[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Anpassung eines Tunnelofens der
keramischen Industrie an unterschiedliche Leistungen und Brennkurven sowie einen rechnergeführten
Tunnelofen zur Anwendung dieses Verfahrens.
[0002] In einem Tunnelofen durchläuft das Brenngut ein stationäres Temperaturprofil und
wird dabei nach einem durch das Brenngut vorgegebenen Aufheiz- und Kühlverlauf behandelt.
Zur Zeit wird das Temperaturprofil durch einzelne Regelkreise im Bereich der Brenn-,
Aufheiz- und Kühlzone konstant gehalten. Darüber hinaus sind mathematische Modelle
des Ofenverhaltens bekannt, wobei durch Rechner die Energie- und Stoffströme an sich
ändernde Verhältnisse angepaßt werden.
[0003] Der herkömmliche Tunnelofen mit fest bestimmtem Temperaturprofil wird den Anforderungen
des
Brenngutes nur bei einer Durchlaufgeschwindigkeit und bei gleichbleibendem Material
gerecht. Wird die Schubgeschwindigkeit geändert oder ein anderes Brenngut verwendet,
so muß die Ofenbrennkurve manuell nachgestellt werden. Dies bedeutet erheblichen personellen
Aufwand, der jedoch wirtschaftlich nicht mehr tragbar ist. Daher werden die meisten
Tunnelöfen mit einem Temperaturprofil gefahren, das möglichst wenig Veränderungen
am Tunnelofen erfordert; damit ist jedoch nicht oder nur selten ein wirtschaftlich
und qualitativ optimaler Ofenbetrieb gegeben.
[0004] Einen Tunnelofen nach einem mathematischen Modell zu führen, ist jedoch sehr aufwendig,
da das statische und dynamische Verhalten des Ofens bekannt sein und dadurch ein hoher
Identifikationsaufwand getrieben werden muß. Darüber hinaus muß durch adaptive Algorithmen
dafür gesorgt werden, daß sich das System an wechselnde Bedingungen und Verschleißerscheinungen
ständig erneut anpaßt. Dies wiederum erfordert einen außerordentlich hohen mathematischen
und rechnertechnischen Aufwand, der in kaum einem Fall gerechtfertigt ist.
[0005] Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Anpassung eines Tunnelofens
der keramischen Industrie an unterschiedliche Leistungen und Brennkurven sowie einen
rechnergeführten Tunnelofen zur Anwendung dieses Verfahrens zu schaffen, die es ermöglichen,
mit geringem Identifikations- und Rechneraufwand eine weitgehende Anpassung des Tunnelofens
an unterschiedliche Betriebszustände zu erreichen. Die Steuerung des Tunnelofens soll
hierbei in Abhängigkeit von der Schubgeschwindigkeit des Brenngutes und dessen Beschaffenheit
erfolgen, so daß stets eine optimale Anpassung zu erzielen ist.
[0006] Das Verfahren zur Anpassung eines Tunnelofens der keramischen Industrie an unterschiedliche
Leistungen ist dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere Sollwertsätze des Tunnelofens
bei unterschiedlichen, möglichst weit auseinanderliegenden Ofenleistungen empirisch
ermittelt und in einem Prozeßrechner gespeichert werden, daß in dem Prozeßrechner
die für alle weiteren Leistungen des Tunnelofens gültigen Sollwerte durch Regression
ermittelt werden und daß über die Regler des Tunnelofens in Abhängigkeit von der geforderten
Leistung die Stoffströme gesteuert werden.
[0007] Zweckmäßig ist es hierbei, die Steuerung der Stoffströme in der Aufheiz- und/oder
Kühlzone des Tunnelofens über die Einstellung des Temperaturverlaufs an einer oder
mehreren Stellen vorzunehmen und den Temperaturverlauf in der Aufheiz- und/oder Kühlzone
des Tunnelofens mittels optischer Pyrometer zu erfassen. Bei unterschiedlichen Brennkurven
sollte ferner die Temperaturänderung der Sollwerte in Abhängigkeit von der Schubgeschwindigkeit
des Brenngutes dem Betrage nach auf alle individuellen Brennkurven angewandt werden.
