Entwicklung eines Moduls auf der Siemens Plattform FM458 zur Identifikation und Kompensation von Walzenexzentrizitäten in Kalt- und Warmwalzprozessen

Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Symbolverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

1 Einleitung

2 Grundlagen
2.1 Walzprozess
2.2 Ansprüche an das Walzgut
2.3 Fehler im Walzgut
2.3.1 Querwellen
2.3.2 Rattermarken ( Brummer )
2.4 Das Walzgerüst
2.4.1 Sensoren am Walzgerüst
2.4.2 Die Walzenanstellung
2.5 Walzenexzentrizität
2.5.1 Beschreibung der Walzenexzentrizität
2.5.2 Erfassen von Walzenexzentrizitäten
2.5.3 Fourier – Analyse von Walzenexzentrizitäten
2.5.4 Methoden zur Kompensation von Walzenexzentrizitäten
2.6 Regelungen im Walzgerüst und deren Einfluss auf die Walzenexzentrizität
2.6.1 Gaugemeter – Regelung
2.6.2 Rückwärtsregelung (RR) – Monitorregelung
2.7 Applikationsbaugruppe FM
2.8 Programmiersprache CFC
2.9 Datenaufzeichnung und Datenanalyse
2.9.1 Datenaufzeichnung mittels iba PDA
2.9.2 Datenanalyse mittels iba Analyzer

3 Programmbeschreibung
3.1 Aufgabe des Programms
3.2 Testumgebung an der TU Clausthal
3.3 Kommunikation zwischen den Anlagenteilen
3.4 Struktur des Programms
3.5 CFC – Pläne
3.5.1 01_S7 FM
3.5.2 02_WERTE_EXM_
3.5.3 03_EINTEILUNG_WALZE
3.5.4 04_BEREICHE_F_ANTEILE
3.5.5 05_KRAFTZUGEHOERIGKEIT
3.5.6 06_ERLERNEN_KRAEFTE
3.5.7 07_ANTEILE_KRAEFTE
3.5.8 08_KRAFT_GELERNT
3.5.9 09_DEHNUNGSKURVE
3.5.10 10_POSITIONSKORREKTUR

4 Ergebnisse und Auswertung
4.1 Vergleich der eingelesenen Drehzahl in der FM 458 und der S7-300 Steuerung
4.2 Erkennung der Walzenexzentrizität
4.2.1 Erkennung in Abhängigkeit von der Drehzahl
4.2.2 Erkennung in Abhängigkeit von der Walzkraft
4.3 Einfluss des AGC’s auf die Walzenexzentrizität
4.4 Genauigkeit der erlernten Kraft
4.4.1 Genauigkeit in Abhängigkeit von der Drehzahl
4.4.2 Genauigkeit in Abhängigkeit von der Walzkraft
4.4.3 Genauigkeit in Abhängigkeit von der Anzahl der Segmente
4.5 Zeittest der Kommunikation zwischen der S7-400 Steuerung und der S7-300 Steuerung
4.6 Genauigkeit des Positionskorrekturwertes
4.6.1 Genauigkeit in Abhängigkeit von der Drehzahl
4.6.2 Genauigkeit in Abhängigkeit von der Walzkraft
4.6.3 Genauigkeit in Abhängigkeit von der Anzahl der Segmente

5 Ausblick

Danksagung

Literaturverzeichnis

Internetverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Symbolverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildungsverzeichnis

2-1: schematische Darstellung des Walzprozesses

2-2: Schematische Darstellung von Querwellen

2-3: Schematische Darstellung von Rattermarken

2-4: schematische Darstellung Duowalzgerüst

2-5: schematische Darstellung Quartowalzgerüst

2-6: sechsgerüstige Warmbreitbandstraße des Ferro Gilan Complex im Iran

2-7: Sensoren an einem Walzgerüst

2-8: Prinzipschaltbild eines LVDT's der Firma Althen

2-9: Aufbau eines magnetostriktiven Wegaufnehmers der Firma MTS

2-10: Installationsbeispiel für Kraftaufnehmer der Firma Kelk

2-11: Hydraulikzylinder

2-12: Exzentrische Walzenform

2-13: Ovale Walzenform

2-14: Reale Walzenform

2-15: Schleifmaschine der Firma METEX

2-16: Walzenradius einer exzentrischen Walze

2-17: Walzkraftverlauf einer exzentrischen Walze

2-18: a) exzentrische Walzenform b) Walzkraftverlauf exzentrische Walze c) ovale Walzenform d) Walzkraftverlauf ovale Walze e) realle Walzenform f) Walzkraftverlauf reale Walzenform

