DE10065351A1 - Kompensationssystem für periodische Stärkeabweichungen - Google Patents
Kompensationssystem für periodische StärkeabweichungenInfo
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Abstract
Es wird ein Steuer/Regelsystem für ein Walzwerk geschaffen, das Bahnmaterial von einer Abwicklungshaspel einer Aufwicklungshaspel zuführt und zwischen zwei Arbeitswalzen hindurchführt. Das Steuer/Regelsystem enthält einen Geschwindigkeitssensor zum Erfassen der Geschwindigkeit des Bahnmaterials und einen Sensor zum Messen der Materialdicke. Eine Kraftsteuervorrichtung steuert die von den Arbeitswalzen auf das Bahnmaterial ausgeübte Kraft. Eine Zugsteuervorrichtung steuert den Zug an der Abwicklungshaspel. Eine programmierte Steuer/Regelvorrichtung ist mit dem Geschwindigkeitssensor, der Kraftsteuervorrichtung und der Zugsteuervorrichtung betätigungsverbunden und speichert Informationen, die zyklische Abweichungen der Dicke des Bahnmaterials darstellen, und steuert die Kraftsteuervorrichtung und die Zugsteuervorrichtung unter Verwendung der gespeicherten Informationen und der erfaßten Geschwindigkeit.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf Walzsysteme zum Reduzieren der Dicke
eines Bandmaterials und insbesondere auf ein Kompensationssystem für
periodische Stärkeabweichungen.
Wenn ein Streifen eines Bandmaterials, wie z. B. ein Metall, eine
Faserstoffbahn oder ein Film, in der Stärke oder Dicke reduziert werden
muß, wird das Material normalerweise mittels eines Walzwerks verarbeitet.
Das Walzwerk führt den Materialstreifen unter Druck zwischen
zylindrischen Walzoberflächen hindurch. Im Idealfall erzeugt das Walzwerk
eine Wicklung des Bandes mit einer geringeren und konstanten Stärke.
Ein typisches Einzelständer-Walzwerk führt das Material von einer Abwick
lungshaspel einer Aufwicklungshaspel zu. Der Materialstreifen wird
zwischen den Arbeitswalzen hindurchgeführt, auf die mittels Stützwalzen
eingewirkt wird. Auf wenigstens eine der Stützwalzen wird eine Kraft
ausgeübt. Typischerweise sind die Arbeitswalzen, die Stützwalzen und die
Abwicklungs- und Aufwicklungshaspeln aus mehreren Gründen nicht
perfekt zylindrisch, die z. B. Temperatureffekte, Abnutzung und
mechanische Ungenauigkeiten umfassen. Folglich werden während des
Walzens dem Metall periodische Abweichungen eingepreßt. Außerdem
können durch eine frühere Verarbeitung den Materialbahnen zyklische
Störungen eingepreßt worden sein. Periodische oder zyklische Störungen in
der Stärke sind offensichtlich unerwünscht. Tatsächlich bilden sie die
bedeutendste Komponente der Materialdickenabweichung in modernen
Walzwerken. Diese Dickenabweichungen sind ein wichtiger Gesichtspunkt
bei der Herstellung von Bahn-, Faserstoffbahn- und Filmmaterialien, wie
z. B. Papier, Kunststoff und Metall.
Die Frequenzen der zyklischen Störungen sind eine Funktion der Drehfre
quenzen und der zugehörigen Oberschwingungen der mechanischen
Komponenten, die im Walzprozeß verwendet werden. Die Störungen
schwanken typischerweise mit hohen Frequenzen bezüglich der Frequenz
antwort herkömmlicher Stärkeregelungen. Dies macht es schwierig, deren
Effekte mit Standard-Regelungstechniken zu eliminieren, die die gemessene
Dicke verwenden. Eine bekannte Lösung tastet die Ausgangsdicke der
Bahn in festen Winkelintervallen auf der Grundlage eines Signals ab, das
von einem auf der Walzenachse montierten Codierer gelesen wird. Diese
Technik synchronisiert die Abtastung mit der Winkelverschiebung der
Walze, wodurch sichergestellt wird, daß die Phasenbeziehung zwischen der
Störung, der Messung und der Regelung fest bleibt. Für jede Umdrehung
der Walze wird die schnelle Fouriertransformation des Abtastsignals
berechnet, um die Phase und die Größe der Stärkestörungen bei
Frequenzen zu ermitteln, die ganzzahlige Vielfache der Walzendrehzahl
sind. Diese Frequenzen sind festgelegt und es werden nur diese
Frequenzen verfolgt. Aus diesen Informationen wird ein Ausgangssignal
zum Steuern der Walzentrennkraft oder des Arbeitswalzenspalts berechnet,
um die Exzentrizitätsstörung zu korrigieren. Eine solche Lösung erfordert
jedoch die Montage und kontinuierliche Einstellung von Codierern an den
Walzen. Außerdem vernachlässigen diese Systeme zyklische Störungen des
ankommenden Materials. Ferner korrigiert diese Lösung nicht den Schlupf
oder das Fließpressen, die im Prozeß auftreten, was dann zu
Phasenverschiebungen führt. Dies kann bewirken, daß das Walzwerk das
Problem verstärkt, statt das Problem zu korrigieren.
Die vorliegende Erfindung soll eines oder mehrere der obenbeschriebenen
Probleme in neuartiger und einfacher Weise lösen.
Gemäß der Erfindung wird ein Walzwerk-Steuer/Regelsystem geschaffen,
das zyklische Störungen einer Bahn oder einer Faserstoffbahn entfernt oder
eliminiert durch Anwenden digitaler Signalverarbeitungstechniken, um Kurz-
und Langzeitwerte von Frequenzen, Amplituden und Phasenwinkeln der
Störungen zu identifizieren. Dieses System erfordert nicht die Verwendung
von Winkelpositionscodierern an den Zielwalzen. Statt dessen beruht das
Steuerungs/Regelungsschema auf der Materialgeschwindigkeit durch das
Walzwerk. Die Informationen über zyklische Störungen werden verarbeitet,
um einen Satz von Kompensationssteuersignalen zu entwickeln, die dann,
wenn sie Prozeßstellgliedern zugeführt werden, die Störungen des
gelieferten Produkts deutlich abschwächen oder eliminieren.
