IMS Radar Breiten-Messsystem
Bei dem Walzvorgang von Stahl und anderen Metallen ist die Kenntnis und Regelung der Walzgutbreite entscheidend für die Produktqualität und Effizienz des gesamten Walzprozesses: IMS Messsysteme präsentiert marktreifes Radar Breiten-Messsystem für Warmwalz- und Grobblechwalzwerken. Um unter den rauen Umgebungsbedingungen in Warmwalzwerken eine zuverlässige Breitenmessung mit realen Messdaten zu ermöglichen, wurde von der IMS Messsysteme GmbH in Kooperation mit dem Fraunhofer FHR ein radarbasiertes Breiten-Messsystem entwickelt. Bei dem Walzvorgang von Stahl und anderen Metallen ist die Kenntnis und Regelung der Walzgutbreite entscheidend für die Produktqualität und Effizienz des gesamten Walzprozesses. So wird beispielsweise in Warmbandstraßen die Breite des Walzguts weitestgehend am Vorgerüst eingestellt. Die am Vorgerüst unabdingbare Entzunderung führt allerdings zu einem hohen Aufkommen an Dampf und Spritzwasser sowie herabfallendem Zunder, wodurch bedingt optische Messsysteme nur unter hohem mechanischem Aufwand messen und einen intensiven Wartungsaufwand benötigen. Das entwickelte System ist wartungsarm und lässt sich durch seine kompakte Bauform selbst unter beengten Platzverhältnissen, ohne größere bauliche Änderungen in vorhandene Produktionslinien, integrieren. Der Frequenzbereich der Radarsensoren liegt in einem freien Frequenzband und darf dementsprechend ohne Zulassungsaufwand und weiterführende Sicherheitsmaßnahmen betrieben werden. Auch für den Einsatz in Grobblechwalzwerken hat sich die Radar Breiten-Messung bewährt, da durch die beiden separaten, einfach zu platzierenden Radareinheiten eine aufwändige Überkonstruktion entfällt. Die Messung selbst ist unabhängig von der Zusammensetzung des metallischen Messguts sowie dessen Temperatur. Das Radar Breiten-Messsystem bietet auch für weitere Einsatzmöglichkeiten, wie beispielsweise in der Aluminiumindustrie, echte Vorteile.
Bei dem Walzvorgang von Stahl und anderen Metallen ist die Kenntnis und Regelung der Walzgutbreite entscheidend für die Produktqualität und Effizienz des gesamten Walzprozesses: IMS Messsysteme präsentiert marktreifes Radar Breiten-Messsystem für Warmwalz- und Grobblechwalzwerken.
Um unter den rauen Umgebungsbedingungen in Warmwalzwerken eine zuverlässige Breitenmessung mit realen Messdaten zu ermöglichen, wurde von der IMS Messsysteme GmbH in Kooperation
mit dem Fraunhofer FHR ein radarbasiertes Breiten-Messsystem entwickelt.
Bei dem Walzvorgang von Stahl und anderen Metallen ist die Kenntnis und Regelung der Walzgutbreite entscheidend für die Produktqualität und Effizienz des gesamten Walzprozesses. So wird beispielsweise in Warmbandstraßen die Breite des Walzguts weitestgehend am Vorgerüst eingestellt.
Die am Vorgerüst unabdingbare Entzunderung führt allerdings zu einem hohen Aufkommen an Dampf und Spritzwasser sowie herabfallendem Zunder, wodurch bedingt optische Messsysteme nur unter hohem mechanischem Aufwand messen und einen intensiven Wartungsaufwand benötigen.
Das entwickelte System ist wartungsarm und lässt sich durch seine kompakte Bauform selbst unter beengten Platzverhältnissen, ohne größere bauliche Änderungen in vorhandene Produktionslinien, integrieren.
Der Frequenzbereich der Radarsensoren liegt in einem freien Frequenzband und darf dementsprechend ohne Zulassungsaufwand und weiterführende Sicherheitsmaßnahmen betrieben werden.
Auch für den Einsatz in Grobblechwalzwerken hat sich die Radar Breiten-Messung bewährt, da durch die beiden separaten, einfach zu platzierenden Radareinheiten eine aufwändige Überkonstruktion entfällt.
Die Messung selbst ist unabhängig von der Zusammensetzung des metallischen Messguts sowie dessen Temperatur. Das Radar Breiten-Messsystem bietet auch für weitere Einsatzmöglichkeiten, wie beispielsweise in der Aluminiumindustrie, echte Vorteile.