2-19: Fourier - Analyse von Sinussignalen

2-20: Dehnungskurve des 12" Walzgerüstes der TU Clausthal

2-21: Regelungsschema Gaugemeter - Regelung

2-22: Walzkraftverlauf mit und ohne Gaugemeter – Regelung

3-1:12" Walzgerüst der TU Clausthal

3-2:Versuchsaufbau an der TU Clausthal

3-3: Programmstruktur für eine Walzeneinteilung in 18 Segmente

3-4: CFC - Beispiel für die Kommunikation zwischen S7 und FM

3-5: CFC - Baustein zur Messung der Prozessorauslastung

3-6: CFC - Beispiel zum einlesen der Drehzahl und der Lage

3-7: CFC - Beispiel zum einlesen des Druckes

3-8: CFC - Ausschnitt zur Einteilung der Walze

3-9: Walzeneinteilung in die 18 Bereiche

3-10: Meldung, dass sich die Walzenposition im Bereich 1 befindet

3-11: Walzeneinteilung in die 18 Zugehörigkeiten

3-12: CFC - Beispiel Kraftzugehörigkeit

3-13: zeitkontinuierliches und zeitdiskretes Signal

3-14: Einfluss Wichtungsfaktor

3-15: Aufruf des Bausteines zum erlernen der Kraft

3-16: Algorithmus zum erlernen der Kraft

3-17: Kraftanteil für den Bereich 10 bei einer Einteilung in 18 Bereiche

3-18: Bsp. zur Berechnung der Kraftanteile

3-19: Summe der gelernten Kraft

3-20: Summe der zeitkontinuierlichen Signale im Bereich 9 bis

3-21: Summe der gelernten Kraftanteile

3-22: Maximalwert der gelernten Kraft

3-23: Initialisierung und definieren von Datensätzen zur Übertragung von Datensätzen

3-24: Beispiel für das Auslesen der Dehnungskurve

3-25: Verlauf der gesamte erlernte Kraft abzüglich des Mittelwertes

3-26: gesamte erlernte Kraft abzüglich Mittelwert

3-27: Faktor zur Korrekturwertbestimmung

3-28: Berechnung des Korrekturwertes für die Positionierung der Walzenanstellung

4-1: eingelesenen Drehzahl

4-2:Walzenexzentrizität in Abhängigkeit von der Drehzahl

4-3: Fourier - Analyse der Walzenexzentrizität in Abhängigkeit von der Drehzahl

4-4: Walzenexzentrizität in Abhängigkeit von der Walzkraft

4-5: Fourier - Analyse der Walzenexzentrizität in Abhängigkeit von der Walzkraft

4-6: Walzkraftverlauf mit und ohne AGC

4-7: erlernen der Walzkraft

4-8: erlernen der Walzkraft bei unterschiedlichen Drehzahlen bei einer Walzkraft von 150 kN

4-9: Fourier - Analyse der erlernten Walzkraft bei unterschiedlichen Drehzahlen bei einer Walzkraft von 150 kN

4-10: erlernen der Walzkraft bei unterschiedlichen Walzkräften bei einer Drehzahl von 5 1/min

4-11: erlernen der Walzkraft bei einer Einteilung der Walze in 18 (oben) und in 36 (unten) Segmente

4-12: Fourier - Analyse der erlernten Walzkraft bei einer Einteilung der Walze in 18 (oben) und in 36 (unten) Segmente

4-13: Walzkraftverlauf mit und ohne Aufschaltung des Positionskorrekturwertes

4-14: Walzkraftsignal und Fourier - Analyse des Walzkraftsignals ohne Positionskorrektur

