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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung bzw. zur Regelung
der Temperatur eines Metallbandes in einer Anlage der Stahlindustrie,
insbesondere in einer Kühlstrecke,
die einer Walzstraße zum
Walzen von Metall-Warmband nachgeordnet ist.
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Aus
der
DE 199 63 186
A1 ist ein Steuerverfahren für eine Kühlstrecke bekannt, der eine
Fertigstraße
zum Walzen von Metall-Warmband vorgeordnet ist. Bei diesem Steuerverfahren
werden beim Einlaufen des Warmbandes in die Kühlstrecke Bandpunkte und deren
Anfangstemperaturen erfasst und den erfassten Bandpunkten individuell
Solltemperaturverläufe
zugeordnet. Die Bandpunkte, deren Anfangstemperaturen und deren
Solltemperaturverläufe
werden einem Modell für
die Kühlstrecke
zugeführt.
Die Bandpunkte werden beim Durchlaufen der Kühlstrecke wegverfolgt. In der
Kühlstrecke
wird das Warmband mittels Temperaturbeeinflussungseinrichtungen
Temperaturbeeinflussungen unterworfen. Die Wegverfolgungen und die
Temperaturbeeinflussungen werden ebenfalls dem Modell zugeführt. Das
Modell ermittelt in Echtzeit erwartete Ist-Temperaturen der erfassten Bandpunkte
und ordnet diese den Bandpunkten zu. Dadurch steht für jeden
Bandpunkt zu jedem Zeitpunkt die Temperatur als Funktion über die
Banddicke zur Verfügung.
Ferner ermittelt es anhand der den erfassten Bandpunkten zugeordneten Solltemperaturverläufe und
der erwarteten Ist-Temperaturen Ansteuerwerte für die Temperaturbeeinflussungseinrichtungen
und führt
die Ansteuerwerte diesen zu. Die Temperaturführung dient insbesondere zum
gezielten Einstellen von Material- und Gefügeeigenschaften des Metall-Warmbandes.
In der Regel wird dabei die Temperaturführung derart durchgeführt, dass
ein vorbestimmter Haspeltemperaturverlauf vom Ausgang der Kühlstrecke
möglichst
gut erreicht wird.
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Maßgeblich
für Material-
und Gefügeeigenschaften
des Metallbands sind neben der chemischen Zusammensetzung und Parametern
des Umformprozesses, wie z.B. die Abnahmeverteilung über die
Gerüste
der Fertigstaffel und der zeitliche Temperaturverlauf des Bandmaterials
beim Durchlauf durch die Anlage.
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Die
letzten Stellglieder für
den Temperaturverlauf des Metallbandes innerhalb der Anlage befinden
sich dabei in der Regel innerhalb der Kühlstrecke. In der Kühlstrecke
vollzieht sich häufig
auch die Phasenumwandlung des Materials. Als Stellglieder dienen
in der Regel die Ventile der Kühlstrecke.
Bei bestimmten Kühlstrecken,
wie z.B. Grobblechstraßen,
kann zusätzlich
auch der Massenfluss, d.h. insbesondere die Bandgeschwindigkeit,
gestellt werden.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, die Steuerung bzw. die Regelung
der Temperatur eines Metallbandes, dabei insbesondere in einer Kühlstrecke,
in einer Anlage der Stahlindustrie derart zu verbessern, dass die
Nachteile bekannter Steuerungen bzw. Regelungen weitestgehend vermieden
werden und die Effizienz der Steuerung bzw. Regelung erhöht wird.
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Die
Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung
der Temperatur eines Metallbandes in einer Anlage der Stahlindustrie
gelöst,
insbesondere in einer Kühlstrecke,
die einer Walzstraße
zum Walzen von Metallwarmband nachgeordnet ist, wobei zur Ermittlung
von Stellsignalen ein Soll-Temperaturverlauf mit einem Ist-Temperaturverlauf
verglichen wird, und wobei unter Berücksichtigung von Nebenbedingungen
mindestens eine Zielfunktion für
Stellglieder der Anlage, insbesondere in der Kühlstrecke, gebildet wird.
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Durch
die Berücksichtigung
von Nebenbedingungen, die vorzugsweise Anlagengrenzen bzw. Stellbegrenzungen
entsprechen, wird es möglich, insbesondere
für verschiedene
Kühlstrecken-Layouts
und vor allem für
den Fall eines vorgegebenen Temperatur- bzw. Rbkühlverlaufs, eine (Stell-) Vorgaben
zu ermitteln, die Stellbegrenzungen in sinnvoller Weise berücksichtigt.
