Nucor verbessert das Stahlrecycling mittels NI LabVIEW und Hardware von National Instruments

Dave Brandt, Nucor Corp

"Bei der Programmierung von PACs mit LabVIEW verglichen mit der Programmierung von SPSen über den Kontaktplan haben wir eine Steigerung um den Faktor zehn bei der Effizienz feststellen können. Zudem haben sich die Kosten der Anlagenautomatisierung erheblich reduziert."

- Dave Brandt, Nucor Corp

Die Aufgabe:

Entwicklung eines Automatisierungssystems für eine Stahlrecyclinganlage, die den Energieverbrauch reduziert, um den behördlichen Energierichtlinien zu entsprechen und zudem die Sicherheit und Wirtschaftlichkeit der Anlage zu verbessern

Die Lösung:

Einsatz von Programmable Automation Controllers (PACs) von National Instruments und der grafischen Programmierumgebung NI LabVIEW zur Entwicklung eines Automatisierungssystem zur genauen Messung der für das Recycling von Stahl erforderlichen Energie und zur Verbesserung der Anlagensicherheit

Zwei von drei Pfund Stahl stammen aus bereits verwendetem Stahl, womit dieses Metall das in Nordamerika am häufigsten recycelte Material ist. Das Wiederaufbereiten von Stahl benötigt zwischen 60 und 74 % weniger Energie als die Herstellung neuen Stahls aus Rohmaterialien. Das entspricht der Energiemenge für die Stromversorgung von 18 Mio. Haushalten für ein Jahr.

 

 

Stahlrecycling verbessern

Stahlunternehmen verbessern ständig ihre Recyclingmethoden, um den Prozess wirtschaftlicher und umweltfreundlicher zu gestalten. Wir bei Nucor legen großen Wert darauf, die Umweltressourcen zu schonen. Zu diesem Zweck sind wir das größte Recyclingunternehmen in Nordamerika geworden. 2005 erwarben wir das Unternehmen Marion Steel in Marion, Ohio, wodurch wir über einen Standort verfügten, der sich in zentraler Lage zu fast 60 % der Stahlverbraucher in den Vereinigten Staaten befindet. Damit wir auch durch diese Übernahme unseren hohen Standard bei Anlagen beibehalten konnten, stellten wir umgehend die Notwendigkeit fest, ein System für die Anlagenautomatisierung zu implementieren, um die Wirtschaftlichkeit und Sicherheit des Werks zu verbessern.

 

Verringerung des Energieverbrauchs mit Hard- und Software von NI

In der Einrichtung in Marion wird ein komplettes Sortiment an Betonstahl, Pfosten, Schienen und Drahtseilzäunen aus recyceltem Stahl hergestellt. Für den Stahlrecyclingprozess wird Altmetall in einem Lichtbogenofen erhitzt und je nach gefertigtem Stahltyp werden dem zähflüssigen Stahl verschiedene Grundbestandteile hinzugefügt, um die entsprechende Stahllegierung zu erhalten. Dieser Prozess erfordert riesige Mengen Energie, die je nach Anteil an Schrott sehr unterschiedlich sein können. Als wir die Produktionsanlage in Marion erwarben, verließen sich die Bediener auf Schätzungen, nach denen sie die im Ofen befindliche Stahlmenge bestimmten. Das hatte zur Folge, dass das Metall häufig überhitzt wurde. So erhält man allerdings ein unzulängliches Endprodukt, das erneut recycelt werden muss und dem Unternehmen Zeit, Geld und Energie kostet.

 

 

Um die Anzahl der Wiedererwärmungen zu verringern, entwickelten wir ein kostengünstiges Wiegesystem mit LabVIEW und NI-Compact-FieldPoint-Controllern, das die Menge an Stahl bei jedem Brennvorgang genau berechnete. Da nun die exakte Menge des im Ofen platzierten Altmetalls bekannt war, konnten wir den für das Erhitzen des Ofens erforderlichen Stromverbrauch präzise berechnen. Zuvor erfolgten die Messung der Stahlmenge auf gut Glück. Vor der Implementierung des neuen Systems hatten wir keine Methode zur Nachverfolgung der Anzahl an Wiedererwärmungen. Wir konnten allerdings feststellen, dass nach Einsatz dieses neuen Systems bei den über 6000 Chargen im Jahr 2007 nur zehn Wiedererwärmungen erfolgten, was erheblich weniger war als im Jahr 2006.

