Sicherheitstechnik Optimierte Überwachung der Brennersteuerung minimiert Ausfälle

Autor / Redakteur: Kwinten Cantraine / Dipl.-Ing. (FH) Reinhold Schäfer

Über eine verbesserte Brennersteuerung und eine Visualisierung der Sensor- und Brennerdaten konnte bei einem Stahlhersteller die Betriebsdauer verlängert werden. Damit ist auch die Diagnose bei den Anfahrbrennern effizienter und die Fehlersuche schneller.

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Die Stahlcoils werden abgewickelt und im Ofen wärmebehandelt, um die erforderlichen metallurgischen Eigenschaften zu erhalten.
Die Stahlcoils werden abgewickelt und im Ofen wärmebehandelt, um die erforderlichen metallurgischen Eigenschaften zu erhalten.
(Bild: Pilz)
  • Die Flammenüberwachung über UV-Detektoren wurde auf Ionisation umgestellt.
  • Die neue Brennersteuerung ermöglicht eine bessere Regelung.
  • Die jetzt zusätzliche grafische Anzeige ermöglicht wesentlich schnellere Reaktionszeiten auf Veränderungen.

Um die Fertigungsprozesse sicherer und effizienter zu machen, hat der Stahlhersteller Arcelor Mittal die Produktionstechnik auf Vordermann gebracht. Dazu wurde in seiner Kaltwalzanlage für Fallrohre im belgischen Gent die Brennerüberwachung der Öfen optimiert. Im Fokus stand dabei eine effiziente und sichere Automatisierung einschließlich einer schnelleren Diagnose. Für den Umbau seiner Anlage entschied sich der Stahlproduzent für das Rundum-Servicepaket des Automatisierungsexperten Pilz. Das Unternehmen war auch für den kompletten Umbau verantwortlich.

In der Kaltwalzanlage von Arcelor Mittal in Gent werden die Stahlcoils (Bandstahlrollen) nach Kundenanforderungen veredelt. Insgesamt ist der Produktionsprozess für Fallrohre im sogenannten Kaltwalzwerk in fünf Schritte unterteilt: beizen, kaltwalzen, glühen, anlassen, dann die Endbearbeitung. Anschließend werden die Bandstahlrollen im letzten Schritt verpackt und sind damit für den Versand an den Kunden bereit.

Produktionsbedingungen sind hart

Vor dem Beizen des Stahlbandes muss das Blechcoil erst warm gewalzt werden. Dabei bildet sich auf den Stahlblechen eine Oxidschicht, die dann im Kaltwalzwerk vor der Weiterverarbeitung während des Beizens entfernt werden muss. Erst im nächsten Schritt (dem Kaltwalzbereich) wird das warmgewalzte und gebeizte Blech im erkalteten Zustand durch Druck- und Zugkräfte auf seine gewünschte Dicke reduziert.

Um das Stahlband weiterzuverarbeiten, muss es einer weiteren Wärmebehandlung unterzogen werden. Dieser Vorgang erfolgt in zwei Haubenglühbereichen, d. h. in Glühöfen für Stahlcoils, wo das Stahlband in einem geschlossenen Ofen verweilt, und in einer kontinuierlichen Glüh- und Veredelungsanlage, die das Stahlband relativ zügig durchläuft – im Unterschied zum geschlossenen Haubenglühen. Die aus dem Haubenglühbereich kommenden Stahlcoils werden danach angelassen. Bei dieser Wärmebehandlung des Stahls werden die mechanischen Oberflächeneigenschaften des Stahlblechs verbessert.

Yves De Sloover, Techniker im Kaltwalzwerk bei Arcelor Mittal erläutert: „Unsere Abteilung ist für die Wartung der Prozesse in diesem Bereich zuständig. An der kontinuierlichen Glühanlage kümmern wir uns auch um die speicherprogrammierbare Steuerung und um die Einstellung der Brenner. Unser Ziel ist es, die Produktion kontinuierlich am Laufen zu halten. Dazu gehören auch ständige Optimierungen am Ofen.“

Eine Herausforderung war das häufige Abschalten der Anfahrbrenner, die die Hauptbrenner zünden. Daher stand dieser Prozessschritt mit Blick auf die Optimierung mit im Fokus. De Sloover erklärt: „Zu Beginn des Prozesses wird der Ofen mit einer offenen Flamme auf 1.200 Grad Celsius erhitzt. Insgesamt sind es 50 Hauptbrenner, die von 30 Anfahrbrennern gespeist werden. Immer, wenn die Temperatur des Ofens nach einem Stillstand unter 760 Grad Celsius fällt, werden diese Hauptbrenner zum Wiederanfahren des Ofens verwendet.“ So schreibt es auch die Norm vor, nach DIN EN 746 ist dies obligatorisch, fügt der Techniker hinzu.

