DE102007005378A1

DE102007005378A1 - Betriebsverfahren für eine Haspeleinrichtung zum Auf- oder Abhaspeln eines Bandes sowie Steuereinrichtung und Haspeleinrichtung hierzu

Info

Publication number: DE102007005378A1
Application number: DE102007005378A
Authority: DE
Inventors: Otto Schmid
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2007-02-02
Filing date: 2007-02-02
Publication date: 2008-08-07
Also published as: US20090314873A1; RU2009132970A; EP2125260B1; EP2125260A1; CN101600521A; BRPI0807342A2; PL2125260T3; CN101600521B; US8713979B2; ATE485899T1; DE502008001650D1; WO2008092896A1; RU2459677C2

Abstract

Es ist eine Haspeleinrichtung (1) zum Auf- oder Abhaspeln eines Bandes (2) beschrieben, die zumindest einen Haspel (5), optional eine dem Haspel (5) zugeordnete Treibrolle (7) und eine Steuereinrichtung (10) für den Haspel (5) und gegebenenfalls die Treibrolle (7) aufweist. Die Steuereinrichtung (10) betreibt die Haspeleinrichtung (1) derart, dass durch Messung oder Modellberechnung ein Istwert mindestens einer aktuellen Eigenschaft des Bandes ermittelt wird, von der Steuereinrichtung (10) aus dem Istwert oder aus einer hieraus abgeleiteten Größe ein aktueller Drehmoment-Sollwert (M<SUB>H</SUB>, M<SUB>R</SUB>) ermittelt wird, und dass die Steuereinrichtung (10) den Haspel (5) und gegebenenfalls die Treibrolle (7) unter Verwendung des aktuel/SUB>) betreibt. Der Vorteil liegt in einer verbesserten Wickelqualität und verbesserter Bandqualität hinsichtlich Banddicke und Breite.

Description

Die Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren für eine Haspeleinrichtung zum Aufhaspeln oder Abhaspeln (Aufspulen oder Abspulen) eines Bandes, die zumindest einen Haspel, optional mindestens eine dem Haspel zugeordnete Treibrolle, und eine Steuereinrichtung für den Haspel und gegebenenfalls für die Treibrolle aufweist.
Die Erfindung bezieht sich außerdem auf eine Steuereinrichtung und ein Steuersystem für eine Haspelanordnung zum Auf- oder Abhaspeln eines Bandes, wobei die Haspelanordnung einen Haspel und optional mindestens eine dem Haspel zugeordnete Treibrolle aufweist. Außerdem ist Gegenstand der Erfindung eine Haspeleinrichtung zum Aufhaspeln eines Bandes, die einen Haspel, optional eine dem Haspel zugeordnete Treibrolle, und eine Steuereinrichtung für den Haspel und gegebenenfalls für die Treibrolle aufweist. Die Erfindung betrifft auch einen Datenträger.
Haspelanordnungen zum Aufhaspeln eines Bandes sind allgemein bekannt, so z. B. aus EP 0 790 084 B1 für ein Stahlwalzwerk.
Haspelanordnungen werden sowohl beim Warmwalzen als auch beim Kaltwalzen, also auch unterhalb der Rekristallisationstemperatur, verwendet. Beispielsweise wird ein Stahlband zunächst in einer Warmwalzstraße als Rolle oder Spule aufgehaspelt, in dieser Form in ein Kaltwalzwerk geliefert, und dort zum Kaltwalzen wieder abgespult. Im Kaltwalzwerk kann also sowohl ein Abspulhaspel als auch am Streckenende ein Spannhaspel zum Aufwickeln vorhanden sein. Falls im Reversierbetrieb gearbeitet wird, d. h. falls das Band in beiden Richtungen durch die Kaltwalzanlage fährt, kann auch auf beiden Seiten ein Spannhaspel vorhanden sein. Im Zusammenhang mit der Erfindung wird nachfolgend das Abspulhaspeln und Aufhaspeln unter dem Begriff Aufhaspeln zusammengefasst.
Es ist ferner bekannt, in Walzwerken einen Haspel drehzahlübersteuert und mit fixer Drehmomentengrenze zu betreiben. Hierbei gibt eine Steuereinrichtung an den Haspel eine Haspelsolldrehzahl und ein in Bandlaufrichtung wirkendes Haspelgrenzmoment vor. Ebenso gibt die Steuereinrichtung an eine Treibrolle eine Rollensolldrehzahl und sowohl ein in Bandlaufrichtung wirkendes Rollengrenzmoment als auch ein entgegen der Bandlaufrichtung wirkendes Rollengrenzmoment vor, so dass die Steuereinrichtung auch die Treibrolle drehzahlgeregelt und momentenbegrenzt betreibt.
Bei bekannten Haspelanordnungen besteht das Problem, dass Zugschwankungen im Band auftreten. Der erhöhte Zug kann dabei so groß sein, dass er die Streckgrenze des Bandes übersteigt, also zu plastischen Formveränderungen, z. B. Einschnürungen, des Bandes führt. Die Dicke und insbesondere auch die Breite des auf zuhaspelnden Bandes können dadurch variieren. Ein Verlust von konstanter Dicke und Breite des zu wickelnden Bandes stellt einen Qualitätsverlust dar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Wickelqualität und somit die Bandqualität bei einem Bandhaspel zu verbessern.
Diese Aufgabe wird bezogen auf das eingangs genannte Betriebsverfahren gemäß der Erfindung dadurch gelöst,

– dass durch Messung oder Modellberechnung ein Istwert einer aktuellen Eigenschaft des Bandes ermittelt wird,
– dass von der Steuereinrichtung aus dem Istwert oder aus einer hieraus abgeleiteten Größe ein in und/oder entgegen der Bandlaufrichtung wirkender aktueller Drehmomentwert ermittelt wird, und
– dass die Steuereinrichtung den Haspel und/oder die Treibrolle unter Verwendung des aktuellen Drehmomentwerts betreibt.