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<strong>Radar</strong><br />
<strong>Breiten</strong>-<strong>Messsystem</strong><br />
<strong>Radar</strong> Online-<strong>Breiten</strong>messung in<br />
Warmwalz- und Grobblechwalzwerken
INHALT<br />
01<br />
Einleitung<br />
02<br />
Aufgabenstellung<br />
02<br />
03<br />
04<br />
Entwicklung eines<br />
<strong>Radar</strong> <strong>Breiten</strong>-<strong>Messsystem</strong>s<br />
4.1 Messprinzip<br />
4.2 Aufbau & Eigenschaften<br />
der <strong>Radar</strong>sensoren<br />
06 - 07<br />
08 - 09<br />
4.3 Aufbau des Gesamtsystems<br />
10 - 11<br />
06<br />
Messergebnisse<br />
6.1 Prüffeldmessungen<br />
6.2 Betriebsmessungen<br />
07<br />
Zusammenfassung<br />
16 - 17<br />
18 - 21<br />
22 - 23<br />
03<br />
Nutzervorteil<br />
05<br />
Produktionstechnische<br />
Ausführung<br />
08<br />
Referenzen<br />
04 - 05<br />
12 - 15<br />
24 - 25
01<br />
02<br />
Einleitung<br />
Aufgabenstellung<br />
Bei dem Walzvorgang von Stahl und anderen<br />
Metallen ist die Kenntnis und Regelung der<br />
Walzgutbreite entscheidend für die Produktqualität<br />
und Effizienz des gesamten Walzprozesses.<br />
Bei einigen der Prozessschritte<br />
können die Umgebungs- und Einbaubedingungen<br />
jedoch den Einsatz herkömmlicher<br />
<strong>Messsystem</strong>e - und damit auch die effektive<br />
Regelung der Breite - erschweren.<br />
So wird beispielsweise in Warmbandstraßen<br />
die Breite des Walzguts weitestgehend am<br />
Vorgerüst eingestellt. Eine Korrektur in den<br />
darauffolgenden Prozessschritten ist kaum<br />
noch möglich. Die am Vorgerüst unabdingbare<br />
Entzunderung führt allerdings zu einem<br />
hohen Aufkommen an Dampf und Spritzwasser<br />
sowie herabfallendem Zunder.<br />
Ein stabiler Einsatz von <strong>Messsystem</strong>en,<br />
die auf optischen Messprinzipien beruhen<br />
oder Komponenten unterhalb des Rollgangs<br />
benötigen, ist demzufolge meistens nur<br />
unter hohem mechanischem Aufwand<br />
möglich und mit einem intensivem Wartungsaufwand<br />
verbunden. Die oft stark begrenzten<br />
Platzverhältnisse in den Produktionslinien<br />
sowie die starken Vibrationen am Walzgerüst<br />
erschweren die Integration geeigneter<br />
Messtechnik zusätzlich.<br />
Die unzureichende Kenntnis der tatsächlichen<br />
Breite des Messguts führt in Walzwerken<br />
dazu, dass Regelungsprozesse<br />
lediglich auf modellbasierten Berechnungen<br />
der Breite beruhen, wodurch deren Effektivität<br />
deutlich verringert wird.<br />
Eine auf realen Messdaten basierende <strong>Breiten</strong>regelung<br />
bietet hingegen die Möglichkeit<br />
für eine Optimierung der <strong>Breiten</strong>performance<br />
und daraus resultierend zu einer Steigerung<br />
der Ressourceneffizienz sowie einer<br />
Stabilisierung des Walzprozesses.<br />
Um unter den rauen Umgebungsbedingungen<br />
in Warmwalzwerken trotzdem eine<br />
zuverlässige <strong>Breiten</strong>messung mit realen<br />
Messdaten zu ermöglichen, wurde von der<br />
<strong>IMS</strong> <strong>Messsystem</strong>e GmbH in Kooperation<br />
mit dem Fraunhofer FHR ein radarbasiertes<br />
<strong>Breiten</strong>-<strong>Messsystem</strong> entwickelt.<br />
<strong>Radar</strong>technik eignet sich in diesem Fall als<br />
Messverfahren besonders gut, da diese<br />
unempfindlich gegen Dampf und Spritzwasser<br />
ist. Einen weiteren Vorteil bietet<br />
die kompakte Bauform der Komponenten,<br />
die selbst bei beengten Platzverhältnissen<br />
ohne größere Umbaumaßnahmen in bestehende<br />
Walzstraßen integriert werden<br />
können.<br />
Das Messprinzip der neu entwickelten<br />
<strong>Radar</strong> <strong>Breiten</strong>-Messung beruht auf dem<br />
Einsatz zweier <strong>Radar</strong>einheiten, welche<br />
auf beiden Seiten des Rollgangs installiert<br />
werden und jeweils den exakten Abstand<br />
