Zusammenfassung: Dieser Artikel beschreibt die Anwendung des ProcessLogix ServerDCS von Rockwell Automation im Steuerungsprozess eines Hochgeschwindigkeits-Walzwalzofens mit Hubbalken. Er erläutert die Systemstruktur, das Regelungsschema der Hauptregelkreise, die Systemanwendungssoftware und die Betriebsergebnisse. Schlüsselwörter: AB DCS & Steuerungssystem, SPS, Echtzeitdatenbank, Industrie-Ethernet, Industrie-PC, Fuzzy-Regelung , PID-Regelung. I. Einleitung: Der Hochgeschwindigkeits-Walzwalzofen von Angang ist ein Hochleistungs-Walzwalzofen mit Hubbalken und effektiven Abmessungen von 20.700 × 12.700 mm. Nennheizleistung: 120 t/h, maximale Heizleistung: 140 t/h. Knüppelspezifikationen: Einreihige Zuführung: 150 × 150 × 12.000 mm; Zweireihige Zuführung: 150 × 150 × 5.800 mm; Knüppel mit Sonderlängen: 9.000–12.000 mm; maximales Knüppelgewicht: 2.190 kg. Verbrennungsmedium: Hochtemperatur-Koksofen-Mischgas mit einem niedrigen Heizwert von 7536 ± 210 kJ/m³. Der maximale Volumenstrom beträgt 24812 m³/h. Die thermische Regelung erfolgt über das ProcessLogix DCS-System von Rockwell Automation. Die Beschickungsbewegung und der Beschickungsein-/auslass des Hubbalkenofens werden von einer Siemens-SPS gesteuert. Hochgeschwindigkeits-Diskrete-Steuerung, Prozesssteuerung und Sicherheitssteuerung sind in einer einzigen Logix-Steuerungsplattform integriert. Fortschrittliche Steuerungstechnik gewährleistet eine Temperaturgenauigkeit des Ofens von ± 5 °C; eine Temperaturerhöhung oder -senkung von 50 °C dauert nur 12 Minuten. Die programmierte Software zur automatischen Optimierung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ersetzt die Funktionen des Heizwert- und Sauerstoffanalysators und erzielt so optimierte Brennstoff- und Luftdurchsatzverhältnisse für eine optimale Verbrennung. II. Systemhardware: Der Hochgeschwindigkeits-Drahtstabofen nutzt das ProcessLogix DCS-Steuerungssystem von Rockwell Automation (Programmiersoftware: ControlBuilder und DisplayBuilder). Dieses System besteht aus drei Komponenten: einer Bedienerstation, einem Server und einer Steuerstation. Der Aufbau ist in Abbildung 1 dargestellt: 2.1 Server: Zur effizienten Nutzung der Prozessparameter ist dieses System mit einem DELL-Server auf der Windows NT-Plattform ausgestattet. Mit dem konfigurierten ProcessLogix Server verfügt der Server über eine Echtzeitdatenbank und umfassende Funktionsmodule. Benutzer können mit ControlBuilder benutzerdefinierte Steuerungsprogramme konfigurieren und optimieren sowie mit DisplayBuilder HMIs erstellen. Zudem können Benutzer problemlos eigene Funktionsmodule in C entwickeln. Der Server übernimmt auch den Berichtsdruck. Bei besonderen Anforderungen an der Bedienerstation muss der Server deren Funktionen übernehmen. Der Server erfasst Daten von der Steuerung und sendet Befehle über CONTROLNET an diese. Daten werden über Ethernet an die Bedienerstation übertragen und von ihr empfangen. 2.2 Bedienerstation: Die Bedienerstation besteht aus einem Advantech-Industrie-PC und der Software STATION auf Basis der Windows NT-Systemplattform. Über eine umfassende Mensch-Maschine-Schnittstelle mit Übersichtsdiagrammen, Steuerungsdiagrammen, Alarmdiagrammen, Prozessstatusdiagrammen und Prozessverlaufsdiagrammen können Bediener Prozessparameter und -zustände einstellen und anzeigen sowie Fehleralarmdetails einsehen. Die gesamte Bedienoberfläche ist als Assistent gestaltet und erleichtert so die Bedienung erheblich. 