Table Of ContentFORSCHUNGSBERICHTE 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
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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
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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.
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Opt reg
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gs n Regelung Vorwarts kopplung Modellmetho
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St f olge uerun kopplumethod
Fste RlickSuch
1]
rozeBrechner funktion Festwert steuerung unktionen [
P f
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chts Alarm tion eBrec
Beriund funk Proz
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berwach ungs funktion Durchflihrung indirekter nicht me Bbare Variable enstellung d
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- 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.
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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.
