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WO2020224839A1 - Verfahren zum betreiben einer industriellen anlage - Google Patents

Verfahren zum betreiben einer industriellen anlage Download PDF

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Publication number
WO2020224839A1
WO2020224839A1 PCT/EP2020/057181 EP2020057181W WO2020224839A1 WO 2020224839 A1 WO2020224839 A1 WO 2020224839A1 EP 2020057181 W EP2020057181 W EP 2020057181W WO 2020224839 A1 WO2020224839 A1 WO 2020224839A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
workpiece
parameters
rolling
target
time
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/057181
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Breuer
Original Assignee
Sms Group Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sms Group Gmbh filed Critical Sms Group Gmbh
Publication of WO2020224839A1 publication Critical patent/WO2020224839A1/de

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B23/00—Testing or monitoring of control systems or parts thereof
    • G05B23/02—Electric testing or monitoring
    • G05B23/0205—Electric testing or monitoring by means of a monitoring system capable of detecting and responding to faults
    • G05B23/0218—Electric testing or monitoring by means of a monitoring system capable of detecting and responding to faults characterised by the fault detection method dealing with either existing or incipient faults
    • G05B23/0243—Electric testing or monitoring by means of a monitoring system capable of detecting and responding to faults characterised by the fault detection method dealing with either existing or incipient faults model based detection method, e.g. first-principles knowledge model
    • G05B23/0254—Electric testing or monitoring by means of a monitoring system capable of detecting and responding to faults characterised by the fault detection method dealing with either existing or incipient faults model based detection method, e.g. first-principles knowledge model based on a quantitative model, e.g. mathematical relationships between inputs and outputs; functions: observer, Kalman filter, residual calculation, Neural Networks
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B23/00—Testing or monitoring of control systems or parts thereof
    • G05B23/02—Electric testing or monitoring
    • G05B23/0205—Electric testing or monitoring by means of a monitoring system capable of detecting and responding to faults
    • G05B23/0259—Electric testing or monitoring by means of a monitoring system capable of detecting and responding to faults characterized by the response to fault detection
    • G05B23/0286—Modifications to the monitored process, e.g. stopping operation or adapting control
    • G05B23/0294—Optimizing process, e.g. process efficiency, product quality

Definitions

  • the invention relates to a method for operating an industrial plant, in particular in the metallurgical industry, in which at least one process takes place for manufacturing or machining a workpiece, in particular a steel slab.
  • Such methods are well known in the art, e.g. B. from the German patent DE 198 81 71 1 B4. Specifically, this patent specification discloses a method for controlling a rolling train, a workpiece made of steel or aluminum with certain material properties depending on the structure of the workpiece being produced in the rolling train, which in turn are dependent on the operating parameters of the rolling train. Based on certain previously determined setpoints for at least one desired material property, such as B. Yield point, yield point, hardness, etc. are set by means of a structure optimizer necessary operating parameters for the rolling train.
  • the method disclosed there determines optimal setpoint values for the entire production route, with the operations and treatment steps of the production process for a workpiece being modeled and simulated by computer.
  • the basis for the optimization calculation is the chemical analysis, the results of which are input variables for continuous casting. This is followed by hot rolling and cold rolling.
  • an annealing process follows after cold rolling. All individual treatment steps flow into mathematical process models of a microstructure optimizer, so that it can determine optimal target values while taking the entire production process into account.
  • the microstructure optimizer is in turn linked to a production control system. Accordingly, production can be controlled depending on the result of the microstructure optimizer.
  • the microstructure optimizer can save considerable energy and material costs.
  • the structure optimizers described in the two cited German publications from the prior art are not active during a rolling process, but only in the run-up to a rolling process. They also essentially aim solely at optimizing the chemical composition of a workpiece. It is true that optimization problems when operating an industrial plant, in particular the metallurgical industry, are addressed. How these optimization problems should be solved, however, remains open. In practice, the solution of an optimization problem with today's computing power often fails because of the computing power or computing capacity required to solve a complex optimization problem.
  • a modern hot rolling mill for example, has several hundred actuators that are controlled by process models. To solve the optimization problem, the optimizer or the process model would have to be able to calculate the influence of all actuators on a target variable, preferably in real time. The computer capacities available today are typically not sufficient for this.
  • the invention is therefore based on the object of developing a known method for operating an industrial plant, in particular in the metallurgical industry, in such a way that at least a good approximate solution for calculating setpoint values for plant parameters is made possible as part of an optimization problem while the process is running.
  • This object is achieved by the method claimed in claim 1.
  • This method is characterized in that the target values of a selected system parameter, precalculated at time n, for a selected group of individual units of the industrial system or for a time sequence of selected process steps on a single unit of the industrial system are combined or grouped to form an old pattern the target values of the individual pattern are functionally related to one another; and that in order to calculate the new target value for the at least one system parameter at time n + 1, the old pattern is fed to the process model as an input variable and only the target values of the Plant parameters of the old pattern are recalculated and grouped in the form of a new pattern. Any existing target values for other system parameters are kept constant during the recalculation.
