| JP2685714 | PULVERIZING DRYER |
| JP05261311 | SUPPLY ORIFICE OF BALL MILL |
| JP09164342 | PULVERIZER |
METZGER, Michael (Schulgasse 12, Markt Schwaben, 85570, DE)
STEINKE, Florian (Sommerrain 2, Herrenberg, 71083, DE)
HELD, Harald (Katharina-Eberhard-Str. 12-14, Haar, 85540, DE)
METZGER, Michael (Schulgasse 12, Markt Schwaben, 85570, DE)
STEINKE, Florian (Sommerrain 2, Herrenberg, 71083, DE)
| Patentansprüche 1. Verfahren zum Betrieb einer Mühle (41), bei dem mithilfe eines Drehzahlreglers (50) ein Antrieb (46) für einen drehbar gelagerten Mühlenkörper angesteuert wird, und bei dem eine Drehzahl des Mühlenkörpers im laufenden Be¬ trieb der Mühle (41) wechselnd mit unterschiedlichen Soll¬ werten geregelt wird. 2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Mühle (41) eine Rohrmühle, insbesondere eine Erzmühle, Kugelmühle und/oder SAG-Mühle, und der Mühlen¬ körper eine Trommel (42) ist. 3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Drehzahl der Trommel (42) abwechselnd mit ei¬ nem ersten Drehzahlsollwert und einem zweiten Drehzahlsollwert geregelt wird. 4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der erste Drehzahlsollwert so gewählt wird, dass eine Zerkleinerung von großen und/oder dichten Partikeln in einem zu mahlenden Material optimiert wird, und bei dem der zweite Drehzahlsollwert so gewählt wird, dass eine Zerkleinerung von kleineren Partikeln in dem zu mahlenden Material und/oder ein Austragsverhalten der Mühle (41) optimiert wird. 5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der erste Drehzahlsollwert bei etwa 90% einer kri¬ tischen Drehzahl und der zweite Drehzahlsollwert bei etwa 60% der kritischen Drehzahl gewählt wird. 6. Verfahren nach Anspruch 3, 4 oder 5, bei dem die Drehzahl der Trommel (42) mit dem ersten Drehzahlsollwert und dem zweiten Drehzahlsollwert jeweils kür¬ zer als 60 Minuten geregelt wird. 7. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Drehzahl der Trommel (42) mit einem kontinu¬ ierlich variierten Drehzahlsollwert geregelt wird. 8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Mühle (42) als zentrale Mühle (3) in einem Mühlensystem (1) angeordnet ist, bei dem ein adaptives Gesamtmodell (33) für die Mühle (42) unter kontinuierlicher Berücksichtigung von Messgrößen ermittelt wird, und bei dem der kontinuierlich variierte Drehzahlsollwert mit- hilfe eines adaptiven Modell-prädiktiven Reglers eingestellt wird, welcher aus einer Steuer- und Regeleinheit (2) besteht und auf das adaptive Gesamtmodell (33) zu¬ greift . 9. Verfahren nach einem der vorangegangen Ansprüche, bei dem der laufende Betrieb der Mühle (41) ein kontinu¬ ierlicher Betrieb oder ein Batch-Betrieb ist. 10. Computerlesbarer Datenträger, auf dem ein Computerprogramm gespeichert ist, welches das Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche ausführt, wenn es in einem Computer abgearbeitet wird. 11. Computerprogramm, welches in einem Computer abgearbeitet wird und dabei das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausführt. 12. Steuer- und Regeleinheit (2), welche zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 eingerichtet ist. |
Verfahren zum Betrieb einer Mühle Die Erfindung betrifft Mühlen wie beispielsweise Rohrmühlen, Kugelmühlen (engl. Bezeichnung: "ball mill") oder SAG-Mühlen (engl. Bezeichnung: "semi-autogenous grinding mill"), die zum Zermahlen von grob körnigen Materialien wie z. B. Erzen oder Zement geeignet sind. Das Mahlen und Zerkleinern von Erz ist ein wichtiger Schritt in der Bergbauindustrie. Meistens wer ¬ den hierfür SAG-Mühlen und Kugelmühlen verwendet. In beiden Fällen handelt es sich um Rohrmühlen bzw. Trommelmühlen, welche vereinfacht betrachtet aus einem rotierenden Zylinder (Trommel) bestehen, der mit dem zu mahlenden Erz befüllt wird. Durch die Rotation der Trommel bewegt sich zu mahlendes Material in der Mühle nach oben und fällt anschließend auf weiteres Material, welches sich noch auf dem Boden der Mühle befindet. Der Aufschlag der Erzpartikel sowie die Reibung in ¬ nerhalb der zirkulierenden Ladung führen zu einem Zerbrechen des Erzes. Um die Effizienz des Mahlens zu verbessern, werden in vielen Mühlensystemen zusätzlich Stahlkugeln dem Material in der Mühle beigegeben.