4-15: Walzkraftsignal und Fourier - Analyse des Walzkraftsignals mit Positionskorrektur

4-16: Walzenform

4-17: Ausschnitt aus der Walzenform

4-18: Walzkraft mit und ohne Positionskorrektur bei einer Drehzahl von 5,3 1/min

4-19: Walzkraft mit und ohne Positionskorrektur bei einer Drehzahl von 10,5 1/min

4-20: Walzkraft mit und ohne Positionskorrektur bei einer Drehzahl von 19,2 1/min

4-21: Walzkraft mit und ohne Positionskorrektur bei einer Last von 153 kN

4-22: Walzkraft mit und ohne Positionskorrektur bei einer Last von 225 kN

4-23: Walzkraft mit und ohne Positionskorrektur bei einer Drehzahl von 10,5 1/min und einer Einteilung in 36 Segmente

4-24: Walzkraft mit und ohne Positionskorrektur bei einer Drehzahl von 10,5 1/min und einer Einteilung in 18 Segmente

4-25: Walzkraft mit und ohne Positionskorrektur bei einer Drehzahl von 19,2 1/min und einer Einteilung in 36 Segmente

4-26: Walzkraft mit und ohne Positionskorrektur bei einer Drehzahl von 19,2 1/min und einer Einteilung in 18 Segmente

Tabellenverzeichnis

2-1: Grenzabmaße der Dicke

2-2: Mindestabstände der Messpunkte von den Kanten

3-1: Skalierfaktor Kolbenseite

3-2: Skalierfaktor Stangenseite

4-1: Frequenzen des Walzkraftsignals

4-2: Vergleich der ermittelten Frequenzen

4-3: Zeittest der Profibus - Kommunikation zwischen den Steuerungen

4-4: Amplituden des Walzkraftsignals in Abhängigkeit von der Drehzahl

4-5: prozentuale Verbesserung des Walzkraftsignals in Abhängigkeit von der Drehzahl

4-6: Amplituden des Walzkraftsignals in Abhängigkeit von der Walzkraft

4-7: prozentuale Verbesserung des Walzkraftsignals in Abhängigkeit von der Walzkraft

4-8: Amplituden des Walzkraftsignals in Abhängigkeit von der Anzahl der Segmente

4-9: prozentuale Verbesserung des Walzkraftsignals in Abhängigkeit von der Anzahl der Segmente

1 Einleitung

Das Walzen von Flachprodukten ist ein komplexer Prozess, bei dem die Produktqualität von unterschiedlichsten Faktoren wie der mechanischen und elektrotechnischen Ausrüstung, dem eingesetzten Eingangsmaterial, der Schmierung, der Regelungsstrategie usw. abhängig ist.

Die bedeutendsten Qualitätsparameter sind dabei Oberfläche, Planheit, Materialhomogenität und Banddickentoleranzen. Zur Kostenoptimierung und zur maximalen Materialausnutzung sind enge Dickentoleranzen von höchster Bedeutung, denn dadurch kann das Band so nah wie möglich auf die zulässige Mindestdicke gewalzt werden.

Die Produktqualität kann nur dann wirkungsvoll optimiert werden, wenn sowohl die mechanische und elektrische Ausrüstung, als auch die Regelungsstrategie und die Instrumentierung in geeigneter Weise aufeinander abgestimmt sind.

Walzenexzentrizitätskompensation

Durch Ungleichförmigkeiten an der Walzengeometrie entstehen periodische Schwankungen im Walzspalt, die zu Dickenabweichungen führen können. Die Funktion kompensiert die periodischen Störungen, die aufgrund der Asymmetrien der Walzen entstehen.

2 Grundlagen

2.1 Walzprozess

Aufgabe des Walzvorganges ist die Erzeugung eines Bandes mit gewünschter Dicke.

