Theorie und Praxis eines Digitalen Zwillings für optimalen Betrieb und Instandhaltung von Bandanlagen
1 Einleitung
Ein Großteil des Schüttguttransports im Bergbau erfolgt durch Bandanlagen. Dies wird in Zukunft noch zunehmen. Für ihren wirtschaftlichen Betrieb sind die richtige Auslegung, Betrieb und Wartung von entscheidender Bedeutung. Hierbei können jüngere Entwicklungen, wie z. B. der Einsatz eines Digitalen Zwillings der Bandanlage einen deutlichen Beitrag liefern. Da der Begriff „Digitaler Zwilling“ fast schon zu einem inflationär gebrauchten Modewort geworden ist, unter dem jeder etwas anderes versteht, soll dieser Beitrag den von der J. M. Voith SE & Co. KG, Crailsheim, entwickelten Digitalen Zwilling „BeltGenius“ für Bandanlagen in Theorie und betrieblicher Praxis vorstellen.
2 Grundlagen des Rechenmodells
2.1 Rundrechnung mit analytischer Berechnung des Hauptwiderstands
Der Kern des Digitalen Zwillings ist eine rechnerische Nachbildung der Bandanlage, vergleichbar mit den einschlägigen Berechnungsprogrammen, mit denen Bandanlagen üblicherweise ausgelegt werden. Diese Berechnungsprogramme basieren auf Formeln, die in Abhängigkeit von den jeweiligen Betriebsparametern die örtlichen Bewegungswiderstände entlang des Gurtverlaufs liefern (1, 2).
Der Digitale Zwilling unterscheidet sich gegenüber herkömmlichen Berechnungsprogrammen wie folgt:
- Während die Bandberechnungsprogramme bedarfsweise „offline“ für verschiedene Betriebszustände und Beladungen eingesetzt werden, wird der Digitale Zwilling mit realen Betriebsdaten über längere Zeiträume betrieben – entweder offline mit historischen Betriebsdaten oder online parallel zum laufenden Betrieb.
- Während die Bandberechnungsprogramme mit Erfahrungswerten für vorab unbekannte Werte der Parameter in den Berechnungsformeln arbeiten, werden beim Digitalen Zwilling die Parameter aus dem Vergleich zwischen errechneten und gemessenen Antriebsleistungen mittels Optimierungsverfahren automatisch ermittelt.
- Aufgrund der hohen Nachbildungsgüte erlaubt der Digitale Zwilling quantitative Aussagen zur Belastung aller Komponenten und die Bewertung der Komponenten bezüglich der erzielten Lastkollektive und ihres Anteils am Energieverbrauch.
- Der Digitale Zwilling liefert Hinweise zum optimalen Betrieb der Anlage, Auswertungen zur erzielten energetischen Effizienz der betrieblichen Praxis und erkennt Abweichungen, die aus physikalischen Änderungen der Anlage resultieren.
Die Digitalen Zwillinge verschiedener Anbieter unterscheiden sich in der Komplexität und Genauigkeit der mathematischen Nachbildung. Voith sieht den Vorteil seines Modells in der analytischen Nachbildung des Hauptwiderstands im Unterschied zu dem ansonsten allgemein verwendeten fiktiven Reibbeiwert (1). Das analytisches Voith-Modell basiert auf vielen Betriebsmessungen und umfasst den Einfluss der örtlichen Gurtzugkraft auf die Materialwalkung, der spezifischen Eigenschaften der Gurte auf die Gummiwalkung sowie der Umgebungstemperatur auf die Erwärmung der Gurte und die damit einhergehende Änderung des Bewegungswiderstands.
2.2 Zuordnung der Beladung
Da die Hubarbeit einen wesentlichen Einfluss auf den Leistungsbedarf hat (1 m Hub entspricht energetisch etwa 50 m horizontalem Transport) und eine Bandanlage nie ganz söhlig verläuft (Bild 1), sind die Bewegungswiderstände in den einzelnen Abschnitten der Bandanlage sehr unterschiedlich.
In Bild 2 sind beispielhaft zwei unterschiedliche Beladungsverteilungen bei gleicher durchschnittlicher Beladung einer Bandanlage mit vier Abschnitten dargestellt.
Es ist einsichtig, dass im unteren Fall – trotz gleicher Durchschnittsbeladung – der Leistungsbedarf erheblich höher ist als im oberen.
