通往工业4.0的道路是一个不断发展进化的过程，通过数字化和网络化，它为改进和稳定生产工艺过程以及提高能源和资源效率提供了巨大的潜能。作为铸造厂和半成品生产商的领先供应商，奥托容克公司决心迎接这一挑战。本文在此以OCP光学线圈保护系统为例，为大家展示容克公司的预测性维护系统和工艺模型（数字孪生/数字镜像）。
OCP – 光学线圈保护系统
OCP光学线圈保护系统于2004年首次以工业生产规模推出，此后已逐步发展进化成为感应炉线圈和坩埚的标准监测技术。为解决普遍存在的工艺过程数字化和引入工业4.0标准的问题，奥托容克为自己设定了一项任务，即向这个方向推进相关的测量、可视化和归档软件。在详细研究这些工作之前，让我们首先概括总结一下系统的基本功能。
功能概念
用于感应线圈绝缘的材料，例如绝缘漆，树脂，以及绝缘绷带（如果适用），通常可耐热至180°C左右。 因此，该区域的温度过高可能会导致绝缘损坏，甚至导致绝缘材料导电，通常在潮湿的情况下会因此导致线圈匝间短路[1]。 关键事实是，就耐热性而言，线圈绝缘是整个线圈组件中最敏感的部分。 无论是由于耐火炉衬受到腐蚀或产生其他缺陷，又或者是因为线圈的冷却水供水出现问题，该区域内的温度均永久不得超过180°C。 因此，设计出覆盖整个线圈内侧的温度测量和监控系统是合乎逻辑的。
OCP系统是一种依靠光纤作为传感元件的温度测量和监控解决方案，基于它所具备的计量特性，特别适合用于感应熔炼炉中的无故障温度监测，也就是说，这种光学测量方法原则上不易受到强电磁场的干扰。
图1：典型炉体示意图，OCP传感器电缆永久地预埋入永久炉衬中。（4）
该系统以光纤为基础，利用了所谓的拉曼效应。首先将具有适当波长和调制频率的激光馈入光纤。然后，当激光在整个光纤长度上撞击固体结构的键合电子时，它会散射，我们能够检测到其后向散射光谱。该光谱包含拉曼谱线，它的强度是固态纤维结构中振动水平的函数，而振动水平又取决于温度。通过记录激光的飞行时间，可以用与位置相关的方式检测这些谱线，从而通过在线测量得到光纤长度上精确、高分辨率的温度曲线。
OCP传感器电缆的电缆芯是一种广泛应用于电信行业的商用高温玻璃纤维。为了进行机械保护，该纤维外面配备直径为1.2毫米的不锈钢保护管，保护管覆盖有弹性高温绝缘材料层。传感器电缆的总直径为5毫米。 传感器电缆的额定最高连续工作温度约为250°C，远高于线圈绝缘的最大耐热温度。这项测量技术的测量范围为几公里，其在光纤展开长度上的空间分辨率为27厘米，即每27厘米确定一个平均温度值。这不会对局部温度测量结果形成干扰，一方面，因为后者始终具有空间扩展的温度场； 此外，还有主动温度梯度监控功能，可以检测到很小的变化。 测量过程的相对温度分辨率优于1K。
因此，通过在线圈内侧适当布置传感器电缆，可以确保对任何由于渗透，侵蚀，或者坩埚上形成裂缝，甚至冷却出现问题等原因导致温度特别高的点，进行精确定位，并且确定这个点的温度是否会使线圈绝缘出现问题。
OCP传感器电缆的电缆芯是一种广泛应用于电信行业的商用高温玻璃纤维。为了进行机械保护，该纤维外面配备直径为1.2毫米的不锈钢保护管，保护管覆盖有弹性高温绝缘材料层。传感器电缆的总直径为5毫米。 传感器电缆的额定最高连续工作温度约为250°C，远高于线圈绝缘的最大耐热温度。这项测量技术的测量范围为几公里，其在光纤展开长度上的空间分辨率为27厘米，即每27厘米确定一个平均温度值。这不会对局部温度测量结果形成干扰，一方面，因为后者始终具有空间扩展的温度场； 此外，还有主动温度梯度监控功能，可以检测到很小的变化。 测量过程的相对温度分辨率优于1K。
为了在靠近线圈的地方形成尽可能完整的坩埚传感器覆盖范围，最好在炉内设置最大长度的传感器电缆。为此，考虑到传感器电缆的最小弯曲半径，传感器电缆在线圈内侧以弯曲的方式布置。图2以一台用于钢的6吨熔炼炉的线圈为例说明了感应器电缆的这种排列方法。
图2：OCP传感器电缆在一台6吨的用于钢的感应炉线圈内侧的排列（4个弯曲层）
在这个例子中，线圈内侧安装了四层弯曲的光纤。在较大的炉子上，弯曲光纤的层数会相应增加。按照上述方式放置传感器电缆后，按照奥托容克的标准做法，我们会将线圈架放入线圈中，并使用高导热刚玉混凝土浇铸出永久炉衬，传感器电缆将永久预埋于其中。如果是新设备或者进行线圈大修，这些操作可以在车间进行，而对于改造或特殊应用项目，也可以在本地铸造厂进行。在有光纤受损（例如，由于机械效应）的情况下，甚至可以在现场进行更换。
