GT07-16D - GeTec Ingenieurgesellschaft für Informations

Maßnahmen zur
Gewährleistung der
Betriebssicherheit
einer Produktionsanlage der holzverarbeitenden
Industrie während
bergbaulicher
Einwirkungen
Otto Uhl
Deutsche Steinkohle AG
Markus Schmitt
Regionalorganisation Saar
Manfred Jakobs
GeTec Ingenieurgesellschaft mbH,
Aachen
Überreicht durch
GeTec Ingenieurgesellschaft
für Informations- und
Planungstechnologie mbH
Head Office
D-52068 Aachen, Rotter Bruch 26a
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www.getec-ac.de
Fachaufsatz GT 07-16 D
-1EN 14 788/99
Maßnahmen zur Gewährleistung der Betriebssicherheit einer
Produktionsanlage der holzverarbeitenden Industrie während
bergbaulicher Einwirkungen
Otto Uhl / Markus Schmitt / Manfred Jakobs
Deutsche Steinkohle AG, Regionalorganisation Saar
GeTec Ingenieurgesellschaft, Aachen
Abstract
A production line in the wood industry is influenced by mining and has to be surveyed in position with an
accuracy of 0.1 mm. An electromechanical alignment system based on a fixed wire and using an electrooptical position measurement has been developed in order to detect early the influence of mining.
Furthermore the measurement system is due to support the work for a position correction of the production line.
1. Problemstellung
Das Bergwerk Ensdorf ist eines der drei Steinkohlenbergwerke der Regionalorganisation Saar der DSK
AG. Die Lagerstätte des Bergwerks Ensdorf liegt geologisch gesehen im Stefan und zwar in den Oberen
Heusweiler Schichten des Saarkarbons. Zur Zeit befinden sich 2 Flöze, nämlich Flöz Schwalbach und
Flöz Wahlschied, im Verhieb beziehungsweise in der Vorrichtung. Das dritte nur in Teilen der Lagerstätte
bauwürdige Flöz Grangeleisen soll Mitte des Jahres 2000 nach 25jähriger Pause wieder in Verhieb gehen. Die Förderung beträgt zur Zeit ca. 14000 t verkaufsfähiges Produkt Kraftwerkskohle täglich. Der
Abbauschwerpunkt liegt im Feld Dilsburg, Flöz Schwalbach mit einer Mächtigkeit von ca. 3 m, wo in einem Hochleistungsdoppelstrebsystem zur Zeit die gesamte Förderung des Bergwerks gewonnen wird.
-2-
FLÖZ SCHWALBACH
Merc
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8.11 O
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t
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-1000
Bunker 8
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W
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8.8 Os
t
8.7 Ost
Kohleverlust bei
Sicherheitspfeiler
8.6 Os
t
. 50.2
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st
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8.5
8.5 Os.7
t
8
Os t
Industrieobjekt
8.4 Os
t
8.3 Os
t
8.2 Os
t
8.1 Os
t
Bild 1: Abbauzuschnitt Flöz Schwalbach, Feld Dilsburg
Die Strebe 8.3 bis 8.6 Ost haben auf einen holzverarbeitenden Industriebetrieb zwischen 1990 und 1997
bergbauliche Einwirkungen in der Randzone verursacht. Während des Abbaus des ersten Doppelstrebes
8.3/4 Ost lag der Betrieb in der äußersten Randzone des Einwirkungsbereichs. Während dieser Phase
lagen die gemessenen Senkungen unter 2 cm und Betriebsbeeinträchtigungen traten nicht auf. Die prognostizierten Einwirkungen durch das Doppelstrebsystem 8.5/6 Ost waren nach der Bodenbewegungsvorausberechnung nach Hellwig mehr als doppelt so groß und betrugen bis zu 5 cm Senkung. Die Vorausberechnung erfolgte zum einen mit dem saarländischen Schnittwinkelverfahren nach
Hellwig sowie mit dem Vorausberechnungsverfahren CADBerg. Die beiden Vorausberechnungen differierten in dem interessierenden Bereich um weit mehr als 100%. Dies ist jedoch nicht verwunderlich, da
alle bekannten Bodenbewegungsvorausberechnungsverfahren in den Randbereichen die tatsächlichen
Bodenbewegungen nur unzureichend wiedergeben.
Es stellte sich nun die Frage ob die hochempfindlichen Anlagen überhaupt weiteren bergbaulichen Einwirkungen ausgesetzt werden sollten, oder ob ein Sicherheitspfeiler in Betracht kommt. Die Zuschnittsplanung wurde in diesem Bereich sehr kritisch geprüft. Da nicht nur der zum Jahreswechsel 1995/96 angelaufene Doppelstreb 8.5/6 Ost auf die Produktionsanlage eingewirkt hätte, sondern auch die nördlich
daran anschließenden Bauhöhen in Flöz Schwalbach und nach damaliger Planung ab etwa dem Jahr
2002 die Abbaubetriebe in dem ca. 130 m tiefer liegenden Flöz Wahlschied, hätte sich durch Einhalten
eines Sicherheitspfeilers ein Kohlenvorratsverlust von weit mehr als 1,5 Mio. t ergeben.
