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Dokumentenidentifikation DE20320403U1 29.07.2004
Titel Planheitsregelsystem für eine Walzstraße
Anmelder Betriebsforschungsinstitut VDEh - Institut für angewandte Forschung GmbH, 40237 Düsseldorf, DE
Vertreter König · Palgen · Schumacher · Kluin, 40549 Düsseldorf
DE-Aktenzeichen 20320403
Date of advertisement in the Patentblatt (Patent Gazette) 29.07.2004
Registration date 24.06.2004
Application date from patent application 28.11.2003
File number of patent application claimed 103 56 355.5
IPC-Hauptklasse B21B 37/28

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Planheitsregelsystem für eine Walzstraße mit mehreren Walzgerüsten.

Derartige Systeme finden in Walzstraßen Anwendung. Hier dienen sie der Steuerung von Stellgrößen, beispielsweise der Biegekraft oder dem Walzenschwenken, um in dem die Walzstraße verlassenden Band die Planheit und Bandform auf einen vorgegebenen Sollwert zu walzen. Das sogenannte Fertigband darf Planheitsfehler wie zum Beispiel Rand- und Mittenwellen, Säbelprofile und Quarterbuckles nicht aufweisen bzw. nur in einem bestimmten Maß aufweisen.

Mit zunehmender Automatisierung der Walzstraßen steigen die Anforderungen an die Güte des Bandes. Die Grenzen, innerhalb derer Planheitsfehler toleriert werden, verringern sich zunehmend. Beim Walzen in Tandemstraßen treten zudem Profilwülste und Bandlaufprobleme zwischen den Walzgerüsten auf. Die Erfahrung zeigt, dass viele Planheitsdefekte während des Walzens durch hohe Bandzüge ausgebügelt bzw. versteckt werden. Andere Defekte wie zum Beispiel Profilfehler aufgrund von ungleichmäßiger Kühlung und ungleichmäßigem Verschleiß sind – wenn überhaupt – schwierig zu beseitigen.

Aus der Praxis ist es bekannt, die Planheit bei Kaltwalztandemstraßen derart zu regeln, dass eine einige Meter nach dem letzten Gerüst installierte Planheitsmessrolle die Planheit des Bandes misst. In einem Planheitsregelverfahren werden diese Ist-Werte der Planheit einem Regler zugeführt, der Stellsignale für die Stellglieder des letzten Gerüsts generiert, so dass durch deren Aktivierung bzw. Einstellung eine möglichst minimale Abweichung zwischen der Ist- und der Soll-Verteilung erreicht wird.

Es hat sich gezeigt, dass dieses aus der Praxis bekannte Planheitsregelverfahren den hohen Anforderungen, die an die Bandplanheit des Fertigbandes gestellt werden, nicht gerecht werden kann.

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Planheitsregelsystem zu schaffen, das eine minimale Abweichung zwischen einer Ist- und einer Soll-Verteilung der Bandplanheit im Fertigband ermöglicht und die Nachteile des Standes der Technik vermeidet.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, mit einem Planheitsregler Steuersignale an Stellgrößen mindestens zweier Walzgerüste zu senden. Damit wird erreicht, dass die gewünschte Planheit nicht allein durch die Einstellung der Stellgrößen des letzten Gerüsts erreicht werden muß. Erfindungsgemäß werden nun auch die vorgelagerten Walzgerüste zur Erzeugung der gewünschten Bandplanheit verwendet. Dadurch werden die Einflussmöglichkeiten in den ersten Gerüsten sinnvoll ausgenutzt. Auch bei möglichen Stellgrößenbeschränkungen im letzten Gerüst kann durch Verwendung der Einflussmöglichkeiten der ersten Gerüste immer noch eine minimale Abweichung zwischen der Ist- und der Soll-Verteilung des Bandquerschnitts erreicht werden. Der Einsatz eines koordinierenden Regler kann für die Einhaltung gegebenenfalls betreiberseitig vorgegebener Profil- und/oder Planheitssollverteilungen zwischen den Gerüsten sorgen, die beispielsweise zur Sicherstellung eines optimalen Bandlaufs notwendig sind.

