Anlagensteuerung mit Geoscanner

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Waldemar Fischer
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1 Anlagensteuerung mit Geoscanner Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. H. Tudeshki Dipl.-Ing. H. Hertel Einleitung Die Bestimmung der Kornverteilung von granularen Stoffen ist eine der wesentlichen Aufgaben zur Prozessüberwachung, Anlagensteuerung und Qualitätssicherung in verschiedenen Zweigen der Industrie. Das Aufgabenspektrum erstreckt sich von der Pharmazie und Lebensmittelproduktion bis hin zur Chemie- sowie Bau- und Bergbauindustrie. Speziell im Bergbau nimmt die Aufbereitung mineralischer Rohstoffe eine zentrale Stellung ein, da hier die einzelnen Teilprozesse der Zerkleinerung, Sortierung und Klassierung im direkten Zusammenhang zur Korngrößenverteilung des Mineralstoffes optimiert, überwacht und gesteuert werden können. Die Erfassung des Kornspektrums einer Stoffmischung vor bzw. nach jedem Prozessschritt erfolgt in der Regel durch Entnahme von Proben und deren Analyse im Labor mittels gängiger Siebmaschinen, wobei nicht selten eine vorauseilende Probenvorbereitung, z.b. durch Trocknung erfolgt. Resultierend aus der Problematik der Korngrößenbestimmung von feinen Stäuben und Feinstkorn mittels konventioneller Siebung wurden in der Vergangenheit vor allem laserbasierende Analysatoren entwickelt, welche im Labor oder teilweise in der Prozesskette integriert werden. Die zeit- und kostenintensive Probennahme aus dem Prozessablauf mit anschließender Laboranalyse einerseits, sowie der eingeschränkte Einsatzbereich und die Empfindlichkeit der optischen Verfahren andererseits, erfordern die Entwicklung eines robusten Messsystems für den Einsatz in einem breiten Anwendungsspektrum zur Online-Analyse der Korngrößenverteilung von granularen Stoffen. Im vorliegenden Beitrag wird auf die ersten Ansätze der Entwicklung und Anwendung eines neuen Verfahrens zur Korngrößenbestimmung auf akustischer Basis, dem sogenannten akustischen GeoScanner, eingegangen. Nach einer kurzen Erläuterung des physikalischen Messprinzips wird über Untersuchungen zur Anwendung der neuen Technologie in der Kies- und Sandaufbereitung berichtet. Messprinzip Granulare Stoffe erzeugen während ihres Transportes in verschiedenen Medien beim Aufprall auf einen Festkörper Impulse, welche Schwingungen in diesem hervorrufen (Körperschall). Die Charakteristik der Schwingungen steht in direkter Proportionalität zur Impulsstärke bzw. bei gleicher Dichte des Granulats in einer direkten Beziehung zur Korngröße. Die akustische Zuordnung der zeitabhängigen Intensitäten in Signalklassen ergibt eine Verteilung, welche direkt proportional zur Verteilung des Kornspektrums ist, das in der ausgewerteten Zeit den Körperschall hervorgerufen hat. Eine vorauseilende einmalige Kalibrierung des Systems ermöglicht die Zuordnung der akustischen Signale zu den jeweiligen Kornklassen, wodurch die Erstellung einer Online-Korngrößenanalyse ermöglicht wird. Die Abbildung 1 zeigt exemplarisch den akustischen Messwert als unbearbeitetes 1

Zeitsignal aus einer Untersuchung zur Detektion von Sanden. Die Abbildung 2 dokumentiert einen transformierten akustischen Messwert derselben Versuchsreihe.