2.3 Steuerstation: Die Steuerstation nutzt ein PLX-System zur Temperaturregelung und Prozessparameterüberwachung des Heizofens. Das System verwendet einen Rockwell 1757PL*52A-Prozessor mit 8 MB RAM. Hochgeschwindigkeits-Backplane und Netzwerk sind integriert, die E/A-Module sind im laufenden Betrieb austauschbar und frei konfigurierbar. Die Steuerstation besteht aus einem Hauptrack und zwei Erweiterungsracks und verarbeitet sechs Temperatursegmente, über 60 analoge Signalerfassungspunkte sowie mehr als 20 digitale Ein- und Ausgänge für den gesamten Heizofen. Die Systemmodule sind wie folgt: vier 756OF6CI/A-Module, neun 1756IB16D/A-Module, zwei 1756OW16I-Module, vier 1756IF6I/A-Module, fünf 1756IR6I/A-Module und vier 1756IT6I/A-Module. Zur Erhöhung der Systemzuverlässigkeit sind alle AI-, DI- und DO-Module vom Feld isoliert. Das AI-Modul verwendet ein doppelt isoliertes Modul mit Kanaltrennung. Die Programmierung folgt definierten Steuerungsregeln, und die geeigneten Module werden anhand der Betriebsbedingungen des Heizofens ausgewählt. Die Feldsignalabtastung, die Fuzzy-Regelkreise für Gasdurchfluss, Luftdurchfluss und Temperatur sind in Unterprogrammen programmiert, modularisiert und werden im Hauptprogramm aufgerufen, um das Debugging und die Konfiguration der Steuerungsfunktionen zu vereinfachen. 2.4 CONTROLNET-Netzwerk und Feldinstrumente: Dieses Netzwerk ist ein passiver, leistungsstarker Multi-Element-Bus mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von 5 Mbit/s. Die Datenübertragung erfolgt deterministisch, wodurch die zu übertragende Datenmenge erheblich reduziert wird. Die Feldinstrumente verwenden hochtemperaturbeständige Regelventile, pneumatische Aktuatoren und FISHER3051-Druck- und Differenzdruckmessumformer. Dies gewährleistet die Eignung für die anspruchsvollen Zeitanforderungen der Ofensteuerung. III. Hauptfunktionen und -strategien des Systems: Die Ofensteuerung umfasst im Wesentlichen die Ofentemperaturregelung, die Druckregelung des Verbrennungsmediums, die Durchflussregelung des Verbrennungsmediums sowie den Schutz einiger Anlagenkomponenten. Die Parameter der Fuzzy-Regelprogramme für Temperatur und Durchfluss in der Verbrennungssteuerungssoftware wurden angepasst: Abtast-/Regelzyklus, Abweichungs-Fuzzifizierungsfaktor, Abweichungsänderungsraten-Fuzzifizierungsfaktor, Ausgabequantifizierungsfaktor. Die Fuzzy-Regelparametertabelle wurde initial optimiert. 3.1 Ofentemperaturregelung: Die Ofentemperaturregelung ist die zentrale Steuerungskomponente des Ofens. Sie dient der Regelung der Durchflussmengen von Brennstoff (Gas) und Verbrennungshilfsstoff (Heißluft), um sicherzustellen, dass die dynamischen und statischen Leistungskennzahlen der Ofentemperatur den Prozessanforderungen entsprechen. Das System umfasst die Temperaturerfassung und -regelung in sechs Segmenten (einschließlich Rest-Sauerstoff-Analyse), die Anpassung des Gas- und Luftdurchsatzverhältnisses in sechs Segmenten sowie die Aufzeichnung des Gas- und Luftdurchsatzes (kumuliert) in sechs Segmenten. Jedes Segment des Heizofens ist mit zwei Thermoelementen zur Temperaturmessung ausgestattet. Nach der Kalibrierung mittels eines Thermoelement-Bruchdetektors wird die Temperatur an den Temperaturregler im Prozessleitsystem (DCS) übermittelt. Der Sollwert des Temperaturreglers wird vom Bediener eingestellt. Ein Sauerstoffanalysator im Ofenabzug analysiert den Sauerstoffgehalt des Abgases online. Das Signal wird an das DCS gesendet und fließt automatisch in die Korrektur