Vormischen von klebrigen Materialien – ­eine Fallstudie (Votorantim Gruppe)

Daher hat Votorantim Cimentos Bedeschi beauftragt, eine Entspeicherungs- und Mischanlage für das Werk ­Tocantis (Tabelle 1 und 2) mit einer BEL C Maschine (Bild 1) zu liefern. Die Vorteile dieses Entspeicherungsgeräts sind bestimmte Merkmale, die andere Geräte dieses Typs nicht aufweisen:

ein Bechersäuberungssystem, das das gesamte nasse und klebrige Material vom Becher entfernt, was gewährleistet, dass jeder Becher beim Entspeichern mit seiner vollen Kapazität genutzt wird,

ein Wandsäuberungskratzer, der sich entlang des gesamten Auslegers des Entspeicherungsgeräts bewegt und so garantiert, dass kein Material an den Grubenwänden haften bleibt,

eine patentierte Software für die Wandsäuberung, die es dem Wandsäuberungskratzer erlaubt, die Wand der Lagerhalle zu säubern.

Der elektrogeschweißte Ausleger ist eine starre Kons­truktion aus Stahlprofilen. Sein Oberteil ist mit Stahlblech abgedeckt, um zu vermeiden, dass Material in die Stahlkonstruktion fällt. Es besteht aus folgenden Bauteilen:

Kette mit Gliedern aus behandeltem Stahl

Stifte zur Befestigung der Kette in behandeltem Stahl

Laufführungen für die Kette, die durch austauschbare Stahlelemente geschützt sind

Kettenspanneinrichtung

Sicherheitsfaktor der Kette 10:1

Becher für das Entspeichern

Becherreinigungsgerät

Das BEL C-Prinzip

Eine Entspeicherungsbrücke läuft auf Schienen auf den Seitenwänden des Lagerbehälters. Da die Brücke und das Entspeicherungsgerät auf Schienen montiert sind, ist es möglich, Material von der gesamten Lageroberfläche auszuspeichern. Das Entspeichern wird vom Boden der Halde aus durchgeführt. Die Becher tragen das entspeicherte Material auf den Gurtbandförderer auf der Entspeicherungsbrücke aus. Bei dieser Anlage wird das Material von unterschiedlichen Schichten abgezogen, wodurch eine gute Mischung gewährleistet ist. Das Mischen wird später noch im Detail diskutiert. Alle Standardmaschinen der Firma werden automatisch gesteuert und können entweder:

vor Ort (von Hand oder automatisch) von der Schalttafel auf der Maschine, oder

automatisch von einer zentralen Schaltwarte ferngesteuert werden.

Bezüglich der chemischen Eigenschaften ist gut bekannt, dass Schwierigkeiten beim effizienten Mischen als Verhältnis zwischen s_in = Standardabweichung des Einlaufmaterials und s_out = Standardabweichung des Auslaufmaterials dargestellt werden können. Dabei gibt es einen engen Zusammenhang zur Anzahl der Materialschichten in den Vorratssilos und in der Entspeicherungsanlage. Das wird im folgenden Beispiel behandelt. Bild 3 zeigt die Wirkungsweise einer Haldenschütt- und Entspeicherungsanlage vom Typ BEL C. Es gibt zwei Möglichkeiten des Einspeicherns:

hin- und herfahrende Förderer am Dach der Lagerhalle

hin- und herfahrende Förderer auf der Absetzer­brücke

Das Entspeichern wird mit Hilfe des Eimerkettenbaggers durchgeführt, der sich quer zur Lagerstätte bewegt und das Material mit einem Ausleger von unten nach oben ausspeichert. Der Bagger bewegt sich zwischen zwei Wänden auf Schienen auf der Brücke. Nach dem Transport des Materials zum Bagger kann der Eimerkettenbagger für eine weitere festgelegte Materialmenge zurücklaufen und die Entspeicherung fortsetzen. Das ausgespeicherte Material wird durch die Eimer auf den feststehenden Gurtbandförderer auf der Brücke ausgetragen. Dieser Förderer wirft dann das Material auf den Längsgurtbandförderer ab, der das Material zur Anlage transportiert. Bild 4 zeigt den Einspeicherungszyklus. Die unterschiedlichen Positionen der hin- und herfahrenden Endgurtbandförderer sind im Schnitt dargestellt. Im unteren Teil (in der Anlage) befinden sich die unterschiedlichen Schichten, die der Position des Gurtbandförderers entsprechen. Wenn man die Entspeicherungsphasen untersucht kann man sehen, dass jeder Becher eine gleiche Menge von jeder Schicht abträgt und somit ein optimales Mischen auf dem Gurtbandförderer erreicht.