Allgemein wird ein Steuer/Regelsystem für eine Walzwerk geschaffen, das
Bahnmaterial von einer Abwicklungshaspel zu einer Aufwicklungshaspel
liefert und es zwischen zwei Arbeitswalzen hindurchführt. Das
Steuer/Regelsystem enthält einen Geschwindigkeitssensor zum Erfassen
der Geschwindigkeit des Bahnmaterials. Eine Kraftsteuervorrichtung steuert
die auf das Bahnmaterial mittels der Arbeitsrollen ausgeübte Kraft. Eine
Zugsteuervorrichtung steuert den Zug an den Haspeln. Eine programmierte
Steuer/Regelvorrichtung ist mit dem Geschwindigkeitssensor, der
Kraftsteuervorrichtung und der Zugsteuervorrichtung betätigungsverbunden
und speichert Informationen, die die zyklischen Abweichungen der Stärke
des Bahnmaterials darstellen, und steuert die Kraftsteuervorrichtung und
die Zugsteuervorrichtung unter Verwendung der gespeicherten
Informationen und der erfaßten Geschwindigkeit.
Es ist ein Merkmal der Erfindung, daß die Kraftsteuervorrichtung so
betrieben wird, daß sie Arbeitsspaltabweichungen korrigiert, die durch
Störungen hervorgerufen werden, die im aktuellen Materialdurchlauf
auftreten. Die Kraft- und Zugsteuervorrichtungen werden so betrieben, daß
sie Abweichungen im ankommenden Material korrigieren.
Es ist ein weiteres Merkmal der Erfindung, daß ein Dickenmeßgerät mit der
programmierten Steuer/Regelvorrichtung verbunden ist, um die Dicke des
Bahnmaterials zu erfassen, wobei die programmierte
Steuer/Regelvorrichtung die gespeicherten Informationen erzeugt, die von
der erfaßten Dicke abhängig sind. Die programmierte
Steuer/Regelvorrichtung verwendet Zeitserien der erfaßten Dicke, um
zyklische Abweichungen zu erfassen.
Es ist ein weiteres Merkmal der Erfindung, daß die programmierte
Steuer/Regelvorrichtung die Frequenz, die Amplitude und die
Phasenänderungen der zyklischen Abweichungen erfaßt und die
Steuerung/Regelung der Kraftsteuervorrichtung und der
Zugsteuervorrichtung in Reaktion auf die erfaßte Frequenz, Amplitude und
Phasenänderungen anpaßt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deutlich anhand der
Beschreibung und der Zeichnungen.
Fig. 1 ist ein verallgemeinertes Blockschaltbild, das ein Kompensationssy
stem für periodische Stärkeabweichungen gemäß der Erfindung zeigt, das
mit einem Einzelständerwalzwerk verwendet wird; und
Fig. 2A und 2B zeigen ein Flußdiagramm, das ein Steuerschema zum
Betreiben des Walzwerks der Fig. 1 zeigt.
Wie in Fig. 1 gezeigt, enthält ein Einzelständerwalzwerk 10 ein Kompensationssystem
für periodische Stärkeabweichungen 11 gemäß der Erfindung.
Das Walzwerk 10 enthält einen Streifenabwickler oder eine
Abwicklungshaspel 12, die eine Wicklung des Bahnmaterials 14 hält. Das
Bahnmaterial 14 wird durch einen Walzwerkständer 16 einem
Streifenaufwickler oder einer Aufwicklungshaspel 18 zugeführt. Der
Walzwerkständer 16 enthält erste und zweite Arbeitswalzen 20 und 22 auf
gegenüberliegenden Seiten des Bahnmaterials 14. Der jeweiligen ersten und
zweiten Arbeitswalze 20 und 22 bezüglich des Bahnmaterials 14
gegenüberliegend befinden sich entsprechende eine erste und eine zweite
Stützwalze 24 und 26.
Der Einfachheit und des leichteren Verständnisses wegen ist hier eine
Einzelständerwalzwerk gezeigt und beschrieben. Die Merkmale der Erfin
dung können jedoch auch für Mehrständerwalzwerke sowie für andere Einzel-
und Mehrständer-Verarbeitungstechniken verwendet werden. Ferner kann
die Erfindung auf Stapel mit mehr oder weniger als insgesamt vier Walzen
angewendet werden, z. B. 6-Hochstapel.
Der zweiten Stützwalze 26 ist operativ eine Lastzelle 28 zugeordnet, um
eine Kraftmessung durchzuführen. Ein Spalt/Kraft-Stellglied 30 wirkt auf die
erste Stützwalze 24 ein, um den Spalt zwischen den Arbeitswalzen 20 und
22 einzustellen und die Stärke des Bahnmaterials 14 einzustellen. Das
Spalt/Kraft-Stellglied 30 wird von einer Walzenspalt/Kraft-Steuervorrichtung
32 gesteuert, die von einem Steuercomputer 34 betätigt wird. Der Steuer
computer 34 empfängt die Kraftmessung von der Lastzelle 28. Ferner ist
mit dem Steuercomputer 34 ein Tachometer oder eine andere
Geschwindigkeiterfassungsvorrichtung 36 verbunden, die die
Geschwindigkeit des Bahnmaterials 14 hinter dem Walzständer 16 erfaßt,
sowie eine Dickenmeßvorrichtung 38, die ebenfalls hinter dem
Walzwerkständer 16 angeordnet ist. Zusätzliche Eingangssignale für den
Steuercomputer 34 beziehen sich auf Anlagenparameter, die durch einen
Block 40 dargestellt werden, sowie Materialparameter, die durch einen
Block 42 dargestellt werden. Diese Parameter können heruntergeladene
Softwarewerte sein oder von einem Operator von Hand eingegeben und im
Speicher gespeichert werden. Der Steuercomputer 34 umfaßt einen
Mikroprozessor oder einen Digitalsignalprozessor oder dergleichen, der die
Steuerprogramme implementiert, die in einem zugehörigen Speicher
gespeichert sind, in einer herkömmlichen Konfiguration, um die
Kraftsteuervorrichtung 32 und eine Abwicklungsmotordrehmoment-
Steuervorrichtung 44 zu steuern, die das Drehmoment am
Streifenabwickler 12 steuert. Obwohl nicht gezeigt, kann die Drehmoment
steuervorrichtung 44 zusätzlich oder alternativ das Drehmoment an der
Aufwicklungshaspel 18 steuern. Der Steuercomputer verwendet die Ge
schwindigkeits-, Dicke- und Krafteingangssignale zusammen mit den Anla
gen- und Technikparametern, um Ausgangssteuersignale für die Steuervor
richtungen 32 und 44 zu entwickeln, um Störungen des gelieferten
Bahnmaterials 14 abzuschwächen oder zu eliminieren.