Bei den genannten Mühlen wird deren Durchsatz mittels Ein- Stellens verschiedener Stell- oder Führungsgrößen, wie z. B. einer Drehzahl bzw. Rotationsgeschwindigkeit der Trommel, ei ¬ ner Zufuhr des grob körnigen Erzmaterials , einer Wasserzufuhr und/oder einer Austragsgeschwindigkeit des am Ausgang vorlie ¬ genden gemahlenen Materials gesteuert. Ein wichtiges Quali- tätsmerkmal ist hierbei die Korngrößenverteilung des zermah- lenen Materials. Sie beeinflusst die Ausbeute von der Mühle nachgeschalteten weiteren Komponenten, wie z. B. einer Flotation. Es wird ein möglichst hoher Durchsatz bei hoher Produktqualität und niedrigen Kosten angestrebt. Letztere werden durch den Energie- und/oder Materialbedarf maßgeblich mit bestimmt . Heutige Mühlen werden manuell vom Bedienpersonal nach dessen empirischen Erfahrenswerten eingestellt. Viele Trommelmühlen, insbesondere älterer Bauart, lassen sich lediglich mit einer einzigen Rotationsgeschwindigkeit bzw. Drehzahl betreiben, welche bereits im Entwicklungsstadium der Mühle festgelegt wird. Die Drehzahl lässt sich in diesem Fall nicht steuern. Demgegenüber weisen neuere Mühlen wie etwa Mühlen mit einem Direktantrieb bzw. getriebelosen Antrieb die Fähigkeit auf, ihre Drehzahl auf jeden beliebigen Sollwert innerhalb eines großen Spektrums einzustellen.
Bekannt sind Steuer- und Regeleinheiten für Mühlen, welche eine optimale Drehzahl für die Mühle auswählen und diese wäh ¬ rend dem Betrieb der Mühle konstant halten. Hierbei kann die Drehzahl vorab an unterschiedliche Erzarten oder andere für die Mühle relevanten Betriebsbedingungen angepasst werden. Ein Drehzahlregler für eine Rohrmühle ist aus der DE 10 2006 038 014 B3 bekannt. Zur Verbesserung des Austragsverhaltens ist es bekannt, das Material nicht in der Mitte, sondern an der Mühlenwand aus ¬ zugeben. Entsprechende Mühlen werden als Siebtrommelmühlen bezeichnet. Siebtrommelmühlen eignen sich jedoch nicht für die Erzverarbeitung, da entsprechend robuste Siebe nur schwer konstruiert werden können. Als Alternative ist es bekannt, den Heber anders zu konstruieren. Hierbei werden die typischen geradlinigen radialen Heber durch gekrümmte oder noch komplexere 2-Kammer-Strukturen ersetzt, wie aus der US
7566017 B2 bekannt.
Aus der DE 10 2006 019 417 AI ist eine adaptive Modell- prädiktive Regelung für eine Rohrmühle bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, Qualität und Aus- trag des gemahlenen Materials zu optimieren.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mit Hilfe eines Drehzahlreglers ein Antrieb für einen drehbar ge- lagerten Mühlenkörper angesteuert wird. Eine Drehzahl des Mühlenkörpers wird im laufenden Betrieb der Mühle wechselnd mit unterschiedlichen Sollwerten geregelt. Hierdurch wird es möglich, eine optimale Rotationsgeschwindigkeit für den Mühlenkörper zeitvariant auszuwählen. Dies ermöglicht es, sowohl das Bewegungsverhalten des zu mahlenden Materials innerhalb der Mühle als auch den Austrag des gemah ¬ lenen Materials aus der Mühle zu optimieren.
Gemäß einer Weiterbildung ist die Mühle eine Rohrmühle, ins ¬ besondere eine Erzmühle wie eine Kugelmühle oder SAG-Mühle, und der Mühlenkörper eine Trommel. In einer zusätzlichen Weiterbildung wird die Drehzahl der
Trommel abwechselnd mit einem ersten Drehzahlsollwert und ei ¬ nem zweiten Drehzahlsollwert geregelt. Dabei wird der erste Drehzahlsollwert so gewählt, dass eine Zerkleinerung von gro ¬ ßen und/oder dichten Partikeln in einem zu mahlenden Material optimiert wird. Der zweite Drehzahlsollwert wird so gewählt, dass eine Zerkleinerung von kleineren Partikeln in dem zu mahlenden Material und/oder ein Austragsverhalten der Mühle optimiert werden. Vorzugsweise wird der erste Drehzahlsoll ¬ wert bei etwa 90% einer kritischen Drehzahl und der zweite Drehzahlsollwert bei etwa 60% der kritischen Drehzahl ge ¬ wählt, wobei die kritische Drehzahl einen Wert angibt, bei dem die äußerste Schicht des Erzmaterials bereits zentrifu- giert wird. Erfindungsgemäß wird die Rotationsgeschwindigkeit bzw. Dreh ¬ zahl der Trommel somit variabel über der Zeit gesteuert. In ¬ dem die Trommel während einem ersten Zeitintervall mit hoher Geschwindigkeit rotiert wird, werden besonders harte oder dichte Partikel durch Stürzen aufgebrochen. Gleichzeitig ist während dem ersten Zeitintervall das Austragsverhalten der Mühle beeinträchtigt. Auf das erste Zeitintervall folgt ein zweites Zeitintervall, in welchem die Trommel mit einer ge ¬ ringeren Geschwindigkeit rotiert wird. Im zweiten Zeitinter- vall wird das Material effektiver ausgegeben, während die stürzende Bewegung innerhalb der Mühle nicht erzielt werden kann. Die Kombination dieser unterschiedlichen Betriebsarten innerhalb kleiner Zeiträume im laufenden Betrieb verbessert im Mittel sowohl die Zerkleinerung durch stürzende Bewegung des Materials als auch den Austrag des gemahlenen Materials.
In einer zusätzlichen Weiterbildung wird die Drehzahl der Trommel mit dem ersten Drehzahlsollwert und dem zweiten Dreh- zahlsollwert jeweils kürzer als 60 Minuten geregelt. Die
Zeitintervalle, während denen die Drehzahl der Trommel je ¬ weils mit dem ersten Drehzahlsollwert oder dem zweiten Drehzahlsollwert geregelt wird, können beispielsweise eine, zwei, fünf, zehn, zwanzig, dreißig oder vierzig Minuten betragen.
