Automatisierung Umform - BFI.de

Automatisierung Umform- und Veredelungsanlagen
Allgemeines, Arbeitsgebiete, Projektbeispiele
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Automatisierung
Umform- und Veredelungsanlagen
Inhaltsverzeichnis
1. Zielsetzung und Arbeitsbereich ................................................................................. 2
2. Hauptansprechpartner und Mannschaft ................................................................... 4
3. Einsatz moderner Regelungskonzepte zur Qualitätssicherung .............................. 5
3.1 Modellprädiktives Regelkonzept .......................................................................................... 5
3.2 Koordinierte Planheitsregelung für Kaltwalztandemstraßen ................................................ 6
3.3 Modellprädiktive Regelung der Planheit in Warmbandstraßen ............................................ 8
3.4 Integrierte Dicken- und Planheitsregelung ........................................................................... 9
3.5 Moderne Regelung von Formschlussbiegemaschinen ...................................................... 11
3.6 Lackschichtdickenregelung ................................................................................................ 12
3.7 Badspiegelregelung beim Stranggießen ............................................................................ 13
3.8 Analyse und Optimierung der Performance von Regelkreisen zur Erhöhung der
Produktqualität und Reduzierung des Energieverbrauches (CPM) ................................... 15
4. Prozess- und Anlagenoptimierung .......................................................................... 16
4.1 Prozess-Optimierungs-System (POS) ............................................................................... 16
4.2 Verbesserung der Planheit von Warmband ....................................................................... 17
4.3 Minimierung der Ertragsverluste durch Kantenabfall, Breitung und Formfehlern durch
integrierte Regelung auf Basis von Software Sensoren und innovativer Aktuatorik in
Kaltwalzwerken ................................................................................................................. 18
4.4 Entwicklung einer teilautomatisierten Biegerichtmaschine für plattenförmige
Blechbauteile als geregeltes mechatronisches System ..................................................... 19
4.5 Innovative Werkstoffgeneration für Schneidwaren durch die zukunftsweisende
Fertigungstechnologie Bandgießen (BladeStrip) - Analyse und Optimierung der
Warmwalzstufe bzgl. Bandplanheit .................................................................................... 21
5. Prozessstufenübergreifende Steuerung und Optimierung ................................... 22
5.1 Produktionsbegleitende Ebenheitsvorhersage und Produktionsoptimierung zur
Erreichung bestmöglicher Endebenheiten von Grobblech ................................................. 22
5.2 Koordinierte Führung der Kaltwalz- und Verzinkungsprozesse für optimale
Endplanheit und Zinkschichtdicke ...................................................................................... 23
5.3 Optimierung der metallurgischen Strukturen und mechanischen Eigenschaften durch
Verbesserung der Wärmebehandlungsprozesse mit Hilfe neuer Setup- und
Regelungsmethoden .......................................................................................................... 24
5.4 Optimale Festigkeitsregelung durch individuelle Einstellung der Kühlstrecke in
Warmbandwalzwerken basierend auf Modellprädikation und Online-Messung der
Festigkeit ................................................................................................................. 25
5.5 Prozessstufenübergreifende integrierte Planheits- und Festigkeitsregelung. .................... 26
5.6 Qualitätsbasiertes Planungsassistenzsystem für Edelstahlwerke ..................................... 28
5.7 Prädikative Berechnung der Nutzguttemperatur von Langprodukten für das
Warmwalzen ................................................................................................................. 29
6. Anlagenüberwachung und Fehlerdiagnose ............................................................ 30
6.1 Ursachendiagnose und Vermeidung von periodischen Bandfehlern und
Schwingungen in Walzanlagen .......................................................................................... 30
6.2 Performancebewertung und -verbesserung von Regelungen in Walz- und
Verzinkungsanlagen........................................................................................................... 39
6.3 Softsensor Technologie - Objekterkennung auf der Basis von Bild- bzw.
Videoauswertungen ........................................................................................................... 44
7. Ausgewählte Forschungsvorhaben ........................................................................ 45
8. Mitarbeiter und Kontaktdaten .................................................................................. 47
1 Oktober 2012

Automatisierung
Umform- und Veredelungsanlagen
1. Zielsetzung und Arbeitsbereich
Die Abteilung Automatisierung Umform- und Veredelungsanlagen leistet ihren Beitrag zur
Steigerung der Leistungsfähigkeit und Wettbewerbsfähigkeit seiner industriellen Kunden
durch die Entwicklung und den betrieblichen Einsatz modernster Methoden der Automatisierungstechnik.
Hierzu zählen insbesondere:
Ereignisdiskrete & kontinuierliche Steuerungs- und Regelungssysteme für Einzelanlagen
(modellprädiktive Mehrgrößenregelung, robuste Regelung, automatische Rekonfiguration
von Regelkreisen, Automatische und selbstlernende Setup-Systeme,
etc.)
Prozessstufenübergreifende Regelungssysteme zur Optimierung der Produktqualitätsgrößen
(Materialeigenschaften, Banddicke, Bandplanheit)
Performancebewertung von Regelkreisen (Control Performance Monitoring) und Zuverlässigkeitsanalyse
von Automatisierungskonzepten
Automatische und online-fähige Diagnosesysteme
Prozessführungs- und Produktionsplanungssysteme
Entwicklung von Softsensoren und onlinefähigen Prozessmodellen als Grundlage für
Automatisierungslösungen
Wesentliche Ziele für den Einsatz der obigen Methoden sind die Steigerung der Produktivität,
die Verbesserung der Produktqualität und sowie die Schonung der für die Produktion
erforderlichen Ressourcen (Rohmaterial, Wasser, Energie, etc.). Die Abteilung unterstützt
darüber hinaus auch seine Kunden, sowie Nachbarabteilungen des Instituts durch die Entwicklung
und Bereitstellung modernster Methoden der Automatisierungstechnik für andere
technologische Bereiche der Produktion.
Beispiele für bereits realisierte Anwendungen und laufende Projekte sind:
Produktionsplanung
Öfen
Qualitätsbasiertes Produktionsplanungsassistenzsysteme für die Prozesskette
Kaltwalzen, Durchlaufglühen, Dressieren
Agentenbasierte Automatisierungs- und Plannungssysteme; dezentrale Regelungen
Ofenführungssystem 2.0 (Stückguttemperaturregelung, Mehrgrößenregelung)
BRAMMPOS, Automatische Brammenpositionsermittlung in Wiedererwärmungsöfen
auf Basis von Videosignalen
Warmwalzwerke
Planheitsregelung
Echtzeitberechnung der Materialeigenschaften,
Kühlstreckenregelung
o Temperaturregelung
o Eigenschafts- und Planheitsoptimierung
Bandsäbelregelung
2 Oktober 2012

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Umform- und Veredelungsanlagen
Kaltwalzwerke
Integrierte Dicken- und Planheitsregelung
POS (Stichplanberechnung + Gerüstvoreinstellung)
o Kaltwalzen bis 0.1mm, Folienwalzen in Arbeit
o Hartmetallwalzen
Automatische Passlinepositionierung
Optimierung der Oberflächenqualität (Diagonalwellen, Hitzewellen)
Profilwalzwerke
Beize
Assistenzsystem zum Störungsmanagement
(Störung -> Echtzeittemperaturberechnung des Profils -> Entscheidung ob das Profil
noch weitergewalzt werden kann)
Echtzeitberechnung der Materialeigenschaften
Formschlussbiegemaschinenregelung (Querbogen, Planheit)
o Eintauchtiefenregelung
o Streckgradregelung
Festigkeitssoftsensor für Formschlussbiegemaschinen und Streckbiegerichter
Prozessstufenübergreifende Optimierung
Prozessstufenübergreifende Qualitätsregelung
o Materialeigenschaften, Bandplanheit
o Quer- /Längsbogenregelung des Bandes über Passlineverstellung beim
Kaltwalzen
Beschichtungsregelung
CPM
Diagnose
Feuerverzinkungsregelung
Galvanealingregelung
Elektrolytische Verzinkung
Beschichtungsregelung
Performanceanalyse
Ursachenanalyse
Automatisches Reglertuning
Automatische Schwingungsdiagnose KOPF
Optische Erkennung von Zunder auf heißen Brammen
Energiemonitoring beim Warmwalzen von Profilen
Beobachterauslegung für traversierende Messsysteme, Rekonstruktion der
vollständigen Messinformation
3 Oktober 2012

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Umform- und Veredelungsanlagen
2. Hauptansprechpartner und Mannschaft
Die Abteilung Automatisierung für Umform- und Veredelungsanlagen bietet technische Beratungen zur
Optimierung von Automatisierungssystemen in der stahlverarbeitenden Industrie an. Unser Team besteht
aus Experten mit Kompetenzen, unter anderem aus den Bereichen der Regelungstechnik, der
Steuerungstechnik, der industriellen anlagenübergreifenden Automation, der Modellbildung physikalischer
Vorgänge, sowie der Entwicklung von individuellen Anlagensimulationen und allgemein der Entwicklung
industrieller Softwarelösungen. Wir verfügen BFI intern über weiteres Fachpersonal aus
sämtlichen, für die Stahlindustrie relevanten Fachbereichen und können somit individuelle Expertenteams
aus Technologie und Automatisierungstechnik zusammenstellen. Darüber hinaus beraten wir
Sie gerne zur Forschungsförderung.
Bitte sprechen Sie uns an, wir kommen gerne zu einer fachlichen Diskussion in Ihren Betrieb!
Dr.-Ing. Jan Polzer, Dipl.-Math.
Abteilungsleiter Automatisierung Umform- und Veredelungsanlagen
Fachbereich Mess- und Automatisierungstechnik
Mannschaft
8 Mitarbeiter, davon 6 mit Hochschulausbildung
Zusätzlich Diplomanden
Dr. Jan Polzer, Dipl.-Math.
Abteilungsleiter Automatisierung Umform- und Veredelungsanlagen
Tel.: 0211/6707-241
E-Mail: jan.polzer@bfi.de
Joachim Denker, Dipl.-Ing.
Tel.: 0211/6707-242
Bernd Gröpper, M.Sc.
Tel.: 0211/6707-237
Roger Lathe
Tel.: 0211/6707-204
Detlef Sonnenschein
Tel.: 0211/6707-373
Martina Thormann, Dipl.-Ing.
Tel.: 0211/6707-978
Dr. Andreas Wolff, Dipl.-Ing.
Tel.: 0211/6707-250
Dr. Dirk Zander, Dipl.-Ing.
Tel.: 0211/6707-330
E-Mail: joachim.denker@bfi.de
E-Mail: bernd.groepper@bfi.de
E-Mail: roger.lathe@bfi.de
E-Mail: detlef.sonnenschein@bfi.de
E-Mail: martina.thormann@bfi.de
E-Mail: andreas.wolff@bfi.de
E-Mail: dirk.zander@bfi.de
4 Oktober 2012

