Modellierung und Regelung des lateralen Laufverhaltens von Stahlprozessbändern

Abstract

Förderbänder sind ein altes, robustes und weit verbreitetes Transportmittel für Stück- und Schüttgut. Ein Problempunkt der Bänder ist das laterale Laufverhalten. Um das seitliche Ablaufen des Fördergurtes von der Trommel zu vermeiden, wird diese bei kurzen Achsabstände und elastischen Bändern seit jeher ballig ausgeführt. Diese Trommelform führt auf Grund von speziellen geometrischen Zusammenhängen zu einen selbstzentrierenden Effekt des Fördergurtes auf der Umlenktrommel. Voraussetzung für diese Art der Gurtstabilisierung ist jedoch ein Gurtmaterial, welches große Dehnungen erlaubt, ohne dabei überstreckt zu werden oder an Dauerfestigkeit einzubüßen. Bänder, welche in Fertigungsprozessen zum Einsatz kommen, werden jedoch prozessbedingt oft aus Edelstahl gefertigt, und können nicht über ballig geformte Trommel geführt werden, da das Gurtmaterial sonst örtlich überbeansprucht würde. Des weiteren besteht speziell bei der Fertigung von Prozessbändern der Bedarf, die Lage des Bandes beliebig einzustellen. Diese Forderungen führen auf den Bedarf einer lateralen Bandkantenregelung des Fördergurtes. In dieser Arbeit werden speziell zwei Stellorgane aus der Vielzahl an Möglichkeiten herausgegriffen um diese Bandkantenregelung bewerkstelligen zu können. Die Stellmöglichkeit einer zylindrisch geformten Umlenktrommel einerseits und einer im Raum frei beweglichen Steuerrolle andererseits werden theoretisch und praktisch verglichen und anschließend mögliche Regelungskonzepte vorgestellt und bewertet. In dieser Arbeit wird zuerst ein kurzer Überblick über die Thematik der lateralen Bandstabilisierung gegeben.<br />Anschließend erfolgt ein Einstieg in die analytische Modellbildung von Balkenmodellen, welche dazu verwendet werden die laterale Verformung des Bandes zu beschreiben. Die systeminhärenten Totzeiten infolge des Transportvorgangs des Bandes um die Trommel werden mathematisch beschrieben und durch eine Padé-Approximation angenähert. Die Berücksichtung des Transportvorgangs stellt eine Innovation auf dem Gebiet der Modellierung des lateralen Bandverlaufs dar. Messungen an einem modellhaften Teststand werden dazu verwendet die analytischen Modelle zu validieren. Die Qualität der Messungen ließ es zu, auch mathematische Modelle zu generieren, welche direkt aus den Messdaten gewonnen werden. Alle aufgestellten und validierten Modelle werden miteinander verglichen und bewertet. Speziell die Analyse der Modelldynamik nimmt einen großen Stellwert ein. Darauf aufbauend werden drei strukturell verschiedene Reglertypen entworfen und am Teststand implementiert. Eine abschließende Bewertung der verschiedenen Regler zur Stabilisierung der lateralen Bandposition erfolgt sowohl Aufgrund von Simulationen als auch von Messungen am realen Teststand.<br />

Conveyor belts are an old but robust and widespread means of transport for bulk goods. In order to guarantee proper operation the lateral running behavior must be stable. For short distances between the shaft centers of the return pulleys and elastic belt material crowned pulleys provide a self centering effect without the need for active control. A prerequisite for this passive centering of process belts is a high admissible strain of the belt's material.<br />This solution is not feasible for steel process belts, since a crowned pulley would locally overstress the belt. Steel belts can therefore only be run over cylindrical return pulleys or drums especially if they are already pre-stressed to a high level. Furthermore, during production of these belts the need for a deliberate set-point of the lateral position arises.<br />In this work two different actuation principles for automatic control of the lateral belt position are treated. Both pivot and skew angle of the cylindrical return pulley and the use of an additional control roller are investigated. The investigation is structured in the following parts:<br />A short overview on the lateral guidance of conveyor and process belts is given. This is followed by the analytic modeling of the belt's lateral running behavior for a simple belt machine. This model includes the elastic belt deformation orthogonal to its running direction as well as the transport delay due to the return pulleys. This delay is approximated by Pade-Transferfunctions and yields a dynamic model with excellent performance without the need for a friction model.<br />Experimental data from a scaled test bed are utilized for validation of the analytic models and for estimation of both parametric and non-parametric black-box models. All of these models are compared with respect to accuracy and complexity, and an evaluation for practical application is given. The analysis of the system dynamics is emphasized throughout each part of the work. The results are utilized in the control design of three structural different control schemes which were evaluated in simulations and also implemented on the test bed. A concluding assessment of these controllers is consequently based on the theoretical results as well as simulations and experimental data.