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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Mühlensystems sowie eine entsprechende Steuervorrichtung und ein entsprechendes Muhlensystem.
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Die Erfindung betrifft die Steuerung von Mühlen, insbesondere von Rohrmuhlen, wie z. B. Kugelmuhlen oder SAG-Mühlen (SAG = Semi-Autogenous Grinding Mills). Diese Mühlen dienen zum Zermahlen von grobkörnigem Material, wie z. B. Erzen oder Zement. Hierzu wird einem Mühlenkorper das zu mahlende Gut zugeführt, und über eine Rotation des Mühlenkorpers erfolgt die Zerkleinerung des Guts durch Aufprall von Partikeln sowie durch Reibung innerhalb des zirkulierenden Guts. Generell wird in autogenen Mühlen dem Muhlenkörper nur das Mahlgut zugefuhrt. In SAG-Muhlen werden dem Mahlgut zusatzlich Stahlkugeln zur Unterstützung des Mahlvorgangs zugesetzt. Kugelmühelen enthalten einen sehr viel großeren Anteil an Stahlkugeln, so dass der Mahlvorgang hauptsächlich durch die Stahlkugeln bewirkt wird.
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Zur Rotation des Mühlenkörpers der oben beschriebenen Mühlen wird elektrische Energie benotigt, mit der ein entsprechender Elektromotor angetrieben wird. Diese Energie wird aus einem Stromnetz entnommen. Der Energiebedarf ist dabei außerordentlich hoch und liegt bei SAG-Muhlen im Bereich von bis zu 30 MW. Allgemein verbrauchen Erzmuhlen ungefahr 3% der weltweiten elektrischen Energieproduktion.
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Aufgrund der Zunahme von erneuerbaren Energien bei der Stromerzeugung kommt es haufig zu Schwankungen bei der in einem Stromnetz bereitgestellten elektrischen Leistung bzw. Energie. Es besteht deshalb das Bedurfnis, den Energieverbrauch von großen Stromkonsumenten, wie den oben beschriebenen Mühlen, an die schwankende, im Stromnetz zur Verfügung stehende Energiemenge anzupassen.
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zur Steuerung eines Mühlensystems zu schaffen, so dass der Energieverbrauch des Mühlensystems an das Stromnetz angepasst ist, aus dem das Muhlensystem elektrische Leistung bezieht.
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Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 bzw. die Vorrichtung gemäß Patentanspruch 12 bzw. das Mühlensystem gemäß Patentanspruch 14 gelost. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhangigen Ansprüchen definiert.
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Das erfindungsgemaße Verfahren dient zur Steuerung eines Mühlensystems mit zumindest einer Mühle, insbesondere einer Erzmühle oder Zementmuhle, wobei fur den Betrieb des Muhlensystems aus einem Stromnetz elektrische Energie entnommen wird, mit der die Rotation zumindest eines Mühlenkörpers bewirkt wird, wodurch dem zumindest einen Mühlenkorper zugefuhrtes Gut zerkleinert wird. Im Rahmen des erfindungsgemaßen Verfahrens wird fur das Muhlensystem eine aus dem Stromnetz zu entnehmende Sollleistungsentnahme vorgegeben, und eine oder mehrere Stellgrößen des Muhlensystems werden derart geregelt, dass die aus dem Stromnetz entnommene (elektrische) Leistung der Sollleistungsentnahme entspricht. Der Begriff der Sollleistungsentnahme ist dabei weit zu verstehen und kann neben einem vorgegebenen Leistungsbereich bzw. einer vorgegebenen Leistung auch eine entsprechende Leistung für eine vorbestimmte Zeitspanne und damit auch einen Energiewert bzw. einen Energieintervall umfassen. Ebenso kann sich der Begriff der entnommenen Leistung auf eine Leistung für eine vorbestimmte Zeitspanne und damit auf eine Energie beziehen. Der Begriff der Sollleistungsentnahme bzw. der entnommenen Leistung kann rein die Leistungsentnahme durch das Mühlensystem betreffen, ggf. kann sich die Sollleistungsentnahme bzw. entnommene Leistung auch auf eine Leistungsentnahme eines größeren Systems beziehen, welches das Muhlensystem umfasst.
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Die Erfindung beruht auf der Idee, dass der Betrieb einer Muhle nicht nur intern optimiert werden kann, sondern auch externe Größen in der Form einer geeignet festgelegten Sollleistungsentnahme berücksichtigt werden können. Hierdurch kann beispielsweise sichergestellt werden, dass die Leistungsentnahme des Mühlensystems eine vorgegebene Große nicht überschreitet bzw. innerhalb eines vorgegebenen Bereichs liegt, so dass es nicht zu ubermäßigen Belastungen im Stromnetz kommt. Ebenso kann der Betrieb des Muhlensystems derart ausgestaltet sein, dass dem Stromnetz über das Mühlensystementsprechende Regelleistung bzw. Regelenergie bereitgestellt wird, wie weiter unten noch naher beschrieben wird.
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Das erfindungsgemaße Verfahren hat besondere Vorteile fur Mühlensysteme mit hohem Stromverbrauch. Deshalb wird die Erfindung vorzugsweise in einem Mühlensystem eingesetzt, welches eine Rohrmuhle und/oder eine SAG-Mühle und/oder eine Kugelmuhle umfasst, welche einen hohen Bedarf an elektrischer Energie im Bereich einiger Megawatt haben.
