauliköl, elektrische Spannung, Wasser, Luft, etc.) umsetzen und dem weiteren Prozess zuführen, wobei die Regelstrecke aufgrund des der- zeitigen Standes der Technik oft nicht in der Lage ist, die Regelgröße aus einer gegebenen Versorgungsmenge mit entsprechender Genauigkeit um mehr als ein begrenztes Verhältnis exakt zu regeln.
So wird in der DE 2 344438 ein Verfahren zur Regelung der Kühlung eines aus einer Durchlaufkokille austretenden Stranges mit der Möglichkeit beschrieben, das Stranggut in einzelnen Zonen genau in dem Umfang zu kühlen, wie es der Veränderung des Wärmedurchgangswiderstandes bei zunehmender Erstarrung entspricht. Für jede Zone wird zu Beginn eines Gießvorgangs die Führungsgröße der Grundwassermenge eingestellt, die von der optimalen Wassermenge ausgeht. Während des Gießens wird durch Integrieren der Geschwindigkeit der einzelnen Strangabschnitte über die Laufzeit und gleichzeitiges Festhalten der von einem Strangabschnitt im Kühlbereich verbrachten Zeit mit einem Rechner die auf die einzelnen Strangabschnitte aufgebrachten Kühlmittelmengen ermittelt, mit entsprechenden Führungsmengen verglichen und die noch auf diese Strangabschnitte aufzubringenden Restkühlmittelmengen bestimmt. Die Einstellung erfolgt dann durch einstellbare Schieber oder eventuell durch entspre-
chende Dϋsenbestückung, wobei beispielsweise die Kühlmittelmenge aller Sprüheinheiten gemeinsam durch ein Ventil geregelt wird.
Weiterhin ist aus der DE 103 21 791 A1 ein Verfahren zur Temperaturregelung eines Metallbandes in einer Warmwalz-Fertigstraße bekannt, wobei durch Ver- gleich eines Soll-Temperaturverlaufs mit einem Ist-Temperaturverlauf eine Zielfunktion für Stellglieder gebildet wird, die Abweichungen von beliebig in der Fertigstraße positionierten Soll-Vorgaben messtechnisch erfasst und Massenfluss (Bandgeschwindigkeit) und Kühlmittelfluss einerseits durch Vorausberechnung und andererseits online durch Lösen eines quadratischen Optimierungsprob- lems mit linearen Nebenbedingungen geregelt bzw. gesteuert werden.
Ausgehend von diesem geschilderten Stand der Technik besteht die Aufgabe der Erfindung darin, die bestehende Regelung unterschiedlichster Regelgrößen in hüttentechnischen Anlagen so weiter zu entwickeln, dass auch mit handels- üblichen Stellgliedern mit kleinem Regelbereich das Regelsystem auch eine größere gewünschte Regelgröße immer gesichert und reproduzierbar mit einer optimalen und verbesserten Regelgüte einstellt.
Die gestellte Aufgabe wird verfahrensmäßig mit den kennzeichnenden Merkma- len des Anspruchs 1 und vorrichtungsmäßig mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 6 dadurch gelöst, dass zur Realisierung eines möglichst großen Regelbereichs für die Gesamtversorgungsmenge eine Regelstrecke verwendet wird, bei der beim Hochregeln zum vorhandenen Stellglied mit variabler Regelgröße ab einer Stellgröße = x mindestens ein weiteres Stellglied mit einer frei wählbaren fest eingestellten Regelgröße parallel zugeschaltet wird und ab dieser Stellgröße = x die Gesamtversorgungsmenge aus den hieraus resultierenden Versorgungsteilmengen kombiniert eingestellt wird.
Hierzu ist in der Regelstrecke mindestens ein Stellglied mit variabel einstellba- rer Regelgröße, beispielsweise ein Regelventil, mit mindestens einem Stellglied mit einstellbarer Regelgröße, beispielsweise ein Schaltventil parallel geschaltet.
Letzteres Stellglied (und alle weiteren) sind beispielsweise reine Auf-Zu-
Stellglieder und beaufschlagen die Regelgröße mit einem festen Wert aus der Versorgung. Der Festwert ist einstellbar und bildet einen Teil des Versorgungswertes. Zur Einstellung der festen Regelgröße können die Durchgangsparameter des Stellgliedes wie beispielsweise Widerstand, Drossel, Leitungsdurch- messer verändert und/oder weitere Stellglieder parallel zugeschaltet werden.
Die gewünschte Regelgröße muss auf diese Weise nicht mehr nur durch ein Stellglied mit begrenztem Regelverhältnis eingestellt werden, sondern wird ab einer frei wählbaren Stellgröße x mit einem Festwert kombiniert eingestellt. Hierdurch entsteht ein deutlich erweiterter Stellbereich und eine genauere und/oder exaktere Einstellbarkeit (bzw. verbesserte Regelgüte) für die gesamte Regelungsaufgabe. Voraussetzung ist hierbei, dass die festen Stellglieder eine nahezu konstante und reproduzierbare Eigenschaft in der Stellgrößenausgabe besitzen.