Entsprechend muss für den Digitalen Zwilling die Position der Bandwaage bekannt sein und die Beladung des Obertrums mit den zugehörigen Motorleistungen für jeden Zeitpunkt korrekt synchronisiert werden.
2.3 Berücksichtigung unterschiedlicher Gurte
Den größten Einfluss auf den Bewegungswiderstand einer Bandanlage haben die Gurte aufgrund der inneren Dämpfung gegen die Verformung des Gummis (Eindrückroll- und Schwingbiegewiderstand) (Bild 3).
Werden in einer Bandanlage Gurte verschiedener Hersteller und Produktionschargen verwendet, so können diese sich hinsichtlich ihres beladungsabhängigen Bewegungswiderstands deutlich voneinander unterscheiden (Bild 4).
In diesen Fällen ist – ähnlich wie bei der Beladung – die Genauigkeit der Nachbildung abhängig davon, dass die Position der einzelnen Gurte mit ihrer jeweiligen Beladung jederzeit bekannt ist. Hierzu wurde für BeltGenius ein RFID-basiertes Erkennungssystem entwickelt, das den Beginn jedes Gurts beim Passieren einer Antenne erfasst und mit der Beladung synchronisiert.
2.4 Aufstellung und Initialisierung des Digitalen Zwillings
Zu Beginn wird ein Strukturdatensatz der Bandanlage angelegt, der den Höhenverlauf des Gurts, die Position der Trommeln, Antriebe, Auf- und Abwurfstelle, Bandwaage, Spanneinrichtung sowie der Sensoren zur Geschwindigkeits-, Gurtzugmessung und Gurterfassung enthält sowie technische Daten der Hauptkomponenten. Im Prinzip alles Angaben, die auch für eine Bandberechnung benötigt werden.
Die Initialisierung, d. h. die Bestimmung der Parameter zur exakten Beschreibung des Betriebsverhaltens, erfolgt anhand mehrerer Zeitabschnitte, die möglichst alle im Betrieb vorkommenden Beladungszustände und Umgebungstemperaturen umfassen. Durch ein mehrstufiges Optimierungsverfahren wird dann der Startparametersatz variiert, bis eine vorgegebene Iterationsschranke unterschritten wird. Die Zielfunktion für diesen Optimierungslauf ist die Fehlerquadratsumme QS aus der Differenz zwischen berechneter und gemessener Motorleistung über alle Messpunkte gemäß folgender Formel:
3 Beispiele für Auswertungen
3.1 Erzielte Genauigkeit
Bild 5 zeigt die Nachbildungsgüte für eine Bandanlage im Tagebau Garzweiler (Nennförderleistung 37.500 t/h, v = 7.5 m/s, B 2700 St 4500 16:8, Motorleistung 2 x 2.000 kW, 850 m Achsabstand).
3.2 Beurteilung der Energieeffizienz der eingesetzten Gurte
Die meisten Bandanlagen werden mit den Gurten eines einzigen Herstellers ausgestattet, weshalb sich die einzelnen Gurtabschnitte bezüglich Energieeffizienz deutlich weniger unterscheiden als in Bild 4 dargestellt. Die hohe Nachbildungsgenauigkeit in Bild 5 erforderte die Berücksichtigung der spezifischen Eigenschaften der einzelnen Gurte. Dies ist mit BeltGenius möglich, sofern ein Erkennungssystem für die Gurte eingesetzt wird. In diesen Fällen werden für jeden Gurt die jeweiligen Parameter ebenfalls durch ein automatisches Optimierungsverfahren bestimmt. Bild 6 zeigt die damit ermittelte Energieeffizienz der zehn Gurtabschnitte aus obigem Beispiel. Man beachte, dass gegenüber den in Bild 4 dargestellten Ergebnissen aus dem Jahr 2009 schon deutliche Verbesserungen bezüglich Energieverbrauch der Gurte erkennbar sind.
Mit dem Digitalen Zwilling lassen sich sehr genaue Prognosen anstellen, wie sich die Bandanlage bei anderen Betriebsbedingungen verhalten würde. So lässt sich z. B. berechnen, wie sich der Energieverbrauch bei Verwendung anderer Gurte darstellen würde. Für die hier betrachtete Anlage wurde der in Bild 5 gezeigte Zeitbereich bezüglich Energieverbrauch für folgende drei Varianten ermittelt:
- Ist-Zustand: Vorhandener Mix aus zehn unterschiedlichen Gurten,
- Best-case-scenario: Ausschließliche Verwendung des besten der zehn Gurte,
- Worst-case-scenario: Ausschließliche Verwendung des schlechtesten der zehn Gurte.