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Um im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens die Regelung nicht rein von einer Sollleistungsentnahme abhangig zu machen, werden die Stellgroße oder Stellgroßen in einer bevorzugten Variante derart geregelt, dass ein Mindestdurchsatz an gemahlenem Gut und/oder eine Mindestqualität des gemahlenen Guts erreicht werden. Der Mindestdurchsatz entspricht dabei der Menge an erzeugtem gemahlenem Gut pro Zeiteinheit. Die Mindestqualitat kann auf verschiedene Arten festgelegt werden, beispielsweise kann die Mindestqualitat durch eine entsprechende Korngröße des gemahlenen Guts oder andere Eigenschaften des gemahlenen Guts spezifiziert werden.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemaßen Verfahrens dient das Muhlensystem zur Bereitstellung von Regelleistung an das Stromnetz. Regelleistung wird heutzutage einem Stromnetz uber entsprechende Kraftwerke kurzfristig zugeführt, wobei nunmehr ein Energieverbraucher in der Form eines Mühlensystems dazu genutzt wird, diese Regelleistung bereitzustellen. Der Begriff der Regelleistung ist dabei weit zu verstehen und umfasst nicht nur die reine Leistung in der Form von Energie pro Zeit, sondern ggf. auch eine Leistung in einem vorgegebenen Zeitintervall und damit eine Regelenergie. Um das Mühlensystem zur Bereitstellung von Regelleistung einzusetzen, wird die vorgegebene Sollleistungsentnahme im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens durch einen vorgegebenen Regelleistungsbedarf im Stromnetz spezifiziert, wobei dieser Regelleistungsbedarf auch einen Leistungsbedarf für eine vorbestimmte Zeiteinheit und damit ein Regelenergiebedarf darstellen kann. Dabei werden die Stellgroße oder Stellgroßen des Muhlensystems derart geregelt, dass die aus dem Stromnetz entnommene Leistung um den vorgegebenen Regelleistungsbedarf reduziert wird, so dass die benötigte Regelleistung über die Reduktion des Energieverbrauchs der Mühle zur Verfügung steht. Der Regelleistungsbedarf, der ublicherweise mit der Zeit schwankt, kann dem Mühlensystem in geeigneter Weise signalisiert werden, beispielsweise indem der Betreiber des Stromnetzes dem Mühlensystem den gerade benötigten Regelleistungsbedarf mitteilt. Gegebenenfalls besteht auch die Moglichkeit, dass das Muhlensystem selbst den Regelleistungsbedarf im Stromnetz detektiert, wobei entsprechende Detektionsverfahren an sich bekannt sind. Beispielsweise kann der Regelleistungsbedarf über eine Verminderung der Netzfrequenz festgestellt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Sollleistungsentnahme auch durch einen vorgegebenen Leistungsbereich spezifiziert werden, wobei die Stellgröße oder Stellgroßen des Mühlensystems derart geregelt werden, dass die Leistung, welche zumindest von dem Muhlensystem und insbesondere auch von anderen Komponenten einer das Mühlensystem umfassenden Gesamtanlage entnommen wird, innerhalb des vorgegebenen Leistungsbereichs liegt. Der Leistungsbereich kann dabei durch den Stromnetzbetreiber vorgegeben sein und derart gewahlt sein, dass keine zu großen Schwankungen im Rahmen des Stromverbrauchs des Mühlensystems auftreten. Ebenso kann der vorgegebene Sollleistungsbereich durch den Betreiber des Muhlensystems bzw. der Gesamtanlage festgelegt werden. Beispielsweise kann der Betreiber des Muhlensystems bzw. der Gesamtanlage bei der Spezifikation des Leistungsbereichs die mit dem Stromnetzbetreiber geschlossenen Vertrage berucksichtigen, welche ublicherweise hohe Strafzahlungen bei Überschreiten bzw. Unterschreiten entsprechender Schwellwerte für die aus dem Stromnetz entnommene Leistung festlegen. Entsprechend der Schwellwerte kann dann der vorgegebene Leistungsbereich definiert werden, um hierdurch Strafzahlungen zu vermeiden.
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Als Stellgroßen, welche in dem erfindungsgemäßen Verfahren geregelt werden, kommen insbesondere solche Stellgroßen in Betracht, welche einen signifikanten Einfluss auf die Leistungsentnahme des Mühlensystems haben. Vorzugsweise umfassen die Stellgroßen dabei die Drehzahl des zumindest einen Muhlenkörpers, denn diese Drehzahl bedingt die vom Antrieb des Muhlensystems benötigte elektrische Leistung und hängt somit stark von der aus dem Stromnetz entnommenen Leistung ab. Es konnen jedoch auch beliebige andere Stellgrößen im Rahmen der erfindungsgemaßen Regelung berucksichtigt werden, welche Einfluss auf den Energieverbrauch haben bzw. mit denen der Energieverbrauch der Mühle und damit der Produktionsprozess optimiert werden kann. Insbesondere können die Stellgrößen die Menge an Gut umfassen, welche dem zumindest einen Mühlenkorper bei dessen Rotation zugeführt wird. Ebenso kann die Menge an Wasser, welche dem zumindest einen Muhlenkorper bei dessen Rotation zugeführt wird, bei Steuerung des Mühlensystems berücksichtigt werden. In Rohrmuhlen erfolgt der Mahlvorgang in der Regel immer unter Zusetzung von Wasser.
