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Anlagen und Systeme Teil 2

In PapierMacher 9/2005 war dargestellt worden, dass Papierfabriken heute wegen ihrer komplexen Produktionsstruktur sehr auf eine gut funktionierende Prozessleittechnik angewiesen sind. In dieser Ausgabe wird der Bericht fortgesetzt.

– Technische Systeme miteinander verbunden,hoher Kommunikationsgrad Kommunikation zwischen Technik und Verwaltung, horizontale und vertikale IntegrationEin wesentlicher Punkt ist die gleiche Datenbasis für alle. Controlling, Verkauf, Werksleitung, Versuchsingenieure, Trouble-Shooter, Produktion und Instandhalter greifen darauf zu, fallweise auch Lieferanten oder Outsourcing-Partner. Das ist der Stand heute an modernen Anlagen. Wie das aussehen kann, wird nachfolgend vereinfacht dargestellt.

Prozessleittechnik – moderne Kommunikation
Der Aufbau von komplexen hochkommunikativen Systemen ist heute relativ einfach. Grundlage ist ein Netzwerk, ein LAN (Local Area Network), das auf das Areal der Papierfabrik begrenzt ist. Glasfaserverkabelung garantiert hohe Geschwindigkeiten trotz großer Datenmengen. Auf diesem Netzwerk läuft der Datentransfer ab. Am besten über standardisierte Datenübertragungsprotokolle. TCP/IP ist ein solcher Standard, der von vielen großen Anbietern realisiert wird. An dem Netzwerk hängen die unterschiedlichen Subsysteme und übertragen nach einer entsprechenden Datenaufbereitung ihre Daten an die Stellen, wo sie benötigt werden. Als Beispiel ist hier ein On-Line-Traversierrahmen mit Sensorik aufgeführt. Eine intelligente Schnittstelle bereitet die Messsignale auf und so vor, dass sie an anderer Stelle weiterverwendet werden können. In unserem Beispiel gehen die Quer- und Längsprofile an eine Querprofilregelung und werden dort zu entsprechenden Stellsignalen umgeformt und an eine Regeleinheit zur Umsetzung weitergegeben. Vorteil eines solchen Aufbaus ist auch die problemlose Erweiterung. Das spart Kosten und Zeit und ein Upgrade der bestehenden Systemgeneration ist nicht notwendig.

Prozessleitsystem – Moderne Systemarchitektur
Baut man das Netzwerk in dem zuletzt geschilderten Stil aus, erhält man ein großes System, das als wesentliche Komponenten beinhaltet:

– Einheitliche Bedienoberfläche

– Zugang über Service- und Engineeringstationen für Änderungen/Optimierungen

– Zeitgerechte Zusammenstellung von Störungen und Alarmen als Ausdrucke

– Online Traversiersysteme mit zahlreichen Messungen

– Längs- und Querprofilregelungen

– Einspielbare Labordaten und Statistiken

– Spezialapplikationen

– Analysewerkzeuge

– Oberflächeninspektion

– Abrisssysteme

– Integrierte Antriebstechnik.

Der Papiermacher entwickelt sich zum Anlagenfahrer. Arbeitsplatz wird die klimatisierte Leitwarte. Das Handwerkliche tritt zunehmend in den Hintergrund. Das Anlagenverständnis und die Arbeit am Bildschirm bestimmen den Produktionsalltag. Voraussetzung ist, dass die Prozesse sauber standardisiert werden. Handzettel und Schicht- und personenspezifische „Wundereinstellungen” haben in großtechnischen Anlagen nichts mehr zu suchen. Die Abbildungen zu diesem Artikel zeigen solche Schaltwarten.