Ergebnis (Bild 7):
- Bei der tatsächlich verbauten Kombination aus zehn Gurten beträgt der Energieverbrauch 6.733 kWh bzw. 115 Wh/(t*km).
- Würde nur der beste dieser Gurte verbaut, läge der Energieverbrauch bei 6.195 kWh bzw. 105 Wh/(t*km).
- Der schlechteste Gurt hingegen würde den Stromverbrauch auf 8.328 kWh oder 142 Wh/(t*km) treiben – und die installierte Leistung an ihre Grenzen bringen.
Hierbei ist zu beachten, dass diese Ergebnisse 1.683 kWh Energieverbrauch beinhalten, der nicht durch die Gurte beeinflusst werden kann.
3.3 Auswertungen bezüglich Anlagenausnutzung und Energieverbrauch
BeltGenius bietet eine Reihe sehr nützlicher Übersichtsdarstellungen, aus denen Ausnutzung und spezifischer Energieverbrauch verschiedener Zeitbereiche zu erkennen sind. Ein Zeitbereich ist die Betriebszeit der Bandanlage vom Anfahren bis zum Stillsetzen. Die Bilder 8 bis 11 zeigen dies beispielhaft für ein chilenisches Kupferbergwerk über den Zeitraum eines Jahres.
3.4 Spezifische Berechnungsergebnisse für einzelne Zeitbereiche
Mit dem jeweils gültigen Struktur- und Statusparametersatz werden für jeden Zeitbereich eine Reihe von Kenngrößen berechnet und in themenspezifischen Dateien gespeichert, aus denen die gewünschten Visualisierungen generiert werden. Bild 12 zeigt einige Beispiele dafür.
3.5 Lebensdauerabschätzung der Komponenten
Für die meisten Komponenten ist derzeit keine Betriebslasterfassung verfügbar oder aus wirtschaftlichen Gründen nicht eingesetzt. Einziges Beurteilungskriterium ist oft die Einbauzeit. BeltGenius kann jedoch für alle beweglichen Teile die relevanten Kräfte oder Momente sowie Wege und Drehwinkel lückenlos erfassen. Ist der Zusammenhang zwischen Beanspruchung und Lebensdauerverbrauch bekannt, können daraus automatisch Lebensdauerprognosen generiert werden. In den meisten Fällen ist dieser Zusammenhang jedoch nicht im Voraus bekannt oder nur unter Betriebsbedingungen, die sich deutlich von den aktuellen unterscheiden. Da solche Vorhersagen von großer wirtschaftlicher Bedeutung sind, ist es sinnvoll, für die verschiedenen Komponenten nach den jeweiligen Zusammenhängen zu suchen. Neben dem Datum des Ein- und Ausbaus der Komponenten benötigt man eine Aufzeichnung aller möglichen Einflussfaktoren, um eine Korrelation zwischen verschiedenen Berechnungsansätzen und den erreichten realen Betriebszeiten zu finden.
Als einfaches Beispiel für eine theoretische Lebensdauerabschätzung mit BeltGenius sei hier die Bewertung der Wälzlager der sechs Trommeln nach (5) vorgestellt. Bild 13 zeigt den Verlauf der Achslasten dieser sechs Trommeln für einen Echtzeitbereich von 10.000 s.
Für jede einzelne Sekunde kann die rechnerische Lebensdauer nach (5) für die jeweilige Lagerlast (= halbe Achslast) berechnet werden. Die Summierung der Kehrwerte ergibt dann den Lebensdauerverbrauch für diesen Zeitbereich.
Die Trommeln 2 und 3 haben die höchsten Achslasten, sind aber auch mit anderen Rollenlagern ausgestattet als die anderen Trommeln. Bild 14 zeigt den prozentualen Anteil des Lebensdauerverbrauchs für diese 10.000 s. Die Lager der Trommeln 4 und 5 sind praktisch dauerfest (Kurven für Trommel 4 und 5 liegen auf der x-Achse übereinander).