Der Drehmomentwert kann als Drehmomentsollwert und/oder als Drehmomentgrenzwert verwendet werden. Zum Beispiel falls die Antriebe drehzahlübersteuert betrieben werden sind beide Begriffe als inhaltsgleich anzusehen. Die optionale Treibrolle ist dem Haspel insbesondere vorgeordnet.
Es ist somit eine dynamische Regelung über das Drehmoment auf aktuelle Bandeigenschaften möglich. Die Erfinder haben erkannt, dass eine wichtige Kenngröße für die Berechnung der Drehmomentengrenzen die aktuelle Steifigkeit des zu wickelnden Bandes ist. Durch die aktive Anpassung der Drehmomentenberechnung basierend auf Istwerten der Parameter, welche die Steifigkeit eines Bandes über den gesamten Wickelprozess hinweg bestimmen, ergibt sich ein gleichmäßigeres Wickelmoment, d. h. Moment auf der Materialseite (im Material), und es ergibt sich somit insgesamt eine bessere Wickelqualität und weniger variierende oder konstante Bandzüge (Zugkräfte).
Das Band ist insbesondere ein Stahlband oder ein Nichteisenband in einem Walzwerk und/oder in einer nachgeschalteten Behandlungslinie beispielsweise in einem Kaltwalzwerk der eingangs genannten Art. Das Verfahren nach der Erfindung ist auch in einem Warm-Walzwerk einsetzbar. Es ist für Stahlband jeglicher Legierung aber auch für Nichteisen-(NE-)Metall, z. B. Aluminium, einsetzbar.
Vorzugsweise ermittelt die Steuereinrichtung fortlaufend Drehmomentwerte derart, dass eine Variation in dem im Band wirkenden Wickelmoment oder Bandzug verringert ist, wobei das Wickelmoment oder der Bandzug im Material vorzugsweise konstant sind. Es ist bedeutsam, dass die Variation im Band verringert ist, denn ein im Band wirkendes Wickelmoment oder Bandzug kann – muss aber nicht – auf der Motorseite bzw. Rollenseite ebenfalls ein konstantes Moment bedingen.
Insbesondere erfolgt die Ermittlung des Istwertes in Echtzeit, online und/oder kontinuierlich, beispielsweise mit einer Rate von mindestens 50 oder 25 Messungen pro Sekunde.
Die Steuereinrichtung kann den Haspel und/oder die Treibrolle momentenbegrenzt betreiben, also insbesondere mit einem jeweils aktuell berechneten Drehmomentgrenzwert.
Der Ort, an welchem oder zu welchem die Ermittlung des Istwertes erfolgt, liegt vorzugsweise zwischen dem Haspel und der Treibrolle, und/oder unmittelbar vor der Treibrolle und/oder zwischen dem aus dem Haspel und der optionalen Treibrolle gebildeten Haspelsystem und einem dem Haspelsystem vorgelagerten Walzgerüst, insbesondere unmittelbar nach dem Walzgerüst. Unmittelbar hinter dem letzten Walzgerüst eines Walzwerks ist das Band am weichsten; dort werden Dicke und Breite des Bandes besonders empfindlich beeinflusst, so dass eine Istwertmessung dort besonders vorteilhaft ist. Zwischen dem letzten Walzgerüst und dem Haspelsystem kann eine aktiv oder/und passiv das Band kühlende Kühlstrecke angeordnet sein.
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird als Istwert eine Bandtemperatur gemessen oder eine hieraus abgeleitete Größe verwendet. Dahinter liegt die Erkenntnis, dass die Steifigkeit maßgeblich durch die Bandtemperatur bestimmt wird.
An der Ausführungsform der Messung der Bandtemperatur wird der neue Weg, den die Erfinder beschreiten, besonders deutlich. War die bisherige Denkweise bei der Entwicklung von Walzwerken darauf gerichtet, die Temperatur im Band auch beim Haspeln konstant zu halten, so geht die Überlegung der Erfinder dahin, Temperaturschwankungen in Kauf zu nehmen. Es wird mit der Erfindung sogar möglich, gezielt Bänder mit über die Bandlänge variierenden Temperaturen, also Temperaturprofilen oder Profilkühlungen, z. B. mit heißem Kopf oder Ende, sehr genau zu walzen, ohne dass Probleme beim Aufhaspeln des Bandes entstehen, weil gerade bei solchen Profilen mit größeren Abweichungen von Soll- zu Istwert der Bandtemperatur gerechnet wird.
