Grundlagen zum Einsatz von Prozeß-Steuerungsanlagen an Industrieöfen PDF
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FORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTF ALEN Nr. 273 2/F achgruppe Maschinenbau/Verfahrenstechnik Herausgegeben im Auftrage des Ministerprasidenten Heinz Kuhn vom Minister fUr Wissenschaft und Forschung Johannes Rau Dr. -Ing. Rolf Klima Prof. Dr. -Ing. Gunther Woelk Lehrgebiet fUr Industrieofenbau und Warmetechnik im Htittenwesen der Rhein. -Westf. Techn. Hochschule Aachen Grundlagen zum Einsatz von Proze [3-Steuerungs anlagen an Industrie6fen Westdeutscher Verlag 1978 CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek Klima, Ralf: Grundlagen zum Einsatz von Prozess-steuerungs anlagen an Industrieöfen / Rolf Klima j Günther Waelk. - 1. Aufl. - Opladen : Westdeutscher Verlag, 1978. (Forschungsberichte des Landes Nordrhein Westfalen ; Nr. 2732 : Fachgruppe Maschinen bau, Verfahrenstechnik) ISBN 978-3-531-02732-6 ISBN 978-3-322-88403-9 (eBook) DOI 10,10°7/978-3-322-884°3-9 NE: Waelk, Günther: © 1978 by Westdeutscher Verlag GmbH, Opladen Gesamtherstellung: Westdeutscher Verlag ISBN 978-3-531-02732-6 Inhaltsverzeichnis Seite 1. Einleitung 2. Stand der Technik 2 2. 1 Der ProzeBrechner und seine Aufgaben 2 2.2 Ofenmodelle 5 2.3 Mathematische Grundlagen des vorausschauen den Modells 8 3. Aufgabenstellung 10 4. Beschreibung der Versuchsanlage 10 5. Prograrnrnelemente 13 5. 1 Vorausschauendes Nutzgutmodell (Pradiktor) 13 5.2 Zurlickschauendes Nutzgutmodell (Beobachter) 22 5.3 Kopplung de~ Nutzgutmodelle mit dem Ofen 24 5.4 Regelstrategie 26 5.5 MeBwertverarbeitung 30 5.6 Abtas trege lung 33 5.7 Organisationsprograrnrn 36 6. Versuchsdurchflihrung und Versuchsergebnisse 40 6. 1 Modellanpassung 40 6.2 Fehlerbetrachtung zur Thermoelementmessung 46 6.3 Einhaltung der Zielbedingungen 47 6.3.1 Stationarer Betrieb 47 6.3.2 Storbetrieb 50 6.3.3 Produktionswechsel 52 7. Zusarnrnenfassung 56 8. Literaturverzeichnis 59 - IV - Formelzeichen a Koeffizient A1,A2 Flliche A(t) Systemmatrix B(t) Einqanqsmatrix c (t) Ausqanqsmatrix c spezifische Wlirmekapazitlit Konstante OCt) Einqanqsmatrix elektrische Leistunq Wlirmestromdichte s charakteristische Llinge t Zeit T Zeitkonstante, thermodynamische Temperatur Ausqleichszeit der Reqelstrecke Nachstellzeit des Reqlers Verzuqszeit der Reqelstrecke Zei tschri tt u(t) Stellvektor V Ubertraqunqsbeiwert w Que 11 term x Weqkoordinate, Reqelqr68e x(t) Zustandsvektor x(t) zeitliche Ableitunq des Zustandsvektors ~(t) Schlitzwert des Zustandsvektors l!J.x Ortsschritt y Ste11qr6Be yet) Stellqr6Benvektor - v - y(t) vom Modell berechneter StellgroBenvektor z(t) StorgroBenvektor Warmelibergangskoeffizient Temperatur Realtemperatur Temperaturdifferenz E Emissionskoeffizient A Warmeleitfahigkeit P Dichte 6 Stephan-Boltzmann-Konstante normierte Zeit normierter Zeitschritt 't 1 normierte Durchlaufzeit g normierte Wegkoordinate Indizes A Anfang E Ende n Nutzgut R Regler S Regelstrecke w Wand 1. ~inleitung Das Ziel der industriellen Autornatisierung ist es, teehnisehe Prozesse rnoglienst okonorniseh zu betreiben und gleiehzeitig die Qualitat der Produkte zu verbessern. Als wiehtigstes und wirk sanlstes Autornatisierungsrnittel hat der ProzeBreehner dureh die rasante Entwieklung der digitalen Reehen- und MeBteehnik in letzter Zeit ein sieh standig erweiterndes Anwendungsgebiet gefunden. Neben den bisher vorn Mensehen von der MeBwarte aus durehgefUhr ten Aufgaben, wie Uberwaehung der MeBwerte, Bereehnung und Aus gaoe von FuhrungsgroBen, konnen vorn ProzeBreehner aueh