So wird beispielsweise bei einer zweigeteilten Kühlstrecke vermieden, dass die Vorgabe
einer zu hohen Temperatur zwischen beiden Teilkühlstrecken zur Folge hat, dass
die Haspeltemperatur mit der verfügbaren Kühlmittelmenge der zweiten Teilkühlstrecke
nicht mehr erreicht werden kann.
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Mit
Vorteil wird die Zielfunktion durch Lösen eines Optimierungsproblems
gelöst.
Derart wird eine Steuerung bzw. Regelung auch dann möglich, wenn ein
Temperatur- bzw. Abkühlverlauf
vorgegeben wird, der nicht exakt realisierbar ist. Das Verfahren
ermittelt dann die bestmögliche
Approximation.
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Mit
Vorteil wird ein quadratisches Optimierungsproblem gelöst. Derart
wird die Zeit zum Lösen des
Optimierungsproblems in der Regel deutlich verringert.
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Mit
Vorteil wird der Ist-Temperaturverlauf und/oder der Soll-Temperaturverlauf
des Metallbandes unter Zuhilfenahme mindestens eines Modells ermittelt.
Derart wird eine verbesserte Steuerung bzw. Regelung der Temperatur
des Metallbandes auch dann ermöglicht,
wenn die tatsächliche
Bandtemperatur an für
die Steuerung bzw. Regelung relevanten Orten, insbesondere der Kühlstrecke,
nicht gemessen werden kann.
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Mit
Vorteil wird das Modell online adaptiert. Auf diese Weise kann beispielsweise
eine vorhandene Anlagendrift berücksichtigt
werden und es können realistische
Ergebnisse, insbesondere für
nachfolgende Metallbänder,
ermittelt werden.
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Mit
Vorteil werden Bandpunkte wegverfolgt.
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Mit
Vorteil wird ein Temperaturverlauf für einzelne Bandpunkte des Metallbands
ermittelt. Derart und insbesondere auch durch die Wegverfolgung
der Bandpunkte wird die Genauigkeit der Steuerung bzw. Regelung
deutlich verbessert.
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Mit
Vorteil wird die Zielfunktion durch Lösen eines Optimierungsproblems
mittels Vorausberechnung gelöst.
Insbesondere wird auf diese Weise die zur Voreinstellung der Stellglieder
benötigte
Zeit deutlich reduziert. Vorzugsweise werden derart zudem die Stellglieder
optimal im Hinblick auf eine nachfolgende Online-Regelung voreingestellt.
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Mit
Vorteil wird die Zielfunktion vorzugsweise online durch Lösen eines
Optimierungsproblems iterativ gelöst.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 10 bis 14 angegeben.
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Weitere
Lösungen
der erfindungsgemäßen Aufgabe
sind in den Ansprüchen
15 bis 18 angegeben.
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Weitere
Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
mehrerer Ausführungsbeispiele
der Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen. Dabei zeigen beispielhaft:
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1 den prinzipiellen Aufbau
eines Walzwerks,
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2 die Kühlstrecke eines Walzwerks sowie
eine zu deren Steuerung bzw. Regelung dienende Recheneinrichtung,
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3 eine Kühlstrecke und eine ihr schematisch
zugeordnete Kühlstreckenregelung,
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4 mögliche Module einer Kühlstreckenregelung,
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5 Vorausberechnung und eine
Echtzeitregelung einer Kühlstrecke,
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6 einen möglichen
Temperaturverlauf eines Metallbandes in der Kühlstrecke.
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1 zeigt eine Anlage zur
Erzeugung von Metallband 6, die eine Vorstraße 2,
eine Fertigstraße 3 und
eine Kühlstrecke 4 umfasst.
Das Metallband 6 wird dabei vorzugsweise warm gewalzt.
Hinter der Kühlstrecke 4 ist
vorzugsweise eine Haspelvorrichtung 5 angeordnet. Von ihr
wird das in den Straßen 2 und 3 gewalzte
und in der Kühlstrecke 4 gekühlte Metallband 6 aufgehaspelt.
Den Straßen 2 bzw. 3 ist eine
Bandquelle 1 vorgeordnet. Die Bandquelle 1 ist beispielsweise
als Ofen ausgebildet, in dem Metallbrammen erwärmt werden. Die Bandquelle 1 kann beispielsweise
auch als Stranggießanlage
ausgebildet sein, in der Metallband 6 erzeugt wird, das
dann der Vorstraße 2 zugeführt wird.