Es ist klar, daß das Steuer/Regelsystem 11 nicht die Verwendung von
Codierern am Walzwerkständer 16 oder anderen
Materialhandhabungsanlagen erfordert, um Winkelpositionen zu ermitteln.
Die zum Schätzen der Frequenz, der Amplitude und des Phasenwinkels der
Exzentrizitätsstörungen verwendeten Messungen werden in Intervallen auf
der Grundlage der Materialgeschwindigkeit aufgenommen, statt in festen
Zeitintervallen oder auf der Grundlage von Codiererausgangssignalen, wie
in früheren Systemen. Dies ermöglicht dem Steuer/Regelsystem 11,
zyklische Störungen zu schätzen, die sich nicht auf
Geschwindigkeitsänderungen im Prozeß beziehen. Als Ergebnis verfolgt das
Steuer/Regelsystem 11 zyklische Störungen und sorgt für die
Exzentrizitätskompensation bei Bahngeschwindigkeitsänderungen, sowie
bei einem stationären Betrieb.
Genauer isoliert das Steuer/Regelsystem 11 alle zyklischen Störungen und
identifiziert diese, die im Bahnmaterial 14 aufgeprägt sind. Diese Störungen
können auf Schwankungen im ankommenden Produkt beruhen und/oder
von der aktuellen Verarbeitung hinzugefügt werden. Das
Steuer/Regelsystem 11 verwendet sowohl aktuelle Messungen der
zyklischen Störungen, sowie Dickenabweichungs- und Kraftsignale und
vorangehende Korrekturausgangssignale, um Schätzwerte der theoretisch
unkorrigierten Materialabweichungen zu berechnen und zukünftige
Korrekturausgangssignale zu ermitteln. Diese Signale werden in
Kombination verwendet, um die Frequenz, die Amplitude und die Phase der
Steuersignale zu verbessern und die Exzentrizitätsstörungen zu eliminieren.
Das Steuer/Regelsystem 11 arbeitet in einem Lernmodus, der eine
automatische Berechnung der verschiedenen Parameter bietet, ein
schließlich der Materialtransportverzögerung, des Störungsphasenwinkels
und der Empfindlichkeitsfaktoren als Funktion der Materialgeschwindigkeit.
Dies erlaubt dem System, sich automatisch selbst zu kalibrieren.
Obwohl das offenbarte System in Verbindung mit einem
Metallblechmaterial verwendet wird, kann das Steuer/Regelsystem 11 auch
verwendet werden, um zyklische Störungen bei der Papierbahn- und
Kunststoffilmproduktion zu eliminieren. Das Steuer/Regelsystem 11 kann
ferner verwendet werden, um die Frequenz, die Amplitude und/oder die
Phasenkomponenten zyklischer Störungen während der Produktion für
Diagnosezwecke zu identifizieren.
Das Steuer/Regelsystem 11 isoliert alle zyklischen Störungen, die der
Materialbahn 14 aufgeprägt sind. Das Steuer/Regelsystem 11 kann
diejenigen Störungen, die von der ankommenden Bahn stammen, von
denjenigen unterscheiden, die von der Walzanlage hinzugefügt werden. Es
erlaubt ferner die Auswahl, welche der zyklischen Störungen eliminiert
werden sollen. Es können unterschiedliche Korrekturalgorithmen verwendet
werden, um Abweichungen des ankommenden Produkts gegenüber
denjenigen, die in der Walzanlage entstehen, zu korrigieren.
Die Frequenzen, Amplituden und Winkelpositionen, d. h. Phasenwinkel, der
zyklischen Störungen werden ermittelt anhand der direkten Messung der
zyklischen Störungen in der Bahn, die von der Dickenmeßvorrichtung 38
gemessen werden, und der Geschwindigkeit des Prozesses, die vom
Tachometer 36 gemessen wird. Der Steuercomputer 34 ermittelt die Fre
quenzen, Amplituden und Winkelpositionen dieser Störungen. Diese Infor
mationen werden verwendet, um Störungen vorherzusagen, die
erwartungsgemäß der Bahn 14 aufgeprägt werden, wenn keine Korrekturen
vorgenommen werden. Der Steuercomputer 34 liefert Signale an die Kraft-
Steuervorrichtung 32 und die Drehmomentsteuervorrichtung 44, um
zukünftige Stärkeabweichungen zu eliminieren. Eine kontinuierliche
Messung der zyklischen Störungen wird in Kombination mit den
berechneten Ausgangskorrektursignalen verwendet, um sicherzustellen,
daß geeignete Korrektursignale kontinuierlich berechnet werden und dem
Walzkompensationssystem zugeführt werden. Dies schließt die konstante
Phasenwinkeleinstellung der Korrektursignale bezüglich der betreffenden
Störungen ein, so daß die Notwendigkeit von Winkelpositionscodierern an
den mechanischen Komponenten eliminiert wird.
In der dargestellten Ausführungsform der Erfindung liefert der
Steuercomputer 34 Steuersignale für zwei Steuervorrichtungen, nämlich die
Kraftsteuervorrichtung 32 und die Drehmomentsteuervorrichtung 44.
Gemäß der Erfindung kann der Steuercomputer 34 verwendet werden, um
zusätzliche Steuersignale zu entwickeln, falls erforderlich oder gewünscht,
wie z. B. für eine Abwicklungsdrehmomentsteuervorrichtung, wie im
folgenden genauer beschrieben wird.
Vor der Verarbeitung einer Wicklung des Materials 14 mit einem gegebenen
Werk sind mehrere mechanische Abmessungen und andere Parameter, die
dem gewalzten Produkt zugeordnet sind, sowie die Prozeßanlage selbst
bekannt. Diese Parameter können folgendes umfassen:
Durchmesser der Arbeits- und Stützwalzen,
Durchmesser der Bahnablenkwalzen, Verankerungswalzen usw.,
Durchmesser der Abwicklungs- und Aufwicklungshaspeln,
Abstand von der Abwicklungshaspel zum Walzenangriff,
Abstand vom Walzenangriff zur Dickenmeßvorrichtung,
Abstand vom Walzenangriff zur Aufwicklungshaspel,
Abwicklungs-, Aufwicklungs- und Hauptständer- Antriebübersetzungsverhältnisse,
dynamische Antworteigenschaften verschiedener Sensoren und Stellglieder,
festgelegte Materialeintritts- und Austrittsdicke (nominal),
Anfangsdurchmesser der Abwicklungsspule,
Nenn-Streifen breite,
festgelegte Eintritts- und Austrittsstreifenzugspannungen (nominal), und
Materialhärte (Fließspannung).