zur Messgutkante messen. Aus den beiden<br />
Distanzwerten wird auf Grundlage einer<br />
geeigneten Kalibrierung wiederum die<br />
tatsächliche Breite des Messguts ermittelt.<br />
Zielvorgabe für diese Entwicklung war ein<br />
radarbasiertes Online-<strong>Messsystem</strong>, welches<br />
sich für den herausfordernden Einsatz am<br />
Vorgerüst von Warmwalzwerken eignet und<br />
dort langfristig eine stabile sowie präzise<br />
<strong>Breiten</strong>messung ermöglicht. Ergänzend zu<br />
der mechanischen Auslegung und einer<br />
unkomplizierten Integration des <strong>Messsystem</strong>s<br />
in bestehende Produktionslinien, waren<br />
ferner auch die Optimierung der Sensorik<br />
sowie Datenverarbeitung zur Erreichung<br />
einer hohen Messgenauigkeit von<br />
entscheidender Bedeutung.<br />
02 EINLEITUNG AUFGABENSTELLUNG 03
03<br />
Nutzervorteil<br />
Die inzwischen mehrjährige Erfahrung beim<br />
Einsatz in Warmwalzwerken der Metallindustrie<br />
belegt, dass das <strong>Radar</strong> <strong>Breiten</strong>-<strong>Messsystem</strong><br />
der <strong>IMS</strong> <strong>Messsystem</strong>e GmbH eine zuverlässige<br />
und exakte <strong>Breiten</strong>messung selbst<br />
unter widrigsten Umgebungsbedingungen<br />
gewährleistet.<br />
Die <strong>Radar</strong> <strong>Breiten</strong>messung misst also auch<br />
bei einem hohen Aufkommen von Dampf- und<br />
Spritzwasser stabil und präzise, wie es mehrere,<br />
erfolgreiche Installationen bestätigt haben.<br />
Da die Messung an metallischen Oberflächen<br />
in Reflexion erfolgt, wirkt sich die Temperatur<br />
des Messguts, gleichgültig ob rotglühend<br />
oder erkaltet, nicht auf die Messgenauigkeit aus.<br />
Die beiden kompakten <strong>Radar</strong>einheiten können<br />
selbst bei beengten Platzverhältnissen ohne<br />
größeren Aufwand in bestehende Werke<br />
integriert werden. Da die beiden Messeinheiten<br />
nicht mechanisch miteinander verbunden<br />
werden müssen und somit auch<br />
in größerem Abstand zueinander platziert<br />
werden können, hat sich das System ebenfalls<br />
für den Einsatz in Grobblechwalzwerken<br />
bewährt.<br />
Durch die Installation der beiden <strong>Radar</strong>einheiten<br />
seitlich des Rollgangs wird die Messung<br />
durch die auftretenden Vibrationen am Walzgerüst<br />
und den herabfallenden Zunder<br />
nicht beeinträchtigt. Der Wartungsaufwand<br />
ist entsprechend gering – in den meisten<br />
Fällen ist die Reinigung der Messfenster im<br />
Rahmen der üblichen Wartungsstillstände<br />
ausreichend.<br />
Ein weiterer Vorteil der <strong>Radar</strong>messung ist,<br />
dass aufgrund der geringen Sendeleistung<br />
keine weiterführenden Sicherheitsvorkehrungen<br />
notwendig sind. Die Strahlungsfrequenzen<br />
liegen dabei vollständig im freien<br />
Frequenzband zwischen 57 und 64 GHz,<br />
sodass das System in den meisten Ländern<br />
ohne Zulassungsaufwand sicher eingesetzt<br />
werden kann. Gleichzeitig ermöglicht die<br />
hohe Bandbreite von 7 GHz eine hohe Auflösung<br />
und eine <strong>Breiten</strong>messgenauigkeit<br />
von < 1 mm.<br />
04 NUTZERVORTEIL NUTZERVORTEIL 05
04<br />
Entwicklung eines<br />
<strong>Radar</strong> <strong>Breiten</strong>-<strong>Messsystem</strong>s<br />
4.1. Messprinzip<br />
<strong>Radar</strong>sensoren erzeugen elektromagnetische<br />
Wellen, die von einer Antenne ausgesendet<br />
werden. Bei der <strong>Radar</strong> <strong>Breiten</strong>-Messung<br />
werden diese Wellen in Richtung des Rollgangs<br />
gebündelt und treffen auf die Messgutkante.<br />
Von dort werden sie reflektiert<br />
und von zwei Empfangsantennen derselben<br />
Systemeinheit empfangen. Anhand der<br />
zurückgelegten Distanz ist das empfangene<br />
Signal gegenüber dem gesendeten zeitlich<br />
verzögert.<br />
Die hier verwendeten <strong>Radar</strong>sensoren senden<br />