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Darüber hinaus können als Stellgroßen die Einstellung einer oder mehrerer, im Mühlensystem verwendeter Hydrozyklon-Einheiten berucksichtigt werden. Eine Hydrozyklon-Einheit dient dabei dazu, gemahlenes Gut nach Korngroße zu separieren, so dass solches Gut, welches noch nicht die gewünschte Korngroße erreicht hat, nochmals der Mühle zugeführt wird. Durch entsprechende Anpassung der Hydrozyklon-Einheit kann der Energiebedarf der Muhle und damit die Leistungsentnahme aus dem Stromnetz angepasst werden. Beispielsweise kann die durch die Hydrozyklon-Einheit durchgefuhrte Separierung derart verandert werden, dass die Mindestkorngroße, ab der das gemahlene Gut nicht mehr der Muhle zugeführt wird, heraufgesetzt wird. Hierdurch kann Energie eingespart werden, da weniger Gut dem Muhlenkörper rückgefuhrt wird.
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In einer besonders bevorzugten Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Stellgröße oder Stellgrößen basierend auf einer Optimierung mit dem Optimierungsziel(en) eines möglichst geringen Energieverbrauchs des Mühlensystems pro Masseneinheit von gemahlenem Gut und/oder eines möglichst großen Durchsatzes an gemahlenem Gut (d. h. einer moglichst großen Menge an pro Zeiteinheit erzeugten gemahlenen Gut) und/oder einer möglichst hohen Produktqualität des gemahlenen Guts und/oder eines moglichst geringen Verschleißes des Mühlensystems optimiert. Dabei besteht eine Nebenbedingung der Optimierung darin, dass die aus dem Stromnetz entnommene Leistung der Sollleistungsentnahme entspricht. Hierdurch kann auf einfache Weise unter Berucksichtigung einer vorgegebenen Sollleistungsentnahme ein möglichst optimaler Betrieb des Mühlensystems basierend auf einem oder mehreren der oben genannten Optimierungsziele erreicht werden. Bei der Berücksichtigung mehrerer Optimierungsziele konnen die einzelnen Optimierungsziele in geeigneter Weise uber entsprechende Gewichtungsfaktoren gewichtet werden.
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Vorzugsweise fließen neben der oben genannten Nebenbedingung betreffend die Sollleistungsentnahme auch noch eine oder mehrere weitere Nebenbedingungen bei der Optimierung mit ein. In einer bevorzugten Ausfuhrungsform wird dabei als weitere Nebenbedingung der bereits oben erwähnte Mindestdurchsatz an gemahlenem Gut bzw. die bereits oben erwähnte Mindestqualitat des gemahlenen Guts berucksichtigt. Die weitere Nebenbedingung besteht dabei darin, dass ein Mindestdurchsatz und/oder eine Mindestqualität erreicht werden.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemaßen Verfahrens erfolgt die Regelung der Stellgroße oder Stellgrößen mit einem an sich bekannten Modellpradikativen Regler, der auf einem Gesamtmodell der Muhle basiert, welches eine oder mehrere Betriebsgrößen der Mühle in Abhangigkeit von der Veranderung des oder der Stellgroßen vorhersagt. Die Modell-prädikative Regelung ist dabei an sich aus dem Stand der Technik bekannt und wird nicht weiter im Detail beschrieben.
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In einer bevorzugten Variante wird als Gesamtmodell für den Modell-pradikativen Regler ein dynamisches Zustandsraum-Modell verwendet, welches den aktuellen Mühleninhalt, einen Energieverbrauch der Mühle, sowie eine aktuelle Bruchrate grober Partikel in feinere Klassen beschreibt. Beispiele solcher Modelle finden sich in
Rajamani, R. K.; Herbst, J., "Optimal Control of a Ball Mill Grinding Circuit. Pt. 1: Grinding Circuit Modelling and Dynamic Simulation", Chemical Engineering Science, 46(3), 861–870, 1991. Dynamische Modelle erlauben Vorhersagen, wie sich Anderungen in der Drehzahl oder der Zufuhrgeschwindigkeit des zu mahlenden Materials in die Mühle auf das Gesamtsystem (insbesondere die Bruchrate, den Energieverbrauch, und das Austragsverhalten der Mühle) auswirken. Daher sind diese Modelle ideal geeignet, um eine quantitative Optimierung der Zeitintervalle und der Geschwindigkeiten vorzunehmen. Ferner wird es hierdurch moglich, Drehzahltrajektorien anstelle fester Sollwerte pro Zeitintervall zu berechnen.
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In einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform wird das Gesamtmodell, welches bei der Modell-prädikativen Regelung berücksichtigt wird, im Betrieb des Muhlensystems unter kontinuierlicher Berücksichtigung von Betriebsgroßen der Mühle adaptiert.
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Anstatt bzw. zusätzlich zu einem Modell-prädikativen Regler konnen auch andere Arten von Reglern verwendet werden. Insbesondere kann ggf. auch ein einfacher PID-Regler zum Einsatz kommen, der von einem linearen Zusammenhang zwischen der Veranderung einer oder mehrerer Stellgroßen und einer dadurch verursachten Veranderung der Leistungsentnahme aus dem Stromnetz ausgeht.
