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Entwicklung eines konfigurierbaren Onlineführungssystems für Industrieöfen



ZIM LogoIm Rahmen des Basisprogramms „Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM)“ des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) entwickelt die celano GmbH:

 

Ein konfigurierbares Onlineführungssystem für Industrieöfen auf Basis einer optimierten Sollwertbestimmung durch Betrachtung des gesamten Wärmguts und Integration einer Simulationsebene zur Analyse und Optimierung der Regelung.

 

"Gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages".
In
Industrieöfen wird das eingesetzte Material (Wärmgut) erhitzt, um es weiter verarbeiten zu können und die gewünschten Werkstoffeigenschaften einzustellen. Dies erfolgt z. B. in der Keramikindustrie (Ziegel beim Trocknungsvorgang), in der Aluminiumindustrie oder in der Metallindustrie beim Wiedererwärmen (Glühen). Je nach Anforderung sind unterschiedliche Temperaturgradienten, max. Kantentemperaturen, Aufheiz-, Halte- und Abkühltemperaturen zu berücksichtigen. Das Wärmgut unterscheidet sich dabei je nach Ofentyp und Prozess in den Abmessungen, der geometrischen Form und der Qualität. Es kann in Contianlagen, wie z.B. in Bandanlagen (vertikal oder horizontal), in Drehherdöfen, Hubbalkenöfen oder in Trocknern während der Erwärmung zusammen mit anderem Wärmgut durch den Ofen transportiert werden (auf Schienen, in Wagen, auf Rollen oder schwebend) oder wie bei Batchprozessen (Haubenanlage, Hubherdöfen) während der Erwärmung an einer Position verharren.

Die Wärmguttemperatur (Kern und Kanten) kann während des Prozesses nicht mit vertretbarem Aufwand gemessen werden, aber durch ein mathematisches Modell berechnet werden.Ist eine signifikante Energie-einsparung, eine Optimierung der Prozessführung (Verringerung der Stillstandphasen) oder eine Qualitätsver-besserung beim Wärmgut möglich, erfolgt der Einsatz von Onlineführungssystemen mit mathematischen Modellen.

Die Gesamtaufgabenstellung solcher Onlineführungssysteme läßt sich in drei Teilbereiche aufteilen: „Bestimmung der Materialtemperatur, Sollwertgenerator und Regelung“. Der Stand der Technik ist es, diese Aufgaben mit Hilfe vereinfachender Ansätze zu lösen. Diese Vereinfachungen in der Modellierung führen dazu, dass es zu ungenauen Ergebnissen kommt und der Aufwand zur Bestimmung der empirischen Korrekturfaktoren steigt.

So führen zwei oft verwendete Verfahren zur Sollwertbestimmung (Hinterlegung fester Sollwertkurven zum einem und Bestimmung von Sollwerten aufgrund von kritischem Material in einer oder mehreren Zonen des Ofens zum anderen) unter bestimmten Rahmenbedingungen zur Verschlechterung der Ausbringungsqualität und der Energieeffizienz.

Die celano GmbH stellte im Rahmen einer Konzeptstudie auf der Steelsim 2007 in Graz bereits ein zweistufiges Verfahren zur verbesserten Sollwertbestimmung vor. Das Ziel ist die Prognose und Optimierung des gesamten Ofeninhaltes.

Die Verbesserung wird für die Teilaufgaben 2 und 3 (Sollwertbestimmung und Regelung) des mathematischen Modells entwickelt. Zur Lösung der Teilaufgabe 1 (Bestimmung der Materialtemperatur) verfügt die celano GmbH über technisches, softwarebasiertes „Know-How“. Mit Hilfe einer modular aufgebauten Softwarebibliothek wird die Temperaturverteilung im Material durch Lösen der Fourierschen Wärmeleitungsgleichung 1, 2 oder auch 3-dimensional berechnet. Die zur Lösung der Differentialgleichung erforderlichen Randbedingungen werden über Energiebilanzen ermittelt. Diese Vorgehensweise bildet die Physik hinreichend genau ab und gehört aktuell zu den technologisch anspruchsvollsten Lösungen auf dem Markt.

Im Rahmen des ZIM geförderten Forschungsprojektes sollen die Teilaufgaben 2 und 3 (Sollwertbestimmung und Regelung) durch konsequente Weiterentwicklung des auf der Steelsim 2007 vorgestellten Ansatzes gelöst werden. Die Kombination der drei Technologiegebiete Softwaretechnik, Optimierungstechnik und Regelungstechnik ist dabei unumgänglich. Im Mittelpunkt der Betrachtung steht dabei für alle drei Gebiete die rechenzeitoptimale Ausarbeitung und Auslegung der Algorithmen.

Die Markteinführung und Präsentation der Ergebnisse wird auf der Thermprozesstechnik 2011 in Düsseldorf stattfinden.

Die celano GmbH entwickelt und integriert auf der Basis eigener Softwareprodukte technische Lösungen im Produktionsprozess. Das Leistungsspektrum umfasst den Entwurf, die Realisierung und die Inbetriebnahme von kundenspezifischen Softwaresystemen für Produktionsbetriebe, sowie die Auswahl und Installation der benötigten Hardware.

Das Grundgerüst unserer Lösungen stellt die celCAP -Architektur (celano Common Application Platform) dar. Diese stellt unabhängig von der jeweiligen Aufgabe (Leitsysteme, Modell, Lagerverwaltungssystem, Materialverfolgung) und Branche (Metall, Umwelttechnik etc.) die gemeinsame Plattform zur Verfügung und deckt die softwaretechnischen Grundaufgaben wie Datenakquisition, Abspeicherung, Kommunikation, Visualisierung, Störmeldeverarbeitung und die Erstellung von Berichten ab.