  • the inventive solution to the above-mentioned object ie the significant reduction in the computing power required to solve the optimization problem, is achieved according to the invention by expressly not calculating the influence of all possible actuators on a target variable, but rather only calculating the target values of a single selected system parameter for a selected group of individual units of the industrial plant can be recalculated with a view to solving the optimization problem. This significantly reduces the computational effort required and real-time calculation of the setpoint values for the selected system parameters is also possible with sufficient accuracy to solve the optimization problem.
  • the term "disturbance” means any kind of possible disturbance of the process which causes the actual condition of a workpiece resulting from the process to deviate from its target condition. The presence of a malfunction can be recognized from the actual value of a process and / or system parameter if this deviates from its setpoint.
  • system parameters means a (system) variable that can be set in terms of value on a unit of the system, such as the size of the roll gap, Rolling speed, amount of coolant applied / time unit, valve position, transport times, etc. These variables are typically assigned specific actual or setpoint values or specific actual or setpoint setting values.
  • workpiece quality means the mechanical or metallurgical properties of the workpiece resulting from a manufacturing or machining process of the workpiece, such as its geometry, its chemical composition, its temperature, its structural properties, in particular grain size, elongation, yield strength, tensile strength, cold toughness, etc. A distinction is made between actual and target properties.
  • the target condition is the target variable of the optimization process according to the invention.
  • process parameter means a variable describing the process, such as a temperature, the degree of deformation, processing or dwell times, etc. These variables are typically assigned specific actual or target values. The actual values of the process parameters are typically due to, that is, they result automatically from the set (setting) value of at least one of the system parameters.
  • process model means a computation model that can be run on a computer for the precalculation of setpoints for system and / or process parameters based on workpiece parameters and the physical structure of the industrial system or parts thereof in order to achieve a specified target quality of the workpiece.
  • pattern means the distribution of pre-calculated setpoints of a selected system parameter with / over a selected group of individual units of the industrial system or with a chronological sequence of selected process steps on a single unit of the industrial system.
  • the setpoint values of the pattern on the individual units are usually functionally related to one another.
  • a pattern is an input variable for the process model to solve the optimization problem.
  • the calculations of setpoint values that take place at time n and / or at time n + 1 can take place before the start of the process or in parallel with the ongoing process.
  • the last-mentioned alternative offers the advantage that a running process does not have to be interrupted and that a new setpoint value calculated in parallel for a system parameter can advantageously be set again during the running process
  • the steps of the method according to the invention are advantageously repeated until no more faults in the process are detected and / or the quality of the workpiece agrees with its target quality. Said repetition of the steps preferably takes place at later times n> n + 1 and then preferably cyclically.
  • technological limits of technological units of the plant that are used to carry out the process are preferably also taken into account. This consideration can take place, for example, in the form of a boundary value optimization.
  • the determination of an actual value of a process parameter to determine whether the process is disturbed can be done, for example, by measurements during the at least one running process or by simulating the process with the process model with the current actual process parameters.
  • the process can be, for example, a mechanical, in particular a forming process.
  • the forming process can in particular be a rolling process, further in particular a hot rolling process.
  • the old and new pattern can be formed, for example, from the quantity / distribution of target values for the thickness reduction on the stands of the rolling train as system parameters.
  • the old and new pattern for the rolling process can be formed as a system parameter from the set of setpoint values for the rolling speed of the workpiece at the exit of the stands of the rolling train.
  • the process considered here can also be a metallurgical process.
  • the actual or target condition of the workpiece it can be, for. B. to its proportions of its material components, z. B. act its Nb content or its C content.
  • the actual or target condition of the workpiece, its mechanical properties, its structure or its product quality can mean.
  • the process model according to the invention is preferably designed to be able to predict the actual condition of the workpiece at the end of the process.
  • process parameters considered according to the invention are, for example, settlements for units of the system, dwell times of the workpiece in a furnace and / or rolling parameters.
  • the invention is described below in the form of exemplary embodiments:
  • a rolling train with a rolling process running in it is considered as an example.
  • the rolling train consists of a plurality of rolling stands arranged one behind the other in the direction of material flow for rolling a workpiece, for example in the form of a metallic slab.
  • the thickness of the workpiece is successively reduced in the individual roll stands arranged one behind the other. In a retracted state, the workpiece is so long that it runs through all of the stands and is processed by all of the stands at the same time.
  • the thickness settings of the individual roll stands of the rolling train are linked to one another via the workpiece.
  • the output variable in particular the output thickness of the workpiece in a frame, corresponds to the input thickness of the workpiece on the subsequent frame.
  • an acceptance pattern could be defined which defines the acceptance, ie the thickness reductions of the workpiece on the individual roll stands of the rolling train, or links them to one another.
  • the thickness reductions cause the rolling forces that arise.
  • an old pattern can alternatively be defined for this case, which defines the rolling force distribution on the individual stands F1-F7 of a hot rolling mill, as shown below by way of example.
