Temperaturüberwachung von Drehrohröfen mit sbRIO – ein neues SCANEX-System
Ausgangssituation und Aufgabenstellung

Der Industrietechnik-Hersteller Humboldt Wedag GmbH, einer der weltweit führenden Anbieter für die Zementindustrie, vertreibt neben Drehrohröfen und ihren Kontrollmodulen unter der Bezeichnung SCANEX auch Systeme für die Temperatur-überwachung zur Prozesskontrolle und Qualitätssicherung. Diese Systeme basieren auf Infrarot-Messköpfen, die mit einigem Abstand zum Ofen installiert werden, innerhalb ihres Blickwinkels den Temperaturverlauf auf dem Ofenmantel aufzeichnen und zur Auswertung und Visualisierung an die Leitwarte weiterreichen. Hier können auf Grund des Temperaturverlaufs Entscheidungen über den weiteren Verlauf der Befüllung und Aufheizung des Ofens sowie zu seiner Rotationsgeschwindigkeit getroffen werden. Neben der Überwachung des Brennprozesses bietet das System den Nutzen, Verschleiss und plötzliche Schäden am Mauerwerk in Ofeninneren frühzeitig zu erkennen und somit kostenintensive Schäden am Ofen zu vermeiden.

Scanex Single Board RIO NOFFZ Technologies - Produktentwicklung und Serienfertigung

Auf Grund der stetig steigenden Anforderungen an die Genaugigkeit der zur Überwachung verwendeten Messdaten sowie an die Prozeßgeschwindigkeit mussten sowohl die Auflösung der übertragenen Messwerte als auch die Geschwindigkeit der Datenerfassung vom Messkopf vergrößert werden.

Um die Prozessgeschwindigkeit in der Zementproduktion erhöhen und den steigenden Anforderungen anpassen zu können, ist die maximale Rotationsgeschwindigkeit von moderner Öfen von 3 U/min. auf bis zu 6 U/min. erhöht worden. Außerdem sollte die Bitbreite, die die analogen Meßsignale nach ihrer Digitalisierung erhalten, erhöht werden. Die Erfassungrate der Messdaten sollte von bisher 21,6kHz auf 72kHz vergrößert werden.

Die Öfen können in der Aufwärmphase zu Prozessbeginn auch extrem lange Rotationsperioden von bis zu 12 Minuten haben. Da die Messdaten über die Dauer der gesamten Ofenrotation erfasst und erst nach Signalisierung eines vollständigen Ofenumlaufs visualisisert werden, muss das System zusätzlich ein Signal auswerten, dessen Pulsgeschwindigkeit der Rotationsgeschwindigkeit entspricht. Die Pulsfrequenz dieses Signals liegt zwischen 1mHz und 100mHz, wobei die Pulsbreite im Verhältnis zur Periodendauer extrem schmal ist (< 1%).

Umsetzung und Herausforderung

Bei der Implementierung des Systems bestand die größte Herausforderung in den starken Unterschieden zwischen den Frequenzen, die die zu erfassenden Signale aufweisen. Einerseits musste ein sehr niederfrequentes Signal (Maximalfrequenz > 1Hz) erfasst werden. Andererseits musste ein hochfrequentes Signal von 72 kHz ausgewertet werden.

Es mußte also eine Hardware ausgewählt werden, die gesteuert von einem hochfrequenten Triggersignal jeweils einen analogen Messwert von bis zu zwei Messköpfen abrufen und mit hoher Geschwindigkeit und einer Bitbreite von 12 Bit digitalisieren und weiterreichen kann.

Parallel zu dieser hochfrequenten Erfassung mußte das System auf das niederfrequente Signal triggern können, das die Auswertung der zu einer Ofenumdrehung gehörenden Informationen auslöst.

