DE10123274B4

DE10123274B4 - Verfahren zur Temperaturregelung einer Strangpresse für Metalle

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Publication number: DE10123274B4
Application number: DE2001123274
Authority: DE
Inventors: Madhukar Pandit
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-05-10
Filing date: 2001-05-10
Publication date: 2005-06-09
Anticipated expiration: 2021-05-11
Also published as: DE10123274A1

Abstract

Verfahren zur Temperaturregelung einer Strangpresse für Metalle, indem durch Auswertung eines gerade vergangenen Presszyklus k ein Verlauf für eine Eingabefunktion u_k+1(l) zur manuellen Steuerung der Pressgeschwindigkeit und ein axialer Barrentemperaturverlauf θ_Bk+1(l) des zu verpressenden Materials eines darauf folgenden Zyklus (k + 1) derart generiert und vorgegeben werden, dass die Temperatur θ_ak+1(l) der Profile beim Austritt aus der Matrize möglichst konstant und gleich einem vorgegebenen Sollwert θ_aw ist, und zugleich die Pressgeschwindigkeit möglichst konstant und gleich dem vorgegebenen Wert v_k+1 bleibt, und die Einspeisung der errechneten Eingabefunktion u_k+1(l) durch Nachfahren eines auf einem Monitor eingeblendeten Verlaufs der errechneten Eingabefunktion erfolgt, wobei ein tatsächlicher Barrentemperaturverlauf θ_Bk+1(l) gemessen wird, und hieraus ein optimaler Eingabefunktionsverlauf berechnet und ab dem Beginn bis zum Ende des (k + 1). Presszyklus auf einen Monitor eingeblendet wird, auf welchem zugleich eine vom Operateur manuell eingegebene Eingabefunktion auch derart dargestellt wird, dass der Operateur durch Nachfahren des optimalen Verlaufs...

Description

Vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperaturregelung einer Strangpresse für Metalle.

Strangpressen werden allgemein zur Herstellung von strangartigen Erzeugnissen aus Metall, Glas oder Kunststoff eingesetzt. Bei diesem Prozess, der in der Verfahrenstechnik den Warmumformprozessen zugeordnet wird, ist zur Maximierung der Produktivität und Homogenisierung der Produktqualität die Beherrschung des thermischen Haushaltes erwünscht.

Beim Strangpressen von Metallen, wie z. B. von Aluminium, auf welches sich im folgenden bezogen wird, werden Aluminiumbarren in einem Ofen auf 400 bis 500°C erhitzt und anschließend in einen Aufnehmer (Rezipienten) geladen. Dieser ist einseitig von einer Matrize verschlossen, deren Durchbruch dem Querschnitt des entstehenden Profilstrangs entspricht. Von der Gegenseite wird mit einem Stempel unter Einwirkung einer sehr großen Kraft (> 10 MN) der Block bis auf einen kleinen Rest durch die Matrize gedrückt. Nach Beendigung eines Zyklus wird ein neuer Block geladen und der Pressvorgang kann wiederholt werden.

Die Bilanz des thermischen Haushalts ergibt sich aus der Differenz der zugeführten thermische Energie und mechanischen Arbeit und der durch Wärmeleitung abgeführten Energie. Die resultierende Temperatur der heraustretenden Profile beim Austritt aus der Matrize kann durch die Vorheiztemperatur der Barren und die Pressgeschwindigkeit gezielt beeinflusst werden. Die Pressgeschwindigkeit ihrerseits wird in älteren Anlagen durch die Operateureingabe für die Verstellung der Öldurchflussmenge des hydraulischen Systems beeinflusst. Dabei ist die Operateureingabe der Sollwert für die Schwenkwinkel einer Schwenkwinkelpumpe oder für die Ventilstellung. In modernen Anlagen gibt der Presseführer den von ihm gewünschten Sollverlauf für die Geschwindigkeit vor. Eine Geschwindigkeitsregelung sorgt dafür, dass die tatsächliche Pressgeschwindigkeit gleich der vom Presseführer vorgegebenen Soll-Pressgeschwindigkeit ist, sofern der Pressdruck in seinen Grenzen bleibt. Im allgemeinen wird die Geschwindigkeitsregelung mit einem Speicher Programmierbaren Steuerungssystem (SPS) implementiert.

In der Verfahrenstechnik ist bekannt, dass das Produktivitätsmaximum dann erreicht wird, wenn möglichst während des gesamten Presszyklus mit der maximal zulässigen Strangaustrittstemperatur gepresst wird. Desweiteren hat diese Temperatur einen erheblichen Einfluss auf die metallurgischen Eigenschaften der Produkte, weswegen auch aus Gründen der Qualitätssicherung ein erhebliches Interesse besteht, sie definiert vorzugeben und während des Prozesses konstant zu halten. Bei Erfüllung dieser Bedingung spricht man von einem isothermen Strangpressvorgang [1, 2, 3].