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Neben dem oben beschriebenen Verfahren betrifft die Erfindung ferner eine Vorrichtung zur Steuerung eines Muhlensystems mit zumindest einer Mühle, wobei fur den Betrieb des Mühlensystems aus einem Stromnetz elektrische Leistung entnommen wird, mit der die Rotation zumindest eines Mühlenkorpers bewirkt wird, wodurch dem zumindest einen Muhlenkörper zugeführtes Gut zerkleinert wird, wobei die Vorrichtung derart ausgestaltet ist, dass sie basierend auf einer fur das Mühlensystem vorgegebenen, aus dem Stromnetz zu entnehmenden Sollleistungsentnahme eine oder mehrere Stellgrößen des Mühlensystems derart regelt, dass die aus dem Stromnetz entnommene Leistung der Sollleistungsentnahme entspricht. Die Steuervorrichtung ist dabei vorzugsweise derart ausgestaltet, dass eine oder mehrere der oben beschriebenen bevorzugten Varianten des erfindungsgemaßen Verfahrens mit der Steuervorrichtung durchführbar sind.
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Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Mühlensystem mit zumindest einer Muhle, insbesondere einer Erzmühle oder Zementmuhle, wobei fur den Betrieb des Mühlensystems aus einem Stromnetz elektrische Leistung entnommen wird, mit der die Rotation zumindest eines Muhlenkörpers bewirkt wird, wodurch dem zumindest einen Mühlenkorper zugeführtes Gut zerkleinert wird. Das Muhlensystem umfasst dabei die oben beschriebene erfindungsgemäße Steuervorrichtung.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Muhlensystem mit einer Ausführungsform einer erfindungsgemaßen Steuereinheit; und
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2 ein Blockschaltbild der Steuereinheit gemäß 1.
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In 1 ist ein Mühlensystem 1 gezeigt. Das Mühlensystem 1 umfasst eine Erzmuhle, die als Kugelmühle oder als SAG-Mühle ausgebildet ist. Sie ist mit einer adaptiven Modell-prädiktiven Steuereinheit 2 beschaltet, die den Betrieb des Muhlensystems 1 steuert. Als Hauptkomponenten umfasst das Mühlensystem 1 eine zentrale Mühle 3 mit einem Muhlenkorper in der Form einer Trommel 3a zum Mahlen des zugeführten Erzmaterials und mit einem die Trommel 3a antreibenden und insbesondere getriebelosen elektrischen Antrieb 3b. Der elektrische Antrieb und auch alle weiteren, im Mühlensystem elektrisch betriebenen Komponenten werden durch ein Stromnetz mit elektrischer Leistung bzw. Energie versorgt, wobei dieses Stromnetz in 1 schematisch angedeutet ist und mit Bezugszeichen PG bezeichnet ist.
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Bei der Muhle 3 handelt es sich um eine an sich bekannte Mühle, welche durch die Rotation der Trommel 3a darin befindliches Erzmaterial zerkleinert. Bei geringer Drehzahl der Trommel bildet das Erzmaterial dabei eine zusammenhangende Masse („Bündelung”), d. h. ein Großteil des Erzmaterials wird durch die Rotation umgerührt, wobei Erzpartikel durch Abriss und Schwerkräfte zerkleinert werden. Bei hoheren Drehzahlen beginnt das Erzmaterial in der Trommel wie in einem Wasserfall zu stürzen („stürzen”), d. h. Erzpartikel fliegen frei durch die Trommel und schlagen dann auf deren Wandung bzw. auf davor verbliebene Erzpartikel auf, wobei die Erzpartikel durch den Aufprall zerbrochen werden. Bei mittleren Drehzahlen können diese beiden Effekte gleichzeitig auftreten. Bei besonders hohen Drehzahlen wird das Erzmaterial zentrifugiert, d. h. an die Trommelwand gepresst, wodurch die einzelnen Erzpartikel nicht mehr brechen. Sowohl das bündelnde als auch das stürzende Bewegungsverhalten des Erzmaterials haben spezifische Vorteile in Bezug auf die Zerkleinerung, wobei diese Vorteile von der Art des zu mahlenden Erzes abhängen.
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Im Rahmen der Zerkleinerung von Erzmaterial im Mühlenkörper wird dem Material ferner Wasser zugeführt, wodurch die aufgebrochenen Erzpartikel und das Wasser eine Aufschlemmung bzw. Pulpe bilden, welche anschließend durch ein Sieb innerhalb des Muhlenkörpers in eine Ausgabekammer fließt, in der sich radial erstreckende Stege bzw. Heber angeordnet sind, welche sich aufgrund der Rotation des Muhlenkörpers um eine horizontale Achse drehen. Am vertikal hochsten Punkt in der Ausgabekammer fallt die Pulpe in ein zentral angeordnetes Loch, uber welches die Pulpe aus der Trommel 3a gelangt und einer Sumpfeinheit 4 zugeführt wird. Diese Sumpfeinheit ist mit einer an sich bekannten Hydrozyklon-Einheit 5 mittels einer Hydrozyklon-Zuflussleitung 6 verbunden.