Automatisierung
Umform- und Veredelungsanlagen
3. Einsatz moderner Regelungskonzepte zur Qualitätssicherung
Ansprechpartner: Dr. Andreas Wolff, Dr. Jan Polzer
Der Einsatz moderner Regelungskonzepte ist ein effektiver und wirtschaftlicher Weg, um die
Potentiale von Produktionsanlagen der Stahlindustrie besser auszuschöpfen.
Die folgenden Beispiele sollen dies demonstrieren. Kernpunkte aller dieser Ansätze sind:
modellbasierte Berechnung von nicht messbaren oder nicht zeitrichtig gemessenen Störund
Regelgrößen,
fortlaufende Anpassung der eingesetzten Modelle an die Wirklichkeit des meßtechnisch
erfassten Prozesses,
Berücksichtigung der gegenseitigen Abhängigkeiten (z.B. zwischen Dicke und Planheit),
Regelentscheidungen auf Basis einer Voraussage (Prädiktion in die Zukunft): Was wäre
wenn, und welcher Regeleingriff ist damit für das künftige Ergebnis optimal.
3.1 Modellprädiktives Regelkonzept
Die regelungstechnische Plattform für diese Ansätze ist das Konzept einer modellprädiktiven
Regelung, das am Beispiel einer patentierten Planheitsregelung (Bild 3.1) erläutert wird.
Bild 3.1: Modellprädiktive Regelung am Beispiel der Planheit beim Warmwalzen
5 Oktober 2012

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Umform- und Veredelungsanlagen
Mit dem Prozessmodell wird die Planheit am letzten Gerüst einer Warmbreitbandstrasse,
d.h. am Ort und zum Zeitpunkt der Entstehung, berechnet. Das Totzeitmodell dient zur
Kompensation der Bandstellen-Laufzeit bis zur messtechnischen Überprüfung durch das
Planheitsmesssystem (hier das von BFI und TKS entwickelte und von IMS vertriebene
TopPlan ® ). Damit ist ein unmittelbarer Vergleich zwischen errechneter und gemessener
Planheit und eine fortlaufende Anpassung des Prozessmodells an die Produktionswirklichkeit
möglich.
Die aktuelle (berechnete und korrigierte) Planheitskurve wird mit der Sollkurve verglichen –
und geeignet zerlegt – dem Regler zugeführt. Dieser legt die Stellgrößenwerte, z. B. den
Arbeitswalzen-Biegedruck, über eine Vorausberechnung der Planheit für alle möglichen Abfolgen
von Stelleingriffen in einem festgelegten Zeithorizont und durch Wahl des danach
optimalen Stelleingriffs für den nächsten Zeitschritt fest.
Die Vorteile einer modellprädiktiven Regelung lassen sich in folgenden Aussagen zusammenfassen:
Intuitives Konzept
Explizite Kompensation von dominanten Totzeiten und dadurch Verkürzung der
Bandmeter außerhalb der Tolerenz, insbesondere in den dynamischen Phasen
Berücksichtigung von Beschränkungen bereits in der Entwurfsphase
Transparente und einfache Reglereinstellung durch wenige Tuningparameter
Einfache Integration von Vorsteuerungen und Störgrößenaufschaltungen (z.B.
Walzkraftkompensation, Vorsteuerung einlaufender Fehler).
3.2 Koordinierte Planheitsregelung für Kaltwalztandemstraßen
Entscheidende Qualitätsmerkmale von erzeugtem Kaltband sind das Dickenquerprofil über
der Bandlänge, die Bandplanheit und die im Band verbleibenden Restspannungen. Während
eine möglichst gleichmäßige Banddicke über der Breite für die Weiterverarbeitung zu Spaltoder
Schmalband von besonderer Bedeutung ist, sind gute Planheit und geringe
Restspannungen Voraussetzung für alle folgenden Verarbeitungsschritte und
Folgeprodukte. Diese Qualitätsmerkmale sind untereinander stark korreliert und von den
Eigenschaften des einlaufenden Bandes und den entsprechenden Prozesseinwirkungen
während des Walzens abhängig.
Zur Erzielung einer ausreichenden Bandplanheit bei gleichzeitig minimalen
Bandrestspannungen wurde deshalb an einer viergerüstigen Kaltwalz-Tandemstraße die
Strategie verfolgt, die an der Beize gewonnenen bandlängenbezogenen Informationen über
das Banddickenquerprofil des einlaufenden Warmbandes zur dynamischen Regelung der
vorhandenen Stellgrößen auszunutzen, Walzkraftänderungen zu kompensieren und eine
modellprädiktive Planheitsregelung am vierten Gerüst zu installieren. Die Kombination dieser
Regelungsmaßnahmen zu einer koordinierten Planheitsregelung (Bild 3.2) ist für diese
Tandemstraße implementiert und Anfang 2006 installiert worden. Seitdem ist die BFI-
Planheitsregelung als Teil eines neuen Automatisierungssystems (Bild 3.3) einwandfrei in
Betrieb und gewährleistet beste Planheitstoleranzen im Bereich von 4–7 IU. Ein typisches
Planheitsergebnis ist in Bild 3.4 zu sehen.
6 Oktober 2012

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Umform- und Veredelungsanlagen
Bild 3.2: Blockdiagramm der koordinierten Planheitsregelung für Tandemstraßen
Bild 3.3: Bedien- und Visualisierungsmaske der BFI Planheitsregelung für eine
Kaltwalztandemstraße
7 Oktober 2012

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Umform- und Veredelungsanlagen
Bild 3.4: Typisches Ergebnis der koordinierten BFI-Planheitsregelung
3.3 Modellprädiktive Regelung der Planheit in Warmbandstraßen
Ansprechpartner: Dr. Jan Polzer
Die Bandplanheit stellt eines der wichtigsten Qualitätsmerkmale der gewalzten Erzeugnisse
in Warmbandstraßen. Beim betrachteten Walzprozess handelt es sich um ein
totzeitbehaftetes und zum Teil stark gestörtes Mehrgrößensystem, was eine geeignete
Regelungsstrategie erfordert.
Das BFI hat ein modellprädiktives Planheitsregelsystem für Warmbandstraßen entwickelt.
Kern des Systems ist ein Internal-Model-Control-Ansatz, der eine Kompensation der
geschwindigkeitsabhängigen Totzeit und eine Anpassung der Reglerverstärkungen in
Abhängigkeit der Bandeigenschaften ermöglicht. Nach einer Erprobungsphase wurde das
System in das Automatisierungssystems einer Warmbreitbandstraße eines deutschen
Anlagenbetreibers integriert (Bild 3.5).
Die bisherigen Betriebsergebnisse verdeutlichen die Eignung der Regelung zur Erzielung
bester Planheitsqualität der gewalzten Warmbänder. Die Regelung läuft zuverlässig auf
einem LabVIEW-PC mit Schnittsetellen zum TopPlan-Messsystem (Versorgung mit aktuellen
Planheitsdaten), zum Level 1 (Online-Eingriff auf die Stellglieder Walzenbiegung und
Walzenschwenkung) und zum Prozessrechner (Versorgung mit aktuellen Banddaten).
8 Oktober 2012

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Bild 3.5: BFI-Planheitsregelsystem an einer Warmbreitbandstraße
3.4 Integrierte Dicken- und Planheitsregelung
Ansprechpartner: Dr. Jan Polzer
Im allgemeinen erfolgt die Regelung der Banddicke und der Bandplanheit bei Sendzimir-
Gerüsten durch getrennte Regelkreise. Dabei werden die Querkopplungen, die zwischen
Dicke- und Planheit herrschen, nicht berücksichtigt. Aufgrund der Querkoppelung kommt es
jedoch (insbesondere bei dünnen Bändern) zu einer Interaktion der beiden Regelkreise. Dies
kann zu erheblichen Qualitätsverschlechterungen führen, d.h. die vom Kunden
vorgeschriebene Dickentoleranz oder die gewünschte Planheit werden ggf. verletzt. Um die
Auswirkung der Querkopplungen zu reduzieren, wird meist die Planheitsregelung weniger
scharf (d.h. langsam) eingestellt. Im Falle von schnell veränderlichen Planheitsfehlern ist mit
diesem Ansatz allerdings die erreichbare Planheitsgüte stark eingeschränkt.
Das BFI hat gemeinsam mit einem Anlagenbetreiber und einem Mess- und
Regelungstechnik-Lieferanten im Rahmen eines RFCS-Projektes eine neue, integrierte
Dicken- und Planheitsregelung entwickelt und auf einer industriellen
Automatisierungsplattform implementiert (Bild 3.6). Das System basiert auf einem
umfassenden Reglerentwurf, der die Querkopplungen berücksichtigt und kompensiert. Dazu
sind physikalisch basierte Modelle des Gerüstes im Regler implementiert, welche die
Querkopplungen und das Gerüstverhalten vorhersagen. Der Einsatz der Regelung an einem
Sendzimir-Gerüst eines deutschen Anlagenbetreibers zeigt, dass alle Stellglieder mit
9 Oktober 2012

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Umform- und Veredelungsanlagen
maximaler Geschwindigkeit von der Regelung betätigt werden dürfen, ohne dass (wie
bisher) negative Auswirkungen auf die jeweils andere Qualitätsgröße auftreten (Bild 3.7). Es
gibt somit keine querkopplungsbedingten Performanceeinbußen mehr. Seit 2008 läuft die
integrierte Dicken- und Planheitsregelung an der genannten Walzanlage zur großen
Zufriedenheit des Anlagenbetreibers.
Bild 3.6: Konzept der integrierten Dicken- und Planheitsregelung
Bild 3.7: BFI-System zur integrierten Dicken- und Planheitsregelung
10 Oktober 2012

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3.5 Moderne Regelung von Formschlussbiegemaschinen
Ansprechpartner: Dr. Jan Polzer
Bei der Herstellung von Stahlband ist die Bandform ein wichtiges Qualitätsmerkmal.
Streckbiegerichter können vorhandene Planheitsfehler durch plastische Streckung des
Bandes wirkungsvoll eliminieren. Eine neue vielversprechende Alternative zu klassischen
Streckbiegerichtern ist die Formschlussbiegemaschine. Bei geringeren Bandzügen kann die
geregelte Formschlussbiegemaschine deutlich größere Streckgrade erzielen und somit
beachtlich stärkere Planheits- und Querbogenfehler effizient entfernen. Darüber hinaus spart
der Einsatz einer Formschlussbiegemaschine, im Vergleich zu klassischen
Streckbiegerichtern, erhebliche Mengen an Energie ein.
Bei einem deutschen Anlagenbetreiber führte der steigende Anteil an immer höherfesten
Stahlsorten dazu, dass die Antriebe der S-Rollen nicht mehr ausreichten, um die für die
Erzielung der geforderten Planheitswerte notwendigen Zugspannungen zu erzeugen. Anstatt
die bestehende Streckbiegemaschine durch zusätzliche S-Rollen zu erweitern, kam, die
neue Formschlussbiegetechnik zum Einsatz. Diese Lösung ermöglicht neben der Regelung
der Planheit auch die Regelung der Querbogigkeit. Durch die neuen Möglichkeiten der
Formschlussbiegemaschine wurde intern das Produktspektrum welches über diese Anlage
läuft deutliche erweitert.
Beim Reglerentwurf für die Formschlussbiegemaschine sind die Querkopplungen zwischen
der Eindringtiefe der Biegerollen, dem Bandzug, der Stromaufnahme, dem Bandstreckgrad
und der Bandplanheit bzw. dem Bandquerbogen zu berücksichtigen.
Bild 3.8: BFI-System zur Planheits- und Querbogenregelung an Formschlussmaschinen
11 Oktober 2012