Der Vorgang ist schematisch in Abbildung 2‑1 dargestellt. Das Walzgut der Dicke h0 wird durch die Walzen, welche mit der Walzkraft Fw auf das Band drücken, auf die Dicke h1 gewalzt. Dieser Prozess wird mehrfach wiederholt, bis das Metall seine gewünschte Enddicke hat. Dies kann einige mm sein, aber auch nur 5,5µm wie z.B. bei Aluminiumfolie für Getränkeverpackung.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2-1: schematische Darstellung des Walzprozesses

Die während des Walzens entstandene Stichabnahme, auch Reduktion genannt, wird als Verhältnis von einlaufendem zu auslaufendem Band angegeben.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Stichabnahme kann zwischen 50% und einigen Promille liegen [8].

2.2 Ansprüche an das Walzgut

Für das während des Walzprozesses entstandene Walzgut ist es wichtig die Fertigdicke in engen Toleranzen zu halten. Dies ist erforderlich, da die Qualität von gewalztem Band maßgeblich durch die Toleranzen der Dicke über der Bandlänge bestimmt wird.

Ein Beispiel für die einzuhaltenden Dickentoleranzen gibt die aus DIN EN 10140 Kaltband Grenzabmaße und Formtoleranzen entnommene Tabelle.

Die Grenzabmaße der Dicke werden hierbei eingeteilt in normal A, eingeschränkt B, Präzisionsabmaße C. Welche Einteilung der Grenzabmaße bei der Produktion berücksichtigt wird, muss bei der Bestellung der Produkte angegeben werden.

2-1: Grenzabmaße der Dicke

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Grenzabmaße der Dicke nach Tabelle 2-1 gelten nur für Messpunkte mit den in Tabelle 2-2 angegebenen Mindestabständen der Messpunkte von den Erzeugniskanten [2].

2-2: Mindestabstände der Messpunkte von den Kanten

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Zu der Einhaltung der Dickentoleranzen kommt weiterhin das streben nach Qualität in Bezug auf Materialoberfläche sowie Planheit. Eine Erfüllung dieser Produktmerkmale ist notwendig um die hohen Ansprüche z.B. der Automobilindustrie an Materialeigenschaften und Oberflächengüte erfüllen zu können.

2.3 Fehler im Walzgut

Die Ursachen für Dickenabweichungen lassen sich in zwei Gruppen unterteilen. Zum einem in Ursachen, die im Vormaterial (Bramme bzw. Vorband) auftreten und zum anderen in Ursachen, die während des Walzprozesses auftreten.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Aufgrund dieser Ursachen kommt es zu Fehlern in der Planheit des Walzgutes.

Mögliche Fehler hierbei können Querwellen oder Rattermarken sein [1].

2.3.1 Querwellen

Querwellen sind wellenförmige Unebenheiten, die sich in Walzrichtung meist über die gesamte Bandbreite erstrecken können. Sie sind quer zur Walzrichtung verlaufende Formwellen.

Bei Querwellen ist die Blechdicke in der Formwelle konstant. Sie entstehen durch Schwingungen hauptsächlich in Walzgerüsten. Eine weitere Ursache für Querwellen kann in unsachgemäß bearbeiteten Walzen liegen. Abbildung 2-2 zeigt die Schematische Darstellung von Querwellen [3].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2-2: Schematische Darstellung von Querwellen

2.3.2 Rattermarken ( Brummer )

Rattermarken sind wellenförmige Unebenheiten, die sich in Walzrichtung meist über die gesamte Bandbreite erstrecken können. Sie sind in Walzrichtung verlaufende Dickenschwankungen.

Rattermarken sind durch Dickenschwankungen gekennzeichnet. Sie entstehen durch sich addierende Schwingungen in Walzgerüsten. Abbildung 2-3 zeigt die Schematische Darstellung von Rattermarken [3].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2-3: Schematische Darstellung von Rattermarken

2.4 Das Walzgerüst

Unter einem Walzgerüst versteht man die miteinander verbundenen Walzenständer mit allen Ein- und Zubauten, mit Walzen, Lagern, Walzgutführungen und den Montageelementen zum Fundament.

Die zahlreich existierenden Gerüstvarianten werden nach Verwendungszweck und Konstruktionsmerkmal unterschieden, wobei Anzahl, Lage und Anordnung der Walzen den Namen erklären.

