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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Geschwindigkeitsrelationen
zwischen Antriebsgruppen einer Papiermaschine sowie eine Papiermaschine
mit zumindest einer Vortrockenpartie mit zumindest einer Antriebsgruppe,
wobei die Antriebsgruppen der Vortrockenpartie jeweils zumindest einen
Trockenzylinder zum Trocknen einer Papierbahn aufweisen.
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Die
Erfindung betrifft weiter ein Computerprogramm zur Durchführung eines
derartigen Verfahrens sowie ein Computerprogrammprodukt mit einem derartigen
Computerprogramm.
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Ein
derartiges Verfahren kommt auf dem Gebiet der Papierherstellung
zum Einsatz. In oft vorkommenden Konstellationen einer Papiermaschine befindet
sich nach einer Vortrockenpartie eine Leimpresse und danach eine
Nachtrockenpartie. In einigen Fällen – wie z.
B. in Newsprintmaschinen – existiert
allerdings auch lediglich eine Vortrockenpartie ohne Leimpresse
und Nachtrockenpartie. Die Vortrockenpartie und die optionale Nachtrockenpartie
bestehen üblicherweise
jeweils aus mehreren dampfbeheizten Trockenzylindern. Dabei werden
typischerweise jeweils mehrere hintereinander liegende Trockenzylinder
zusammen in einer Antriebsgruppe mit gleicher Geschwindigkeit angetrieben,
also z. B. die Trockenzylinder in der Vortrockenpartie in m Antriebsgruppen
und die Trockenzylinder der Nachtrockenpartie in n Antriebsgruppen.
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In
diesen Trockengruppen einer Papiermaschine wird eine Papierbahn – ausgehend
von einer Anfangsfeuchte – auf
eine bestimmte Endfeuchte getrocknet. Die Bahn ändert dabei ihre Eigenschaften, unter
anderem auch das Elastizitätsmodul,
welches über
eine Funktion direkt vom Feuchtegehalt abhängt. Um eine gleichmäßige Bahnspannung
(auch als Bahnzug bezeichnet) aufrechtzuerhalten, die für die Qualitätsparameter
der Ware ebenso wichtig ist wie für die Stabilität des Bahnlaufs
(möglichst
keine Überdehnung,
wenige Abrisse; es wird aber auch ein gewisser Mindestzug benötigt, damit
die Führung
der Bahn an den umschlungenen Walzen gewährleistet ist und Falten vermieden
werden), müssen
die Geschwindigkeiten der einzelnen Trockengruppen dem Trocknungsprofil
angepasst werden.
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Das
technische Problem besteht nun darin, wie die Geschwindigkeits-Sollwerte,
insbesondere die Differenz- oder Relations-Sollwerte, der Antriebsgruppen
der Vortrockenpartie (und ggf. auch der Nachtrockenpartie) einzustellen
sind. Nach gegenwärtigem
Stand der Technik müssen
Abweichungen im Bahnzug vom Bediener nach Sicht oder durch Befühlen erkannt
und von Hand über
die Geschwindigkeitsrelationen der Antriebsgruppen nachgestellt werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Geschwindigkeitsrelationen
von Antriebsgruppen einer Papiermaschine automatisch zu bestimmen.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch ein Verfahren zur Bestimmung von Geschwindigkeitsrelationen zwischen
Antriebsgruppen einer Papiermaschine, wobei die Papiermaschine zumindest
eine Vortrockenpartie mit zumindest einer Antriebsgruppe aufweist
und wobei die Antriebsgruppen der Vortrockenpartie jeweils zumindest
einen Trockenzylinder zum Trocknen einer Papierbahn aufweisen, mit
den folgenden Schritten:
- – Bereitstellung von Messwerten
wie insbesondere von Geschwindigkeiten der Antriebsgruppen, einer
flächebezogenen
Masse der Papierbahn, von Feuchtemessungen nach dem letzten Trockenzylinder
der Vortrockenpartie und/oder von Dampfdrücken in den Trockenzylindern,
- – Berechnung
von Bahnfeuchten der Papierbahn nach jedem Trockenzylinder aus den
Messwerten,
- – Berechnung
zumindest einer Bahndehnung aus einem Elastizitätsmodul und zumindest einer
vorgebbaren Soll-Bahnspannung
und
- – Berechnung
der Geschwindigkeitsrelationen aus der zumindest einen Bahndehnung.
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Die
Aufgabe wird weiter gelöst
durch eine Papiermaschine, ein Computerprogramm sowie ein Computerprogrammprodukt
mit den in Anspruch 5, 6 bzw. 7 angegebenen Merkmalen.