Die Realisierung des isothermen Strangpressens von Aluminium ist jedoch mit erheblichen, technologisch unzureichend gelösten Problemen verbunden, weswegen bisher vorwiegend eine theoretische Aufarbeitung der Thematik in der technischen Literatur erfolgt ist, der Einsatz auf breiter Ebene in der Industrie aber ausgeblieben ist.

In der Literatur [4, 5, 6, 7] sind bisher a) das simulierte isotherme Strangpressen, das b) geregelte isotherme Strangpressen und c) die zyklische Regelung von Strangpressen bekannt.

a) Beim simulierten Strangpressen [5] wird die Strangaustrittstemperatur aufgrund eines thermischen Simulationsmodells vorausberechnet und durch Umkehrung kann ein bezüglich dieses Modells optimaler Pressgeschwindigkeitsverlauf berechnet werden. Der Strangpressprozess, der ein thermisches System mit verteilten Parametern darstellt, ist mit analytischen Methoden jedoch kaum und mit numerischen Methoden nur ungenau beschreibbar, weswegen dieses Verfahren keine be friedigende Ergebnisse liefert.
b) Beim geregelten Strangpressen [4] wird die Strangaustrittstemperatur gemessen, wobei vorwiegend Strahlungspyrometer eingesetzt werden. Die Grundstruktur entspricht einem geschlossenen Regelkreis, der durch permanenten Vergleich von Soll- und Istwert während des Prozesses eine Stellgröße für die Pressgeschwindigkeit berechnet. Da bei der kontaktlosen Messung der Strangaustrittstemperatur, insbesondere an Aluminium, mit regelmäßigen Störungen zu rechnen ist, kann ein unkontrolliertes Systemverhalten nicht ausgeschlossen werden. Folglich hat sich diese Strategie in der Praxis als nicht leicht anwendbar erwiesen.
c) Im Europäischen Patent EP 0615 795 B1 [6] ist die zyklische Regelung von Strangpressen angegeben [7,8].
1. Das Verfahren beginnt mit der Messung des axialen Barrentemperaturprofils, bevor er im Rezipienten eingeladen wird.
2. Der Verlauf der Pressgeschwindigkeit als Funktion der Stempelposition l wird vor Beginn eines jeden Presszyklus von einem Digitalrechner berechnet und vorgegeben. Der Geschwindigkeitsregelkreis sorgt dafür, dass der tatsächliche Geschwindigkeitsverlauf mit dem vorgegebenen Sollverlauf übereinstimmt.
3. Die Pressung erfolgt. Die tatsächliche Pressgeschwindigkeit und die Strangaustrittstemperatur werden über den gesamten Presszyklus gemessen.
4. Nach Beendigung des Presszyklus wird der optimale Sollgeschwindigkeitsverlauf für den nachfolgenden Zyklus mit Hilfe von Optimierungsalgorithmen unter Berücksichtigung der Grenzwerte derart berechnet und vorgegeben, dass die Temperaturfehler, d.h. die Differenz zwischen den gewünschten und der tatsächlichen Strangaustrittstemperatur, minimiert wird.

Das o.g. Verfahren c) ist erfolgreich in modernen Strangpressen mit Speicher Programmierbaren Steuerungssystemen (SPS) und Geschwindigkeitsregelung eingesetzt und erprobt [8, 9]. In älteren Anlagen ist eine Geschwindigkeitsregelung nicht verfügbar. Die Eingabe erfolgt über einen Drehknopf, mit welchem der Presseführer die Sollwinkelstellung für die Schwenkwinkel bzw. Ventil des hydraulischen Systems vorgibt. Der Einsatz einer Regelung nach EP 0615 795 B1 erweist sich als kostspielig. Ferner erfordert die Installation des Systems die Unterbrechung des Pressbetriebes.

Eine Voraussetzung in EP 0615 795 B1 , die nicht immer vorliegt, ist, dass die Barrentemperatur keinen Schwankungen unterliegen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem isothermes Strangpressen in ältere Strangpressanlagen implementiert werden kann, ohne kostspielige Investitionen wie z.B. für eine Geschwindigkeitsregelung oder Unterbrechungen vornehmen zu müssen, wobei ferner Veränderungen der Barrentemperatur Rechnung getragen wird. Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren gemäß der Merkmale des Patentanspruches 1.