-3-
FLÖZ WAHLSCHIED
5.3
0)
un
te
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ca
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-1000
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Bunker 8
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8 .5 W
t
8.8 Os
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8.7 O
Kohleverlust bei
Sicherheitspfeiler
Industrieobjekt
t
8.6 Os
t
8.5 Os
Bild 2: Abbauzuschnitt Flöz Wahlschied, Feld Dilsburg
Unter Berücksichtigung dieser Grundlagen wurde entschieden, die Betriebssicherheit des Industriebetriebes nicht durch Verzicht auf Kohlenvorräte, die zur Zeit für ca. 170 DM/t gewonnen werden, sondern
durch übertägige Maßnahmen zu gewährleisten.
Zu den übertägigen Maßnahmen zählen:
Sicherungsmaßnahmen
Anpassungsmaßnahmen
Meßtechnische Überwachung
Nahezu tägliche Inaugenscheinnahme
Regulierungsmaßnahmen
° Sicherungs- und Anpassungsmaßnahmen
Die Sicherungs- und Anpassungsmaßnahmen wurden beim Neubau der MdF-Anlage (MdF = Mitteldichte
Faserplatten) bereits im Jahre 1989 durchgeführt.
-4-
Bild 3: Gesamtansicht der Industrieanlage
Aufgrund des schlechten Baugrundes wurden die Produktionshalle und die Contirollpresse auf Großbohrpfählen gegründet. Als Vorsorge gegen bergbauliche Einwirkungen wurden Pfähle, Bodenplatte und Betonbalkenrost verstärkt ausgeführt (Sicherungsmaßnahmen). Zusätzlich wurde der Neubau durch konsequente Ausbildung von Bergschadensfugen von den bestehenden Gebäuden getrennt (Anpassungsmaßnahmen).
Darüberhinaus wurden die Contirollpresse sowie vor- und nachgeschaltete Produktionseinrichtungen
höhenregulierbar gestaltet. So wurden in Erwartung bergbaubedingter Bodenbewegungen und einer damit verbundenen Lage- und Höhenkorrektur der Presse in den beiden Stahlbetonträgern unmittelbar unter
der Presse vorsorglich 52 Nischen zur Aufnahme von Hydraulikzylindern vorgesehen.
Diese Maßnahmen erfolgten in einer gemeinsamen Aktion zwischen der holzverarbeitenden Gesellschaft
und den Bergwerken Ensdorf und Göttelborn, da das Bergwerk Göttelborn nach damaliger Planung ebenfalls Einwirkungen auf diesen Industriebetrieb haben sollte. Durch den Beschluß das Bergwerk Göttelborn
zum Ende des Jahres 2000 stillzulegen, werden nur Einwirkungen des untertägigen Steinkohlenabbaus
des Bergwerks Ensdorf das Werk beeinträchtigen. Daher sind alle nun folgenden Betrachtungen auf den
Abbau des Bergwerks Ensdorf konzentriert.
° Meßtechnische Überwachung
Bereits während der Neubauphase 1989/90 wurden ca. 500 Nivellementspunkte vermarkt und über Feinnivellements bestimmt. Diese hohe Punktzahl wurde gewählt, da unsicher war welche Punkte nach Fertigstellung der Anlage noch nutzbar sein werden. Die hohe Punktzahl hat sich jedoch insofern bewährt,
als nach der Inbetriebnahme der Anlage über weitere Feinnivellements festgestellt wurde, daß die Eigenverformung der Contirollpresse im normalen Betrieb ohne bergbauliche Einwirkungen bereits die Grenzwerte der Herstellerfirma erreichte. Diese Eigenverformung ist auf den Einfluß der Temperatur, die dynamische Belastung während des Produktionsprozesses sowie die unterschiedliche Setzung der Fundamente zurückzuführen.
-5Da die meßtechnischen Beobachtungen an der verformungsempfindlichen Presse zur Herstellung mitteldichter Faserplatten bereits während der Betriebsphase Verformungen zeigten und nach Angaben des
Maschinenherstellers nur geringe Verformungen zulässig waren, mußten weitere bergbaulich bedingte
Bodenbewegungen sehr sensibel betrachtet werden.
Aus diesem Grunde entschloß sich die damalige Saarbergwerke AG in Absprache mit dem Betreiber des
Holzwerks, die Lage der Presse kontinuierlich zu überwachen. Die Meßwerterfassung sollte dabei im
Sekundentakt erfolgen und die Meßergebnisse nach einer entsprechenden Aufbereitung quasi in Echtzeit
abrufbar sein, um Tendenzen der Bodenbewegungen frühzeitig zu erkennen und hinsichtlich einer Lagekorrektur sofort handlungsfähig zu sein. Ebenso war es für den Bergbaubetreiber wichtig, nach den ersten Erfahrungen die Verformungen der Presse während des normalen Betriebsgeschehens zu kennen.
Die Überwachungseinrichtung sollte auch nicht nur für den anstehenden Doppelstreb zu nutzen sein,
sondern langfristig betrieben werden, um alle geplanten Abbaubetriebe abzudecken. Dieser lange Überwachungszeitraum gewährleistet auch eine Überwachung der Anlage während der einwirkungsfreien
Zeiten, in denen nunmehr nur noch Temperatur- und mechanisch-dynamische Einflüsse des Produktionsbetriebes zu Verformungen führen.