  • the thickness reductions are physically directly adjustable system parameters.
  • the rolling forces are calculated in advance using the process model.
  • the process model changes the decrease in thickness until the desired rolling forces are reached.
  • the only system parameter of this pattern is the rolling force.
  • the table gives absolute numbers and relative numbers.
  • the use of one or the other parameter set in the pattern is appropriate.
  • the selected system parameter here by way of example the rolling force
  • the setpoint values for a selected group of individual units of the industrial system ie in the present example the individual stands F1 to F7 of the hot rolling mill, calculated in advance at time n.
  • These target values of the old pattern formed in this way are functionally related to one another. This results from the above-mentioned linking of the thickness settings on the individual stands via the jointly clamped workpiece.
  • the old pattern is fed to the process model as an input variable.
  • the target values of the system parameter of the old pattern are recalculated and grouped in the form of a new pattern, as also shown in the above example. While the optimization problem according to the invention is being solved, any desired values that may be present for other system parameters are consciously kept constant.
  • a pattern comprises the meaningful setting of a group of actuators and / or parameters within a plant part, for example a hot rolling line.
  • the number of descaling processes can be varied using a descaling pattern and thus also influence the temperature balance.
  • a pattern can also describe the heating curve in the furnace, with which the individual zones of the furnace are controlled.
  • the optimizer therefore informs the individual process models which patterns are to be varied without addressing the large number of actuators and process parameters directly.
  • the individual process models then calculate in compliance with any existing technological limitations, such as B. rolling force, rolling torque, drive load, grip angle restrictions, a settlement of the rolling mill units.
  • the optimizer then checks the calculation result of all individual models, the influence on the target value (e.g. mechanical properties of the end product) and, if necessary, varies the pattern until the target value is reached.
  • the method according to the invention offers the advantage that the product quality can preferably be ensured in real time, despite disruptions in manufacture or machining the workpiece.
  • the use of the patterns increases or improves the iteration speed and the iteration reliability when the method is repeated.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer industriellen Anlage, insbesondere der Hüttenindustrie, in welcher ein Prozess abläuft zum Herstellen oder Bearbeiten eines Werkstückes, wobei der Prozess durch mindestens ein Prozessmodell abgebildet wird. Der Prozess wird erfindungsgemäß zunächst durchgeführt mit zum Zeitpunkt n vorausberechneten Soll-Werten für Anlagenparameter. Sobald eine Störung des laufenden Prozesses festgestellt wird, erfolgt zu einem Zeitpunkt n+1 eine Neuberechnung für einen Anlagenparameter durch Lösen eines Optimierungsproblems im Hinblick auf die festgestellte Störung. Der Prozess wird sodann mit dem neu berechneten Soll-Wert für den Anlagenparameter weiter fortgeführt. Um den Rechenaufwand für das Optimierungsproblem zu reduzieren und insbesondere um auch eine Lösung des Optimierungsproblems in Echtzeit zu ermöglichen, sieht die vorliegende Erfindung eine Gruppierung von vorausberechneten Soll-Werten für einen ausgewählten Anlagenparameter zu einem Alt-Pattern vor und die Lösung des Optimierungsproblems erfolgt dann lediglich durch Veränderung bzw. Neu-Berechnung der Soll-Werte für diesen ausgewählten Anlagenparameter zu einem Zeitpunkt n+1 zu einem Neu-Pattern. Eventuell vorhandene Soll-Werte für andere Anlagenparameter werden während der Neu-Berechnung konstant gehalten werden.

Description

Verfahren zum Betreiben einer industriellen Anlage
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer industriellen Anlage, insbesondere der Hüttenindustrie, in welcher mindestens ein Prozess abläuft zum Herstellen oder Bearbeiten eines Werkstücks, insbesondere einer Bramme aus Stahl.
Solche Verfahren sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt, so z. B. aus der deutschen Patentschrift DE 198 81 71 1 B4. Konkret offenbart diese Patentschrift ein Verfahren zur Steuerung einer Walzstraße, wobei in der Walzstraße ein Werkstück aus Stahl oder Aluminium mit bestimmten von dem Gefüge des Werkstücks abhängigen Materialeigenschaften hergestellt wird, die wiederum von dem Betriebsparametern der Walzstraße abhängig sind. Ausgehend von bestimmten vorab festgestellten Sollwerten für zumindest eine gewünschte Materialeigenschaft, wie z. B. Streckgrenze, Dehngrenze, Härte etc. werden mittels eines Gefügeoptimierers notwendige Betriebsparameter für die Walzstraße festgelegt.
