Das OCP-Optical Coil Protection System wurde im Jahre 2004 erstmalig industriell eingeführt und hat sich zu einem Standard für die Spulen- und Tiegelüberwachung an Induktionsöfen entwickelt. Im Zuge des allgegenwärtigen Prozesses der Digitalisierung und der Einführung von Industrie 4.0-Standards hat OTTO JUNKER sich die Aufgabe gestellt, auch hier die betreffende Mess-, Visualisierungs- und Archivierungssoftware in diese Richtung weiterzuentwickeln. Bevor darauf im Detail eingegangen wird, soll im Folgenden noch einmal auf die grundlegende Funktionalität des Systems dargelegt werden:

Die zur Isolation der Induktionsspule verwendeten Materialien wie Lacke, Harze und gegebenenfalls Isolationsbandagen sind in der Regel bis ca. 180 °C temperaturbeständig. Somit kann es bei unzulässig hoher Temperatur an dieser Stelle zur Beschädigung der Isolation oder gar dazu kommen, dass die Isolationsmaterialien leitfähig werden und, zumeist in Verbindung mit Feuchtigkeit, einen elektrischen Windungsschluss an der Spule hervorrufen [1]. Entscheidend ist der Umstand, dass die Spulenisolation die hinsichtlich der Temperaturbeständigkeit empfindlichste Komponente des Spulenaggregats ist. Die Temperatur an dieser Stelle darf dauerhaft 180 °C nicht überschreiten, sei es durch Auswaschungen oder andere Defekte der feuerfesten Zustellung oder auch beispielsweise durch Störungen bei der Kühlwasserversorgung der Spule. Demzufolge liegt die Aufgabenstellung nahe, die Temperatur auf der Innenseite der Spule flächendeckend zu messen und zu überwachen.

Das OCP-System ist ein Temperaturmess- und -überwachungssystem und nutzt als Sensorelement einen faseroptischen Sensor, der sich aufgrund seiner messtechnischen Eigenschaften besonders gut für die störungsfreie Temperaturüberwachung in Induktionsschmelzöfen eignet, da Beeinträchtigungen durch die starken elektromagnetischen Felder bei diesem optischen Messprinzip prinzipiell ausgeschlossen sind.

Die Abbbildung zeigt zunächst den typischen Tiegelaufbau eines Induktionstiegelofens, wobei das OCP-Sensorkabel permanent in das direkt auf der Spule befindliche Dauerfutter des Ofens (4) eingegossen ist.

Basierend auf einem Lichtwellenleiter wird zur Temperaturmessung der sogenannte RAMAN-Effekt ausgenutzt: Dabei wird in den Lichtwellenleiter zunächst Laserlicht geeigneter Wellenlänge und Modulationsfrequenz eingekoppelt. Dieses Laserlicht streut an den Bindungselektronen der Festkörperstruktur über die gesamte Faserlänge und wird als Rückstreuspektrum aufgenommen. In diesem Spektrum sind die RAMAN-Linien enthalten, deren Intensität vom temperaturabhängigen Schwingungszustand der Festkörperstruktur bestimmt wird. Eine Erfassung der Laufzeit des Laserlichts erlaubt es nun, diese Linien ortsabhängig zu erfassen und ein hochaufgelöstes und exaktes Temperaturprofil über die Glasfaser online zu messen.

Durch entsprechende Anordnung des Sensorkabels auf der Spuleninnenseite lässt sich also eine Stelle mit besonders hoher Temperatur, z. B. bedingt durch Infiltration, Auswaschung, Rissbildung im Tiegel oder auch durch Kühlungsprobleme, exakt lokalisieren und man kann feststellen, ob die Temperatur an diesem Ort für die Spulenisolation problematisch werden kann.

Der Kern des OCP Sensorkabels ist zunächst eine handelsübliche Hochtemperaturglasfaser, wie sie im Telekommunikationsbereich laufend Anwendung findet. Diese Faser ist zwecks mechanischen Schutzes von einem Edelstahlröhrchen mit einem Durchmesser von 1,2 mm umgeben, dieses wiederum ist mit einer elastischen Hochtemperaturisolierung beschichtet. Der Gesamtdurchmesser des Sensorkabels beträgt 5 mm. Das Sensorkabel ist für eine maximale Dauereinsatztemperatur von ca. 250 °C geeignet, also weit höher als die maximale Temperaturbelastbarkeit der Spulenisolation. Die Reichweite des Messverfahrens beträgt mehrere Kilometer und die Ortsauflösung, bezogen auf den gestreckten Lichtwellenleiter, beträgt 27 cm, das heißt, es wird jeweils eine Durchschnittstemperatur über eine Länge von 27 cm ermittelt. Dies beeinträchtigt die Erfassung lokaler Temperaturereignisse nicht, da diese zum einen stets ein räumlich ausgedehntes Temperaturfeld aufweisen und ferner Temperaturgradientenüberwachungen aktiv sind, die auch kleine Veränderungen detektieren. Die relative Temperaturauflösung des Messverfahrens ist besser als 1K.