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Die von BFI an der oben genannten Anlage implementierte Regelung der Formschlussbiegemaschine
(Bild 3.8) erreicht:
Energieeinsparungen durch niedrigere Bandzüge mittels einer optimalen Anstellung
der Formschlussbiegemaschine,
Sicherstellung eines stabilen Produktionsprozesses für das gesamt Produktspektrum,
auch bei extremen Sprüngen in der Festigkeit,
Regelung des Querbogens und
Eliminierung von Planheitsfehlern.
3.6 Lackschichtdickenregelung
Ansprechpartner: Dr. Andreas Wolff
Oberflächenveredelung hat einen hohen Stellenwert in der Metallverarbeitungsindustrie.
Feuerverzinkte Bänder werden auf beiden Seiten mit einem oder mehreren Lackschichten
versehen, um dem Band die gewünschten Eigenschaften (z.B. Farbe und
Korrosionswiderstand) zu verleihen. Diese werden anschließend zu Waschmaschinen,
Schaltschränken, Autoteilen usw. weiterverarbeitet. Dies stellt besondere Anforderungen an
die verwendeten Lacke hinsichtlich Haftungseigenschaften auf dem verzinkten Band,
Wiederstandsfähigkeit gegen Umwelteinflüsse und farbliches Aussehen. Neben anderen
Parametern ist die Gleichmäßigkeit der Lackschichtdicke über der Länge und der Breite des
Bandes eine bestimmende Größe.
BFI hat ein neues automatisches Regelsystem für Lackbeschichtungsanlagen entwickelt.
Aufgrund der zeitabhängigen Totzeit zwischen der Trockenschichtmessung und der
Nassschichtmessung wurde eine Mehrgrößenkaskadenregelung basierend auf das Internal-
Model-Control-Prinzip implementiert (Bild 3.9). Zur Berücksichtigung der unterschiedlichen
Betriebsbedingungen (Lacksorte, Verschleiß) werden die Reglerverstärkungen mit Hilfe
eines robusten Gain-Scheduling-Verfahrens (d.h. einer Verstärkungsumschaltungsstrategie)
adaptiert.
Bild 3.9: Struktur der Lackschichtdickenregelung
12 Oktober 2012

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Durch diese verbesserte Regelung kann eine erhebliche Reduzierung der
Lackschichtdickenschwankungen gegenüber dem Handbetrieb und damit eine deutliche
Senkung des Lackverbrauchs erreicht werden Bild 3.10. demonstriert eindrucksvoll, welche
Ergebnisverbesserung mit dem in 2003 an einer Lackierstraße realisierten modernen Regelungskonzept
zu erzielen ist.
Bild 3.10: Ergebnisverbesserung durch die neue Lackschichtendickenregelung
3.7 Badspiegelregelung beim Stranggießen
Ansprechpartner: Dr. Andreas Wolff, Detlef Sonnenschein, Dr. Jan Polzer
Die Badspiegelkonstanz ist beim Stranggießen eine wesentliche Voraussetzung für eine
gute Oberflachenqualität des Stranggussproduktes. Dazu sind insbesondere Badspiegelschwankungen,
die durch Giesspiegelschwingungen entstehen, regelungstechnisch zu
bekämpfen.
Ziel von Untersuchungen des BFI war es daher, die durch Bulging-Effekte hervorgerufenen
Giesspiegelschwingungen mit einer verbesserten Badspiegelregelung signifikant zu
verringern. Ein in eine Simulationsumgebung implementiertes Bulging-Modell lieferte die
Basis für die Analyse der Eignung heutiger Badspiegelregelungen. Anschließend wurde eine
verbesserte Regelungsstrategie (Bild 3.11) mit integriertem Bulging-Kompensationsmodul
entwickelt und in Simulationsstudien mit Messdaten getestet. Das Antibulgingsystem (Bild
3.12) wurde in das Automatisierungssystem des Anlagenbetreibers integriert und getestet.
Mit dem System konnten Bulgingoszillationen erheblich reduziert werden.
13 Oktober 2012

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Umform- und Veredelungsanlagen
Bild 3.11: Konzept einer modellprädiltiven Bandspiegelregelung
Bild 3.12: Bedien- und Visualisierungsmaske des BFI Antibulgingsystems
14 Oktober 2012

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3.8 Analyse und Optimierung der Performance von Regelkreisen zur
Erhöhung der Produktqualität und Reduzierung des Energieverbrauches
(CPM)
Ansprechpartner: Dr. Andreas Wolff, Dr. Jan Polzer
Das Potential von Produktionsanlagen lässt sich häufig durch optimierte Regelungen
erschließen. Dazu bietet sich die fortlaufende Überwachung und Beurteilung der
Performance der eingesetzten Regler. Durch eine Parameternachstellung der Basis- und der
Prozessregelungen lassen sich als Erfahrungswert zwischen 10 und 30% Verbesserung
erreichen. Auf Basis von Benchmarks (d.h. optimal eingestellten Regelkreisen) können auch
wirtschaftlich abgesicherte Entscheidungen über die Einführung neuer Reglerstrukturen (z.
B. modellprädiktive Regelungen) getroffen werden (Bild 3.13). Das BFI verfügt über
Verfahren und Werkzeuge zur Regelkreisüberwachung (Control Performance Monitoring),
mit denen die Bewertungen der Regelgüten für gelieferte Stichproben von Daten ermittelt
werden. Daraus können Vorschläge zur Verbesserung der Reglerperformance erarbeitet
werden.
Bild 3.13: Prozedur zur datenbasierten Analyse und Optimierung der Performance von
Regelkreisen
Mit dieser Vorgehensweise wurden bereits Performanceanalysen von Dicken- und
Planheitsregelungen in Kaltwalztandem- und Dressierstraßen, von Temperaturregelungen in
Glühlinien und Kühlstrecken und von einer Treiberregelung durchgeführt. Die
vorgeschlagenen Verbesserungsmaßnahmen wurden z.T. umgesetzt und führten zu
Qualitätserhöhungen und Energieeinsparungen an den entsprechenden Anlagen.
15 Oktober 2012

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4. Prozess- und Anlagenoptimierung
4.1 Prozess-Optimierungs-System (POS)
Ansprechpartner: Roger Lathe, Martina Thormann, Dr. Jan Polzer,
Das vom BFI entwickelte Prozess – Optimierungs – System (POS) war eines der ersten an
einem 20 – Rollen – Walzwerk installierten Systeme dieser Art (Bild 4.1). Bestandteile
dieses Systems sind eine On-Line Stichplanoptimierung und eine automatische
Gerüstvoreinstellung für die Bandplanheit und die Banddicke für jeden Stich. Eine
Voreinstellung der Bandplanheit für den ersten Stich ist auch ohne Kenntnis des
Warmbandprofils möglich.
Bild 4.1: On-Line Stichplanoptimierung für ein 20 – Rollen – Walzwerk
Durch den Einsatz einer On-Line Stichplanoptimierung an einem modernen 20–Rollen–
Walzwerk wurde eine Durchsatzsteigerung von 6% bis 8% erreicht. Mit Hilfe der
automatischen Gerüstvoreinstellung konnte für die Planheit und die Dicke des Bandes
bereits zu Stichbeginn eine gute Übereinstimmung zwischen Ist- und Sollwerten erzielt
werden.
Stichplanoptimierung
Eigenschaften der BFI Stichplanoptimierung:
Minimierung Anzahl Stiche und Gesamtwalzzeit,
Berechnung Stichfolge, Bandzüge, Bandgeschwindigkeiten und Kühlmittelmengen,
Optimierung der Walzkraft- und Temperaturverteilung,
Interaktive Bedienung durch Walzer,
Automatische Anpassung der Berechnungsparameter.
Die ermittelte Verkürzung der Walzzeit lag bei den untersuchten Bändern zwischen 8% und
36%. Diese Werte beziehen sich auf die reine Walzzeit ohne Berücksichtigung von
Nebenzeiten. Unter Berücksichtigung aller Nebenzeiten ergab sich eine Durchsatzsteigerung
von durchschnittlich 6% bis 8%.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil ergab sich aus der Vergleichmäßigung der dabei erzielten
hohen Qualität der gefertigten Bänder.
16 Oktober 2012

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Umform- und Veredelungsanlagen
Voreinstellung der Banddicke
Die gute Wirksamkeit der Voreinstellung der Banddicke zeichnet sich durch die sehr geringe
Abweichung zwischen Ist- und Solldicke aus, die sich unmittelbar zu Stichbeginn bei den
untersuchten Bändern ergeben hatte.
Die mittlere Abweichung von der Solldicke betrug zu Stichbeginn 0,8%. Dieses sehr gute Ergebnis
muss im Verhältnis zu der üblichen Dickenabweichung über der Bandbreite gesehen werden, die ca.
1% bis 2% beträgt. Die Daten basieren auf einer Auswertung von 140 Bändern.
Voreinstellung der Bandplanheit
Im Hinblick auf die Bandplanheit führte die Gerüstvoreinstellung ebenfalls zu guten
Ergebnissen. Die vorausberechnete Bandplanheit und die gemessene Planheit ergaben zu
Stichbeginn eine sehr gute Übereinstimmung. Dies zeigte sich besonders dadurch, dass
nach der Aktivierung der Planheitsregelung nur sehr geringfügige Regeleingriffe zur
Korrektur der Bandplanheit erforderlich waren. Das Ergebnis gewinnt noch zusätzlich an
Bedeutung, wenn berücksichtigt wird, dass diese Daten während des ersten Stichs ermittelt
wurden, zu einem Zeitpunkt also, bei dem für dieses Band noch keine gemessenen Daten
von vorhergehenden Stichen vorlagen.
Eine Auswertung der Planheitsabweichung von der Soll- Planheit ergab in den meisten
Fällen zu Stichbeginn des ersten Stiches einen Wert von kleiner 75 µm/m (7,5 I-Units).
Die Daten wurden zu einem Zeitpunkt erfasst, bei dem die Planheitsregelung noch nicht
aktiv war und die Bandplanheit sich ausschließlich durch die Gerüstvoreinstellung ergab.
Auch diese Daten basieren auf einer Auswertung von 140 Bändern
Vorteile des Prozess-Optimierungs-Systems
Reduzierung der Walzeiten und damit verbunden eine Steigerung des Durchsatzes,
Störungsarmer Walzbetrieb,
Einheitlich gute Qualität der Bandoberfläche,
Verbesserte Einhaltung der Toleranzen für Banddicke und Bandplanheit an den
Bandenden,
Gleichmäßigere Auslastung der Gerüstkapazität,
Entlastung der Walzmannschaften bei der Bedienung der Anlage und schnellere
Einarbeitung von neuen Mitarbeitern.
4.2 Verbesserung der Planheit von Warmband
Planheitsdefekte bei warmgewalzten Bändern stellen je nach Ausprägung einen erheblichen
Qualitätsmangel dar. Diese werden sowohl durch den Walzprozess selbst als auch durch
den anschließenden Kühlprozess beeinflusst. In dem inzwischen abgeschlossenen Forschungsprojekt
wurde der Einfluss der Bandkühlung auf die Planheit warmgewalzter Bänder
nach dem Kühlprozess untersucht. Insbesondere wurde die Auswirkung eines neuen Stellgliedes,
des sogenannten „Edge-Masking-Systems“, in der Kühlstrecke analysiert. Anhand
von umfangreichen Messungen ließ sich ein datenbasiertes Modell aufstellen, mit dem sich
die Planheit des Bandes hinter der Kühlstrecke vorhersagen lässt. Es ist beabsichtigt, dieses
Modell in die Steuerung des Edge-Masking Systems zur Verringerung der Planheitsfehler zu
integrieren.
17 Oktober 2012