Ein ähnliches Verfahren zum Betreiben einer industriellen Anlage, insbesondere der Hüttenindustrie, offenbart auch die DE 103 39 766 A1. Durch das dort offenbarte Verfahren werden optimale Sollwerte für den gesamten Produktionsweg ermittelt, wobei die Operationen und Behandlungsschritte des Fertigungsablaufes für ein Werkstück rechnerisch modelliert und simuliert werden. Grundlage für die Optimierungsrechnung ist die chemische Analyse, deren Ergebnisse Eingangsgrößen für den Strangguss sind. Daran schließt sich das Warmwalzen und das Kaltwalzen an. Zur Verbesserung des Gefüges folgt nach dem Kaltwalzen ein Glühvorgang. Sämtliche einzelnen Behandlungsschritte fließen in mathematische Prozessmodelle eines Gefügeoptimierers ein, so dass dieser unter Berücksichtigung des gesamten Produktionsablaufes optimale Sollwerte ermitteln kann. Der Gefügeoptimierer ist wiederum mit einem Produktionssteuerungssystem gekoppelt. Dementsprechend kann die Produktion in Abhängigkeit des Ergebnisses des Gefügeoptimierers gesteuert werden. Insgesamt lassen sich mit Hilfe des Gefügeoptimierers erhebliche Energie- und Materialkosten einsparen. Die in den beiden genannten deutschen Druckschriften aus dem Stand der Technik beschriebenen Gefügeoptimierer sind nicht während eines Walzprozesses aktiv, sondern nur im Vorfeld eines Walzprozesses. Auch zielen sie im Wesentlichen allein auf eine Optimierung der chemischen Zusammensetzung eines Werkstücks ab. Es werden zwar Optimierungsprobleme beim Betreiben einer industriellen Anlage, insbesondere der Hüttenindustrie, angesprochen. Wie diese Optimierungsprobleme allerdings gelöst werden sollen, bleibt offen. In der Praxis scheitert die Lösung eines Optimierungsproblems bei den heutigen Rechnerleistungen oftmals an der zur Lösung eines komplexen Optimierungsproblems notwendigen Rechnerleistung bzw. Rechnerkapazität. Ein modernes Warmwalzwerk verfügt beispielsweise über einige hundert Aktuatoren, die durch Prozessmodelle angesteuert werden. Zur Lösung des Optimierungsproblems müsste der Optimierer bzw. das Prozessmodell in der Lage sein, den Einfluss aller Aktuatoren auf eine Zielgröße durchzurechnen, und zwar vorzugsweise in Echtzeit. Dazu reichen die heute verfügbaren Rechnerkapazitäten typischerweise nicht aus.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein bekanntes Verfahren zum Betreiben einer industriellen Anlage, insbesondere der Hüttenindustrie dahingehend weiterzubilden, dass zumindest eine gute Nährungslösung für die Berechnung von Soll-Werten für Anlagenparameter im Rahmen eines Optimierungsproblems während des laufenden Prozesses ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird durch das in Patentanspruch 1 beanspruchte Verfahren gelöst. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die zum Zeitpunkt n vorausberechneten Soll-Werte eines ausgewählten Anlagenparameters für eine ausgewählte Gruppe von Einzelaggregaten der industriellen Anlage oder für eine zeitliche Abfolge von ausgewählten Prozessschritten an einem Einzelaggregat der industriellen Anlage zu einem Alt-Patter zusammengefasst bzw. gruppiert werden, wobei die Soll-Werte des Einzel-Patterns untereinander in einem funktionalen Zusammenhang stehen; und dass zur Berechnung des neuen Soll-Wertes für den zumindest einen Anlagenparameter zu dem Zeitpunkt n+1 das Alt-Pattern dem Prozessmodell als Eingangsgröße zugeführt wird und nur die Soll-Werte des Anlagenparameters des Alt-Patterns neu berechnet und in Form eines Neu-Patterns gruppiert werden. Eventuell vorhandene Soll-Werte für andere Anlagenparameter werden während der Neuberechnung konstant gehalten. Die erfindungsgemäße Lösung der oben genannten Aufgabe, d. h. die deutliche Reduzierung der zur Lösung des Optimierungsproblems erforderlichen Rechnerleistung erfolgt erfindungsgemäß dadurch, dass ausdrücklich nicht der Einfluss aller möglichen Aktuatoren auf eine Zielgröße durchgerechnet wird, sondern dass lediglich die Soll-Werte eines einzelnen ausgewählten Anlagenparameters für eine ausgewählte Gruppe von Einzelaggregaten der industriellen Anlage neu berechnet werden im Hinblick auf die Lösung des Optimierungsproblems. Dadurch wird der erforderliche Rechenaufwand deutlich reduziert und es gelingt auch eine Echtzeit-Berechnung der Soll-Werte für den ausgewählten Anlagenparameter mit hinreichender Genauigkeit zur Lösung des Optimierungsproblems.
Die Auswahl eines geeigneten Anlagenparameters zur Behebung der Störung aus der Vielzahl von möglichen Anlagenparametern der industriellen Anlage erfolgt sinnvoll manuell durch einen Spezialisten. Alternativ ist es auch denkbar, durch Einbeziehung aller Anlagenparameter und Analyse mittels Mustererkennung, künstlicher Intelligenz oder anderer geeigneten Algorithmen sinnvolle Anlagenparameter auszuwählen und dafür sinnvolle Patterns zu identifizieren und zu parametrieren.
