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24.07.1998 - 

IT in der Prozeßindustrie/Salzgitter AG: Ziel ist die kontinuierliche Stahlerzeugung

Planungssystem optimiert Produktpalette

Der Aufschwung in der deutschen Stahlindustrie resultiert wesentlich aus jahrelangen Struktur- und Kostensenkungsmaßnahmen, die nicht nur die Wirtschaftlichkeit deutlich verbesserten, sondern dazu beitrugen, aus dem ehemals als Prototyp "alter" Industrien verschrienen Produkt Stahl ein modernes High-Tech-Erzeugnis zu machen. Allein seit 1993 habe sich die Produktivität um 60 Prozent erhöht, so der Präsident der Wirtschaftsvereinigung Stahl, Ruprecht Vondran. Vor allem aber ist die deutsche Stahlindustrie heute in der Lage, hochwertige und individuelle Produkte herzustellen, die auf den jeweiligen Kundenbedarf abgestimmt sind. Mit intelligenten Erzeugnissen trotz höherer Lohnstückkosten in international umkämpften Branchen die Stellung behaupten - diese Strategie ist für das "Know-how-Land" Deutschland im globalen Wettbewerb sicherlich dringend erforderlich.

Die Grundlage dieser Innovationsstrategie ist die Kombination von Metallurgie, Anlagentechnik und Informatik. Bereits heute werden alle metallurgischen Verfahrensschritte durch DV-gestützte Prozeßführungssysteme optimiert. Das nach der Reduktion des Erzes gewonnene Roheisen enthält zahlreiche Begleitelemente - unter anderem Kohlenstoff, Silizium, Phosphor und Schwefel. Die im Stahlwerk ablaufenden Prozesse zur Entschwefelung (Roheisenkonditionierung) sowie zur Umwandlung des Roheisens in groblegierten Rohstahl während des Frischvorgangs im Konverter werden durch ständige Soll-ist-Vergleiche aller charakteristischen Meßdaten gesteuert. Aufgrund der hohen Komplexität und des zeitkritischen Verhaltens aller Vorgänge ist eine genaue Prozeßführung nur mit DV-Unterstützung möglich.

Eine große Umwälzung im Bereich der Sekundärmetallurgie bewirkten die stetig steigenden Anforderungen an das Produkt Stahl, die eine immer aufwendigere Behandlung des flüssigen Rohstahls voraussetzen. Dieser wird in Stahlgießpfannen bezüglich Analyse, Temperatur und Reinheitsgrad punktgenau ein- und zeitgerecht bereitgestellt. Dabei werden anspruchsvolle Vakuum-, Pfannenofen- und Legierungstechnologien sowie Wiege-, Bunker- (Vorratsbehälter mit Legierungsmitteln) und Bandanlagen eingesetzt. Umfangreiche Meß- und Analyseeinrichtungen werden einbezogen. Auch dieser komplexe Prozeß hängt von der Intelligenz der DV-Unterstützung ab. Zur wirtschaftlicheren Stahlproduktion trägt darüber hinaus der kontinuierliche Strangguß bei, der zudem viele Zwischenschritte beim nachfolgenden Walzen überflüssig macht. Hier ist die DV-gestützte Prozeßsteuerung ebenfalls entscheidend, denn die Gießanlage muß unterbrechungsfrei mit flüssigem Stahl versorgt werden.

Alles in allem wird der Weg vom Erz über den Stahl bis zum fertigen Produkt immer schneller zurückgelegt und die Anzahl der Schritte verringert. Ziel ist es, den ursprünglich diskontinuierlichen in einen kontinuierlichen Produktionsprozeß zu verwandeln.