Der Erfinder schlägt ein Verfahren zur Generierung und Einspeisung einer optimalen Trajektorie für die Operateureingabe bzw. Pressgeschwindigkeit bei gegebenem Barrentemperaturprofil vor. Dabei erfolgt die Einspeisung der optimalen Trajektorie in älteren Strangpressenanlagen (ohne Geschwindigkeitsregelung oder Speicher Programmierbaren Steuerungen) durch Nachfahren des vorgezeichneten optimalen Verlaufs der Eingabe auf einem Monitor seitens des Operateurs.

Darüber hinaus schlägt er für Anlagen mit Barrenöfen, bei denen die axiale Temperaturprofil (Taper) gezielt einstellbar ist, ein Verfahren vor, mit welche isothermes Strangpressen bei möglichst konstanter Pressgeschwindigkeit erzielt werden kann. In diesem Fall wird das, für die Erzielung der gewünschten konstanten Austrittstemperatur bei der gewünschten konstanten Pressgeschwindigkeit, erforderliche Barrentemperaturprofil errechnet und der Barrenofentemperaturregelung vorgegeben. Vor dem Laden des Barrens in den Rezipienten wird das tatsächlich erreichte Barrentemperaturprofil erfasst und der dazugehörige Operateureingabeverlauf errechnet und eingespeist.

Unter regelungstechnischen Gesichtspunkten ist die Strangpresse, mit einem Strahlungspyrometer als Messsensor für die Regelgröße, wie folgt zu charakterisieren:

– Die Sollwertkurve der Strangaustrittstemperatur θ_aw(t) (0 < t < T_Zyk) ist vor Beginn eines Zyklus bekannt.
– Die Zykluszeit T_Zyk hat stets die gleiche Größenordnung.
– Das Systemverhalten ist nur langsam zeitveränderlich (>> T_Zyk).
– Der Prozess ist nichtlinear und mit analytischen Methoden kaum beschreibbar.
– Das Prozessverhalten ist determiniert, unterliegt keinen stochastischen Parameterschwankungen und ist stets reproduzierbar.
– Jeder Zyklus hat den gleichen Anfangszustand.
– Die Stellgrößen des Prozesses sind begrenzt und nicht beliebig schnell veränderbar.
– Die Erfassung der Regelgröße (Strangaustrittstemperatur θ_a) ist mit Fehlern, Messstörungen und mit einer Totzeit behaftet, weswegen eine offline-Verarbeitung der Messsignale vorteilhaft ist.

Aufgrund dieser Prozesseigenschaften wird im Europäischen Patent EP 0615 795 B1 ein Verfahren vorgeschlagen, das von konventionellen Festwertregelungen abweicht. Dabei wird nicht, wie bei einem geschlossenen Regelkreis, nur der lokale Arbeitspunkt, sondern stets der gesamte Zyklus optimiert. Wegen der repetitiven Natur des Prozesses wird die Erfahrung aus einem Zyklus k für die Generierung der Pressgeschwindigkeitskurve k + 1 verwendet, womit eine Rückkopplung von einem auf den anderen Zyklus vorhanden ist.

In der bisherigen Literatur, wie [5] und im EP 0615 795 B1 [6], wird vorausgesetzt, dass bei gegebener Barrentemperatur, die Pressgeschwindigkeit die unmittelbare vom Operateur verstellbare Einflussgrösse ist. Folglich errechnen die dort vorgeschlagenen Verfahren den Sollpressgeschwindigkeitsverlauf und geben ihn vor. Ein Geschwindigkeitsregelkreis, wenn ein solcher vorhanden ist, sorgt dafür, dass dieser Geschwindigkeitsverlauf auch erzielt wird. Die Verfahren sind nicht anwendbar, wenn keine Geschwindigkeitsregelung vorhanden ist. Diese Situation liegt in älteren Anlagen vor. In älteren Anlagen ist nicht die Pressgeschwindigkeit sondern die Schwenkwinkel einer Schwenkwinkelpumpe bzw. die Ventilstellung und damit die Öldurchflussmenge die primäre Operateureingabegrösse.

Im Gegensatz zu [5, 6] sind in der vorliegenden Erfindung sowohl die Öldurchflussmenge als auch die Pressgeschwindigkeit als Operateureingabe u zulässig. Damit entfällt die Voraussetzung des Vorhandenseins einer Geschwindigkeitsregelung.