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Aufgrund der Größe des Muhlenkörpers, dessen Durchmesser ublicherweise im Bereich von mehreren Metern (z. B. 10 m) liegt, wird sehr viel elektrische Energie aus dem Stromnetz verbraucht. Wesentlichen Einfluss auf den Energieverbrauch haben dabei die Rotationsgeschwindigkeit des Muhlenkörpers sowie der Füllzustand innerhalb des Muhlenkörpers. Üblicherweise werden zum Betrieb einer Kugelmühle bzw. SAG-Muhle bis zu 30 MW benotigt. Demzufolge kann das Mühlensystem durch entsprechende Reduktion seines Energieverbrauchs, beispielsweise durch Verminderung seiner Rotationsgeschwindigkeit oder Veranderung des Füllzustands der Trommel, dem Stromnetz bei Bedarf Regelleistung in nicht unerheblicher Menge bereitstellen. In der hier beschriebenen Ausführungsform der Erfindung fungiert deshalb das Mühlensystem auch als eine Einheit, welche dem Stromnetz Regelleistung liefert. Um dies zu erreichen, wird dem Mühlensystem über das Stromnetz ein aktueller Regelleistungsbedarf mitgeteilt, der in 1 mit RE bezeichnet ist und der Steuereinheit 2 als Eingangsgröße zugefuhrt wird. Basierend auf der Regelleistung RE werden dann entsprechende Stellgrößen des Muhlensystems derart geregelt, dass der Energieverbrauch der Muhle entsprechend reduziert wird, so dass die Leistung entsprechend dem Regelleistungsbedarf im Stromnetz zur Verfügung steht. Zwar führt diese Reduktion im Energieverbrauch temporar zu einer geringeren Produktionsleistung der Muhle, jedoch erhält der Muhlenbetreiber aufgrund der Bereitstellung von Regelleistung eine finanzielle Vergutung durch den Stromnetzbetreiber, welche sogar großer als die Produktionsverluste sein kann.
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In der Hydrozyklon-Einheit 5 findet eine Separierung des ausgegebenen Guts in fein genug gemahlenes und in noch zu grob körniges Material statt. Das fein gemahlene Material gelangt in eine ausgangsseitige Ausflussleitung 7, die an eine nicht näher dargestellte, dem Mühlensystem 1 nachgeschaltete Komponente angeschlossen ist. Dagegen wird das grob kornige Material uber eine Ruckflussleitung 8 wieder einem Zufuhrschacht 9 der zentralen Mühle 3 zugeführt.
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Der Zufuhrschacht 9 ist außerdem an Förderbander 10 angeschlossen, mittels derer ungemahlenes Erzmaterial aus einem Erzvorrat 11 zugeführt wird. Anstelle der Forderbander 10 kann auch ein anderes Zufuhraggregat vorgesehen sein. Weiterhin ist der Zufuhrschacht 9 an einen Wasserzulauf 12 angeschlossen. Ein weiterer Wasserzulauf 13 ist an der Sumpfeinheit 4 vorgesehen.
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Das Muhlensystem 1 enthält außerdem eine Vielzahl an Messwertaufnehmern, die Messwerte fur verschiedene Betriebsgroßen B erfassen und mittels Messleitungen 14 der Steuereinheit 2 zufuhren. Beispielsweise sind ein Gewichtmesser 15 an den Förderbändern 10, ein Flussmesser 16 am Wasserzulauf 12, ein Leistungs- und Drehmomentmesser 17 am Antrieb 3b, ein Gewichtmesser 18 zur Erfassung einer Beladung der Trommel 3a, ein Flussmesser 19 am Wasserzulauf 13, ein Niveaumesser 20 an der Sumpfeinheit 4, ein Korngrößenmesser 21, ein Flussmesser 22 und ein Druckmesser 23 jeweils an der Hydrozyklon-Zuflussleitung 6, ein Dichtemesser 24 an der Rückflussleitung 8 und ein Korngroßenmesser 25 an der Ausflussleitung 7 vorgesehen. Diese Aufzahlung ist beispielhaft zu verstehen. Grundsatzlich konnen noch weitere Messwertaufnehmer vorgesehen sein. Die jeweiligen Messungen erfolgen stets online und in Echtzeit, so dass in der Steuereinheit 2 immer aktuelle Messwerte verfugbar sind.
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Neben den Messwertaufnehmern hat das Mühlensystem 1 auch mehrere lokale Regler, die mittels Steuerleitungen 26 an die Steuereinheit 2 angeschlossen sind. Im Einzelnen sind ein Gewichtregler 27 an den Förderbandern 10, ein Flussregler 28 am Wasserzulauf 12, ein Drehzahlregler 29 am Antrieb 3b, ein Flussregler 30 am Wasserzulauf 13 und an der Hydrozyklon-Zuflussleitung 6, ein Niveauregler 31 an der Sumpfeinheit 4 und ein Dichteregler 32 an der Rückflussleitung 8 vorgesehen.
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Die genannten Messwertaufnehmer und lokalen Regler sind nur beispielhaft zu verstehen. Im Einzelfall konnen auch weitere derartige Komponenten vorgesehen sein. Beispielsweise konnen an den Förderbandern 10 zusatzliche Informationen uber die Beschaffenheit des zugeführten ungemahlenen Erzmaterials beispielsweise mittels einer Lasermessung oder mittels einer Videoerfassung gewonnen werden. Ebenso ist aber auch eine Beschränkung auf nur einen Teil der in 1 gezeigten Messwertnehmer und lokalen Regler möglich.
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Außerdem konnen weitere Betriebsgrößen, die einer direkten Messung nicht zuganglich sind, mittels sogenannter Softsensoren bestimmt werden. Dabei wird auf erfassbare primare Betriebsgrößen zurückgegriffen, aus deren Messwerten mittels eines Auswertealgorithmus ein aktueller Wert der eigentlich interessierenden sekundaren Betriebsgröße bestimmt wird. Die hierzu verwendete Auswerte-Software kann auch ein neuronales Netz umfassen.