Die Optimierung dieses Prozesses durch ein Stahlwerkleitsystem (SLS) war der zweite entscheidende Schritt, mit dem sich die Salzgitter AG in die internationale Spitzengruppe einreihen wollte. Den ersten hatte man bereits mit dem Aufbau eines neuen, im europäischen Rahmen Maßstäbe setzenden sekundärmetallurgischen Zentrums (Vakuum-, Pfannenofenbehandlung, Legieren = VPL) getan, das Ende letzten Jahres seinen Betrieb aufnahm. Man hatte entschieden, nicht nur die für diesen Betriebsteil ohnehin notwendigen neuen Steuerungssysteme aufzubauen, sondern zugleich das Gesamtsystem abzulösen und so die Strategie auf die ganze Produktionskette auszudehnen. Das SLS sollte das Bindeglied zwischen den Systemen der technischen Planung, in dem die Kundenaufträge in grobe Produktionsdaten umgesetzt werden, und den Prozeßführungssystemen an den einzelnen Aggregaten selbst darstellen.

"Der Umfang des Projekts wird daran deutlich, daß bereits die Erstellung des Lastenhefts als Projekt ausgeschrieben wurde", so Dirk Bolte, Technischer Projektleiter SLS bei der Salzgitter AG. Realisiert wurde es von der Mannesmann Demag, die damit rund ein halbes Jahr beschäftigt war. Die hier erarbeiteten Vorgaben mündeten in eine Ausschreibung des Projekts selbst, für das schließlich Anfang 1997 die Berliner PSI AG den Zuschlag erhielt.

Die DV sollte helfen, ein Bündel heterogener Ziele zu erreichen:

-Die einzelnen Schmelzen sollen die optimale Qualität für den jeweiligen Verwendungszweck haben.

-Sie sollen auf Kundenwünsche individuell zugeschnitten sein.

-Der gesamte Produktionsprozeß vom Konverter bis zum Gießen soll kontinuierlich und möglichst schnell verlaufen.

-Dabei sollen die einzelnen Aggregate, insbesondere die Stranggießanlage, optimal ausgelastet sein.

Dazu wurden zwei verzahnte Systemteile entwickelt: ein Expertensystem mit den Verfahrensvorschriften, das die einzelnen Aggregate mit den Parametern für die jeweilige individuelle Stahlgüte versorgt (zum Beispiel Analysen, beizumengende Legierungselemente, Zieltemperaturen etc.), sowie ein System zur Steuerung der gesamten Produktionskette von der Entschwefelung bis zur Adjustage des Zwischenprodukts Bramme (das sind die für das Walzwerk bestimmten Stahlstücke).

Das Wesen der Stahlherstellung, meint Projektleiter Bolte, besteht darin, "daß sie zu 50 Prozent Wissenschaft und zu 50 Prozent Erfahrung ist". Das Wissen ist unter anderem in Analysekatalogen beschrieben, die gewissermaßen den Branchenstandard für die einzelnen Stahlgüten definieren. Aber jedes Stahlwerk hat seine eigenen Verfahren entwickelt. Hinzu kommen Vorgaben der Kunden für die einzelnen Qualitäten. Dadurch ergeben sich für jede Schmelze bestimmte Qualitätsbedingungen, die wiederum die Arbeitsgänge beeinflussen. Zusätzlich wird zum Beispiel auch der Verwendungszweck festgehalten, da dieser nochmals Hinweise auf die optimale Zusammensetzung des jeweiligen Stahls oder die "Fahrweise" der Aggregate (die ideale Kombination von Qualität, Verfahrenssicherheit und Wirtschaftlichkeit) liefert.

All diese Anforderungen und ihre Konsequenzen für die einzelnen Prozeßschritte sind in sogenannten Verfahrensvorschriften niedergelegt. Diese bilden ein komplexes Regelwerk mit sich zum Teil gegenseitig beeinflussenden Faktoren, das sich zudem ständig ändern kann: Kunden stellen eigene Versuche an und modifizieren ihre Vorgaben, die Verfahren im Stahlwerk werden weiter optimiert. "Was wir benötigen, ist ein DV-System, mit dem wir die Verfahrensregeln der Metallurgie auch auf nicht bekannte Stahlgüten anwenden und trotzdem wirtschaftlich, das heißt mit optimierter Prozeßroute, Temperaturführung und Gießgeschwindigkeit, produzieren können", erklärt Dirk Bolte.

