Simulation von Mischvorgängen für Schüttgüter

Mischbetten dienen der Homogenisierung und Mischung großer Mengen verschiedener Schüttgüter, z.B. in der Zementindustrie. In Kooperation mit der Abteilung Systemanalyse, Prognose und Regelung wurde für die Firma MVT Maschinen- und Verfahrenstechnik Bernhard Blatton GmbH Software zur Regelung und Simulation solcher Mischbetten erstellt.

In der Abbildung unten ist ein modernes Mischbett skizziert. Die Rohstoffe gelangen aus getrennten Bunkern auf ein gemeinsames Förderband, werden im Brecher zerkleinert, online auf ihre chemische Zusammensetzung hin untersucht und schließlich vom Absetzer im Mischbett aufgeschichtet. Der Mischeffekt resultiert daraus, daß das Material quer zu den Aufhaldeschichten scheibenweise abgetragen wird.

Ziel der Regelung ist es, die Rohstoffzufuhr aus den Bunkern so zu steuern, daß die Zusammensetzung der abzutragenden Scheiben gewisse Anforderungen erfüllt, z.B. nur in engen Grenzen um Sollwerte für Kalkstandard und Silikatmodul schwankt. Die Mischbettsimulation ermittelt dazu, wie sich das vorgemischte Material über der Halde und schließlich auf die abzutragenden Scheiben verteilt. Das Problem verlangt also die Einbeziehung der Simulation in die Regelung.

Schema Regelung und Mischbettsimulation
© Foto ITWM

Schema Regelung und Mischbettsimulation.

Mathematische und algorithmische Grundlagen schaffen

Im Rahmen des Projektes wurden bei uns am Institut zunächst die mathematischen und algorithmischen Grundlagen zu Regelung und Mischbettsimulation geschaffen.

Die Vormischregelung hat zwei wesentliche Aspekte: Aus der gemessenen Zusammensetzung des vorgemischten Materials ist auf die Zusammensetzung der Rohstoffe in den Bunkern zu schließen. Dies geschieht mit Hilfe eines Kalman-Filters. Die Rohstoffzufuhr ist so zu regeln, dass gewisse Module optimale Werte annehmen, was auf ein quadratisches Optimierungsproblem mit linearen Nebenbedingungen führt.

Grundlage der Mischbettsimulation bildet ein von uns entwickeltes schnelles Lösungsverfahren für eine bekannte Variationsungleichung, die die Verteilung eines Granulats bei schwacher Materialzufuhr beschreibt. Die Kernidee des Lösungsverfahrens besteht darin, den Zustrom zu portionieren und jede Portion über einem festen Punkt abzuladen. Die neue Haldenform ergibt sich dann jeweils durch Aufsetzen eines Kegels geeigneter Höhe. Der Diskretisierungsfehler läßt sich sicher abschätzen.

Die numerische Umsetzung der Regelungs- und Simulationsalgorithmen erfolgte unter MATLAB und in zeitkritischen Fällen in C. Außer im Leitstand einer tatsächlichen Anlage läßt sich die Software, die mit einer einfachen grafischen Benutzeroberfläche versehen ist, auch einsetzen, um Auf- und Abhaldeverfahren zu optimieren, gemeinsam mit dem Kunden eine Anlage zu planen oder garantierbare Mischungsgrade zu berechnen. Produkte, die auf vergleichbare Weise den Haldenaufbau berücksichtigen, sind bisher nicht auf dem Markt verfügbar.

Projektart: Industrieprojekt
Projektpartner: MVT, Dillingen