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In der Steuereinheit 2, welche weiter unten noch näher anhand von 2 beschrieben wird, erfolgt eine Einstellung von entsprechenden Stellgrößen A des Mühlensystems derart, dass die benotigte Regelleistung RE im Stromnetz PG bereitgestellt wird und ferner weiterhin ein moglichst optimaler Betrieb des Muhlensystems gewährleistet wird. Die von der Steuereinheit 2 geregelten Stellgroßen A haben Einfluss auf verschiedene Zustandsgroßen der Mühle, die im Zusammenhang mit dem Energieverbrauch stehen. In der hier beschriebenen Ausführungsform beeinflussen die Stellgrößen die Drehzahl des Mühlenkorpers über einen entsprechenden Drehzahlregler sowie die zugefuhrte Menge an zu mahlendem Erz uber einen entsprechenden Regler der Geschwindigkeit des Forderbandes (nicht in 1 gezeigt). Gegebenenfalls können auch noch weitere Stellgrößen einfließen, welche Einfluss auf die Leistung haben. Beispielsweise kann die Hydrozyklon-Einheit 5 so gesteuert werden, dass das Material weniger fein gemahlen wird. Hierdurch wird zwar die Produktqualität vermindert, jedoch wird auch die verbrauchte Leistung herabgesetzt, so dass Regelleistung fur das Stromnetz zur Verfügung steht. Da – wie weiter unten beschrieben – im Rahmen der Regelung eine Mindestproduktqualitat als Nebenbedingung einbezogen werden kann, ist es somit möglich, bei Veränderung der Einstellungen der Hydrozyklon-Einheit immer noch eine Mindestqualität des gemahlenen Guts zu gewahrleisten.
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In der Steuereinheit 2 werden den Betrieb der Muhle repräsentierende Eingangsgrößen E verarbeitet, aus denen über eine an sich bekannte Modell-prädikative Regelung geeignete Stellgrößen bestimmt werden. In der hier beschriebenen Ausführungsform beruht die Regelung dabei auf einer Optimierung mit dem Optimierungsziel eines moglichst geringen spezifischen Energieverbrauchs des Mühlensystems, d. h. eines möglichst geringen Energieverbrauchs pro Masseneinheit von gemahlenem Gut. Dieser spezifische Energieverbrauch kann in geeigneter Weise in dem Mühlensystem uber erfasste Messwerte ermittelt werden.
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Gegebenenfalls kann als weiteres Optimierungsziel ein moglichst geringer Verschleiß des Mühlensystems einfließen, wobei zur Ermittlung des Verschleißes ebenfalls entsprechende Messparameter herangezogen werden. Insbesondere hängt der Verschleiß vom Fullzustand und der Rotationsgeschwindigkeit des Mühlenkorpers ab. Bei bestimmten Rotationsgeschwindigkeiten und Füllzuständen ist das stürzende Bewegungsverhalten des Erzmaterials höher, was zu einem hoheren Verschleiß fuhrt. Entsprechende Zusammenhänge zwischen Rotationsgeschwindigkeit bzw. Fullzustand und dem Aufprall der Erzpartikel sind dabei bekannt, so dass ein entsprechendes Maß fur den Verschleiß bestimmt werden kann. Der Verschleiß kann dabei auch ggf. für andere Komponenten des Muhlensystems in geeigneter Weise uber erfasste Zustandsgrößen bestimmt werden.
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Im Rahmen der Regelung durch die Steuereinheit 2 ist es wesentlich, dass bei der Optimierung der entsprechende Regelleistungs- bzw. Regelenergiebedarf RE als einzuhaltende Nebenbedingung einfließt, d. h. dass die Regelung derart erfolgt, dass die Leistung des Muhlensystems so angepasst wird, dass die entsprechende Regelenergie bzw. Regelleistung im Stromnetz zur Verfügung steht. In einer bevorzugten Variante werden dabei als weitere Nebenbedingungen berucksichtigt, dass eine vorbestimmte Mindestproduktqualitat des gemahlenen Guts bzw. ein vorbestimmter Mindestdurchsatz erreicht wird, so dass die Mühle immer noch effizient betrieben wird. Der Durchsatz, d. h. die Menge an erzeugtem gemahlenem Gut pro Zeiteinheit, bzw. die Produktqualität kann wiederum gemessen werden bzw. über entsprechende Messwerte, wie z. B. die Korngröße des gemahlenen Guts, festgelegt werden.
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In 2 ist ein Blockschaltbild der Steuereinheit 2 mit ihren wesentlichen Komponenten gezeigt. Sie umfasst ein adaptives Gesamtmodell 33 des Mühlensystems 1, eine Prädiktions-Einheit 34, eine Vergleichs-Einheit 35, eine Parameter-Identifizierungs- und Adaptionseinheit 36 sowie eine Optimierungseinheit 37. Diese Komponenten sind insbesondere als Software-Module realisiert.
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Im Blockschaltbild gemaß 2 ist stellvertretend fur die Vielzahl der in Figur wiedergegebenen Messwertaufnehmer eine Messeinheit 38 enthalten. Im Falle einer Ausgestaltung als Softsensor kann auch die Messeinheit 38 als Software-Modul und damit als integraler Bestandteil der Steuereinheit 2 realisiert sein. Anderenfalls ist es jedoch ebenso möglich, dass es sich bei der Messeinheit 38 um physikalisch von der Steuereinheit 2 getrennte Baugruppen handelt.
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Im Folgenden wird die Funktionsweise der Steuereinheit 2 näher beschrieben.