Durchmesser der Arbeits- und Stützwalzen,
Durchmesser der Bahnablenkwalzen, Verankerungswalzen usw.,
Durchmesser der Abwicklungs- und Aufwicklungshaspeln,
Abstand von der Abwicklungshaspel zum Walzenangriff,
Abstand vom Walzenangriff zur Dickenmeßvorrichtung,
Abstand vom Walzenangriff zur Aufwicklungshaspel,
Abwicklungs-, Aufwicklungs- und Hauptständer- Antriebübersetzungsverhältnisse,
dynamische Antworteigenschaften verschiedener Sensoren und Stellglieder,
festgelegte Materialeintritts- und Austrittsdicke (nominal),
Anfangsdurchmesser der Abwicklungsspule,
Nenn-Streifen breite,
festgelegte Eintritts- und Austrittsstreifenzugspannungen (nominal), und
Materialhärte (Fließspannung).
Ein Operator wählt aus, welche potentiellen zyklischen Störungen das Ziel
der Kompensation sind. Diese Auswahl kann getroffen werden unter Ver
wendung einer Technikbeurteilung, einer Produktionshistorie, der lokalen
Betriebspraxis und dergleichen.
Die obenbeschriebenen Parameter werden sowohl vor als auch während
des Walzens verwendet, um Abtastraten für gemessene Störsignale zu
ermitteln, wie z. B. die Lieferdickenstörung und/oder die Walzentrennkraft.
In der dargestellten Ausführungsform der Erfindung werden die Abtastraten
ausgedrückt durch Abtastungen pro Einheitsbahnlänge. Die Parameter
werden ferner verwendet, um Ist-Werte der erwarteten Frequenzen zu
ermitteln, die jeder möglichen zyklischen Störungsquelle während der
Walzoperation zugeordnet sind. Diese Quellen umfassen die einzelnen
Arbeitswalzen 20 und 22, die Stützwalzen 24 und 26, die
Abwicklungsspule 12 und die Aufwicklungsspule 18, die Ablenkwalzen,
das ankommende Material und dergleichen. Die Parameter werden ferner
verwendet, um Materialtransportverzögerungen von der Abwicklung zum
Walzenangriff, vom Walzenangriff zur Dickenmeßvorrichtung und vom
Walzenangriff zur Aufwicklung zu ermitteln. Schließlich können die
Parameter verwendet werden, um Phasenverzögerungen zwischen
Stellgliedbewegungen und gemessenen Störungen zu ermitteln.
Während des Walzens werden die Bahndickenabweichung, die Walzkraft
schwankungen und andere Prozeßgrößen abgetastet. Die Abtastfrequenz
ist konstant eingestellt als Funktion der Materialgeschwindigkeit, um
Messungen zu liefern, die festen Längenintervallen längs des Bahnmaterials
14 zugeordnet sind. Wenn somit die Bahngeschwindigkeit zunimmt, steigt
die Abtastfrequenz in Abtastungen pro Sekunde an, obwohl die Anzahl der
Abtastungen pro Wegstrecke längs des Bahnmaterials 14 gleich bleibt. Das
Steuer/Regelsystem 11 verfolgt die betrachteten Störungsquellen, wie z. B.
eine einzelne Walze oder eine Haspel, unter Verwendung der
vorhergesagten Frequenz der zyklischen Schwingungen, die diese erzeugt.
Der Abtastprozeß, der die erfaßten Parameter verwendet, erzeugt eine
diskrete Zeitserie. Diese Zeitserie wird in Verbindung mit den vergangenen
Steuerungsausgangssignalen von spezialisierten digitalen Filtern im Steuer
computer 34 verarbeitet, um Schätzwerte für die Frequenzen aller
zyklischen Störungen in den Messungen zu extrahieren. Das Wissen, daß
das Signal nur aus einem diskreten Satz von sinusförmigen Signalen
besteht, die durch weißes Rauschen gestört sind, verbessert die
Genauigkeit und die Auflösung der Frequenzschätzungen. Ferner sind die
identifizierten Frequenzen nicht unbedingt fest, sondern können sich im
Verlauf der Verarbeitung einer einzelnen Bahn 14 verschieben. Die im
Steuercomputer 34 implementierten Algorithmen können alle diese
Frequenzen verfolgen, wenn sie sich verändern, und aktualisieren
kontinuierlich die Schätzwerte ihrer jeweiligen Phasen und Amplituden auf
der Grundlage früherer Werte und der aktuellen Eingangssignale.
Für jede Störfrequenz, die für eine Kompensation betrachtet wird, wird vom
Steuercomputer 34 eine Steuermaßnahme berechnet. Dieser Prozeß umfaßt
das Erzeugen eines Korrektursignals mit der Störfrequenz, das korrekt an
die Amplitude und den Phasenwinkel der Störung angepaßt ist. Diese
Anpassung berücksichtigt Materialeigenschaften,
Walzwerkbetriebsbedingungen, Materialtransportverzögerungen und die
dynamischen Eigenschaften der erfaßten Parameter und der Stellglieder.
Schließlich werden die einzelnen Korrektursteuermaßnahmen für alle
betrachteten Frequenzen kombiniert, um ein einzelnes
Fehlerkorrektursteuersignal für jede Stellgliedsteuervorrichtung zu erzeugen.
Die Korrekturen für alle Frequenzen werden praktisch an den einzelnen
Stellgliedsteuervorrichtungen überlagert.
Zyklische Ausgangsdickenstörungen, die von den vorangehenden Verarbei
tungswegen stammen, werden typischerweise verursacht durch Walzspalt
schwankungen aufgrund von Walzen- und Lagerexzentrizitäten. Diese
Störungen werden am effektivsten korrigiert, indem nur das Walzen
spalt/Kraft-Stellglied 30 verändert wird. Somit werden Spaltschwankungen
an ihrer Quelle durch entsprechende Spaltstellgliedbewegungen korrigiert.