Signale aus, die linear in der Zeit moduliert<br />
sind (FMCW-<strong>Radar</strong>), wodurch die Zeitverzögerung<br />
durch Analyse der Differenzfrequenz<br />
zwischen dem gesendeten und dem empfangenen<br />
Signal exakt bestimmt werden<br />
kann.<br />
Da sich die Wellen mit Lichtgeschwindigkeit<br />
fortbewegen, lässt sich daraus, in Korrelation<br />
mit der Zeitverzögerung, die Entfernung zur<br />
Messgutkante präzise berechnen. Ergänzend<br />
erhöht der zusätzliche Einsatz eines Signalverarbeitungsalgorithmus<br />
die Genauigkeit<br />
der Abstandsmessung.<br />
Für die <strong>Breiten</strong>bestimmung werden zwei<br />
sich gegenüberliegende <strong>Radar</strong>einheiten an<br />
den beiden Seiten des Rollgangs installiert<br />
(Abbildung 1). Jede Einheit misst den Abstand<br />
zur jeweiligen Messgutkante. Nach<br />
Kalibrierung des Messbereiches kann aus<br />
den beiden, unabhängig voneinander<br />
ermittelten Abstandswerten, die exakte<br />
Breite des durchlaufenden Messguts ermittelt<br />
werden.<br />
Abbildung 1: Schematische<br />
Darstellung des Messprinzips<br />
06 ENTWICKLUNG EINES RADAR BREITEN-MESSSYSTEMS ENTWICKLUNG EINES RADAR BREITEN-MESSSYSTEMS 07
04<br />
gemessen<br />
simuliert<br />
Entwicklung eines<br />
<strong>Radar</strong> <strong>Breiten</strong>-<strong>Messsystem</strong>s<br />
Amplitude (dBm)<br />
Abbildung 3: Abstrahlcharakteristik<br />
der Antennen<br />
4.2. Aufbau & Eigenschaften<br />
der <strong>Radar</strong>sensoren<br />
Winkel (Grad)<br />
Der Aufbau der eingesetzten <strong>Radar</strong>sensoren<br />
des <strong>Breiten</strong>-<strong>Messsystem</strong>s ist in Abbildung<br />
2 dargestellt. Die Erzeugung der <strong>Radar</strong>wellen<br />
sowie die Bestimmung der Distanz<br />
erfolgt in der Elektronik des jeweiligen<br />
<strong>Radar</strong>sensors, die in ein Schutzgehäuse<br />
(Schutzklasse IP67) integriert ist. Auf der<br />
Rückseite des Gehäuses befinden sich die<br />
Anschlüsse für die Spannungsversorgung<br />
(24 V) und die Datenübertragung.<br />
An der Vorderseite des Gehäuses sind drei<br />
Antennen aus Teflon befestigt. Die Antenne<br />
in der Mitte strahlt die <strong>Radar</strong>wellen nach<br />
außen in Richtung Messgutkante ab und<br />
bündelt diese wie eine Linse. Die von der<br />
Bandkante reflektierten Wellen werden<br />
wiederum von den baugleichen Antennen<br />
ober- und unterhalb der Sendeantenne<br />
empfangen. Durch die getrennte Anordnung<br />
von Sende- und Empfangsantenne wird<br />
der nutzbare Dynamikbereich des Systems<br />
erhöht. Des Weiteren ermöglicht die Verwen-<br />
dung von zwei Empfangsantennen die<br />
Messung von zwei Abstandswerten in unter-<br />
schiedlicher Höhe, was bei großer Dicken-<br />
variation des Messguts (z.B. bei Grobblech)<br />
von Vorteil ist.<br />
Abbildung 2: <strong>Radar</strong>sensor<br />
mit drei Teflon-Antennen<br />
Ergänzend wird auf diese Weise eine<br />
Messung mit geringem Winkelfehler auch<br />
bei vertikalem Bandschwärmen oder einem<br />
Ski ermöglicht.<br />
Die Abstrahlcharakteristik der <strong>Radar</strong>antennen<br />
ist in Abbildung 3 dargestellt.<br />
Der Großteil der Leistung wird innerhalb<br />
des sogenannten <strong>Radar</strong>-Beams abgestrahlt<br />
bzw. empfangen, der hier einen Öffnungswinkel<br />
1 von ca. 4° hat. Der <strong>Radar</strong>beam ist<br />
rotationssymmetrisch und verfügt über ein<br />
gaußförmiges Strahlungsprofil.<br />
Die Größe des Beams auf der Bandkante<br />
hängt dabei, den Gesetzen der Geometrie<br />
folgend, vom Öffnungswinkel und dem Abstand<br />
zum Messgut ab.<br />
Das Messsignal wird auf diese Weise über<br />
einen gewissen Bereich gemittelt, wodurch<br />
es weniger empfindlich für leichte Unebenheiten<br />
oder Kantenrisse ist.<br />
Wie bereits erwähnt, wird die Frequenz der<br />