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Wie bereits erwähnt, werden eingangsseitig der Steuereinheit 2 verschiedene Eingangsgrößen E zugefuhrt. Hierbei kann es sich um Messwerte, aber auch um andere Betriebsdaten handeln. Mögliche Eingangsdaten E sind das Erzgewicht, die Härte des zu mahlenden Erzmaterials, der Wasserzufluss an den Wasserzulaufen 12 und 13, der Materialrückfluss von der Hydrozyklonen-Einheit 5 zum Eingang 9 der zentralen Mühle 3, Korngrößenverteilungen an verschiedenen Stellen innerhalb des Mühlensystems 1 insbesondere in der Sumpfeinheit 4 oder in der ausgangsseitigen Ausflussleitung 7, Geometrie-Daten der zentralen Muhle 3, die Geschwindigkeit, mit der die Forderbander 10 das zu mahlende Material dem Eingang 9 zuführen, und eine Geschwindigkeit, mit der das Endprodukt, also das gemahlene Material, den nachfolgenden Komponenten zugefuhrt wird. Die Eingangsgroßen E können sich also auf Prozessparameter, auf das Design des Mühlensystems 1, vor allem der zentralen Muhle 3, oder auf das Material beziehen. Ferner erhalt die Steuereinheit 2 als Eingangsgröße einen Regelleistungsbedarf RE, der durch das Stromnetz signalisiert wird. Gegebenenfalls kann auch das Muhlensystem selbst den Regelleistungsbedarf, z. B. aufgrund einer Veränderung der Netzfrequenz, detektieren.
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Wie oben beschrieben, ermittelt die Steuereinheit 2 Ausgangsgrößen A, welche Stellgrößen zur Steuerung des Prozessablaufs sind. Diese Stellgroßen konnen unmittelbar, also ohne Zwischenschaltung lokaler Regler, auf Stellglieder einwirkende Größen darstellen. Ebenso können die Stellgroßen entsprechende Führungsgroßen fur die verschiedenen lokalen Regler gemäß 1 darstellen.
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Das adaptive Gesamtmodell 33 der Steuereinheit 2 beschreibt das Mühlensystem 1 in seiner Gesamtheit. Es setzt sich aus einer Kopplung mehrerer Submodelle zusammen. Die Submodelle beschreiben die zentrale Mühle 3, die Sumpfeinheit 4 und die Hydrozyklon-Einheit 5. Weitere Submodelle für andere Komponenten des Muhlensystems 1 können bei Bedarf ergänzt werden. Das adaptive Gesamtmodell 33 lässt sich mittels Modellparameter P an die aktuell herrschenden Prozessbedingungen anpassen, wobei in der Parameter-Identifizierungs- und Adaptionseinheit 36 auch festgestellt wird, ob diese Anpassung mittels aller oder nur eines Teils der Modellparameter P erfolgt. Gegebenfalls wird also ein relevanter Teilsatz der Modellparameter P identifiziert. Die so ausgewahlten Modellparameter P eignen sich dann besonders gut zur Modell-Adaption. Das adaptive Gesamtmodell 33 beruht auf physikalischen Vorgaben, die zumindest teilweise auch durch empirische Erfahrungswerte erganzt werden können. Das adaptive Gesamtmodell 33 und insbesondere dessen Anpassung mittels der Modellparameter P werden in Echtzeit berechnet. Dies tragt dazu bei, dass keine nennenswerten Regel-Totzeiten entstehen.
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Unter Verwendung des Gesamtmodells 33 wird mittels der Optimierungseinheit 37 und der Prädiktions-Einheit 34 eine an sich bekannte Modell-prädikative Regelung realisiert. Durch das Gesamtmodell können dabei in Abhangigkeit von den Eingangsgroßen und Veränderungen von Stellgrößen Betriebsgroßen B prädiziert werden, wobei basierend auf einem entsprechenden Optimierungsalgorithmus unter Verwendung der prädizierten Betriebsgrößen die Stellgroßen derart eingestellt werden, dass das Optimierungsziel erreicht wird. Das Optimierungsziel besteht dabei darin, einen moglichst geringen spezifischen Energieverbrauch zu gewährleisten. Ggf. können weitere Optimierungsziele berücksichtigt werden, wie z. B. ein möglichst geringer Verschleiß des Muhlensystems. Als Nebenbedingung fließt der entsprechende Regelleistungsbedarf bzw. Regelenergiebedarf RE ein. Das heißt, die Optimierung ist derart ausgestaltet, dass der erforderliche Bedarf an Regelleistung bzw. Regelenergie auf jeden Fall dem Stromnetz durch entsprechende Veranderungen der Stellgrößen bereitgestellt wird. Vorzugsweise wird das Optimierungsziel durch eine geeignete, zu minimierende Kostenfunktion reprasentiert.
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Weitere denkbare Nebenbedingungen ergeben sich aus den physikalischen, technologischen oder prozessbedingten Grenzen. Sie konnen vorteilhafterweise direkt in den Optimierungsalgorithmus mit eingespeist werden, so dass ein Stell- oder Führungsgrößensatz, der zu einem instabilen Prozessablauf fuhren wurde, von vornherein ausgeschlossen wird. Gemäß einer verfahrensökonomisch begründeten Nebenbedingung kann z. B. verlangt sein, dass die Dichte in der Rückflussleitung 8 achtzig Prozent nicht übersteigt, da die Separations-Effizienz in der Hydrozyklon-Einheit 5 andernfalls durch veränderte Rheologie deutlich sinkt. Weiterhin kann die Drehzahl der Trommel 3a beschränkt werden, um zu starke Fliehkrafte zu vermeiden. Ebenso gibt es maximale und minimale Werte fur die Pumpleistungen bei der Frischwasserzufuhr und auch bei der Zufuhr des ungemahlenen Erzmaterials. Außerdem sind Grenzen für den maximalen Beladungszustand der Trommel 3a zu beachten.
