Produkte und Lösungen: Stahlwerksautomatisierung mit PSImetals

30 Jahre mit PSI: Standardisierte Prozesssteuerung bei Böhler Edelstahl

Böhler Edelstahl, führend in der Herstellung von Spezialstählen und Sonderwerkstoffen, ist einer der Pioniere im Bereich Stahlwerksautomatisierung. Zusammen mit PSI begann das Unternehmen bereits 1982 mit der computergestützten Verfolgung und Steuerung der Prozesse im Stahlwerk. Seit 2004 arbeitet Böhler Edelstahl erfolgreich mit der dritten PSImetals-Generation. Als Ergebnis der kontinuierlichen Standardisierung und Optimierung der Prozesse in der Stahlherstellung produziert Böhler Edelstahl aktuell mehr als 300 innovative Stahlmarken und setzt dabei weltweit metallurgische Maßstäbe.

Die Produktion komplexer und hochlegierter Stahlqualitäten erfordert ein hohes Maß an Prozessbeherrschung, eine präzise Bedienerführung sowie die unmittelbare Reaktion auf Änderungen im Prozessablauf. Das auf PSImetals basierende StahlwerksInformations-System (SIS) unterstützt die Bediener im Stahlwerk bei der Verwaltung, Koordinierung und Steuerung des gesamten Produktionsprozesses.

Drei Generationen im Überblick

An vier ASCII-Benutzerterminals und dem Echtzeitcomputersystem HP1000-F45 RTE wurden 1982* erste Funktionen zur Steuerung des komplexen Prozesses der Sonderstahlerzeugung unter dem Aspekt von Kosten- und Energieeinsparungen installiert: Die Beschickungs- und Legierungsberechnung, das Strombezugsmanagement zur Steuerung der Energiezufuhr je Schrottkorb und Schmelze sowie die Kommunikation mit dem Labor zum Onlineempfang von Analyseergebnissen.

10 Jahre später erfolgte die erste Modernisierung und die Umstellung auf Ethernet-Technologie. Diese ermöglichte den Aufbau einer stärker integrierten IT-Architektur mit direkter Schnittstelle zu SAP und zur Produktionsplanung. An nun 32 Arbeitsplätzen im Stahlwerk konnten die Bediener Produktionsinformationen wie aktuelle Materialbestände auf dem Schrottplatz und in den Legierungsbunkern, den Materialfluss der Schmelze vom Schrottplatz bis zu den Gießplätzen verfolgen, sowie automatisch erfasste Messwerte online einsehen. Darüber hinaus führte das System den Bediener erstmalig mittels standardisierter Prozessanweisungen durch die einzelnen Arbeitsschritte der Edelstahlherstellung.

Die mit der Inbetriebnahme eines AOD-Konverters zur Verfügung stehende Level 2-Automatisierung aber auch gestiegene Anforderungen hinsichtlich Qualität, Kosten und Prozessstandardisierung führten 2003 zu einer kompletten Neukonzeption des SIS. Aufgrund der langen und erfolgreichen Partnerschaft zwischen Böhler und PSI bildete PSImetals auch hier die Grundlage für das SIS-System der 3. Generation. Dieses bildet heute das Rückgrat der gesamten IT-Architektur im Stahlwerk und integriert mehr als 30 verschiedene Produktionsanlagen mit SAP, dem Produktionsplanungs- und Laborinformationssystem sowie der Basisautomatisierung. An mittlerweile mehr als 60 Arbeitsplätzen in den Leitständen bzw. Büros des Stahlwerks arbeiten über 150 Mitarbeiter rund um die Uhr am System.

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Überblick der Funktion von PSImetals als Stahlwerksleitsystem
Quelle: PSI Metals
Heutige IT-Architektur und SIS Systemintegration bei Böhler
Quelle: Böhler Edelstahl

Produktkonfiguration für 1.600 Stahlgüten

Böhler führt über 1.600 Stahlgütenstandards mit jeweils individuellen chemischen und mechanischen Qualitätsmerkmalen. Entsprechend den technologischen Produktionsanforderungen der Stahlgüten definieren detaillierte Prozessanweisungen alle für die Produktion einer bestimmten Schmelze zu beachtenden Produktionsvorschriften über alle Aggregate. Auf dieser Basis erfolgt die technische Ausarbeitung der Produktionsaufträge für Schmelzen.