[0008] Vorteilhaft ist es des weiteren, in die Parameter für die individuelle Behandlung
einzelner Chargen das Besatzgewicht des Brenngutes einzubeziehen und in der Weise
auszuwerten, daß den Luftmengenregelkreisen in der Aufheizzone und/oder der Kühlzone
des Tunnelofens eine Steuerungsfunktion überlagert wird, mittels der nach einer empirisch
ermittelbaren Kennlinie die Luftmengenströme in Abhängigkeit von dem aus Schubgeschwindigkeit
und Besatzgewicht bestimmbaren Materialstrom des Brenngutes einstellbar sind. FAngebracht
ist es auch, die einzelnen das Brenngut transportierenden Ofenwagen nach einer individuellen
diese begleitenden Brennkurve durch den Tunnelofen zu führen.
[0009] Der rechnergeführte Tunnelofen zur Anwendung dieses Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet,
daß mittels Codierungen dem Prozeßrechner für jedes in den Tunnelofen eingebrachte
Brenngut eine Information über die geforderte Brennkurve zugeführt wird, daß der Prozeßrechner
ein Programm zur Verfolgung der einzelnen Chargen erhält und daß der Prozeßrechner
über die Regler des Tunnelofens die Sollwerte der Temperatur für die einzelnen Positionen
entsprechend der vorgebenen Brennkurve einstellt, die für das in der jeweiligen Position
befindliche Brenngut gültig ist.
[0010] Hierbei ist es angebracht, den Transport des Brenngutes im Tunnelofen mittels des
Prozeßrechners derart zu steuern, daß dieser den Weitertransport erst freigibt, sobald
alle oder ein spezifizierender Anteil der Regelgrößen innerhalb vorgegebener Toleranzen
im Bereich des Sollwertes liegen und für den Bereich der Aufheizzone und/oder der
Kühlzone mittels des Prozeßrechners einen Mittelwert der geforderten Temperaturen
als Sollwert vorzugeben.
[0011] Bei unterschiedlichen Brennkurven sollten ebenfalls die Temperaturänderung der Sollwerte
mittels des Prozeßrechners in Abhängigkeit von der Schubgeschwindi
gkeit des Brenngutes dem Betrage nach auf alle individuellen Brennkurven übertragen
werden.
[0012] Des weiteren sollten in die Parameter für die individuelle Behandlung einzelner Chargen
das Besatzgewicht des Brenngutes einbezogen und in dem Prozeßrechner in der Weise
ausgewertet werden, daß den Luftmengenregelkreisen in der Aufheizzone und/oder der
Kühlzone des Tunnelofens eine Steuerfunktion überlagert wird, mittels der nach einer
empirisch ermittelbaren Kennlinie die Luftmengenströme in Abhängigkeit von dem aus
Schubgeschwindigkeit und Besatzgewicht bestimmbaren Materialstrom des Brenngutes einstellbar
sind.
[0013] Sehr vorteilhaft ist es ferner, den Prozeßrechner derart zu steuern, daß die einzelnen
den Besatz tragenden Ofenwagen nach einer individuellen diese begleitenden Brennkurve
durch den Tunnelofen hindurchführbar sind.
[0014] Das erfindungsgemäße Verfahren zur Anpassung eines Tunnelofens der keramischen Industrie
an unterschiedliche Leistungen und Brennkurven sowie der rechnergeführte Tunnelofen
zur Anwendung dieses Verfahrens ermöglichen es somit mit relativ geringem Identifikations-
und Rechneraufwand, eine weitgehende Anpassung des Tunnelofens an unterschiedliche
Betriebszu .. stände zu erreichen. Dabei greifen die beiden Variablen Schubgeschwindigkeit
und Materialart unterschiedlich in die Steuerung ein.