Die bauartbedingt preiswertesten Gerüste sind die in Abbildung 2-4 schematisch dargestellten Duogerüste. Sie bestehen lediglich aus einem Paar Arbeitswalzen. Bevorzugt eingesetzt werden diese Gerüste zum Block-, Brammen-, Profil-, Feinstahl- und Drahtwalzen.

Eine weitere Art ist das in Bild 2-5 gezeigte Quartowalzgerüst. Es besteht aus jeweils einem Paar Arbeitswalzen und einem Paar Stützwalzen. Im Quartowalzgerüst wird das Walzgut von den vergleichsweise dünnen Arbeitswalzen verformt. Dies hat den Vorteil, dass das Walzgut besser gestreckt wird und sich weniger in der Breite verformt.

Die Arbeitswalzen werden zusätzlich von den Stützwalzen, deren Durchmesser ca. zweimal so groß wie der der Arbeitswalzen ist, gegen Durchbiegen gestützt. Bei den Quartowalzgerüsten werden meist die Arbeitswalzen, in seltenen Fällen die Stützwalzen, die dann die Arbeitswalzen reibschlüssig mitdrehen, angetrieben [8].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2 4: schematische Darstellung Duowalzgerüst

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2 5: schematische Darstellung Quartowalzgerüst

Auf Grund der Stützwalzen ist es möglich breiteres und dünneres Walzgut, wie z.B. Bleche oder Band, bei dem eine höhere Walzkraft benötigt wird, zu produzieren. Für diese Produktion werden mehrere Quartogerüste zu einer Straße zusammengefasst.

Abbildung 2-6 zeigt die sechsgerüstige Warmbreitbandstraße des Ferro Gilan Complex im Iran.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2-6: sechsgerüstige Warmbreitbandstraße des Ferro Gilan Complex im Iran

2.4.1 Sensoren am Walzgerüst

Abbildung 2-7 gibt einen Überblick über die Sensoren an einem Walzgerüst [7].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2-7: Sensoren an einem Walzgerüst

2.4.1.1 Positionsmessung

Für die Positionsmessung im Walzgerüst werden Linearwegaufnehmer verwendet. Die am häufigsten verwendeten Modelle sind hierbei magnetostriktive Wegaufnehmer oder LVDT’s.

Die LVDT’s arbeiten nach dem Prinzip des Differentialtransformators. Bei dieser Art von Gebern sind eine Erregerspule (Primärspule) mittig und zwei Sekundärspulen symmetrisch angebracht. An der Primärspule liegt eine konstante Wechselspannung mit eine Frequenz im 1 bis 10 kHz Bereich an. Ein mechanisch beweglicher Weicheisenkern verändert die Kopplungsfaktoren zwischen den Spulen. Befindet er sich in der Mittellage, so ist die Anordnung symmetrisch und es entsteht kein Ausgangssignal. Wird er verschoben, so ändert sich die magnetische Kopplung und es entsteht dadurch eine Ausgangsspannung an den Sekundärspulen, die durch einen phasenkontrollierten Gleichrichter ausgewertet werden kann. Abbildung 2-8 zeigt das Prinzipschaltbild eines LVDT's der Firma Althen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2-8: Prinzipschaltbild eines LVDT's der Firma Althen

Bei den magnetostriktiven Wegaufnehmern wird die Entfernung zwischen zwei Punkten gemessen. Der Sensor besteht aus einer fixen Basis, einem Wellenleiter und einem beweglichen Permanentmagneten. Das Ergebnis des Wegaufnehmers ist die Position, welche mit Hilfe der Magnetostriktion ermittelt wird. Das Messsystem ist weitgehend unempfindlich gegenüber Umwelteinflüssen wie Temperatur, Erschütterung, Schock, Vibrationen und Verschmutzung. Bild 2-9 zeigt den Aufbau eines magnetostriktiven Wegaufnehmers der Firma MTS.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2-9: Aufbau eines magnetostriktiven Wegaufnehmers der Firma MTS

2.4.1.2 Kraftmessung

Für die Kraftmessung im Walzgerüst kommen Kraftaufnehmer oder alternativ, bei Gerüsten mit hydraulischer Anstellung, Drucksensoren, über die dann die Kräfte berechnet werden können, zum Einsatz.

