Ein probates Mittel zum Reduzieren des Energieeinsatzes (Erdgas) und somit der Kosten beim Umschmelzen hochwertiger Aluminiumlegierungen (Bild 1) sind alternierende Regenerativbrenner, deren Brennluft aus der zwischengespeicherten Wärme der Prozessabluft bereits auf bis zu 1.000°C vorgewärmt wird. Im Vergleich zu kontinuierlich arbeitenden Systemen ermöglichen Regenerativsysteme eine bessere Wärmerückgewinnung. Regenerativsysteme versus kontinuierliche Systeme ohne Wärmerückgewinnung verbrauchen bis zu 70% weniger Erdgas. Gegenüber Systemen mit rekuperativer Wärmerückgewinnung beträgt die Gasersparnis 15-30% des Energieeinsatzes. Regenerativbrenner arbeiten jedoch paarweise abwechselnd. (Bild 2+3) Der von ständigen Zustandswechseln geprägte Taktbetrieb (Umschaltung zwischen den Brennern alle 60-90 Sekunden) erfordert allerdings einen höheren mechatronischen und automatisierungstechnischen Aufwand. (Bild 2+3) Ohne schnelle fehlersichere Steuerung und geeignete Sensorik lässt sich die Sicherheit von Mensch, Technik und Umwelt nicht dauerhaft und zuverlässig gewährleisten. Mehraufwand schafft Mehrwert Doch aus dem höheren Aufwand für die Sicherheit, allzu oft nur als notwendiges \’Übel\‘ verstanden, lässt sich durch intelligente Nutzung der zusätzlichen Informationen auch ein Mehrwert generieren. Das zeigt das hier vorgestellte Regenerativbrennersystem (Gesamtleistung von 16MW) mit der größten Einzelbrennerleistung der Welt (8MW je Brenner) an einem 85-Tonnen-Schmelzofen für veredeltes Aluminium. Es basiert auf den Erfahrungen mit 14 vorausgegangenen Systemen mit geringerer Leistung (ca. 4MW pro Brenner). Realisiert wurde es von der BTS-Engineering GmbH Brennertechnologie und Serviceleistungen (Erkrath) und deren Partner New Autec Gesellschaft für Umwelt- und Automatisierungstechnik mbH (Bad Dürkheim) beim weltgrößten Aluminiumwalzwerk Aluminium Norf GmbH (Neuss), kurz Alunorf. Quasi-standardisierte Basis des auch an anderen Stellen praxisbewährten Systems sind ein fehlersicherer Controller Simatic S7-400F (Bild 4), teils redundante dezentrale Peripherie aus dem Simatic ET200M-Spektrum sowie das Scada-System Simatic WinCC von Siemens. Hinzu kommt redundant an die Steuerung angebundene sowie autark arbeitende sicherheitsrelevante Sensorik. Ulli Wellner von Firma New Autec, \’Mastermind\‘ für anspruchsvolle Prozessautomatisierung, kennt den Nutzen von hochperformanten Komponenten und Lösungen. Wenn die \’low-hanging-fruits\‘ bereits geerntet sind, so seine Überzeugung, führt nur noch komplexe, individuell auf die jeweilige Anwendung zugeschnittene Automatisierungstechnik zu wesentlichen Verbesserungen. Wichtig ist dabei, die Anlage als mechatronisches System zu betrachten und die beteiligten Fachgebiete zu integrieren. Kernziele beim Umschmelzen von Aluminium sind hohe Energieeffizienz und Produktivität – immer einhergehend mit maximalem Personen-, Investitions- und Umweltschutz. Kunst dabei ist es, die Komplexität beherrschbar zu halten und den Anwender (Ofenführer) nicht zu überfordern. Andererseits gilt es, dem Verfahrensingenieur bzw. dem Instandhalter alle erforderlichen Informationen zur Verfügung zu stellen, damit diese auch nicht offensichtliche Einflüsse auf die Qualität bzw. Fehlerursachen schnell erkennen können. Das setzt ein hohes Maß an verfahrenstechnischem Know-how und ein Automatisierungssystem mit hoher Rechenleistung und Speicherkapazität voraus. \“Die Simatic S7-400F mit 414er F-CPU bietet beides in ausreichendem Maß\“, so Wellner, \“und erfüllt in Verbindung mit dem SCADA-System WinCC auf einem industriefesten Panel-PC 677B direkt am Ofen alle unsere Ansprüche\“. Mit kostengünstiger Sensorik mehr erreichen Mit Blick auf ein ausgewogenes Kosten-Nutzen-Verhältnis wurde die Sensorik im Wesentlichen einkanalig ausgeführt: Zur Überwachung der Gas- und Luftströme (Gas, Abgas, Verbrennungs- und Kühlluft) sind pro Brennerpaar vier SIL3-konforme analoge Durchfluss-Transmitter eingesetzt. Eine hinreichend sichere Erfassung von Temperaturen ist ebenfalls an vier Stellen über spezielle Thermo-Doppelelemente realisiert, wovon je eines an unterschiedliche Thermoelementerfassungskarten in zwei verschiedenen ET200M-Racks angebunden ist. Die im Fehlerfall sichere F-CPU muss nicht hochverfügbar (das heißt redundant) ausgeführt sein, da im Fall eines CPU-Ausfalls