Konventionelle geodätische Meßverfahren kamen wegen der langen Meßzeit und der verzögerten Ergebnisdarstellung nicht in Frage. Da nach ausgiebigen Untersuchungen auf dem Markt kein geeignetes System zu finden war, entschied sich die frühere Saarbergwerke AG dazu, mit der GeTec Ingenieurgesellschaft mbH ein entsprechendes elektrisches Meßsystem zu entwickeln, das den hohen Genauigkeitsanforderungen entspricht und die Meßergebnisse automatisiert in entsprechender Form darstellt.
° Inaugenscheinnahme
Im Rahmen des mittlerweile guten Verhältnisses zu der holzverarbeitenden Firma konnte das vor Ort
tätige Personal für auftretende Veränderungen an der Anlage sensibilisiert werden. Ebenso waren die
entsprechenden Sachbearbeiter unserer Bergschadensabteilung oder Mitarbeiter unseres Bauhofes
ständig präsent, so daß eine nahezu tägliche subjektive Überwachung gewährleistet war und auch in
Zukunft sein wird.
° Regulierungsmaßnahmen
Regulierungsmaßnahmen wurden bereits in den ersten Planungen für erforderlich gehalten. Ziel war es,
durch die meßtechnische Überwachung den Zeitpunkt der Regulierungsmaßnahmen so zu steuern, daß
keine bergbaubedingten Betriebsstillstände verursacht werden. Die bisher erforderlichen Maßnahmen
werden später näher beschrieben.
2. Maschinentechnische Anforderungen an die Meßtechnik
Das Herz der Produktionsanlage ist eine 36 m lange und 3,2 m breite Contirollpresse mit einer Masse von
rund 1200 Tonnen. Die Presse liegt auf zwei 90 cm hohen Stahlbetonträgern, die Teil einer Stahlbetonwanne sind. Insgesamt 18 Stahlbetonstützen leiten die Last über einen Betonbalkenrost in Bohrpfähle
ein. Mit der Contirollpresse werden seit Anfang 1990 mitteldichte Faserplatten und Spanplatten produziert. Hierzu bewegen sich zwei Stahlbänder kontinuierlich an Heizplatten vorbei und pressen das im
Einlauf noch relativ locker aufgeschichtete Material unter hohem Druck und hoher Temperatur zu einer
endlosen Platte zusammen.
Die hohen Qualitätsanforderungen an das Produkt –die Fertigungstoleranz hinsichtlich der Plattendicke
beträgt z. B. lediglich ±0,1 mm – sind nur mit einer einwandfrei funktionierenden Produktionsanlage zu
erfüllen. Einer korrekten, stabilen Lage der Contirollpresse kommt somit besondere Bedeutung zu.
-6-
Bild 4: Ansicht der Contirollpresse
Bild 5: Schematische Darstellung der Contirollpresse
Die Anforderungen des Maschinenherstellers an die Lagesicherung der Maschine nach Inbetriebnahme
waren demnach recht hoch. So wurde die maximal zulässige Schieflage der Fundamente (Pfähle) in
Längs- und Querrichtung mit 3 mm angegeben. Die maximal zulässige Durchbiegung des Maschinenträgers wurde ebenfalls mit 3 mm angegeben. Die erwähnten Stabilitätskriterien und die geringen zulässigen
Toleranzen fordern eine Meßgenauigkeit von ~ 0.05 mm für die Biegelinienerfassung und von 0,1 mm/m
für die Schieflagenmessung.
-7-
max. 3 mm
max. 1.5 mm
max. 1.5 mm
max. 3 mm
B
A
Bild 6: Zulässige Lageabweichung nach Angaben des Herstellers
Als einzig möglicher Einbauort wurde der Raum (Wanne) unmittelbar unter der Presse ausgewählt. Temperaturmessungen dort ergaben Spitzenwerte von 1100C. In der Regel lagen die Temperaturen je nach
Jahreszeit und Produktion zwischen 800C und 1000C. Ein Umstand, der zusätzlich hohe Anforderungen
an eine Meßeinrichtung stellt. Um einen reibungslosen Betrieb der Meßeinrichtung zu gewährleisten,
wurden frühzeitig Feldversuche durchgeführt, um die Sensorik zu kühlen. Nachdem Feldversuche mit Luft
als Kühlmittel die Eignung dieses Mediums nicht nachweisen konnten, entschloß man sich die Sensorik
über einen geschlossenen Wasserkreislauf in einem unkritischen Temperaturbereich zu halten.
-83. Meßverfahren und Meßeinrichtung
Die Meßeinrichtung besteht aus zwei elektromechanischen Aligniersystemen zur Biegelinienerfassung
der beiden Träger und Neigungsmeßeinrichtungen für die Erfassung der Schieflagen.