Bei den Kraftaufnehmern wird, aufgrund der Krafteinwirkung, der Federkörper des Aufnehmers elastisch verformt. Die Kraftaufnahme muss in der vorgeschriebenen Richtung erfolgen. Die Verformung des Federkörpers wird über Dehnungsmessstreifen, deren elektrischer Widerstand sich mit der Dehnung ändert, in die Änderung einer elektrischen Spannung umgewandelt. Über einen Messverstärker werden die elektrische Spannung und damit die Dehnungsänderung registriert. Die Dehnungsänderung kann aufgrund der elastischen Eigenschaften des Metalls in einen Kraftmesswert umgerechnet werden, in dem der Aufnehmer kalibriert wird. Der Messbereich bei den Kraftaufnehmern liegt zwischen 0,5 N und mehreren tausend kN. Abbildung 2‑10 zeigt ein Installationsbeispiel für Kraftaufnehmer der Firma Kelk in einem Walzgerüst.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2-10: Installationsbeispiel für Kraftaufnehmer der Firma Kelk

Als preisgünstige Alternative kann bei hydraulischen Anstellungen eine Kraftberechnung über die in den Zylindern gemessenen Drücke realisiert werden. Abbildung 2-11 zeigt den Aufbau eines Hydraulikzylinders.

Hierbei ergibt sich die Gesamtkraft als Differenz von der wirkenden Kraft auf der Kolbenseite und der auf der Stangenseite. Die einzelnen Kräfte berechnen sich hierbei aus dem Produkt von dem wirkenden Druck und der wirkenden Fläche.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2-11: Hydraulikzylinder

2.4.2 Die Walzenanstellung

Die Qualität des Walzgutes wird maßgeblich von der Lage der Walzen zueinander beeinflusst. Über das Anstellsystem können die Walzen exakt fixiert werden, so dass sich der gewünschte mittlere Achsabstand einstellt. In Duo- und Quarto- Walzgerüsten wird der Abstand zwischen den Walzen durch die Ausrichtung der Oberwalze eingestellt, während die Unterwalzen fest gelagert und somit nicht verstellbar sind. Die Grobpositionierung übernehmen oft elektrischer Stellantriebe, Hydraulikzylinder oder mechanische Anstellungen. Die Feinpositionierung der Walzen, welche in den meisten Fällen hydraulisch realisiert wird, ist sehr dynamisch und damit als Stellglied für die Banddickenregelung geeignet [8].

2.5 Walzenexzentrizität

2.5.1 Beschreibung der Walzenexzentrizität

Allgemein betrachtet, handelt es sich bei der Exzentrizität um eine Abweichung von der Mitte.

In der Walzwerkstechnik spricht man von Walzenexzentrizität bei einer Unrundheit der Walzen, welche einen Rundlauffehler verursacht.

Diese Walzenunrundheit wird zwischen Exzentrizität (Abbildung 2-12) und Ovalität (Abbildung 2-13) unterschieden.

Bei der Exzentrizität handelt es sich um eine Verschiebung der Walze aus dem Mittelpunkt, während bei der Ovalität eine gleichmäßige Verformung um den Walzenmittelpunkt auftritt.

Die reale Walzenform (Abbildung 2-14) setzt sich aus der Exzentrizität, der Ovalität und zusätzlichen Unförmigkeiten zusammen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2 12: Exzentrische Walzenform

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2 13: Ovale Walzenform

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2 14: Reale Walzenform

Die Ursachen für Walzenexzentrizitäten liegen in Fertigungstoleranzen und in Schleifungenauigkeiten der Walzen, wobei dieser Einfluss jedoch sehr gering ist. So erreicht eine moderne Schleifmaschine, wie die in Abbildung 2-15 dargestellte der Firma METEX, Genauigkeiten von 0,001 mm.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2-15: Schleifmaschine der Firma METEX

Die wesentlichen Ursachen für Walzenexzentrizitäten liegen im ungleichförmigen Verschleiß der Walzen sowie in der ungleichförmigen Ausdehnung dieser, auf Grund von thermischen Einflüssen.