Durch die Regelung der Drehzahl mit unterschiedlichen Sollwerten innerhalb kurzer Zeitfenster lassen sich unterschiedliche Anforderungen an das Bewegungsverhalten des zu mahlenden Materials und das Austragsverhalten des gemahlenen Mate- rials gleichzeitig optimieren.
Dies hat den Vorteil, dass ein höherer Durchsatz für die Mühle erzielt werden kann. Gleichzeitig wirkt sich günstig aus, dass ein Energiebedarf für Beschleunigung und Bremsen am Übergang zwischen den Sollwerten für die Drehzahl nicht berücksichtigt werden muss, da die Mühle ohnehin fortwährend angetrieben werden muss, da Energieverluste durch innere Rei ¬ bung der Ladung und durch Energiebedarf zum Bruch der Partikel die Trommel fortwährend bremsen. Dies bedeutet, dass eine Abbremsung der Mühle bereits dadurch erzielt werden kann, dass ihre aktive Beschleunigung zeitweise ausgesetzt wird. Daher sind für den Wechsel der Drehzahl keine zusätzlichen Aufwände oder Energiekosten erforderlich. Als Konsequenz bedeutet dies, dass sämtliche Energie, welche durch die Abbrem- sung der Mühle freigesetzt wird, direkt dem zu mahlenden Ma ¬ terial zugeführt wird und daher nicht verloren geht. Ein wichtiger praktischer Gesichtspunkt liegt in der Fragestellung, wie die Zeitintervalle sowie die zugehörigen Dreh ¬ zahlen gewählt werden sollen, um sowohl einen maximalen
Durchsatz als auch einen minimalen Energieverbrauch sicherzu- stellen. Hierzu wird die Mühle als zentrale Mühle in einem Mühlensystem angeordnet. Ein adaptives Gesamtmodell wird für die Mühle unter kontinuierlicher Berücksichtigung von Messgrößen ermittelt. Die Drehzahl der Trommel wird mit einem kontinuierlich variierten Drehzahlsollwert geregelt. Der kon- tinuierlich variierte Drehzahlsollwert wird mit Hilfe eines adaptiven Modell-prädiktiven Reglers eingestellt, welcher aus einer Steuer- und Regeleinheit besteht und auf das adaptive Gesamtmodell zugreift. In dieser Weiterbildung erfolgt eine dynamische Modellierung der Mühle. Zu diesem Zweck wird ein dynamisches Zustandsraum- Modell entwickelt, welches den aktuellen Mühleninhalt, einen Energieverbrauch der Mühle, sowie eine aktuelle Bruchrate grober Partikel in feinere Klassen beschreibt. Beispiele sol- eher Modelle finden sich in Rajamani, R.K.; Herbst, J., "Optimal Control of a Ball Mill Grinding Circuit. Pt .1 : Grinding Circuit Modeling and Dynamic Simulation", Chemical Engineering Science, 46(3), 861-70, 1991 und Apelt, T. A . , "Inferen- tial Measurement Models for Semi-autogenous Grinding Mills", PhD Thesis, 2007. Dynamische Modelle erlauben Vorhersagen, wie sich Änderungen in der Drehzahl oder der Zufuhrgeschwindigkeit des zu mahlenden Materials in die Mühle auf das Ge ¬ samtsystem (insbesondere die Bruchrate, den Energieverbrauch, und das Austragsverhalten der Mühle) auswirken. Daher sind diese Modelle ideal geeignet, um eine quantitative Optimie ¬ rung der Zeitintervalle und der Geschwindigkeiten vorzunehmen. Ferner wird es hierdurch möglich, Drehzahltraj ektorien anstelle fester Sollwerte pro Zeitintervall zu berechnen. Neben dem soeben beschreibenden Verfahren umfasst die Erfindung ferner einen Computerlesbaren Datenträger, auf dem ein Computerprogramm gespeichert ist, welches eines der soeben beschriebenen Verfahren ausführt, wenn es in einem Computer abgearbeitet wird.
Weiterhin umfasst die Erfindung ein Computerprogramm, das in einem Computer abgearbeitet wird und dabei eines der zuvor beschriebenen Verfahren ausführt.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 einen prinzipiellen Aufbau einer Rohrmühle,
Figur 2 eine Mühle mit einer beladenen und um eine Drehachse drehantreibbaren Trommel und mit einer Steuer- und Regeleinheit,
Figur 3 ein Mühlensystem mit einer adaptiven Modell- prädiktiven Steuer- und Regeleinheit, und Figur 4 ein Blockschaltbild der Steuer- und Regeleinheit gemäß Figur 3.
Figur 1 zeigt prinzipiell den Aufbau einer Mühle 60, hier ei ¬ ner Rohrmühle, die auf einem Fundament 61 angeordnet ist. Da- bei ist die horizontal angeordnete Trommel 63 in Lagern 64 und 65 gelagert und dreht sich um eine Drehachse 69. Dem Müh ¬ lenkörper 63 ist weiterhin ein Antrieb 66 in Form eines Ringmotors zugeordnet. Der Rotor 67 des Ringmotors ist an einem Flanschring 68 des Mühlenkörpers 63 angeordnet. An dem Rotor 67 schließt ein in der Figur 1 nicht dargestellter Stator an.