Bild 7: Schematische Darstellung der Meßanordnung für das Überwachungsobjekt
Die Referenz des Aligniersystems ist ein zwischen zwei Auflagern gespannter Federstahldraht. An jeweils
14 Meßpunkten in den beiden Maschinenträgern wird ein elektrooptischer Abstandssensor befestigt, der
kontinuierlich die relative vertikale Position w Träger - Referenzdraht mißt. Über die Neigungsmessung an
einer Basis von 3 m Länge in Maschinenlängsrichtung erfolgt die Berechnung der Veränderung des vertikalen Auflagerabstandes (viB – viA) und daran anschließend die Transformation der Verformungen w in
Höhenänderungen innerhalb eines rechtwinkligen Koordinatensystems. Über die Neigungsmessungen in
Querrichtung wird das zweite Aligniersystem an das Maschinenkoordinatensystem angeschlossen.
z
Abstandssensor
A
Auflager
z
24
s
x
T
B
Referenzdraht
Auflager
F
Parameter
Systemkonfiguration
Vorspannung F
750 N
1.5 N
horiz. Auflagerabstand
33 m
36 mm
Gewicht/m
3.8 g/m
10 mg/m
Bild 8: Schematische Darstellung des Aligniersystems
zul. Abweichung
-9-
Der Referenzdraht ist auf der einen Seite fixiert und auf der anderen Seite über eine reibungsarm gelagerte Rolle geführt. Die notwendige mechanische Spannung wird mit einem Spanngewicht erzeugt. Bei
dieser statisch bestimmten Referenzanordnung treten keine für die Meßgenauigkeit relevanten Durchhangänderungen aufgrund behinderter Wärmeausdehnung auf Veränderungen der Kettenlinienparameter
wie Vorspannung, Gewicht/ Längeneinheit und horizontaler Auflagerabstand führen zu statischen Durchhangänderungen und beeinträchtigen die Genauigkeit der Höhenbestimmung. Eine Abschätzung der
zulässigen Parameteränderungen ( Auslegungsparameter:
Vorspannung F 750 N, Gewicht/Längeneinheit p= 3.8 g/m, horizontaler Auflagerabstand s = 33 m) hinsichtlich einer Referenzstabilität von besser als 0.1 mm ergab für den Auflagerabstand
36 mm, das Spanngewicht 1.5 N und für das Gewicht/Längeneinheit 10 mg/m. Die zulässigen horizontalen Auflagerveränderungen liegen im Bereich der maximal zu erwartenden thermischen Längenänderungen der Maschinenträger. Durch Reinigen des Drahtes und der Spanngewichte im Zuge von Wartungsarbeiten konnten diese Einflüsse minimiert werden. Dynamische Referenzdrahterregungen traten nicht auf.
Die berührungslose Bestimmung der Abstandsänderungen des Maschinenträgers gegenüber dem Referenzdraht erfolgt über dessen Abbildung auf einem lichtempfindlichen Detektor. Eingesetzt wird ein CCDArray bestehend aus 5000 Einzeldioden mit einer Breite von 7 µm. Daraus resultiert ein Meßbereich des
Abstandssensors von 35 mm. Der Referenzdraht (Drahtdicke: 0.8 mm) wird durch ein paralleles Lichtbündel auf der Diodenoberfläche abgebildet. Hierzu wird das divergente Lichtbündel einer Laserdiode
über einer Zylinderlinse parallelisiert. Der durch den Referenzdraht erzeugte Schatten verursacht eine
Signaländerung und definiert die Referenzposition zum jeweiligen Zeitpunkt auf dem CCD-Array für die
elektrische Auswertung.
CCD-Array
signal
Signal
laser
Laser
E le k tr o -o p tis c h e r
A b s ta n d s s e n s o r
C C D -A r r a y
Referenz
draht
K o n fig u ra tio n
B e tr ie b s a rt
In te g r a tio n s z e it
m a x . S c h a tt e n b r e ite
m in . S c h a tte n b r e it e
S c h m u tz w a r n u n g in %
mode 1
electrical
signals
Optik
O u tp u t
M a x im a lw e r t
M it te lw e rt
M in im a lw e r t
S ta n d a rd a b w e ic h u n g
Tr ä g e r te m p e r a tu r
S e n s o r te m p e r a tu r
D ia g n o s e b y te
C P U S ie m e n s
C P 8032
mode 0
digitales
Positionssignal
A u s w e r te e le k tr o n ik
O u tp u t
m a x im a le S c h a t te n b r e ite
m ittle r e S c h a tte n b re ite
m in im a le S c h a tte n b r e ite
S ta n d a rd a b w e ic h u n g
S e n s o r te m p e r a tu r
V e rs c h m u tz u n g
Bild 9: Aufbau eines elektrooptischen Abstandssensors
Um Signalfehler aufgrund von Temperatureinflüssen zu vermeiden, wurde mit der Fa. ikado GmbH, Herzogenrath eine Sensorelektronik aufgebaut, in der die elektrischen Signale bereits im ersten Schritt in
einer Auswerteelektronik in digitale Positionssignale umgewandelt und am DualPorted-RAM der CPU
(Siemens CP 8032) für die weitere Signalauswertung zur Verfügung gestellt werden. Während eines frei
einstellbaren Meßintervalls (maximal 250 Zyklen/s) werden über einen Algorithmus zur Drahtverfolgung
Mittelwert mit Standardabweichung, Minimal- und Maximalwert der Drahtposition im Zyklus ermittelt. Zusätzlich werden Umgebungs- und Sensortemperatur gemessen, um einmal eine Zuordnung der Meßwerte zu den Betriebszuständen zu erreichen und um bei Überschreiten bestimmter Sensortemperaturen
Warnmeldungen an den Betreiber der Meßeinrichtung abzugeben. Außerdem ist die Sensoroptik einer
Verschmutzung durch Ölnebel und Holzstaub ausgesetzt. An Hand einer integrierten Verschmutzungsüberwachung kann der Wartungseinsatz effizient gesteuert werden. Sensorkalibrierungen zeigen, daß
eine Meßgenauigkeit von ~0.03 mm erreicht wird. Untersuchungen der Temperaturabhängigkeit ergaben
keine Beeinflussungen des Positionssignals.
