Mathematische Modellierung, Beobachterentwurf, Regelung und Optimierung eines kontinuierlichen Bandglühofens

In der Stahlindustrie werden kontinuierliche Bandglühöfen zur Erwärmung von Stahlbändern eingesetzt, um gewünschte mechanische Eigenschaften des Materials zu erreichen. Dabei ist die Erwärmung des Bandes, bei der eine hohe Menge an Brennstoff verbraucht wird und deshalb einen kostenintensiven Prozessschritt darstellt, direkt mit der Produktqualität gekoppelt. Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Entwurf einer nichtlinearen Beobachter- und Regelungsstrategie eines Bandglühofens. Mithilfe dieser Regelungsstrategie soll die exakte Erwärmung des Bandes insbesondere auch im Übergangsbereich zwischen zwei zusammengeschweißten Bändern verbessert und somit die Produktqualität gesteigert und der Materialausschuss minimiert werden. Zudem soll der Energieverbrauch und die CO₂ -Emissionen minimiert und der Durchsatz maximiert werden. Es wird ein vollständiges und ein reduziertes mathematisches Modell basierend auf Bilanzgleichungen für Masse, Enthalpie und Wärme hergeleitet. Der Temperaturverlauf im Ofeninnenraum und die unzureichend bekannte Bandemissivität werden mittels eines Beobachters (Erweitertes Kalman Filter bzw. adaptiver Parameterschätzer) geschätzt. Das Regelungskonzept basiert auf einer hierarchischen Struktur mit einer aus vier Modulen bestehenden echtzeitfähigen optimierungsbasierten Temperaturregelung und unterlagerten Regelkreisen für die Brennstoff- und Brennluftmassenströme sowie für die Bandgeschwindigkeit. Zu den vier Modulen zählen eine statische Optimierung, ein Trajektoriengenerator für die Bandgeschwindigkeit, ein optimierungsbasierter Trajektorienplaner und eine nichtlineare modellprädiktive Regelung. Das Konzept wurde bereits erfolgreich an der Feuerverzinkungsanlage 3 der voestalpine Stahl GmbH implementiert und läuft gegenwärtig im Dauerbetrieb.