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Die
Anlage zur Stahlerzeugung und insbesondere die Straßen 2, 3 sowie
die Kühlstrecke 4 und die
mindestens eine Haspelvorrichtung 5 werden mittels eines
Steuerverfahrens gesteuert, das von einer Recheneinrichtung 10 ausgeführt wird.
Hierzu ist die Recheneinrichtung 10 mit ein oder mehreren
der Komponenten 1 bis 5 der Anlage zur Stahlerzeugung steuerungstechnisch
gekoppelt. Die Recheneinrichtung 10 ist mit einem als Computerprogramm
ausgebildeten Steuerprogramm programmiert, aufgrund dessen sie das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Steuerung bzw. zur Regelung der Temperatur des Metallbandes 6 ausführt.
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Gemäß 1 verlässt das Metallband bzw. die
Bramme 6 die Bandquelle 1 und wird zunächst in der
Vorstraße 2 auf
eine Eingangsdicke für
die Fertigstrecke 3 gewalzt. Innerhalb der Fertigstraße wird das
Band 6 dann mittels der Walzgerüste 3' auf seine Enddicke gewalzt. Die
anschließende
Kühlstrecke 4 kühlt das
Band auf eine vorgegebene Haspeltemperatur ab.
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Um
gewünschte
mechanische Eigenschaften des Bandes 6 zu gewährleisten,
muss ein geeigneter Temperaturverlauf für die Fertigstraße 3 und
für die
Kühlstrecke 4 eingehalten
werden. Hierzu wird vorzugsweise ein Soll-Temperaturverlauf abhängig von
beispielsweise dem Anlagentyp, dem Betriebsmodus, dem jeweiligen
Auftrag und gewünschten
Eigenschaften des Metallbandes 6 vorgegeben.
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5 zeigt eine Recheneinrichtung 10 zur Steuerung
einer Kühlstrecke 4.
Dabei weist die Recheneinrichtung 10 ein Vorausberechnungsmodul 21 und
ein Modul 22 für
vorzugsweise online Berechnungen insbesondere während des Kühlprozesses auf.
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Mit
Hilfe des Vorausberechnungsmoduls 21 können die Stellglieder der Fertigstraße 4 initialisiert werden.
Dazu werden beispielsweise Schätzwerte für fehlende
Messwerte, beispielsweise die Eingangsgeschwindigkeit des Metallbandes,
die Temperatur des Metallbandes am Ende der Fertigstraße 3 und
die Banddicke, verwendet. Als bedienerseitige Eingabewerte für das Vorausberechnungsmodul 21 dienen
beispielsweise gewünschte
Materialwerte 105.
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Die
Vorausberechnung 20 innerhalb des Vorausberechnungsmoduls 21 läuft iterativ
ab. Das bedeutet, dass Berechnungen mit verschiedenen Kühlmittelmengen
wiederholt werden, bis vorgegebene Fehler minimiert sind. Die Vorausberechnung 20 ist daher
mit online fähigen
Kühlstreckenmodell 11 sowie
einer Adaptation 18 gekoppelt.
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Das
Berechnungsmodul 22 weist ein Kühlstreckenmodell 11 und
eine Kühlstreckenregelung 12 auf,
die miteinander gekoppelt sind. Das Kühlstreckenmodell 11 und
die Kühlstreckenregelung 12 steuern
die Stellglieder der Kühlstrecke 4 und
sind vorzugsweise mit mehreren Kühlstreckenmodellen, die
z.B. in einer Modellbibliothek 19 abgelegt sein können, gekoppelt.
Die Kühlstreckenregelung 12 gibt Stellsignale 101 an
die Kühlstrecke 4 weiter,
beispielsweise in Form von Stellmustern für Kühlmittelventile.
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2 beschreibt die Funktionsweise
des Kühlstreckenmodells 11 und
der Kühlstreckenregelung 12 genauer.
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Das
Kühlstreckenmodell 11 ermittelt
den Zustand der Kühlstrecke 4.
Als Eingangsparameter für das
Kühlstreckenmodell
dienen beispielsweise Werte wie die Geschwindigkeit des Metallbandes 6, Bandtemperaturen
sowie Kühlmitteltemperaturen und
Kühlmitteldruck.