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Durch
die erfindungsgemäße Bereitstellung von
Messwerten von aktuellen Prozessgrößen wie Bahnfeuchten, Flächengewicht,
Materialgeschwindigkeit, Verdampfungsfläche, Dampfdruck und -menge,
Anlagengeometrie usw. werden die für die Bestimmung der Geschwindigkeitsrelationen
benötigten Messwerte
an geeigneter Stelle – wie
z. B. in einem Computerprogramm – zur Verfügung gestellt. Dabei liegen
diese Messwerte typischerweise bereits ohnehin in verschiedenen
Teilen der Anlage vor. Nur für den
Fall, dass in einer speziellen Papiermaschine zumindest einer dieser
benötigten
Messwerte nicht vorliegen sollte, schließt die Bereitstellung der Messwerte
auch eine Messung der betreffenden Messwerte ein.
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Erfindungsgemäß wird in
einem so genannten ”Trocknungsmodell” aus den
bereitgestellten Messwerten die relative Feuchte u_i der Papierbahn nach
jedem Zylinder i der Vortrockenpartie berechnet. Dabei ist die Papierbahnfeuchte
an einem Ort x_2 = x_1 + ΔLgegeben durch u_2 = u_1 – [(m_u
+ m_o)/Gatro]·(ΔL/V_M)mit der Maschinengeschwindigkeit
V_M und dem Atro-Flächengewicht Gatro = m_F/A(m_F:
Masse der trockenen Papierbahn, A: zugehörige Papierbahnfläche). Die
Verdampfungsraten m_u und m_o an der Papierbahnunter- bzw. -oberseite
genügen
der Stefangleichung, in die auch anlagenspezifische Parameter wie
z. B. Gesamtdruck und Temperatur in einer typischerweise vorhandenen
Trockenhaube eingehen.
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Über ein
feuchteabhängiges
Elastizitätsmodul
(E-Modul), das z. B. aus einer Labormessung bekannt ist, kann aus
einer vorgegebenen Soll-Bahnspannung σ die notwendige Bahndehnung ε berechnet
werden, aus der sich dann wiederum die Geschwindigkeitsrelationen
zwischen den einzelnen Antriebsgruppen berechnen lassen. Dabei muss
die Soll-Bahnspannung σ nicht
in der gesamten Vor- und Nachtrockenpartie konstant sein, sondern
zwischen den einzelnen Antriebsgruppen variieren, da die Bahn in
der Vortrockenpartie mit zunehmender Trocknung erst die für eine größere Bahnspannung erforderliche
Festigkeit erlangt.
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Die
Trockenkurve der Papierbahn über
die einzelnen Trockenzylinder ist insbesondere nach Stillständen oder
Abrissen anders als im ”eingeschwungenen
Zustand”:
Nach kurzen Stillständen
(z. B. nach Abrissen), während
derer sich die Trockenzylinder in der Regel (etwas) aufheizen, weist
die nachfolgend produzierte Papierbahn ein niedrigeres Feuchteprofil
auf (das heißt
die Feuchte u_i am Zylinder i ist niedriger als normal). Nach langen
Stillständen,
in denen die Dampfdrücke
der Trockenzylinder heruntergefahren werden, sind unter Umständen die Zylinder
noch nicht auf ”Betriebstemperatur”, und das Feuchteprofil
der nachfolgend produzierten Papierbahn ist höher als normal. So muss der
Anlagenfahrer die Geschwindigkeitsrelationen beim Anfahren an die
sich ändernden
Verhältnisse
anpassen.
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Wenn
die Bahndehnung (bzw. die Geschwindigkeitsrelationen) falsch eingestellt
ist, kann dies bei zu starker Dehnung zu Bahnabrissen führen und
bei zu niedriger Dehnung zu Bahnflattern, das eine schlechte Papierqualität und unter
Umständen
auch Abrisse zur Folge haben kann. Durch die erfindungsgemäße Lösung werden Änderungen
im Feuchteprofil erkannt und die daraus resultierenden veränderten Geschwindigkeitsrelationen
zwischen den Antriebsgruppen automatisch bestimmt. Dies bringt den
großen
Vorteil mit sich, dass die Qualität der erzeugten Papierbahn
nicht mehr unter anderem von der Erfahrenheit und Aufmerksamkeit
eines Bedieners (Anlagenfahrers) ab hängig ist, sondern nunmehr eine durch
eine gleichmäßige Bahndehnung
bedingte gleich bleibende Qualität
zuverlässig
gewährleistet ist.