genügend Zeit für einen Hardwareaustausch der SPS bleibt, bevor ein für den Ofen gefährlicher Zustand eintreten kann. Nahtloses Umschalten ist daher nicht erforderlich. Zusätzlich und unabhängig von der F-Steuerung gibt es zwei externe, autark abschaltende Sicherheitssysteme für den sehr unwahrscheinlichen Fall, dass der \’worst case\‘ doch einmal eintritt. Eines schaltet beim Überschreiten der Ofentemperatur hart ab, das andere stoppt die Gaszufuhr zum Brenner, wenn keine Flamme erkannt wird. Um Letzteres im regulären Betrieb möglichst zu verhindern und dem Betreiber auch einen gewissen Spielraum zu lassen zwischen maximaler Energieeffizienz und optimaler Produktivität, wurde softwareseitig (also einmalig) zusätzlicher Aufwand betrieben. Brenner- und Automatisierungsspezialisten haben gemeinsam eine Reihe spezifischer Algorithmen in das Steuerungsprogramm implementiert. Diese bereiten die vergleichsweise kleine Menge externer Daten, rund 300 binäre und 50 analoge Signale, steuerungsintern sehr schnell auf und generieren aus den detailliert erfassten Zuständen der Sensoren und Aktoren wertvolle Zusatzinformationen. Wegen der hohen Zuverlässigkeit, und um Zykluszeiten nicht durch externe Kommunikation zu verlängern, werden selbst statistische Auswertungen (Mittel-, Min-/Max-Wert, Standardabweichung etc.) direkt auf der F-Steuerung absolviert. Hierzu wird ebenso die schnelle Verarbeitungsleistung der S7-400F gebraucht. Unter anderem ermittelt die Steuerung anhand der zugeführten Gas- und Verbrennungsluftmengen den sogenannten Lambda-Wert im fehlersicheren Programmteil, regelt diesen auf einen Wert knapp über 1 und sorgt so für eine vollständige Verbrennung. Das gewährleistet maximale Energieeffizienz und minimale Umweltbelastung und verhindert Schäden infolge unterstöchiometrischer Verbrennung. Die korrekte Funktion der Regelstrecke(n) wird unter anderem auch über eine zusätzliche Plausibilitätsprüfung von Gasventilstellung und Gasfluss überwacht. Das ist im ständig alternierenden, dynamischen Betrieb weitaus aufwändiger als bei statischen Brennersystemen und setzt hohe Rechenleistung und viel Speicherplatz voraus. Nicht alltäglich ist auch eine kombinierte (PID)Regelung und (Vor)Steuerung der Luftklappen zur Ofendruckregelung, womit sich Druckstöße beim Umschalten zwischen den Brennern soweit abmindern lassen, dass das Material geschont wird und ein sicherer Betrieb immer gewährleistet ist. Dabei erfasst das System nicht nur das Erreichen der Endlagen von Luftklappen, sondern auch deren Laufzeiten, woraus sich über längere Zeit eventuelle Veränderungen erkennen lassen. Effizientere Instandhaltung dank Condition Monitoring Der daraus entstehende Zusatznutzen: Anhand dieser Daten lässt sich einsetzender Verschleiß frühzeitig erkennen, sodass der Bediener immer erst gewarnt und der Betrieb nicht abrupt abgebrochen wird. Bevorstehende Wartungsarbeiten können so mit dem Produktionsplan abgestimmt werden. Das hilft ungeplante Stillstandszeiten vermeiden und die Verfügbarkeit und Ausbringung der Öfen zu erhöhen. Die zustandsorientierte Wartung spart unnötigen Zeitaufwand und reduziert Kosten. Durchgängiges Engineering für Standard und Safety Auf Simatic-CPUs der Reihe S7-400F können sicherheitsgerichtete und Standard-Programme nebeneinander ablaufen, was einerseits Hardware und Verdrahtung spart, andererseits das Engineering und die Sicherheitsabnahme vereinfacht. Die Vorgehensweisen bleiben gleich, da zur Erstellung des Standard-Programms alle gängigen Programmiersprachen unter Step7 genutzt werden können, hier AWL, SCL, CFC und HiGraph. Programme können bei laufendem Prozess geändert und Bausteine nachgeladen werden. Für sicherheitsgerichtete Anwendungen wird das Programmiersystem um das Optionspaket S7-F-Systems erweitert, eine Bibliothek mit TÜV-zertifizierten Sicherheits-Bausteinen. Einer Programmierung mit S7-F-Systems wurde aufgrund der hier im F-Programm zu realisierenden komplexen technologischen Funktionen der Vorzug gegenüber dem Optionspaket S7-Distributed-Safety gegeben. Auch die sicherheitsrelevanten Dinge per CFC (Continuous Function Chart) programmieren zu können, kam der Arbeitsweise des aus der Kraftwerkstechnik kommenden Automatisierers sehr entgegen und führte schnell zur Lösung. Zuverlässigkeit im Fokus
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