Außerdem erlaubt es die Erfindung, Störgrößen, wie zum Beispiel einlaufende Profiländerungen oder Walzkraftänderungen, während des Walzens zu kompensieren. Indem bereits die vorderen Walzgerüste in die Planheitsregelung einbezogen werden, wird verhindert, dass in den vorderen Gerüsten Defekte, wie zum Beispiel Profilfehler, Wulste oder Säbel, erzeugt werden, die herkömmlich gar nicht oder nur schwierig im letzten Gerüst zu beseitigen waren. Die Erfindung ermöglicht es zudem, die Stelleingriffe in allen Gerüsten zu koordinieren und deren gegenseitige Beeinflussung zu berücksichtigen.

Bei dem erfindungsgemäßen Planheitsregelsystem für eine Walzstraße mit mehreren Walzgerüsten ist eine Planheitsmessung am Auslauf eines Walzgerüsts und ein Planheitsregler vorgesehen, der auf Grundlage der Messergebnisse der Planheitsmessung Steuersignale an Stellgrößen mindestens zweier Walzgerüste sendet.

Die Planheitsmessung erfolgt vorzugsweise mit Planheitsmessrollen, kann jedoch auch durch andere Messverfahren, beispielsweise optische Messverfahren, erfolgen.

Der Planheitsregler sendet vorzugsweise Steuersignale an die Stellvorrichtungen für das Walzenschwenken, das Walzenbiegen, das Walzenverschränken oder das Walzenverschieben.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Planheitsregelsystems ist ein Planheitsermittler vorgesehen, der die Planheit des Bandes zwischen zwei Gerüsten ermitteln und dessen Ergebnisse vom Planheitsregler zusätzlich zu den Ergebnissen der Planheitsmessung herangezogen werden, um die Steuersignale an die Stellgrößen mindestens zweier Walzgerüste zu senden. Vorzugsweise ist dieser Planheitsermittler ein Prädiktor. Dieser kann als Modell, das in geeigneter Weise adaptiert wird, ausgebildet sein.

Alternativ oder ergänzend ist der erfindungsgemäß vorgesehene Planheitsermittler eine weitere Planheitsmessung. In einer Walzstraße (beispielsweise Tandemstraße) kann beispielsweise nach dem ersten Gerüst eine Planheitsmessung vorgesehen sein und zugleich ein Prädiktor, der auch die Ergebnisse dieser ersten Planheitsmessung berücksichtigt. Eine weitere Planheitsmessung ist in diesem Ausführungsbeispiel am Ende des letzten Walzgerüsts vorgesehen.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein koordinierender, modellbasierter Regler vorgesehen, der Stellsignale an die Stellgrößen mindestens zweier Walzgerüste sendet. Der koordinierende, modellbasierte Regler berücksichtigt die Messinformationen der Planheitsmessung und die vom Prädiktor geschätzten Prozesszustände, um Stelleingriffe vorzunehmen. Der koordinierende Regler ist beispielsweise als modellprädiktiver Regler, wie er beispielsweise in Camacho E.F., Bordons C.: Model Predictive Control, Springer Verlag, 2002 oder Maciejowski J.M.: Predictive Control with Constraints, Prentice Hall, 2002 beschrieben wird und auf die für die Auslegung des Regler vollinhaltlich bezuggenommen wird, ausgeführt. Die Auslegung eines solchen Reglers ist dem Fachmann beispielsweise ebenfalls aus Sáez D., Cipriano A., Ordys A.W.: Optimaisation of Industrial processes at Supervisory Level, Springer Verlag, 2002, bekannt, auf die ebenfalls vollinhaltlich Bezug genommen wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist einer Stellgröße ein lokaler Regler zugeordnet. Beispielsweise kann einem oder jedem Walzgerüst eine Walzkraftkompensation zugeordnet sein, die Profil- bzw. Planheitsänderungen aufgrund von Walzkraftabweichungen vorsteuernd beseitigt. Ein IMC (internal model control)-Planheitsregler kann am letzten Gerüst bzw. an den beiden letzten Gerüsten vorgesehen sein. Der IMC-Planheitsregler weist vorzugsweise eine Totzeit-Kompensation auf.