2 Zeitsignal aus einer Untersuchung zur Detektion von Sanden. Die Abbildung 2 dokumentiert einen transformierten akustischen Messwert derselben Versuchsreihe. In der Abbildung 3 sind die in infinitesimalen Zeitintervallen ausgewerteten Schallereignisse und deren Zuordnung in Schallklassen dargestellt. Abbildung 1: Akustischer Messwert, dargestellt als Zeitsignal einer Materialansprache Abbildung 2: Transformiertes akustisches Signal, dass den gesamten Informationsgehalt in dreidimensionaler Perspektive darstellt 2

3 Abbildung 3: Häufigkeit von akustischen Ereignissen in der Darstellung einer Verteilungssumme Die Messvorrichtung besteht somit aus einem akustischen Sensor, welcher in bzw. auf einem Festkörper integriert ist, mit dem die Körner in Folge des Massenstromes in Berührung kommen sowie einer Datenübertragungseinheit, die drahtlos oder kabelgebunden mit einer Auswerteeinheit verbunden ist. Die Daten können in beliebiger Form zur Prozessüberwachung oder steuerung genutzt werden. Dieser Grundsatz gilt für alle Prozesse bei denen granulare Stoffe durch eine kontinuierliche Bewegung transportiert werden. Insofern kann dieses System in der hydraulischen und pneumatischen Feststoffförderung sowie beim Bandtransport umgesetzt werden. Im Folgenden werden exemplarisch zwei Beispiele für eine aktuelle Anwendung des akustischen GeoScanners aus dem Bereich des hydraulischen Feststofftransportes sowie des Transportes mittels einer Bandanlage vorgestellt. Anwendungsbeispiel hydraulische Förderung Basierend auf dem Messprinzip des akustischen GeoScanners wurde im hydraulischen Fördersystem einer Sandaufbereitung die Möglichkeit der Online-Analyse der Korngrößenverteilung untersucht. Das Fördergut entstammt einer Nassgewinnung. Der gewonnen Sand wird nach einer Vorabscheidung des Grobkornes (d > 1 mm) hydraulisch zur weiteren Aufbereitung mittels Hydrosizer transportiert. Bei der Untersuchung mittels akustischen GeoScanner sollte eine kontinuierliche Siebanalyse des Fördergutes erfolgen, wobei die Anteile der Korngrößenfraktionen nach Siebdurchgangsklassen von 0,063, 0,125, 0,180, 0,250, 0,355, 0,5, 0,71 und 1 mm zu ermitteln waren. Zur Überprüfung der Genauigkeit der akustischen Online-Analyse wurden zeitgleich Proben im 15-Minuten Takt aus dem Förderstrom entnommen und mit herkömmlicher Siebanalyse im Labor untersucht. 3

Abbildung 4: Sensor und Positionierung am PE-Aufgaberohr Wie bereits beschrieben, kann mit dem akustischen Verfahren der Körperschall bestehender Anlagenkomponenten die im unmittelbaren Kontakt zum

4 Abbildung 4: Sensor und Positionierung am PE-Aufgaberohr Wie bereits beschrieben, kann mit dem akustischen Verfahren der Körperschall bestehender Anlagenkomponenten die im unmittelbaren Kontakt zum Fördergut stehen genutzt werden. Im Vorfeld der Untersuchungen wurde die mögliche Positionierung des Schallaufnehmers auf die Rohrstrecke zwischen der Vorabscheidung des Grobkornes und der Aufbereitungsanlage festgelegt. Die Sensorik wurde mittels einer Adapterplatte direkt auf das Förderrohr, welches aus PE-Werkstoff hergestellt ist, montiert. Diese einfache Montage kann ohne Beeinträchtigung der betrieblichen Produktion erfolgen. Ein weiterer Vorteil dieser Montageposition ist, dass keine zusätzlichen und verschleißenden Bauteile in den Förderstrom eingebracht werden müssen. Die Information der Korngrößenzusammensetzung wird aus der Verarbeitung der Schallsignale mittels der programmierten Auswertealgorithmen realisiert. Die Visualisierung dieser Untersuchungsergebnisse wurde durch eine über die Zeitachse fortlaufende Darstellung des im Fördergut enthaltenen Anteils der oben beschrieben Kornklassen umgesetzt. Der jeweiligen Siebklasse wurde in der Darstellung eine bestimmte Linienfarbe zugewiesen. In der Abbildung 5 ist exemplarisch das Ergebnis der akustischen Materialansprache über ein Messintervall von 1:45 Stunden dargestellt. 4

Abbildung 5: Ergebnisse der akustischen Materialanalyse Ein Vergleich der im Labor untersuchten Referenzproben mit den Ergebnissen der Online-Siebanalyse weist eine Übereinstimmung von 98,5 % auf.