- 10 Die Meßwerterfassung erfolgt über das Bussystem Feldbus Sinec L2 DP der Fa. Siemens. Eine SPS
Simatic S5 - 11 5U, die mit den entsprechenden Baugruppen ausgerüstet ist, steuert die Kühlanlage,
sammelt die Daten und sendet diese zu einem Auswertecomputer, der mit einer Visualisierungseinheit
(COROS/LSB Win) zur Online-Darstellung des Prozesses ausgestattet ist. Der Einsatz einer Fernwartungssoftware gestattet eine Fernsteuerung der Überwachungsanlage über Modem und Telefonnetz sowie einen Datentransfer zu einer Leitstelle der DSK-Saar.
Datenerfassung
- elektro-optischer
Abstandssensor
Sinec L2 DP
- Neigungsgeber
Steuerung
Kälteanlage
Meßwertarchiv
Warnungen
Kälteanlage
analog input
- Pumpen
- Kältemaschinen
- Anlagenkontrolle
digital input
Konfiguration
digital output
Rechner 4/86 DX2 inkl.
Terminal
Berechnungen
Siemens SPS S5-115U
Elektromechanisches
Aligniersystem
Fernwartung
Leitstelle
Bild 10: Prozeßwertverarbeitung der Überwachungsanlage
Mit der beschriebenen Überwachungsmeßeinrichtung wird die Produktionsanlage seit September 1995
zuverlässig überwacht. Eine notwendige Lagekorrektur wurde frühzeitig signalisiert und konnte mit Hilfe
des Aligniersystems effizient und mit der erforderlichen Genauigkeit durchgeführt werden. Basis dieser
Ausrichtungsmaßnahmen sind die in Bild 7 dargestellten Biegelinien der beiden Maschinenträger, die
durch das Meßsystem kontinuierlich aufgezeichnet werden.
4 Auswertung der Meßergebnisse
Im Oktober 1995 begann die Überwachung der Produktionsanlage mit dem elektromechanischen Aligniersystem. So konnte in den Monaten Oktober bis Dezember 1995 das Bewegungsverhalten unabhängig von Bergbaueinflüssen zur Beweissicherung aufgezeichnet und bewertet werden. Der eigentliche
Überwachungsprozeß für die Abbaubetriebe 8.5 / 8.6 Ost begann im Dezember 1995. Als Referenzdatum
wurde ein Zeitpunkt Mitte Dezember 1995 festgelegt. Zu diesem Zeitpunkt war die Produktionsanlage
vollständig abgekühlt. Aufgabe der Meßeinrichtung war es die Veränderungen, die gegenüber diesem
Nullpunkt auftreten aufzuzeichnen. Für die Bewertung des sich einstellenden Verformungsverhaltens sind
die umfangreichen Meßdaten kontinuierlich ausgewertet worden. Standardmäßig erfolgte eine Darstellung des Zeitbewegungsverhaltens der einzelnen Meßstellen zusammen mit der Trägertemperatur und
eine Biegeliniendarstellung zu ausgewählten Zeitpunkten.
- 11 Meßstelle 17 - 20
Zeitraum 30.06.96 - 31.08.96
Bezugsdatum 19.12.95
250
1,5
225
1,0
200
0,5
-0,5
17 175
18
19 150
20
125
-1,0
100
-1,5
75
-2,0
50
-2,5
25
0,0
-3,0
29.06.96
Trägertemperatur in °C
Verformung in mm
2,0
0
13.07.96
17
27.07.96
18
19
10.08.96
20
24.08.96
Trägertemperatur
Absta ndsse nsor
Sü dos t
SO
No r dw e s t
NW
Nordos t NO / Träge r 2 - Re fe re nz 2 (M 11 - M 24)
Südw es t SW / Tr äger 1 - Re fe re nz 1 (M 31 - M 44)
Bild 11: Zeitbewegungsverhalten ausgewählter Meßstellen
Bei der Betrachtung des Zeitbewegungsverhaltens in Bild 11 zeigt der Verlauf der Verformungen deutlich
den Einfuß der am Objekt vorherrschenden hohen Temperaturen während der Produktion (Produktionstemperatur rund 80°C). Im aufgeheizten Zustand erreicht die Durchbiegung einen Maximalwert von
1,5mm. Nach Abschalten des Produktionsprozesses bauen sich diese wieder ab und der Träger erreicht
wieder seinen Ausgangszustand. Deutlicher wird dieser Zusammenhang bei der Betrachtung der Biegelinien. Während der Maschinenträger bei einer Temperatur von 11°C nahezu keine Durchbiegung aufweist, ist bei einer Temperatur von 25°C deutlich eine Verformung gemäß der Biegebalkentheorie zu
erkennen. Bezüglich des zeitlichen Ablaufs der Temperaturverformung ist ein schnelles Ansteigen während der Aufheizphase und ein verzögertes Abklingen während der Abkühlung erkennbar.