Papiermaschine, Stoffaufbereitung und Kläranlage sind heute ohne ein solches System nicht mehr koordiniert zu betreiben. Mill-Wide ist notwendig, damit der Personalaufwand sich im Rahmen hält. Online-Messungen für zum Beispiel Weißgrad, Niveau, Mahlgrad und Konsistenz ergänzen das Bild. Auch hier spielt die Qualitätskonstanz eine entscheidende Rolle. Die heutigen Prozesse werden immer schneller. Installierte Volumina wie Behälter, Pulper und Rohrleitungssysteme müssen bei gesteigerten Durchsatzleistungen effektiver gesteuert werden, damit sie die Anforderungen noch erfüllen können. Nur die moderne Steuer- und Regeltechnik ist in der Lage, dies zu leisten. Die Systeme sind heute so mächtig in ihrer Rechner- und Software-Leistungsfähigkeit, dass es anwendungstechnisch praktisch keine Restriktionen mehr gibt. Besonders kritische Steuer- und Regelkreise sollten dennoch separat spezifiziert und abgearbeitet werden. Teilweise bieten die Maschinenlieferanten aber auch eigene Insellösungen an, die dann nur übergeordnet integriert werden müssen. Allerdings muss immer die Anlagensicherheit und Wirtschaftlichkeit im Vordergrund stehen.

Eine wesentliche Verbesserung in den letzten Jahren stellen die On-Line-Tools dar. Softwareänderungen, Verriegelungsänderungen, Erweiterungen von Hard- und Software und die Dokumentation der Ist-Zustände können mit entsprechenden Simulationsprogrammen bei laufenden Anlagen durchgeführt werden. Neu ist auch die Durchgängigkeit einiger Systeme bis hinunter zur Antriebstechnik der Papiermaschine. Hier sind die Anforderungen an Schnellläufer beispielsweise besonders hoch. Bei Neuanlagen ist die Schnittstelle zwischen Maschinenlieferanten und Systemlieferanten sorgfältig zu betrachten. In der Projektierungsphase muss sichergestellt werden, dass die notwendige Dokumentation zum Bau des Prozessleitsystems in einer beidseitig verständlichen Form abgewickelt wird. Das zieht sich bis zur Werksabnahme der Systeme. Der Maschinenlieferant sollte mit der Anlagentechnik vertraut sein, damit die Inbetriebnahme nicht durch Verständigungsfehler oder Zeitverzögerungen bei der Umsetzung von Modifikationen behindert wird.

Traversierende Online-Messung
Das wichtigste Teilsystem für eine Papierfabrik ist die Traversierende Online-Messung. Es ist das Messsystem für relevante Qualitätsparameter wie Flächengewicht, Feuchte, Dicke und so weiter. Das System entscheidet über die Wirtschaftlichkeit der Papiermaschine und maßgeblich über die Qualitätskonstanz.

Die Sensorik für diese Basisparameter ist in den meisten Anwendungsfällen ausreichend genau verfügbar. Es gibt nicht „den“ Flächengewichts-, Feuchte- oder Dickensensor, sondern die Messsensorik der Systeme muss auf die Produktionspalette der jeweiligen Papiermaschine zugeschnitten sein. Entscheidend ist hier die Erfahrung des Lieferanten. Obwohl es in den meisten Fällen den passenden Sensor am Markt gibt, ist nicht immer sichergestellt, dass die Messung ausreichend genau funktioniert. Das kann für Lieferant und Papierfabrik ein dornenreicher Weg werden. Jeder Lieferant gibt zum Beispiel für die Messgenauigkeit andere Zahlen und Streuwerte an und hat andere Kalibrierungsmethoden. Eine Laborkalibrierung muss nicht zwangsläufig mit einer Kalibrierung im laufenden Betrieb übereinstimmen, wo sich zahlreiche Variable ständig ändern. Somit lässt sich folgendes Problem definieren: Die Messgenauigkeit und deren Nachweis sind (noch) nicht genormt. Wichtig ist also, dass man sich im Vorfeld eines Projektes auf eine abgestimmte Vorgehensweise für die Nachweise und Kontrollen einigt.

