Modellbasierte Regelung eines Voralterungsofens unter instationären
Bedingungen
2. Aachener Ofenbau- und Thermoprozess-Kolloquium
10. - 11. Oktober 2019 in Aachen
Dipl.-Ing. Simon Künne
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� Motivation / /Einführung
� Methoden
� Ergebnisse
Inhalt
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Schematische Darstellung Bandbehandlung
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Voralterungsofen in der Werksmontage
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Anlage & Prozess
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� Motivation / /Einführung
� Methoden
� Ergebnisse
Inhalt
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� Ein Modell ist ein vereinfachtes Abbild der Wirklichkeit
� Es werden nur die wichtig erscheinenden Teile abgebildet
� Zusammenhänge werden vereinfacht
� Detailgrad je nach Anforderung – genau genug aber nicht zu aufwändig
� Ein Modell ist nur unter bestimmten Randbedingungen gültig
� Modelle sind bestenfalls gültig aber niemals wahr
Grundlagen Modellierung
Quellen von links nach rechts: Photo by CEphoto, Uwe Aranas; Google Maps; Wikipedia
Foto des Aachener Doms 3D-Modell Schematische Zeichnung
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Deshalb: Messungen durchführen und Modelle validieren
Ein Modell ist nur so gut wie seine Daten
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Konventionelle Regelung wird Anforderungen nicht gerecht
Modellbasierte Regelung
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� Numerisches Verfahren zur Lösung von Erhaltungsgleichungen
� 1) Erzeugen eines Gitters
� 2) Aufstellen der integralenErhaltungsgleichungen
� 3) Numerische Integration
� 4) Approximation derFunktionswerte
� 5) Lösung des Gleichungssystems
Finite Volumen Methode
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� Jeder Prozess in einem Industrieofen lässt sich auf diese Weise abbilden
� Volumen werden überRandbedingungenverknüpft
� Konvektion
� Wärmeleitung
� Strahlung
� Enthalpieströme
� Quellterme
� Energiebilanz
Baukastensystem als Software
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� Enthalpie
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� Innere Energie
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� Enthalpiestrom
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Übersicht Enthalpieströme
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� Vereint eine komplexe Theorie in einer einzigen Zahl
� geometrische Randbedingungen
� Strömungsfeld
� Temperaturfeld
� Ähnlichkeitstheorie: Einführung dimensionsloser Kennzahlen
� Nußelt-Zahl: Beschreibung desWärmeübergangs.
� Reynolds-Zahl: Verhältnis vonTrägheits- zu Reibungskräften
� Prandtl-Zahl: Materialeigenschaft,Verhältnis von Strömungsgrenzschichtzu Temperaturgrenzschicht
Wärmeübergangskoeffizient
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� Für ein konkretes System kann die Gleichungder Nußelt-Zahl umgestellt und für zwei Betriebs-punkte gleichgesetzt werden
� Die Nußelt-Zahl ist abhängig von:
� Geschwindigkeitsfeld
� Temperaturfeld
� Geometrie
� Empirischer Ansatz:
Wärmeübergangskoeffizient
Nu � ,-)
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� Ausgehend von einem Referenzpunkt kann der konvektive Wärmeübergang aktuell berechnet werden
� Damit kann das Temperaturprofil des Bandes für beliebige Betriebspunkte der Anlage berechnet werden
� Haupteinflussgrößen in den Anlagenteilen sind� Ventilatordrehzahl / Fluidgeschwindigkeit (im Prozess)
� Temperatur (im Rezept)
� Zusammensetzung des Fluids (Luft / Schutzgas)
Wärmeübergangskoeffizient
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� Brenner
� Feuerungstechnischer Wirkungsgrad 3 � 3 4, 678
� Durchmischung der Edukte
� Ventilatoren
� Fluidleistung vollständig zu Wärme
� Bei konstantem Volumenstrom auch konstante Fluidgeschwindigkeit
� Bei konstanter Drehzahl ist 9:;<=> nur von der Temperatur abhängig
Übersicht Quellterme
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Das Modell des Voralterungsofens
18
� Motivation / /Einführung
� Methoden
� Ergebnisse
Inhalt
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Rechencluster
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Prozesstemperaturen beim Coilwechsel
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Bandtemperatur an verschiedenen Positionen
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Brennerleistung und Frischluft
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Bandtemperatur im Ofen zu verschiedenen Zeitpunkten
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Austrittstemperatur entlang der Bandlänge
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� Kontinuierliche Qualitätskontrolle durch virtuellen Sensor
� Temperaturprofil des gesamten Bandes bekannt und zu weiteren Verarbeitung in geeigneter Form verfügbar („Industrie 4.0 ready“)
� Im Rahmen der Vernetzung (Industrie 4.0) kann die modellbasierte Regelung im Vorhinein auf Geschwindigkeitsänderungen reagieren.
� Temperatur kann unter Ausnutzung der Freiheit bei der Wahl der Ventilatordrehzahl angepasst werden.
� Temperatur reagiert nur träge, Ventilatoren lassen sich schnell ansteuern.
� Verteilung der Frischluft und Regelverhalten noch zu optimieren
Fazit & Ausblick
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