Ausgangsdickenstörungen, die vom ankommenden Material stammen,
werden am effektivsten korrigiert durch gleichzeitige Spalt- und Eingangs
bahngeschwindigkeitsänderungen. Die Eingangsbahngeschwindigkeit
beeinflußt die Ausgangsdicke aufgrund der Tatsache, daß der Massefluß
des Materials durch eine Walzwerk (Masse pro Zeiteinheit) bewahrt werden
muß. Das heißt, die Masseflußrate am Walzwerkausgang muß mit
derjenigen am Walzwerkeingang übereinstimmen und umgekehrt, da im
Walzprozeß weder Masse erzeugt noch verbraucht wird. Um eine
konstante Ausgangsdicke und Geschwindigkeit bei Vorhandensein von
Eingangsdickenschwankungen aufrechtzuerhalten, muß die
Eingangsbahngeschwindigkeit so verändert werden, daß am
Walzwerkausgang ein konstanter Massefluß erhalten wird. Folglich wird die
Steuer/Regelsystemleistung verbessert, wenn Störungen des
ankommenden Materials korrigiert werden durch eine Kombination von Spalt-
und Eingangsbahngeschwindigkeitsänderungen.
Die im Steuercomputer 34 implementierten Signalverarbeitungstechniken
unterscheiden zwischen zyklischen Störungen, die vom ankommenden
Material stammen, und denjenigen, die von den vorliegenden Verarbei
tungswegen stammen. Dies ermöglicht, daß die am besten geeignete
Korrekturstrategie für jede Störung verwendet werden kann.
Die Fig. 2A und 2B zeigen ein Flußdiagramm, das die Operation des
Steuer/Regelsystems 11 darstellt. Einige der Schritte sind manuell
implementiert, wie z. B. das Eingeben der obenbeschriebenen Parameter
oder anderer im voraus berechneter Werte. Andere Schritte sind im
Steuercomputer 34 automatisch implementiert, wie gezeigt ist.
Das Flußdiagramm enthält eine Serie von fünf Blöcken 50, 52, 54, 56 und
58, die die Eingänge für den Steuercomputer 34 darstellen und im
wesentlichen denjenigen der Fig. 1 entsprechen. Der Block 50 stellt
Technikauswahlangaben dar, die von einem Operator oder einem
Produktionstechniker oder dergleichen eingegeben werden. Diese
Auswahlangaben umfassen die maximale Anzahl von sinusförmigen
Signalen, die verfolgt werden, die maximal mögliche Geschwindigkeit des
Walzwerks, Steuerausgang-Verstärkungsfaktoren und andere
Systemeinstellungen. Der Block 52 stellt die Walzwerkparameter dar. Diese
Parameter umfassen physikalische Parameter des Walzwerkständers 16,
der Abwicklungshaspel 12, der Aufwicklungshaspel 18 und aller anderen
mechanischen Komponenten. Der Block 54 stellt das
Geschwindigkeitssignal vom Tachometer 36 dar. Der Block 56 stellt das
Dickenmeßsignal von der Dickenmeßvorrichtung 38 dar. Der Block 58 stellt
das Kraftsignal von der Lastzelle 28 dar.
Die Walzwerkparameter vom Block 52 werden an einen Knoten B und an
einen Block 60 angelegt. Der Block 60 empfängt ferner das Geschwindig
keitssignal vom Block 54. Der Block 60 berechnet die Frequenzantwort der
mechanischen Komponenten. Dies umfaßt die Berechnung der Amplituden
antwort und der Phasenverzögerung jeder Komponente auf der Grundlage
der aktuellen Geschwindigkeit. Genauer berechnet der Benutzer anfangs die
theoretische Frequenzantwort als eine Funktion der Geschwindigkeit. Die
aktuelle Frequenzantwort wird anschließend auf der Grundlage der erfaßten
Geschwindigkeit angepaßt. Der Ausgang des Blocks 60 wird an einen
Knoten D angelegt. Die Technikauswahlangaben im Block 50 werden an
einen Knoten E und an einen Block 62 angelegt. Der Block 62 empfängt
ferner die Walzwerkparameter vom Block 52. Der Block 62 berechnet die
Abtastraten. Dies umfaßt die Festlegung der optimalen Abtastraten bei
gegebenen Technik-Auswahlangaben 50 und Walzwerkparametern 52. Ein
Block 64 empfängt die Abtastraten vom Block 62 und das
Geschwindigkeitssignal vom Block 54, um Abtastanforderungen zu
erzeugen. Dies erzeugt Abtastunterbrechungen für die berechneten
Abtastraten auf der Grundlage der Walzwerkgeschwindigkeit. Der Ausgang
des Blocks 64 wird an einen Knoten G und an einen Block 66 angelegt. Der
Block 66 empfängt ferner das Stärkesignal 56 und das Kraftsignal 58. Der
Block 66 sammelt Materialmeßwerte durch Lesen des Signals von der
Dickenmeßvorrichtung 38 und der Lastzelle 28, um die aktuellen Werte
aufzuzeichnen. Die aktuellen Werte werden einem Diskretserie-Pufferblock
68 zugeführt, um die Historie der gemessenen Ist-Abtastwerte
aufzuzeichnen. Die Messungen werden ferner einem Block 70 zugeführt.
Der Block 70 empfängt ferner ein Signal vom Knoten A, der im folgenden
beschrieben wird, welches die Auswirkungen der Steuerausgangssignale
darstellt. Der Block 70 schätzt die unkorrigierte Stärke und die
Kraftabtastwerte bei gegebenen Ist-Ablesungen und den Schätzwerten
dafür, welche Änderungen vorangehende Steuerausgangssignale an der
Bahn 14 bewirkt haben. Das heißt, der Block 70 schätzt auch, welche
Abtastwerte erhalten worden wären, wenn keine Walzwerksteuerung auf
die Bahn 14 eingewirkt hätte. Der Ausgang des Blocks 70 wird einem
Diskretserie-Pufferblock 72 zugeführt, der die Historie der geschätzten
unkorrigierten Abtastwerte aufzeichnet.