Bei Stellgröße = x wird beim Hochregeln nicht nur ein Stellglied mit fest eingestellter Regelgröße zugeschaltet, sondern gleichzeitig das Stellglied mit variabler Regelgröße so weit heruntergeregelt, dass mit neu eingestellter variabler Regelgröße plus der fest eingestellten Regelgröße der Regelvorgang auch o- berhalb der Stellgröße = x fortgesetzt und die Gesamtversorgungsmenge sichergestellt ist. Auf Grund vorhandener Trägheit beim Schaltvorgang (Hysterese) ist beim Herunterregeln die vorhandene eigene definierte Hysterese h zu berücksichtigen. Dies geschieht in der Weise, dass bei der Stellgröße = x - h das Ausschalten des „kon-stanten" Stellgliedes erfolgt und ab diesem Wert das „variable" Stellglied im Bereich 0 bis x - h die Regelung der Gesamtversorgungsmenge wieder übernimmt. Für das Herunterregeln ergibt sich für das Stellglied mit variabler Regelgröße somit durch die Hysterese h ein kleinerer erforderlicher Regelbereich S, der wie folgt ermittelt wird:
für x - h < 50 % gilt S = x und für x - h > 50% gilt S = x - h.
Die Überschneidung der Stellgröße des „variablen" Stellgliedes und aller parallelen Stellglieder wird über die Auslegung der Parallelzweige und des „variablen" Stellgliedes definiert, so dass das Regelsystem die gewünschte Regelgrö- ße immer gesichert und reproduzierbar mit einer optimalen und verbesserten Regelgüte einstellt.
Zur Erreichung der erforderlichen Regelbereiche mit einer gesicherten Genauigkeit in hüttentechnischen Anlagen wie beispielsweise Stahlwerke, Strang- gießanlagen, Walzwerke zur beispielsweisen Ansteuerung von hydraulischen, elektrischen und auch pneumatischen Vorrichtungen (Luft, Wasser, Öl als hydraulisches Medium z. B. HFC Ultra Safe, Quintolubric oder mineralisches Hyd- rauliköl), Öl als Schmierstoff etc. können erfindungsgemäß folgende Kombinationen innerhalb einer Regelstrecke angewendet werden:
- Parallelschaltung von Regel- und Schaltvorrichtungen,
- Parallelschaltung von mehreren Regelvorrichtungen,
- Parallelschaltung von mehreren Schaltvorrichtungen (Kaskadierung),
wobei diese Regelungen mit Vorteil verwendet werden zur:
- Regelung von Luft, Wasser, Öl als hydraulisches Medium wie beispielsweise HFC Ultra Safe, Quintolubric oder mineralisches Hydrauliköl, Öl als Schmierstoff oder ähnlichen Medien im Stahlwerk zur Erzeugung und Weiterverarbei- tung von Flüssigstahl sowie flüssigen NE-Metallen,
- Regelung von Luft, Wasser, Öl als hydraulisches Medium wie beispielsweise HFC Ultra Safe, Quintolubric oder mineralisches Hydrauliköl, Öl als Schmierstoff oder ähnlichen Medien einer Stranggießanlage zur Weiterverarbeitung von Flüssigstahl sowie flüssigen NE-Metallen zu Halbzeugen wie etwa Brammen, Dünnbrammen, Knüppeln, Blöcken, oder Ähnlichem,
- Regelung von Luft, Wasser, Öl als hydraulisches Medium wie beispielsweise HFC Ultra Safe, Quintolubric oder mineralisches Hydrauliköl, Öl als Schmierstoff oder ähnlichen Medien eines Walzwerkes zur Weiterverarbeitung von Brammen, Dünnbrammen, Knüppeln, Blöcken, oder Ähnlichem,
- Regelung von Luft, Wasser, Öl als hydraulisches Medium wie beispielsweise HFC Ultra Safe, Quintolubric oder mineralisches Hydrauliköl, Öl als Schmierstoff oder ähnlichen Medien für Nebeneinrichtungen eines Walzwerkes wie beispielsweise Haspel, Laminarkühlstrecke und Ähnlichem,
- Regelung von Luft, Wasser, Öl als hydraulisches Medium wie beispielsweise HFC Ultra Safe, Quintolubric oder mineralisches Hydrauliköl, Öl als Schmier- stoff oder ähnlichen Medien einer Bandbehandlungsanlage.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend an in schematischen Zeichnungsfiguren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Regelungsschema nach dem Stand der Technik, Fig. 2 eine Regelstrecke mit drei parallel geschalteten Stellgliedern, Fig. 3 Regeldiagramm für Hochregeln, Fig. 4 Regeldiagramm für Herunterregeln,
Fig. 5 Regeldiagramm für Hoch- und Herunterregeln des konstanten Stellgliedes.