die Reg leraufgaben, wie Erfassen der MeBwerte, Bereehnung und Ausgabe von StellgroBen, ubernommen werden. Naeh vorgegebenen Optirnierungs kriterien, wie Wirkungsgrad der Anlage oder Qualitat des Pro duktes, konnen dureh den ProzeBreehnereinsatz sowohl die ein zelnen Regelkreise als aueh die gesarnte ProzeBfUhrung opti- rniert werden. Durei1 die Anpassungsfahigkeit der Reehnerperipherie und die gesunkenen Kosten fur geeignete Reehnersysterne werden heute ProzeBreehner in fast allen teehnischen Gebieten mit Erfolg eingesetzt. So zurn Beispiel in der Verkehrsregelung, der Raurnf~1rt und bei der Autornatisierung von Stahl- und Walzwerken. Ausgel1end von der ProzeBflihrung einzelner Teilprozesse,werden die Steuerungen ausgebaut, bis sehlieBlieh die gesamte Pro duktionskette oder sogar der ganze Betrieb vorn Reehner Uber wacnt und geregelt wird. So versucht man derzeit, in den Walz ~erken die StoBofen mit in die bestehende ProzeBsteuerung der WarmwalzstraBen einzubeziehen. In uen StoBofen sollen die Stahlbrammen in der von den Walz straBen vorgegebene~ Zeit auf die fUr die Weiterverarbeitung erforderlichen Temperaturen erwarrnt werden. Die Durehlaufzeit - 2 - der Bramme durcn den Of en und die Temperaturen von Kern und Oberfllche des Nutzgutes beim Verlassen des Of ens sind die drei Koppelgr6Ben zwischen Of en an lage und WalzstraBe. Speziell fUr die betrieblichen Sonderfalle, wie Anfahren des Of ens, BetriebsstBrung oder fUr den haufiger erforderlichen Produk tionswechsel, ist nur durch eine ProzeBsteuerung eine m6glichst exakte Einhaltung dieser Erwarmungsbedingungen unter gleich zeitiger Minimierung der Energie und maximaler Auslastung der bestehenden Anlage gewahrleistet. Mit der Beurteilung des dy namischen Verhaltens des Systems beim Ubergang von einem op timalen Betriebspunkt in einen anderen ware jedes noch so er fahrene Betriebspersonal Uberfordert. 2. Stand der Technik 2.1 Der ProzeBrechner und seine Aufgaben Als ProzeBrechner bezeichnet man eine in der Regel frei pro grammierbare,digitale elektronische Datenverarbeitungsanlage, deren Aufgabe darin besteht, die Eingangs- und ZustandsgrBBen des Prozesses zu erfassen, urn nach vorgegebenen Algorithmen und Zielfunktionen den ProzeB zu liberwachen, zu steuern oder zu regeln. Die Rechenmaschine muB die ihr obliegenden Aufgaben in zeitlicnem Einklang mit dem technischen ProzeB, im Echt zeitbetrieb, durchflihren. Werden die ProzeBzustandsgrBBen vom Rechner unmittelbar erfaBt und gibt der ProzeBrechner die ermittelten Stell- und FUhrungs gr6Ben direkt an den ProzeB weiter, so spricht man von direkter geschlossener Kopplung. In dieser Betriebsart, die Ziel jeder ProzeBsteuerung ist, hat das Betriebspersonal nur noch liberwa chende Funktion. Der Rechner fUhrt den ProzeB vollautomatisch. Die Aufgaben, die dabei vom ProzeBrechner Ubernommen werden, sind in Bild 1 zusammengestellt. Von den diversen Uberwachungs und Steuerungsfunktionen 5011 nier nur auf die Regelllng und die Optimierung kurz eingegangen werden. w g n ru g e n ni u ir el Opt reg e d gs n Regelung Vorwarts kopplung Modellmetho un io [ euer unkt g ng e St f olge uerun kopplumethod Fste RlickSuch 1] rozeBrechner funktion Festwert steuerung unktionen [ P f r e n h chts Alarm tion eBrec Beriund funk Proz r e berwach ungs funktion Durchflihrung indirekter nicht me Bbare Variable enstellung d U m m a s e e u nl Z eb sa esri 1: emVa d g l i B - 4 - Setzt man den Rechner als RegIer ein, so bezeichnet man dies als direkte digitale Regelung. Der Rechner lost die Differentialglei chung des Reglers numerisch und