Abteilung Eingebettete Systeme

Das Konsortium

Das Konsortium aus Forschungseinrichtungen und Industrieunternehmen vereint das notwendige Wissen und die Marktkenntnisse für die erfolgreiche Umsetzung und Vermarktung der geplanten Innovation. Es besteht aus der Ruhr-Universität-Bochum als Experte in der SiGe-Chiptechnologie für Hochfrequenzanwendungen, dem Bo-I-T als Anbieter vielfältiger KI-Lösungen, dem Fraunhofer FHR als Entwickler innovativer Radarsensorik, der IMST als Messsystem- und Antennen-Entwickler sowie der IMS Messsysteme als Hersteller und Entwickler von Messsystemen für die Metallindustrie. Dem Konsortium stehen zudem Endanwender in der Stahl- und Aluminiumindustrie beratend zu Seite. 

Projektpartner

• IMST GmbH
• IMS Messsysteme GmbH
• Ruhr-Universität Bochum / Lehrstuhl für Integrierte Systeme
• Fraunhofer FHR
• Bochumer Institut für Technologie

Herausforderungen in der aktuellen Praxis
Bisher kommen für die Dickenmessung beim Warmwalzen von Bändern und Blechen überwiegend auf Röntgen- oder Isotopenstrahlung basierende Messsysteme zum Einsatz. Röntgensysteme werden aufgrund der erreichbaren Strahlungsenergie bei Stahl nur bis ca. 50 mm, maximal jedoch bis 80 mm Dicke, eingesetzt, für dickeres Messgut sind auf Isotopenstrahlung basierende Systeme unerlässlich. Doch zunehmende Sicherheitsanforderungen und Regularien erschweren den Einsatz solcher Systeme und erhöhen die Betriebskosten. Zudem kommt es zunehmend zu Engpässen bei der Lieferung der benötigten Cäsium-Strahler. In den letzten Jahren ist daher die Nachfrage nach alternativen Messystemen stark gestiegen, diese konnte bislang mangels geeigneter gleichwertiger Technologien jedoch noch nicht bedient werden. 

Zielsetzung
RaDime hat sich zum Ziel gesetzt, diese Herausforderungen durch die Entwicklung eines innovativen, neuartigen Radarmesssystems zu adressieren. Durch den Einsatz eines DualBand-SiGe-MMICs in einem echtzeitfähigen Multikanal-MIMO-Millimeterwellensensormodul soll eine Dickenmessung mit einer Genauigkeit von ca. 100 µm im laufenden Prozess realisiert werden. Das System soll dadurch erstmals eine in der Präzision und Robustheit gleichwertige Alternative zu Isotopenmesssystemen ermöglichen, jedoch aufgrund der nichtionisierenden Strahlung geringer Leistung sowie der Unabhängigkeit von begrenzten Rohstoffen erhebliche Vorteile in Sicherheit, Einsatzbarkeit und Verfügbarkeit bieten. 

Technologische Innovation
Das Projekt nutzt innovative Technologien wie Frequenzbandfusion zweier Sub-Terahertz-Bänder, Echtzeitdatenverarbeitung und KI-gestützte Algorithmen zur Signalverarbeitung. Ein zentrales Merkmal des RaDime-Systems ist seine Fähigkeit, die Dicke des Messguts unter variierenden Winkelbedingungen und bei Biegung präzise zu erfassen. Dies gewährleistet eine hohe Robustheit und Flexibilität, die in der dynamischen Produktionsumgebung der Metallindustrie unerlässlich sind. 

Im Rahmen des Projekts wird zusätzlich ein digitaler Zwilling des Systems im Produktionsprozess erstellt. Die digitale Abbildung ermöglicht eine umfassende Simulation und Analyse unterschiedlicher Szenarien. Damit fördert der digitale Zwilling die Validierung der Messsysteme und trägt zur kontinuierlichen Optimierung der Messgenauigkeit bei. Das auf Reflexion beruhende Messprinzip ist zudem unabhängig von der Walzgut-Dicke, wohingegen radiometrische Messungen auf ca. 150 mm (Stahl) limitiert sind. Dadurch wird erstmals eine Messung in früheren Schritten des Walzprozesses oder für Produkte großer Dicke ermöglicht. Zudem erlaubt die Radartechnologie eine deutlich höhere Messgeschwindigkeit und dadurch eine kürzere Reaktionszeit auf Dickenänderungen. Die zusätzlichen und schnelleren Dickeninformationen können dazu beitragen, bisherige Walzprozesse weiter zu optimieren. 