des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ein. Das Signal des Temperaturreglers durchläuft eine doppelte Begrenzungsregelung und eine Sauerstoffrückkopplungskorrektur, bevor es an die Luft- und Gasdurchflussregler weitergeleitet wird. Dadurch entsteht ein Temperatur-Durchfluss-Kaskadenregelkreis zur Steuerung der Luft- und Gasdurchflussmengen und somit zur Regelung der Ofentemperatur. Hierfür wird ein bedingter Anweisungsmodus verwendet und die Begrenzungsregelung anhand der Größe und des Verlaufs des Temperaturfehlers optimiert, um die Genauigkeit des Sollwerts des Durchflussreglers zu gewährleisten. Die Temperaturregelung wurde deutlich verbessert. Um die langsamen Aufheiz- und Abkühlzeiten der Doppelgrenzwertregelung zu überwinden, kommt in der Regelung eine duale autonome Vorsteuerung zum Einsatz, die ein schnelles Aufheizen (Abkühlen) ermöglicht. Ziel dieser fortschrittlichen Regelungsstrategien ist die vollständige Verbrennung und die Verbesserung der Heizqualität sowie die Temperaturregelung bei Mahlverzögerungen und die Gewährleistung der Stabilität der automatischen Verbrennungsregelung. Aufgrund von Störungen in der Systemsoftware kam es vereinzelt zu Computerabstürzen und langsamen Aktualisierungen der Bildschirmparameter. Nach der Optimierung wurden die bestehenden Sicherheitslücken vollständig behoben. Gleichzeitig wurde der automatische Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Optimierer weiter optimiert und einige spezifische Regelparameter in der Regeltabelle angepasst, wodurch die Regelgenauigkeit verbessert, Brennstoff eingespart und die Produktionsanforderungen erfüllt wurden. Die Ofentemperaturregelung ist nun ±5 °C genau, und eine Erhöhung oder Senkung um 50 °C dauert nur 12 Minuten. Der Temperaturverlauf bei Gasdruckstörungen ist in Abbildung 1 dargestellt. 3.2 Ofendruckregelung: Die Ofendruckregelung ist von großer Bedeutung für den Schutz der Ofenwände und der Ofentür sowie für die Aufrechterhaltung einer optimalen Ofenatmosphäre. Sie erfolgt mittels einer Ein-Regelkreis-Strategie, bei der die Öffnung der Rauchgasklappen angepasst wird, um den Schornsteinzug und damit den Ofendruck zu regulieren. Da sich der Messpunkt für den Ofendruck am Auslass befindet, beeinflusst das Öffnen und Schließen der Ofentür die Druckmessung. Daher ist eine entsprechende Steuerungssoftware erforderlich. 3.3 Gas- und Luftdruckregelung: Die Stabilität des Gas- und Luftdrucks ist entscheidend für die Durchflussregelung, welche wiederum die Ofentemperaturregelung beeinflusst. Die Gas- und Luftdruckregelung erfolgt mittels einer Ein-Regelkreis-Strategie über das Regelventil der Hauptgasleitung und das Regelventil am Einlass des Verbrennungsgebläses. Abbildung 1 Temperaturkurve (bei Gasdruckstörungen) 3.4 Anlagenschutz: Aufgrund der hohen Temperatur des Heizofens und der Verwendung eines brennbaren und explosiven hochkokshaltigen Ofengasgemisches als Brennstoff sind entsprechende Schutzmaßnahmen unerlässlich. Diese umfassen den Schutz des Wärmetauschers, den Schutz der Kühlwasserleitungen und eine Sicherheitsverriegelung. 3.4.1 Wärmetauscherschutz: Der Wärmetauscher wird durch die Beimischung von Kaltluft in den Abgasstrom und die Abgabe von Vorwärmluft geschützt. Eine zu hohe Abgastemperatur kann den Wärmetauscher beschädigen. Durch Messung der Abgastemperatur vor dem Wärmetauscher schaltet das Steuerungssystem den Verdünnungslüfter automatisch ein, sobald der voreingestellte Alarmwert überschritten wird. Die beigemischte Kaltluft senkt die Abgastemperatur und schützt so den Wärmetauscher. Die Verdünnungsluftmenge wird anhand der Abgastemperatur über ein automatisches Regelventil am Auslass des Verdünnungslüfters gesteuert. Bei zu hoher Vorwärmlufttemperatur gibt das Steuerungssystem automatisch Kühlluft ab, um den Wärmetauscher zu schützen. 