Mit der Messgenauigkeit Online steht und fällt die Zielerreichung von Wirtschaftlichkeit und Qualität. Alle relevanten Regelkreise der PM sollten in einem integrierten Umfeld bearbeitet werden: Stoffauflaufregelung, Dampfsystem, Querprofilstellglieder, Chemikalienhaushalt, konstanter Teil und so weiter. Die Integration ist wichtig für die Verarbeitungsgeschwindigkeit und die Tuningmöglichkeiten der Regelkreise. Die wesentlichen Einstellungen werden in einer Sortendatenbank hinterlegt.

Die Produktions-Anlagen werden heute von einer Warte aus gefahren. Alle relevanten Parameter müssen auf den modernen Systemen verfügbar und leicht kontrollierbar sein. Das technische und technologische Know-how wird auf den Systemen abgebildet und zugänglich gemacht. Das erleichtert die Einarbeitung der Mitarbeiter, zwingt jedoch dazu, die Prozesse sauber zu standardisieren. Das früher so hoch geschätzte „Handwerkliche“ wird durch das Anlagenverständnis ersetzt.

Als notwendige Entwicklungen für die Zukunft lassen sich definieren: Integration von Retention, Online-Mahlgradmessung, Ladungsmessungen und weiteren wesentlichen Labordaten, außerdem mehr traversierende oder zumindest statische Messungen nach der Pressenpartie. Darauf wird in der Praxis noch zu wenig geachtet. Der Anlagenfahrer benötigt all diese Informationen permanent und schnell. Laborwerte und deren manuelle Übermittlung dauern zu lang und sind oft über Stunden nicht verfügbar. Personalknappheit ist ein beherrschendes Thema in allen Fabriken, deshalb werden Qualitäts- und Schichtlabors stark reduziert. Sinnvoll sind auch Verbindungen zu automatisierten Papierprüfungen im Labor, automatische Dateneinlesungen für Qualitätsberichte, Zertifikate, Auswertemöglichkeiten und Statistiken. Wichtige Laborwerte sollen und müssen künftig besser integriert werden. Qualitätszertifikate werden teilweise bis hinunter zu Kleinaufträgen unter einer Tonne gefordert. Entweder man verzichtet auf die Daten oder man installiert entsprechende Online-Messungen oder man betreibt den Aufwand kundenspezifisch und manuell.

In Papierfabriken haben die Systeme im Normalfall eine Lebensdauer von zehn bis 15 Jahren. Ein Austausch ist meistens nur durch Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen realisierbar. Argumente sind hier: Höhere Messgenauigkeit, mehr Sensoren, optimierende übergreifende Regelungen, schnellere Antwortzeiten auf Veränderungen, höhere Qualität durch bessere Auflösung, Personalabbau.

Eine Amortisierung innerhalb von einem Jahr sollte in vielen Fällen möglich sein.

Querprofilregelung:
Die Ansteuerung erfolgt über die Messungen für Flächengewicht, Feuchte, Dicke, Glätte, Glanz und weitere Parameter, eine Umsetzung in der Papiermaschine durch Bedampfung, Befeuchtung, Stoffauflauf-Verdünnung oder Spindeln, induktive Heizsysteme oder Heißluftdüsen. Je schneller Messung und Regelausgänge, desto enger die Qualitätstoleranz. Die Entkopplung von Stellgliedern, die auf Flächengewicht und Feuchte wirken, ist eine Wissenschaft für sich, weil eine starke Abhängigkeit vom Messsystem vorhanden ist. Es ist vor allem auf die akkurate Zonenansteuerung zu achten. Schrumpfungsmodelle/Strömungstechnik am Stoffauflauf und Ähnliches müssen mathematisch integriert sein. Ausgefeilte Modelle für Schrumpfung und Strömungstechnik sind notwendig. Die Überprüfung der Zuordnung Stellglied und Bahnposition erfolgt zum Beispiel über Bump-Tests (Sprung-Antwort) während der Produktion. Farbe wird zum Beispiel am Stoffauflauf aufgesprüht und die Position nach Schrumpfung am Poperoller erfasst. Über ein mathematisches Modell werden die Stellglieder dann zugeordnet. Manuelle Verstellungen gleicher Komponenten werden durch Stellglieder ersetzt. Komplexe mathematische Algorithmen ersetzen die menschliche Vorstellungskraft. Der Mensch ist nicht in der Lage, vergleichsweise korrekt und schnell genug auf Änderungen zu reagieren. Die Querprofilstellglieder werden meistens über das Online Traversiersystem angesteuert. Flächengewicht, Feuchte, Dicke, Glätte, Glanz und Strichgewicht können quer geregelt werden. Einbauorte finden sich technologisch in allen Bereichen einer Papiermaschine. Allerdings sollten die Maschinenbauer bei Neuanlagen entsprechende Einbaupositionen rein räumlich auch vorsehen. Auch an Kalandern und Offline-Streichmaschinen setzt man diese Regelungen ein. Je schneller und hochauflösender die Systeme arbeiten, desto schneller ist der Geldrückfluss.

