Forschungsbereich Bandbehandlung

Modellierung, Beobachterentwurf und Regelung von kontinuierlichen Bandbehandlungsanlagen

Schwerpunkte

  • Modellbildung und Parameteridentifikation von Bandbehandlungsanlagen
  • Beobachtung nicht-messbarer Systemgrößen
  • Modellbasierte Prozessregelung und Optimierung von verteilt-parametrischen Systemen
  • Optimierungsbasierte Regelung von Systemzuständen und Produktparametern

In einem heißem Zinkbad wird eine Zinkschicht auf das Stahlband aufgebracht, © voestalpine Stahl GmbH.

Beschreibung

In einer kontinuierlichen Bandbehandlungssanlage wird das gewalzte Stahlband zuerst abgewickelt, in mehreren Schritten behandelt und anschließend wieder aufgewickelt. Zu den Behandlungsschritten gehören unter anderem Reinigen, Entzundern, Besäumen, Erhitzen, Glühen, Verzinken, Abkühlen, Dressierwalzen, Streckrichten sowie die Versiegelung und Passivierung der Oberfläche. Für einige dieser komplexen Produktionsschritte werden im Forschungsgebiet Bandbehandlung des CD Labors nichtlineare Regelungssysteme entwickelt. Im Besonderen werden modellbasierte Regelungsmethoden für Prozessensimulationen im Labormaßstab, für Materialprüfstände, für ein elektromagnetisches Bandstabilisierungssystem und für eine Feuerverzinkungsanlage entworfen.

Eine Stahlbandprobe wird einem Laborversuch geglüht und danach abgekühlt, © voestalpine Stahl GmbH.

Der Betrieb eines experimentellen Bandglühofens mit individuell ansteuerbaren Infrarot-Heizstrahlern stellt eine zweidimensionale verteilt-parametrische Regelungsaufgabe dar. Mit dem experimentellen Aufbau sollen Stahlbandproben genau und örtlich gleichförming entlang einer vorgegebenen Temperaturtrajektorie aufgeheizt werden. Auf diese Weise kann voestalpine neue Strategien zur thermischen Behandlung von Bandstahlprodukten entwickeln und verbessern. Im Rahmen des Projektes werden Modellreduktionsverfahren und fortgeschrittene Methoden zur Zuständsbeobachtung und -regelung von verteilt-parametrischen Systemen erarbeitet.

Im Weiteren wird ein Prüfstand zur Langzeitsimulation von Ablagerungseffekten auf Transportrollen eines kontinuierlichen Bandglühofens entwickelt. Dieser neue Prüfstand erlaubt die Optimierung von Prozessparametern des Ofens, so dass sich für die Transportrollen eine minimale Abnutzung und maximale Wartungsintervalle einstellen. Sowohl die Temperatur als auch die Bewegung des Bandes im Prüfstand werden mit verteilt-parametrischen Modellen abgebildet. Auch in diesem Projekt liegt der Fokus auf der Anwendung und Weiterentwicklung fortgeschrittener Methoden zur Zustandsbeoachtung und -regelung, die auf das zugrunde liegende verteilt-parametrische System zugeschnitten sind.

Feuerverzinkungsanlage mit elektromagnetischer Bandstabilisierung.

Die Feuerverzinkung stellt für voestalpine einen wichtigen Schritt der Produktveredelung dar. Im Rahmen des Forschungsbereiches Bandbehandlung wird daher auch die Regelung dieses Prozesses betrachtet. Für die Produktqualität ist es entscheidend, dass das Zink verlässlich am Stahlband haftet und dass die Dicke der Zinkschicht gleichförmig und maßgenau ist. Die Messung der Schichtdicke für eine Regelung kann erst erfolgen, wenn das Zink vollständig erstarrt ist. Dies ist jedoch erst 50 m nach dem Austritt aus dem Zinkbad der Fall. Die Zeitverzögerung dieser Messung stellt daher eine besondere Herausforderung für die Regelung dar. Die Zinkschichtdicke wird mit Hilfe von Gasabstreifdüsen eingestellt, die überschüssiges Zink von der Bandoberfläche abblasen. Für diesen Prozess wird eine hierarchische Mehrgrößenregelung entworfen. Der modellbasierte Regler berücksichtigt dabei auch die transversale Bewegung des Bandes, die die Wirkung der Abstreifdüsen beeinflusst. Um Schwingungen des Bandes zu dämpfen und etwaige Crossbow-Verformungen des Bandes zu kompensieren, werden Elektromagnete eingesetzt. Als weitere Stellgrößen kommen hier die Parameter der Gasabstreifdüsen und die Anstellung der Umlenkrollen im Zinkbad in Frage. Dabei wird auch untersucht, ob durch eine verbesserte Reglung Umlenkrollen im Zinkbad eingespart werden können.

Zur Lösung der Regelungsaufgaben in diesem Forschungsbereich kommen optimierungsbasierte Verfahren wie z.B. nichtlineare modellprädiktive Regelung zum Einsatz. Auf diese Weise können Eingangs- und Zustandsbeschränkungen, Verzögerungen, nichtlineare Effekte, Mehrgrößenkonfigurationen sowie Wissen über bekannte zukünftige Betriebsbedingungen und Störungen systematisch berücksichtigt werden.

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