Definitionen: Der Begriff„Störung“ meint jede beliebige Art einer möglichen Störung des Prozesses, welche bewirkt, dass die Ist-Beschaffenheit eines aus dem Prozess resultierenden Werkstücks von dessen Soll-Beschaffenheit abweicht. Das Vorliegen einer Störung kann an dem Ist-Wert eines Prozess- und/oder Anlagenparameters erkannt werden, wenn dieser von dessen Soll-Wert abweicht.
Der Begriff„Anlagenparameter“ meint eine an einem Aggregat der Anlage wertmäßig einstellbare (Anlagen-) Variable, wie z.B. Größe des Walzspaltes, Walzgeschwindigkeit, Kühlmittelbeaufschlagungsmenge/Zeiteinheit, Ventilstellung, Transportzeiten etc. Diesen Variablen sind typischerweise konkrete Ist- oder Sollwerte bzw. konkrete Ist- oder Soll-Setzwerte zugeordnet. Der Begriff „Werkstückbeschaffenheit“ meint die aus einem Herstellungs- oder Bearbeitungsprozess des Werkstücks resultierende mechanische oder metallurgische Eigenschaft des Werkstücks, wie z.B. dessen Geometrie, dessen chemische Zusammensetzung, dessen Temperatur, dessen Gefügeeigenschaft, insbesondere Korngröße, Dehnung, Dehngrenze, Zugfestigkeit, Kaltzähigkeit etc. Es wird zwischen Ist- und Soll-Beschaffenheit unterschieden. Die Soll-Beschaffenheit ist die Zielgröße des erfindungsgemäßen Optimierungsprozesses.
Der Begriff„Prozessparameter“ meint eine den Prozess beschreibende Variable, wie z.B. eine Temperatur, den Umformgrad, Bearbeitungs- oder Verweil-Zeiten etc. Diesen Variablen sind typischerweise konkrete Ist- oder Sollwerte zugeordnet. Die Ist- Werte der Prozessparameter sind typischerweise bedingt durch, das heißt, sie ergeben sich automatisch durch den eingestellten (Setz-) Wert von zumindest einem der Anlagenparameter. Der Begriff „Prozessmodell“ meint ein auf einem Computer ablaufbares Berechnungsmodell zur Vorausberechnung von Sollwerten für Anlagen- und/oder Prozessparameter auf Basis von Werkstückparametern und des physikalischen Aufbaus der industriellen Anlage oder Teilen davon zur Erreichung einer vorgegebenen Soll-Beschaffenheit des Werkstücks.
Der Begriff „Pattern“ meint die Verteilung von vorausberechneten Sollwerten eines ausgewählten Anlagenparameters bei/über einer ausgewählten Gruppe von Einzelaggregaten der industriellen Anlage oder bei einer zeitlichen Abfolge von ausgewählten Prozessschritten an einem einzelnen Aggregat der industriellen Anlage. Die Sollwerte des Patterns an den Einzelaggregaten stehen in der Regel in einem funktionalen Zusammenhang miteinander. Ein Pattern ist eine Eingangsgröße für das Prozessmodell zur Lösung des Optimierungsproblems. Ende der Definition
Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens können die zu dem Zeitpunkt n und / oder zu dem Zeitpunkt n+1 erfolgenden Berechnungen von Soll-Werten vor Beginn des Prozesses oder zeitlich parallel zu dem laufenden Prozess stattfinden. Die letztgenannte Alternative bietet den Vorteil, dass ein laufender Prozess nicht unterbrochen werden muss und dass ein zeitlich parallel berechneter neuer Soll-Wert für einen Anlagenparameter vorteilhafterweise während des laufenden Prozesses neu eingestellt werden kann
Vorteilhafterweise werden die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens so lange wiederholt, bis keine Störung des Prozesses mehr festgestellt wird und/oder die - Beschaffenheit des Werkstücks mit dessen Soll-Beschaffenheit übereinstimmt. Die besagte Wiederholung der Schritte erfolgt vorzugsweise zu späteren Zeitpunkten n > n+1 und dann vorzugsweise zyklisch.
Bei der Lösung des Optimierungsproblems werden vorzugsweise auch technologische Limits von technologischen Aggregaten der Anlage, die zur Durchführung des Prozesses verwendet werden, berücksichtigt. Diese Berücksichtigung kann beispielsweise in Form einer Randwertoptimierung erfolgen.
Das Ermitteln eines Ist-Wertes eines Prozessparameters zur Feststellung, ob der Prozess gestört ist, kann beispielsweise durch Messungen während des mindestens einen laufenden Prozesses oder durch Simulation des Prozesses mit dem Prozessmodell mit den aktuellen Ist-Prozessparametern erfolgen.