Vorzugsweise koordiniert der koordinierende, modellbasierte Regler die Stelleingriffe aller lokalen Regler. Der koordinierende, modellbasierte Regler kann in den Regelprozess der lokalen Regler eingreifen. Er kann die Regeleingriffe der lokalen Regler verändern. Er kann die vorzunehmenden Stelleingriffe auf mehrere lokale Regler verteilen oder lokale Regler ganz abschalten.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein IMC-Planheitsregler immer dann an einem Walzgerüst vorgesehen, wenn diesem Walzgerüst eine Planheitsmessung unmittelbar nachgeschaltet ist. Beispielsweise kann in einer Tandemstraße zwischen dem ersten und dem zweiten Gerüst eine zweite Planheitsmessung vorgesehen sein. In diesem Ausführungsbeispiel kann am ersten Gerüst ein IMC-Planheitsregler mit Totzeit-Kompensation vorgesehen.

Bei einem Planheitsregelverfahren werden eine Planheitsmessung am Auslauf des Walzgerüsts durchgeführt und in einer Planheitsregelung auf Grundlage der Messergebnisse der Planheitsmessung Steuersignale für Stellgrößen mindestens zweier Walzgerüste generiert und an die Stellgrößen gesendet.

In einer bevorzugten Ausführungsform ermittelt ein Planheitsermittler die Bandplanheit zwischen zwei Walzgerüsten, so dass die Planheitsregelung auf Grundlage der Ergebnisse der Planheitsmessung und des Planheitsermittlers Steuersignale für Stellgrößen mindestens zweier Walzgerüste generieren kann.

Bevorzugt wird der ermittelte Planheitsfehler, insbesondere der bei der Planheitsmessung ermittelte Planheitsfehler, in orthogonale Komponenten zerlegt. Dies erfolgt insbesondere mit Hilfe von Chebyshew-Polynomen, Gram -Polynomen oder anderen orthogonalen Polynomen. Derartige Zerlegungen in orthogonale Polynome sind beispielsweise beschrieben in W.H.

Press, S.A. Teukolsky, W.T. Vetterling, B.P. Flannery: Numerical Recipies in C, Cambridge University Press, 1992 und A. Ralston, P. Rabinowitz: A first course in numerical analysis, International series in pure applied mathematics, McGraw-Hill, 1978.

Die Zerlegung in orthogonale Komponenten erlaubt eine einfache rechnertechnische Handhabung der Messgrößen.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Planheitsregelverfahrens erfolgt eine Kompensation einer einlaufenden Profilstörung im ersten Gerüst der Walzstraße. Insbesondere erfolgt eine Kompensation mit einer einlaufenden, längenbezogenen Bandquerprofilsteuerung im ersten Gerüst.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Ausführungsbeispiele darstellender Zeichnung näher erörtert. Darin zeigt:

1: eine Walzstraße mit einem erfindungsgmäßen Planheitsregelsystem in einer stark vereinfachten, schematischen Darstellung;

2: das Signalflußbild des Planheitsregelsystems nach 1;

3: eine Tandemstraße mit einem erfindungsgemäßen Planheitsregelsystem mit einer stark vereinfachten, schematischen Darstellung und

4 das Signalflußbild des Planheitsregelsystems nach 3.