- 12 B ie g e lin ie 1 5 .0 2 .1 9 9 6 / S t ills t a n d T r ä g e r 1 1 ° C
Verformung in mm
2 ,0
1 ,0
0 ,0
- 1 ,0
11 - 24
31 - 44
- 2 ,0
0
5
10
15
20
25
30
S ta ti o n ie r u n g i n m
B ie g e lin ie 0 8 .0 4 .1 9 9 6 / S t ills t a n d T r ä g e r 2 5 ° C
2 ,0
Verformung in mm
1 ,0
0 ,0
- 1 ,0
11 - 24
31 - 44
- 2 ,0
0
5
10
15
20
25
30
S ta ti o n ie r u n g i n m
Absta ndsse nsor
Südos t
SO
Nor dw e s t
NW
Nordos t NO / Träge r 2 - Re fe re nz 2 (M 11 - M 24)
Südw es t SW / Tr äger 1 - Re fe re nz 1 (M 31 - M 44)
Bild 12: Biegeliniendarstellung für charakteristische Maschinenzustände
Die nachfolgende Darstellung der Trägerverformungen über den gesamten Temperaturbereich zeigt
deutlich die Systematik, die sich aus den Zeitbewegungsbewegungskurven bereits qualitativ ableiten läßt.
Bei Temperaturen > 50°C bilden sich stärker anwachsende Verformungsbeträge aus, die1,5 bis 2 mm
erreichen.
- 13 -
2,5
Verformung in mm
2,0
Bandbreite +/- 0.3 m m
1,5
1,0
0,5
0,0
-0,5
Meßw erte
Trend
-1,0
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
Temperatur in °C
60,0
70,0
80,0
90,0
Bild 13: Trägerveränderung durch Temperatur
Diese kurzfristigen Verformungsreaktionen des Maschinenträgers auf die Produktionstemperatur werden
überlagert von Bewegungen, die aus den jahreszeitlichen Temperaturschwankungen und aus dem Bergbaueinfluß resultieren. So bewirkt die Temperatur Ausdehnungen der Pfahlgründungen bei einer Erhöhung, während absinkende Temperaturen Kürzungen dieser Fundamentelemente verursachen und somit
die gleiche Richtungen wie bergbaubedingte Bodenbewegungen haben. Zur Bewertung dieser Einflüsse
gibt das nachfolgende Bild eine zusammenfassende Darstellung der Trägerverformung über einen Zeitraum von 2 Jahren.
Maximalwerte
Minimalwerte
3,5
-2,00-0,00
Maximalwerte
0,00-2,00
2,00-4,00
0,50-1,50
0,00-2,00
-4,00--2,00
-2,00-0,00
0,00-2,00
41
33
T räg er 2
Süd west
2,00-4,00
Bild 14: Zusammenfassende Darstellung der Trägerverformung
0,50-1,50
1,50-2,50
Okt 97
41
T räg er 1
N o rd o st
33
Nov 97
Jun 97
Aug 97
37
37
Aug 97
T räg er 2
Süd west
2,00-4,00
Feb 97
Apr 97
0,5
41
23
15
T räg er 1
N o rd o st
33
37
Mai 97
1,5
19
-4,00
11
-2,00-0,00
Nov 97
Feb 97
41
33
Träg er 2
Süd west
-4,00--2,00
2,5
0,00
-2,00
Aug 97
23
15
Mai 97
19
11
-4,00
2,50-3,50
3,5
2,00
19
Feb 97
Bandbreite in mm
Verformung in mm
Verformung in mm
0,00
-2,00
1,50-2,50
Nov 96
Bandbreite
4,00
2,00
T räg er 1
N o rd o st
19
11
Träg er 2
Süd west
Minimalwerte
4,00
Aug 96
37
41
33
11
-4,00--2,00
2,00-4,00
Mai 96
23
0,00-2,00
Nov 96
11
-2,00-0,00
Feb 96
0,5
T räg er 1
N o rd o st
Aug 96
T räg er 2
Süd west
Nov 95
1,5
Mai 96
T räg er 1
N o rd o st
Nov 96
2,5
15
-4,00--2,00
41
33
37
19
Aug 96
T räger 2
Südwest
Feb 96
-4,0
Mai 96
23
11
15
T räg er 1
N ord o st
-2,0
37
Feb 96
-4,0
Nov 95
19
-2,0
0,0
23
Nov 95
15
0,0
23
2,0
15
4,0
2,0
Bandbreite in mm
Verformung in mm
Verformung in mm
4,0
Bandbreite
2,50-3,50
Dez 97
- 14 -
Basis dieser graphischen Darstellung für die Überwachungsphase 1996 – 1997 sind Maximal- und Minimalwerte, die zur Reduktion des umfangreichen Datenmaterials monatlich bestimmt worden sind. Die
dargestellten Bandbreiten beinhalten die Differenz von Maximal- und Minimalwerten und repräsentieren
die Bewegungen, die aus dem Produktionsprozeß resultieren. Betragsmäßig liegen diese bei 1.5 mm,
was mit der in Bild 13 dargestellten kurzfristigen Temperatursystematik korreliert. Die Betrachtung von
Maximal- und Minimalwerten zeigt für beide Jahre eine Zunahme der Verformung in der ersten Jahreshälfte und eine Senkungsbewegung in der zweiten Jahreshälfte. Im Jahre 1996 ist dieser Bewegungsprozeß betragsmäßig stärker ausgeprägt, was auf den Einfuß der Abbautätigkeit schließen läßt. Das nachstehende Bild verdeutlicht den Bergbaueinfluß.