In Figur 2 ist eine Mühle 41 mit einer Trommel 42 und einer Steuer- und Regeleinheit 43 in schematischer Darstellung gezeigt. Bei der Mühle 41 handelt es sich um eine Erzmühle, die als Kugelmühle oder als SAG-Mühle ausgebildet ist. Die Trom ¬ mel 42 steht mit einem Zufuhrschacht 44 in Verbindung, mit ¬ tels dessen zu mahlendes Erzmaterial 45 in das Innere der Trommel 42 gelangt. Zur Zerkleinerung des Erzmaterials 45 ist die beladene Trommel 42 mittels eines beispielsweise als ge ¬ triebelosem Elektromotor ausgeführten Antriebs 46 um eine Drehachse 47 drehantreibbar . An der Trommel 42 ist ein Drehzahlsensor 48 zur Erfassung einer Drehzahl der Trommel 42 vorgesehen. Der Drehzahlsensor 48 ist an die Steuer- und Regeleinheit 43 angeschlossen. Letzte ¬ re umfasst insbesondere mindestens eine zentrale Rechenein ¬ heit 49, beispielsweise in Gestalt einer Mikrocomputer-, Mik- roprozessor- oder Mikrocontroller-Baugruppe, einen mit dem
Drehzahlsensor 48 verbundenen Drehzahlregler 50 und einen an den Antrieb 46 angeschlossenen Antriebsregler 51. Der Drehzahlregler 50 und der Antriebsregler 51 stehen mittels eines Schalters 52 miteinander in Verbindung. Der Drehzahlregler 50, der Antriebsregler 51 und der Schalter 52 sind an die zentrale Recheneinheit 49 angeschlossen.
Bei dem Drehzahlregler 50, dem Antriebsregler 51 und auch dem Schalter 52 kann es sich um physikalisch existierende, bei- spielsweise elektronische Baugruppen oder aber um in einem nicht näher gezeigten Speicher hinterlegte Software-Module handeln, die nach ihrem Aufruf in der zentralen Recheneinheit 49 ablaufen. Die genannten einzelnen Komponenten 49 bis 51 stehen mit in Figur 2 aus Übersichtlichkeitsgründen nicht ge- zeigten weiteren Komponenten und/oder Einheiten in Wechselwirkung. Außerdem kann die Steuer- und Regeleinheit 43 als eine einzige Einheit oder als Kombination mehrerer gesonderter Teileinheiten ausgeführt sein. Die Wahl eines optimalen Sollwerts für die Drehzahl hängt größtenteils von der Beschaffenheit des zu mahlenden Erzes sowie den gewünschten Eigenschaften des Austrags ab. Daher müssen bei der Wahl des Sollwerts mehrere Faktoren berücksichtigt werden.
Die Drehzahl der Trommel 42 wirkt sich auf das Bewegungsverhalten des Erzmaterials 45 innerhalb der Mühle 41 aus. Bei geringer Drehzahl bildet das Erzmaterial 45 eine zusammenhän- gende Masse ("Bündelung"), d.h. ein Großteil des Erzmaterials 45 wird durch die Rotation umgerührt, wobei Erzpartikel durch Abrieb und Scherkräfte zerkleinert werden. Bei höheren Dreh ¬ zahlen beginnt das Erzmaterial 45 in der Trommel 42 wie in einem Wasserfall zu stürzen ("Stürzen"), d.h. Erzpartikel fliegen frei durch die Trommel 42 und schlagen dann auf deren Wandung oder davor verbliebenen Erzpartikeln auf, wobei die Erzpartikel durch den Aufprall zerbrochen werden. Bei mittle ¬ ren Drehzahlen können diese beiden Szenarien gleichzeitig auftreten. Bei besonders hohen Drehzahlen wird das Erzmaterial 45 zentrifugiert , d. h. an die Trommelwand gepresst, wo ¬ durch die einzelnen Erzpartikel nicht mehr brechen. Sowohl das bündelnde als auch das stürzende Bewegungsverhalten des Erzmaterials 45 haben spezifische Vorteile in Bezug auf die Zerkleinerung, wobei diese Vorteile von der Art des zu mah ¬ lenden Erzes abhängen.
Grundsätzlich benötigen die meisten Erzarten zumindest einen gewissen Anteil der stürzenden Bewegung in der Trommel 42, damit größere und dichte Erzpartikel aufgebrochen werden.
Deshalb ist es häufig wünschenswert, die Trommel 42 mit einer relativ hohen Drehzahl zu rotieren, damit die stürzende Bewegung des Erzmaterials 45 innerhalb der Trommel 42 sicherge ¬ stellt wird. Typischerweise werden hierzu Drehzahlen ab 80% einer kritischen Drehzahl gefahren, wobei die kritische Drehzahl einen Wert angibt, bei dem die äußerste Schicht des Erz ¬ materials 45 bereits zentrifugiert wird. In der jüngeren Ver ¬ gangenheit werden für die Zerkleinerung und Vermahlung sogar noch höhere Drehzahlen gefahren.