Die in 1 dargestellte Walzstraße weist vier Walzgerüste 1,2,3,4 auf. Am Einlauf des Walzgerüsts 1 ist eine Warmbandprofilmessung 5 vorgesehen. Am Auslauf des letzten Walzgerüsts 4 ist eine Planheitsmessung 6 vorgesehen. Alternativ zur Warmbandprofilmessung 5 kann auf gespeicherte Profilverlaufswerte zurückgegriffen werden, wie sie beispielsweise nach einer Beize gemessen und aufgezeichnet werden.

Die Warmbandprofilmessung 5 und die Planheitsprofilmessung 6 weisen vorzugsweise ein Röntgenmeßgerät, bzw. Planheitsmeßrollen (nicht detailliert dargestellt) auf.

Das in 1 dargestellte Planheitsregelsystem weist einen Profil- und Planheitsprädiktor 7 und einen koordinierenden, modelbasierten Planheitsregler 8 auf.

In der Warmbandprofilmessung 5 und der Planheitsmessung 6 wird das Warmbandprofil, bzw. die Planheit des gewalzten Bandes gemessen. Die Meßergebnisse werden in der Warmbandprofilmessung 5 und der Planheitsmessung 6 in orthogonale Komponenten zerlegt. Die als orthogonale Polynome vorliegenden Meßergebnisse QPW ,&OHgr;m werden dem Pofil- und Planheitsprädiktor 7 und dem Regler 8 zugeführt.

Dem Profil- und Planheitsprädiktor 7 und dem Regler 8 werden Zustandssignale s1, s2,sS und s4 der Walzgerüste 1,2,3,4 zugeführt. Steuersignale u1u2,u3 und u4 werden vom Regler 8 an die Walzgerüste 1,2,3 und 4 übermittelt.

Aus den Meßergebnissen QPW, s1, s2, s3 und s4 sowie der Differenz zwischen der gemessenen Planheit &OHgr;m und der vom Prädiktor geschätzten Planheit &OHgr;S ermittelt der Prädiktor unter Berücksichtigung aller wesentlichen, am Walzprozeß beteiligten Parameter und Größen einen Schätzwert &OHgr;S für die Bandplanheit. Dieser Schätzwert &OHgr;S wird dem Regler 8 als weitere Eingangsgröße zugeführt.

Der Regler 8 weist eine koordinierende Regelungsebene auf. Ferner weist der Regler in einer untergeordneten Ebene eine Profilvorsteuerung und eine Walzkraftkompensation auf, sowie einen Internal Model Control (IMC)-Planheitsregler am letzten Gerüst. Auf Grundlage der vorliegenden Meßinformationen und der vom Prädiktor geschätzten Prozeßzustände koordiniert die Regelungsebene die lokalen Regler. Erreicht beispielsweise eine der Stellgrößen ihre Stellgrößenbegrenzung, so verteilt die koordinierende Regelungsebene die Stelleingriffe auf die Stellgrößen der anderen Walzgerüste. Der koordinierende Regler sorgt für die Einhaltung gegebenenfalls betreiberseitig vorgegebener Profil- und/oder Planheitssollverteilungen zwischen den Gerüsten, die beispielsweise zur Sicherstellung eines optimalen Bandlaufs notwendig sind.