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Umform- und Veredelungsanlagen
4.3 Minimierung der Ertragsverluste durch Kantenabfall, Breitung und
Formfehlern durch integrierte Regelung auf Basis von Software Sensoren
und innovativer Aktuatorik in Kaltwalzwerken
Ansprechpartner: Dr. Jan Polzer
Die Kundenanforderungen an die Formeigenschaften von Flachprodukten nehmen unter
Berücksichtigung hochtechnologisierter Endprodukte stetig zu. Steigende Produktionsauslastungen
stehen diesen Anforderungen entgegen und verlangen dem Fertigungsprozess
stetige Weiterentwicklung ab. Sowohl dem Kantenabfall als auch der Breitung werden in
diesem Zusammenhang immer größere Aufmerksamkeit gewidmet.
Im Rahmen eines RFCS-Projektes untersucht BFI den Kantenabfall und die Breitung beim
Herstellungsprozess von Flachprodukten. Genauere Betrachtung finden unter anderem der
Entstehungsort, Entstehungsmechanismen und deren Beseitigung. Dies geschieht auf Basis
von Messungen und Modellen, aus denen im weiteren Projektverlauf Maßnahmen abgeleiten
werden. Die Ergebnisse sollen in Form eines Soft-Sensors implementiert werden, der den
Herstellungsprozess in Zukunft hinsichtlich Kantenabfall und Breitung begleitet.
Das BFI hat in diesem Zusammenhang ein optisches Messverfahren (Bild 4.2) entwickelt,
welches das Bandkanteprofil über die Bandlänge traversierend erfasst. Die Testphase in der
Produktion ist abgeschlossen. Der Messbügel unterstützt erfolgreich bei der Erfassung qualitätsrelevanter
Daten im Kaltwalzwerk.
Bild 4.2: Messbügel zur Messung des Bandkantenprofils
18 Oktober 2012

Automatisierung
Umform- und Veredelungsanlagen
4.4 Entwicklung einer teilautomatisierten Biegerichtmaschine für
plattenförmige Blechbauteile als geregeltes mechatronisches System
Ansprechpartner: Dr. Jan Polzer, Joachim Denker
Bei der Fertigung plattenförmiger Bauteile können durch Wärmebehandlungen oder das
abschließende Zuschneiden nach dem Walzen lokale plastische Verformungen entstehen.
Die folgende Begradigung dieser Unebenheiten durch den Richtvorgang spielt daher eine
wichtige Rolle.
Der aktuelle, bei der Firma Corts weitgehend manuell durchgeführte, Richtprozess ist dabei
kaum reproduzierbar, da er sehr von der Erfahrung des ausführenden Mitarbeiters abhängt.
Weiterhin ist der Arbeitsvorgang mit schwerer körperlicher Arbeit und einem hohen
Unfallpotential verbunden. Man kann sich außerdem vorstellen, dass der manuelle
Richtvorgang bei dieser Richtanlage die Größe der plattenförmigen Bauteile beschränkt. In
ist die CAD-Zeichnung der Richtanlage mit dem Richtkoordinatensystem zu sehen.
Eine Teilautomatisierung des Richtvorgangs ermöglicht die Einhaltung der zulässigen
Formabweichungen der Bleche unabhängig von den „handwerklichen“ Fähigkeiten und der
„Tagesform“ des Mitarbeiters und reduziert den Anteil der körperlichen Arbeit. Eine
Sortimentsvergrößerung, mit der Möglichkeit größere Platten zu verarbeiten, ist auch
denkbar.
Bild 4.3: Biegerichtmaschine mit Richtkoordinatensystem und TOPPlan-Messsystem
Die vom BFI und der Firma Corts erarbeitete Lösung umfasst die Implementierung zweier
Regelkreise. Eine Implementierung neuer Basisregelkreise für die automatische
Ansteuerung der Biegerichtmaschine fällt in die Zuständigkeit von Corts. Das BFI beschäftigt
sich mit der Adaption einer automatisierten Richtstrategie, dem Technologieregelkreis.
Ein TopPlan-Messsystem, dargestellt in Bild 4.3, übergibt dem Technologieregelkreis am
Anfang jedes Richtvorgangs die Topographiedaten der aktuellen Platte. Auf Grundlage
dieser Daten, wird die optimale Richtstrategie gewählt.
19 Oktober 2012

Automatisierung
Umform- und Veredelungsanlagen
In Bild 4.4 sind die von TopPlan erfassten Topographiedaten in Falschfarbendarstellung
einer Platte zu sehen. Diese wird virtuell vom restlichen Hintergrund separiert und im
Koordinatensystem des Richttisches dargestellt. Die Aufnahme im linken Teilbild zeigt die
Platte vor dem ersten Stempelvorgang. Auf dem rechten Teilbild ist dieselbe Platte nach 31
Stempelvorgängen zu sehen. Dabei werden negative (blau) oder positive (rot)
Abweichungen von der TopPlan Referenzebene einfach sichtbar. Der Richtvorgang sollte
also erst beendet werden, wenn die Gesamtabweichungen der Platte im grünen oder leicht
gelb bis türkisen Bereich liegt, um die vorgegebenen Toleranzgrenzen einzuhalten.
Die Nummern im Zusammenspiel mit den Kreisen, die auf der Platte sichtbar sind,
symbolisieren die Positionen der noch zu tätigen (rot) und schon getätigten (grün)
Stempelvorgänge.
Bild 4.4: Topographiedaten einer Platte nach dem ersten (links) und nach dem letzten
(rechts) Richtvorgang
Ein manueller Eingriff bzw. Richtprozess ist trotzdem möglich. Dieser erfolgt weiterhin bei
sehr stark verformten Platten. Dabei unterstützt eine LabView-Oberfläche den Mitarbeiter
visuell. Sie zeigt die aktuelle Stempelposition, sowie die momentane Plattentopographie an.
20 Oktober 2012

Automatisierung
Umform- und Veredelungsanlagen
4.5 Innovative Werkstoffgeneration für Schneidwaren durch die
zukunftsweisende Fertigungstechnologie Bandgießen (BladeStrip) -
Analyse und Optimierung der Warmwalzstufe bzgl. Bandplanheit
Ansprechpartner: Dr. Jan Polzer
Ziel des Teilprojektes ist ein Mess- und Regelsystem für die Bandplanheit an
Warmwalzgerüsten für Bandgießanlagen. Hierzu konzipiert das BFI den Aufbau eines
Messsystems um die Bandplanheit zu erfassen. Dazu kommen bevorzugt optische
Messverfahren zum Einsatz, wie z.B. das BFI-TopPlan-System (siehe Bild 4.5), das auf dem
Streifenprojektionsverfahren basiert. Durch Projektion eines strukturierten Musters auf die
Bandoberfläche und der Aufnahme dieses Musters unter einem bestimmten Winkel kann die
Bandplanheit (Bandlängenverteilung) bestimmt werden.
Im weiteren Projektverlauf wird ein Planheitsmodell unter Berücksichtigung der vorhandenen
Stellmöglichkeiten (Arbeitswalzenbiegung, CVC-Walzen, Zonenkühlung) ermittelt. Dies soll
von einem physikalisch-basierten Modell abgeleitet werden, dass anhand von Messdaten
abgeglichen und online adaptiert wird. Experimentelle Untersuchungen der
Stellgliedereinflüsse auf die Bandplanheit bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen (z.B.
Bandgeometrie, Material, Temperatur) werden zur Validierung des Modells genutzt.
Zur Regelung der Planheit wird ein modellprädiktives Regelungssystem entwickelt, welches
ein Online-Planheitsmodell zur Prädiktion und Optimierung beinhaltet. Die Entwicklung und
Implementierung der modellprädiktiven Planheitsregelung berücksichtigt die Schwierigkeiten
der besonderen Situation des Warmwalzens an Bandgießanlagen. Zum Schluss wird das
Mess- und Regelsystem erprobt, bewertet und angepasst.
Bild 4.5: TopPlan Messgerätes an der Bandgießanlage (Konstruktionszeichnung)
21 Oktober 2012

Automatisierung
Umform- und Veredelungsanlagen
5. Prozessstufenübergreifende Steuerung und Optimierung
Ansprechpartner: Dr. Jan Polzer, Dr. Dirk Zander, Dr. Andreas Wolff
5.1 Produktionsbegleitende Ebenheitsvorhersage und Produktionsoptimierung
zur Erreichung bestmöglicher Endebenheiten von Grobblech
Ansprechpartner: Dr. Andreas Wolff, Dr. Ulrich Müller
Ziel des Projekts ist die Erhöhung der Qualität von Grobblech in Bezug auf die Blechebenheit,
um wachsende Kundenforderungen zu erfüllen. Dies soll durch eine alle Produktionsschritte
einbeziehende, endebenheitsbezogene und vorausschauende Prozessoptimierung
erreicht werden (Bild 5.1). Dazu ist die Ebenheitsentwicklung der Bleche prozessstufenbegleitend
vorherzusagen, sind die Vorgaben für die nachfolgenden Produktionsschritte an der
geforderten Endebenheit ausgerichtet zu optimieren und die Ebenheit des auszuliefernden
Blechs nach allen Richtlinien und Kundenvorschriften sowie umfassend abmessungsbezogen
(über Länge und Breite des Bleches) zu beschreiben und elektronisch abzuspeichern.
Hierfür wird eine automatisierte, prozessbegleitende Dokumentation aller für die Blechebenheit
relevanten Prozesssignale erstellt. Diese ermöglicht eine Auswertung nach Abmessungen,
Gütegruppen, Fertigungswegen sowie aller erfassten Prozesssignale zur Absicherung
des Qualitätsstandards.
Bild 5.1: Prozessstufenbegleitende Vorhersage und Optimierung der Ebenheitsentwicklung
in der Grobblechproduktion
Anpassung der Warmband-Planheitssollwerte an Weiterverarbeitungsanforderungen:
Zur Optimierung der Planheit beim Warmwalzen müssen die Einflüsse aller Prozessschritte
(Walzen, Bandkühlen, Aufhaspeln, Coilkühlen und Abhaspeln) berücksichtigt werden. Ziel
der Forschungsarbeiten war es daher, basierend auf messtechnischen Betriebsuntersuchungen
umfassende Modelle für die Entwicklung der Planheit aufzustellen.
22 Oktober 2012

Automatisierung
Umform- und Veredelungsanlagen
Bild 5.2 zeigt ein Simulationsergebnis.
width [m]
width [m]
width [m]
width [m]
-0.5
0
0.5
-0.5
0
0.5
-0.5
0
0.5
-0.5
0
0.5
Tangential strains
100 200 300 400 500 600 700 800
Tangential stress
100 200 300 400 500 600 700 800
Radial stress
100 200 300 400 500 600 700 800
Flatness
100 200 300 400 500 600 700 800
length [m]
2000
1000
0
100
0
-100
30
20
10
0
50
40
30
20
10
r
[Nmm -2 ]
IUnits
e t
[m m -1 ]
t
[Nmm -2 ]
Bild 5.2: Planheit eines Bandes nach 2 Stunden Abkühlung des Coils
5.2 Koordinierte Führung der Kaltwalz- und Verzinkungsprozesse für optimale
Endplanheit und Zinkschichtdicke
Ansprechpartner: Dr. Jan Polzer, Dr. Andreas Wolff
Ziel des gerade begonnenen Vorhabens ist die Optimierung der Band- und Verzinkungsqualität
und die an der Endqualität ausgerichtete Abstimmung der Prozessführung in der Kaltbanderzeugungskette
(Bild 5.3:). Dazu werden eine detaillierte Wissens- und Modellbasis
und eine produktionsstufenbegleitende Vorhersage der Endqualität (Planheit/Ebenheit,
Zinkauflage) mit zeitnaher Überwachung in den einzelnen Stufen aufgebaut.
23 Oktober 2012

