Einsatz von alternativen Brennstoffen mit Expert Optimizer maximieren

1 Einleitung

Die erste Installation von ABBs Expert Optimizer in den Werken Itau de Minas (Bild 1) und Salto de Pirapora (Bild 2) von Votorantim Cimentos erfolgte im Jahr 1995. Die veraltete Hardware musste ersetzt werden, und gleichzeitig wurde die Gelegenheit zur Modernisierung der Optimierungslösung (Bild 3) ergriffen. Die Herausforderung bestand darin, ein Upgrade auf die neueste Version vorzunehmen, ohne die anlagenspezifische Funktionalität zu verlieren, sowie die in den Werken verwendeten alternativen Brennstoffe in die Strategie einzubinden und sie damit besser unter Kontrolle zu bringen. Die Upgrades wurden im Jahr 2009 abgeschlossen.

2 Votorantim Cimentos: Ein multinationales ­
brasilianisches Unternehmen

Das 1936 gegründete Unternehmen Votorantim Cimentos gehört weltweit zu den zehn führenden Herstellern von Zement, Beton und Zuschlagstoffen. In Brasilien ist das Unternehmen Marktführer mit insgesamt 40 Produktionseinheiten, die auf fast alle Bundesstaaten verteilt sind. Dazu kommen 70 Vertriebszentren und 90 zentrale Betonwerke im ganzen Land. Zum Produktspektrum gehören mehr als 40 Produkte, darunter führende Marken wie Votoran, Ita, Poty, Tocantins, Aratu, Votomassa und Engemix. Außerhalb Brasiliens betreibt das Unternehmen fünf Werke und mehr als 120 Produktionsstätten für Beton und Zuschlagstoffe in Nordamerika. Weiter wird ein Werk in Bolivien betrieben, und man hält eine Kapitalbeteiligung an einem führenden Industrieunternehmen in Chile, Argentinien und Uruguay. Weltweit hat das Unternehmen 11 000 Beschäftigte, und es gehört nach einer Erhebung von Guia Você S.A./Exame zu den 150 besten Arbeitgebern in Brasilien. Votorantim Cimentos gehört zur Votorantim Gruppe, einem der größten Mischkonzerne in Lateinamerika mit Marktführerstatus in Produktion, Finanzdienstleistungen und Erschließung neuer Märkte. 

3 Das Projekt

Expert Optimizer Version 2.0, damals bekannt unter dem Namen LINKman, wurde 1995 in den Werken installiert. Das Upgrade auf Expert Optimizer Version 6.0 wurde in zwei Werken von Votorantim durchgeführt, nämlich in Salto de Pirapora (Bild 4) und Itau de Minas (Bild 5). Die Situation in beiden Werken vor der Installation der neuesten Version von Expert Optimizer ist in Tabelle 1 zusammengefasst.

Der Grund für Votorantim, ein Upgrade auf die neueste Version ABBs Expert Optimizer in den Werken Itau und Salto vorzunehmen, bestand darin, dass die vorhandene Fremdhardware bereits 14 Jahre alt war. Die Notwendigkeit die Hardware zu ersetzen bot die Möglichkeit, gleichzeitig ein Upgrade auf die neueste Version von Expert Optimizer vorzunehmen. Der Werkleiter von Itau, Ing. Danilo Valadares Pinto, hatte sich in seiner Verpflichtung zur Kostenreduzierung, der Qualitätssicherung und Verringerung von manuellen Eingriffen durch den Anlagenfahrer, für den Einsatz der neuesten Version von Expert Optimizer (Bild 6) entschieden.

4 Herausforderungen

Es gab zwei wesentliche Herausforderungen in den Werken Itau und Salto von Votorantim. Die erste bestand darin, dass das Upgrade auf die neueste Version von Expert Optimizer zwar den Zugang zu neuen Technologien ermöglichte, aber gleichzeitig Bedenken bei Votorantim hervorrief: In den Werken nutzte man seit 1995 Expert Optimizer. In diesem Zeitraum wurde eine große Menge an Wissen zum System aufgebaut, und es wurden viele anlagenspezifische Funktionen eingebaut. Die Methode mit Autopilot zu fahren wurde in den Werken zur täglichen Routine. Die Anlagenfahrer wussten, wie man die Informationen zu deuten hatte und wie man die vorhandene Version von Expert Optimizer einsetzt, um die eigenen Ziele zu erreichen. Sie fühlten sich damit wohl und hatten Vertrauen zur vorhanden Lösung. Für Votorantim war unentbehrlich, dass das Wissen ihrer Anlagenfahrer und die anlagenspezifische Funktionalität durch das Upgrade nicht verloren gingen.