Alternativ oder zusätzlich zur Temperaturmessung wird mit Vorteil eine aktuelle Materialeigenschaft des Bandes gemessen oder durch Modellberechnung ermittelt, insbesondere eine Steifigkeit, eine Zugfestigkeit, eine Oberflächengüte, eine geometrische Abmessung, eine Korngröße, ein Korngefüge, eine Gibbssche freie Enthalpie oder/und eine Molekular- oder Atomarverteilung. Geeignet sind (auch) alle Größen, die sich aufgrund der Phaseneigenschaften des Materials des Bandes, z. B. der Stahl- oder Legierungssorte, ergeben.
An der Ausführungsform, bei welcher als Istwert eine Materialeigenschaft des Bandes aus einer Modellrechnung ermittelt wird, wird der neue Weg, den die Erfinder beschreiten, nochmals besonders deutlich. War die bisherige Denkweise bei der Entwicklung von Walzwerken auf die Temperatur im Band und entsprechende Abkühlprozesse gerichtet, so gehen die Erfinder davon aus, dass künftig stärker auf die direkten Materialeigenschaften eingeregelt werden wird. Entsprechende Modellierverfahren sind z. B. aus EP 1 576 429 B1 oder DE 10 2004 005 919 A1 bekannt. Dabei haben sie erkannt, dass dann beim Haspeln, also Aufwickeln oder Abspulen des Bandes, eine entsprechende Steuerung in Abhängigkeit von den z. B. die Mikrostruktur betreffenden Materialeigenschaften besonders vorteilhaft ist. Besonders vorteilhaft ist es, die Modellrechnung zur Ermittlung der Korngröße, des Korngefüges bzw. der Molekular- oder Atomarverteilung zu verwenden.
Außerdem ist es von Vorteil, falls zusätzlich zu den jeweils aktuellen und veränderlichen Werten für Bandtemperatur und Materialeigenschaft auch eine statische Materialeigenschaft des Bandes an die Steuereinrichtung übergeben wird, insbesondere ein Materialtyp, eine Warmfließgrenze als Funktion der Stahlsorte, ein Legierungscode, eine Information über eine chemische Analyse oder Zusammensetzung des Bandmaterials und/oder zugehörige Korrekturfaktoren.
Gemäß einer speziellen oder alternativen Ausführung wird der Istwert, der zur Drehmoment-(Soll)wertermittlung verwendet wird, nicht gemessen, insbesondere nicht unmittelbar im Bereich der Haspeleinrichtung gemessen, sondern aus einer Modellberechnung ermittelt. Dies ist vom Vorteil, weil exakte Messungen von Temperatur oder Materialeigenschaften des Bandes wegen der dort herrschenden Umgebungsbedingungen (Hitze, Schmutz) nicht immer ohne großen Aufwand möglich sind. Insbesondere liefern diese Messungen nur einen Punktwert über die Bandbreite, Banddicke, etc. Mit einer Modellberechnung ist es möglich, aus anderen Startparametern beispielsweise einen Temperaturwert oder eine Materialeigenschaft unmittelbar im Bereich der Haspeleinrichtung vorauszurechnen, beispielsweise aus Messwerten oder Daten, die an anderer Stelle im vorgelagerten Walzwerk gewonnen wurden. Die Modellberechnung kann optional (auch) mehrere oder viele Punktwerte räumlich verteilt über die Bandbreite und/oder Banddicke ermitteln.
Vorzugsweise gibt die Steuereinrichtung an den Haspel auch eine Haspelsolldrehzahl und/oder gegebenenfalls an die Treibrolle auch eine Rollensolldrehzahl aus, so dass die Steuereinrichtung den Haspel und gegebenenfalls die Treibrolle vorzugsweise drehzahlgeregelt betreiben kann. Auch ein drehzahlbegrenzter Betrieb ist möglich.
Die eingangs genannte Aufgabe wird bezogen auf die eingangs genannte Steuereinrichtung gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass die Steuereinrichtung derart ausgebildet ist, dass sie den Haspel und gegebenenfalls die Treibrolle gemäß dem vorgenannten Betriebsverfahren betreibt. Für das Betriebsverfahren genannte Vorteile und bevorzugte Ausführungen gelten für die Steuereinrichtung analog.
Hierzu weist die Steuereinrichtung mit besonderem Vorteil einen Sensor zur Messung einer aktuellen Eigenschaft des Bandes auf, insbesondere einen Temperatursensor.
Die eingangs genannte Aufgabe wird bezogen auf das eingangs genannte Steuersystem gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass das Steuersystem folgende Mittel aufweist:

– mindestens einen Sensor zur Messung einer aktuellen Eigenschaft des Bandes,
– eine Steuereinrichtung, die Drehmomentberechnungsmittel aufweist, um aus einem Istwert der aktuellen Eigenschaft des Bandes einen aktuellen Drehmomentwert zu berechnen, und
– mindestens eine Antriebsregeleinrichtung für den Haspel und/oder die Treibrolle, der der Drehmomentwert zugeführt ist.

Der Sensor ist insbesondere ein Temperatursensor, vorzugsweise ein berührungsloser Sensor.
Die Sensordaten werden in der Steuereinrichtung zur Ermittlung des jeweils aktuellen Drehmomentwerts verwendet. Der Drehmomentwert kann als Drehmomentsollwert und/oder als Drehmomentgrenzwert verwendet werden. Zum Beispiel falls die Antriebe drehzahlübersteuert betrieben werden, sind beide Begriffe als inhaltsgleich anzusehen.
Alternativ oder zusätzlich zu dem Sensor weist die Steuereinrichtung oder das Steuersystem eine Modellberechnungseinheit auf zur modellbasierten Berechnung einer aktuellen Eigenschaft des Bandes, insbesondere zur Berechnung einer die Mikrostruktur des Bandes kennzeichnenden Eigenschaft. Es kommen insbesondere bekannte Modelle für das thermodynamische Verhalten eines Materials, z. B. sog. Microstructure-Modelle und/oder Phasenumwandlungsmodelle, in Betracht.
Vorteile und bevorzugte Ausgestaltungen, welche im Zusammenhang mit dem Betriebsverfahren genannt wurden, gelten für das Steuersystem analog.
Bezogen auf die eingangs genannte Haspeleinrichtung wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe dadurch gelöst, dass die Steuereinrichtung oder das Steuersystem wie vorstehend beschrieben ausgebildet ist.
Auch ein Datenträger mit einem das Betriebsverfahren abbildenden Programmcode löst die Aufgabe.
Zwei Ausführungsbeispiele einer Haspeleinrichtung nach der Erfindung samt zugehörigem Betriebsverfahren werden nachfolgend anhand der 1 bis 4 näher erläutert. Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Haspeleinrichtung nach der Erfindung mit mehreren Sensoren,
2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Haspeleinrichtung nach der Erfindung mit einer Modellberechnungseinheit,
3 Einzelheiten zum Zusammenwirken einer Steuereinheit mit einer Antriebsregeleinrichtung am Beispiel des Haspelantriebs der vorgenannten Ausführungsbeispiele (für alternativen Treibrollenantrieb analog), und
4 eine Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsbeispiele unter Zusammenwirken der Steuereinheit mit einer Kraftregeleinrichtung der Treibrolle(n).
Gemäß 1 ist eine Haspeleinrichtung 1 einer Walzstrasse zum Warmwalzen oder Kaltwalzen eines Stahlbandes 2 nachgeordnet, wobei die Walzstrasse aus Gründen der Übersichtlichkeit nur mit einem in Durchlaufrichtung letzten Walzgerüst 3 und der Haspeleinrichtung 1 dargestellt ist. Das gewalzte Band 2 läuft mit einer Bandgeschwindigkeit V aus dem letzten Walzgerüst 3 aus. Es wird nach Durchlaufen einer z. B. laminar kühlenden Kühlstrecke 4, die ca. 100 m lang sein kann, der Haspeleinrichtung 1 zugeführt und dort aufgehaspelt. Die Länge der Haspeleinrichtung 1 selbst beträgt typisch 5 m.
Die Haspeleinrichtung 1 weist einen Spannhaspel oder Haspel 5, eine als Treibrollenpaar ausgebildete Treibrolle 7 und eine Steuereinrichtung 10 auf. Der Haspel 5 weist einen aufspreizbaren Haspeldorn auf. Die Treibrolle 7 ist dem Haspel 5 vorgeordnet, d. h. sie ist zwischen dem Haspel 5 und dem letz ten Walzgerüst 3 der Walzstrasse angeordnet. Die Steuereinrichtung 10 steuert den Haspel 5 und die Treibrolle 7 an, legt also deren Betriebsweise und Zusammenwirken fest. Sie ist vorzugsweise als prozessgesteuerte Steuereinrichtung 10 ausgebildet, in welcher bevorzugt eine Prozessoreinrichtung mit einem darin geladenen Computerprogramm arbeitet. In die Steuereinrichtung 10 ist ein Computerprogramm zur Ausführung des Betriebsverfahrens nach der Erfindung mittels eines Datenträgers 40 ladbar.
Aufgrund des Computerprogramms betreibt die Steuereinrichtung 10 den Haspel 5 und die Treibrolle 7 auf folgende Weise:
Die Steuereinrichtung 10 steht über Leitungen 12, 14 mit je einer Antriebsregeleinrichtung 16 bzw. 18 für die Antriebselemente oder Motoren M₁, M₂ der Treibrolle 7 bzw. des Haspels 5 in Verbindung. Über die erste Leitung 12 übergibt die Steuereinrichtung 10 an die Antriebsregeleinrichtung 16 für den Haspel 5 eine Haspelsolldrehzahl f_H und einen in Bandlaufrichtung wirkenden aktuellen Haspel-Drehmomentsollwert M_H. Über die zweite Leitung 14 gibt die Steuereinrichtung 10 an die Antriebsregeleinrichtung 18 für die Treibrolle 7 eine Rollensolldrehzahl f_R und einen in Bandlaufrichtung wirkenden Rollen-Drehmomentsollwert M_R. Je nach Betriebsphase des Haspelvorgangs kann der Rollen-Drehmomentsollwert M_R auch gegen die Bandlaufrichtung wirken. Alternativ zu dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel kann entweder nur der Haspel 5 oder nur der „Treiber", also z. B. die Treibrolle 7 bzw. das Treibrollenpaar, von der Steuereinrichtung 10 unter Verwendung des jeweiligen aktuellen Drehmomentwerts M_H bzw. M_R betrieben werden.