Die Modellierung und Strukturierung des Produktionsprozesses mittels regelbasierter und konfigurierbarer Prozessanweisungen ermöglichten eine erhebliche Verbesserung der Wissensbasis für eine automatisierte Bedienerführung. Die Standardisierung des Produktionsprozesses unabhängig von individuellen Erfahrungswerten führte zu einem stabileren, reproduzierbaren Prozess mit weniger Ausfällen und verbesserter Produktqualität.

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Optimaler Materialeinsatz bei weniger Kosten

Die Optimierung des Materialeinsatzes an Schrott- und Legierungsstoffen war bereits im Funktionsumfang der ersten Systemgeneration enthalten. Es ist heute das wichtigste Instrument für Kosteneinsparungen bei der Produktion hochkomplexer Stahlgüten. Die in der dritten Systemgeneration verbesserten Algorithmen berücksichtigen mehr Einflussparameter und unterschiedliche Ziele in Abhängigkeit von Materialverfügbarkeit, nachfolgenden Produktionsrouten und Behandlungsschritten und bieten die optimale Kombination dieser Parameter an. Auf diese Weise lassen sich unmittelbar Kosten bei der Produktion von Schmelzen einsparen.

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Schmelzenfolgen immer Up-to-date

Anhand der Kundenbestellungen erstellt die Produktionsvorbereitung einen Wochenplan für den Schmelzenbedarf, der an das SIS übermittelt und täglich aktualisiert wird. Der Stahlwerksplaner erstellt daraus die detaillierte Schmelzenfolge für alle Anlagen im Stahl- und Sonderstahlwerk und für die Pulvermetallurgie. Je nach Verfügbarkeit von Anlagen, Pfannen und Kokillen sowie analytischen und technologischen Restriktionen bei der Schmelzenbehandlung in den Folgeaggregaten werden die Schmelzenfolgen täglich an die aktuelle Produktionssituation angepasst. Regelbasierte Algorithmen unterstützen den Planer bei der Optimierung.

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Einheitliche Anlagenüberwachung

Während der Produktion wird der Schmelzenzustand online an allen Aggregaten verfolgt. Alle produktions-, qualitäts- und kostenrelevanten Daten werden automatisch von den Automatisierungssystemen rückgemeldet oder vom Bediener manuell eingegeben. Mit diesen Istwerten werden die Setup-Werte z.B. für Materialzugaben für die Prozessschritte kontinuierlich neu berechnet und aktualisiert. Mit zusätzlichen Bedieneranweisungen z.B. „Probenehmen“ wird der Bediener gezielt durch die Prozessschritte geführt. Die Benutzeroberflächen und die Bedienphilosophie für alle Anlagen sind ähnlich, sodass die Mitarbeiter problemlos an wechselnden Arbeitsplätzen eingesetzt werden können. Dank einer flexiblen Konfiguration kann die Oberfläche einfach an einen spezifischen Arbeitsplatz oder sogar an die Aufgaben eines Bedieners angepasst werden.

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Gesundheitscheck für alle Anlagen

Im System erfolgt auch die Verwaltung von Betriebsmitteln wie beispielsweise Schrottkörbe, Stahlpfannen, Kokillen etc. sowie von Anlagenteilen wie beispielsweise Ofendeckeln, Gießwannen, Lanzen etc. Anlagentypen und -teile sind frei konfigurierbar. Statusinformationen (z.B. „frei“, „belegt“, „eingebaut“, „in Reparatur“, etc.) bieten jederzeit einen raschen Überblick über die Betriebsmittel. Zur Überwachung des „Gesundheitszustands“ der Anlage werden automatisch und manuell erfasste Anlagenereignisse und Statusinformationen wie z.B. Art der aktuellen Anlagennutzung, Betriebsstunden, Einbau/Ausbau von Teilen verfolgt. Die erfassten Daten unterstützen so Entscheidungen über erforderliche Reparaturen. Eine Reparaturhistorie zeigt alle ausgeführten Reparatur- oder Wartungsarbeiten, die dafür erforderliche Zeit sowie gegebenenfalls weitere kundenspezifische Daten.