Das Signalflußbild gemäß 2 zeigt den Haupt-Planheitsregler 20, der als IMC-Regler ausgelegt ist. Unter Berücksichtigung der Ausgangsgröße des Walzkraftkompensators 24 am vierten Gerüst erzeugt der Haupt-Planheitsregler 20 die Stellgrößenänderung &Dgr;u4 am vierten Walzgerüst (G4). Walzkraftkompensatoren 21,22 und 23 sind ferner an den Walzgerüsten 1,2,3 vorgesehen (G1, G2, G3). Die Walzenkraftkompensatoren 21,22,23 und 24 berücksichtigen die Walzkraftabweichung &Dgr;Fw1, &Dgr;Fw2, &Dgr;Fw3, &Dgr;Fw4 und erzeugen hierdurch die Stellgrößenänderungen &Dgr;u1, &Dgr;u2 und &Dgr;u3 in den Walzgerüsten 1,2,3. Für die Stellgrößenänderung am ersten Gerüst wird ferner das Ausgangssignal einer Einlaufprofil-Vorsteuerung 25 berücksichtigt, die das gemessen Einlaufprofil PE berücksichtigt. An den Walzgerüsten 1,2,3,4 sind Prädiktoren 26,27,28 und 29 vorgesehen. Eingangsgrößen der Prädiktoren sind jeweils die Walzkraftabweichung an dem jeweiligen Gerüst und die Stellgrößenänderung an dem jeweiligen Gerüst. Ferner berücksichtigt der erste Prädiktor 26 das gemessene Einlaufprofil PE. Die nachfolgenden Prädiktoren berücksichtigen jeweils die Schätzung der Zustände des jeweils vorgeordneten Prädiktors. Das Schätzergebnis des letzten Prädiktors 29 wird bei der Rückführung der gemessenen Planheit Y zum Hauptplanheitsregler 20 berücksichtigt Die Ausgangssignale der Walzkraftkompensatoren 21,22,23 und 24 sowie der Einlaufprofil-Vorsteuerung 25 und des Haupt-Planheitsreglers 20 werden durch Anpassungsfaktoren, bzw. Steuerfunktionen 31,32,33,34,35 und 36 der nicht dargestellten Koordinationsebene angepaßt.

3 zeigt unter Verwendung gleicher Bezugszeichen für gleiche Bauelemente ein Tandemwalzgerüst. Bei diesem Tandemwalzgerüst ist zwischen dem ersten Walzgerüst 1 und dem zweiten Walzgerüst 2 eine weitere Planheitsmessung 42 vorgesehen. Die Meßergebnisse dieser Planheitsmessung 42 werden einem Profil- und Planheitsprädiktor 40 sowie einem Regler 41 zugeführt. Der Regler 41 weist neben dem IMC-Planheitsregler für das letzte Walzgerüst 4 ferner einen weiteren IMC-Planheitsregler für das erste Walzgerüst 1 auf. Dies ist im Signalflußbild gemäß 4 ebenfalls dargestellt. Dort ist ein zweiter Haupt-Planheitsregler 37 vorgesehen, dessen Ausgangsgröße die Stellgrößenänderung &Dgr;u1 des ersten Gerüst mit beeinflußt. Auch diese Ausgangsgröße ist mit einem Anpassungsfaktor, bzw. einer Steuerfunktion 38 der Koordinationsebene versehen.


Anspruch[de]
  1. Planheitsregelsystem für eine Walzstraße mit mehreren Walzgerüsten, gekennzeichnet durch

    – eine Planheitsmessung am Auslauf eines Walzgerüsts und

    – einen Planheitsregler, der zur Aufnahme der Messerergebnisse mit der Planheitsmessung und zur Abgabe von Steuersignale mit Stellgrößen mindestens zweier Walzgerüste verbunden ist.
  2. Planheitsregelsystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen zwischen zwei Walzgerüsten angeordneten Planheitsermittler zur Ermittlung der Planheit des Bands zwischen zwei Walzgerüsten.
  3. Planheitsregelsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Planheitsermittler ein Prädiktor ist.
  4. Planheitsregelsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Planheitsermittler eine weitere Planheitsmessung ist.
  5. Planheitsregelsystem nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen koordinierenden, modellbasierenden Planheitsregler.
  6. Planheitsregelsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen einer Stellgröße zugeordneten lokalen Regler.
  7. Planheitsregelsystem nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Walzkraftkompensation an einem Walzgerüst.
  8. Planheitsregelsystem nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch einen IMC-Planheitsregler an einem Walzgerüst.
Es folgen 4 Blatt Zeichnungen






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