In der Figur 1 ist ein übliches Regelungsschema nach dem Stand der Technik in Form eines Flussdiagramms dargestellt. Ausgangspunkt ist hier das Regelungssystem 3, in das eine vorgegebene Führungsgröße 1 und eine aktuelle Rückführgröße 2 zur Berechnung der Stellgröße 4 eingegeben werden. Die Stellgröße 4 stellt dann im Stellglied 5 mit einem bestimmten Regelverhältnis
die Regelgröße 7 ein, mit der dann aus der Versorgung 6 die im Prozess 10 benötigte Gesamtversorgungsmenge bereitgestellt wird.
Um die zur Regelung einer Gesamtversorgungsmenge erforderlichen Regelverhältnisse zu erhöhen, wird erfindungsgemäß die vom Regelungssystem 3 berechnete Stellgröße 4 in eine in der Figur 2 dargestellte Regelstrecke (Stellgliedschaltung) 8 eingespeist. Innerhalb dieser Regelstrecke 8 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel drei Stellglieder parallel miteinander geschaltet. Jedes dieser Stellglieder 51,2,0 ist mit der Versorgung 6 verbunden und entnimmt dieser eine seiner Regelgröße 7i,2,n entsprechend große Versorgungsteilmenge 6i,2,n> die aufsummiert, der Regelgröße 7 entsprechend, die dem Prozess 10 zuzuführende Gesamtversorgungsmenge ergibt. Das mit einstellbarem Regelverhältnis ausgebildete Stellglied 5i beaufschlagt dabei die Gesamtregelgröße 7 mit einer variablen Regelgröße 7i und die parallel zugeschalteten Stellglieder Ö2 und 5n jeweils mit einer fest eingestellten Regelgröße 72 und Regelgröße 7n.
In den Figuren 3 bis 5 ist die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Regeldiagramms mit einem Stellgrößenbereich von bis zu 100 % dargestellt. Die Figur 3 zeigt das Hochregeln der Regelgröße 7 mit zwei parallel geschalteten Stellgliedern O1 und 52. Aufgetragen ist hier die gewünsch- te Regelgröße 7 in %, die dem Prozess zugeführt werden soll in Abhängigkeit von der Stellgröße 4 in %. Zu Beginn des Regelvorgangs wird dieser Wert allein durch das Stellglied 5i übernommen, so dass die gestrichelt eingezeichneten Werte der Regelgröße 7i parallel zur Regelgröße 7 verlaufen. Ab einer Stellgröße 4 = x (beträgt etwa 65 %) übernimmt das parallel zugeschaltete Stellglied 52 eine fest eingestellte Regelgröße 72, so dass das Stellglied 5i nur einen Bereich von 0 bis zu diesem Wert x reproduzierbar einstellen muss. Für gewünschte Werte größer x muss das Stellglied 5i ebenfalls nur Werte von x minus feste Regelgröße 72 bis 100 % minus fest eingestellte Regelgröße 72 reproduzierbar einstellen, kann also trotz kleinem Regelverhältnis die große Bandbreite des gesamten Regelbereichs sicher realisieren. Das beim Wert x erforderliche Herunterregeln des Stellgliedes 5i auf einen niedrigen Wert, um
anschließend die fest eingestellte Regelgröße 72 ab dem Wert x auf die erforderliche Regelgröße 7 zu ergänzen, ist gestrichelt eingezeichnet.
Um ein ständiges Ein- und Ausschalten um den um den Schaltpunkt mit dem Wert x zu vermeiden, arbeiten alle parallel geschalteten Stellglieder mit ihrer eigenen definierten Hysterese h. Das Ausschalten erfolgt daher beim Wert x - h. Das Stellglied O1 muss deshalb hier nur einen kleineren Regelbereich übernehmen. In der Figur 4 sind die sich daraus ergebenden Verhältnisse in gleicher Weise wie bei der Figur 3 dargestellt. Der Abschaltpunkt x - h für das Stellglied 52 liegt nun um den Betrag der Hysterese h gegenüber dem Zuschalt- punkt x der Figur 3 niedriger und beträgt hier etwa 54 %, weshalb auch entsprechend später das Stellglied 5i bei diesem Abschaltpunkt wieder hoch geregelt werden muss.
In der Figur 5 ist nur das Zuschalten 11 und das Abschalten 12 des Stellgliedes 52 entsprechend der eingezeichneten Richtungspfeile dargestellt. Die durch die Hysterese h hervorgerufenen unterschiedlichen Ein- und Ausschaltvorgänge der Figuren 3 und 4, sowie die Lage der Umschaltpunkte x und x-h werden durch diese Darstellung klarer hervorgehoben.
Bezugszeichenliste
1 Führungsgroße
2 Rückführgröße
3 Regelungssystem
4 Stellgröße
5i,2,n Stellglied
6 Versorgung
61,2,n Versorgungsteilmenge
7 Regelgröße
71,2,n Regelgröße (Teilregelgröße)
8 Regelstrecke (Stellgliedschaltung)
9 Hysterese
10 Prozess
11 Zuschalten
12 Abschalten h Hysterese
S Stellbereich