abgestrahlten Wellen zwischen 57 GHz und<br />
64 GHz linear moduliert. Die Strahlungsleistung<br />
liegt dabei unterhalb von 10 mW,<br />
sodass keine weiterführenden Sicherheitsmaßnahmen<br />
2 für den laufenden Betrieb<br />
erforderlich sind.<br />
1 Abfall der Leistung um 3 dB bei ca. ± 2 °<br />
2 Personen mit aktiven Implantaten sollten sich jedoch<br />
nicht unmittelbar vor den Antennen aufhalten.<br />
08 ENTWICKLUNG EINES RADAR BREITEN-MESSSYSTEMS ENTWICKLUNG EINES RADAR BREITEN-MESSSYSTEMS 09
04<br />
Entwicklung eines<br />
<strong>Radar</strong> <strong>Breiten</strong>-<strong>Messsystem</strong>s<br />
4.3. Aufbau des Gesamtsystems<br />
Die von den <strong>Radar</strong>sensoren bestimmten<br />
Distanzwerte werden mit einer Datenrate<br />
> 1 kHz über eine UDP-Verbindung an<br />
einen Industrierechner gesendet, in dem<br />
durch Anwendung der gespeicherten<br />
Kalibrierdaten die Breite des Messguts<br />
berechnet wird. Die <strong>Breiten</strong>werte werden<br />
auf diese Weise mit einer Datenrate von<br />
1 kHz bestimmt und über eine geeignete<br />
Schnittstelle an den Kunden weitergeleitet.<br />
Die Art der Datenübertragung wird dabei<br />
stets individuell auf die Kundenanforderung<br />
abgestimmt.<br />
Des Weiteren dient der Industrierechner der<br />
Steuerung des Gesamtsystems sowie der<br />
Visualisierung und Speicherung der Messdaten.<br />
In der Visualisierung werden zusätzlich<br />
zu den Distanz- und <strong>Breiten</strong>messwerten<br />
auch die Zeit- und Frequenzspektren<br />
dargestellt, wodurch geeignete Parameter<br />
und Schwellwerte eingestellt werden können,<br />
um Störsignale (z.B. von anderen Reflexionen<br />
im Rollgang) auszublenden und die Messphase<br />
zu steuern.<br />
Die Steuerung der Kalibriereinheit sowie<br />
die Aufnahme der Kalibrierparameter erfolgt<br />
mit Hilfe der Visualisierung ebenfalls<br />
über diesen Rechner. Hierfür wird durch<br />
die Lineareinheit ein Kalibrierkörper verfahren<br />
und die von den <strong>Radar</strong>sensoren gemessenen<br />
Distanzen an jeder Position des<br />
Körpers aufgenommen. Aus diesen ermittelten<br />
Daten werden die Kalibrierparameter<br />
bestimmt anhand derer wiederum die<br />
Distanzgenauigkeiten optimiert und die<br />
Distanzwerte für die <strong>Breiten</strong>bestimmung<br />
zueinander in Bezug gesetzt werden.<br />
Eine Kalibrierung erfolgt sowohl im<br />
Prüffeld der <strong>IMS</strong> <strong>Messsystem</strong>e GmbH<br />
vor Auslieferung des Systems als auch<br />
bei der Inbetriebnahme im Werk selbst.<br />
Eine neuerliche Kalibrierung ist üblicherweise<br />
nur bei Änderungen am System wie z.B.<br />
Neuausrichtung, Austausch der Komponenten<br />
oder Änderung des Messbereiches<br />
erforderlich.<br />
10 ENTWICKLUNG EINES RADAR BREITEN-MESSSYSTEMS ENTWICKLUNG EINES RADAR BREITEN-MESSSYSTEMS 11
05<br />
Produktionstechnische<br />
Ausführung<br />
Für seinen Einsatz im Walzwerk wird jeder<br />
einzelne der <strong>Radar</strong>sensoren zum Schutz<br />
vor den dort herrschenden, rauen Umgebungsbedingungen<br />
in ein kompaktes Metallgehäuse<br />
integriert, welches mit einem Messfenster<br />
aus Teflon versehen ist (Abbildung 4).<br />
Das Gehäuse kann bei Bedarf und zum<br />
Schutz gegen die hohen Umgebungstemperaturen<br />
am Vorwalzgerüst, doppelwandig<br />
ausgeführt und mit Wasser gekühlt<br />
werden. Je nach Einbausituation werden<br />
die Gehäuse auf dafür geeignete Ständer<br />
montiert, um die ideale Höhe der <strong>Radar</strong>sensoren<br />
zu dem Messgut einstellen und<br />
garantieren zu können.<br />
Produktdaten<br />
Banddicke:<br />
Abstand Antennen<br />
zur Messgutkante:<br />
≥ 5 mm<br />
750 mm – 3.000 mm<br />
Leistungsdaten<br />
<strong>Breiten</strong>genauigkeit (2σ):<br />
Messrate:<br />
≤ ± 1,0 mm<br />
1 kHz<br />
Abbildung 4: Schutzhaube mit Teflonfenster<br />