[0015] Die Schubgeschwindigkeit des Brenngutes hat sowohl Wirkungen auf die Aufheiz- und
Kühlzone als auch auf die Feuerzone des Tunnelofens. Diese drei Bereiche sind steuerungstechnisch
wiederum unterschiedlich geartet. Aufheiz-und Kühlzone stellen prinzipiell Gegenstromwärmetauscher
dar. Der Luftstrom gibt in der Aufheizzone Energie an den Besatz ab und wird in der
Kühlzone durch diesen aufgeheizt.
[0016] Um eine bestimmte Aufheizgeschwindigkeit, die vom Material vorgegeben ist, zu erreichen,
muß ein bestimmtes Verhältnis der Stoffströme eingehalten werden. Dieses Luft/Brenngutverhältnis
wirkt sich auf den Temperaturverlauf in Aufheiz-und Kühlzone aus und kann über die
Temperaturen der Luft bzw. des Brenngutes gesteuert werden. Hierbei wird zweckmäßigerweise
die Gutstemperatur durch optische Pyrometer direkt und nicht die Lufttemperatur gemessen,
da die Temperaturdifferenz zwischen Luft und Brenngut leistungsabhängig ist und die
Lufttemperatur damit nur näherungsweise die für den Vorgang entscheidende Brennguttemperatur
wiedergibt.
[0017] Da der Wärmetauschvorgang innerhalb der Aufheiz- und Kühlzone nicht gleichmäßig verläuft,
ändern sich bei gleichem Luft/Ziegelverhältnis und gleichem Temperaturverlauf am Brenngut
die örtlichen Temperaturen in der Aufheiz- und Kühlzone mit der Durchsatzleistung.
Das bedeutet, daß sich die Temperatursollwerte für die einzelnen Ofenzonen in Abhängigkeit
von der Durchsatzleistung nach einer unbekannten und theoretisch schwer erfaßbaren
Funktion ändern.
[0018] Ein ähnliches gilt für die Temperatursollwerte der Regelkreise in der Feuerzone,
wo bei langsamerer Schubzeit das Feuer durch Temperaturabsenkung einzelner Zonen verkürzt
bzw. die Garbrandtemperatur bei gleicher Feuerlänge abgesenkt werden kann. Auch hier
ist eine theoretische Berechnung außerordentlich schwierig.
[0019] Das erfindungsgemäße Verfahren geht nun von einer empirischen Identifikation aus,
die im einfachsten Fall darin bestehen kann, daß der Ofen bei sehr niedriger Leistung
experimentell auf optimale Sollwerte eingestellt wird und das gleiche bei sehr hoher
Leistung vorgenommen wird. Diese Sollwertsätze werden dem Prozeßrechner eingegeben
und dieser interpoliert linear für alle dazwischen liegenden Ofenleistungen. Das Verfahren
kann je nach gewünschter Effektivität mit zwei oder beliebig vielen Sollwertsätzen
betrie
- ben werden, wobei ab drei Sätzen eine nichtlineare Regression möglich ist, deren
Genauigkeit mit der Zahl der Stützpunkte steigt.
[0020] Neben der Tatsache, daß sich das empirische Modell der Sollwertabhängigkeit auf reale
Ofenzustände bezieht und damit niemals zu unzulässigen Ofenzuständen führen kann,
ist der Identifikationsaufwand beliebig wählbar und im Falle der linearen Interpolation
nicht größer als bei einer herkömmlichen Inbetriebnahme. Darüber hinaus kann bei Änderungen
des Ofenverhaltens ebenso einfach eine Nachjustierung vorgenommen werden.
[0021] Die Erfindung besteht weiterhin darin, daß dem Prozeßrechner für jeden Ofenwagen
bzw. für jede Charge vor Eintritt in den Tunnelofen durch Eingabe von entsprechend
codierten Informationen mitgeteilt wird, mit welcher Brennkurve und mit welcher Reduktionsatmosphäre
das Brenngut behandelt werden soll. Durch Erfassung des Brenngutvorlaufs ist der Rechner
in der Lage, festzustellen, an welcher Position des Ofens sich welches Brenngut befindet.