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Weitere
Eingangsgrößen sind
die Einstellungen der Stellglieder, d.h. also vorzugsweise der Ventile 7.
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Vorzugsweise
ist im Eingangsbereich der Kühlstrecke 4 ein
Zwischentemperatur-Messplatz 8 zur Messung der Temperatur
des Metallbands 6 angeordnet. Am Ende der Kühlstrecke 4 ist
vorzugsweise ein Endtemperatur-Messplatz 9 angeordnet.
Eingangsgrößen des
Kühlstreckenmodells 11 sind
die am Zwischentemperatur-Messplatz 8 ermittelten Eingangstemperaturen 103 des
Metallbandes, die am Endtemperatur-Messplatz 9 ermittelten
Ausgangstemperaturen 104 des Metallbandes sowie weitere Banddaten 102,
die vorzugsweise in der Fertigstraße 3, z.B. an oder
kurz nach deren letztem Walzgeüst 3', ermittelt
werden.
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Von
der Kühlstreckenregelung 12 werden
an das Kühlstreckenmodell 11 Ventilstellungen 101 übermittelt,
die in der Regel jedoch vom Kühlstreckenmodell 11 nicht
auf Plausibilität
geprüft
werden. Das Kühlstreckenmodell 11 ermittelt
stets den gegenwärtigen
Zustand der Kühlstrecke 4.
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Die
erfindungsgemäße Steuerung
bzw. Regelung erfolgt Zeittakt weise vorzugsweise in Regelschritten.
Die Kühlstreckenregelung 12 ermittelt
die Ventilstellungen 101 der Ventile 7 der Kühlstrecke 4 für den jeweils
nächsten
Regelschritt. Dabei wird vorzugsweise ein Optimierungsproblem gelöst, auf
das im weiteren Text noch näher
eingegangen wird Erfindungsgemäß wird vorzugsweise
in jedem Zeittakt ein Iterationsschritt durchgeführt wird, wobei ausgehend von
der einem aktuellen Zeittakt zugeordneten Lösung des Optimierungsproblems
mindestens ein Stellsignal auf die Anlage aufgeschaltet wird. Vorzugsweise
werden für
einen nachfolgenden Zeittakt weitere aktualisierte Messwerte bei
der Lösung
des Optimierungsproblems berücksichtigt.
Derart kann ein geschlossener Regelkreis gebildet werden.
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Es
ist vorteilhaft wenn bei einer hohen Anzahl von Stellgliedern, wie
sie für
die Kühlstrecke 4 typisch
ist, bei der Aufstellung des vorzugsweise quadratischen Optimierungsproblems
nicht einzelne Ventile sondern Gruppen von Ventilen als Stellglied aufgefasst
werden. Die Aufteilung des berechneten Stellwerts auf die einzelnen
Ventile erfolgt über
eine geeignete Schaltheuristik. Das Zusammenfassen von Ventilen
zu Ventilgruppen ist besonders für
eine online, d.h. in Echtzeit, erfolgende Lösung des Optimierungsproblems
besonders vorteilhaft.
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6 zeigt einen möglichen
Temperaturverlauf T über
den Orten x der Kühlstrecke 4,
wobei die Kühlstrecke 4 durch
den Anfang der Kühlstrecke
xA und das Ende der Kühlstrecke xE begrenzt
ist.
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3 stellt die modellprädikative
Regelung der Kühlstrecke 4 näher dar.
Dabei werden von der Kühlstreckenregelung 12 vorzugsweise
nicht einzelne Ventile 7a bzw. 7b, zusammenfassend
als 7 bezeichnet, angesteuert, sondern aus ein oder mehreren
Ventilen 7 bestehende Ventilgruppen. Dabei kann dementsprechend
beispielsweise der Regelbereich 14 in mehrere Teilbereiche 14a und 14b aufgeteilt werden,
wobei vorzugsweise jedem Teilbereich 14a bzw. 14b eine
Ventilgruppe zugeordnet ist.
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Innerhalb
der Grenzen des Regelbereichs 14, dessen Grenzen sich mit
den Grenzen der Kühlstrecke
in der Regel decken, kann hinsichtlich der Regelung zwischen einem
Hauptregelbereich 15 und einem Abgleichsregelbereich 16 unterschieden
werden. Vorzugsweise werden einzelne Bandpunkte (13a, 13b)
wegverfolgt.