Abschätzung des Bergbaueinflusses - Meßpunkt 18
01.01.96
01.04.96
4,0
02.07.96
Streb 8.5 / 8.6
01.10.96
4,0
1996
3,0
Höhenänderung in mm
01.01.97
3,0
0.25 R
2,0
0.5 R
R
2,0
1,0
1,0
0,0
0,0
-1,0
-2,0
-3,0
-1,0
Durchbiegungszunahme
rund 1.5 mm
-2,0
Regulierung
-4,0
01.01.97
-3,0
Streb 8.5 / 8.6
02.04.97
1997
02.07.97
01.10.97
-4,0
01.01.98
Absta ndsse nsor
Südos t
SO
Nor dw e s t
NW
Nordos t NO / Träge r 2 - Re fere nz 2 (M 11 - M 24)
Südw e s t SW / Tr äger 1 - Re fe re nz 1 (M 31 - M 44)
Bild 15: Abschätzung des Bergbaueinflusses für einen ausgewählten Meßpunkt
Anfang 1996 läuft das Doppelstrebsystem in einem Abstand von 600 m vom Überwachungsobjekt an. Mit
fortschreitendem Verhieb entfernt sich die Strebfront vom Objekt und vergrößert gleichzeitig die Einwirkungsfläche. Nach Erreichen von 0.25R sind die ersten Senkungstendenzen erkennbar. Diese Senkungen steigen kontinuierlich an und erreichen nach dem Verhieb der Vollfläche ihren Maximalwert von und
rund 3 mm. Im Vergleich zu den Bewegungen des Jahres 1997 ist diese Senkungsbewegung stärker
ausgeprägt. Hier liegt der Schluß nahe, daß bereits mit Erreichen der Vollfläche der durch den Abbau
verursachte intensive Verformungsprozeß im wesentlichen zu Ende gekommen ist.
Insofern bot sich ein geplanter Betriebsstillstand im Januar 1997 für die Durchführung der Regulierungsarbeiten an.
- 15 5. Regulierungsarbeiten an der Contirollpresse
Mitte 1996, also weniger als ein Jahr nach der Installation des Aligniersystems, begann sich eine deutliche Verformung im Auslaufbereich der Presse abzuzeichnen.
Höhenänderung in mm
Maschine in Betrieb
2,0
1,0
0,0
-1,0
-2,0
-3,0
-4,0
-5,0
-6,0
31 - 44
11 - 24
Meßstelle 11 - 24
Meßstelle 31 - 44
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
30,0
35,0
Länge in m
Maschine kalt
Höhenänderung in mm
2,0
1,0
0,0
-1,0
31 - 44
-2,0
-3,0
-4,0
Meßstelle 11 - 24
-5,0
Meßstelle 31 - 44
11 - 24
-6,0
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
30,0
35,0
Länge in m
Absta ndsse nsor
Südos t
SO
Nor dw e s t
NW
Nordos t NO / Träge r 2 - Re fe re nz 2 (M 11 - M 24)
Südw es t SW / Tr äger 1 - Re fe re nz 1 (M 31 - M 44)
Bild 16: Höhenänderungen der Maschinenträger
In Erwartung weiterer bergbaulicher Bewegungen entschloß sich der Berbaubeteiber in Absprache mit
dem Eigentümer und dem Hersteller die Presse auszurichten. Als Termin kam ein vierzehntägiger Betriebsstillstand im Januar 1997 in Frage.
Bisher wurden die relativen Veränderungen bezogen auf einen unbestimmten Ausgangszustand gemessen. Nun galt es, die Presse mit Hilfe der On- Line Meßerfassung und Visualisierung des Aligniersystems
auszurichten. Mit berücksichtigt werden mußten Parameter wie Höhenänderung der Maschinenstützen
hervorgerufen durch die in einem bestimmten Abschnitt bis zu 80° C aufgeheizten Stahlbetonstützen im
Thermoölkeller oder das erwartungsgemäß unbestimmt reagierende Tragwerk der Presse. Immerhin lag
die Auswirkung dieser Einflüsse ebenfalls in der Größenordnung der zulässigen Maschinentoleranzen.
- 16 Contirollpresse
Einlauf
20,0
Auslauf
19
18
20
21
22
23
24
25
Träger 1 kalt, T-ZBG4 am 20.12.96
Gebäudeachsen
Träger 2 kalt, T-ZBG4 am 20.12.96
15,0
Höhenänderung in mm
10,0
5,0
0,0
-5,0
T2
T1
-10,0
Stahlbetonstützen
-15,0
-20,0
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
35,00
Länge in m
Bild 17: Höhenlage der Maschinenträger durch Feinnivellement bestimmt
Mit einem Feinnivellement wurde die tatsächliche Lage der Presse in erkaltetem Zustand gemessen.
Diese Messung bestätigte die Ergebnisse der Aligniersystemüberwachung.