Um das Temperaturfeld im Tiegel in unmittelbarer Nähe der Induktionsspule möglichst lückenlos zu erfassen, wird angestrebt, eine möglichst große Länge an Sensorkabel in den Ofen einzubringen. Dies wird dadurch erreicht, daß das Sensorkabel unter Berücksichtigung des minimalen Biegeradius mäanderförmig auf die Spuleninnenseite aufgebracht wird.

Die vorstehende Abbildung zeigt dies am Beispiel der Spule eines sechs Tonnen fassenden Ofens für Stahl. Hier wurden vier Mäanderlagen eingebracht. Bei größeren Öfen werden dementsprechend mehr Mäanderlagen verwendet. Nach Installation des Sensorkabels in der beschriebenen Weise wird schließlich, wie bei Spulen der Bauart Otto Junker üblich, ein Gießmodell in die Spule eingebracht und ein Dauerfutter aus hochwärmeleitfähigem Korundbeton gegossen, in dem das Sensorkabel somit permanent eingebettet ist. Diese Arbeiten können bei Neuanlagen und Spulenüberholungen werkstattseitig sowie bei Nachrüstungen und in besonderen Fällen auch vor Ort in der Gießerei durchgeführt werden. Im Falle einer Beschädigung der Faser durch z.B. unsachgemäße mechanische Einwirkung können auch einzelne Mäander vor Ort erneuert werden.

Jedem Mäander können Alarmschwellwerte zugeordnet werden, jeweils einer für Alarm und Ofenabschaltung. Ein Alarmkriterium ist zum einen die absolute Temperatur, es werden jedoch auch Temperaturgradienten überwacht. Gerade die Gradientenüberwachung ist für die Früherkennung von lokalen Zustellungsdefekten von hohem Wert.

Nicht unerwähnt soll auch bleiben, dass mit einem Messgerät bis zu vier Öfen gleichzeitig überwacht werden können. Dieser Umstand und die Tatsache, dass die Sensorelemente nicht bei jeder Neuzustellung des Ofens erneuert werden müssen, wie es bei einem konkurrierenden System der Fall ist, führen zu einem äußerst günstigen Kosten-Nutzen-Verhältnis.

Nahezu jeder Induktionstiegelofen weist zur Führung des äußeren Magnetfeldes und zur mechanischen Halterung der Spule magnetische Joche auf, die die Spule radial umgeben.

Obwohl diese Joche aus verlustarmem geschichteten Transformatorenblech gefertigt sind, wird dennoch Wärme in diesen erzeugt, die durch Konvektion oder bei leistungsstarken Öfen durch eine entsprechende Wasserkühlung abgeführt wird. Alterung, Korrosion oder lokale Defekte können jedoch dazu führen, dass diese Joche lokal unzulässig überhitzen, wodurch auch die unmittelbar angrenzende Spule in Mitleidenschaft gezogen werden kann. Daher ist es sinnvoll, die Temperatur der Joche zu überwachen. Dies wird dergestalt bewerkstelligt, dass in die zwischen Joch und Spule befindliche Jochisolierung in Form von Mikanitplatten ein OCP-Sensorkabel, ebenfalls in Mäanderform, eingebracht wird. Somit wird die Temperatur in dieser Ebene und damit indirekt die Jochtemperatur flächig überwacht und visualisiert. Selbstverständlich können auch hier entsprechende Alarmschwellwerte definiert werden. Es soll noch einmal betont werden, dass die Immunität des Messverfahrens gegenüber elektromagnetischen Störeinflüssen von entscheidender Bedeutung ist.

Im Gegensatz zu den bisherigen OCP-Softwareversionen wurde die Datenhaltung und –Verarbeitung ganz im Sinne des Industrie 4.0 Gedankens auf der Basis des OPC-UA-Standards gestaltet. Dies ermöglicht eine künftige systemübergreifende Kommunikation und einen standardisierten Datenaustausch mit übergeordneten Systemen.