Fehlerdiagnose war in der Vergangenheit eine Herausforderung

In der Vergangenheit wurden die Anfahrbrenner über ein Modul gesteuert und die Flammenüberwachung erfolgte über UV-Zellen an der Zündung. Wenn eine UV-Zelle defekt war, stand die gesamte Anlage und musste neu gestartet werden. Ein Wiederanlauf, der jedes Mal mindestens 40 Minuten dauerte, weil erst noch unverbrannte Gase mit Stickstoff ausgetrieben werden mussten. Auch die defekte UV-Zelle musste jedes Mal ersetzt werden. Eher ein Suchspiel, weil man nie wusste, welche UV-Lampe ausgefallen war. Infolgedessen waren die Ausfallzeiten beträchtlich. Und auch die Fehlersuche war nicht effizient: Das verwendete Brennersteuerungsmodul gab zwar die Informationen über die Gas- und Luftversorgung und von den UV-Detektoren an die speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) weiter, aber die Analysemöglichkeiten waren begrenzt und zeitaufwendig. „Außerdem konnten wir keine Änderungen an der Steuerung vornehmen, weil sie nur als Blackbox fungierte, also lediglich für die Datenaufzeichnung der SPS-Signale zuständig war“, erklärt De Sloover.

Sicherheitssteuerung als Lösung des Problems

Die Ausfallzeit musste also drastisch reduziert werden. „Zuerst haben wir auf Ionisation anstelle von UV-Detektoren umgestellt, im zweiten Schritt haben wir das alte Brennersteuerungsmodul ersetzt,“ berichtet De Sloover weiter. Als Ersatz fiel die Wahl auf das Automatisierungssystem für Automation und Sicherheit PSS 4000 von Pilz. Der deutsche Anbieter war dem belgischen Stahlverarbeiter bereits durch eine frühere Zusammenarbeit positiv in Erinnerung geblieben: „Wir hatten bereits bei einer anderen Anlage eine Sicherheitslösung von Pilz verbaut und waren hier absolut zufrieden, mit der Qualität der Komponenten, dem Service und auch dem Support. Das Automatisierungssystem kannten wir bereits und dank seiner Skalierbarkeit stellt es eine zukunftsorientierte Lösung dar“, blickt der Techniker zurück.

Der Hochofen selbst ist in fünf Zonen mit jeweils zehn Brennern unterteilt. Zone 3 war die erste, die umgebaut wurde. Dabei war es die erste Maßnahme, um die Spezifikationen des zuvor verwendeten Moduls zu dokumentieren. Diese Spezifikationen für die Konstruktion hat Pilz dann auf die Steuerung PSS Universal PLC des Automatisierungssystems übertragen. Ziel war eine längere Betriebszeit und dafür ausreichende, weil schnelle Diagnosemöglichkeiten.

Visualisierung sorgt für bessere Übersicht

Neben der PSS Universal PLC wurde deshalb eine effiziente Visualisierung in einem neuen, hierfür vorgesehenen Schaltschrank installiert, die den Status der Brenner anzeigt.

Weil die Brenner entsprechend der Norm verschiedene Stufen und Sequenzen durchlaufen und dabei bestimmte Bedingungen erfüllen müssen, wurde bei der Visualisierung sichergestellt, dass die Bediener diesen Status nun auf einen Blick auf dem Display ablesen können. „Zusätzlich ist eine grafische Anzeige der Flamme bei allen zehn Brennern und eine Anzeige der Sensordaten der Brennersteuerung im Display dargestellt, sodass nun wesentlich schneller reagiert werden kann, wenn ein Wert an irgendeiner Stelle zu niedrig wird“, freut sich De Sloover.

Schließlich wurde auch in den Zonen 4 und 5 des Brenners ein weiterer zusätzlicher Schaltschrank mit zwei PSS Universal PLC für beide Zonen installiert, wobei deren Status auch auf dem Display der Zone 3 abgelesen werden kann.

Flexible Softwarebausteine für Brenner sind Kern der Lösung

Über die Software PAS4000 des Automatisierungssystems PSS 4000 lassen sich Funktionsblöcke konfigurieren, die auf bestimmte Anwendungsszenarien ausgelegt sind, in diesem Fall auf die Brenneranwendung. Mit dem sogenannten Burner-Management-Softwarepaket können Programme zur Steuerung unterschiedlicher Brennertypen flexibel und einfach umgesetzt und Sicherheitsfunktionen, wie z. B. die Schutztürkontakte, Not-Halte und Lichtgitter, ausgeführt werden. Die Verwendung vorgefertigter und zertifizierter Funktionsblöcke für das Brennermanagement vereinfacht dabei nicht nur die Installation, sondern auch die Validierung. Darüber hinaus stehen in der Software des Automatisierungssystems zahlreiche weitere Funktionsblöcke zur Verfügung, wie Werkzeuge für Projektierung, Programmierung, Inbetriebnahme und Betrieb. De Sloover bringt die Vorteile des Systems mit Blick auf dessen Softwarepaket auf den Punkt: „Ein großes Plus des Automatisierungssystems ist, dass sich Anwendungen absolut kundenspezifisch umsetzen lassen.“

Nach dem Umbau des Ofens läuft dieser praktisch ununterbrochen. Für die Techniker von Arcelor Mittal heißt dies nun: ungestörte Nachtruhe. Denn: „Mehr als ein Mal waren wir nachts hier, auf der Suche nach einem defekten UV-Sensor. Das ist nun Vergangenheit“, erzählt De Sloover erleichtert. Und resümiert: „Heute läuft die Anlage ohne größere Störungen, und sollte es einen Störfall geben, weiß man sofort, wo der Fehler zu finden ist.“

* Kwinten Cantraine ist Vertriebsingenieur bei der Pilz GmbH in Gent (Belgien). Weitere Informationen: Pilz GmbH & Co. KG, Tel. +49 711 3409-0, info@pilz.de

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