Würde man nun die Presse aussschließlich auf der Grundlage der Messung im erkalteten Zustand
ausrichten ergäbe sich im aufgeheizten Betriebszustand ein Profil wie in Bild 18 dargestellt.
Contirollpresse
Einlauf
20,00
18
Auslauf
19
20
21
Gebäudeachsen
22
23
24
25
Deformation bei Erwärmung in mm, vorderer Träger
15,00
Höhenänderung in mm
10,00
5,00
0,00
-5,00
-10,00
Stahlbetonstützen
-15,00
-20,00
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
Länge in m
Bild 18: Höhenänderung der Träger durch den Aufheizvorgang
25,00
30,00
35,00
- 17 -
Ein Umstand, der weder dem Betreiber noch dem Maschinenhersteller bisher bekannt war. Zur Gewährleistung einer optimalen Lage der Anlage im aufgeheizten Zustand entschloß man sich, diese wesentlichen Erkenntnisse bei der Bestimmung des Maschinenprofils zu berücksichtigen.
Die Sollvorgaben für das Ausrichten ergaben sich demnach wie in Bild 19 dargestellt. Die Ausrichtung der
Presse erfolgte im kalten Zustand iterativ auf die Sollwerte, die später im aufgeheizten Betriebszustand
eine horizontale Lage der Contirollpresse gewährleisteten.
Ausrichtungsvorgabe
Einlauf
20,0
18
Auslauf
19 Gebäudeachsen 20
21
22
23
24
25
Träger 1 kalt, T-ZBG4 am 20.12.96
Träger 2 kalt, T-ZBG4 am 20.12.96
15,0
Träger 1 erwärmt T-ZBG4 am 20.12.96
Träger 2 erwärmt T-ZBG4 am 20.12.96
Höhenänderung in mm
10,0
Beide Balken nach dem Ausrichten (warmer Zustand)
5,0
0,0
T2
-5,0
T1
T2
T1
-10,0
Stahlbetonstützen
-15,0
-20,0
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
35,00
Länge in m
Bild 19: Theoretische Ausrichtungsvorgabe
Rund 40 niedrigbauende Hydraulikzylinder mit einer Hubkraft von je 300 kN wurden im betroffenen Abschnitt installiert und verschlaucht (Bild 20). Eine relativ dichte Anordnung der Hebestellen war Voraussetzung für ein schonendes Vorgehen bei dem Anheben der Maschine. So lagen die Abstände der Lastpunkte bei rund einem Meter.
- 18 -
Bild 20: Raum unter der Presse nach Installation der Hydraulikeinrichtung
Unterstützt durch die On- Line- Visualisierung des Aligniersystems konnte der Ausrichtvorgang beginnen.
Abschnittsweise wurde die Presse mit der Hydraulik feinfühlig, kontrolliert angehoben und an den Lastpunkten unterfüttert. Erwartungsgemäß bereitete das statisch unbestimmte Tragwerk massive Probleme.
Nur durch langsames “Herantasten “ waren die vorgegebenen Einstellwerte zu erreichen.
Der gesamte Ausrichtungsvorgang erstreckte sich über 10 Tage, wovon 5 Tage für vorbereitende Arbeiten, wie z. B. den Aufbau der Hydraulik benötigt wurden.
6. Zusammenfassung
In einem Betrieb der holzverarbeitenden Industrie sollte eine hochempfindliche Contirollpresse zur Herstellung von mitteldichten Faser- und Spanplatten während bergbaulicher Einwirkungen überwacht werden. Hierzu wurden mit dem Einsatz eines Aligniersystems mit elektrooptischen Abstandssensoren und
On-Line-Übertragung der Meßwerte neue Wege beschritten.
Der Einsatz des Aligniersystems garantiert eine optimale Überwachung und ermöglicht die Ermittlung des
bestmöglichen Zeitpunktes zur Regulierung der Presse. Durch die kontinuierliche Überwachung und die
Wahl der optimalen Regulierungs- und Wartungszeitpunkte, konnten bergbaubedingte Betriebsstillstände
vermieden werden.
Das Aligniersystem hat sich bewährt und bleibt weiterhin installiert, da der nächste Abbaubetrieb, der die
Industrieanlage beeinflußt bereits im Dezember diesen Jahres anlaufen wird.
- 19 Quellennachweis:
Hellwig, F.:
Beitrag zur Erforschung der durch den Abbau verursachten Gebirgsbewegung,
Glückauf 86, 1950
Jakobs, M.:
Entwicklung eines elektro-mechanischen Aligniersystemes zur messtechnischen
Erfassung räumlicher Verformungszustände in der Bauwerksüberwachung
Veröffentlichung des Institutes der RWTH Aachen Nr. 46, 1990
Jakobs, M. ; Wieland, R.:
EDV-Lö sung zur Analyse von Gebirgs- und Bodenbewegungen
als Grundlage für die Bewertung von Abbauplanungen aus bergschadenstechnischer Sicht
Das Markscheidewesen 100, 1993
Uhl, O.:
Bestimmung des Zeitfaktors im Saarkarbon
Häusliche Prüfungsarbeit 1986, unveröffentlicht
Uhl, O.:
Abbau der Saarbergwerke AG im Bereich von Senderanlagen des Saarländischen
Rundfunks
Das Markscheidewesen 97, 1990
Interne Unterlagen der DSK-Saar und GeTec Ing. Ges.