Das vorgeschlagene Verfahren arbeitet in 2 Phasen.

i) Nach einem jeden Matrizenwechsel wird der erste Zyklus mit den Erfahrungswerten des Operateurs gefahren. Nach Ablauf des ersten Zyklus wird zunächst durch Auswertung der Verläufe der Eingabegrösse u₀(t) und Ausgangsgröße θ_a0(t) ein mathematisches Abbild für das Übertragungsverhalten der Strangpresse erstellt.
ii) Die Regelung setzt ab den 2. Zyklus ein. Mit Hilfe des Abbilds wird anhand der gemessenen Verlaufs von der Austrittstemperatur θ_ak(t) und der Operateureingabe u_k(t) im k-ten Zyklus der Verlauf der Eingabegrösse u_k+1(t) nach den Verfahren der iterativ lernender Regelungen [10, 11] derart bestimmt, dass der Regelfehler ek+1(t) = θaw(t) – θak+1(t) (1)und der Stellaufwand u_k+1(t) möglichst gering werden. Insbesondere können auch Stellgrößenbeschränkungen berücksichtigt werden. Die Operateureingabekurve u_k+1(t) wird vor Beginn des Zyklus k + 1 berechnet und während des Pressvorgangs nicht mehr verändert.

Nach Beendigung des Pressvorgangs k + 1 wird durch Betrachtung der Regelgüte überprüft, ob das mathematische Abbild nachgestellt werden muss. Ist dies der Fall, so wird durch Auswertung der Eingangs- und Ausgangsverläufe wie unter i) ermittelt. Im anderen Fall wird nach ii) fortgefahren.

Diese Vorgehensweise erleichtert die Unterdrückung von Messstörungen, da im Gegensatz zu konventionellen Regelungen leistungsfähigere, nichtkausale Filter eingesetzt werden können, und führt trotz schwieriger Randbedingungen zu einem sicheren und robusten Regelsystem. Aufgrund der thermischen Trägheit der Strangpresse sind die Veränderungen der Randbedingungen (Werkzeug- oder Rezipiententemperatur) aufeinanderfolgender Zyklen vernachlässigbar klein, wodurch ein optimaler Prozessverlauf gewährleistet ist. Da die Realisierung nur mit einem Mikrorechner möglich ist, werden die Zeitfunktionen diskret abgetastet. Die kontinuierliche Zeit t wir durch die diskrete Zeit i nach t = i·TA, i = 0, 1, 2, ... (2)ersetzt. Eine Alternative ist die Abtastung der Signale zu den Zeitpunkten, zu welchen der Stempel den Weg l = i·ΔL, mit ΔL = Elementarlänge und i = 0, 1, 2, ... (3)zurück gelegt hat.

Funktionsweise des neuen Verfahrens

Es wird berücksichtigt, dass in manchen Strangpressenanlagen ein regelbarer Barrenofen zur Verfügung steht, mit welchem dem Barren ein vorgegebenes axiales Temperaturprofil, genannt Taper, aufgeprägt werden kann. In solchen Systemen wird durch Aufbringung des optimalen Tapers isothermes Pressen bei konstanter Geschwindigkeit erzielt.

Die Austrittstemperatur des Profils, wenn der Stempel den Weg l in mm seit Beginn des Pressens zurückgelegt hat, sei mit θ_a(l) bezeichnet. Die Länge l ist zugleich die Länge des ausgepressten Barrens: Die Austrittstemperatur bei sonst gleichen Bedingungen ist abhängig von der Barrentemperatur an der Stelle l, sowie vom Verlauf der Operateureingabe u im Intervall (0, l).

Verfahren für Anlagen ohne Möglichkeit zur Aufprägung eines axialen Temperaturprofils

In diesem Fall kann die Barrentemperatur nur allmählich verstellt werden. Die Austrittstemperaturregelung wird dann durch Veränderung der Operateureingabefunktion (Sollwert für die Ölfördermenge bzw. für die Pressgeschwindigkeit) bewerkstelligt. Da sich die Temperatur der Barren, so wie sie aus dem Ofen herauskommen, nur allmählich ändert, liegt ein quasi-stationärer Zustand vor. Die Temperatur des Barren im (k+1)-ten Zyklus ist annähernd gleich mit der vom Zyklus k.