Zweitens werden in beiden Werken eine Reihe von alternativen Brennstoffen eingesetzt. Schwankungen im Heizwert und Energiespitzen erzeugt durch die Altreifenaufgabe mussten in der neuen Strategie berücksichtigt werden, so dass Votorantim den Einsatz von alternativen Brennstoffen maximieren kann.

5 Lösungen

Beide Werke wurden auf die neueste von Expert Optimizer (Version 6.0) aufgerüstet. Das Upgrade im Werk Salto wurde im Oktober 2008 abgeschlossen, das im Werk Itau im Februar 2009. Expert Optimizer ist eine Advanced Process Optimization (APO) Lösung (Optimierung von Produktionsprozessen durch ein Expertensystem). Advanced Process Optimization Anwendungen kann man sich als „Autopiloten“ für Teile des Produktionsprozesses, für die sie konfiguriert wurden (z.  B. Öfen oder Mühlen), vorstellen (Bild 7). Dabei wird die bestmögliche Regelstrategie implementiert und kontinuierlich auf einem Computer angewendet, der mit der Instrumentierung und dem Leitsystem verbunden ist. Die Häufigkeit mit der Prozessdaten gelesen und geschrieben werden und die Anwendung einer fortgeschrittenen mathematischen Modellierung erlauben Vorhersagen über das Prozessverhalten. Die Vorhersagen über Prozessverhalten werden mit „Gelerntem“ aus vergangenen Aktionen und Ereignissen kombiniert. Dies ermöglicht häufig kleine und präzise Änderungen an Sollwerten vorzunehmen, wodurch der Prozess stabiler gehalten werden kann, als das ein menschlicher Anlagenfahrer je kann. Wenn die Advanced Process Optimization Software den Prozess stabilisiert hat, kann dieser näher an seine Betriebsgrenzen herangefahren werden. So kann eine Optimierung im Hinblick auf gewünschten Ziele des Kunden stattfinden.

Die Optimierungslösung wird basiert auf den kundenspezifischen Zielen ausgearbeitet. Zum Beispiel kann eine Optimierung mit Fokus auf maximalen Durchsatz, reduzierten Brennstoffeinsatz, maximalen Einsatz alternativer Brennstoffe, eine Kombination dieser oder vielen anderen Optionen aufgebaut werden. Man beachte, dass Advanced Process Optimization kein Ersatz für die normale Instrumentierung und die Leittechnik des Werkes ist. Advanced Process Optimization ist übergeordnetes Leitsystem, welches verbesserte Betriebspunkte berechnet und diese an die vorhandenen Regelkreise weitergibt.

Expert Optimizer Version 6.0 bietet unterschiedliche Technologien, um die Advanced Process Optimization Strategien zu entwickeln. Die frühere, in den Werken installierte, Version verwendete bereits Fuzzy-Logik. Mit der neuen Version wurde die Möglichkeit eingeführt, neuronale Netzwerke und modellprädiktive Regelung (Model Predictive Control – MPC) zu verwenden. MPC, oder auch Receding Horizon Control (RHC), ist eine Methode zur prädiktiven Regelung komplexer Prozesse. MPC benützt ein dynamisches Prozessmodell zur ­Berechnung einer Folge von optimalen Aktionen über das ­Zeitintervall [t, t+p], wobei t die aktuelle Zeit bezeichnet und p den Zeithorizont darstellt, der für die Anwendung relevant ist. Neben dem Modell sind die Kostenfunktionen in MPC Reglern entscheidend für die Einstellung des Regelverhaltens. Der Optimierungsalgorithmus berechnet eine Lösung mit minimalen Gesamtkosten, die aus den Kostenfunktionen hervorgehen. Sowohl Abweichungen von einem Sollwert als auch Änderungen eines Stellglieds werden bestraft, bzw. wird ein Kosten zugewiesen. Dies erlaubt es, alle Variablen in ein Verhältnis zueinander zu bringen. Die Kostenfunktion ergibt sich aus den definierten Zielwerten, wie zum Beispiel der Klinkerchemie, Einschränkungen beim Brennstoffverbrauch, Marktnachfrage oder anderen prozessrelevanten Zielen oder Grenzwerten. Das bedeutet, dass das gewünschte Regelverhalten durch intuitiv einfache Kostenfunktionen in Verbin­dung mit einem ausreichend genauen Modell erreicht wird. Dieses Produkt ist einmalig in der Zementindustrie mit seinen mehreren hundert fertig gestellten Installationen für ­Rohmehlaufbereitung, Mühlensteuerung, Produktionsplanung und Ofensteuerung. Letztes Jahr wurde die 200er Marke geknackt.