Die Drehzahl der Trommel 42 hat jedoch auch einen signifikanten Einfluss auf das Austragsverhalten der Mühle 41. Der Austrag aus der Mühle 41 erfolgt in etwa wie folgt: Kleinere aufgebrochene Erzpartikel und Wasser, welches der Mühle 41 ebenfalls zugeführt wird, bilden eine Aufschlemmung bzw. Pul ¬ pe, welche anschließend durch ein Sieb innerhalb der Mühle 41 in eine Ausgabekammer fließt, den sogenannten Pulpenheber. Dort wird die Pulpe durch die Rotation der Trommel 42 angeho- ben, wozu radial angeordnete Heber, welche in die Ausgabekam ¬ mer verbaut sind, beitragen. Am vertikal höchsten Punkt fällt die Pulpe in ein zentral angeordnetes Loch, der typische Aus ¬ gang einer Trommel 42. Wenn auf diesen typischerweise in Trommelmühlen eingesetzten Mechanismus zurückgegriffen wird, wird eine gewisse Grundgeschwindigkeit benötigt, um die Pulpe entsprechend anzuheben. Zu hohe Drehzahlen sind jedoch prob ¬ lematisch, da die Fliehkraft in diesem Fall die Schwerkraft ausgleicht und einen Austrag verhindert. Ab einer gewissen Rotationsgeschwindigkeit fallen die Partikel nicht mehr in das zentral angeordnete Loch, da sie an die Wandung der Trom ¬ mel 42 gepresst werden, und werden daher nicht mehr ausgege ¬ ben. Analytische Berechnungen sowie praktische Erfahrung zei ¬ gen, dass dieser Effekt ab Drehzahlen von 75% einer kriti- sehen Drehzahl (bei der das Erzmaterial 45 zu zentrifugieren beginnt) problematisch wird. Experimente an einer Versuchs ¬ mühle haben dementsprechend gezeigt, dass eine höhere Dreh ¬ zahl einen positiven Einfluss auf die Brechrate sowie einen stark negativen auf das Austragsverhalten hat.
Da die Anforderungen an das Austragsverhalten der Mühle 41 die maximale Geschwindigkeit für die Rotation limitieren, kann die gewünschte stürzende Bewegung des Erzmaterials 45 innerhalb der Mühle 41 mit den hierfür benötigten hohen Ge- schwindigkeiten nicht immer voll ausgenutzt werden.
In einem ersten Ausführungsbeispiel wird die Mühle 41 bei ¬ spielsweise etwa fünf Minuten mit 90% der kritischen Drehzahl gefahren, wobei große Brocken im Erzmaterial 45 gut zerklei- nert werden. Anschließend wird die Mühle 41 fünf Minuten mit 60% der kritischen Drehzahl gefahren, da bei dieser Rotationsgeschwindigkeit kleinere Teile im Erzmaterial 45 besser zerrieben werden und das Austragsverhalten der Mühle 41 günstiger ist. Es handelt sich hierbei um einen kontinuierlichen Betrieb der Mühle 41, der mit wechselnden Drehzahlen nach dem beschriebenen Muster beliebig lange fortgesetzt werden kann. Durch den Einsatz einer geeigneten Steuer- und Regeleinheit 43 wird es möglich, kontinuierlich variierte, optimiere Ge ¬ schwindigkeitsverläufe bzw. Drehzahlen zu berechnen. Heutige Mühlenantriebe sind häufig in der Lage, einen zeitlich vari- ablen Geschwindigkeitsverlauf zu fahren.
Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel wird die Mühle 41 im Batch-Betrieb betrieben. Dabei wird die Trommel 42 zuerst mit einer hohen Drehzahl rotiert, wodurch große Brocken im Erzma- terial 45 zerschlagen werden. Danach werden bei niedrigerer Drehzahl weitere Teilchen im Erzmaterial 45 zerrieben. Zuletzt wird das feine Material ausgetragen.
In Figur 3 ist ein Mühlensystem 1 gezeigt. Das Mühlensystem 1 umfasst eine Erzmühle, die als Kugelmühle oder als SAG-Mühle ausgebildet ist. Sie ist mit einer adaptiven Modell- prädiktiven Steuer- und Regeleinheit 2 beschaltet, die den Betrieb des Mühlensystems 1 steuert. Als Hauptkomponenten umfasst das Mühlensystem 1 eine zentrale Mühle 3 mit einer Trommel 3a zum Mahlen des zugeführten Erz- materials und mit einem die Trommel 3a antreibenden insbeson ¬ dere getriebelosen Antrieb 3b, eine von der zentralen Mühle 3 gespeisten Sumpfeinheit 4 sowie eine Hydrozyklonen-Einheit 5. Die Sumpfeinheit 4 und die Hydrozyklonen-Einheit 5 sind mit ¬ tels einer Hydrozyklonen-Zuflussleitung 6 miteinander verbunden. In der Hydrozyklonen-Einheit 5 findet eine Separierung in fein genug gemahlenes und in noch zu grob körniges Materi ¬ al statt. Das fein gemahlene Material gelangt in eine aus- gangsseitige Ausflussleitung 7, die an eine nicht näher dargestellte dem Mühlensystem 1 nachgeschaltete Komponente ange ¬ schlossen ist. Dagegen wird das grob körnige Material über eine Rückflussleitung 8 wieder einem Zufuhrschacht 9 der zentralen Mühle 3 zugeführt.
Der Zufuhrschacht 9 ist außerdem an Förderbänder 10 angeschlossen, mittels derer ungemahlenes Erzmaterial aus einem Erzvorrat 11 zugeführt wird. Anstelle der Förderbänder 10 kann auch ein anderes Zufuhraggregat vorgesehen sein. Weiterhin ist der Zufuhrschacht 9 an einen Wasserzulauf 12 ange ¬ schlossen. Ein weiterer Wasserzulauf 13 ist an der Sumpfeinheit 4 vorgesehen.