Die Betriebsweise von Bandanlagen eignet sich grundsätzlich für den Einsatz der akustischen Materialdetektion, bietet jedoch konstruktionsbedingt keinen eigenen Schallkörper zur Materialbestimmung.

5 Abbildung 5: Ergebnisse der akustischen Materialanalyse Ein Vergleich der im Labor untersuchten Referenzproben mit den Ergebnissen der Online-Siebanalyse weist eine Übereinstimmung von 98,5 % auf. Anwendungsbeispiele Bandtransport Im Allgemeinen sind Bandanlagen bevorzugte Fördersystem von trockenen bis erdfeuchten Schüttgütern. Die Betriebsweise von Bandanlagen eignet sich grundsätzlich für den Einsatz der akustischen Materialdetektion, bietet jedoch konstruktionsbedingt keinen eigenen Schallkörper zur Materialbestimmung. Mit der Zielstellung, einen optimalen Sondenkörper zu entwickeln, wurden Versuche im Technikum durchgeführt. Hierzu wurde ein Prüfstand mit einem Gurtbandförderer errichtet, mit dem unter realitätsnahen Bandlaufgeschwindigkeiten Sandprodukte über eine Messdauer von ca. 60 sek gefördert werden konnten. An Hand von Einzelversuchen an vier Sandsorten wurde die akustische Charakteristik verschiedenster Sondenkörper sowie die Auswirkung variierender Randparameter grundlegend untersucht. Abbildung 6: Sonde zur Materialdetektion für Gurtbandförderer 5

6 Mit den ersten Untersuchungen wurde die prinzipielle Eignung des Verfahrens zur Online- Kornanalyse von Sand und Kies auf einer Bandanlage nachgewiesen. Die farbigen Linien zeigen das Ergebnis mit der Online-Analyse mittels GeoScanner, während die farbigen Flächen die Ergebnisse der wiederholten konventionellen Siebung im Labor dokumentieren. Die Ergebnisse wurden in der Bandbreite mit den zum Teil variierenden Ergebnissen der herkömmlichen Siebanalyse als Referenz farbig hinterlegt. Abbildung 7: Ergebnisse der akustischen Materialansprache mit GeoScanner (Linien) und der konventionellen Siebung (farbige Flächen) Der akustische GeoScanner wird derzeit unter betrieblichen Bedingungen in der genannten Aufbereitung zur Silosteuerung eingesetzt und weiterentwickelt. Zusammenfassung und Ausblick Der vorliegende Bericht stellt die Ergebnisse von ersten Untersuchungen zur Entwicklung einer Online-Korngrößenanalyse von Sand und Kies vor. Das neue Verfahren basiert auf dem physikalischen Grundprinzip der Akustik. Ziel der Forschung und Entwicklung ist es, eine Sensorik einschließlich der Auswertealgorithmen zur permanenten Korngrößenanalyse, speziell in Massenströmen der hydraulischen und pneumatischen Förderung sowie dem Bandtransport zu entwickeln. Nach einer kurzen Vorstellung des Verfahrens wurde an Hand von zwei Beispielen die prinzipielle Eignung des Verfahrens in der Aufbereitung von mineralischen Rohstoffen dokumentiert. Resultierend ist beabsichtigt, in Kooperation mit dem Bundesverband Mineralische Rohstoffe e.v. detaillierte Untersuchungen, speziell zur Erfassung der Einflüsse aus der betrieblichen Praxis der Steine-und-Erden-Industrie, d.h. sowohl an Körnungen des Natursteins als auch an Kies und Sand zu untersuchen. 6

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