Als Teil des Upgrades gab es eine Migration von den Alpha Workstations (digital), die mit einem VMS Betriebssystem arbeiteten, hin zu einem Windows 2003 System, das den Internet Explorer als Benutzeroberfläche einsetzt. Alle Benutzeroberflächen sind web-basiert. Im Vergleich zur alten Version wurde durch ein Windows-artiges Look+Feel die Benutzerfreundlichkeit verbessert, während gleichzeitig die Struktur und Methodologie der Anwendung beibehalten wurde. Auch bei einem solch gewaltigen Schritt von Version 2.0 zu Version 6.0 von Expert Optimizer brachte der Übergang zur neuen Version für die Anlagenfahrer und Ingenieure keine Schwierigkeiten. Sie konnten ihre vorhandenen Kenntnisse zur Internetnutzung und ihre vorhandenen anlagenspezifischen Funktionen und Systemkenntnisse weiter anwenden und brauchten nur die neu implementierten Dinge zu lernen.

Die anlagenspezifischen Informationen und die Konfiguration wurden angepasst, was bedeutete, dass eine neue Strategie implementiert wurde und nicht nur die vorhandene kopiert wurde. Das bot die Gelegenheit, eine vereinfachte Strategie zu installieren. Das wiederum brachte Vorteile bezüglich der Robustheit der Strategie und machte die Dinge für die Wartungsteams und Anlagenfahrer leichter. Nach dem Wunsch des Kunden wurden Vorkalzintor-Öfen und alle Mühlen auf den neuen ABB-Standard gebracht. Dazu gehörte auch die Installation einer neuen Drehzahlregelung, die für die Mühlen mit Hochleistungs-Sichter mehr Stabilität bringt.

Insgesamt konnte das von ABB während des ersten und zweiten Serviceeinsatzes implementierte Wissen übernommen werden. Außerdem blieb die von Votorantim über mehrere Jahre gesammelte Erfahrung erhalten als die neue Funktionalität eingebracht wurde. Das heißt, dass die Anlagenfahrer von Votorantim ihr vorhandenes Wissen weiter nutzen können und gleichzeitig Zugang zu den neuesten Technologien erhalten, die Expert Optimizer anbietet.

6 Strategie zur Steuerung alternativer Brennstoffe und des Vorkalzinators

Seit der ersten Installation durch ABB im Jahr 1995 wurde die Energiezufuhr in den Vorkalzinatoren in beiden Werken durch eine regelbasierte Methode gesteuert. Die Proportional-Integral-Derivativ-Regelung (PID) ist nicht in der Lage, sich ein Gesamtbild von den Haupt- und alternativen Brennstoffen zu machen und behandelt jeden Brennstoff separat. Daher wurde während des Upgrades ein neues Modul für alternative Brennstoffe installiert. Das Modul für alternative Brennstoffe berücksichtigt die Energiequellen als Ganzes und ist so in der Lage, entsprechend mit den Sollwerten umzugehen.

Mit dem Hauptbrennstoff (Kohle) kompensiert das Modul die gemessene Abweichung so wie auch nicht gemessene Größen, wie z.B. den Wassergehalt, Heizwert und andere. In dem Modul für die alternativen Brennstoffe werden auch die Schwankungen von O₂/CO (Bild 8) berücksichtigt, die durch die alternativen Brennstoffe verursacht werden. Die Strategie für den Vorkalzinator berücksichtigt auch das Gas aus dem Kühler als Energiequelle, um die Temperatur im Vorkalzinator so stabil wie möglich zu halten.   

Auf Grund häufiger Abweichungen, Störungen und/oder der geringen Gleichmäßigkeit des AFR (Alternative Fuel Resources) wurde ein virtueller Brennstoff implementiert, der anhand der Messungen von O₂ und CO bis zu 5  % der Vorkalzinatorenergie ändert. Die gemessene Reifenenergie wird auf Grund der Schwankung in der Sekundärlufttemperatur angepasst. Die Anpassung kann bis zu 4  % der Vorkalzinatorenergie zu ausmachen.

Im Werk Salto wird zum Beispiel die Austrittstemperatur der HOTDISC (Brennkammer als Bestandteil des Kalzinators im Wärmetauscher – Technologie zum Verbrennen alternativer Brennstoffe) in der Strategie berücksichtigt. Das verhindert, dass der Vorkalzinator-Kühler-Kreislauf instabil wird. Eine solche Instabilität wird oft durch einen Ausfall oder Schwankungen der alternativen Brennstoffe ausgelöst. Wenn der Energieausgleich nicht schnell genug oder nicht richtig erfolgt, führt das zu Störungen, die der Anlagenfahrer nur schwer beheben kann. Die neu installierte Version von Expert Optimizer kann alle 10 Sekunden reagieren und ist so in der Lage, Energiespitzen zu kontrollieren, die insbesondere durch Altreifen oder andere alternative Brennstoffe verursacht werden. Die schnelle Reaktionszeit macht es möglich eine sich negativ auswirkende Rückkopplung zu verhindern, bevor es zu schwierig wird, ohne den Einsatz von zusätzlichen Ressourcen und damit unnötig hohen Kosten zum Normalzustand zurückzukehren.