Durch die ebenfalls im Prozeßrechner gespeicherten Brennkurven kann weiterhin festgestellt
werden, welchen Temperatursollwert für eine bestimmte Ofenposition bei der vorgewählten
Brennkurve gefordert ist. Dieser Sollwert wird dem im Prozeßrechner integrierten Temperaturregler
vorgegeben und dieser stellt die geforderte Temperatur durch Vergleich mit der herrschenden
Isttemperatur ein. Dadurch kann prinzipiell ohne personellen Aufwand die Brennkurve
an die vom Material geforderten Bedingungen angepaßt werden bis hin zum Extremfall,
daß jeder Ofenwagen mit einer anderen Brennkurve behandelt wird, die gewissermaßen
mit ihm durch den Ofen hindurch läuft.
[0022] Bei stark wechselnden Temperaturen kann man Wartezeiten einlegen, bis die entsprechenden
Sollwerte tatsächlich erreicht oder zumindest innerhalb einer vorgegebenen Toleranz
sind.
[0023] Dies wiederum ermöglicht eine Selbststeuerung der Schubgeschwindigkeit dadurch, daß
jeweils das Signal zum Weitertransport des Brenngutes erst gegeben wird, sobald alle
oder eine bestimmte Anzahl von Regelkreisen innerhalb der Sollwerttoleranzen liegen.
Auf diese Weise kann der Tunnelofen leistungsoptimal bei vorgegebener Brennkurve gefahren
werden.
[0024] Im normalen Betrieb eines Tunnelofens sind sowohl Änderungen der Leistung als auch
der Materialart erforderlich, so daß beide Adaptionsverfahren ineinanderwirken müssen.
In der Brennzone kann die Änderung der Leistung für verschiedene Materialarten dadurch
erfaßt werden, daß man zumindest näherungsweise davon ausgehen kann, daß die Temperaturabsenkung
bei Verlängerung der Standzeit für verschiedene Produkte gleich ist. Insofern kann
unabhängig von der individuellen Brennkurve die ermittelte Temperaturabsenkung in
Abhängigkeit von der Schubgeschwindigkeit dem Betrage nach auf alle eingegebenen Brennkurven
angewandt werden. Dies gilt mit ebenso guter Näherung auch für die Änderungen der
Sollwerte im Aufheiz- und Kühlbereich. Eine mehrdimensionale Anpassung erscheint im
Hinblick auf die erhebliche Steigerung des Identifikationsaufwandes und dem relativ
geringen Nutzen für die Qualität des Produktes nicht gerechtfertigt.
[0025] Bei Kenntnis und Eingabe bzw, Erfassung des Besatzgewichtes können die Luftmengen
in
Aufheiz- und Kühlzone durch Ermittlung des mittleren Massestromes innerhalb der betrachteten
und für einen Luftvolumenstrom gültigen Bereiches erfaßt und dieser im feed-forward-Prinzip
angepaßt werden. Diese Steuerfunktion sollte jedoch den Luftmengenregelkreis nicht
ersetzen, sondern ihn lediglich überlagern. Dadurch muß die Steuerfunktion nur näherungsweise
und mit entsprechend geringem Identifikationsaufwand bestimmt werden, da eine mögliche
Fehlanpassung durch den überlagerten Regelkreis korrigiert wird.
[0026] In der Zeichnung ist die erfindungsgemäße Verfahrensweise zur Anpassung eines Tunnelofens
an unterschiedliche Leistungen in Form von Diagrammen dargestellt. Hierbei zeigen:
Fig. 1 den oberen und unteren Temperaturverlauf in den einzelnen Zonen eines Tunnelofens,
Fig. 2 das Prinzip eines rechnergeführten Tunnelofens mit einer Brennkurve aus dem
Interpolationsbereich der in Figur 1 dargestellten Brennkurven und
Fig. 3 das Istprofil einer Brennkurve in der Brennzone eines Tunnelofens sowie drei
Sollprofile als mitlaufende Brennkurven für das Brenngut.