Die Drehmomentsollwerte M_H, M_R können im dargestellten Ausführungsbeispiel auch als Drehmomentgrenzwerte verstanden werden, weil die Antriebe hierbei drehzahl-übersteuert betrieben werden, d. h. der Drehzahlregler erreicht nie seine Solldrehzahl, weil das Band nicht schnell genug aus dem Walzwerk kommen kann. Dies gilt für den sog. eingespannten Be trieb des Walzwerks, bei dem das Band beidseitig eingespannt ist. Dieser Normalbetriebsphase vor- bzw. nachgeschaltet ist eine Anwickelphase bzw. eine Ausfädelphase, in welchen die Drehzahlregelung anders erfolgen muss.
Die Steuereinrichtung 10 ermittelt die Drehmomentsollwerte M_H, M_R automatisch, aktiv und kontinuierlich basierend auf jeweils aktuellen Istwerten derjenigen Parameter, welche die Steifigkeit des Bandes über den gesamten Wickelprozess hin bestimmen. Im gezeichneten Beispiel sind hierzu nach einem optischen Messprinzip, z. B. der Bolometrie, fungierende Temperatursensoren 19, 20, 21, 22 vorhanden, die an verschiedenen Stellen des Bandes, nämlich zwischen dem letzten Walzgerüst 3 und dem aus Treibrolle 7 und Haspel 5 gebildeten Haspelsystem, hierbei bevorzugt unmittelbar nach dem letzten Walzgerüst 3, ferner unmittelbar vor der Treibrolle 7, zwischen der Treibrolle 7 und dem Haspel 5 und unmittelbar vor dem Haspel 5, jeweils online und kontinuierlich Temperaturwerte T₀, T₁, T₂ bzw. T₃ messen. Die beiden ersten Temperatursensoren 19, 20 (T₀ bzw. T₁) sind besonders bevorzugt. Aus den jeweils aktuellen Temperaturwerten T₀, T₁, T₂, T₃ ermittelt die Steuereinrichtung 10 jeweils aktuell, in Echtzeit, online und kontinuierlich die Drehmomentsollwerte M_H, M_R derart, dass eine Variation in dem im Band 2 wirkenden Wickelmoment oder ein Bandzug verringert oder vorzugsweise konstant ist. Dabei wird auf an sich bekannte Zusammenhänge abgestellt, z. B. dass die Steifigkeit mit zunehmender Temperatur abnimmt. Bei zunehmender Temperatur wird das Drehmoment verringert. Messung (Istwerterfassung) und Drehmomenterrechnung finden mit einer Wiederholperiode von ca. 8 ms bis 16 ms statt. Es findet also eine dynamische Drehmomentgrenzwertbildung statt.
Alternativ zur Bandtemperatur T₀, T₁, T₂, T₃ kann auch – nicht explizit dargestellt – eine aktuelle Materialeigenschaft des Bandes gemessen werden. Außerdem ist es vom Vorteil, dass zusätzlich zu den dynamisch veränderlichen Temperatur- oder Materialeigenschaftsdaten der Steuereinrichtung 10 von einem übergeordneten Leitrechner 25 Informationen oder Daten über statische Materialeigenschaften des Bandes, beispielsweise dem Materialtyp etc., übergeben werden.
Die Steuereinrichtung 10 zusammen mit den Antriebsregeleinrichtungen 16, 18 und den Temperatursensoren 19, 20, 21, 22 bildet ein Steuersystem 11 für die Haspeleinrichtung 1.
Das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel ist mit dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel identisch mit dem Unterschied, dass an Stelle der Temperatursensoren 19, 20, 21, 22 eine – z. B. in den Leitrechner 25 integrierte – Modellberechnungseinheit 30 gebildet ist, welche Inputdaten vom Leitrechner 25 oder von einer anderen Datenverarbeitungseinheit, Datenerfassungseinheit oder Dateneingabeeinheit 50 erhält, wobei diese Daten Messwerte bezüglich Bandtemperatur oder Bandeigenschaft an anderer Stelle im vorgelagerten Walzwerk sein können. Der Leitrechner 25 bzw. die Modellberechnungseinheit 30 erhalten die aktuell errechneten Drehzahl- und Momentensollwerte über die Steuereinheit 10 zur Adaption mitgeteilt. Die Modellberechnungseinheit 30 berechnet unter Verwendung einschlägiger Wärmeleitgleichungen und Wärmestrahlungsgesetze die Temperaturen T₀, T₁, T₂, T₃ des Bandes 2 im Bereich der Haspeleinrichtung 1 und fingiert auf diese Weise tatsächliche Messwerte. Die Sensoren 19, 20, 21, 22 der 1 sind in diesem Falle nicht unbedingt erforderlich. Die Messparameter gemäß Modell werden an die Steuereinrichtung 10 zur weiteren Berechnung der Drehmomente M_H, M_R gesandt.
Die Modellberechnungseinheit 30 kann alternativ oder zusätzlich Istwerte von Materialeigenschaften, z. B. Steifigkeit, Zugfestigkeit, Korngefüge, Gibbsschen freien Enthalpie etc., an beliebigen Stellen errechnen. Hierbei kann auf die an sich bekannten Modellierverfahren, wie z. B. beschrieben in EP 1 576 429 B1 oder DE 10 2004 005 919 A1 , zurückgegriffen werden. Die Modellberechnungseinheit 30 kann dabei in Echtzeit oder zumindest für die Bandregelung ausreichend schnell eine Größe berechnen, welche als Maß für die mit dieser Schnelligkeit nicht unmittelbar erfassbare aktuelle Mikrostruktur des Bandes fungiert. Beispielsweise wird für die Steifigkeit des Bandes die Warmfließgrenze („Hot yield point", abgekürzt HYP) als Maß verwendet, gemessen in N/mm².
Somit ist auch eine Kombination der Ausführungsbeispiele der 1 und 2 sinnvoll:

– Messung der Temperaturen T₀, T₁, T₂, T₃ oder von anderen Materialzustandsgrößen an den in 1 gezeigten Stellen durch Sensoren 19, 20, 21, 22 und
– Berechnung von Materialeigenschaften durch die Modellberechnungseinheit 30 an denselben (oder anderen) Stellen.

Die Erfindung beruht auf einer aktiven Anpassung der Drehmomentberechnung basierend auf Istwerten der jeweiligen Parameter, welche die Steifigkeit des Bandes 2 über den gesamten Wickelprozess hinweg bestimmen, z. B. Bandtemperatur und – vorzugsweise die Mikrostruktur des Bandes widerspiegelnde – Materialeigenschaften. Dabei kann als Istwert auch eine aktuelle Modellberechnung, unter anderem auch eine Gefügeberechnung hinsichtlich der Materialeigenschaft, herangezogen werden. Der Vorteil liegt in einem gleichmäßigeren Wickelmoment, d. h. Zugmoment auf der Materialseite (im Material), und führt somit zur besseren Wickelqualität und konstanteren Bandzügen. Gemäß der Erfindung wird die Drehmomentberechnung und somit die Drehmomentvorgabe an die Haspelmotore M1, M2 auf Istwerte und aktuelle Bandeigenschaften bezogen, und nicht auf Sollvorgaben, die während des Wickelvorgangs unverändert blieben. Dadurch sind die Nachteile von während des Wickelvorgangs unverändert bleibenden Sollvorgaben, nämlich die sich ergebenden Abweichungen zwischen Soll- und Istwert, die die Wickelqualität negativ beeinflussen, vermieden. Die Qualität des gewickelten Bandes, wie z. B. konstante Dicke und Breite, ist verbessert.
3 zeigt Einzelheiten zum Aufbau der Steuereinheit 10 und der Antriebsregeleinrichtung 16 des Haspelantriebs sowie de ren Zusammenwirken. Für den alternativen oder zusätzlichen Treibrollenantrieb gilt diese Figurenbeschreibung analog.
Die Steuereinheit 10 erhält – z. B. vom Leitrechner 25 – die sog. Set-up-Banddaten, insbesondere die gewünschte Banddicke d und Bandbreite b. Ferner erhält sie die Werte, welche die aktuellen Bandeigenschaften widerspiegeln, also z. B. Messwerte für die Temperaturen T₀, T₁, T₂, T₃ oder von der Modellberechnungseinheit 30 berechnete oder simulierte Werte für die Materialeigenschaften oder für die aktuelle Mikrostruktur des Bandes 2. Die Daten und Werte gelangen in ein Drehmomentberechnungsmodul 61, welches den Drehmomentsollwert M_H berechnet.
Ferner berechnet ein Drehzahlberechnungsmodul 62 der Steuereinheit 10 in Abhängigkeit von der vom Leitrechner 25 vorgegebenen Wickelphase die Haspelsolldrehzahl f_H. Wickelphasen für eine zu erzeugende Bandrolle (coil) sind insbesondere „Anwickeln" (Startphase), „eingespannter Zustand" (Betriebsphase) und „Ausfädeln" (Endphase). Die Haspelsolldrehzahl f_H für den Haspelmotor M₂ wird über die Leitung 12 einem Drehzahlregelkreis zugeführt. Typische Werte liegen im Bereich von 500 bis 1000 Umdrehungen pro Minute. Zur Bildung des Regelkreises ist dem Haspelmotor M₂ ein Drehzahlmesser 63 zugeordnet, dessen gemessene aktuelle Drehzahl f_act als Regelgröße zur Berechnung der Regeldifferenz „f_act – f_H" für einen in der Antriebsregeleinrichtung 16 gebildeten Drehzahlregler 64 dient. Der Ausgangswert des Drehzahlreglers 64 ist ein Drehmomentwert, der nach Umrechnung über den Motorfluss Φ_E zu einem Haspelsollmotorstrom i_H wird. Der Haspelsollmotorstrom i_H dient als Eingangsgröße für einen Stromregler 65, der ebenfalls in der Antriebsregeleinrichtung 16 gebildet ist. Dem Stromregler 65 ist als Regelgröße ein von einem Strommesser 66 gemessener aktueller Motorstrom i_act eingangsseitig zugeführt. Der Stromregler 65 regelt den Antriebsstrom des Haspelmotors M₂.
Bestandteil der Antriebsregeleinrichtung 16 ist außerdem ein Drehmomentbegrenzungsmodul 68, welches den vom Drehzahlregler 64 ermittelten Drehmomentwert begrenzt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist durch die beiden Pfeile M– und M+ angedeutet, dass dem Drehmomentbegrenzungsmodul 68 sowohl eine obere Grenze als auch eine untere Grenze, beide dann als Drehmomentsollwert M_H bezeichnet, vom Drehmomentberechnungsmodul 61 übermittelt werden kann (über die Leitung 12). Die obere Grenze wird bevorzugt für den Haspel 5 und die Treibrolle 7, die untere Grenze vorzugsweise nur für die Treibrolle 7 verwendet, deren Ansteuerung und Regelung im Übrigen analog zum Haspel 5 erfolgen kann. Die obere Grenze kommt vorzugsweise im „eingespannten Zustand" zur Vermeidung einer Überschreitung der Streckgrenze des Bandes 2 zur Anwendung, die untere Grenze in den anderen Wickelphasen.
Die obere Grenze des Drehmomentsollwertes M_H wird im Drehmomentberechnungsmodul 61 aus vier Teilmomenten durch Addition gebildet: MH = MH,Z + MH,B + MH,A + MH,R
Die vier rechnerisch ermittelten Teilmomente am Beispiel des Haspeldorns sind:

a) ein Zug(dreh)moment M_H,Z um das Band 2 straff zu halten: MH,Z = Z·D/2mit Z = Sspec·b·d·kt

Z:: Haspelzug
D:: (Aktueller) Rollendurchmesser, Bunddurchmesser
d:: Banddicke
b:: Bandbreite
kt:: Korrekturfaktor Haspelzug
S_spec:: Spezifischer Haspelzug

b) ein Biege(dreh)moment M_H,B um das Band 2 auf dem Haspel 5 zu wickeln: MH,B = b·(d2/4)·Sspec·fcorr

f_corr:: Korrekturfaktor

c) ein Beschleunigungsmoment M_H,A zur Überwindung von Trägheitskräften:

i:: Getriebeverhältnis
J_Fix:: Trägheitsmoment (Motorseite)
D₀:: Haspeldurchmesser
ρ:: Spezifische Dichte (von Stahl)
π:: 3,14 ..
dV/dt:: Beschleunigung

d) ein Reibungsmoment M_H,R zur Überwindung von Reibungseinflüssen. Dieses hängt von der Konstruktion der Lager, der Schmierung und der Geschwindigkeit ab und kann während der Inbetriebsetzung ermittelt und später ggf. aktualisiert werden.