Das Mühlensystem 1 enthält außerdem eine Vielzahl an Messwertaufnehmern, die Messwerte für verschiedene Betriebsgrößen B erfassen und mittels Messleitungen 14 der Steuer- und Regeleinheit 2 zuführen. Beispielsweise sind ein Gewichtmesser 15 an den Förderbändern 10, ein Flussmesser 16 am Wasserzulauf 12, ein Leistungs- und Drehmomentmesser 17 am Antrieb 3b, ein Gewichtmesser 18 zur Erfassung einer Beladung der Trommel 3a, ein Flussmesser 19 am Wasserzulauf 13, ein Ni ¬ veaumesser 20 an der Sumpfeinheit 4, ein Korngrößenmesser 21, ein Flussmesser 22 und ein Druckmesser 23 jeweils an der Hyd- rozyklonen-Zuflussleitung 6, ein Dichtemesser 24 an der Rückflussleitung 8 und ein Korngrößenmesser 25 an der Ausflussleitung 7 vorgesehen. Diese Aufzählung ist beispielhaft zu verstehen. Grundsätzlich können noch weitere Messwertaufneh- mer vorgesehen sein. Die jeweiligen Messungen erfolgen stets online und in Echtzeit, sodass in der Steuer- und Regelein ¬ heit 2 immer aktuelle Messwerte verfügbar sind.
Neben den Messwertaufnehmern hat das Mühlensystem 1 auch meh- rere lokale Regler, die mittels Steuerleitungen 26 an die
Steuer- und Regeleinheit 2 angeschlossen sind. Im Einzelnen sind ein Gewichtregler 27 an den Förderbändern 10, ein Flussregler 28 am Wasserzulauf 12, ein Drehzahlregler 29 am Antrieb 3b, ein Flussregler 30 am Wasserzulauf 13 und an der Hydrozyklonen-Zuflussleitung 6, ein Niveauregler 31 an der Sumpfeinheit 4 und ein Dichteregler 32 an der Rückflusslei ¬ tung 8 vorgesehen.
Die genannten Messwertaufnehmer und lokalen Regler sind nur beispielhaft zu verstehen. Im Einzelfall können auch weitere derartige Komponenten vorgesehen sein. Beispielsweise können an den Förderbändern 10 zusätzliche Informationen über die Beschaffenheit des zugeführten ungemahlenen Erzmaterials bei- spielsweise mittels einer Lasermessung oder mittels einer Videoerfassung gewonnen werden. Ebenso ist aber auch eine Beschränkung auf nur einen Teil der in Figur 3 gezeigten Mess- wertnehmer und lokalen Regler möglich.
Außerdem können weitere Betriebsgrößen, die einer direkten Messung nicht zugänglich sind, mittels sogenannter Softsenso- ren bestimmt werden. Dabei wird auf erfassbare primäre Be ¬ triebsgrößen zurückgegriffen, aus deren Messwerten mittels eines Auswertealgorithmus ein aktueller Wert der eigentlich interessierenden sekundären Betriebsgröße bestimmt wird. Die hierzu verwendete Auswerte-Software kann auch ein neuronales Netz umfassen. In der Steuer- und Regeleinheit 2 wird eine Einstellung für die verschiedenen Prozessparameter des Mühlensystems 1 so ermittelt, dass ein guter, gleichbleibender Durchsatz bei möglichst niedrigem Energieverbrauch und möglichst hoher Produktqualität resultiert. Eine hohe Produktqualität bedeutet eine bestimmte, relativ geringe Korngröße des in der aus- gangsseitigen Ausflussleitung 7 geführten gemahlenen Materials .
Gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel ist einer der durch die Steuer- und Regeleinheit 2 gesteuerten Prozessparameter des Mühlensystems 1 die Drehzahl der Trommel 3a.
Ein weiterer in Praxis zu berücksichtigender Gesichtspunkt besteht darin, dass die variable Drehzahl zu Schwankungen in der Produktionsrate bzw. einem zeitlich variierenden Aus- tragsstrom aus der zentralen Mühle 3 führt. Nachgelagerte Prozesse wie etwa eine Flotation können jedoch eine gleichmä ¬ ßige Produktzufuhr benötigen. Bei variabler Drehzahlsteuerung ist es daher gegebenenfalls notwendig, die Sumpfeinheit 4, welcher der zentralen Mühle 3 nachgelagert ist, mit einer größeren Kapazität zu wählen. Entsprechende Änderungen sind jedoch nur in begrenztem Umfang erforderlich, da die variable Drehzahlsteuerung in kurzen Zeitintervallen erfolgen kann, wodurch Schwankungen in der Produktionsrate bereits nach kurzer Zeit ausgemittelt werden.
In Figur 4 ist ein Blockschaltbild der Steuer- und Regelein- heit 2 mit ihren wesentlichen Komponenten gezeigt. Sie um- fasst ein adaptives Gesamtmodell 33 des Mühlensystems 1, eine Prädiktions-Einheit 34, eine Vergleichs-Einheit 35, eine Pa- rameter-Identifizierungs- und Adaptionseinheit 36 sowie eine Optimierungseinheit 37. Diese Komponenten sind insbesondere als Software-Module realisiert.
Im Blockschaltbild gemäß Figur 4 ist stellvertretend für die Vielzahl der in Figur wiedergegebenen Messwertaufnehmer eine Messeinheit 38 enthalten. Im Falle einer Ausgestaltung als Softsensor kann auch die Messeinheit 38 als Software-Modul und damit als integraler Bestandteil der Steuer- und Regel ¬ einheit 2 realisiert sein. Anderenfalls ist es jedoch ebenso möglich, dass es sich bei der Messeinheit 38 um physikalisch von der Steuer- und Regeleinheit 2 getrennte Baugruppen han- delt.