[0027] In Fig.1 ist über der Weglänge S eines eine Aufheizzone a, eine Brennzone b sowie
eine Kühlzone c aufweisenden Tunnelofens 1 eine obere Brennkurve 11 für eine große
Leistung und eine untere Brennkurve 12 für eine kleine Leistung aufgezeichnet, die
somit einen Interpolationsbereich 13 einschließen. Des weiteren sind durch Pfeile
2 und 3 das Brenngut sowie die Temperatur gekennzeichnet. Ferner stellen die Pfeile
4, 5, 6 und 7 Stoffströme dar,und zwar der Pfeil 4 das Rauchgas, die Pfeile 5 die
Brennstoffzugabe,der Pfeil 6 die Sturzkühlung sowie die Pfeil 7 die Absaugung. Die
Werte der oberen und der unteren Brennkurven 11 und 12 sind hierbei empirisch ermittelt
worden, indem der Tunnelofen 1 bei großer und niederer Leistung jeweils auf optimale
Sollwerte eingestellt wurde. Die durch eine derartige empirische Identifikation ermittelten
Sollwerte sind in einem Prozeßrechner 25 eingegeben.
[0028] Soll nunmehr die in Fig, 2 dargestellte Brennkurve 14 aus dem Interpolationsbereich
13 gefahren werden, so werden die Meßwerte 22 einzelner Meßpunkte 21 einem Regler
23 zugeführt, der mit dem Prozeßrechner 25 in Verbindung steht oder in diesem enthalten
ist. Durch die in diesem gespeicherten Brennkurven kann somit festgestellt werden,
welcher Temperatursollwert bei der vorgegebenen Brennkurve gefordert ist. Dieser Sollwert
wird durch Vergleich mit der herrschenden Temperatur mittels eines integrierten Temperaturwählers
24 eingestellt. Des weiteren ist der Prozeßrechner 25 in der Lage, festzustellen,
an welcher Stelle des Tunnelofens 1 sich welches Brenngut befindet. Vor Eintritt in
den Tunnelofen 1 wurde diesem für jeden Tunnelofenwagen durch Eingabe entsprechend
codierter Informationen dies mitgeteilt. Es ist somit möglich, mit einem Tunnelofenwagen
die für dessen Besatz gewählte Brennkurve durch den Tunnelofen mitlaufen zu lassen.
[0029] In Fig. 3 ist dies für die Brennzone b des Tunnelofens 1 dargestellt. Für den Besatz
des Tunnelofenwagens 31 ist hierbei das mit 34 bezeichnete Sollprofil einer mitlaufenden
Brennkurve vorgesehen, der Besatz der Tunnelofenwagen 32 bzw. 33 soll dagegen in der
Brennzone b einem Temperaturverlauf unterworfen werden, der durch die mit 35 bzw.
36 bezeichneten Sollprofile gekennzeichnet ist. Für den Besatz der Tunnelofenwagen
31 wird somit mit Hilfe des Prozeßrechners 25 über die gesamte der Brennzone b in
dieser eine Temperatur nach der Brennkurve 34 eingestellt, der Besatz der Tunnelofenwagen
32 bzw. 33 wird dagegen einer Temperatur unterworfen, deren Verlauf durch die Brennkurven
35 und 36 vorgegeben ist. Dadurch ergibt sich zusammengesetzt aus den einzelnen Werten
in der Brennzone b ein Istprofil einer Brennkurve, die mit 35 bezeichnet ist.