Weitere mögliche Einflussgrößen, die hier nicht berücksichtigt wurden, aber als Daten vorliegen: Umgebungstemperatur, Anzahl der Anfahrvorgänge und Stillstandsdauer und damit die Abkühlzeiten. Diese theoretische Berechnung könnte dann mit den real erreichten Betriebszeiten verbessert werden. Andere Komponenten können auf ähnliche Weise betrachtet werden. Neben der Gurtgeschwindigkeit stehen für die Tragrollen die Radiallasten aus Gurt- und Beladegewicht sowie die Orthogonalkomponente der örtlichen Gurtzugkraft zur Verfügung, für die Gurtverbindungen die wechselnde Beanspruchung durch die Gurtzugkraft usw.
4 Praxisbeispiele erkannter Abweichungen und Fehler
4.1 Kohlebergwerk in Australien (unter Tage)
Für ein Kohlebergwerk in Australien wurde ein Zeitraum von zehn Wochen mittels BeltGenius analysiert. Anlass waren anhaltende Probleme mit zeitweiser Überlast, die zu Abschaltungen des vollbeladenen Förderers führten. Jede dieser Überlastabschaltungen führte zu einem längeren Stillstand, in dem die Anlage teilweise leergeschaufelt werden musste, damit sie wieder anfahren konnte.
Die Analyse mittels BeltGenius offenbarte Fehler in der Steuerung der Antriebe und der Gurtspanneinrichtung. Die Ursache war, dass die Gurtzugmesseinrichtungen hinter den beiden Tripper-Antrieben bei Überschreiten von 200 kN keine Messwerte lieferten, was die Steuerung als zu niedrige Gurtspannung interpretierte, die Leistung an diesen Antrieben reduzierte und die Gurtspannung weiter erhöhte. Neben den dadurch verursachten unnötigen Überlastabschaltungen kam es auch zum Bruch einer Trommelwelle.
Bild 15 zeigt den Vergleich der von einem Consultant errechneten Gurtzugkraft für eine gleichmäßige Beladung von 3.700 t/h im Vergleich mit der Berechnung von BeltGenius für eine reale Beladung von durchschnittlich 2.640 t/h. Man sieht, dass bei der realen (niedrigeren) Beladung die maximale Gurtzugkraft mit ca. 360 kN rund das 2,6-fache der vom Consultant berechneten 137 kN betrug.
Da BeltGenius – ausgehend von der an der Spannwinde gemessenen Gurtkraft – den Gurtkraftverlauf sehr genau bestimmen kann, ist ein Verzicht auf die unzuverlässigen Gurtzugmesseinrichtungen hinter den beiden Tripper-Antrieben möglich.
Bild 16 zeigt die zeitweise sehr schlechte Leistungsaufteilung zwischen den fünf Motoren (je 440 kW Nennleistung). Insbesondere bei höherem Leistungsbedarf reduziert die Steuerung unnötigerweise die Leistung der Motoren 4 und 5, was die Überlastabschaltungen verursacht.
4.2 Kupfertagebau in Chile
Für diesen Kupfertagebau wurde ein ganzes Jahr ausgewertet. Von den drei wichtigsten Abweichungen – temperaturabhängiger Offset-Fehler der Bandwaage im Bereich 5 bis 8 % der Nennleistung, schlechte Leistungsaufteilung, fehlerhafte Anfahrvorgänge – sei hier nur die schlechte Leistungsaufteilung der drei Schleifringläufer-Motoren (3 x 1.250 kW) erläutert (Bild 17).
Insbesondere bei niedriger Gesamtleistung < 600 kW ist der Beitrag von Motor 3 besonders gering und wird von Motor 2 übernommen. Dies ist für das Getriebe von Antrieb 3 nachteilig, da eine zu geringe Last zu Schäden der Wälzlager führt. Mit BeltGenius können die Steigung der Motorkennlinien sowie die wirksamen Durchmesser der Antriebstrommeln bestimmt und Maßnahmen zur Verbesserung der Leistungsaufteilung simuliert werden, z. B. konkrete Angaben zur Änderung der Dauerschlupfwiderstände.
Übrigens ergab die Analyse der Anlage bezüglich Gurtsicherheit, Motorleistung und Füllquerschnitt, dass eine Leistungssteigerung von derzeit 7.000 auf 9.000 t/h problemlos möglich ist (Bild 9).
4.3 Kupferbergwrk in Chile (unter Tage)
Hier wurden vier Wochen Betriebszeit analysiert und folgende Abweichungen festgestellt:
- Signal der Bandwaage hat einen Zeitversatz, der zwischen 0 und 120 s springt.