Basis für eine erfolgreiche Funktion ist die Entkoppelung von Längs- und Querregelung. Die Integration der Querprofilregelungen in automatische Sortenwechselprogramme ist sinnvoll und wichtig, setzt aber ein Gesamtkonzept für die Anlage voraus. Querprofilregelungen sind heute unerlässlich, um die immer enger werdenden Qualitätstoleranzen einhalten zu können.

Oberflächeninspektionssystem
Es handelt sich um ein optisches Kamerasystem, das einzige System in der Papierindustrie, das die produzierte Fläche zu 100 Prozent erfasst. Das Ziel ist die Erkennung von Fehlstellen aller Art. Die Auflösung wird maßgeblich durch die Anzahl der installierten Kameras bestimmt und geht hinunter bis auf wenige Millimeter Durchmesser. Löcher, Flecken, Streifen, dunkle Stellen, Falten und Einrisse können erkannt werden. Ausführliche Berichtssysteme unterstützen den Anwender. Durch Farbmarkierungen können „schlechte Stellen“ und Bahnfehler an nachfolgenden Verarbeitungsmaschinen gezielt angefahren und korrigiert werden (Klebestelle, Aussortierung und Ähnliches). Das System hat praktisch keine Regelausgänge. Full-Imaging liefert ein digitales Photo, beispielsweise das eines Bahnfehlers. Rückschlüsse auf die Ursachen sind dadurch möglich. Außerdem können wiederkehrende systematische Fehler erkannt und auf Verursacher zurückgeführt werden. Das Qualitätswesen, die Reklamationsbearbeitung und die Produktion profitieren davon. Es handelt sich also um ein „Trouble-Shooting“-Tool. Das menschliche Auge wird ersetzt, da die Maschinen immer schneller werden. Das System soll den Drucker beziehungsweise Weiterverarbeiter vor Störungen schützen. Zur Klassifizierung eines fertigen Tambours ist es nicht zu ersetzen.

Abrisssystem
Das Abrisssystem ist ebenfalls ein Kamerasystem. Es dient der Observierung von neuralgischen Positionen innerhalb der Maschinen, zum Beispiel Randspritzer, Pick-Up, Pressenpartie, Trockenpartie, Leimpresse, Streichköpfe und Ähnliches. Es hilft, die Abrissursachen zu identifizieren. Besonders Erfolg versprechend ist es an Schnellläufern und setzt sich zunehmend bei Neuanlagen durch. Abrisse werden gefilmt und digital über eine bestimmte Zeitdauer von zum Beispiel 30 bis 60 Sekunden abgespeichert. Durch Auslösung eines bestimmten Signals zeichnen sämtliche installierte Kameras die gleiche Position auf der laufenden Papierbahn auf. Die Ablage von erkannten Fehlerursachen kann auf einem Datenbanksystem erfolgen. Die früher gefundenen Abrissursachen sind dort als Historie ebenfalls hinterlegt. Beispielsweise Bahnkantenfehler, Schleimbatzen, verstopfte Spritzrohre oder Spritzdüsen, Ablagerungen an Walzen, mitgehender Schaberschmutz, Papier- oder Kartonfetzen, Öl- oder Fettflecken und so weiter. Die Analysen der Abrisse macht der Papiermacher vor Ort. Die Bedienung ist sehr einfach. Ein ausführliches Berichtswesen sämtlicher Abrisse kann in diesem System aufgebaut werden. Die Software ermöglicht die Sammlung und Angabe von vordefinierten Aktionen, um Zeiteinsparungen bei der Fehleranalyse und -behebung zu erreichen. Mit einem grafischen Lineal können Fehlstellen vermessen und in der Datenbank abgespeichert werden. Kamerasysteme an sich sind sehr zahlreich am Markt, die Bildqualität muss jedoch stimmen. Das Herzstück für die Papierindustrie ist die Analysesoftware. Nachweisbare Abrissreduktionen um bis zu 30 Prozent wurden durch den Einsatz dieser Technik erreicht.