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Zur
Steuerung und Regelung der Kühlstrecke
wird ein modellprädikativer
Algorithmus eingesetzt. Dabei werden Stellglieder für Nu Zeitschritte in die Zukunft als Lösung eines
vorzugsweise quadratischen Optimierungsproblems bestimmt, wobei
mit dem Modell für
Ny Zeitschritte Vorhersagen getroffen werden.
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Nu darf 1 oder auch eine natürliche Zahl
größer 1 sein.
In letzterem Fall werden in der Regel nur die berechneten Stellgliedeinstellungen
für den
ersten Zeitschritt implementiert. Für den nächsten Zeitschritt wir unter
Berücksichtigung
aktueller Messwerte bzw. Vorhersagewerte neu gerechnet.
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Ny muss so groß gewählt werden, dass die größte vorliegende
Totzeit überwunden
wird. Die größte Totzeit
ergibt sich aus dem größten Abstand einer
Temperaturmessstelle und der Position des nächstliegenden vorgeschalteten
Stellventils. Zur Aufstellung des vorzugsweise quadratischen Optimierungsproblems
wird ein geeignetes vorzugsweise linearisiertes Bandtemperaturmodell
verwendet. In das vorzugsweise quadratische Optimierungsproblem
lassen sich leicht Gleichungs- und Ungleichungsnebenbedingungen
integrieren. Derart können
Stellgliedbegrenzungen und unterschiedliche Kühlstreckenlayouts besonders
vorteilhaft und vorzugsweise derart berücksichtigt werden, dass an
der Recheneinrichtung 10 bzw. am Vorausberechnungsmodul 21 und/oder
dem Berechnungsmodul 22 keine übermäßigen Änderungen vorgenommen werden müssen.
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Wie 4 veranschaulicht, ist es
möglich, dass
die Recheneinrichtung 10 ein Modul zur Kühlstreckenregelung 12 aufweist,
das seinerseits mehrere Teilregelmodule 17a, 17b aufweist,
die unterschiedlichen Regelbereichen 14a und 14b entsprechen.
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Die
erfindungsgemäße Steuerung
bzw. Regelung der Kühlstrecke 4 ist
unabhängig
vom Kühlstreckenlayout
und bietet aufgrund der modellprädikativen
Regelung ein optimales Verhalten der Steuerung auch an den Stellbegrenzungen.
Vorgaben können
auf flexible Weise im Sinne einer Priorisierung unterschiedlich
gewichtet werden. In das erfindungsgemäße Steuerungs- bzw. Regelungsverfahren
ist Edge-Masking integrierbar.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
lässt sich derart
ausgestalten, dass auch die Geschwindigkeit des Metallbandes 6 gesteuert
werden kann, was seine Verwendung beispielsweise auch für Grobblechstraßen möglich macht.
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Insbesondere
lässt sich
auch eine Fertigstrasse 3 erfindungsgemäß regeln. Neben Bandgeschwindigkeit
sind bei einer Fertigstrasse 3 Zwischengerüstkühlvorrichtungen
weitere mögliche Stellglieder.
Eine typische Zahl von Stellgliedern für eine Kühlstrecke sind beispielsweise
ca. 200 Ventile 7. Dies ist eine deutlich höhere Zahl
von Stellgliedern als für
eine typische Fertigstrasse 3.
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Eine übergreifende
Steuerung bzw. Regelung für
mehrere Anlagenteile 1 bis 5 kann vorzugsweise
wie nachstehend beispielsweise für
eine Fertigstrasse 3 und eine Kühlstrecke 4 beschrieben
erzielt werden.
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Zur übergreifenden
Steuerung bzw. Regelung werden vorzugsweise das Temperaturmodell der
Fertigstraße 3 und
das Temperaturmodell der Kühlstrecke 4 verkettet.
Durch Addition der Zielfunktionen für beide Anlagenteile 3 und 4 wird
ein vorzugsweise quadratisches Optimierungsproblem mit vorzugsweise
linearen Nebenbedingungen ermittelt, mit Hilfe dessen ein gemeinsames
Steuerverfahren für
beide Anlagenteile 3 und 4 bereitgestellt wird.
Die Optimierung des Problems liefert so die Einstellungen für die Zwischengerüstkühlungen
der Fertigstrasse 3, die Kühlstreckenventile 7 der
Kühlstrecke 4 und
Geschwindigkeit des Metallbandes 6, insbesondere für den jeweils
nächsten
Regelschritt.