 

 

Beseitigung von Spannungsschwankungen mit LabVIEW und NI CompactRIO

Ein Risikofaktor beim Abziehen großer Mengen Elektrizität zur Erwärmung des Ofens für den Recyclingprozess sind mögliche Spannungsschwankungen im Stromnetz. Uns wurden nicht nur Bußgelder für die Nutzung von zu viel Elektrizität auferlegt, die Schwankungen in der Stromversorgung betrafen auch die Einwohner von Marion. Um den Stromverbrauch zu reduzieren, entwickelten wir einen rechnergestützten Reaktor, der mit dem Ofen in Reihe geschaltet wurde. Dazu wurden das LabVIEW-FPGA-Modul sowie die CompactRIO-Plattform eingesetzt, welche die dem Stromnetz entzogene Energie misst. Erreicht der Ofen den vorgeschriebenen Grenzwert, kann das System die Steuermethoden schnell ändern und so die Menge an abgezogenem Strom reduzieren.

 

 

Verbesserung der Anlagensicherheit mit LabVIEW

Bei Nucor gehört die Sicherheit der Angestellten zu den wichtigsten Werten. Daher bestand ein weiteres Ziel unserer Anlagenverbesserungen darin, den Standort Marion zu einem sicheren Arbeitsplatz zu machen. Wir stellten fest, dass wir die Methode für das Ein- und Ausschalten des Lichtbogenofens aktualisiert werden musste. Bisher musste ein Bediener den Ein-/Ausschalter manuell bedienen, was eine Gefahr für seine Sicherheit darstellte, sollte einmal die Sicherung durchbrennen. Ein Compact-FieldPoint-PAC und eine HMI wurden eingesetzt, um einen dezentralen Netzschalter zu entwickeln, der keine potenziellen Gefahren für den Bediener birgt.

 

Vorteile der Fabrikautomatisierung mittels PACs von NI

Mit Hard- und Software von NI entwickelten wir verschiedene Automatisierungssysteme, die unseren Stromverbrauch erheblich reduziert und mögliche Sicherheitsmängel am Standort Marion ausgeschlossen haben. Bei der Programmierung von PACs mit LabVIEW verglichen mit der Programmierung von SPSen über den Kontaktplan haben wir eine Steigerung um den Faktor zehn bei der Effizienz feststellen können. Zudem haben sich die Kosten der Anlagenautomatisierung erheblich reduziert. Überdies konnten wir durch Entwicklung eines aktiven Ansatzes für die Überwachung unserer Stromaufnahme mithilfe der Plattform von National Instruments die Auswirkungen unserer Produktion auf die Einwohner von Marion verringern, indem wir die Spannungsschwankungen in der Stromversorgung beseitigten.

 

Informationen zum Autor:

Dave Brandt
Nucor Corp
Marion, OH
United States
David.Brandt@nucor.com

Using hardware and software from NI, Nucor developed a variety of automation systems that have greatly reduced the amount of electricity used and eliminated potential safety issues at its Marion, Ohio facility.
Recycling steel consumes between 60 and 74 percent less energy than producing new steel from raw materials.
During the steel recycling process, scrap metal is heated in an electric arc furnace (EAF) which requires large amounts of energy that vary significantly depending on the amount of scrap placed in the furnace.
Knowing the exact amount of scrap metal placed in the furnace allows Nucor to precisely calculate the amount of electricity required to heat the furnace.
Another Screenshot of the Data Acquisition Application
Nucor is the largest rebar manufacturer in the U.S.
A Screenshot of our Real-Time Production Data Application
To reduce electricity consumption, Nucor developed an online reactor in series with the furnace using the LabVIEW FPGA module and the CompactRIO platform that measures the amount of energy drawn from the power grid.