Schwingungsüberwachung
Eine Schwingungsüberwachung kann heute durch fest installierte Sensoren in den Maschinen realisiert werden. Eine Integration in Instandhaltungssysteme ist möglich und sinnvoll. Somit können zum Beispiel

– Lagerschäden,

– Pulsationen im konstanten Teil,

– Oberflächenbeschädigungen an Walzen und

– Filzmarkierungen

leichter erkannt werden. Aus den Auswertungen lassen sich entsprechende Maßnahmen ableiten. Es handelt sich heute noch um ein Randsystem, das unter speziellen Zielrichtungen in der Instandhaltung installiert wird. Die Lager- und Schwingungsüberwachung dürfte der wesentliche Ansatzpunkt sein. Aus installationstechnischen Gründen wird es nur an Neubauten installiert, da die nachträgliche Anbringung von Bohrungen in den Lagergehäusen und Ähnliches maschinenbaulich sehr kompliziert ist. Das gilt auch für die Verkabelung der Sensorik. Ganz entscheidend ist eine Betreuung durch geschultes Personal, das sich mit den Grundlagen der Schwingungstechnik auskennt, aber auch technologisch die Vorgänge an einer Maschine versteht.

Zusammenfassung
Unter Prozessleittechnik in der Papierindustrie verstehen wir nicht nur die Anlagentechnik zur reinen Prozessbedienung, sondern auch Anlagen zur Optimierung, Fehleranalyse, Qualitätsverbesserung und Instandhaltung. Die Prozessleittechnik spiegelt das Know-how von Lieferant und Betreiber wieder. Strategien zur Fahrweise, Bedienung, Umwelt, Wirtschaftlichkeit, Sicherheit und so weiter werden hier dokumentiert und umgesetzt. Jeder Sortenwechsel, jede spezifische Fahrweise der Anlage muss eindeutig definiert sein. Neue Erkenntnisse und Anforderungen spiegeln sich in Hard- und Softwareänderungen wider. Diese sollten einfach und schnell umsetzbar sein. Die Kommunikation spielt eine entscheidende Rolle. Die Systeme sollen über Standards miteinander „reden“. Für jede Fabrik muss ein strategisches Gesamtkonzept für die Prozessleittechnik erarbeitet werden. Ein 3- bis 5-Jahresplan ist sinnvoll und notwendig, abgestimmt auf die Produktions- und Qualitätsentwicklung. Ohne Prozessleittechnik ist die erfolgreiche Optimierung einer Produktionseinheit unter heutigen Wettbewerbsvoraussetzungen praktisch nicht möglich. Das Personal muss technisch und technologisch ausreichend geschult sein.

Holger Weidenmüller, Mitarbeiter des Papierzentrums Gernsbach

Autor und Technische Redaktion danken den Firmen Voith Paper, Heidenheim, und ZPR, Zellstoff- und Papierfabrik Rosenthal GmbH & Co. KG in Blankenstein, für das Bildmaterial.