Experiment in einem Zementwerk

Bester Becherverlauf

Ein wichtiger Punkt ist auch die Berücksichtigung der Kosten der Bauarbeiten. Aus diesem Grund hat das Unternehmen versucht, die Kosten durch die Entwicklung einer Lagerhalle zu reduzieren. Es wurde eine vorgefertigte Lagerhalle komplett aus Stahl konstruiert. Alle tragenden Konstruktionsteile werden aus Stahlträgern gebildet, und die Innenwände bestehen aus vorgefertigten Betonplatten. Das Entspeicherungsgerät vom Typ BEL C weist ein sehr gutes Verhältnis zwischen gelagertem Volumen und genutzter Oberfläche auf. Bild 8 zeigt zwei typische Abschnitte, wie bei gleicher Höhe der Lagerhalle das Volumen mit einem BEL C höher ist als bei einem Seitenentspeicherer (bei linearer Lagerung). Diese Anlage wird zurzeit in einem Tonlager eingesetzt.

Die Steueranlage

ein durch einen Wechselrichter gesteuerter Motor mit veränderlicher Drehzahl für den Becherantrieb

zwei durch Wechselrichter gesteuerte Motoren mit veränderlicher Drehzahl für das Fahren des Laufwerks

zwei durch Wechselrichter gesteuerte Motoren mit veränderlicher Drehzahl für das Fahren der Brücke

ein durch einen Wechselrichter gesteuerter Motor mit veränderlicher Drehzahl für die Rotation des Entspeicherungsgurtbandförderers

ein Gurtbandförderer zum Dosieren, ausgerüstet mit einem durch einen Wechselrichter gesteuerter Motor mit veränderlicher Drehzahl und mit einer Wäge­anlage mit Mikroprozessor

eine SPS für die Überwachung des gesamten Maschinenbetriebs und, insbesondere, für die kontinuier­liche Einstellung der gesamten Anlage, wodurch eine gleichmäßige Leistung erreicht werden soll.

Die Schaltwarte sendet den Leistungssollwert über das Netzwerk Sinec L2.

Die Maschine stellt die Drehzahl ihres Motors ein, um die geforderte Leistung zu erreichen und, wenn ­nötig, korrigiert sie die Drehzahl entsprechend den Gewichtsdaten des Bandes.

Über das Netzwerk Sinec L2 sendet die SPS die von den Waagen gemessenen Daten zur Schaltwarte zwecks Bestätigung der Leistung.

Die Leistungssignale werden in Prozentwerten aus­gedrückt, bezogen auf die maximale Kapazität der Maschine, die in diesem Fall 150 t/h beträgt.

Einstellung für die Durchsatzkontrolle

Der Feedforward-Term kann in gewisser Weise als Vorhersageterm betrachtet werden, der gemäß einer Abschätzung das Erreichen des Zielfeedbacks erlaubt. In unserem Fall wird er berechnet als Verhältnis zwischen erforderlichem Materialfluss (t/h) und dem maximalen theoretischen Materialfluss (t/h). Anders ausgedrückt, wenn zum Beispiel der maximale theoretische Material-fluss der Anlage 500 t/h beträgt, und sich der erforderliche Materialfluss auf 250 t/h beläuft, ist es sinnvoll, einen Wert von 50 % als Vorwärtsterm einzusetzen. Um danach diesen Wert anzugleichen, d. h. um einen Wert zu erreichen, der dem erforderlichen Materialfluss wirklich nahekommt, wird eine Anpassungskonstante K21 berücksichtigt. Mit anderen Worten: es ist nicht nötig, dass die Motoren mit 50 % ihrer maximalen Drehzahl laufen, um eine Entspeicherungskapazität von 50 % zu erreichen. Für diesen Zweck wird K21 eingesetzt, die direkt in der Entspeicherungsanlage wirksam wird.

Der Bezugswert der Leistung für die Motorenwechselrichter setzt sich aus der Summe des so berechneten Feedforward-Terms und der Ausgabe eines PI-Reglers zusammen. Wie vom Boden des Logikschemas ausgehend zu erkennen ist, d. h. von der im Werk installierten Wägeanlage, wird das Gewichtsfeedback des Materials im Bunker gemessen, das vernünftigerweise vor seiner Eingabe in den Regler gefiltert wird, um ein nahezu stoßfreies Signal zu erhalten, das dann als Input für den PI‑Regler zusammen mit dem Sollwert des Bunkergewichts verwendet wird. An dieser Stelle berechnet der PI-Regler den Fehler des Bunkergewichts und arbeitet mit den Proportional- bzw. Integralfaktoren Kp und Ki. Die Ausgabe des PI-Reglers wird dann mit einer Anpassungskonstante K2 multipliziert, und dieser Term wird dann zum Feedforward-Term addiert.

Ausgehend von dieser Blocksumme wird der so berechnete Regelwert zu zwei unterschiedlichen Blocks geschickt – einer für die Bezugsberechnung der Kettenmotordrehzahl und einer für die Bezugsberechnung der Motorübersetzungsdrehzahl. Dort wird der Wert zuerst angeglichen (K3 und K4: Das ist eine Vorsichtsmaßnahme, wenn sich aus irgendeinem Grund der Regelwert in großen Schritten ändert. Der Bezugswert wird in jedem Fall an den Endwert angeglichen), und dann auf einen Minimal- und einen Maximalwert begrenzt (um unsinnige Werte als Bezug auf die Wechselrichterdrehzahl zu vermeiden). Anschließend wird der Wert zum Kettenmotorwechselrichter und zum Übersetzungsmotorwechselrichter gesendet, um so den Regelkreis zu schließen.