Immer wenn sich die Temperaturfunktion (Norm + Grad) des Vorkalzinators in einem konfigurierten Bereich bewegt, hält das System die Durchschnittsenergie für den Vorkalzinator konstant. Sinn der Sache ist, die Energiezufuhr so konstant wie möglich zu halten, um weitere Störungen auf Grund von Sollwertänderungen zu minimieren. In Übergangssituationen wird der Energiesollwert zum Durchschnittswert zurückgeführt. Eine ähnliche Methode wird für die Steuerung des Rostkühlers angewendet. Ein weiterer Vorteil dieser Methode (ähnlich der Steuerung des Rostkühlers) liegt darin, dass die Häufigkeit und Auswirkung potenzieller Zyklen zwischen Kühler und Vorkalzinator minimiert werden.

7 Ergebnisse

Aufgrund der vorliegenden Trends sagte Cassio Paiva Marcelo, Itaus Spezialist für Expert Optimizer: „Wir können deutlich feststellen, wie stabil die Steuerung des Vorkalzinators im Vergleich zum PID-Regler ist (Bilder 9 und 10), sogar wenn unterschiedliche Arten von Reifen aufgegeben werden. Dank seiner präzisen und zuverlässigen Wirkungsweise ist Expert Optimizer 95  % der Ofenlaufzeit online“. Typische Vorteile, die Werke die ihre alternativen Brennstoffe durch Advanced Process Optimization System regeln, erwarten können, sind:

– erhöhter Einsatz von alternativen Brennstoffen (5  % – 20  %)

– stabilere Produktqualität (10  % – 20  %)

– reduzierte Brennstoffkosten (5  % – 20  %)

– geringere Wartungskosten und Schadstoffemissionen (5  % – 20  %).

Francisco Andrade dos Santos, Ofenfahrer im Werk Itau seit Zeiten vor der Installation von Expert Optimizer, erkennt bereits die Vorteile des Upgrades. Das belegt sein Kommentar: „Nach der Installation von Expert Optimizer gab es eine starke Verbesserung, nicht nur Betriebsart, sondern auch hinsichtlich Energieeinsparungen und Produktionssteigerung. Wenn wir ein Problem mit den Geräten haben, können wir uns darum kümmern, und wir brauchen uns keine Sorgen zu machen, weil Expert Optimizer während der gesamten Zeit sein Bestes tut, um den Prozess stabil zu halten“.

8 Schlussfolgerungen

Votorantim hat nun die Möglichkeit, mit diesem Upgrade das durch die vorherige Version über mehr als 10 Jahre aufgebaute Wissen beizubehalten und erhält gleichzeitig Zugang zu neuen Technologien, wie Model Predictive Control (MPC) und Mixed Logical Dynamic (MLD), sowie anderen neuen Applikationen, die von ABB entwickelt wurden. Seit Beendigung des Upgrades genießen die Anlagen Itau und Salto eine Menge von Vorteilen. Die Optimierung der Betriebspunkte anhand der Qualitätsanalyse trägt dazu bei, durch kleine und häufige Änderungen von Sollwerten Energie einzusparen. Das bedeutet, dass keine drastischen Aktionen, die kostspielige zusätzliche Energie erfordern würden, benötigt werden, um das Verfahren unter Kontrolle zu bringen. Die Stabilisierung des Prozesses führt zu einer gleichmäßigeren Klinkerqualität, und das wiederum bringt Vorteile für die Mühlen. Einer der wesentlichen Vorteile, der in beiden Werken deutlich hervortritt, besteht darin, dass die Verbrennung alternativer Brennstoffe stabiler und kontrollierter abläuft was weniger Störungen auf den Prozess zur Folge hat. Dadurch konnte in beiden Anlagen die Menge der eingesetzten alternativen Brennstoffe erhöht werden, was sich wiederum positiv auf die Reduzierung der Produktionskosten auswirkt. Expert Optimizer, ein Teil der CPM Minerals Produktpalette von ABB sorgt dafür, dass der Ofen unter optimalen Bedingungen entsprechend der Zielsetzung des Kunden gefahren wird. In den Werken Itau und Salto bedeutet das, dass die durch Verbrennung alternativer Brennstoffe, besonders von Altreifen, erzeugten Energiespitzen antizipiert und somit durch Expert Optimizer ausgeglichen werden.