Automatisierung
Umform- und Veredelungsanlagen
Bild 5.3: System zur koordinierten Führung der Kaltwalz- und Verzinkungsprozesse für die
optimale Endplanheit und Zinkschichtdicke
5.3 Optimierung der metallurgischen Strukturen und mechanischen
Eigenschaften durch Verbesserung der Wärmebehandlungsprozesse mit
Hilfe neuer Setup- und Regelungsmethoden
Ansprechpartner: Dr. Andreas Wolff
Bei der Bandproduktion ist die Konstanz der mechanischen Eigenschaften (z.B. Festigkeit
und Streckgrenze) über der Bandlänge ein entscheidendes Qualitätskriterium. In einer
Verzinkungsanlage werden Stahlbänder durch einen indirekt beheizten Schlingenofen
gefördert und auf Prozesstemperatur gebracht, anschließend kommt das Band in ein
Verzinkungsbad. Nach dem Verzinken erfolgt an manschen Anlagen die Online-Messung
der mechanischen Eigenschaften, z.B. mit Hilfe eines IMPOC-Systems.
In einer interdisziplinären Arbeit zwischen zwei Abteilungen des BFI wurde ein
Gesamtsimualtor zur Prädiktion der Temperatur und der mechanischen Eigenschaften für
das Band im Schlingenofen entwickelt. Das Modell dient als Basis für eine modellgestützte
Kaskadenregelung (Bild 5.4), die aus einer Temperaturregelung im inneren Regelkreis und
einer Regelung der online gemessenen mechanischen Eigenschaften im äußeren
Regelkreis besteht. Ziel des Vorhabens ist eine Minimierung der Streuung der
mechanischen Eigenschaften über der Bandlänge.
24 Oktober 2012

Automatisierung
Umform- und Veredelungsanlagen
Bild 5.4: Kaskadenregelung zur Minimierung der Streuung der mechanischen Eigenschaften
in kontinuierlichen Glühanlagen
5.4 Optimale Festigkeitsregelung durch individuelle Einstellung der
Kühlstrecke in Warmbandwalzwerken basierend auf Modellprädikation
und Online-Messung der Festigkeit
Ansprechpartner: Dr. Jan Polzer, Bernd Gröpper
Eines der wesentlichen Qualitätsmerkmale von warm gewalztem Stahlband ist ein
gleichmäßiger Verlauf der mechanischen Eigenschaften innerhalb enger Toleranzen über
der gesamten Bandlänge. Traditionell ermittelt man die Materialeigenschaften anhand von
Proben, die am Bandanfang und am Bandende genommen werden. Dies ist kostenintensiv
und zeitaufwendig. Des Weiteren muss man berücksichtigen, das sich die mechanischen
Eigenschaften am Bandanfang und -ende von denen im Bandfilet unterscheiden. Ein Grund
hierfür ist, dass das Band in der Coilmitte, (d.h. Bandfilet) langsamer abkühlt als an der
Coiloberfläche (d.h. Bandanfang und -ende). Folglich kann man die Materialeigenschaften
im Bandfilet nur näherungsweise anhand der Eigenschaften am Bandanfang und -ende
bestimmen.
Die Online-Messung elementarer Materialeigenschaften (z.B. Festigkeit und Streckgrenze)
ermöglicht neue und innovative Verfahren zur effizienten Vergleichmäßigung und
Verbesserung der Materialeigenschaften über der gesamten Bandlänge. Um engere
Toleranzen in den Materialeigenschaften über die Bandlänge zu erreichen, arbeiten das BFI
gemeinsam mit einem Anlagenbetreiber und einem Messgerätehersteller an einem System
zur Online-Messung und Optimierung der Materialeigenschaften.
Zur Erreichung der Projektziele werden Modelle entwickelt, die die Prozessstufen in
ausreichender Genauigkeit beschreiben, eine schrittweise lernende Optimierungsstrategie,
die die Kühltrajektorien an der der Kühlstrecke entsprechend anpasst (Bild 5.5).
25 Oktober 2012

Automatisierung
Umform- und Veredelungsanlagen
Bild 5.5: Festigkeitsregelung über die Optimierung der Kühlstrecken in Warmbandstraßen
5.5 Prozessstufenübergreifende integrierte Planheits- und
Festigkeitsregelung.
Ansprechpartner: Dr. Andreas Wolff, Bernd Gröpper
Die Anforderungen von Flachprodukten hinsichtlich einer guten Planheit und gleichmäßigen
Materialeigenschaften sind in den vergangenen Jahren rasant gestiegen. So müssen bei der
Produktion von Stahlbändern Grenzwerte der Planheit und enge Toleranzen in den
Materialeigenschaften, wie beispielsweise die Zugfes-tigkeit und die Streckgrenze,
eingehalten werden.
Die Beeinflussung der Planheit und der Materialeigenschaften geschieht in den Prozessstufen
an verschiedenen Stellen. In Abhängigkeit der chemischen Zusammensetzung
werden die mechanischen Eigenschaften, genauso wie die Planheit, durch den Walzvorgang
und durch die thermische Behandlung verändert. So wird beispielsweise mit dem
Walzvorgang die Korngröße und mit dem Abkühlvorgang in der Kühlstrecke die
Kristallstruktur eingestellt.
Standard Temperaturtrajektorien zur Einstellung der Materialeigenschaften führen oft zu
großen Unplanheiten. Umgekehrt würde eine alleinige Konzentration auf die Planheit nicht
die benötigten Materialeigenschaften liefern. Bild OptiShamp (b) ver-deutlicht diese
Problematik und stellt die Projektidee, der integrierten Regelung von Planheit und
Materialeigenschaften, dar. Ziel des Projektes ist also eine Temperatur-trajektorie im ZTU-
Diagramm zu finden die gleichzeitig gute Materialeigenschaften und eine gute
Planheit liefert.
26 Oktober 2012

Automatisierung
Umform- und Veredelungsanlagen
In diesem Projekt wird der Zusammenhang zwischen Planheit und Materialeigenschaften
weiter untersucht. Es wird eine prozessstufenübergreifende Regelungsstrategie
für Warm- und Kaltwalzwerke entworfen und umgesetzt, welche gleichzeitig
die Planheit und die Materialeigenschaften optimiert. In Bild OptiShamp (a) sind die
beiden Prozessstufen dargestellt.
Das Betriebsforschungsinstitut hat hier den Schwerpunkt der Optimierungen vom
Warmwalzwerk bis zur Beize gelegt. Die Prozessstufen vom Kaltwalzen bis zum
Glühen bearbeiten andere Projektpartner. Zusätzlich wird ein Modul entwickelt, welches
die Kommunikation und Optimierung zwischen den beiden Bereichen ermöglicht.
In diesem Projekt werden verschiedene Modelle entwickelt, die das Verhalten der
Prozessstufen in ausreichender Genauigkeit beschreiben. Dieser integrierte Modellansatz
bildet die Basis für die schrittweise lernende Optimierungsstrategie, welche
neben den Temperaturtrajektorien der Kühlstrecke auch die Planheitsstellglieder der
Warmbandstraße mit ein bezieht
Bild 5.6: Integrierte Planheits- und Festigkeitsregelung
27 Oktober 2012

Automatisierung
Umform- und Veredelungsanlagen
5.6 Qualitätsbasiertes Planungsassistenzsystem für Edelstahlwerke
Ansprechpartner: Dr. Jan Polzer, Joachim Denker
Die Produktionsplanung in einem Stahlwerk ist ein hoch komplexer Vorgang der
entscheidend die Produktivität, die Kosten und die Qualität beeinflusst. In den verfügbaren
kommerziellen Systemen gibt es leider keine Rückkopplung der produzierten Qualität in die
Produktionsplanung.
Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung eines Assistenzsystems der Produktionsplanung,
welches die Qualitätseinflüsse der einzelnen Produktionsstufen einbezieht. In der
betrachteten Prozesskette (Kaltwalzen → Glühen → Dressieren → Adjustage) gibt es oft
mehrere mögliche Produktionsrouten. Das Planungsassistenzsystem ermittelt die, aus
Qualitätsgesichtspunkten, ideale Prozessroute. Da sich hieraus eine Überlastung der
modernsten Aggregate ergeben kann, muss auch der Anlagendurchsatz in der
mehrdimensionalen Optimierung berücksichtigt werden. Ähnlich einer Stauumfahrung beim
Auto-Navigationssystem, liefert das Planungsassistenzsystem auch die nächstbesten
Produktionsrouten bzw. das globale Optimum (siehe Bild 5.7).
Bild 5.7: Mehrdimensionale Optimierung der individuellen Produktionsrouten unter
Berücksichtigung der Produktqualität und des Anlagendurchsatzes.
Den Kern des Planungsassistenzsystems bilden Modelle, die die individuelle Qualität von
jedem Coil in den einzelnen Aggregaten abschätzen. Hierfür finden im Rahmen des
Projektes Messkampagnen mit mobilen topometrischen Messgeräten statt, um die
Messkette bez. der Qualitätsgrößen Planheit und Bandform zu vervollständigen. Um eine
vollständige Modellierung auch bei spiegelnden Bändern zu ermöglichen, wird ein neuer
Prototyp, basierend auf dem standardmäßigen TopPlan-Messsystem, TopPlan-
Hybrid/Reflect eingesetzt.
28 Oktober 2012

Automatisierung
Umform- und Veredelungsanlagen
5.7 Prädikative Berechnung der Nutzguttemperatur von Langprodukten für
das Warmwalzen
Ansprechpartner: Dr. Dirk Zander
Die kontinuierliche Überwachung der Oberflächentemperatur von Langprodukten während
eines Warmwalzprozesses wird i.d.R. mit stationären Strahlungspyrometern realisiert. Diese
Temperaturinformationen sind nicht ausreichend, um darauf aufbauend materialspezifische
Eigenschaften zu berechnen. Um für komplexe Geometrien profilierter Halbzeuge eine
verbesserte Aussage zum Temperaturprofil zu treffen, wird im Rahmen eines
Verbundprojektes ein adaptiver Berechnungsalgorithmus entwickelt. Ausgehend von der
Ziehtemperatur wird über den Nutzgutquerschnitt das Temperaturprofil für den gesamten
Walzprozess berechnet und mit betrieblichen Pyrometermessungen abgeglichen. Dabei wird
auch der Energieeintrag durch die Umformung an den Walzgerüsten berücksichtigt. Als
Ergebnis liefert die Berechnung in Echtzeit die Temperaturgradienten über den Querschnitt
des Nutzgutes (siehe Bild 5.8). Darauf aufbauend sollen Aussagen zur
Mikrostrukturentwicklung und damit zur Abschätzung der mechanischen Eigenschaften,
sowie zur Belastung durch thermisch induzierte Spannung des Walzgutes getroffen werden.
Bild 5.8: Beispiel einer berechneten Temperaturverteilung eines profilierten Walzgutes in
der Warmwalzstrasse
29 Oktober 2012