Der spezifische Haspelzug S_spec ändert sich als Funktion der aktuellen Bandeigenschaften. Im Prinzip geht hier die Steifigkeit/Härte des Bandes ein, welche von der Mikrostruktur und auch von der Bandtemperatur abhängig ist.
Insbesondere das Zugdrehmoment M_H,Z und das Biegemoment M_H,B sind außer von der Banddicke d und der Bandbreite b somit stark vom HYP abhängig, somit also von der aktuellen Bandtemperatur T. Je nach Anforderungsfall kann für die in die Berechnung Eingang findende aktuelle Bandtemperatur T genau einer oder mehrere, z. B. gemittelte, der Temperaturwerte T₀, T₁, T₂, T₃ verwendet werden.
Damit kann die erfindungsgemäße Steuereinrichtung 10 dynamisch auf sich verändernde Bandtemperaturen reagieren und somit bei variierendem Motordrehmoment eine weitgehend konstantes Wickelmoment im Band 2 gewährleisten, also ungewünschte Zugschwankungen und Bandqualitätsverluste vermindern.
War es bislang üblich, den spezifischen Haspelzug im Setup, also bevor das Band gewickelt wird, vom Level 2 als starren, wenn auch von Bandeigenschaften (Stahlklasse und Temperatur) abhängigen Wert an die Automatisierung zu senden, so wird demgegenüber bei dem erfindungsgemäßen Beispiel davon ausgegangen, dass die Temperatur und/oder die Stahleigenschaft (Mikrostruktur) während des Wickelns nicht konstant ist/sind. Daher wird kein fixer Wert über die gesamte Bandlänge verwendet, sondern der (fixe) Anfangswert wird durch die gemessene Band-ist-Temperatur und/oder die modellierten Mikrostrukturen während des Wickelns fortlaufend korrigiert. Dadurch lässt sich z. B. eine Profilkühlung, ein Modus, bei welchem der Bandkopf heißer gefahren wird als der Mittelteil des Bandes, besonders vorteilhaft durchführen. Dabei wird für den Mitteteil (= Hauptteil des Bandes) ein anderes Zugmoment und Biegemoment verwendet als für den Bandkopf.
In 4 ist eine Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsbeispiele dargestellt, bei der die Steuereinheit 10 mit einer Kraftregeleinrichtung oder Anstellungsregeleinrichtung 80 der Treibrolle(n) 7 zusammenwirkt:
Die Drehmomentgrenzen bestimmen das Motordrehmoment M_R, M_H und den Zug im Band. Der Haspel 5 hat mit seinem Dorn quasi eine formschlüssige Verbindung und das Band kann im Regelfall nicht "rutschen".
Beim Treibrollenpaar 7, also zwei übereinander angeordnete Rollen, die mit einer Kraft F zusammengepresst werden, gibt es diesen Formschluss nicht und bei zu geringer Treiberkraft F bzw. zu hohem Drehmoment M_R kann die Rolle den Kontakt zum Band 2 verlieren und "durchrutschen". Somit besteht ein Zusammenhang zwischen aufzubringendem Rollen-Drehmomentsollwert M_R („Treiberdrehmoment") und der Treibersollkraft F_R.
Es ist somit vorteilhaft mit der Größe des Drehmomentwertes M_R den Kraftsollwert F_R entsprechend anzupassen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist hierzu in der Steuereinheit 10 ein Kraftberechnungsmodul 81 gebildet, welches aus dem Rollen-Drehmomentsollwert M_R und ggf. weiteren Einflussgrößen die Treibersollkraft F_R berechnet. Die Treibersollkraft F_R ist der Anstellungsregeleinrichtung 80 des Treibers zugeführt, und zwar einem darin gebildeten Kraftregler 82. Zur Bildung des Kraftregelkreises ist eine auf das Rollenpaar 7 wirkende hydraulische Anstellung 83 vorhanden, auf welche der Regler 82 mittels eines angesteuerten Ventils 84 Einfluss nimmt. Die Anstellbewegung ist durch den Doppelpfeil 85 dargestellt. Ein nicht dargestellter Messaufnehmer misst den aktuellen hydraulischen Druck p_act. Dieser wird nach Umrechnung in eine aktuelle Treiberkraft F_act dem Eingang des Kraftreglers 82 als Regelgröße zugeführt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 0790084 B1 [0003]
- EP 157642931 B1 [0019]
- DE 102004005919 A1 [0019, 0045]
- EP 1576429 B1 [0045]