Ferner wurde für die Neuerstellung der Visualisierungs- und Bedienoberflächen webbasierte Lösungen erarbeitet, so dass auch mit mobilen Endgeräten die volle Funktionalität genutzt werden kann.

In einem weiteren Schritt wurde die Möglichkeit implementiert, die OCP-Temperaturdaten zusammen mit weiteren Ofendaten wie z.B. Leistung, Chargengewicht und Ofenbetriebszustand in Absprache mit dem jeweiligen Betreiber in einer Cloud abzulegen; dies ermöglicht OTTO JUNKER zum einen, beispielsweise Daten einzusehen und zu analysieren, um den Kunden im Einzelfall bei der Interpretation zu unterstützen. Ferner ist damit die Basis geschaffen, den Einsatz von Werkzeugen wie z.B. künstlicher Intelligenz zu ermöglichen, um auf diesem Wege die Vorhersageeigenschaften des Systems zu verbessern.

Das nachfolgende Bild zeigt in vereinfachter Form die vorliegende Softwarearchitektur.

Schließlich wurde die Gelegenheit genutzt, die einzelnen Eingabe- und Visualisierungsmasken vollkommen neu zu gestalten, wobei Prägnanz, Einfachheit und intuitive Bedienung einen hohen Stellewert besaßen. Die alternative Bedienung mittels Maus. Tastatur oder Touchscreen ist eine Selbstverständlichkeit.

Im Folgenden werden nun die betreffenden Visualisierungsfenster beispielhaft vorgestellt:

Die nachstehende Abbildung zeigt Hauptbild des OCP-Visualisierungsfensters.

Dargestellt wird in dem gezeigten Fenster ein Ofen schematischer Draufsicht, hier mit vier Mäanderlagen. Grundsätzlich werden zunächst die Temperaturverläufe für die jeweils vorhandenen Mäanderlagen (in diesem Falle vier) polar dargestellt, wobei die Anzeige einzelner Lagen zwecks Übersichtlichkeit unterdrückt werden kann. Die Skalierung der Temperaturachse ist frei wählbar. Alternativ zu der gezeigten polaren Temperaturdarstellung ist auch eine entsprechende lineare Darstellung der Temperaturverläufe in den Mäanderlagen möglich. Alarmgrenzwertüberschreitungen werden an den Temperaturkurven mittels entsprechender Symbole angezeigt. Gleichzeitig ändert sich die Rahmenfarbe des stilisierten Ofens in den betreffenden Segmenten analog zu einer Ampel von Grün über Gelb (Warnung) zu Rot (Abschaltung). Entsprechend der vorliegenden Anzahl von Öfen können diese gleichzeitig in separaten Fenstern visualisiert werden.

Durch Anwahl einer Playbackfunktion und Eingabe von Datum und Uhrzeit können Temperaturprofile aus der Vergangenheit betrachtet werden. Ferner ist es möglich, Temperaturprofilbilder nach Eingabe eines Start- und Endzeitpunktes animiert wie eine Videoaufzeichnung mit variabler Geschwindigkeit ablaufen zu lassen. Gerade die letztgenannten Instrumente sind sehr hilfreich, um die zeitliche Entwicklung eines Tiegeldefektes nachzuverfolgen und somit Rückschlüsse auf dessen Entstehung zu ziehen.

Wiederum sieht man eine schematische Draufsicht des Ofens, der in diesem Falle acht Joche aufweist. Um diesen herum gruppiert sieht man stilisiert die einzelnen Joche und die entsprechenden Temperaturverläufe über die Jochhöhe, gleichzeitig wird die jeweilige Durchschnittstemperatur numerisch angezeigt. Auch hier wird ein Überschreiten vorgegebener Grenzwerte nach dem Ampelprinzip (s.o.) angezeigt, Warnung und Abschaltung erfolgen analog.

Literature:

[1] Steller, I.: Sicherer Betrieb von Induktionsofen-Schmelzanlagen, DVS Media GmbH, 1. Auflage, 2018

[2] Künne, S., Mertens, T.: Prozessmodellierung im Rahmen der kontinuierlichen Wärmebehandlung von Aluminiumbändern. Gaswärme international, 6-2016

[3] SCHÄFER, M.: Computational Engineering – Introduction to Numerical Methods. Springer-Verlag, 2006.

[4] Dahmen W., Reusken A.: Numerik für Ingenieure und Naturwissenschaftler. Springer-Verlag, 2008.

[5] Guinot, V.: Godunov-type Schemes: An Introduction for Engineers. Elsevier, 2003.