Realisiert wurde ein Expertensystem mit grafischer Oberfläche, an dem zum einen der Metallurge ohne DV-Kenntnisse Regelblöcke eingeben, aber auch plausibilisieren und jederzeit ändern kann. Regelkonflikte werden sofort aufgezeigt. Damit sind sein Wissen und seine Erfahrung in einem System hinterlegt, an dem dann andere Bediener leicht komplexe Zusammenhänge durchschauen und Auswirkungen einzelner Maßnahmen erkennen können. Entwickelt wurden die Verfahrensvorschriften mit dem Expertensystem G2 von Gensym.

Ausgangspunkt für alle Berechnungen ist die Stranggießanlage, die kontinuierlich mit flüssigem Stahl versorgt werden muß. Unterbrechungen sind extrem teuer: Gießabbrüche dauern aufgrund der notwendigen Rüstzeiten mindestens 40 Minuten, und während dieser Zeit liegt der Produktionsbetrieb still. Der Mitarbeiter am zentralen Leitstand - der Zentralist - gibt den angestrebten Gießtermin vor. Das Feinplanungssystem wählt anhand der Verfahrensregeln die für jeden Fertigungsauftrag benötigten Arbeitsgänge aus, plant deren Taktzeiten ein, ergänzt sie um Sicherheitspuffer und baut so die gesamte Produktionskette auf. Aus der Dauer der Fertigungsschritte und weiteren Verfahrensregeln wird anschließend die Temperaturführung der Aufträge vorausberechnet.

Dabei werden auch Einschränkungen berücksichtigt, die sich etwa aus der Konfiguration der Ressourcen ergeben. Beispielsweise besitzt die Salzgitter AG drei Konverter, von denen jedoch nur zwei gleichzeitig aktiv sein dürfen. Die VPL-Anlage besteht aus vier Linien, von denen alle die Pfannenbehandlung, aber nur zwei die Vakuumbehandlung erlauben. Ergebnis dieser regelbasierten Konfiguration ist der optimierte Produktionsprozeß. Die Daten der Feinplanung werden an die Prozeßführungssysteme übermittelt, die damit die einzelnen Aggregate steuern.

Das bedeutet allerdings nicht, daß ein solcher Plan nun stabil wäre. Bolte: "Das Stahlwerkleitsystem der Salzgitter AG zeichnet sich dadurch aus, daß die Planung praktisch permanent überprüft wird und bei Konflikten sofort neu berechnet werden kann." Fällt etwa ein Aggregat aus, werden Pufferzeiten genutzt, Ersatzaggregate - falls verfügbar - eingesetzt, die Gießgeschwindigkeit in nachgeschalteten oder parallelen Aggregaten beschleunigt oder verlangsamt, um den Worst case, den Stillstand der Stranggießanlage, zu vermeiden. Die grafische Oberfläche erleichtert dem Zentralisten den Überblick; zum Beispiel erkennt er anhand von Gantt-Diagrammen die verfügbaren Zeitpuffer, anhand verschiedener Farben den jeweiligen Status der Fertigungsschritte. Auswirkungen von Optionen auf den Gesamtprozeß werden sofort deutlich.

Täglich werden bei der Salzgitter AG durchschnittlich 60 Schmelzen zu je 200 Tonnen Stahl vergossen. Das SLS deckt einen Planungshorizont von 72 Stunden ab. Dazu sind etwa 4500 Arbeitsgänge zu berechnen, die zur reinen Planung benötigt werden.

Eine Vielzahl von Randbedingungen

"Die permanente Planung im Stahlwerk stellte eine besondere Herausforderung für die DV dar, da die Neuberechnungen bei zeitlichen Verschiebungen im Produktionsprozeß extrem schnell ablaufen müssen", resümiert Ralf Menden, der bei der PSI AG für das Salzgitter-Projekt verantwortlich zeichnet. Insbesondere bei den Planungsläufen ist eine Vielzahl von Randbedingungen und Modellen zu berücksichtigen. Dazu gehören geänderte Routenplanungen durch notwendige Pfannenofeneinsätze zum Erhitzen der Schmelze oder zusätzlich benötigte Arbeitsgänge, um die Schmelzen in den (jeweils 200 Tonnen fassenden) Stahlpfannen innerhalb eines Temperaturbands von +/- 3 Grad bei güteabhängigen Gießtemperaturen von etwa 1520 bis 1550 Grad zeitgenau an die Stranggießanlage anzuliefern. Die Planungsergebnisse, insbesondere im Ist-Zeit-nahen Bereich, müssen über die gesamte Produktionskette brandaktuell vorliegen, damit bei Bedarf frühestmöglich korrigierend eingegriffen werden kann.