Automatisierung
Umform- und Veredelungsanlagen
6. Anlagenüberwachung und Fehlerdiagnose
6.1 Ursachendiagnose und Vermeidung von periodischen Bandfehlern und
Schwingungen in Walzanlagen
Ansprechpartner: Dr. Jan Polzer
Walzanlagen sind komplexe maschinelle Systeme, in denen eine Vielzahl von Schwingungen
mit unterschiedlichen Auswirkungen bei verschiedenartigen Ursachen auftreten können.
Schwingungen des Walzgerüstes und des Antriebes können sich negativ auf die Lebensdauer
und den Zustand der Anlage bzw. der einzelnen Bauteile auswirken, außerdem
beeinflussen sie in starkem Maße den Umformprozess und die Produktqualität. So
entstehen neben Drehzahlschwankungen und Walzenbewegungen letztlich z.B. zyklische
Änderungen der Dicke von gewalztem Band. Verursacht werden Walzwerksschwingungen
vorrangig durch periodische Anregungen, durch prozess- oder anlagenbedingte Schläge
oder Stöße sowie durch Selbsterregungseffekte infolge von Prozessinstabilitäten.
Ursachen von Schwingungen
Die Schwingungsursachen bei einer Walzanlage kann man hinsichtlich Anregungsmechanismus
und Frequenz wie folgt einteilen:
Anregungen proportional zur Walzendrehzahl durch Walzenunwuchten oder Walzenexzentrizitäten
(bei Stützwalzen z.B. im Quarto bis ca. 5 Hz, bei Arbeitswalzen z.B. im
20-Rollen-Gerüst bis 50 Hz),
Anregungen proportional zur Drehzahl vor- bzw. nachgelagerter Rollen durch deren
Unwuchten oder Exzentrizitäten (im Bereich von 30...60 Hz),
Unwuchten oder Exzentrizitäten der Haspeln und Anregung proportional zur Drehzahl
von Ab- bzw. Aufhaspel (Frequenz durchmesserabhängig 2...30 Hz),
Anregungen proportional zur Antriebsdrehzahl durch Fluchtungs- oder Teilungsfehler im
Antriebsstrang (insbesondere mit doppelter Drehfrequenz),
Defekte in Gleitlagern (Stützwalze) und Anregung proportional zur Walzendrehzahl
(Subharmonische, bei Öl-Wirbel 42%...48% der Drehzahl),
Defekte in Wälzlagern (Stütz- und Arbeitswalzenlager), Anregung durch Überrollfrequenzen,
deren Vielfache und Walzenriffel, proportional zur Walzendrehzahl
(50...1000 Hz) sowie durch Stoßimpulse (bis über 20 kHz),
periodische Anregungen aus dem Getriebe durch Zahneingriffe (500...1500 Hz und
Harmonische),
Anregungen durch lokale Zahnradschäden im Getriebe,
periodische Fehler des einlaufenden Bandes (z.B. Querwellen) und Anregung proportional
zur Bandeinlaufsgeschwindigkeit (im Bereich 100...1000 Hz),
periodische Fehler auf den Walzen (z.B. Wellen oder Härteschwankungen) und
Anregung proportional zur Walzendrehzahl (Drehzahl x Fehleranzahl),
periodische Prozessfehler aufgrund defekter Mess-, Stell-, oder Regelsysteme,
Eigenschwingungen des Antriebsstrangs im Bereich der ersten Torsionseigenfrequenz
(bei ca. 10 Hz), insbesondere durch drehzahlproportionale Fremderregung sowie Selbsterregung
(„Torque-Chatter“), aber auch höherer Torsionsmoden sowie Biegeschwingungen
(bis ca. 100 Hz),
Schwingungen und Bewegungen („Klappern“) der Walzeneinbaustücke (10...100 Hz),
30 November 2011

Automatisierung
Umform- und Veredelungsanlagen
Bandschwingungen („Flattern“) mit unterschiedlichen Frequenzen, abhängig von Bandzug,
Bandbreite, freie Bandlänge und Schwingform,
Eigenschwingungen des Walzgerüstes als vertikale Schwingungen des oberen gegen
den unteren Walzensatz, z.B. durch Selbsterregung („Brummer“ oder „Gage-Chatter“
beim Quarto im Bereich 100...150 Hz),
Eigenschwingungen des Walzgerüstes in höheren Starrkörpermoden und Biegeschwingungen
der Walzen durch Selbsterregung (z.B. „Roll-Chatter“ bei Quarto- oder
Sexto-Gerüsten), Fremderregung oder auch stochastische Anregung (bis 2000 Hz),
Sprung- und Stoßanregungen durch Schließen bzw. Öffnen von Spielen im Antrieb und
in den Lagerungen der Walzen,
Anregungen durch Prozess-Unstetigkeiten (z.B. Anstich einer Bramme),
Anregungen durch Einzeldefekte oder Eigenschaftsänderungen des Bandes,
Sprunganregungen durch Unstetigkeiten der Regelung,
stochastische Anregungen aus dem Getriebe, insbesondere bei verteilten
Zahnradschäden,
stochastische Anregungen durch Abwälzen der Walzen aufeinander,
stochastische Anregungen aus den Lagern durch Gleit- und Rollreibung,
stochastische Anregungen aus dem Umformprozess.
Während des Walzen überlagern sich somit Anregungen unterschiedlichster Entstehungsmechanismen
in einem weiten Frequenzbereich und führen zu einem komplexen Schwingungsverhalten
der Anlage. Besonders kritisch sind Selbsterregungen, da hier das
Schwingungssystem über die nichtlineare Umformkennlinie im Takt seiner Eigenschwingung
selbstgeregelt Energie aus der Antriebsenergie entnimmt, wodurch sehr große
Schwingungsamplituden je nach Stabilitätsverhalten sehr schnell aufklingen.
Durch Variationen bei Produkt (Abmessungen, Material), Prozess (Geschwindigkeit, Kräfte,
Bandzüge,...) und Anlage (Walzen, Lager) ändern sich sowohl Anregung als auch Schwingverhalten
permanent – überlagert von eher langsamen Veränderungen durch einen
allgemeinen Anlagenverschleiß.
Auswirkungen von Schwingungen
Wesentlich sind Schwingungen, die sich negativ auf die Produktivität auswirken, also auf
a) das Produkt und/oder
b) die Anlage und/oder
c) den Prozess.
Der Schwingungseinfluss auf das Produkt kann Minderqualität oder Ausschuss nach sich
ziehen, der Einfluss auf die Anlage sind wachsender Verschleiß und Bauteildefekte, die
Auswirkungen auf den Prozess sind reduzierte Walzgeschwindigkeiten sowie erhöhte
Stillstandszeiten.
Torsionsschwingungen im Antriebsstrang können z.B. einerseits zu Schädigungen der
Anlage (Getriebedefekte, Spielvergrößerungen bis hin zum Bruch von Spindeln oder
Treffern) und andererseits zu periodischen Banddicken- und Prozessschwankungen führen.
Sowohl die Anlagen- als auch die Prozessänderungen tragen wiederum zu erhöhter
Schwingungsanregung und Schwingungsfähigkeit bei.
31 November 2011

Automatisierung
Umform- und Veredelungsanlagen
Walzen mit Oberflächenfehlern können durch direkte Übertragung die Produktqualität
vermindern und das gesamte Walzgerüst zu Schwingungen anregen. Dadurch werden die
Bandfehler verstärkt, Bauteile im Gerüst und auch im Antrieb geschädigt und letztlich auch
die Walzenfehler vergrößert.
Neben diesem kritischen Rückkoppeleffekt von Ursache und Wirkung können sich die Fehler
durch die Schwingungen nicht nur auf die relevanten Bauteile im jeweiligen Walzgerüst,
sondern auch auf Anlagen der unterschiedlicher Prozessstufen fortpflanzen, z.B.:
Stützwalze Arbeitswalze Band
Walzensatz A Lager Walzensatz B
... Gerüst X Band Gerüst Y ...
... Warmwalzwerk Band Kaltwalzstraße Band Dressiergerüst ...
Walzenschleifmaschine Walze Walzgerüst Band ...
Eine bedeutende Fehlerklasse bei gewalztem Band, die von Schwingungen verursacht
werden, sind quer zur Walzrichtung verlaufende periodische Produktfehler, die als
„Querwellen“, „Riffel“, „Schläge“, „Streifen“, „Ratter-Markierungen“ bzw. „Chatter-Marks“
bezeichnet werden.
Bild 6.1: zeigt schematisch die möglichen Entstehungsmechanismen und Bild 6.2:
periodische Fehlerbilder. Im normalen Betrieb herrschen Mischformen mit unterschiedlichen
Anteilen, Wellenlängen und Amplituden vor, die bei Unterschreitung bestimmter Grenzen
nicht sichtbar oder nicht störend sind. Problematisch ist die Dominanz eines Fehlers, wenn
die Amplituden z.B. durch Selbsterregung soweit anwachsen, dass entweder das Produkt
minderwertig ist oder der Prozess unterbrochen werden muss.
Die Wellenlänge der Fehler ist abhängig von der Schwingfrequenz und der Walzgeschwindigkeit
(w = v w / f) und kann wenige Millimeter bis zu mehreren Metern betragen. Die
Fehleramplitude liegt im Bereich „nicht sichtbar“ bis zu ca. 20 µm bei „Formwellen“ sowie bis
ca. 200 µm bei „Dickenwellen“.
w Walze
w Band
w Band
Bild 6.1: Schema der Entstehung periodischer Bandfehler durch Walzensatzschwingungen
sowie durch Übertragung von Walzenfehlern
Die Ursache periodischer Bandfehlern ist meist eine Überlagerung verschiedenster direkter
Einflussgrößen sowie indirekter begünstigender oder auslösender Faktoren, prinzipiell sind
32 November 2011

Automatisierung
Umform- und Veredelungsanlagen
bei ihrer Entstehung zwei Fälle zu unterscheiden:
a) Ursache sind periodische Änderungen im Produktionssystem, die in periodische
Bandfehler umgesetzt werden (w = v w / f A ), die Anregungsfrequenz ist proportional zur
Walzgeschwindigkeit (f A v w ). Die Abstände dieser Bandfehler sind abhängig von den
verursachenden Prozess- oder Systemänderungen, d.h. die Wellenlänge der Fehler ist
unabhängig von der Walzgeschwindigkeit (w = konst.). Wird eine Eigenfrequenz angeregt,
kommt es in Abhängigkeit der Systemdämpfung zu einer verstärkten Ausprägung
der Fehleramplitude a.
b) Ursache ist die Eigendynamik der Anlage, die in periodische Bandfehler umgesetzt wird
(w = v w / f E ). Anregungen können periodische Änderungen im Produktionssystem,
transiente und stochastische Vorgänge sowie Selbsterregungseffekte sein. Wesentliches
Merkmal von Eigenschwingungen ist die unveränderliche Schwingfrequenz (f E = konst.),
die anlagen- bzw. bauteilabhängig ist und kaum vom Prozess beeinflusst wird. Die
Wellenlänge der periodischen Bandfehler, die bei einer Eigenschwingung entsteht,
ändert sich also mit der Walzgeschwindigkeit (w v w ).
Selbsterregung tritt meist nur bei konstanter Walzgeschwindigkeit auf, wodurch dann auch
die Fehlerabstände gleich bleiben (v w = konst., f E = konst., w = konst.), die Amplituden
wachsen schnell und exponentiell an. Bei stabilen Grenzzyklen steigen sie bis auf ein
Niveau, bei dem Systemdämpfung und Anfachung in Waage bleiben (oftmals bei „Torque-
Chatter“ oder auch „Roll-Chatter“). Instabile Selbsterregung führt zu aufschwingenden
Amplituden bis zu einer Systemänderung (z.B. Bandriss in Folge von „Gage-Chatter“) bzw.
kann nur durch einen Prozesseingriff unterbrochen werden (z.B. Geschwindigkeitsreduktion).
w
a
d min
d max
w d
w
a
a
d
w
w 1
w 2
Bild 6.2: Periodische Bandfehler: Dickenwelle, Formwelle, Dicken- und Formwelle (w 1 , w 2 ),
Rauheitsunterschiede, Schläge, allgemeine Form durch Überlagerung
Verminderung von Schwingungen
Anlagen- und prozessbedingt sind Schwingungen beim Walzen nicht zu verhindern, durch
nachfolgend beschriebene Möglichkeiten ist jedoch eine Beeinflussung gegeben.
Ursachenvermeidung: Die effektivste Methode Schwingungen zu verringern ist die
Vermeidung bzw. Verminderung der Ursache. Defekte, wie z.B. an Lagern, Zahnrädern
oder Walzen, können ausgehend von einer Fehleranalyse durch Instandhaltungs-
33 November 2011