12 PRODUKTIONSTECHNISCHE AUSFÜHRUNG PRODUKTIONSTECHNISCHE AUSFÜHRUNG 13
Für die Feinjustierung der Höhe, der Antennenausrichtung<br />
sowie zum Ausgleich von<br />
eventuellen Unebenheiten, sind die Sensoren<br />
selbst an einer eigens konzipierten Halterung<br />
mit entsprechenden Einstellmöglichkeiten<br />
befestigt. Als Ausrichthilfe dient ebenfalls<br />
die mitgelieferte Kalibriereinheit, welche<br />
dazu im Messbereich am Rollgang fixiert<br />
wird und eine Ausrichtung der Sensoren<br />
zueinander sowie zum Rollgang ermöglicht.<br />
Zur Sicherstellung der optimalen Messperformance<br />
ist im Standardlieferumfang die<br />
Kalibriereinheit üblicherweise mit einer<br />
Lineareinheit und einem Motor ausgestattet,<br />
sodass der Kalibrierkörper im Messbereich<br />
automatisiert verfahren werden kann<br />
(Abbildung 5). Prinzipiell ist aber auch eine<br />
vereinfachte Kalibrierung ohne Verfahr-<br />
Vorrichtung möglich.<br />
Vorrausetzungen für die erfolgreiche<br />
Integration und optimale Performance<br />
des <strong>Radar</strong> <strong>Breiten</strong>-<strong>Messsystem</strong>s ist ein<br />
ausreichend großer, uneingeschränkter<br />
Sichtbereich auf beiden Seiten des Rollgangs,<br />
durch welchen die <strong>Radar</strong>wellen die<br />
jeweilige Messgutkante erreichen können.<br />
Je nach Einbausituation müssen hierfür<br />
bauseits ggf. geeignete Messöffnungen<br />
an den Seiten des Rollgangs (z.B. bei vorhandenen<br />
Schutzwänden oder Seitenführungen)<br />
vorgesehen werden. Die optimale<br />
Größe dieser Messöffnung hängt dabei von<br />
den Sensorabständen ab, die angepasst an<br />
die spezifischen Gegebenheiten im Werk<br />
festgelegt werden.<br />
Wie oben beschrieben, messen die in<br />
diesem <strong>Breiten</strong>-<strong>Messsystem</strong> eingesetzten<br />
<strong>Radar</strong>sensoren selbst bei einem hohen<br />
Aufkommen von Dampf und Spritzwasser<br />
stabil und präzise. Ein geschlossener<br />
Wasserfilm hingegen kann von den <strong>Radar</strong>wellen<br />
nicht durchdrungen werden. Fließwasser<br />
an den Bandkanten oder ein starker<br />
Wasserstrahl im Messbereich sollten daher<br />
vermieden oder z.B. durch eine Abblasung<br />
beseitigt werden.<br />
Abbildung 5: <strong>Radar</strong>sensor mit Verstelleinheit<br />
14 PRODUKTIONSTECHNISCHE AUSFÜHRUNG<br />
PRODUKTIONSTECHNISCHE AUSFÜHRUNG<br />
15
06<br />
Messergebnisse<br />
6.1. Prüffeldmessungen<br />
Um die Performance der <strong>Radar</strong> <strong>Breiten</strong>messung<br />
während der Entwicklungsphase<br />
testen zu können, wurde im Prüffeld der<br />
<strong>IMS</strong> <strong>Messsystem</strong>e GmbH ein eigens<br />
eingerichteter Prüfstand installiert. Dieser<br />
besteht aus einer Ablagevorrichtung mit<br />
einer Lineareinheit, welche durch einen<br />
Schrittmotor angetrieben wird. Die beiden<br />
<strong>Radar</strong>einheiten sind jeweils an den Enden<br />
der Ablage aufgestellt, auf der sich Prüfund<br />
Kalibrierkörper entlang der Achse<br />
zwischen den beiden <strong>Radar</strong>sensoren verfahren<br />
lassen. Drei zertifizierte Prüfkörper<br />
mit ebenen Kanten, einer Dicke von jeweils<br />
50 mm und <strong>Breiten</strong> von 800 mm, 1.300 mm<br />
sowie 1.800 mm dienen der Überprüfung<br />
der Messgenauigkeit und decken typische<br />
<strong>Breiten</strong>werte in Warmbandstraßen ab.<br />
Für die unten abgebildeten Testmessungen<br />
wurden die beschriebenen Prüfkörper mittig<br />
zwischen den <strong>Radar</strong>einheiten ausgerichtet,<br />
welche in einem Abstand von ca. 6 m<br />
gegenüberstehend platziert wurden.<br />
Die <strong>Radar</strong>keulen wurden beidseitig im<br />
rechten Winkel zum Prüfkörper und die<br />
Höhe des Messflecks auf die Mitte der<br />
Prüfkörperkante ausgerichtet, um Winkelfehler<br />
zu vermeiden. Die Prüfkörper wurden<br />