Bild 1 zeigt die Anordnung einer direkten Strangpresse mit dem vorgeschlagenen Mobilem Mess- und Automatisierungssystem für Strangpressen (MoMAS). Die Austrittstemperatur θ_ak(l) wird mit Pyrometer 1 erfasst und über eine Interface Einheit, die zur galvanischen Trennung und Signalaufbereitung dient, zum Industrie PC geführt. Pyrometer 2 (der auch durch einen Berührungsthermometer ersetzt werden könnte) erfasst das Temperaturprofil θ_Bk(l) des Barrens.
Die Barren werden im Blockofen geheizt und zur Strangpresse geführt. Das Pressen erfolgt durch den Aufbau des Pressdrucks, der durch Verstellung der Ölfördermenge verändert wird. In Anlagen ohne Geschwindigkeitsregelung ist die Eingabe u, die der Operateur vorgibt, der Sollwert des Schwenkwinkels einer Schwenkwinkelpumpe und damit der Sollwert für die Ölfördermenge. In Anlagen mit einer Geschwindigkeitsregelung ist die Eingabe u der Sollwert für die Pressgeschwindigkeit. In beiden Fällen erfolgt die Eingabe durch die Stellung des Potentiometers im Bild 1. Die Potentiometerstellung wird auch als ein analoges oder digitales Signal über die Interface Einheit zum Rechner geführt. Sie stellt die Eingabefunktion u(l) als Funktion der Stempellage l dar. Der Positionssensor erfasst die momentane Lage l des Stempels. In Anlagen mit einer Geschwindigkeitsregelung wird aus dem erfassten Positionssignal die Ist-Pressgeschwindigkeit ermittelt. Die Geschwindigkeitsregelung wird durch die automatische Veränderung der Ölfördermenge in Abhängigkeit von der Differenz zwischen Soll- und Ist-Geschwindigkeiten des Stempels realisiert. In MoMAS wird die momentane Lage l auch über die Interface Einheit zum Rechner geführt
Zur Berechnung des optimalen Eingangsverlaufs wird für den Zusammenhang zwischen den Prozessgrößen folgender Ansatz gewählt:
wobei α, β und g_k(l) unter Verwendung von Daten aus vorausgegangenen Pressläufen gewählt werden. Durch Diskretisierung mit l = i·Δ, i = 0, 1, 2, ..., N – 1, N·Δ = L = Länge des zu pressenden Barrens werden die Gleichungen (4) (5) zu
bzw. in Matrizendarstellung
Die Elemente der Impulsantwortmatrix G _k werden ebenfalls aus vorausgegangenen Versuchen bestimmt [10, 11]. Die Berechnung des optimalen Verlaufs von u_k+1(l) zu Beginn des (k+1)-Zyklus erfolgt wie in [1] angegeben mit optimierenden iterativ lernenden Regelungen. Eine zweite Möglichkeit zur Ermittlung von u_k+1(l) gibt es mit Hilfe linearer iterativ lernender Regelung. Hierbei wird
wobei R die Reglermatrix und
darstellen.
Das Isotherme Pressen wird mit dem o.g. Automatisierungssystem unter Einbindung des Operateurs im Regelkreis wie folgt erreicht: Der optimale Verlauf der Eingabefunktion u_k+1(l) für den Zyklus k + 1 wird in der Pause zwischen den Zyklen k und k + 1 aus den Verläufen der Eingabefunktion u_k(l) und der Fehlerfunktion e_k(l) im Zyklus k berechnet. Der gesamte berechnete Verlauf wird als Funktion der Stempelposition zu Beginn des (k + 1). Zyklus auf einem Monitor eingeblendet. Zugleich wird auf dem gleichen Monitor auch die tatsächliche Operateureingabe angezeigt. Der Operateur fährt die optimale Kurve nach, indem er den Drehknopf der Operateureingabe geeignet betätigt, und damit beaufschlägt er die Strangpresse mit dem errechneten optimalen Eingabefunktionsverlauf u_k+1(l). Im Falle, dass die Ofentemperaturregelung nicht eine konstante Barrentemperatur gewährleistet, wird die Barrentemperatur gemessen bevor der Barren in den Rezipienten geladen wird, und der Messwert wird in die Berechnung einbezogen.
Im Einzelnen besteht das Verfahren aus den folgenden Schritten:

a) MoMAS wird während eines vom Operator bestimmten Zyklus – z.B. des zweiten Zyklus nach einem Matrizenwechsel – aktiviert.
b) Die Barrentemperatur wird gemessen.
c) Die Operateureingabe u(l), mit l = der Stempelweg, für diesen Zyklus ist eine konstante Grösse u₀, die der Operator aufgrund seiner Erfahrung und Expertise wählt und vorgibt.
d) Nach Ablauf des Zyklus wird das Maximum der Profilaustrittstemperatur θ_max in diesem Zyklus von MoMAS automatisch ermittelt. Üblicherweise tritt θ_max gegen Ende des Zyklus auf. Gleichzeitig kontrolliert der Operateur die Qualität des Profils. Ist die Profilqualität zufriedenstellend, so stellt θ_max die Profilaustrittstemperatur dar, die man idealerweise durch Vorgabe einer geeigneten Operateureingabe u_soll(l) über den ganzen Zyklus erzielen müsste. Wahlweise kann der Operator θ_max oder einen anderen Wert für den Sollwert der Profilaustrittstemperatur θ_aW wählen.
e) MoMAS ermittelt den Zusammenhang zwischen der Operatoreingabe, Barrentemperatur, Pressgeschwindigkeit und der Profilaustrittstemperatur aus den Verläufen der Prozessgrößen im abgelaufenem (k-ten) Zyklus.
f) Die Barrentemperatur der nächsten im Zyklus k + 1 zu pressenden Barren wird gemessen.
g) Den optimalen Verlauf der Operateureingabe u_k+1(l) in Abhängigkeit vom Stempelweg l wird unter Benutzung der Kenntnissen der Verläufe der Prozessgrößen im vorangegangenen Zyklus k, sowie der gemessenen Barrentemperatur und der gewünschten Austrittstemperatur, unter Berücksichtigung der erlaubten Grenzen der Stellgrößen, nämlich Presskraft und Stempelgeschwindigkeit von MoMAS berechnet.
h) Der von MoMAS berechnete Verlauf der Operateureingabe u_k+1(l) wird für den gesamten Zyklus zu Beginn des nachfolgenden Zyklus auf den Monitor eingeblendet.
i) Die Pressung des k + 1-ten Zyklus wird gestartet. Auf dem Monitor wird zusätzlich zu dem von MoMAS vorgeschlagenen Verlauf u_k+1(l) für die Operateureingabe auch die tatsächlich vom Operateur vorgegebene Eingabe in einer anderen Farbe dargestellt. Der Operator justiert nun seine Eingabe laufend während des Zyklus derart, dass in der Anzeige seine Eingabe mit dem vorgeschlagenen Verlauf möglichst gut übereinstimmt.
j) Die Schritte e) bis i) werden wiederholt. Eventuell kann man auf Schritt e) verzichten und nur die Schritte f) bis i) wiederholen.

Es kann für die Operateureingabe beispielsweise ein dreistufiger Verlauf gewählt und vorgegeben werden, wobei sich die erste Stufe über die ersten 30% der Blocklänge erstreckt, die zweite über 40 und die dritte Stufe über die restlichen 30% der Blocklänge.
In Fällen von neuen Legierungen, Profilgeometrien oder Stellgrenzen, in welchen der Operateur nicht auf seine Erfahrung zurückgreifen kann, können die optimalen Austrittstemperaturen unter Ausnutzung der Stellgrenzen mit MoMAS ermittelt werden, indem man schrittweise die Grenzen erhöht, bis das Optimum erreicht ist.
Verfahren für Anlagen mit Möglichkeit zur Aufprägung eines axialen Temperaturprofils
In diesem Fall kann dem Barren ein Temperaturprofil aufgeprägt werden, außerdem kann die Temperaturverstellung im Ofen schnell erfolgen. Man hat damit die Möglichkeit, eine konstante Pressgeschwindigkeit und eine konstante Austrittstemperatur vorzugeben, und diese durch geeignete Regelung des Barrentemperaturprofils zu erzielen. Der Sollwertverlauf des Barrentemperaturprofils wird nach dem Verfahren der optimierenden iterativ lernender Regelung bzw. der linearen iterativ lernender Regelung mit Hilfe von Gl.(9) berechnet, wobei u die Eingabe durch v die Pressgeschwindigkeit und G durch G* ersetzt werden. G* stellt die Impulsantwortmatrix für den Fall, dass die Pressgeschwindigkeit als Eingang und Austrittstemperatur als Ausgang betrachtet werden. Da i. Allg. jedoch der erzielte Barrentemperaturverlauf vom Sollverlauf abweicht, wird das tatsächliche Barrentemperaturprofil gemessen, bevor der Barren in den Rezipienten geladen wird. Unter Benutzung dieser Daten wird der Sollverlauf für die Operateureingabe errechnet und vorgegeben. Damit wird die Konstanthaltung der Austrittstemperatur gegenüber der Konstanthaltung der Pressgeschwindigkeit höher priorisiert.
Im Einzelnen besteht das Verfahren aus den folgenden Schritten:

a) MoMAS wird während eines vom Operator bestimmten Zyklus – z.B. des zweiten Zyklus nach einem Matrizenwechsel – aktiviert.
b) Die Barrentemperatur wird gemessen.
c) Die Operateureingabe u(l), mit l = der Stempelweg, für diesen Zyklus ist eine konstante Grösse u₀, die der Operator aufgrund seiner Erfahrung und Expertise wählt und vorgibt.
d) Nach Ablauf des Zyklus wird das Maximum der Profilaustrittstemperatur θ_max in diesem Zyklus von MoMAS automatisch ermittelt. Üblicherweise tritt θ_max gegen Ende des Zyklus auf. Gleichzeitig kontrolliert der Operateur die Qualität des Profils. Ist die Profilqualität zufriedenstellend, so stellt θ_max die Profilaustrittstemperatur dar, die man idealerweise durch Vorgabe des Barrentemperaturprofils und einer geeigneten Operateureingabe u_soll(l) über den ganzen Zyklus erzielen müsste. Wahlweise kann der Operator θ_max oder einen anderen Wert für den Sollwert der Profilaustrittstemperatur θ_aW wählen.
e) Der Operateur gibt die gewünschten Werte v_soll bzw. θ_aW für die Pressgeschwindigkeit bzw. für die Austrittstemperatur vor.
f) MoMAS ermittelt den Zusammenhang zwischen der Operatoreingabe, Barrentemperatur, Pressgeschwindigkeit und der Profilaustrittstemperatur aus den Verläufen der Prozessgrößen im abgelaufenem (k-ten) Zyklus.
g) Das Solltemperaturprofil für das Barrenofen für den Zyklus k + 2 wird errechnet und vorgegeben.
h) Das Barrentemperaturprofil des im nächsten (k + 1)-ten Zyklus zu pressenden Barrens wird gemessen.
i) Den optimalen Verlauf der Operateureingabe u_k+1(l) in Abhängigkeit vom Stempelweg l wird unter Benutzung der Kenntnissen der Verläufe der Prozessgrößen im vorangegangenen Zyklus k, sowie der gemessenen Barrentemperatur θ_Bk+1 und der gewünschten Austrittstemperatur θ_aek+1 im Zyklus k + 1 unter Berücksichtigung der erlaubten Grenzen der Stellgrössen, nämlich Presskraft und Stempelgeschwindigkeit, von MoMAS berechnet.
j) Der von MoMAS berechnete Verlauf der Operateureingabe u_k+1(l) wird für den gesamten Zyklus zu Beginn des nachfolgenden Zyklus auf den Monitor eingeblendet.
k) Die Pressung des k + 1-ten Zyklus wird gestartet. Auf dem Monitor wird zusätzlich zu dem von MoMAS vorgeschlagenen Verlauf u_k+1(l) für die Operateureingabe auch die tatsächlich vom Operateur vorgegebene Eingabe in einer anderen Farbe dargestellt. Der Operator justiert nun seine Eingabe laufend während des Zyklus derart, dass in der Anzeige seine Eingabe mit dem vorgeschlagenen Verlauf möglichst gut übereinstimmt.
l) Die Schritte e) bis k) werden wiederholt. Eventuell kann man sich auf Schritt e) und/oder auf f) verzichten.

Bezeichnungen

e_k(l) Regelfehler in Abhängigkeit der Stempelposition
e Regelfehler
g(t) Impulsantwort des linearisierten Modells der Strecke mit der Operateureingabe als Eingang und Austrittstemperatur als Ausgang
G Impulsantwortmatrix
l Stempelposition = ausgepresste Barrenlänge
t Zeit (kontinuierlich)
T_A Abtastzeit
T_Zyk Zeitdauer eines Presszyklus
u Operateureingabe: Sollwert für Schwenkwinkel bzw. Pressgeschwindigkeit
u_soll(l) Verlauf des Sollverlaufs der Operateureingabe als Funktion der Stempelposition
u_k(l) Der zu Beginn des k. Zyklus vorgeschlagener und eingeblendeter Verlauf der Operateureingabe als Funktion der Stempelposition l
v Pressgeschwindigkeit
v_k(l) Pressgeschwindigkeit in k Zyklus bei Stempelposition = ausgepresste Barrenlänge l
ΔL Elementarlänge bei der Diskretisierung der Stempelposition
θ_a Strangaustrittstemperatur
Strangaustrittstemperatur (Sollwertverlauf)
θ_max Maximale Austrittstemperatur
Strangaustrittstemperatur (Istwertverlauf im Zyklus k) als Funktion der Stempelposition l
θ_Bk(l) Verlauf der Barrentemperatur im k. Zyklus als Funktion der Stempelposition