Automatisierung
Umform- und Veredelungsanlagen
maßnahmen behoben werden. Aufgrund der Komplexität von Walzanlagen ist eine
derartige Fehlerdiagnose jedoch oft sehr aufwendig.
Dämpfung, Verstimmung, Tilgung: Ausgehend von einer Strukturanalyse können die
klassischen Maßnahmen Dämpfung der Schwingungen, Verstimmung der Struktur sowie
Tilgung einer Schwingung in Betracht gezogen werden. Durch Strukturoptimierung kann
in verschiedenen Fällen eine Verbesserung der Anlagendynamik erreicht werden. Der
Einsatz passiver Dämpfer oder Tilger ist aufgrund der prinzipiellen Anlagenkonstruktion
kaum erfolgversprechend. Eine Verminderung von Walzensatzschwingungen könnte
dagegen durch aktive oder adaptive Dämpfungssysteme erreicht werden, und bei
Antriebstorsionsschwingungen ist der Einsatz aktiver oder adaptiver Tilger denkbar.
Wegen der komplizierten Umsetzbarkeit ist jedoch beides noch Gegenstand von
Forschungsarbeiten.
Minderung von Selbsterregung: Die Vermeidung selbsterregter Schwingungen ist wegen
der extremen Auswirkungen wesentliches Ziel beim Walzen. Da der Energiefluss in das
Schwingungssystem nicht unterbrochen werden kann, muss die Rückkopplung bzw. der
Schaltmechanismus außer Kraft gesetzt werden. Durch das sporadische Auftreten sowie
die Vielfältigkeit und Veränderlichkeit von Einflussfaktoren sind vorbeugende
Maßnahmen dazu bislang wenig erfolgreich, obwohl theoretische Modelle vom
Entstehungsmechanismus entwickelt und daraus abgeleitet Stabilitätsuntersuchungen
durchgeführt werden. Prozessparameter mit weniger Neigung zu Selbsterregung fußen
oft auf Erfahrungswissen der Anlagenfahrer sowie auf Ergebnissen experimenteller
Systemanalyse.
Überwachung mit Eingriff: Letzte Möglichkeit, Schwingungen beim Walzen zu
minimieren, ist eine datenbasierte, modellgestützte und zustandsbezogene
Überwachung und daraus abgeleitete Diagnose, Prognose und Intervention als Online-
Änderung von Prozess und/oder Anlage (Bild 6.3). Prozess-Einflussgrößen auf das
Schwingungsverhalten, die online variiert werden können, sind z.B. beim Kaltwalzen
vorrangig die Walzgeschwindigkeit, aber auch Bandvor- und Bandrückzug, Walzkraft,
Walzenbiegung, Walzenverschiebung sowie Reibung.
34 November 2011

Automatisierung
Umform- und Veredelungsanlagen
Steuerstand
Online-
Visualisierung
Produkt
Prozess
Anlage
Zentraleinheit
Erfassung
Monitoring
Diagnose
Prognose
Entscheidung
Intervention
Expertenwissen
Modelle
Dialog und
Visualisierung
Betriebsleitsystem
Instandhaltungssystem
Daten-
Archiv
Prozessleitsystem
Fernanbindung
Bild 6.3: Allgemeines Überwachungskonzept
Der Einsatz von Schwingungsüberwachungssystemen ist jedoch nicht nur für den Online-
Eingriff sinnvoll. Die erfassten Daten können auch genutzt werden, um Defekte zu diagnostizieren
sowie Trends zu analysieren, und daraus Vorgaben für die Instandhaltung aber auch
für eine allgemeine Anlagen- und Prozessoptimierung zu ermitteln.
Schwingungs-Ursachen-Analyse
Zur Analyse von Schwingungen und deren Ursachen sind sowohl theoretische als auch
messtechnische Arbeiten notwendig (Bild 6.4).
Zunächst werden aus Zeichnungen, Hersteller- und Betreiberangaben alle möglichen
Schwingungsursachen für die spezielle Walzanlage zusammengestellt. Diese Informationen
bilden die Grundlage für die Planung einer Messung, d.h. von Messort, Messzeit,
Messgröße, Messsystem usw. Durch unterschiedliche Fahrweise der Anlage während der
Messung und spezielle Datenanalysen in Zeit- und Frequenzbereich werden drehzahlproportionale
Schwingungsanteile, Eigenschwingungen und Störungen getrennt.
Auf der theoretischen Seite werden die Defektfrequenzen je Bauteil anhand der Ist-Werte
von Anlage (z.B. Walzendurchmesser während der Messung) und Prozess (z.B. Voreilung
und Schlupf) berechnet. Die Fehlerzuordnung erfolgt dann über die entsprechende Bauteildrehzahl
zwischen theoretischer Defektfrequenz und gemessener Schwingfrequenz.
Kann man dadurch die Ursache ermitteln, sind Vorgaben für deren Behebung bzw.
Minderung möglich.
Aufgrund der Vielzahl vorhandener Störungen, in einem Sexto z.B. existieren durch
Defektfrequenzen und deren Harmonische im querwellenrelevanten Frequenzbereich einige
hundert Anregungsmöglichkeiten, sind oft vertiefende Untersuchungen notwendig.
35 November 2011

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Umform- und Veredelungsanlagen
Wesentlich für eine erfolgreiche Zuordnung ist die hochgenaue Kenntnis der jeweiligen
Bauteildrehzahl. Erste Maßnahme bei misslungener Defektsuche ist deshalb die Bestimmung
der Drehzahl mit verbesserter Genauigkeit, z.B. durch spezielle Messverfahren oder
einem Abgleich anhand von Schwingfrequenzen. Nächste Schritte sind die Kontrolle der
theoretischen Angaben und Istwerte, die Erweiterung der möglichen Verursacher auf Nebenund
vorgelagerte Anlagen sowie auch erweitere Messungen mit Trendanalysen und
Bauteilverfolgung.
theoretisch mögliche
(drehzahlpr., EF, u.a.)
Ursachen der Anlage)
Istwerte Anlage,Prozess
(Durchmesser, Schlupf,
Vor-, Nacheilung,...)
Defektfrequenzen
(je Bauteil+Verursacher)
Drehzahl
(je Bauteil)
Messung (Drehzahl,
Schwingungen,Prozess,
Abtastung, Modus,...)
Datenanalyse,Trennung
Störungen+Eigenfrequ.
(Zeit-, Frequenzbereich)
Schwingfrequenz
(örtlich eingegrenzt)
Vergleich
Ursache(n)
Behebung (z.B.Bauteil)/
Verminderung (Prozess)
Bild 6.4: Vorgehensweise bei der Analyse von Schwingungen und deren Ursachen
Die Bestimmung und Zuordnung von Eigenschwingungen erfolgt durch einen Abgleich von
Ergebnissen der theoretischen und experimentellen Systemanalyse einzelner Bauteile oder
der Gesamtanlage (Bild 6.5). Vorrangig genutzte Werkzeuge für die Simulation sind finite
Elemente (FEA) und Mehrkörper-Systeme (MBA). Die klassische experimentelle Modalanalyse
(EMA) ist bei Walzanlagen meist nur für einzelne Bauteile anwendbar (Walzen,
Baustücke). Wichtiger ist hier die Messung während des Walzens und die Nutzung von
Methoden der Betriebsschwingungsanalyse (OMA).
36 November 2011

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Umform- und Veredelungsanlagen
Bild 6.5: Umfassende Analyse von Walzenschwingungen durch Messung und Simulation
Überwachungs- und Diagnosesystem K.O.P.F.
Das System K.O.P.F. (Killer of Periodic Faults) realisiert die Analyse von Schwingungen und
deren Ursachen und zielt auf die Vermeidung periodischer Produktfehler sowie von Anlagendefekten
(Bild 6.6).
Bild 6.6: System zur Schwingungsdiagnose und Walzenstandzeitverlängerung
Qualitätssignale, wie Banddickenverläufe und zusätzliche Beschleunigungssignale werden
auf dominierende Fehlerfrequenzen hin untersucht und automatisch mit Matrizen von Defektfrequenzen
verglichen. Als Ergebnisse stehen für den Anlagenfahrer eine gewichtete
37 November 2011

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Umform- und Veredelungsanlagen
Rangfolge der möglichen Fehlerursachen, auch in grafischer Form (Bild 6.7), und für den
Instandhaltungsexperten zusätzlich die aufbereiteten Spektren sowie vielfältige Analysefunktionen
zur Verfügung (Bild 6.8).
Bild 6.7: Diagnosesystem K.O.P.F. – Anlagenfahrer-Layout
Folgende periodische Änderungen im Produktionssystem werden bei der Ursachenanalyse
in K.O.P.F. einbezogen:
Unwuchten und Exzentrizitäten,
Fluchtungsfehler im Antriebsstrang,
Auswirkungen von Lagerdefekten in den Wälz- und auch Gleitlagern,
Zahneingriffsfrequenzen der Getriebe,
Periodische Fehler des einlaufendes Bandes (Querwellen),
Periodische Fehler auf den Walzen (Wellen und Schläge).
Außerdem wird die Eigendynamik der Anlage berücksichtigt:
Eigenschwingungen des Antriebsstrangs,
Eigenschwingungen des Walzgerüstes,
Instabile Schwingungszustände (z.B. selbsterregte „Brummer-Schwingungen“).
Weitere Eigenschaften des Systems sind je nach Einsatzfall:
Automatisierte Nachführung der Warn- & Defektgrenzwerte,
Automatisierte Bewertung des Anlagenverhaltens mit Hochfahrvorgängen,
Einsatz von Chattermodellen zur Bestimmung schwingungskritischer Zustände,
Integration einer Chatterfrüherkennung mit automatischem Prozesseingriff.
38 November 2011

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Umform- und Veredelungsanlagen
Bild 6.8: Diagnosesystem K.O.P.F. – Offline-Analyse für den Service-Ingenieur
Schwingungen beim Walzen stellen durch die immer höheren Qualitätsstandards, die
Forderungen nach schnelleren und größeren, prozess- und betriebssicheren Anlagen,
einhergehend mit zunehmendem Kostendruck, ein wachsendes Problem dar.
Das BFI entwickelt und realisert deshalb Konzepte zur Zusammenführung verschiedener
Maßnahmen in einem komplexen und prozessstufenübergreifenden Qualitätsmanagementsystem,
das sowohl eine Prozessoptimierung als auch eine Anlagen- und Anlagenzustandsoptimierung
inklusive Systemüberwachung beinhaltet.
6.2 Performancebewertung und -verbesserung von Regelungen in Walz- und
Verzinkungsanlagen
Ansprechpartner: Dr. Andreas Wolff, Dr. Jan Polzer
Die Potentiale bestehender Produktionsanlagen lassen sich häufig durch eine verbesserte
Regelung besser nutzbar machen. Hierzu gehört auch die fortlaufende Überwachung und
Beurteilung der Performance der eingesetzten Regler (Bild 6.9). Durch eine Parameternachstellung
von Basis- und Prozessregelungen lassen sich erfahrungsgemäß zwischen 10
und 30 % Verbesserung erreichen. Auf Basis von Benchmarks (d. h. optimal eingestellten
Regelkreisen) können auch wirtschaftlich abgesicherte Entscheidungen über die Einführung
neuer Reglerstrukturen (z. B. modellprädiktive Regelungen) getroffen werden.
39 November 2011