Zusätzlich mußte ausreichend Speicherkapazität vorhanden sein, um die während einer Ofenrotation erzeugten Daten solange zu puffern, bis das Ende einer Ofenumdrehung signalisiert wird. Bei einer Datenrate von 72kHz und einer minimalen Rotationsgeschwindigkeit von 12 Minuten müssen trotz Komprimierung redundanter Informationen etliche Megabyte an Daten gepuffert werden.

Es wird also ein System benötigt, das einerseits über eine ausreichend große Summenabtastrate verfügt, um die Messignale mit einer Frequenz von 72kHz digitalisieren zu können. Andererseits muss das System unabhängig voneinader zu taktende Eingänge besitzen, damit Signale, deren Frequenzen zwischen 1mHz und etlichen kHz liegen, parallel ausgewertet werden können. Um die unabhängige Triggerung für einen großen Frequenzbereich realisieren zu können, fiel die Wahl auf ein FPGA-System von National Instruments.

Um den  Entwicklungsaufwand für die Trägerplatine des FPGA-Systems so gering wie möglich zu halten, wurde ein sbRIO9633  ausgewählt. Dieses Board stellt sowohl analoge als auch digitale Eingänge des FPGAs zur Verfügung und macht weitere Signalanpassungen auf dem sbRIO Trägerboard überflüssig.

Zusätzlich verfügt das sbRIO über ein RT-System, so dass die erfassten Messdaten mit ausreichender Geschwindigkeit und vor allem deterministisch aufbereitet, ausgewertet und an den HostPC/die Leitwarte übergeben werden können.

Das sbRIO-9633 bildet das hardwareseitige Kernstück innerhalb des Überwachungssystems. Es erfasst die analogen Messdaten von bis zu zwei Messköpfen, wandelt diese in ein digitales 12-Bit-Signal um und übergibt die Messwerte an das RT-System. Dieser Vorgang wird durch zwei unabhängige digitale Eingänge getriggert, deren Signale mit sehr unterschiedlichen Frequenzen und Puls-Pause-Verhältnissen auftreten.

Die Software, die die Erfassung und Auswertung der Messdaten steuert, wurde vollständig in LabVIEW2011 SP1 realisiert. Das in das sbROI-9633 integrierte FPGA übernimmt zuverlässig und problemlos die Aufgaben der analogen und digitalen Datenerfassung bei extrem unterschiedlichen Datenraten.

Das ebenfalls integrierte RT-System führt eine Echtzeitauswertung der bei langsamer Drehung autretenden großen Datenmengen aus und leitet die aufbereiteten Daten mit der erforderlichen Geschwindigkeit an das Hostsystem weiter. Dieses führt eine graphische Aufbereitung der Daten durch und visualisiert den Temperaturverlauf auf dem Ofenmantel in verschiedenen Ansichten.

Fazit

Auf Basis des sbRIO-9633 konnte ein robustes, schnelles und zuverlässiges Datenerfassungs-system für die Temperaturüberwachung von Drehrohröfen implementiert werden. Durch sein integriertes FPGA-Modul ermöglicht das System bei zeitgerechter Digitalisierung der analogen Messwerte mit großer Bitbreite die parallele Erfassung analoger und digitaler Signale, deren Frequenzen von weniger als 1Hz bis hin zu etlichen kHz reichen.

Das RT-System erlaubt die Auswertung und Aufbereitung der Messdaten mit der erforderlichen Prozessgeschwindigkeit, so dass allein die graphische Darstellung und Messdatenspeicherung auf einem weniger geschwindigkeits-optimierten Windows-Host-System erfolgen kann.

Da die weltweite Nachfrage an Drehrohröfen, vor allem in Russland und Indien stetig zunimmt, wird das neue Überwachungssystem schnell in Zementwerken auf der ganzen Welt Verbreitung finden. Um optimal in die Leitwarten der einzelnen Werke integriert werden zu können, wird es mit zahlreichen Zusatzmodulen ausgestattet werden, die den Zugriff auf die Messwerte und den Systemstatus über verschiedene Schnittstellen wie z.B. OPC ermöglichen.