Indices:

i Zeitindex (diskret), Ortsindex
k Zyklus

Literatur

[1] Ruppin, D. und Strehmel, W. Direktes Strangpressen mit konstanter Austrittstemperatur – Einsatz variabler Preßgeschwindigkeit Zeitschrift Aluminium, 1977, S. 543–548
[2] Ruppin, D. und Strehmel, W. Automatisierung des Preßprozesses beim direkten Strangpressen von Aluminiumwerkstoffen (I) Zeitschrift Aluminium, 1983, S. 674–678
[3] Ruppin, D. und Strehmel, W. Automatisierung des Preßprozesses beim direkten Strangpressen von Aluminiumwerkstoffen (II) Zeitschrift Aluminium, 1983, S. 773–776
[4] Ingvorsen, J. Closed-Loop Isothermal Extrusion Proc. Intnl. Extrusion Technology Symposium, pp. 549–558, Chicago (2000)
[5] Biswas, K.; Repgen, K. und Steinmetz, A. Computer Simulation of Extrusion Press Operation – Experience with CADEX A New Computer Aided Process Optimizing System 5th International Extrusion Seminar, Chicago 1992, p. 149–155
[6] EP 0615795 B1 Temperaturregelung einer Strangpresse
[7] Pandit, M. Baqué, S. Deis, W., Müller, K.: Implementation of Temperature Measurement and Control in Aluminum Extruders Extrusion Technology 2000, Chicago, 15–19. 5. 2000
[8] Pandit, M., Buchheit, K., Isothermes Strangpressen von Aluminium", Teil I, Aluminium, Heft 4 (1995), S. 483–487, Teil II, Aluminium, Heft 5 (1995), S. 614–619
[9] Pandit, M. Trends and Perspectives concerning temperature Measurement and Control in Aluminium Extruders Aluminium, 76, H. 7–8, Juli – August 2000, Seite 564–573
[10] Hillenbrand, S Iterativ lernende Regelungen mit reduzierter Abtastrate Dissertation, Fachbereich Elektrotechnik, Universität Kaiserslautern, 2000
[11] Isermann, R.: Identifikation dynamischer Systeme, Bd. 1 + 2 Springer Verlag Berlin 1988

Claims

Verfahren zur Temperaturregelung einer Strangpresse für Metalle, indem durch Auswertung eines gerade vergangenen Presszyklus k ein Verlauf für eine Eingabefunktion u_k+1(l) zur manuellen Steuerung der Pressgeschwindigkeit und ein axialer Barrentemperaturverlauf θ_Bk+1(l) des zu verpressenden Materials eines darauf folgenden Zyklus (k + 1) derart generiert und vorgegeben werden, dass die Temperatur θ_ak+1(l) der Profile beim Austritt aus der Matrize möglichst konstant und gleich einem vorgegebenen Sollwert θ_aw ist, und zugleich die Pressgeschwindigkeit möglichst konstant und gleich dem vorgegebenen Wert v_k+1 bleibt, und die Einspeisung der errechneten Eingabefunktion u_k+1(l) durch Nachfahren eines auf einem Monitor eingeblendeten Verlaufs der errechneten Eingabefunktion erfolgt, wobei ein tatsächlicher Barrentemperaturverlauf θ_Bk+1(l) gemessen wird, und hieraus ein optimaler Eingabefunktionsverlauf berechnet und ab dem Beginn bis zum Ende des (k + 1). Presszyklus auf einen Monitor eingeblendet wird, auf welchem zugleich eine vom Operateur manuell eingegebene Eingabefunktion auch derart dargestellt wird, dass der Operateur durch Nachfahren des optimalen Verlaufs der Pressensteuerung den optimalen Eingabefunktionsverlauf aufprägt.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der vom Operateur vorzugebende Sollwert θ_aw automatisch als das Maximum der Austrittstemperatur eines vorangegangenen Zyklus gewählt wird, wobei vom Operateur die Qualität des Profils sichergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der ermittelte axiale Barrentemperaturverlauf θ_Bk+1(l) zu einer Ofentemperaturregelung übertragen und dort eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die optimalen Verläufe der Eingabefunktion u_k+1(l) und der axiale Barrentemperaturverlauf θ_Bk+1(l) mit Hilfe eines Simulationsmodells und Algorithmen der Iterativ Lernenden Regelung ermittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Eingabefunktion u_k+1(l) erforderlichen Impulsantworten g(t) und/oder g(l) eines linearisierten Modells der Strangpresse durch Auswertung der Eingabefunktion uk(l) und der Austrittstemperatur θ_ak(l) der vergangenen Zyklen genutzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Barrentemperatur θ_Bk(l) automatisch sukzessiv abgesenkt wird, sodass die Regelung der Austrittstemperatur über die Eingabefunktion u_k(l) eingreift, und dadurch die vorgegebene Pressgeschwindigkeit automatisch erhöht und damit die vorgegebene Presszeit verkürzt wird, wobei bei zu niedrigen Barrentemperaturen automatisch erkannt wird, ob die Presskraft zu lange an seiner oberen Grenze liegt, um eine Erhöhung der Barrentemperatur θ_Bk(l) einzuleiten.