Die gemessenen Abtastwerte vom Block 68 und die Historie der
geschätzten unkorrigierten Abtastwerte vom Block 72 werden einem
Digitalfilterblock 74 zugeführt. Der Digitalfilterblock 74 schätzt die
zissoidförmigen Oberschwingungsfrequenzen. Die zissoidförmigen
Frequenzen stellen komplexe sinusförmige Signale dar, wie bekannt ist.
Das digitale Filter verwendet irgendeinen von mehreren bekannten
Oberschwingungsfrequenz-Erfassungsalgorithmen. Ein Beispiel ist das
Pisarenko-Verfahren, das einzelne Oberschwingungsfrequenzen schätzt, die
in der Abtastserie vorhanden sind. Auf jede einzelne geschätzte
Oberschwingungsfrequenz wird anschließend individuell in den
entsprechenden Reihen 76, 78 und 80 der Verarbeitungsblöcke eingewirkt.
Jeder der Reihen 76, 78 und 80 ist identisch, bis auf die Einwirkung auf
unterschiedliche Frequenzen. Genauer, die Reihe 76 bezieht sich auf eine
erste Frequenz F1, während sich die Reihe 78 auf eine zweite Frequenz F2
bezieht. Die Reihe 80 stellt eine Zusatzfrequenz Fn dar. Wie durch die
gestrichelten Linien gezeigt ist, werden zusätzliche Reihen verwendet,
entsprechend der Anzahl der erfaßten Frequenzen. Jede Frequenz wird hier
mit Fx bezeichnet.
Ein Block 82 erstellt parametrische Schätzungen komplexer Amplituden für
die Frequenz Fx. Dies wird bewerkstelligt unter Verwendung einer Parame
terschätztechnik, wie z. B. dem Verfahren der größten Wahrscheinlichkeit,
um die komplexe Amplitude der zugehörigen Zissoide zu schätzen. Ein
Block 84 berechnet anschließend die Realphase und die Amplitude bei
gegebener komplexer Amplitude, die jeder Zissoide zugeordnet ist. Ein
Block 86 projiziert anschließend ein Fx-Kompensationssignal für das
nächste Intervall voraus. Dies wird bewerkstelligt durch Vorhersagen der
geeigneten Steuer/Regelantwort, um jede individuelle Zissoide auf der
Grundlage ihrer Oberschwingungseigenschaften zu kompensieren. Die
Steuer/Regelantwort muß für das Intervall zwischen dem aktuellen
Abtastwert und dem nächsten Abtastwert in der Zukunft berechnet
werden. Die verschiedenen berechneten Werte werden anschließend über
einen Knoten Cx an einen in Fig. 2B gezeigten Block 88 angelegt. Der Block
88 empfängt ferner die Walzwerkparameter vom Knoten B, wie oben
beschrieben, und die Technik-Auswahlangaben vom Knoten E, ebenfalls
wie oben beschrieben.
Der Block 88 kombiniert die betrachteten Frequenzen und ordnet diese
Frequenzen den geeigneten Korrekturantwortausgängen zu. Dies wird
bewerkstelligt durch Auswählen des besten Steuerausgangs für jede
erfaßte Zissoide. In der dargestellten Ausführungsform der Erfindung
umfaßt dies das Anpassen der am besten geeigneten Kombination von
Zugspannungen unter Verwendung der Drehmomentsteuervorrichtung 44
und des Walzenspalts bzw. der Walzenkraft unter Verwendung der
Steuervorrichtung 32 für den betrachteten Typ von zyklischen Störungen.
Genauer, eine Kombination aus Drehmomentsteuervorrichtung 44 und
Spalt/Kraft-Steuervorrichtung 32 kann verwendet werden, um
Eingangsdickenschwankungen zu korrigieren, während die Spalt/Kraft-
Steuervorrichtung 32 allein verwendet werden kann für Walzenstapel-
Exzentrizitätsstörungen. Die Kategorieauswahl wird während des
Einrichtens des Prozesses bewerkstelligt. Der Steuercomputer 34 trennt die
Störungsfrequenzkomponenten, ordnet diesen ihre entsprechenden Quellen
zu und wählt die bestimmten Ausgänge aus, die für die Korrektur jedes
einzelnen verwendet werden. Somit faßt der Block 88 alle Frequenzen
zusammen, die durch den Abwicklungs/Aufwicklungs-Zug gesteuert
werden, sowie alle Frequenzen, die durch den Walzenspalt und dergleichen
gesteuert werden.
Die Steuerausgangsverarbeitung für jede Steuervorrichtung ist parallel in
den Reihen 90, 92 und 94 gezeigt. Jede Reihe ist im wesentlichen in der
Operation identisch. Jede Reihe bezieht sich auf ein bestimmtes
Steuersignal. In der dargestellten Ausführungsform wird ein Steuersignal
A1 für die Drehmomentsteuervorrichtung 44 verwendet, während ein
Steuerausgang A2 für die Kraftsteuervorrichtung 32 verwendet wird.
Zusätzliche Steuersignale An sind für die Verwendung verfügbar, wenn
zusätzliche gesteuerte Stellglieder verwendet werden.
Ein Block 96 empfängt ferner die Frequenzantwort vom Block 60 der
Fig. 2A über den Knoten D. Der Block 96 bewirkt die Phasenkompensation
für Systemverzögerungen. Dies beruht auf den mechanischen Parametern
und der geschätzten Frequenzantwort aller mechanischer Komponenten,
die einer gegebenen Antwortsteuerung zugeordnet sind, wie z. B. der
Abwicklungs/Aufwicklungs-Zug oder der Walzenspalt, und kompensiert die
Phase des Korrektursignals, das der jeweiligen Frequenz zugeordnet ist. Ein
Block 98 für einen Korrekturausgang Ax summiert alle
Oberschwingungskompensationssignale über das nächste Intervall. Mit
anderen Worten, für jeden der möglichen Steuerungsausgänge werden alle
Kompensationssignale, die diesem Ausgang zugeordnet sind, summiert.