1. Verfahren zur Anpassung eines Tunnelofens der keramischen Industrie an unterschiedliche
Leistungen und Brennkurven,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwei oder mehrere Sollwertsätze (Brennkurven 11, 12) des Tunnelofens (1) bei unterschiedlichen,
möglichst weit auseinanderliegenden Ofenleistungen empirisch ermittelt und in einem
Prozeßrechner (25) gespeichert werden,
daß in dem Prozeßrechner (25) die für alle weiteren Leistungen des Tunnelofens (1)
gültigen Sollwerte durch Regression ermittelt werden und daß über die Regler (23)
des Tunnelofens (1) in Abhängigkeit von der geforderten Leistung die Stoffströme (Rauchgas
4, Brenner 5, Kühlung 6, Absaugung 7) gesteuert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnete
daß die Steuerung der Stoffströme (Rauchgas 4, Kühlung 6, Absaugung 7) in der Aufheiz-
und/oder Kühlzone (a, c) des Tunnelofens (1) über die Einstellung des Temperaturverlaufs
an einer oder mehreren Stellen erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Temperaturverlauf in der Aufheiz- und/oder Kühlzone (a, c) des Tunnelofens
(1) mittels optischer Pyrometer erfaßt wird.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei unterschiedlichen Brennkurven die Temperaturänderung der Sollwerte in Abhängigkeit
von der Schubgeschwindigkeit des Brenngutes (2) dem Betrage nach auf alle individuellen
Brennkurven angewandt wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß in die Parameter für die individuelle Behandlung einzelner Chargen das Besatzgewicht
des Brenngutes (2) einbezogen und in der Weise ausgewertet wird, daß den Luftmengenregelkreisen
in der Aufheizzone (a) und/oder der Kühlzone (c) des Tunnelofens (1) eine Steuerungsfunktion
überlagert wird, mittels der nach einer empirisch ermittelbaren Kennlinie die Luftmengenströme
in Abhängigkeit von dem aus Schubgeschwindigkeit und Besatzgewicht bestimmbaren Materialstrom
des Brenngutes (2) einstellbar sind.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die einzelnen das Brenngut (2) transportierenden Ofenwagen nach einer individuellen
diese begleitenden Brennkurve durch den Tunnelofen (1) geführt werden.
7. Rechnergeführter Tunnelofen zur Anwendung des Verfahrens nach einem oder mehreren
der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß mittels Codierungen einem Prozeßrechner (25) für jedes in den Tunnelofen (1) eingebrachten
Brenngut (2) eine Information über die geforderte Brennkurve zugeführt wird, daß der
Prozeßrechner (25) ein Programm zur Verfolgung der einzelnen Chargen erhält und daß
der Prozeßrechner (25) über die Regler (23) des Tunnelofens (1) die Sollwerte der
Temperatur für die einzelnen Positionen entsprechend der vorgegebenen Brennkurve einstellt,
die für das in der jeweiligen Position befindliche Brenngut (2) gültig ist.
8. Tunnelofen nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnete
daß der Transport des Brenngutes (2) im Tunnelofen (1) mittels des Prozeßrechners
(25) derart steuerbar ist, daß dieser den Weitertransport erst freigibt, sobald alle
oder ein spezifizierender Anteil der Regelgrössen innerhalb vorgegebener Toleranzen
im Bereich des Sollwertes liegen.
9. Tunnelofen nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß für den Bereich der Aufheizzone (a) und/oder der Kühlzone (c) mittels des Prozeßrechners
(25) ein Mittelwert der geforderten Temperaturen als Sollwert vorgegeben wird.
10. Tunnelofen nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei unterschiedlichen Brennkurven die Temperaturänderung der Sollwerte mittels
des Prozeßrechners (25) in Abhängigkeit von der Schubgeschwindigkeit des Brenngutes
(2) dem Betrage nach auf alle individuellen Brennkurven übertragbar ist.
11. Tunnelofen nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß in die Parameter für die individuelle Behandlung einzelner Chargen das Besatzgewicht
des Brenngutes (2) einbezogen und in dem Prozeßrechner (25) in der Weise auswertbar
ist, daß den Luftmengenregelkreisen in der Aufheizzone (a) und/oder der Kühlzone (c)
des Tunnelofens (1) eine Steuerfunktion überlagert wird, mittels der nach einer empirisch
ermittelbaren Kennlinie die Luftmengenströme in Abhängigkeit von dem aus Schubgeschwindigkeit
und Besatzgewicht bestimmbaren Materialstrom des Brenngutes (2) einstellbar sind.
12. Tunnelofen nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Prozeßrechner (25) derart steuerbar ist, daß die einzelnen den Besatz tragenden
Ofenwagen (31, 32, 33) nach einer individuellen diese begleitenden Brennkurve (34,
35, 36) durch den Tunnelofen (1) hindurchführbar sind.