schrittweise 3 jeweils um ± 200 mm aus der<br />
Mitte verfahren, um das im Werk typische<br />
horizontale Bandschwärmen nachzustellen.<br />
Breite: 800 mm<br />
Breite: 1300 mm<br />
Breite: 1800 mm<br />
Mittenverschiebung (mm)<br />
Abbildung 6: Messergebnisse mit zertifizierten Prüfkörpern<br />
Abbildung 6 stellt die Abweichungen Verfahrbereich liegt die <strong>Breiten</strong>abweichung<br />
zwischen gemessenem und zertifiziertem bei unter ± 0,5 mm. Die geringe Standard-<br />
<strong>Breiten</strong>wert für alle drei Prüfkörper, jeweils abweichung (Fehlerbalken) zeigt die hohe<br />
über drei Messwiederholungen gemittelt, Reproduzierbarkeit der Messung.<br />
dar. Für alle <strong>Breiten</strong> und über den gesamten<br />
16 MESSERGEBNISSE<br />
MESSERGEBNISSE<br />
17
06<br />
Messergebnisse<br />
6.2. Betriebsmessungen<br />
Die nachfolgend dargestellten Messergebnisse<br />
wurden in der Warmbandstraße der<br />
Salzgitter Flachstahl GmbH gewonnen.<br />
Dort wurde zunächst mit einem ersten<br />
Prototyp am Auslauf des Vorgerüsts die<br />
Messperformance durch den konkreten<br />
Vergleich mit einer optischen <strong>Breiten</strong>messung<br />
geprüft, wobei die gewünschte<br />
Genauigkeit von ca. 1 mm sowie eine hohe<br />
Stabilität erreicht werden konnten [1].<br />
Anschließend wurde das <strong>Radar</strong> <strong>Breiten</strong>-<br />
<strong>Messsystem</strong> an seinen finalen Standort am<br />
Einlauf des Vorgerüsts versetzt und ist in<br />
dieser Konstellation seit 2017 erfolgreich im<br />
Einsatz (Abbildung 7). Die <strong>Radar</strong>einheiten<br />
sind in diesem konkreten Anwendungsfall<br />
in einem Abstand von ~ 5 m an den Seiten<br />
des Rollgangs aufgestellt und messen die<br />
bis zu etwa 2 m breiten Bänder.<br />
An beiden Seitenführungen, welche die<br />
Bänder gerade ausrichten und auf dem<br />
Rollgang zentrieren, befindet sich jeweils<br />
eine Öffnung, durch welche die <strong>Radar</strong>keulen<br />
herausragen und auf die Messgutkanten<br />
treffen. Das bei ausgeschalteter<br />
Entzunderung von der Bandoberfläche<br />
herabfallende Fließwasser wird an beiden<br />
Messfenstern mit je einer Luftdüse abgeblasen.<br />
Für einige Bänder, die im letzten Durchlauf<br />
durch das Vorgerüst nicht mehr bearbeitet<br />
wurden, konnte für das finalisierte <strong>Radar</strong><br />
<strong>Breiten</strong>-<strong>Messsystem</strong> ein konkreter Vergleich<br />
mit einer optischen Messung erfolgen.<br />
Abbildung 8 zeigt beispielhaft das <strong>Breiten</strong>profil<br />
eines solchen Bandes, gemessen mit<br />
dem <strong>Radar</strong> <strong>Breiten</strong>-<strong>Messsystem</strong> in direktem<br />
Vergleich mit einem optischen System.<br />
Die leichten Verschiebungen in der Längenskala<br />
resultieren dabei aus Ungenauigkeiten<br />
bei der Messung der Bandgeschwindigkeit.<br />
Die eigentlichen <strong>Breiten</strong>profile beider Messverfahren<br />
und ihre Merkmale stimmen also<br />
nahezu überein.<br />
Messöffnung<br />
<strong>Radar</strong><br />
Abbildung 7: <strong>Radar</strong>breitenmessung am Einlauf des<br />
Vorgerüsts bei der Salzgitter-Flachstahl GmbH.<br />
18 MESSERGEBNISSE<br />
MESSERGEBNISSE<br />
19
Auf der Abbildung 8, in der unteren Darstellung,<br />
sehen Sie die Ergebnisse eines Tests,<br />
bei dem aus einem abgekühlten Vorband<br />
ein ca. 7 m langes Stück herausgeschnitten,<br />
auf den Rollgang gelegt und mehrfach durch<br />
die <strong>Radar</strong>messung verfahren wurde [2].<br />
Die Messergebnisse sind im Vergleich zu<br />
den Ergebnissen einer manuell durchgeführten<br />
Schieblehrenmessung des Teststücks<br />
dargestellt. Auch hier zeigt sich eine sehr<br />
gute Übereinstimmung zwischen der<br />
<strong>Radar</strong>messung und der manuellen Referenzmessung<br />
sowie zwischen den einzelnen<br />
Messwiederholungen. Umfangreiche Langzeit-Analysen<br />