Dies erzeugt ein einzelnes Ausgangssignal zum Ansteuern jedes der
Steuerungsausgänge zwischen dem aktuellen Zeitpunkt und der nächsten
Eingangsabtastung. Ein Block 100 empfängt ferner die
Technikauswahlangaben von Block 50 und berechnet den
Verstärkungsfaktor für den Steuerungsausgang Ax ein. Dies dämpft oder
verstärkt das resultierende Signal für jeden der Steuerungsausgänge um die
geeignete Verstärkungsfaktorkonstante. Ein Block 102 empfängt ferner die
Abtastungsanforderungen vom Block 64 der Fig. 2A über den Knoten G
und gibt das Steuersignal Ax aus, um das Ausgangssignal für die
Drehmomentsteuervorrichtung 44 oder die Kraftsteuervorrichtung 32 und
dergleichen anzusteuern. Ein Block 104 empfängt die
Ausgangssteuersignale von Ax von jeder Reihe 90, 92 und 94 sowie die
Frequenzantwort vom Block 60 und schätzt die Gesamtwirkung aller
Steuerausgänge auf die Materialmeßwerte bei jeweils gegebenen
Steuerausgängen, und berechnet die erwartete Gesamtwirkung, die sie auf
zukünftige Materialmeßwerte haben. Diese Schätzwerte werden über den
Knoten A dem Block 70 zugeführt, wie oben beschrieben ist, um zur
Berechnung der Schätzwerte der unkorrigierten Abtastwerte bei gegebenen
Meßwerten beizutragen, wie oben beschrieben worden ist.
Gemäß der Erfindung verwendet das Steuer/Regelsystem somit
spezialisierte digitale Signalverarbeitungsalgorithmen, um Schätzwerte der
Komponentenfrequenz, der Amplitude und der Phase zu liefern, die besser
unterscheiden als herkömmliche Techniken. Außerdem bietet die
Beseitigung von Codierern aus dem System mehrere Vorteile. Erstens, das
Steuer/Regelsystem kann jede beliebige Frequenz schätzen, nicht nur
diejenigen, die an die Walzendrehzahlen angepaßt sind. Ferner beruht das
System nicht auf Codierern für die Phasensynchronisation, sondern
verwendet statt dessen iterative Schätzungen der Störungsphasenwinkel,
um sicherzustellen, daß Korrekturmaßnahmen immer geeignet an die
Störungsphase angepaßt sind.
Da die offenbarten Algorithmen keine Codierer erfordern und somit
beliebige Frequenzen erfassen und verfolgen können, kann das offenbarte
System zyklische Störungen korrigieren, die vom ankommenden Material
stammen. Die digitalen Signalverarbeitungstechniken ermöglichen, daß die
Steuerung/Regelung bei der Beseitigung von zyklischen Störungen des
ankommenden Materials erfolgreich ist. Dies steht im Gegensatz zu
herkömmlichen Systemen, die diese Störungen nur unter Verwendung einer
Steuerung beseitigen können.
Durch Einschließen des geschätzten Störungsphasenwinkels in den Steuer
algorithmus kann das System die Phasenkomponente der Korrektursteuer
maßnahme sowie dessen Amplitude kontinuierlich abstimmen.
Es wird ein Steuer/Regelsystem für ein Walzwerk geschaffen, das
Bahnmaterial von einer Abwicklungshaspel einer Aufwicklungshaspel
zuführt und zwischen zwei Arbeitswalzen hindurchführt. Das
Steuer/Regelsystem enthält einen Geschwindigkeitssensor zum Erfassen
der Geschwindigkeit des Bahnmaterials und einen Sensor zum Messen
der Materialdicke. Eine Kraftsteuervorrichtung steuert die von den
Arbeitswalzen auf das Bahnmaterial ausgeübte Kraft. Eine
Zugsteuervorrichtung steuert den Zug an der Abwicklungshaspel. Eine
programmierte Steuer/Regelvorrichtung ist mit dem
Geschwindigkeitssensor, der Kraftsteuervorrichtung und der
Zugsteuervorrichtung betätigungsverbunden und speichert Informationen,
die zyklische Abweichungen der Dicke des Bahnmaterials darstellen, und
steuert die Kraftsteuervorrichtung und die Zugsteuervorrichtung unter
Verwendung der gespeicherten Informationen und der erfaßten
Geschwindigkeit.
Es wird darauf hingewiesen, dass der hier verwendete Begriff
"Steuerung" oder der Begriffsteil "steuer" sich sowohl auf eine
"Steuerung" im Sinne des englischen Begriffs "open loop control" als
auch auf eine "Regelung" im Sinne des englischen Begriffs "closed loop
control" beziehen kann.
Claims (15)
1. Steuer/Regelsystem für eine Walzwerk, das Bahnmaterial von einer
Abwicklungshaspel einer Aufwicklungshaspel zuführt und dieses zwischen
zwei Arbeitswalzen hindurchführt, wobei das Steuer/Regelsystem umfaßt:
einen Geschwindigkeitssensor zum Erfassen der Geschwindigkeit des Bahnmaterials;
eine Kraftsteuervorrichtung zum Steuern der auf das Bahnmaterial mittels der Arbeitswalzen ausgeübten Kraft;
eine Zugsteuervorrichtung, die den Zug an einer der Haspeln steuert, und
eine programmierte Steuer/Regelvorrichtung, die mit dem Geschwindigkeitssensor, der Kraftsteuervorrichtung und der Zugsteuervorrichtung betätigungsverbunden ist und Informationen speichert, die zyklische Abweichungen der Dicke des Bahnmaterials darstellen, und die Kraftsteuervorrichtung und die Zugsteuervorrichtung unter Verwendung der gespeicherten Informationen und der erfaßten Geschwindigkeit steuert.
einen Geschwindigkeitssensor zum Erfassen der Geschwindigkeit des Bahnmaterials;
eine Kraftsteuervorrichtung zum Steuern der auf das Bahnmaterial mittels der Arbeitswalzen ausgeübten Kraft;
eine Zugsteuervorrichtung, die den Zug an einer der Haspeln steuert, und
eine programmierte Steuer/Regelvorrichtung, die mit dem Geschwindigkeitssensor, der Kraftsteuervorrichtung und der Zugsteuervorrichtung betätigungsverbunden ist und Informationen speichert, die zyklische Abweichungen der Dicke des Bahnmaterials darstellen, und die Kraftsteuervorrichtung und die Zugsteuervorrichtung unter Verwendung der gespeicherten Informationen und der erfaßten Geschwindigkeit steuert.
2. Steuer/Regelsystem nach Anspruch 1, bei dem die
Kraftsteuervorrichtung so betrieben wird, daß sie
Arbeitsspaltabweichungen korrigiert, die durch Störungen hervorgerufen
werden, die im aktuellen Materialdurchlauf auftreten, wobei die Kraft- und
Zugsteuervorrichtungen so betrieben werden, daß sie Abweichungen des
ankommenden Materials korrigieren.