Bei dem Prozess kann es sich beispielsweise um einen mechanischen, insbesondere umformtechnischen Vorgang handeln. Bei dem umformtechnischen Vorgang kann es sich insbesondere um einen Walzvorgang, weiter insbesondere um einen Warmwalzvorgang, handeln. Im Falle eines Walzvorganges kann das Alt- und Neu- Pattern beispielsweise aus der Menge/Verteilung von Soll-Werten für die Dickenreduktion an den Gerüsten der Walzstraße als Anlagenparameter gebildet sein. Alternativ kann das Alt- und Neu-Pattern für den Walzvorgang aus der Menge an Soll- Werten für die Walzgeschwindigkeit des Werkstücks am Ausgang der Gerüste der Walzstraße als Anlagenparameter gebildet sein. Alternativ zu einem mechanischen Prozess kann es sich bei dem hier betrachteten Prozess auch um einen metallurgischen Prozess handeln.
Bei der Ist- oder Soll-Beschaffenheit des Werkstücks kann es sich z. B. um dessen Anteile von dessen stofflichen Bestandteilen, z. B. dessen Nb-Gehalt oder dessen C- Gehalt handeln. Alternativ kann die Ist- oder Soll-Beschaffenheit des Werkstücks, dessen mechanische Eigenschaften, dessen Gefügebeschaffenheit oder dessen Produktqualität meinen.
Das erfindungsgemäße Prozessmodell ist vorzugsweise ausgebildet, die Ist- Beschaffenheit des Werkstücks am Ende des Prozesses Vorhersagen zu können.
Schließlich handelt es sich bei den erfindungsgemäß betrachteten Prozessparametern beispielsweise um Setzungen für Aggregate der Anlage, um Verweilzeiten des Werkstücks in einem Ofen und / oder um Walzparameter. Die Erfindung wird nachfolgend in Form von Ausführungsbeispielen beschrieben:
Beispielhaft wird eine Walzstraße mit einem darin ablaufenden Walzprozess betrachtet. Die Walzstraße besteht aus einer Mehrzahl von in Materialflussrichtung hintereinander angeordneten Walzgerüsten zum Walzen eines Werkstücks, beispielsweise in Form einer metallischen Bramme. Typischerweise findet in den einzelnen hintereinander angeordneten Walzgerüsten eine sukzessive Dickenreduzierung des Werkstückes statt. In einem eingefahrenen Zustand ist das Werkstück so lang, dass es gleichzeitig durch alle Gerüste hindurchläuft und von allen Gerüsten gleichzeitig verarbeitet wird. Insofern sind die Dickeneinstellungen der einzelnen Walzgerüste der Walzstraße über das Werkstück miteinander verknüpft. Die Ausgangsgröße, insbesondere die Ausgangsdicke des Werkstücks in einem Gerüst entspricht der Eingangsdicke des Werkstückes an dem nachfolgenden Gerüst. Für dieses Anwendungsbeispiel könnte beispielsweise ein Abnahme-Pattern definiert werden, welches die Abnahmen, d. h. die Dickenreduktionen des Werkstücks an den einzelnen Walzgerüsten der Walzstraße festlegt bzw. miteinander verknüpft. Die Dickenabnahmen bedingen die sich einstellenden Walzkräfte. Erfindungsgemäß kann für diesen Fall insofern alternativ auch ein Alt-Pattern definiert werden, welches die Walzkraftverteilung an den einzelnen Gerüsten F1 - F7 einer Warmwalzstraße wie nachfolgend beispielhaft gezeigt, festlegt.
Physikalisch direkt einstellbarer Anlagenparameter sind die Dickenabnahmen. Durch das Prozessmodell werden die Walzkräfte vorausberechnet. Um von den Alt-Pattern (n) auf das Neu-Pattern (n+1 ) zu kommen, verändert das Prozessmodell die Dickenabnahme, bis die gewünschten Walzkräfte erreicht sind. Diese Dickenabnahmen werden durch das Prozessmodell wiederum in Anstellpositionen der Walzgerüste umgerechnet und als neue Anlagenparameter verwendet.
Beispiel:
Alt-Pattern (n) Neu-Pattern (n+1 )
GerüstWalzkraft P1 Walzkraft P2
F1 25 MN (100 %) 20 MN (80 %)
F2 25 MN (100 %) 30 MN (120 %)
F3 22,5 MN (90 %) 25 MN (100 %)
F4 20 MN (80 %) 22.5 MN (90 %)
F5 15 MN (60 %) 20 MN (80 %)
F6 12,5 MN (50 %) 17.5 MN (70 %)
F7 10 MN (40 %) 15 MN (60%)
Einziger Anlagenparameter dieses Patterns ist die Walzkraft. Angegeben sind in der Tabelle absolute Zahlen und relative Zahlen. Je nach Prozessmodellausführung ist die Anwendung des einen oder anderen Parametersatzes im Pattern angemessen. Für diesen ausgewählten Anlagenparameter, hier beispielhaft die Walzkraft, werden zum Zeitpunkt n die Soll-Werte für eine ausgewählte Gruppe von Einzelaggregaten der industriellen Anlage, d. h. im vorliegenden Beispiel die einzelnen Gerüst F1 bis F7 der Warmwalzstraße, zum Zeitpunkt n vorausberechnet. Diese Soll-Werte des so gebildeten Alt-Patterns stehen untereinander in einem funktionalen Zusammenhang. Dieser resultiert aus der oben besagten Verknüpfung der Dickeneinstellungen an den einzelnen Gerüsten über das gemeinsame eingespannte Werkstück.