Claims

Betriebsverfahren für eine Haspeleinrichtung (1) zum Auf oder Abhaspeln eines Bandes (2), die zumindest einen Haspel (5), optional mindestens eine dem Haspel (5) zugeordnete Treibrolle (7), und eine Steuereinrichtung (10) für den Haspel (5) und gegebenenfalls für die Treibrolle (7) aufweist, wobei – durch Messung oder Modellberechnung ein Istwert einer aktuellen Eigenschaft des Bandes (2) ermittelt wird, – von der Steuereinrichtung (10) aus dem Istwert oder aus einer hieraus abgeleiteten Größe ein in und/oder entgegen der Bandlaufrichtung wirkender aktueller Drehmomentwert (M_H, M_R) ermittelt wird, und – die Steuereinrichtung (10) den Haspel (5) und/oder die Treibrolle (7) unter Verwendung des aktuellen Drehmomentwerts (M_H, M_R) betreibt.
Betriebsverfahren nach Anspruch 1, wobei das Band (2) ein Stahlband oder ein Nichteisenband in einem Walzwerk und/oder in einer nachgeschalteten Behandlungslinie ist.
Betriebsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuereinrichtung (10) fortlaufend Drehmomentwerte (M_H, M_R) derart ermittelt, dass eine Variation in dem im Band (2) wirkenden Wickelmoment oder Bandzug verringert ist, wobei das Wickelmoment oder der Bandzug vorzugsweise konstant sind.
Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Ermittlung des Istwertes in Echtzeit, online und/oder kontinuierlich erfolgt, insbesondere mit einer Rate von mindestens 50 Messungen pro Sekunde.
Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Steuereinrichtung (10) den Haspel (5) und/oder die Treibrolle (7) momentenbegrenzt betreibt.
Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Ermittlung des Istwertes zwischen dem Haspel (5) und der Treibrolle (7) und/oder unmittelbar vor der Treibrolle (7), und/oder zwischen dem aus dem Haspel (5) und der optionalen Treibrolle (7) gebildeten Haspelsystem und einem dem Haspelsystem vorgelagerten Walzgerüst (3), insbesondere unmittelbar nach dem Walzgerüst (3), erfolgt.
Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei als Istwert eine Bandtemperatur (T₀, T₁, T₂, T₃) gemessen oder eine hieraus abgeleitete Größe verwendet wird.
Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine aktuelle Materialeigenschaft des Bandes (2) gemessen oder durch Modellberechnung ermittelt wird, insbesondere eine Steifigkeit, eine Zugfestigkeit, eine Oberflächengüte, eine geometrische Abmessung, eine Korngröße, ein Korngefüge, eine Gibbssche freie Enthalpie und/oder eine Molekular- oder Atomarverteilung.
Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei eine statische Materialeigenschaft des Bandes (2) an die Steuereinrichtung (10) übergeben wird, insbesondere ein Materialtyp, ein Legierungscode, eine Information über eine chemische Analyse des Bandmaterials und/oder zugehörige Korrekturfaktoren.
Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Steuereinrichtung (10) an den Haspel (5) eine Haspelsolldrehzahl (f_H) und gegebenenfalls an die Treibrolle (7) eine Rollensolldrehzahl (f_R) ausgibt.
Betriebsverfahren nach Anspruch 10, wobei die Steuereinrichtung (10) den Haspel (5) und gegebenenfalls die Treibrolle (7) drehzahlgeregelt betreibt.
Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Steuereinrichtung (10) den Haspel (5) und ggf. die Treibrolle drehzahlbegrenzt betreibt.
Steuereinrichtung (10) für eine Haspelanordnung zum Auf- oder Abhaspeln eines Bandes (2), wobei die Haspelanordnung einen Haspel (5) und optional mindestens eine dem Haspel (5) zugeordnete Treibrolle (7) aufweist, wobei die Steuereinrichtung (10) derart ausgebildet ist, dass sie den Haspel (5) und/oder gegebenenfalls die Treibrolle (7) gemäß einem Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 betreibt.
Steuereinrichtung (10) nach Anspruch 13, welche einen Sensor (19, 20, 21, 22) zur Messung einer aktuellen Eigenschaft des Bandes (2) aufweist.
Steuereinrichtung (10) nach Anspruch 14, wobei der Sensor (19, 20, 21, 22) ein Temperatursensor ist.
Steuereinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 13 bis 15, welche eine Modellberechnungseinheit (30) aufweist zur modellbasierten Berechnung einer aktuellen Eigenschaft des Bandes (2), insbesondere zur Berechnung einer die Mikrostruktur des Bandes (2) kennzeichnenden Eigenschaft.
Steuersystem (11) für eine Haspelanordnung zum Auf- oder Abhaspeln eines Bandes (2), wobei die Haspelanordnung einen Haspel (5) und optional mindestens eine dem Haspel (5) zugeordnete Treibrolle (7) aufweist, mit: – mindestens einem Sensor (19, 20, 21, 22) zur Messung einer aktuellen Eigenschaft des Bandes (2), – einer Steuereinrichtung (10), die Drehmomentberechnungsmittel aufweist, um aus einem Istwert der aktuellen Eigenschaft des Bandes (2) einen Drehmomentwert (M_H, M_R) zu berechnen, und – mindestens eine Antriebsregeleinrichtung (16, 18) für den Haspel (5) und/oder die Treibrolle (7), der der Drehmomentwert (M_H, M_R) zugeführt ist.
Steuersystem (11) nach Anspruch 17, wobei der Sensor (19, 20, 21, 22) ein Temperatursensor ist.
Steuersystem (11) nach Anspruch 17 oder 18, welche(s) eine Modellberechnungseinheit (30) aufweist zur modellbasierten Berechnung einer aktuellen Eigenschaft des Bandes (2), insbesondere zur Berechnung einer die Mikrostruktur des Bandes (2) kennzeichnenden Eigenschaft.
Haspeleinrichtung (1) zum Aufhaspeln eines Bandes (2), die einen Haspel (5), optional eine dem Haspel (5) zugeordnete Treibrolle (7), und eine Steuereinrichtung (10) für den Haspel und gegebenenfalls für die Treibrolle (7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 13 bis 16 ausgebildet ist.
Haspeleinrichtung (1) zum Aufhaspeln eines Bandes (2), die einen Haspel (5), optional eine dem Haspel (5) zugeordnete Treibrolle (7), und ein Steuersystem (11) für den Haspel und gegebenenfalls für die Treibrolle (7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersystem (11) nach einem der Ansprüche 17 bis 19 ausgebildet ist.
Datenträger (40) mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm zur Durchführung des Betriebsverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wenn das Betriebsverfahren in die Steuereinrichtung (10) geladen ist.