Im Folgenden wird die Funktionsweise der Steuer- und Regel ¬ einheit 2 näher beschrieben. Eingangsseitig werden der Steuer- und Regeleinheit 2 ver ¬ schiedene Eingangsgrößen E zugeführt. Hierbei kann es sich um Messwerte, aber auch um andere Betriebsdaten handeln. Mögliche Eingangsdaten E sind das Erzgewicht, die Härte des zu mahlenden Erzmaterials , der Wasserzufluss an den Wasserzuläu- fen 12 und 13, der Materialrückfluss von der Hydrozyklonen-
Einheit 5 zum Eingang 9 der zentralen Mühle 3, Korngrößenverteilungen an verschiedenen Stellen innerhalb des Mühlensystems 1 insbesondere in der Sumpfeinheit 4 oder in der aus- gangsseitigen Ausflussleitung 7, Geometrie-Daten der zentra- len Mühle 3, die Geschwindigkeit, mit der die Förderbänder 10 das zu mahlende Material dem Eingang 9 zuführen, und eine Ge ¬ schwindigkeit, mit der das Endprodukt, also das gemahlene Ma ¬ terial, den nachfolgenden Komponenten zugeführt wird. Die Eingangsgrößen E können sich also auf Prozessparameter, auf das Design des Mühlensystems 1, vor allem der zentralen Mühle 3, oder auf das Material beziehen. Ausgangsseitig stellt die Steuer- und Regeleinheit 2 Aus ¬ gangsgrößen A zur Verfügung, die zur Steuerung des Prozessablaufs dienen. In einer ersten Variante handelt es sich dabei um die Führungsgrößen für die verschiedenen lokalen Regler gemäß Figur 3. In einer zweiten Variante stellt die Steuer- und Regeleinheit 2 ausgangsseitig Stellgrößen zur Verfügung, die unmittelbar, also auch ohne Zwischenschaltung lokaler Regler, auf Stellglieder einwirken.
Gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel wird eine der Aus- gangsgrößen A gemäß einer der beiden Varianten zur Regelung der Drehzahl der Mühlentrommel verwendet.
Das adaptive Gesamtmodell 33 beschreibt das Mühlensystem 1 in seiner Gesamtheit. Es setzt sich im vierten Ausführungsbei- spiel aus einer Kopplung mehrerer Submodelle zusammen. Die
Submodelle beschreiben die zentrale Mühle 3, die Sumpfeinheit 4 und die Hydrozyklonen-Einheit 5. Weitere Submodelle für an ¬ dere Komponenten des Mühlensystems 1 können bei Bedarf ergänzt werden. Das adaptive Gesamtmodell 33 lässt sich mittels Modellparameter P an die aktuell herrschenden Prozessbedingungen anpassen, wobei in der Parameter-Identifizierungs- und Adaptionseinheit 36 auch festgestellt wird, ob diese Anpas ¬ sung mittels aller oder nur eines Teils der Modellparameter P erfolgt. Gegebenfalls wird also ein relevanter Teilsatz der Modellparameter P identifiziert. Die so ausgewählten Modell ¬ parameter P eignen sich dann besonders gut zur Modell- Adaption .
Das adaptive Gesamtmodell 33 beruht im vierten Ausführungs- beispiel auf physikalischen Vorgaben, die zumindest teilweise auch durch empirische Erfahrungswerte ergänzt werden können. Das adaptive Gesamtmodell 33 und insbesondere dessen Anpas ¬ sung mittels der Modellparameter P werden in Echtzeit berech- net. Dies trägt dazu bei, dass keine nennenswerten Regel- Totzeiten entstehen.
Auf Basis des aktuellen, d.h. für eine bestimmte Betriebspha- se geltenden, adaptiven Gesamtmodells 33 wird in der Prädik- tions-Einheit 34 für eine oder mehrere Betriebsgröße (n) B ein Vorhersagewert B v bestimmt. In der Vergleichs-Einheit 35 wird dieser Vorhersagewert B v mit einem Messwert B M der betreffen ¬ den Betriebsgröße B verglichen. Eine festgestellte Abweichung F wird der Parameter-Identifizierungs- und Adaptionseinheit
36 zur Ermittlung eines verbesserten Satzes für die Modellparameter P zur Verfügung gestellt. Die so verbessert einge ¬ stellten Modellparameter P werden dann zur Adaption des adaptiven Gesamtmodells 33 herangezogen. Das adaptierte Gesamtmo- dell 33 wird anschließend zur Bestimmung der Ausgangsgrößen A und auch des Vorhersagewerts B v für eine kommende Betriebs ¬ phase verwendet.
Da die Steuer- und Regeleinheit 2 also auf einer Prognose des Wertes beruht, den die Betriebsgröße B zukünftig annehmen wird, entfallen Regel-Totzeiten weitgehend. Die Steuer- und Regeleinheit 2 ist somit zum einen sehr stabil und reagiert zum anderen sehr rasch auf geänderte Prozessbedingungen. Als Betriebsgröße B sind verschiedene Größen des Mühlensys ¬ tems 1 vorstellbar, wie beispielsweise ein Durchfluss, eine Dichte, ein Gewicht, ein Druck, eine Leistung, ein Drehmo ¬ ment, eine Geschwindigkeit, eine Körnigkeit oder auch eine Korngrößenverteilung. Hierbei handelt es sich insbesondere um einen Teil der Eingangsgrößen E. Vor allem die Korngrößenverteilung eignet sich besonders gut zur Bestimmung eines verbesserten Parametersatzes für die Modellparameter P.