Um eine optimale Performance zu erreichen, werden die Ein- und Ausgangsdaten für die Planung in hauptspeicherresidenten Datenbanktabellen (Oracle) der Server-Rechner gehalten. So ist der Datenzugriff während des Planungsprozesses sehr schnell.

Die geforderte Geschwindigkeit war auch der Grund dafür, daß beim SLS im Ist-Zeit-nahen Bereich nur dort mit dem komplexen Regelwerk gearbeitet wird, wo es unumgänglich ist. Um die bestmögliche Verteilung der CPU-Last vorzunehmen und die Kapazitäten des eingesetzten 4100er Mehrprozessor-Cluster-Systems von Digital Alpha optimal zu nutzen, werden die Prozesse zum einen auf die beiden Rechner, zum anderen durch das vom Betriebssystem unterstützte Symmetric Multiprocessing innerhalb eines Rechners auf die vorhandenen CPUs verteilt. Die Konsistenz der Daten wird durch den Einsatz eines Parallel-Servers sichergestellt.

Die gesamte Anwendung wurde so ausgelegt, daß jeder Single Point of Failure abgefangen wird. Angefangen von gespiegelten Plattensystemen über ein redundant ausgelegtes, von mehreren Rechnern gleichzeitig erreichbares RAID-System bis hin zu den beiden Cluster-Rechnern ist der Ausfall jeweils einer Komponente (zum Beispiel eines Rechners) abgesichert und die Produktion dennoch gewährleistet. Was für einen Betrieb, in dem ein Stillstand stündlich mehrere hunderttausend Mark Verdienstausfall bewirkt, unabdingbar ist.

Das gesamte Projekt wird in mehreren Stufen realisiert. Die erste bereits abgeschlossene umfaßte die Verfahrensvorschriften vorwiegend für die Stranggießanlage. Für die zweite - die vollständigen Verfahrensvorschriften sowie das SLS - finden derzeit die Schnittstellen-Tests statt; das System soll im vierten Quartal in Betrieb gehen, und Ende des Jahres soll damit produziert werden.

ANGEKLICKT

Mit einem übergreifenden Stahlwerkleitsystem (SLS) zur Planung und Steuerung der gesamten Kette von der Roheisenentschwefelung über Konverter und Sekundärmetallurgie bis zum Gießen wird die Salzgitter AG die DV-technischen Voraussetzungen für eine kundenorientierte und zugleich wirtschaftliche Produktion erheblich optimieren. Nach Inbetriebnahme eines der modernsten sekundärmetallurgischen Zentren Europas hat man damit die zweite Säule für ein wettbewerbsfähiges High-Tech-Stahlwerk geschaffen.

Komponenten: Mit dem SLS wird der gesamte Produktionsprozeß in den Aggregaten einer Schmelze überwacht und geplant.

Planen und Terminieren: Der Mitarbeiter am Leitstand baut mit Hilfe des SLS die Produktionskette einer Schmelze zeitgenau auf. Anhand von Gantt-Diagrammen erhält er jederzeit einen detaillierten Überblick über den Stand des Prozesses und kann bei Verzögerungen korrigierend eingreifen. Ziel ist die lückenlose Versorgung der Stranggußanlage mit flüssigem Stahl in einem engen Temperaturbereich.

die werke

Die Salzgitter AG (vormals Preussag Stahl AG) gehört zu den führenden europäischen Stahlwerken. 9400 Mitarbeiter in den Produktionsstätten Isenburg, Peine und Salzgitter erzeugen jährlich fünf Millionen Tonnen Rohstahl. Die Palette reicht von warm und kalt gewalzten Flachstahlprodukten in verschiedenen Veredlungsstufen über Profilstahl bis zu spiralgeschweißten Großrohren und Gießereierzeugnissen.

Rolf Bastian