Nachhaltigkeit und Ressourcenschonung
Letztlich zielt RaDime darauf ab, die Ressourcenschonung und Nachhaltigkeit in der Metallproduktion zu fördern, indem durch die langfristige Verfügbarkeit geeigneter Messsysteme die Produktionseffizienz und Produktqualität sichergestellt werden kann und der Einsatz radioaktiver Strahlung reduziert wird. Dies steht im Einklang mit den globalen Zielen zur Förderung nachhaltiger Produktionsmethoden. Das Projekt RaDime leistet somit einen bedeutenden Beitrag zur Weiterentwicklung der Metallindustrie, indem es innovative Lösungen bietet, die sowohl die Qualität als auch die Effizienz der Produktion nachhaltig sicherstellen und verbessern und gleichzeitig eine umweltfreundliche Alternative zu isotopenbasierten Messsystemen darstellen.

Lösungsansatz
Um die angestrebte Messgenauigkeit und Effizienz zu realisieren, wird ein umfassender Lösungsansatz verfolgt:

• Präzise Lagebestimmung: Die exakte Erfassung der Position des Walzguts über einen weiten Winkelbereich ist essenziell für die Genauigkeit der Messungen.
• Echtzeitfähige Signalverarbeitung: Die Verwendung maßgeschneiderter Radarsignalverarbeitungsalgorithmen sowie spezifisch entwickelter KI-Methoden ermöglicht eine Optimierung der Messdaten in Echtzeit.
• Frequenzbandfusion: Die synthetische Kombination zweier Frequenzbänder wird implementiert, um eine bisher unerreichte Messauflösung zu erreichen.

Technische und wissenschaftliche Aufgabenstellung
Im Rahmen des Projekts sind mehrere technische und wissenschaftliche Herausforderungen zu bewältigen:

• Entwicklung hochintegrierter FMCW-Radarsensoren: Diese Sensoren werden modular konzipiert und an die spezifischen Anforderungen der Walzstraße angepasst, um eine umfassende Abdeckung der relevanten Messpunkte sicherzustellen.
• Breitbandige Antennenstruktur: Die Entwicklung geeigneter Antennenstrukturen zur Nutzung beider Frequenzbänder in Kombination mit einer MIMO-Topologie stellt eine wesentliche Herausforderung dar.
• Erweiterte Signalverarbeitung: Die Implementierung kombinierter Verfahren zur präzisen Abbildung der Walzgut-Oberfläche ist notwendig, um eine präzise Messung auch bei Biegung und Schräglage des Messguts zu ermöglichen. 
• Echtzeit-Datenverarbeitung: Angesichts des hohen Datenvolumens, das aus den Messungen resultiert, ist eine Verarbeitung über GPU, CPU und FPGA erforderlich, um eine schnelle Kohärenz und Reaktionszeit zu gewährleisten.
  

Implementierung und Test
Um die im Vorhaben entwickelten Technologien und Messverfahren zu validieren, wird ein Demonstrator-Aufbau entwickelt und im Prüffeld der IMS Messsysteme aufgebaut. Der Demonstrator wird auf Basis der industriellen Standards bei IMS ausgelegt, um die Eignung der Technologien für den späteren Einsatz in Walzwerken sicherzustellen. Er wird anhand geeigneter Prüfaufbauten, die realistische Produktionsszenarien nachbilden, getestet und optimiert. 
Die Testphasen umfassen Laboruntersuchungen, realistische Testmessungen am Demonstrator- und Prüfaufbau der IMS sowie die Zulassung des Systems nach geltenden Regularien. Diese umfassenden Tests sind darauf ausgelegt, sicherzustellen, dass die Messtechnologie die angestrebte Messperformance und die Voraussetzungen für eine spätere Industrialisierung erfüllt. 

Erwartete Ergebnisse
Die Kernziele des Projekts RaDime umfassen:

• Produktionsqualität und -Effizienz: Durch die Entwicklung zukunftssicherer Messtechnologien und Verbesserung der Messperformance wird langfristig die Produktionsqualität und Effizienz bei Walzprozessen gesichert und verbessert.
• Nachhaltigkeit und Sicherheit: Reduktion des Einsatzes radioaktiver Materialien in der Metallindustrie. 
• Entwicklung innovativer Messtechnologien: Die Etablierung neuer Technologien, die auch in anderen industriellen Anwendungen von Nutzen sein können.

Dieses Projekt wird durch die Europäische Union und das Land Nordrhein-Westfalen im Rahmen des EFRE/JTF-Programms NRW 2021-2027 mit 2.685.047 € gefördert.