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"Die Standardisierung des Produktionsprozesses, unabhängig von individuellen Erfahrungswerten, führte zu einem stabileren, reproduzierbaren Prozess mit weniger Ausfällen und verbesserter Produktqualität."

Ludwig Höbenreich
IT-Stahlwerke, Böhler Edelstahl

Fabrikmodell setzt Standards

Das Fabrikmodell ist das Kernstück des SIS und modelliert standardisiert alle Objekte für Produktionsplanung, Produktion und Qualitätskontrolle. Das Änderungsmanagement überwacht und dokumentiert Änderungen insbesondere für kritische Stammdaten wie beispielsweise Stahlgüten, Arbeitspläne, Materialdaten und Prozessanweisungen. Als offenes Datenbankmodell kann das Factory Model jederzeit selbst von Böhler angepasst und erweitert werden.

Unter Nutzung des Fabrikmodells konnte der Automatisierungsgrad schrittweise erhöht werden, indem weitere Automatisierungssysteme über konfigurierbare Standardmeldungen integriert wurden. Das Plug-In Konzept ermöglicht, das neue Systeme oder Anlagen mit geringem Anpassungsaufwand per Konfiguration und in vielen Fällen ohne Programmierung einfach „eingestöpselt“ werden können.

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PSImetals Optimierung des Materialeinsatzes an Schrott- und Legierungsstoffen
Optimierung der Schmelzreihenfolge mit Anzeige von Regelverletzungen

Produktion detailliert dokumentiert

Die Produktionsdatenbank dient als Online-Informationsplattform und führt alle Daten für einen Zeitraum für ca. ein Jahr. Parallel dient eine Archivdatenbank als Langzeitarchiv mit einer Kopie aller Daten. Das Archiv dient als Analyse-Plattform für weitere Prozessverbesserungen und Forschungsentwicklungen sowie zur vorbeugenden Wartung von Aggregaten und Anlagen. Die Archivierung der Produktionsdatenbank erfolgt automatisch und kontinuierlich. Dieses Verfahren gewährleistet eine anhaltend hohe Performance des Produktionssystems und ermöglicht zeit- und rechenintensive Auswertungen selbst bei größten Datenmengen.

Die Einführung des Fabrikmodells mit der Möglichkeit der Speicherung und Archivierung nahezu unbegrenzter Datenmengen ermöglicht eine leichtere Auswertung sowie bessere Untersuchungsmethoden für eine verbesserte Analyse und Bewertung von Einflussparametern im Interesse von Qualitäts- und Produktverbesserungen.

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Wegbereiter innerhalb der voestalpine Gruppe

Böhler investiert seit 30 Jahren kontinuierlich in die Verbesserung und Erweiterung der Stahlwerksautomatisierung. Auf der Grundlage des historisch gewachsenen Know-hows von Böhler und Produktstandards wie PSImetals meistert das SIS als leistungsfähiges Produktionsmanagementsystem erfolgreich die komplexen Aufgaben in der Sonderstahlerzeugung.

Die bei Böhler gewonnenen Erfahrungen waren darüber hinaus Wegbereiter für weitere PSImetals-basierte Stahlwerkssysteme im voestalpine-Konzern. Die regelbasierten Prozessanweisungen bildeten 2006 die Grundlage für das System zur computergestützten Qualitätssteuerung im LD-Stahlwerk in Linz (CAQC-SM) sowie für das sogenannte MIS bei Villares Metals S.A. in Sumare, Brasilien im Jahr 2009.

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Autor: Ludwig Höbenreich, Böhler Edelstahl und Heinz-Josef Ponten, PSI Metals

* In 1982 the former BFI-BT, based in Düsseldorf and merged into PSI group in 1999, was contracted with this order.