可以为每个弯曲层设定报警阈值，即，每个弯曲层设定一个警报信号和停炉信号的阈值。 一方面，绝对温度是一个报警标准，但温度梯度也会受到监控。 特别是这种对温度梯度的监测功能对于检测出早期局部炉衬的缺陷具有很高的价值。
可以为每个弯曲层设定报警阈值，即，每个弯曲层设定一个警报信号和停炉信号的阈值。 一方面，绝对温度是一个报警标准，但温度梯度也会受到监控。 特别是这种对温度梯度的监测功能对于检测出早期局部炉衬的缺陷具有很高的价值。
还应注意的是，一台测量仪器可同时监视多达四台炉子。 具备这种能力，加上每次更换炉衬时都不需要更新传感器元件（与竞争对手的系统相反），使得系统的成本效益比极佳。
监测炉子磁轭的温度
几乎每台无芯感应炉都配备径向围绕在线圈周围的磁轭，以引导外部磁场并为线圈提供机械支撑（图3）
yokes磁轭的布置
尽管这些磁轭由低损耗的变压器硅钢片叠压制成，但内部仍会产生一些热量，必须通过对流或（在大功率炉的情况下）通过适当的水冷系统将其去除。 然而，老化、腐蚀或局部受损可能会导致磁轭产生不可接受的局部过热，并且还可能损坏相邻的线圈。 因此，监测磁轭温度是非常必要的。 我们可以将一条OCP传感器电缆以同样的弯曲的形式插入磁轭和线圈之间，由云母片构成的磁轭绝缘层中实现监测的目的。 我们以这种方式，从表面区域捕捉到了该平面中的温度，并因此间接地获得了磁轭温度，并且将其可视化。 不用说，在这里也可以定义合适的报警阈值。 有一点我们希望再次强调，该测量过程对电磁干扰的抗扰性至关重要。
OCP温度数据的处理和可视化
与先前的OCP软件版本不同，本版本数据管理和处理功能的设计是完全按照基于OPC UA标准的工业4.0概念进行的。这将使未来的跨系统通信和与更高级别系统的标准化数据交换成为可能。
此外，在重新设计可视化和控制界面时，我们开发了网络化的解决方案，以便移动终端设备也可以使用全部功能（图4）。
图4：使用移动终端设备的可视化和操作
更进一步，我们的系统还有一个功能，能够与设备所有者配合，把OCP温度数据以及其他炉子信息（例如输出功率，上料重量和炉子运行状态）一同存储在云系统中。 一方面，这使奥托容克（Otto Junker）能够查看和分析数据，以便在特定情况下帮助用户对数据进行说明。 另一方面，它为使用诸如人工智能之类的工具来改善系统的预测能力奠定了基础。
图5以简化形式说明了当前的软件架构
图5：软件架构（示意图）
最后，我们利用这一机会全面重新设计了各个输入和可视化屏幕，尽最大努力做到“清晰、简单和直观”。当然，软件同样支持其他控制方法（如鼠标、键盘或触摸屏）。
现在让我们通过一些例子来看看相关的可视化窗口：
可视化主屏幕如图6所示。
现在让我们通过一些例子来看看相关的可视化窗口：
可视化主屏幕如图6所示。
图6：OCP系统可视化屏幕
此窗口显示了炉子的俯视图，这个炉子配备了四层弯曲的光纤。原则上，四层光纤中的每一层的温度最初以极坐标形式显示，为了清晰起见，可以选择隐藏单个层。温度轴可以任意缩放。也可以选择根据光纤层中相应的温度分布绘制的线性图来替代所显示的温度极坐标图。当温度超过报警阈值时，温度图旁边将会有适当的符号标志。同时，炉子标志的边框颜色将变为交通灯模式，即在相关部分从绿色到黄色（警告）再到红色（关闭）。根据运行炉子的数量，这些信息可以在不同的窗口中同时显示。
通过选择回放功能并输入日期和时间，可以查看历史温度曲线。 还能够以可调节的回放速度，以类似视频的动画模式显示在之前选择的特定时间段的温度曲线图像。 后面的这些功能能够帮助我们及时跟踪坩埚缺陷的发展并了解其演变的过程，非常有价值。
图7显示了磁轭温度监控屏幕。
图7：磁轭温度的显示
同样，这里显示的是炉子的俯视图，这台炉子配置八个磁轭。 布置在炉子周围的是各个磁轭，图上也显示出磁轭高度上的温度曲线，以及以数字形式显示出给定的平均温度。 同样，“交通灯”式的颜色变化标志着预定义的阈值超限，警告和关闭功能以类似方式运行。
展示OCP系统的视频
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.