2.5.2 Erfassen von Walzenexzentrizitäten

Die Walzenexzentrizität kann nicht direkt gemessen werden. Um sie zu erfassen, muss der Verlauf der Walzkraft oder der Verlauf des Walzmomentes gemessen werden.

Die Unrundheit der Walze hat einen sich ständig ändernden, jedoch mit jeder Walzenumdrehung wiederkehrenden, Walzenradius zur Folge.

Diese Änderung des Walzenradius verhält sich proportional zur Walzkraft.

Nach Schwenzfeier (Formel (1.44), S.24) gilt [8]:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Um die Walzenexzentrizitäten zu erfassen werden die Walzen soweit zusammengefahren, bis eine bestimmte Walzkraft resultiert.

Da sich hierbei kein Material im Walzspalt befindet, sind die Änderung des Walzwinkels und die Formänderungsfestigkeit konstant.

Daraus ergibt sich aus Gleichung 2-1:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Betrachtet man nun eine exzentrische Walze verhält sich der Walzenradius wie in Abbildung

2-16 dargestellt.

2-16: Walzenradius einer exzentrischen Walze

Diese Änderung des Walzenradius bewirkt den in Abbildung 2‑17 dargestellten Walzkraftverlauf. Aufgrund der in Formel Gl. 2‑3 gezeigten direkten Proportionalität zwischen Walzenradius und Walzkraft bewirkt eine Vergrößerung des Radius eine Erhöhung der Walzkraft.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2-17: Walzkraftverlauf einer exzentrischen Walze

Abbildung 2-18 zeigt für die verschiedenen Walzenformen die resultierenden Walzkraftverläufe. In Abbildung 2-18 f) ist der Walzkraftverlauf für eine reale Walzenform (Signal 1) zu sehen. Dieses Signal setzt sich aus dem Walzkraftverlauf für eine exzentrische Walze (Signal 2) und für eine ovale Walze (Signal 3) zusammen. Zusätzlich zu den beiden Signalen können noch andere Einflüsse auf den Walzkraftverlauf einer realen Walze einwirken, welche jedoch hier unberücksichtig bleiben.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2-18: a) exzentrische Walzenform b) Walzkraftverlauf exzentrische Walze c) ovale Walzenform d) Walzkraftverlauf ovale Walze e) realle Walzenform f) Walzkraftverlauf reale Walzenform

2.5.3 Fourier – Analyse von Walzenexzentrizitäten

Nach Aussage des Satzes von Fourier lassen sich beliebige periodische Erscheinungen als Überlagerung reiner Sinus- bzw. Kosinus- Schwingungen darstellen.

Für die Fourier – Zerlegung gilt: Jede periodische Funktion lässt sich als Summe aus Sinus- und Kosinus- Funktionen unterschiedlicher Frequenz und Amplitude darstellen. Die Fourier – Frequenzen sind ganzzahlige Vielfache einer Grundfrequenz [9].

Die Fourier – Analyse untersucht, aus welchen harmonischen Komponenten eine gegebene periodische Funktion aufgebaut ist.

Abbildung 2-19 zeigt ein Beispiel für eine periodische Schwingung welche sich aus 2 Sinussignalen mit unterschiedlichen Frequenzen zusammen setzt.

Die mittels iba – Analyser durchgeführte Fourier – Analyse zeigt die Frequenzen der einzelnen Sinussignale sowie die der, aus den Sinussignalen erzeugten, periodischen Schwingung. Hierbei ist zu erkennen, dass sich das neu gebildete Signal aus einer Grundfrequenz und dem Doppeltem dieser Grundfrequenz zusammen setzt. Diese zwei Frequenzen sind exakt die Frequenzen der beiden Sinussignale aus denen das neue Signal gebildet wurde.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2-19: Fourier - Analyse von Sinussignalen

Da der Walzenschlag von der Winkellage der Walze abhängig ist, wiederholt er sich periodisch mit jeder Walzenumdrehung. Diese Periodizität muss sich also im Frequenzspektrum der Walzkraft widerspiegeln.