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Umform- und Veredelungsanlagen
Bild 6.9: Ziele der Regelkreisüberwachung (Control Performance Monitoring)
Das BFI verfügt über Konzepte und Offline-Werkzeuge für ein solches „Control Performance
Monitoring“ (CPM), mit denen die Bewertung der Regelgüten für gelieferte Datenstichproben
vorgenommen wird (Bild 6.10). Das BFI hat kontinuierlich zu betreibende CPM-Systeme
(Bild 6.11 und Bild 6.12) entwickelt. Gleichzeitig wird die automatische Nachstellung der
Reglerparameter als Teil des CPM vorbereitet. Diese Werkzeuge wurden bereits sehr
erfolgreich für die Bewertung und Verbesserung von technologischen Regelungen in
Warmwalzwerken (Temperaturregelung einer Kühlstrecke), Kaltwalzwerken (Dickenregelung,
Planheitsrege-lung) und Verzinkungsanlagen (Temperaturregelung, Zinkschichtdickenregelung)
eingesetzt. Ziel ist dabei, das Verbesserungspotential der Bandqualität durch
modifizierte Einstellung der Regelungen zu quantifizieren und auszuschöpfen.
40 November 2011

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Umform- und Veredelungsanlagen
Bild 6.10: Offline (MATLAB) CPM-Tool (hier am Beispiel einer Dickenregelung)
Bild 6.11: Installiertes Bewertungstool für die Temperaturregelung eines Glühofens
41 November 2011

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Umform- und Veredelungsanlagen
Bild 6.12: Installiertes Bewertungstool für die Schichtdickenregelung einer Verzinkung
Bild 6.13 zeigt beispielhaft das Ergebnis einer Bewertungs- und Reglerverbesserungsanalyse
einer Temperaturregelung einer Verzinkungsanlage eines deutschen Stahlproduzenten.
Mit Hilfe der BFI-Werkzeuge wurden z. B. Schwachpunkte in der Temperaturregelung
aufgedeckt. Durch geeignete Maßnahmen zur Verbesserung der Regelung stellte
sich eine erheblich höhere Reglerperformance (Bild 6.13), d.h. eine drastische Reduzierung
der Temperaturabweichungen (Bild 6.14), ein. Diese wiederum brachten eine signifikante
Energieeinsparung mit sich.
Bild 6.13: Performance der Temperaturregelung vor und nach der Reglerverbesserung
42 November 2011

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Umform- und Veredelungsanlagen
Bild 6.14: Typische Temperaturabweichungen vor und nach der Reglerverbesserungsmaßnahme
Weiterhin wird an der Entwicklung eines CPM-Systems zur Bewertung und Optimierung der
technologsichen Regelungen an Warm- und Kaltwalztandemstraßen gearbeitet ().
Bild 6.15: Beispiel einer Visualisierung von CPM-Ergebnissen an Tandemstraßen
43 November 2011

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Umform- und Veredelungsanlagen
6.3 Softsensor Technologie - Objekterkennung auf der Basis von Bild- bzw.
Videoauswertungen
Ansprechpartner: Dr. Dirk Zander
Moderne Methoden aus dem Bereich der intelligenten Bildauswertung werden in
verschiedenen Projekten zur Zustands-, Positions- oder allgemein zur Datenerfassung
angewandt. In der stahlverarbeitenden Industrie werden diese Systeme in erster Linie an
Einsatzorten verwendet, an denen aufgrund der Messaufgabe der Einsatz herkömmlicher
Sensoren nicht möglich ist.
So wurde z.B. in einem Projekt eine Erkennung der Position von Brammen innerhalb eines
Wärmofens entwickelt. Die Videosignale zweier optischer Kameras werden permanent und
in Echtzeit ausgewertet und daraus die genaue Position innerhalb des Ofens berechnet. Mit
der Hilfe dieser Auswertung können Schäden am Ofen durch den manuell gesteuerten
Eintrag neuer Brammen vermieden werden.
In einem weiteren Projekt wurde die Güte einer Entzunderungsanlage untersucht. Dazu
musste das Entzunderungsergebnis quantifiziert werden. Es wurde eine
Videobildauswertung entwickelt, die Zunderflecken auf der heißen Bramme erkennt und
deren Größe, bzw. Fläche, sowie deren Position auf der Bramme berechnet (siehe Bild
6.16). Durch Analyse dieser Daten kann eine Entzunderung materialspezifisch optimiert
werden.
Bild 6.16: Videobilder heißer Brammen kurz nach der Entzunderung; Oben: Segmentierung
großflächiger Zunderflächen; Unten: Verteilung kleiner Zunderstellen
44 November 2011

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Umform- und Veredelungsanlagen
7. Ausgewählte Forschungsvorhaben
Nr. Projektstichworte BFI
Vertragsnummer und Titel Gesamtprojekt
1 Badspiegelregelung ECSC 7210-PR-335
Extension of Advanced Monitoring and Control Techniques at
Continuous Casting Process
2 Regelung der Bandkantenkühlung
auf dem WB-
Auslaufrollgang
3 Koordinierte Planheitsregelung
für KW-Tandemstraßen
4 Ski-, Säbel- und
Querprofilregelung für
Grobblechwalzwerke
5 Bandlauf- und
Planheitsverbesserung in KW-
Tandemstraßen
6 Regelgütenbestimmung und
Regleroptimierung in Kaltwalzund
Verzinkungsanlagen
7 WB-Planheitssollwerte für
Weiterverarbeitungs-
Anforderungen
8 Automatische Fehlerdiagnose
in Dressierstraßen
9 Integrierte Dicken- und
Planheitsregelung für
Vielrollenwalzwerke
10 Prozessstufenübergreifende
Planheits- und
Zinkschichtdickenoptimierung
11 Edgedrop-Optimierung beim
Kaltwalzen
12 Online-Optimierung der
mechanischen Eigenschaften
beim Glühen
ECSC 7215-PP-076 (FLOPEM)
Hot Strip Flatness Optimisation by Means of Edge Masking in
the Run Out Table Cooling System
ECSC 7210-PR-337 (CEFLA)
Development of New Control Strategies for Enhanced Use of
Automatic Flatness Control in Cold Rolling
RFS-CR-03039 (SHAPEHPM)
Reduction of Shape Defects and Yield Losses by Advanced
Online-Adaptation of Control Systems and New Operating
Strategies in Heavy Plate Rolling Mills
RFS-CR-02018 (STRIPGUIDING)
Improvement of Strip Guiding and Related Effects in Cold
Rolling of High Strength Steel Grades
RFS-CR-03045 (AUTOCHECK)
Enhancement of Product Quality and Production System
Reliablity by Continuous Performance Assessment of
Automation Systems
RFS-PR-03071 (GLOBALSHAPECONTROL)
Flatness set-up in hot strip mills tailored to the demands of
next step processes and final customers
RFS-PR-03072 (SOFTDETECT)
Intelligent Soft-sensor Technology and Automatic Model-based
Diagnosis for Improved Quality, Control and Maintenance of
Mill Production Lines
RFS-PR-03055 (S5)
Optimised Through Process Shape of Stainless Steel Wide
Strip
RFSR-CT-2006-00037 (LINECOP)
Line-coordinated Optimisation of Strip Geometry and Surface
Properties by using Model-based Predictive Technologies
RFSR-CT-2007-00015 (EDGECONTROL)
Minimised Yield Losses by Innovative Integrated Edge-drop,
Width and Shape Control Based on Soft-sensor Technology
and New Actuators in Cold Rolling Mills
RFSR-CT-2007-00024 (ESTEP OPTIMET)
Optimisation of the metallurgical structures and mechanical
properties by improving the heat-treatment processes in flat
and long production lines with new setup and control methods
45 November 2011

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Umform- und Veredelungsanlagen
13 Softsensorik und Regelung von
Thermoprozessketten
14 Intelligente
(selbstüberwachende und
selbstoptimierende) Regelung
in Prozesslinien
15 Energieeinsparung im
Warmwalzprozess
16 Automatische
Performanceüberwachung und
-optimierung
17 Folienwalzen an 20-Rollen-
Gerüsten
BMWi 0327392A/B/C (DYNTHERM)
Senkung von Energieverbrauch und CO2-Ausstoß bei der
Erwärmung, Warmumformung und Wärmebehandlung von
Metallerzeugnissen durch neuartigen Prozess- und
Anlagenverbund mit simulativer Universal-Softsensorik im
Nutzgut und Automatisierung entsprechender betrieblicher
Thermoprozessketten
RFSR-CT-2010-00037 (COGNITIVE CONTROL)
Cognitive Control Systems in Steel Processing Lines for
Minimised Energy Consumption and Higher Product Quality
RFSR-CT-2010-00008 (HrENERGYCONTROL)
Minimising energy loss in hot rolling by intelligent
manufactoring
ZIM KF2231804WD9 (AUTOGALVA)
Selbstüberwachendes Regelsystem mit automatischer
Parameternachtstellung für Bandbeschichtungsanlagen
ZIM KF2231821US0 (DÜNNSTWALZEN)
Entwicklung einer neuen Technologie zum Walzen dünner
Stahlfolien
18 Unterstützung der
Produktionsplanung durch
prozessstufenübergreifende
Verfolgung und Optimierung der
Planheit
RFSR-CT-20011-00040 (TECPLAN)
Technology-based assistance system for production planning
in stainless steel mills
19 Regelung der Planheit und
Materialeigenschaften
20 Automatisches Richten von
Platten
RFSR-CT-20011-00011 (OPTISHAMP)
Optimal control of shape and material properties
ZIM KF2408702WD9 (AutoRichten) Entwicklung einer
teilautomatisierten Biegerichtmaschine für plattenförmige
Blechbauteile, als geregeltes, mechatronisches System
46 November 2011

Automatisierung
Umform- und Veredelungsanlagen
8. Mitarbeiter und Kontaktdaten
Dr. Jan Polzer, Dipl.-Math.
Abteilungsleiter Automatisierungstechnik Umform- und Veredelungsanlagen
Tel.: 0211/6707-241
E-Mail: jan.polzer@bfi.de
Joachim Denker, Dipl.-Ing.
Tel.: 0211/6707-242
Bernd Gröpper, M.Sc.
Tel.: 0211/6707-237
Roger Lathe
Tel.: 0211/6707-204
Detlef Sonnenschein
Tel.: 0211/6707-373
Martina Thormann, Dipl.-Ing.
Tel.: 0211/6707-978
Dr. Andreas Wolff, Dipl.-Ing.
Tel.: 0211/6707-250
Dr. Dirk Zander, Dipl.-Ing.
Tel.: 0211/6707-330
E-Mail: joachim.denker@bfi.de
E-Mail: bernd.groepper@bfi.de
E-Mail: roger.lathe@bfi.de
E-Mail: detlef.sonnenschein@bfi.de
E-Mail: martina.thormann@bfi.de
E-Mail: andreas.wolff@bfi.de
E-Mail: dirk.zander@bfi.de
47 November 2011