3. Steuer/Regelsystem nach Anspruch 1, das ferner eine
Dickenmeßvorrichtung umfaßt, die mit der programmierten
Steuer/Regelvorrichtung verbunden ist, um die Dicke des Bahnmaterials zu
erfassen, wobei die programmierte Steuer/Regelvorrichtung die
gespeicherten Informationen in Reaktion auf die erfaßte Dicke erzeugt.
4. Steuer/Regelsystem nach Anspruch 3, bei dem die programmierte
Steuer/Regelvorrichtung eine Zeitserie der erfaßten Dicke verwendet, um
zyklische Abweichungen zu erfassen.
5. Steuer/Regelsystem nach Anspruch 1, bei dem die programmierte
Steuer/Regelvorrichtung die Frequenz, die Amplitude und
Phasenänderungen der zyklischen Abweichungen erfaßt und die Steuerung
der Kraftsteuervorrichtung und der Zugsteuervorrichtung in Reaktion auf
die erfaßte Frequenz, die Amplitude und die Phasenänderungen anpaßt.
6. Steuer/Regelsystem für eine Walzwerk, das ein Bahnmaterial von
einer Abwicklungshaspel einer Aufwicklungshaspel zuführt und zwischen
zwei Arbeitswalzen hindurchführt, wobei das Steuer/Regelsystem umfaßt:
einen Geschwindigkeitssensor zum Erfassen der Geschwindigkeit des Bahnmaterials;
eine Dickenmeßvorrichtung zum Erfassen der Dicke des Bahnmate rials; und
eine programmierte Steuer/Regelvorrichtung, die mit dem Geschwindigkeitssensor und der Dickenmeßvorrichtung betätigungsverbunden ist und zyklische Abweichungen der Dicke des Bahnmaterials erfaßt und ermittelt, ob die Abweichungen von dem Walzwerk erzeugt werden oder im ankommenden Bahnmaterial vorhanden waren.
einen Geschwindigkeitssensor zum Erfassen der Geschwindigkeit des Bahnmaterials;
eine Dickenmeßvorrichtung zum Erfassen der Dicke des Bahnmate rials; und
eine programmierte Steuer/Regelvorrichtung, die mit dem Geschwindigkeitssensor und der Dickenmeßvorrichtung betätigungsverbunden ist und zyklische Abweichungen der Dicke des Bahnmaterials erfaßt und ermittelt, ob die Abweichungen von dem Walzwerk erzeugt werden oder im ankommenden Bahnmaterial vorhanden waren.
7. Steuer/Regelsystem nach Anspruch 6, das ferner eine
Kraftsteuervorrichtung zum Steuern der von den Arbeitswalzen auf das
Bahnmaterial ausgeübten Kraft und eine Zugsteuervorrichtung zum Steuern
des Zugs einer der Haspeln umfaßt, wobei die programmierte
Steuer/Regelvorrichtung mit der Kraftsteuervorrichtung und der
Zugsteuervorrichtung betätigungsverbunden ist und die
Kraftsteuervorrichtung und die Zugsteuervorrichtung unter Verwendung der
erfaßten Abweichungen und der erfaßten Geschwindigkeit steuert.
8. Steuer/Regelsystem nach Anspruch 7, bei dem die
Kraftsteuervorrichtung so betrieben wird, daß sie die
Arbeitsspaltabweichungen korrigiert, die durch Störungen hervorgerufen
werden, die im aktuellen Materialdurchlauf hervorgerufen werden, und
wobei die Kraft- und Zugsteuervorrichtungen so betrieben werden, daß sie
Abweichungen des ankommenden Materials korrigieren.
9. Steuer/Regelsystem nach Anspruch 6, bei dem die programmierte
Steuer/Regelvorrichtung eine Zeitserie der erfaßten Dicke verwendet, um
zyklische Abweichungen zu erfassen.
10. Steuer/Regelsystem nach Anspruch 7, bei dem die programmierte
Steuer/Regelvorrichtung Phasenänderungen der zyklischen Abweichungen
erfaßt und die Steuerung der Kraftsteuervorrichtung und der
Zugsteuervorrichtung in Reaktion auf die erfaßten Phasenänderungen
anpaßt.
11. Verfahren zum Steuern/Regeln eines Walzwerks, das Bahnmaterial
von einer Abwicklungshaspel einer Aufwickfungshaspel zuführt und
zwischen zwei Arbeitswalzen hindurchführt, wobei das Verfahren die
Schritte umfaßt:
Erfassen der Geschwindigkeit des Bahnmaterials;
Speichern von Informationen, die zyklische Abweichungen der Dicke des Bahnmaterials darstellen; und
Steuern/Regeln der von den Arbeitswalzen auf das Bahnmaterial ausgeübten Kraft unter Verwendung der gespeicherten Informationen und der erfaßten Geschwindigkeit.
Erfassen der Geschwindigkeit des Bahnmaterials;
Speichern von Informationen, die zyklische Abweichungen der Dicke des Bahnmaterials darstellen; und
Steuern/Regeln der von den Arbeitswalzen auf das Bahnmaterial ausgeübten Kraft unter Verwendung der gespeicherten Informationen und der erfaßten Geschwindigkeit.
12. Verfahren nach Anspruch 11, das ferner den Schritt des
Steuerns/Regeln des Zugs an einer der Haspeln unter Verwendung der
gespeicherten Informationen und der erfaßten Geschwindigkeit umfaßt.
13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der
Kraftsteuerungs/regelungsschritt Arbeitsspaltabweichungen korrigiert, die
durch Störungen hervorgerufen werden, die im aktuellen Materialdurchlauf
auftreten, wobei die Kraft- und Zugsteuerungs/reglungsschritte gemeinsam
Abweichungen im ankommenden Material korrigieren.
14. Verfahren nach Anspruch 11, das ferner den Schritt des Erfassens
der Dicke des Bahnmaterials umfaßt, wobei die gespeicherten
Informationen in Reaktion auf die erfaßte Dicke erzeugt werden.
15. Verfahren nach Anspruch 11, das ferner die Schritte des Erfassens
der Phasenänderung der zyklischen Abweichungen und des Einstellens der
Kraft und des Zugs in Reaktion auf die erfaßten Phasenänderungen umfaßt.
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