Zur Berechnung von neuen Soll-Werten für den besagten Anlagenparameter, hier die Walzkraft, zu einem Zeitpunkt n+1 wird das Alt-Pattern dem Prozessmodell als Eingangsgröße zugeführt. Zur Lösung des Optimierungsproblems werden nur die Soll-Werte des Anlagenparameters des Alt-Patterns neu berechnet und in Form eines Neu-Patterns gruppiert, wie in dem obigen Beispiel ebenfalls gezeigt. Während der Lösung des erfindungsgemäßen Optimierungsproblems werden eventuell vorhandene Soll-Werte für andere Anlagenparameter bewusst konstant gehalten.
Durch die Neu-Berechnung und anschließende Neu-Einstellung der Soll-Werte für die Walzkraft in der Walzstraße verändert sich deren Temperaturhaushalt; die Endwalztemperatur erhöht sich oder das Band kann langsamer gewalzt werden. Entsprechend ergeben sich andere Eingangsbedingungen für eine der Warmwalzstraße in Materialflussrichtung nachgeschaltete Kühlstrecke. In ähnlicher Art und Weise können Sollwerte für die Walzgeschwindigkeit als Anlagenparameter beim Vorwalzen mit Pattern angepasst werden:
Alt-Pattern (n) Neu-Pattern (n+1 )
Stich #Walzgeschwindigkeit P1 Walzgeschwindigkeit P2
1.5 m/s 1 ,7 m/s
2 2,0 m/s 2,3 m/s
3 2.5 m/s 3,0 m/s
4 3,0 m/s 3.5 m/s
5 3.5 m/s 4,0 m/s
6 4,0 m/s 4.5 m/s
7 4,0 m/s 5,0 m/s Durch diese Veränderung des Alt-Patterns„Walzgeschwindigkeit Vorstraße“ in das gezeigte Neu-Pattern ergibt sich eine erhöhte Vorbandtemperatur mit dem Ergebnis, dass dieses in der Fertigstraße, d. h. der Warmbandwalzstraße langsamer gewalzt werden kann.
Es sind viele verschiedene Pattern denkbar.
Allgemein gesprochen umfasst ein Pattern die sinnvolle Setzung einer Gruppe von Aktuatoren und/oder Parametern innerhalb eines Anlagenteils, beispielsweise einer Warmwalzlinie.
So könnte auch die Abnahmeverteilung beim Vorwalzen durch einen anderen Pattern angepasst werden.
Weiter kann durch ein Entzunderungspattern die Anzahl von Entzunderungsvorgängen variiert werden und so ebenfalls den Temperaturhaushalt beeinflussen.
Ebenfalls kann ein Pattern die Erwärmungskurve im Ofen beschreiben, mit dem die einzelnen Zonen des Ofens angesteuert werden.
Der Optimierer teilt den einzelnen Prozessmodellen also mit, welche Pattern zu variieren sind, ohne die Vielzahl von Aktuatoren und Prozessparametern direkt anzusprechen. Die einzelnen Prozessmodelle rechnen dann unter Einhaltung der ggf. vorhandenen technologischen Begrenzungen, wie z. B. Walzkraft, Walzmoment, Antriebsbelastung, Greifwinkelrestriktionen, eine Setzung der Walzstraßen-Aggregate aus. Der Optimierer prüft dann das Berechnungsergebnis aller Einzelmodelle, den Einfluss auf die Zielgröße (z. B. mechanische Eigenschaft des Endprodukts) und variiert ggf. die Pattern, bis die Zielgröße erreicht ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet den Vorteil, dass die Produktqualität vorzugsweise in Echtzeit sichergestellt werden kann, trotz Störungen beim Herstellen oder Bearbeiten des Werkstückes. Außerdem werden durch die Verwendung der Patterns die Iterationsgeschwindigkeit und die Iterationssicherheit bei der wiederholten Durchführung des Verfahrens erhöht bzw. verbessert.