steuert die Stellorgane direkt an. Solche Regelungen bieten die Moglichkeit, Regelkreise durch adap tive Verfahren zu optimieren. Durch einfache Nebenrechnungen las sen sich die Reglerkennwerte dem jeweiligen Betriebspunkt der Anlage optimal anpassen. Diese Optimierung einzelner Regelkreise ist nicht mit der Opti mierungsfunktion des Rechners in Bezug auf den ProzeB zu ver wechseln. Sie stellt vielmehr lediglich eine Voraussetzung dazu dar. Die eigentliche Optimierungsaufgabe des Rechners besteht darin, nach vorgegebenen Optimierungskriterien aus der Vielzahl der ProzeBftihrungsmoglichkeiten diejenige herauszusuchen, die, von den vorliegenden Bedingungen ausgehend, die bestmoglichen Ergebnisse erzielt. Bei der Rtickwartsoptimierung werden die optimalen Ftihrungsgros sen des Prozesses durch Suchen gefunden. Die SteuerungsgroBen werden schrittweise verstellt, bis die AusgangsgroBen die Ziel funktion erftillen. Zur Vorwartsoptimierung wird der ProzeB durch eine mehr oder weniger genaue mathematische Beschreibung nachgebildet. Aus den unveranderlichen EingangsgroBen werden im Modell die veranderlichen EingangsgroBen so berechnet, daB die AusgangsgroBen optimal werden. Diese Methode hat den Vorteil, daB ungtinstige Veranderungen der EingangsgroBen zu einer Verstellung der FtihrungsgroBen ftihren, bevor die Storung am ProzeBausgang erkennbar wird. Ist das Modell nur eine angenaherte Darstellung der realen Zusammenhange, so kann man das Modell durch Adaption im Betrieb verbessern. Urn den Rechner in der hochsten Einsatzform, als Optimierungsrechner mit Vorwartskopplung, verwenden zu konnen, wird ein m5glichst ge naues, vorhersagendes mathematisches Modell benotigt. Die Rechen zeit des Modells muB so klein sein, daB ProzeB und Modell nicht auseinanderlaufen und somit Echtzeitbetrieb moglich wird. - 5 - 2.2 Ofenmodelle Urn ein vorgegebenes System automatisch und optimal steuern zu kBnnen, mUssen die den ProzeB charakterisierenden GesetzmaBig keiten aufgedeckt und in einem Gleichungssystem, dem mathe matischen Modell, formuliert werden. Entsprechend der Vorgehensweise bei der Modellierung werden zwei grunds~tzlich verschiedene Modellarten unterschieden - die statistischen und die analytischen Modelle. Die Erstellung statistischer ProzeBmodelle geht von der Aus wertung vorhandener MeBwerte aus, setzt damit die Existenz des zu beschreibenden ProzeBoriginals voraus. Die so gefundenen Gesetzm~Bigkeiten haben keine physikalischen Grundlagen und lassen sich deshalb auch nicht auf andere Anlagen libertragen. Diese Nachteile haben die analytisch entwickelten Modelle nicht. Von der theoretischen ProzeBerkennung ausgehend,wird ein System von Gleichungen, Ungleichungen und logischen Aussagen gefunden, das die physikalischen und chemischen Vorgange des technischen Prozesses mit Hilfe mathematischer Methoden beschreibt. Die geforderte Genauigkeit,mit der das Modell das Original wider spiegeln 5011, wird je nach der Aufgabenstellung, fUr die das Modell konzipiert wird, unterschiedlich sein. Modelle, die nur eine grobe Darstellung der Zusammenhange ent halten, werden zur Uberschlagigen Berechnung benutzt. Diesen Hantierungsmodellen stehen die eigentlichen Berechnungsmodelle gegenliber, deren Genaugikeit nur durch die Speicherkapazitat und die Begrenzung der Rechenzeit eingeschrankt 1st. Die analytischen Modelle sind die im techn1schen Bereich ver breitetsten Modelltypen. Sie konnen, entsprechend 1hrem Aufbau, in die ganzheitlichen und die diskretisierten Modelle unter teilt werden.
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