[3] belegten ferner, dass die<br />
<strong>Radar</strong>breitenmessung bei der Salzgitter<br />
Flachstahl GmbH eine Verfügbarkeit von<br />
mehr als 99 % aufweist und sich gut für<br />
Maßnahmen zur Verbesserung der <strong>Breiten</strong>performance<br />
eignet. So konnte mit Hilfe<br />
der <strong>Radar</strong>messung durch homogenere<br />
Eingangsbedingungen insgesamt ein<br />
stabilerer Walzprozess in der Fertigstraße<br />
erreicht werden.<br />
Breite (m)<br />
<strong>Radar</strong>messung<br />
Optische Messung<br />
Länge (m)<br />
Breite (m)<br />
Länge (m)<br />
Abbildung 8: Oben: Vergleich der <strong>Radar</strong>messung am Vorgerüst mit der optischen Messung,<br />
unten: Vergleich der <strong>Radar</strong>messung mit einer Handmessung (rote Punkte)<br />
20 MESSERGEBNISSE<br />
MESSERGEBNISSE<br />
21
07<br />
Zusammenfassung<br />
Mit der Entwicklung des hier vorgestellten<br />
<strong>Radar</strong> <strong>Breiten</strong>-<strong>Messsystem</strong>s konnte eine<br />
stabile und präzise <strong>Breiten</strong>messung auch<br />
unter den widrigen Umgebungsbedingungen,<br />
welche am Vorgerüst in Warmbandstraßen<br />
herrschen, erzielt werden.<br />
Die Messung selbst ist unabhängig von der<br />
Zusammensetzung des metallischen Messguts<br />
sowie dessen Temperatur. Das <strong>Radar</strong><br />
<strong>Breiten</strong>-<strong>Messsystem</strong> bietet auch für weitere<br />
Einsatzmöglichkeiten, wie beispielsweise in<br />
der Aluminiumindustrie, echte Vorteile.<br />
Das von der <strong>IMS</strong> <strong>Messsystem</strong>e GmbH in<br />
Kooperation mit dem Fraunhofer FHR entwickelte<br />
System ist wartungsarm und lässt<br />
sich durch seine kompakte Bauform selbst<br />
unter beengten Platzverhältnissen, ohne<br />
größere bauliche Änderungen in vorhandene<br />
Produktionslinien, integrieren.<br />
Der Frequenzbereich der <strong>Radar</strong>sensoren<br />
liegt in einem freien Frequenzband und darf<br />
dementsprechend ohne Zulassungsaufwand<br />
und weiterführende Sicherheitsmaßnahmen<br />
betrieben werden.<br />
Die hohe Langzeitstabilität und Verfügbarkeit<br />
des <strong>Radar</strong> <strong>Breiten</strong>-<strong>Messsystem</strong>s<br />
konnten im Echtbetrieb bei der Salzgitter<br />
Flachstahl GmbH unter Beweis gestellt<br />
werden. Zusammenfassend ist von<br />
Kundenseite bestätigt, dass das System<br />
sich zur Verbesserung der <strong>Breiten</strong>performance<br />
eignet und zu einem stabileren<br />
Walzprozess beiträgt.<br />
Auch für den Einsatz in Grobblechwalzwerken<br />
hat sich die <strong>Radar</strong> <strong>Breiten</strong>-Messung bewährt,<br />
da durch die beiden separaten, einfach zu<br />
platzierenden <strong>Radar</strong>einheiten eine aufwändige<br />
Überkonstruktion entfällt.<br />
22 ZUSAMMENFASSUNG ZUSAMMENFASSUNG 23
08<br />
Referenzen<br />
[1] Fischer, B., Krauthäuser, H., Krebs, C., Gütgemann, S., Nüßler, D., Pohl, N., & Antoine, C. P.:<br />
<strong>Radar</strong> width measurement system for hot rolling mills. In 10th International Rolling<br />
Conference and the 7th European Rolling Conference, (2016).<br />
[2] Fischer, B.; Krauthäuser, H.; Krebs, C.; Gütgemann, S., and Antoine, C. P.:<br />
<strong>Radar</strong> Solutions for Harsh Environmental Conditions; BHM Berg- und Hüttenmännische<br />
Monatshefte, 163 (2018), P. 84–89.<br />
[3] Haschke, T.; Huge, Th.; Lipowski, M.; Mengel, Ch.; Fischer, B.; Krauthäuser, H.:<br />
Increased width performance due to use of a radar width measurement in the roughing mill;<br />
ESTAD proceedings. ESTAD 6th, (2023).<br />
24 REFERENZEN REFERENZEN 25
<strong>IMS</strong> <strong>Messsystem</strong>e GmbH<br />
Dieselstraße 55<br />
42579 Heiligenhaus<br />
Telefon: +49 (0) 2056 / 975 – 0<br />
Fax: +49 (0) 2056 / 975 – 140<br />
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