In der Parameter-Identifizierungs- und Adaptionseinheit 36 kommt ein mathematisches Optimierungsverfahren zum Einsatz, wie zum Beispiel Sequential Quadratic Programming (SQP) , bei dem eine vorgebbare Zielfunktion unter Einhaltung von Nebenbedingungen minimiert und zur Bestimmung des verbesserten Pa- rameter (teil) satzes für die Modellparameter P verwendet wird. In der Parameter-Identifizierungs- und Adaptionseinheit 36 werden die Zielfunktionsminimierung und damit die Parameter- Adaption so vorgenommen, dass das adaptierte Gesamtmodell 33 das vergangene Verhalten des Mühlensystems 1 möglichst gut nachbildet. Ein mit dem so adaptierten Gesamtmodell 33 für die vergangene Betriebsphase (= für mindestens einen vergan ¬ genen Zyklus) errechneter Wert B R der Betriebsgröße B würde sich minimal von dem erfassten Messwert B M unterscheiden. Das adaptierte Gesamtmodell 33 beschreibt mit diesem adaptierten Parametersatz die Realität in der Vergangenheit optimal.
Als Zielfunktion kommt beispielsweise die Abweichung zwischen gemessener und berechneter Korngrößenverteilung in Frage. Mögliche Nebenbedingungen ergeben sich dann insbesondere aus einer Übergangsmatrix, deren Koeffizienten angeben, mit welcher Wahrscheinlichkeit ein Materialpartikel, der im aktuel ¬ len Zyklus in einen bestimmten Teilbereich der Korngrößenverteilung fällt, nach dem kommenden Zyklus in einen bestimmten (anderen) Teilbereich der Korngrößenverteilung fällt. Die
Werte, die die Koeffizienten dieser Übergangsmatrix annehmen können, unterliegen gewissen, mathematisch oder physikalisch bedingten Beschränkungen. Es lassen sich Grenzen für die einzelnen Koeffizienten aber auch für Kombinationen, beispiels- weise für Summen von mehreren Koeffizienten angeben.
Ebenso kann als Zielfunktion aber auch die Abweichung zwischen gemessener und berechneter Dichte in der Rückflussleitung 8 definiert werden. Selbstverständlich kann zur Optimie- rung in der Parameter-Identifizierungs- und Adaptionseinheit 36 auch eine Kombination von mehreren Zielfunktionen herangezogen werden.
Das anhand der Vergangenheitsbetrachtung gewonnene adaptierte Gesamtmodell 33 wird in einem weiteren Verfahrensschritt zur zukünftigen Regelung insbesondere der Drehzahl der Trommel 3a, also zur Regelung im kommenden Zyklus eingesetzt. Dies erfolgt in der Optimierungseinheit 37. Auch hier wird eine Zielgröße unter Einhaltung von Nebenbedingungen optimiert. Ziel ist nun insbesondere eine optimale Ermittlung der Aus ¬ gangsgrößen A, also insbesondere des Sollwerts für die Dreh ¬ zahl, sodass beispielsweise eine vorgegebene Korngrößenver- teilung an einer bestimmten Stelle des Mühlensystems 3, ins ¬ besondere am Ausgang, erreicht wird. Die Zielgröße kann bei dieser zweiten Optimierung also insbesondere die Produktqua ¬ lität sein. Als Nebenbedingungen kommen der Materialbedarf und der Energiebedarf in Frage.
Weitere denkbare Nebenbedingungen ergeben sich aus den physikalischen, technologischen oder prozessbedingten Grenzen. Sie können vorteilhafterweise direkt in den Optimierungsalgorithmus mit eingespeist werden, sodass ein Stell- oder Führungs- größensatz, der zu einem instabilen Prozessablauf führen würde, von vornherein ausgeschlossen wird.
Gemäß einer verfahrensökonomisch begründeten Nebenbedingung kann z.B. verlangt sein, dass die Dichte in der Rückflusslei- tung 8 achtzig Prozent nicht übersteigt, da die Separations- Effizienz in der Hydrozyklonen-Einheit 5 andernfalls durch veränderte Rheologie deutlich sinkt. Weiterhin kann die Dreh ¬ zahl der Trommel 3a beschränkt werden, um zu starke Flieh ¬ kräfte zu vermeiden. Ebenso gibt es maximale und minimale Werte für die Pumpleistungen bei der Frischwasserzufuhr und auch bei der Zufuhr des ungemahlenen Erzmaterials . Außerdem sind Grenzen für den maximalen Beladungszustand der Trommel 3a zu beachten. Die Berücksichtigung von Nebenbedingungen trägt auch mit dazu bei, dass der eingestellte Betriebsmodus des Mühlensystems 1 mehreren Anforderungen gleichermaßen gerecht wird. Beispielsweise lassen sich auf diese Weise die Mühlengeschwindigkeit, die Frischwasserzufuhr in die zentrale Mühle 3 und in die Sumpfeinheit 4 sowie der Energieverbrauch optimieren, wobei zugleich der Durchsatz und die erzielte Produktqualität auf einem vorgegebenen Niveau gehalten werden. Gemäß einer ersten Variante wird der Sollwert für die Dreh ¬ zahl von Betriebsphase zu Betriebsphase unterschiedlich ein ¬ gestellt, während jeder Betriebsphase jedoch konstant gehal ¬ ten .
Gemäß einer zweiten Variante wird der Sollwert für die Dreh ¬ zahl auch innerhalb der einzelnen Betriebsphasen kontinuierlich variiert, wodurch sich die Rotationsgeschwindigkeit der Trommel 3a fortwährend ändert. Hierzu wird ein zeitlicher Verlauf für die Drehzahl berechnet, welcher die Zielgröße (n) optimiert .
Die vorstehenden Ausführungen wurden am Beispiel einer Erzmühle gemacht. Die beschriebenen Prinzipien und vorteilhaften Wirkungsweisen lassen sich aber ohne weiteres auch auf den Betrieb anderer Mühlentypen, wie beispielsweise Zementmühlen oder in der Pharmaindustrie eingesetzte Mühlen, übertragen.