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Die Berücksichtigung von Nebenbedingungen trägt auch mit dazu bei, dass der eingestellte Betriebsmodus des Mühlensystems 1 mehreren Anforderungen gleichermaßen gerecht wird. Beispielsweise lassen sich auf diese Weise die Muhlengeschwindigkeit, die Frischwasserzufuhr in die zentrale Mühle 3 und in die Sumpfeinheit 4 sowie der Energieverbrauch optimieren, wobei zugleich der Durchsatz und die erzielte Produktqualität auf einem vorgegebenen Niveau gehalten werden.
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Die durch die Prädiktionseinheit 34 pradizierten Betriebsgroßen werden zum einen durch die Optimierungseinheit 37 verarbeitet. Ferner werden die prädizierten Betriebsgroßen auch zur Adaption des Gesamtmodells 33 genutzt. Hierzu werden die entsprechenden Vorhersagewerte BV der Betriebsgrößen der Vergleichs-Einheit 35 zugefuhrt, welche den Vorhersagewert mit dem Messwert BM der entsprechenden Betriebsgroße vergleicht. Eine festgestellte Abweichung F wird der Parameter-Identifizierungs- und Adaptionseinheit 36 zur Ermittlung eines verbesserten Satzes für die Modellparameter P zur Verfugung gestellt. Die so verbessert eingestellten Modellparameter P werden dann zur Adaption des adaptiven Gesamtmodells 33 herangezogen. Das adaptierte Gesamtmodell 33 wird anschließend zur Bestimmung der Ausgangsgrößen A und auch des Vorhersagewerts BV fur eine kommende Betriebsphase verwendet. Da die Steuereinheit 2 also auf einer Prognose des Wertes beruht, den die Betriebsgroße B zukunftig annehmen wird, entfallen Regel-Totzeiten weitgehend. Die Steuer- und Regeleinheit 2 ist somit zum einen sehr stabil und reagiert zum anderen sehr rasch auf geanderte Prozessbedingungen.
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Als Betriebsgröße B sind verschiedene Großen des Mühlensystems 1 vorstellbar, wie beispielsweise ein Durchfluss, eine Dichte, ein Gewicht, ein Druck, eine Leistung, ein Drehmoment, eine Geschwindigkeit, eine Körnigkeit oder auch eine Korngroßenverteilung. Hierbei handelt es sich insbesondere um einen Teil der Eingangsgroßen E. Vor allem die Korngrößenverteilung eignet sich besonders gut zur Bestimmung eines verbesserten Parametersatzes für die Modellparameter P.
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In der Parameter-Identifizierungs- und Adaptionseinheit 36 kommt ein mathematisches Optimierungsverfahren zum Einsatz, wie zum Beispiel Sequential Quadratic Programming (SQP), bei dem eine vorgebbare Zielfunktion unter Einhaltung von Nebenbedingungen minimiert und zur Bestimmung des verbesserten Parameter(teil)satzes für die Modellparameter P verwendet wird. In der Parameter-Identifizierungs- und Adaptionseinheit 36 werden die Zielfunktionsminimierung und damit die Parameter-Adaption so vorgenommen, dass das adaptierte Gesamtmodell 33 das vergangene Verhalten des Mühlensystems 1 möglichst gut nachbildet. Ein mit dem so adaptierten Gesamtmodell 33 für die vergangene Betriebsphase (= fur mindestens einen vergangenen Zyklus) errechneter Wert BR der Betriebsgröße B wurde sich minimal von dem erfassten Messwert BM unterscheiden. Das adaptierte Gesamtmodell 33 beschreibt mit diesem adaptierten Parametersatz die Realität in der Vergangenheit optimal.
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Als Zielfunktion kommt beispielsweise die Abweichung zwischen gemessener und berechneter Korngroßenverteilung in Frage. Mogliche Nebenbedingungen ergeben sich dann insbesondere aus einer Übergangsmatrix, deren Koeffizienten angeben, mit welcher Wahrscheinlichkeit ein Materialpartikel, der im aktuellen Zyklus in einen bestimmten Teilbereich der Korngrößenverteilung fallt, nach dem kommenden Zyklus in einen bestimmten (anderen) Teilbereich der Korngroßenverteilung fallt. Die Werte, die die Koeffizienten dieser Ubergangsmatrix annehmen können, unterliegen gewissen, mathematisch oder physikalisch bedingten Beschränkungen. Es lassen sich Grenzen für die einzelnen Koeffizienten aber auch fur Kombinationen, beispielsweise für Summen von mehreren Koeffizienten angeben.
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Ebenso kann als Zielfunktion aber auch die Abweichung zwischen gemessener und berechneter Dichte in der Rückflussleitung 8 definiert werden. Selbstverstandlich kann zur Optimierung in der Parameter-Identifizierungs- und Adaptionseinheit 36 auch eine Kombination von mehreren Zielfunktionen herangezogen werden.
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Die vorstehenden Ausfuhrungen wurden am Beispiel einer Erzmühle gemacht. Die beschriebenen Prinzipien und vorteilhaften Wirkungsweisen lassen sich aber ohne weiteres auch auf den Betrieb anderer Muhlentypen, wie beispielsweise Zementmühlen oder in der Pharmaindustrie eingesetzte Mühlen, übertragen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Rajamani, R. K.; Herbst, J., ”Optimal Control of a Ball Mill Grinding Circuit. Pt. 1: Grinding Circuit Modelling and Dynamic Simulation”, Chemical Engineering Science, 46(3), 861–870, 1991 [0018]