- Bandwaagensignale sind zeitweise um bis zu 800 t/h zu niedrig.
- Die Antriebssteuerung der Direktantriebe produziert Schwingungen, die den vorzeitigen Ausfall einer Antriebstrommel nach nur einem Jahr Betriebsdauer erklären.
Insbesondere der Ausfall einer Antriebstrommel nach nur einem Jahr Betriebszeit stellt für den Kunden ein großes Problem dar, da die Ursache bis dahin nicht ermittelt wurde und Unsicherheit über die künftige Leistungsfähigkeit der Anlage bestand.
BeltGenius gab Hinweise auf eine sehr volatile Leistungsaufteilung und Schwingungen der Antriebsleistung. Daraufhin veranlasste Messungen fanden die Ursache in der ungünstigen Ausführung der Antriebssteuerung. Bild 18 zeigt einen Ausschnitt aus diesen Messungen für einen der vier Antriebsmotoren (Anfahrvorgang, leere Bandanlage).
5 Zusammenfassung
Der Einsatz eines Digitalen Zwillings für Bandanlagen, der mit geringem Aufwand an jede Bandanlage angepasst werden kann und diese unter Verwendung realer Messwerte exakt nachbildet, ermöglicht einen schnellen Überblick über den Zustand, die Effizienz und die Ausnutzung der Anlage. Damit können Ansatzpunkte zur Verbesserung aufgedeckt und quantifiziert werden. Dies ist eine deutliche Weiterentwicklung gegenüber den üblichen Berechnungs- und Simuationstools.
Im Kampf gegen den Klimawandel müssen die Anstrengungen zur Verringerung des Energieverbrauchs auch im Bergbau verstärkt werden. Bandanlagen sind gegenüber dem Einsatz von SLKW energetisch deutlich günstiger und ab einer Transportentfernung von ca. 3 km insgesamt wirtschaftlicher. In der Auslegung der Bandanlagen und der Auswahl der Komponenten liegt noch ein erhebliches Verbesserungspotential. Dies kann durch BeltGenius aufgezeigt und realisiert werden.
Ein noch deutlich größeres Einsparpotential bietet BeltGenius als Instrument für den optimalen Betrieb der Anlagen. So liegt im hier behandelten Beispiel des chilenischen Kupfererztagebaus das durchschnittliche Einsparpotential durch Vermeidung von Förderlücken und entsprechend geringerer – aber gleichmäßiger – Förderleistung bei rd. 20 %. Erheblich größere Einsparungen würden sich ergeben, wenn eine konstant hohe Förderleistung erreicht werden könnte und die Betriebszeit durch die vermiedenen Produktionslücken reduziert würde. Das klingt trivial, denn jeder Bergmann strebt ohnehin immer nach einer hohen Förderleistung. Es ist jedoch viel wirtschaftlicher, eine konstant hohe Auslastung anzustreben, anstatt durch temporäre Spitzenleistungen Förderlücken und Stillstandszeiten wettmachen zu wollen. Hier kann BeltGenius dem Management bei der Entscheidung bezüglich der Verbesserung der betrieblichen Organisation die wirtschaftlichen Auswirkungen aufzeigen.
Eine weitere Perspektive für den Einsatz eines Digitalen Zwillings ergibt sich daraus, dass die Expertise für optimalen Betrieb und Instandhaltung von Bandanlagen bei immer weniger Betreibern vorausgesetzt werden kann. Es braucht ein Monitoringsystem für Bandanlagen, das dieses Expertenwissen zunehmend ersetzt. Ein solches System anzulernen, zu pflegen und zu erweitern erfordert jedoch eine enge Zusammenarbeit mit dem Betreiber.
References / Quellenverzeichnis
(1) Continental Handbuch: Fördergurte Berechnungen. Herausgegeben von der Continental Aktiengesellschaft. Überarbeitete Auflage, April 2014, Hannover.
(2) DIN 22101: Stetigförderer – Gurtförderer für Schüttgüter – Grundlagen für die Berechnung und Auslegung. Ausgabe 2011-12.
(3) Hintz, A. (1993): Einfluss des Gurtaufbaus auf den Energieverbrauch von Gurtförderanlagen. Dissertation Universität Hannover 1993.
(4) Ziegler, M.: Energy optimization of conveyor belts at RWE Power AG. In: World of Mining (2009) No. 6.
(5) DIN ISO 281 (2007): Rolling bearings – dynamic load ratings and nominal service life.