3.4.2 Schutz der Kühlwasserleitungen: Jeder Kühlwasserkreislauf im Ofen ist mit einem Temperatur- und einem Durchflussmelder ausgestattet. Der Temperaturmelder alarmiert bei Überschreitung des Grenzwerts, der Durchflussmelder bei Unterschreitung des Grenzwerts. Dadurch werden die Kühlwasserleitungen im Ofen indirekt überwacht und der Schutz gewährleistet. 3.4.3 Sicherheitsverriegelung: Dieser Heizofen verfügt über eine umfassende Sicherheitsverriegelung. Bei niedrigem Luft- oder Gasdruck oder Stromausfall alarmiert das Steuerungssystem und unterbricht die Gaszufuhr sicher. Gleichzeitig wird eine Stickstoffisolierung für die Hauptgasleitung und alle Gasabschnitte durchgeführt. IV. Software-Design des Steuerungssystems: Dieses Prozessleitsystem (DCS) ist ein modernes, instrumentiertes Prozessleitsystem. Es erfüllt verschiedene Automatisierungsanforderungen wie Prozessüberwachung, Regelkreissteuerung, Ablaufsteuerung und Logiksteuerung und bietet darüber hinaus Funktionen wie Berechnung, Analyse, Statistik, Management und spezielle Verbrennungssteuerungsalgorithmen. Die DCS-Software besteht im Wesentlichen aus zwei Teilen: der Steuerungskonfigurationssoftware und der Überwachungskonfigurationssoftware. Basierend auf den Prozessanforderungen und der vorhandenen Ausrüstung wurde eine Echtzeit-Steuerungssoftware für den Heizofen entwickelt. Diese umfasst im Wesentlichen Verbrennungssteuerungsprogramme für sechs Ofenabschnitte. Jedes Verbrennungssteuerungsprogramm eines Ofenabschnitts besteht aus einem Hauptprogramm und je einer Subroutine für die Temperatur-, Luft- und Gasstromregelung. Jede dieser Subroutinen enthält wiederum vier selbstoptimierende Subroutinen. Die Benutzeroberflächen umfassen: ① Überwachung der Betriebsvorbereitung, ② Parameteränderung, ③ Überwachung des Betriebs- und Fehlerzustands, ④ Alarmanzeige, ⑤ Betriebsanleitung, ⑥ Steuerungsablauf, ⑦ Instrumentenregelkreis, ⑧ Echtzeit-Trendanzeige und Aufzeichnung historischer Trends. V. Ergebnisse und Schlussfolgerungen: Dank der durchdachten System- und Feldinstrumentierung sowie der wissenschaftlichen Umsetzung der Steuerungsstrategie und -software erfolgt das Aufheizen und Abkühlen des Ofens schneller als mit herkömmlichen Steuerungsstrategien und PID-Algorithmen. Im Allgemeinen werden 18 Minuten pro 50 °C Temperaturänderung eingespart. Die Genauigkeit der Ofentemperaturregelung wurde deutlich verbessert und liegt im Allgemeinen innerhalb von ±8 °C. Die Temperaturdifferenz über den Knüppelquerschnitt beträgt 10–20 °C, und in Längsrichtung beträgt die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Enden und der Knüppelmitte 20–30 °C. Damit werden die Anforderungen des von der Morgan Corporation (USA) eingeführten Hochgeschwindigkeitswalzwerks erfüllt. Ein Nachteil dieses Systems ist die nicht optimale Korrektur des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses auf Basis der Zirkonoxid-Testergebnisse. Wir werden Optimierungsalgorithmen erforschen und erproben, die ohne Kalorimeter zuverlässig im Feld eingesetzt werden können, um eine Online-Optimierung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zu erreichen.