CD-Labor for Modellbasierte Prozessregelung in der Stahlindustrie

Die möglichst exakte Beherrschung der Produktionsanlagen ist eine konstante Herausforderung in der Stahlindustrie. In diesem CD-Labor geht es um die Entwicklung, Validierung und Implementierung von maßgeschneiderten echtzeitfähigen Modellen und Regelungskonzepten für komplexe Produktionsprozesse.

Zu den Herausforderungen der modernen Stahlindustrie zählen neben dem erhöhten globalen Wettbewerbsdruck vor allem steigende Qualitätsanforderungen, kürzere Produktlebenszyklen, und höhere Anforderungen an Ressourcen- und Energieeffizienz. Die exzellente Beherrschung der Produktionsanlagen ist für den Erfolg unabdingbar. Das Problem ist aber komplex: beim Warmwalzen zum Beispiel sind mehr als 50 Aktoren im Eingriff, die optimal miteinander interagieren müssen, um die gewünschte Qualität des gewalzten Endprodukts zu erzielen.

Eine Schlüsseltechnologie für die Beherrschung all dieser Faktoren ist die Automatisierungs- & Regelungstechnik. In der jüngeren Vergangenheit gab es in der nichtlinearen und optimierungsbasierten Regelungstheorie bedeutende methodische Fortschritte. Die Anwendung in den Produktionsprozessen der Stahlindustrie hinkt aber hinterher. Zu den möglichen Gründen gehört die Komplexität der Anlagen und Prozesse, die Anforderungen an die Robustheit wegen der rauen Umgebungs-bedingungen sowie die lange Lebensdauer von Großanlagen in der Stahlindustrie.

Die Umsetzung in die Praxis erfordert also mehr als ein einfaches Anwenden von Methoden, es bedarf maßgeschneiderter mathematischer Modelle und Methoden sowie einer engen Zusammenarbeit von Prozess-SpezialistInnen und RegelungstechnikerInnen.

Im Zentrum der Forschungsarbeiten des CD-Labors steht die Entwicklung echtzeitfähiger mathematischer Modelle basierend auf physikalischen Grundprinzipien sowie deren Anwendung in einem integrierten mechatronischen Systemdesign, für die Systemanalyse und bei der Identifikation optimaler Prozessparameter. Besonderes Augenmerk wird dabei darauf gelegt, die Verkopplungen im Sinne eines Mehrgrößensystems sowie die wesentlichen Nichtlinearitäten und Dynamiken systematisch zu erfassen. Die Forschungsarbeiten konzentrieren sich dabei auf die Warmbreitbandstraße und die Feuerverzinkungsanlage sowie auf eine Reihe von experimentellen Simulatoren.

Mathematische Modelle mit physikalischen Parametern und einer transparenten Struktur bilden eine solide Grundlage für den (nichtlinearen) Regelungsentwurf sowie die Entwicklung maßgeschneiderter echtzeitfähiger dynamischer Optimierungsverfahren. Die entwickelten Optimierungs- und Regelungskonzepte können schließlich auf der konkreten, im Betrieb tatsächlich genutzten Hardware, implementiert und prototypisch auf den Anlagen der Unternehmenspartnerin voestalpine Stahl GmbH verifiziert werden. Diese Implementierung und Validierung an der realen Anlage stellen einen wesentlichen Bestandteil des gesamten Entwicklungsprozesses dar.