2.5.4 Methoden zur Kompensation von Walzenexzentrizitäten

Offline-Methoden

Der Walzenschlag wird vor dem Walzen identifiziert oder gemessen und während des Walzens kompensiert. Die Steuerung arbeitet als offener Wirkungskreis.

Vorteil: 

- Keine Stabilitätsprobleme, da kein Regelkreis (geschlossene Schleife) vorliegt.

Nachteile:

- Zeitverlust
- reagiert nicht auf Änderungen während des Walzens (Temperatureffekte)
- Verfahren benötigt die exakte Winkelposition der Walzen [7]

Online-Methoden

Die Exzentrizitäten werden während des Walzens identifiziert und gleichzeitig kompensiert.

Regelung arbeitet als geschlossener Wirkungskreis.

Vorteile:

- keine a-priori-Kenntnisse über die Walzen sind nötig Nachteile:
- Stabilitätsprobleme, da sehr komplexer Regelkreis;
- benötigt Zeit zum Einschwingen, daher Bandteile ohne gute Kompensation
- Wechselwirkung mit anderen Regelkreisen kann Ergebnisse verschlechtern [7]

2.6 Regelungen im Walzgerüst und deren Einfluss auf die Walzenexzentrizität

2.6.1 Gaugemeter – Regelung

Hintergrund der Gaugemeter – Regelung ist, dass sich das Walzgerüst während des Walzvorganges elastisch ausdehnt. Abbildung 2-20 zeigt die Gerüstdehnung des 12“ Walzgerüstes der TU Clausthal für eine erwartete Summenwalzkraft von 300 kN.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2-20: Dehnungskurve des 12" Walzgerüstes der TU Clausthal

In Folge dieser Ausdehnung verändert sich auch die Auslaufdicke des Walzgutes. Über die Anstellung der Walzen wird die Dehnung, nach dem in Abbildung 2-21 dargestelltem Regelungsschema, kompensiert. Für diese Kompensation wird, während der Gerüsteichung, die Dehnungskurve des Gerüstes aufgenommen. Diese Dehnungskurve spiegelt das elastische Verhalten des Walzgerüstes wieder, so dass anhand der wirkenden Walzkraft die entsprechende Positionskorrektur aufgeschaltet werden kann.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2-21: Regelungsschema Gaugemeter - Regelung

Die Gaugemeter – Regelung setzt sich aus statischem und dynamischem AGC (Automatic Gap Control) zusammen. Das statische AGC korrigiert die Walzenanstellung vor dem Walzprozess aufgrund der erwarteten Walzkraft und der dadurch resultierende Positionskorrektur aus der Dehnungskurve. Das dynamische AGC korrigiert die Walzenanstellung während des Walzprozesses aufgrund der aktuellen Walzkraft und der dadurch resultierende Positionskorrektur aus der Dehnungskurve.

Da es im Falle einer Walzenexzentrizität zur periodischen Änderung der aktuellen Walzkraft kommt, ändert sich während des Walzens auch der aus dem dynamischem AGC stammende Positionskorrekturwert der Anstellung periodisch.

Dies veranlasst, dass bei Erhöhung der Walzkraft, die Anstellung den Walzspalt weiter zu fährt, was wiederum eine Erhöhung der Walzkraft verursacht.

Diese Tatsache bewirkt, dass der Effekt der Walzenexzentrizität durch die Gaugemeter – Regelung nicht ausgeglichen, sondern verstärkt wird. Der dabei entstehende Walzkraftverlauf ist in Abbildung 2‑22 dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2-22: Walzkraftverlauf mit und ohne Gaugemeter – Regelung

Um diese Verstärkung zu vermeiden, müssen für die Gaugemeter – Regelung die Änderungen in der Walzkraft, welche auf Grund der Exzentrizitäten entstehen, aus dem Walzkraftsignal ausgefiltert werden.