Innovatives Reglerdesign für einen energieeffizienten Kühlofen

Mit dem Ziel der Energieeinsparung im Glasherstellungsprozess entwickelt die Schott AG neue Konzepte für Kühl- und Temperöfen. Hierzu sollen entscheidende Teilsysteme dieser Anlagen wie Beheizung und Regelung der Temperaturführung durch innovative Lösungen modifiziert werden, um die Wirtschaftlichkeit und Energieeffizienz maßgeblich zu steigern.

Im Rahmen des BMWi-Projekts »Entwicklung eines energieeffizienten Ofenkonzeptes zur Wärmebehandlung von Glas« entwickeln wir im Auftrag der Schott AG einen modellbasierten Regler zur Minimierung des Energieeintrags eines Kühlofens unter Einsatz neuer innovativer Aktorik.

Simulation und Modellierung des Kühlofens

Ziel der Modellierung ist es, den realen Kühlofen inklusive der verwendeten Aktorik und Temperatursensoren in seinem dynamischen Verhalten möglichst genau abzubilden. Mittels Simulation dieses Referenzmodells kann dann das zu entwickelnde Regelkonzept validiert werden - die Zahl der notwendig werdenden experimentellen Kühlofenaufbauten wird deutlich reduziert. Zusätzlich wird ein Modell geringer Komplexität als Grundlage eines echtzeitfähigen modellbasierten Reglers benötigt.

Hierzu wird zunächst ausgehend von dem Referenzmodell ein vereinfachtes lineares, jedoch hochdimensionales Ersatzmodell generiert, das den Kühlofen in seinen Arbeitspunkten gut abbildet. Zur Generierung der für die Regelung benötigten Echtzeitfähigkeit wird dieses Modell

• in Kühlofensegmente zerlegt,
  
• auf Segmentebene eine Modellordnungsreduktion durchgeführt
  
• und die reduzierten Modelle wieder zum Gesamtofenmodell zusammengesetzt.
  

Dabei wurde bei einer Temperaturabweichung im Glas von 0,0001°C eine Dimensionsreduktion um den Faktor 20 erreicht.

Modellprädiktives Regelkonzept

Um eine hohe Glasqualität zu erzielen, muss eine exakte Temperierung des Glases während des gesamten Durchlaufs durch den Kühlofen eingehalten werden, d.h. die Glastemperatur im Kühlofen muss durch Aktoren auf eine vorgegebene Solltemperaturkurve über den Ofenverlauf eingestellt werden. Zunächst wurden dazu zum einen die von der Schott AG entwickelte Aktorik im Hinblick auf ihre Eignung zur Temperatursteuerung analysiert und überdies mittels neuer Algorithmen optimale Sensorpositionen im Ofen ermittelt.

Beim Reglerdesign sind folgende Faktoren zu berücksichtigen:

• die Dynamik des ofenweiten Wärmeausgleichsprozesses
  
• die lange Laufzeit des Glases durch den Gesamtofen
  
• die Aktordynamik
  
• sowie physikalische Restriktionen
  

Aus diesem Grund wurde für die Reglung ein Modellprädiktives Regelkonzept ausgewählt, das neben Totzeiten auch physikalische Nebenbedingungen berücksichtigen kann und sich industriell bereits bewährt hat. Für die Lösung des zugrunde liegenden Optimierungsproblems werden derzeit innovative Optimierungsstrategien unter Ausnutzung der Temperaturdynamik im Kühlofen entwickelt.