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Betreiben einer industriellen Anlage, insbesondere der
Hüttenindustrie, in welcher mindestens ein Prozess abläuft zum Herstellen oder Bearbeiten eines Werkstücks; wobei der Prozess durch mindestens ein Prozessmodell abgebildet wird, aufweisend folgende Schritte:
- Vorausberechnen von Soll-Werten für Anlagen- und Prozessparameter mit Hilfe des Prozessmodells zu einem Zeitpunkt n im Hinblick auf eine
vorgegebene Soll-Beschaffenheit des Werkstücks, wobei die Bestimmung der Soll-Werte für zumindest die Anlagenparameter ein Optimierungsproblem darstellt;
- Durchführen des Prozesses in der industriellen Anlage, wobei die zum Zeitpunkt n vorausberechneten Soll-Werte für die Anlagenparameter eingestellt sind;
- Feststellen einer Störung während des laufenden Prozesses dann, wenn der Ist-Wert von mindestens einem Prozessparameter von dessen
vorausberechnetem Soll-Wert abweicht und/oder wenn die Ist-Beschaffenheit des Werkstücks von dessen vorgegebener Soll-Beschaffenheit abweicht; und
- Berechnen eines neuen Soll-Wertes für zumindest einen der
Anlagenparameter zu einem Zeitpunkt n+1 durch Lösen des
Optimierungsproblems im Hinblick auf die festgestellte Störung so, dass der zum Zeitpunkt n vorausberechnete Soll-Wert für den gestörten
Prozessparameter oder die vorgegebene Soll-Beschaffenheit des Werkstücks wieder erreicht werden kann, wobei das Lösen des Optimierungsproblems durch Simulation des Prozesses für verschiedene Anlagenparameter und/oder für verschiedene Soll-Werte mindestens eines der Anlagenparameter mit Hilfe des Prozessmodells erfolgt unter Beibehaltung und Berücksichtigung des Ist- Wertes für den gestörten Prozessparameter und/oder der gestörten Ist- Beschaffenheit des Werkstücks; und
- weiteres Durchführen des Prozesses mit dem zum Zeitpunkt n+1
berechneten neuen Soll-Wert für den mindestens einen Anlagenparameter; dadurch gekennzeichnet,
dass die zum Zeitpunkt n vorausberechneten Sollwerte eines ausgewählten Anlagenparameters für eine ausgewählte Gruppe von Einzelaggregaten der industriellen Anlage oder für eine zeitliche Abfolge von ausgewählten
Prozessschritten an einem Einzelaggregat der industriellen Anlage zu einem Alt-Pattern zusammengefasst bzw. gruppiert werden, wobei die Sollwerte des Alt-Patterns untereinander in einem funktionalen Zusammenhang stehen; und dass zur Berechnung des neuen Soll-Wertes für den zumindest einen Anlagenparameter zu dem Zeitpunkt n+1 das Alt-Pattern dem Prozessmodell als Eingangsgröße zugeführt wird und nur die Soll-Werte des
Anlagenparameters des Alt-Patterns neu berechnet und in Form eines Neu- Patterns gruppiert werden, während eventuell vorhandene Soll-Werte für andere Anlagenparameter während der Neu-Berechnung konstant gehalten werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die zu dem Zeitpunkt n und/oder n+1 erfolgenden Berechnungen von Soll-Werten vor Beginn des Prozesses oder zeitlich parallel zu dem laufenden Prozesses stattfinden.
3. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die genannten Schritte des Verfahrens zu späteren Zeitpunkten n > n+1 zyklisch solange wiederholt werden, bis keine Störung des Prozesses mehr festgestellt wird und die Ist-Beschaffenheit des Werkstücks mit dessen Soll- Beschaffenheit übereinstimmt.
4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass bei der Lösung des Optimierungsproblems auch technologische Limits von technologischen Aggregaten der Anlage, die zur Durchführung des Prozesses verwendet werden, berücksichtigt werden, beispielsweise in Form einer Randwertoptimierung.
5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Ermitteln des Ist-Wertes des gestörten Prozessparameters durch Messungen während des mindestens einen laufenden Prozesses oder durch Simulation des Prozesses mit dem Prozessmodell mit den aktuellen Ist- Prozessparametern erfolgt.
6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass es sich bei dem Prozess um einen mechanischen, insbesondere umformtechnischen Vorgang, weiter insbesondere einen Walzvorgang, weiter insbesondere einen Warmwalzvorgang handelt.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Alt- und Neu-Pattern für den Walzvorgang gebildet wird aus der Menge an Soll-Werten für die Walzkraft an den Gerüsten einer Walzstraße.
8. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Alt- und Neu-Pattern für den Walzvorgang gebildet wird aus der Menge an Soll-Werten für die Walzgeschwindigkeit des Werkstücks am Ausgang der Gerüste einer Walzstraße.
9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass es sich bei dem Prozess um einen metallurgischen Prozess handelt.
10. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass es sich bei der Ist- oder Soll-Beschaffenheit des Werkstücks zum Beispiel um Anteile von dessen stofflichen Bestandteilen, z.B. Nb-Gehalt oder C- Gehalt, handelt; oder
dass die Ist- oder Soll-Beschaffenheit des Werkstücks dessen mechanische Eigenschaften, dessen Gefüge-Beschaffenheit oder dessen Produktqualität meint.
1 1. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Prozessmodell ausgebildet ist, die Ist-Beschaffenheit des Werkstücks am Ende des Prozesses Vorhersagen zu können.
12. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass es sich bei den Prozessparametern beispielsweise um Setzungen für Aggregate der Anlage, Verweilzeiten des Werkstücks in einem Ofen und/oder um Walzparameter handelt.
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