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In
einer vorteilhaften Form der Ausgestaltung werden – wobei
die Papiermaschine eine Leimpresse und eine Nachtrockenpartie mit
jeweils zumindest einer Antriebsgruppe aufweist, wobei die Antriebsgruppen
der Nachtrockenpartie zumindest einen Trockenzylinder zum Trocknen
der Papierbahn aufweisen – Messwerte
von Geschwindigkeiten der Antriebsgruppen, von Feuchtemessungen
nach dem letzten Trockenzylinder der Nachtrockenpartie, von einem
Massenfluss der aufgetragenen Leimmenge sowie von einem Wasserauftrag
in der Leimpresse bereitgestellt und die Bahnfeuchte zwischen Leimpresse
und Nachtrockenpartie aus der Feuchtemessung nach dem letzten Trockenzylinder
der Vortrockenpartie und dem Wasserauftrag berechnet. Auf diese
Weise können
die Geschwindigkeitsrelationen auch für Papiermaschinen mit Leimpresse
und Nachtrockenpartie zwischen sämtlichen
Antriebsgruppen automatisch bestimmt werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird das Elastizitätsmodul
aus den Bahnfeuchten, je einer vor und nach der Leimpresse gemessenen
Bahnspannung und der aus den Geschwindigkeiten der beteiligten Antriebsgruppen
bestimmten Dehnung berechnet. Die Berechnung erfolgt dabei über ein
weiteres Modell (”E-Modul-Modell”). Hierdurch
werden Unsicherheiten vermieden, die aus der Verwendung einer Labormessung
für das
feuchteabhängige
Elastizitätsmodul
resultieren, da dies voraussetzt, dass die Eigenschaft (des E-Moduls)
hinreichend konstant ist (was allerdings bei z. B. Newsprintmaschinen
gewöhnlich
der Fall ist). Da bei dieser Ausführungsform das feuchteabhängige E-Modul aus
laufenden Messwerten der Papierbahn berechnet wird, passt sich das
erfindungsgemäße Verfahren auch
Veränderungen
des E-Moduls in der Papierbahn automatisch an (vollständig adaptiv).
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden die Geschwindigkeitsrelationen
zwischen den Antriebsgruppen auto matisch eingestellt. Das heißt, die
aus den Bahndehnungen berechneten Geschwindigkeitsrelationen werden
der Antriebsregelung als Sollwerte vorgegeben. Die verfügbaren Messdaten
unterschiedlicher und bisher nur getrennt betrachteten Teile der
Anlage werden somit geeignet verknüpft, um eine für die Qualität des Produkts
und die Verfügbarkeit
des Prozesses vorteilhafte Einstellung zu erreichen, die bisher
vom Bediener manuell (näherungsweise)
eingestellt werden musste. Aufgrund der durch kontinuierliche Messungen
erhaltenen Prozessdaten ist das Verfahren automatisch adaptiv und
hat eine hohe Zuverlässigkeit.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand der in den FIGuren dargestellten
Ausführungsbeispiele näher beschrieben
und erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung von Antriebsgruppen einer Papiermaschine,
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2 das
Elastizitätsmodul
in Abhängigkeit von
der Bahnfeuchte,
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3 die
Bahnspannung in Abhängigkeit von
der Bahndehnung.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer Papiermaschine mit einer Vortrockenpartie (PDS, ”Pre-Dryer
Section”),
einer Leimpresse (SP, ”Size
Press”)
und einer Nachtrockenpartie (ADS, ”After-Dryer Section”). Die
Vortrockenpartie PDS und die Nachtrockenpartie ADS bestehen jeweils
aus mehreren dampfbeheizten Trockenzylindern Z. Jeweils mehrere
hintereinander liegende Trockenzylinder Z werden zusammen in einer
Antriebsgruppe PDS_m – 1,
PDS_m, ADS_1, ADS_2, ADS_n mit gleicher Geschwindigkeit angetrieben,
also z. B. die Trockenzylinder Z in der Vortrockenpartie PDS in
m Antriebsgruppen PDS_m – 1,
PDS m und die Trockenzylinder Z der Nachtrockenpartie ADS in n Antriebsgruppen
ADS_1, ADS_2, ADS_n.
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In
Trockengruppen PDS, ADS einer Papiermaschine wird eine Papierbahn
PB ausgehend von einer Anfangsfeuchte auf eine be stimmte Endfeuchte getrocknet.
Da die Bahn PB dabei ihre Eigenschaften wie z. B. das Elastizitätsmodul,
das direkt vom Feuchtegehalt abhängt, ändert, müssen die
Geschwindigkeiten der einzelnen Trockengruppen PDS, ADS dem Trocknungsprofil
angepasst werden, um eine gleichmäßige Bahnspannung σ (auch als
Bahnzug bezeichnet) aufrechtzuerhalten, die für die Qualitätsparameter
der Ware ebenso wichtig ist für
die Stabilität
des Bahnlaufs (möglichst
keine Überdehnung,
wenige Abrisse).
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Durch
die erfindungsgemäße Lösung werden
die für
zumindest eine vorgegebene Soll-Bahnspannung σ zur Einstellung notwendigen
Geschwindigkeitsrelationen berechnet. Dabei muss die Soll-Bahnspannung σ nicht in
der gesamten Vor- und Nachtrockenpartie PDS, ADS konstant sein,
sondern muss zwischen den einzelnen Antriebsgruppen PDS_m – 1, PDS_m,
ADS_1, ADS_2, ADS_n variieren, d. h. dem Trocknungsverlauf angepasst
werden, welcher mit einer Schrumpfung einhergeht.
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Der
Bahnzug σ_PDS_m
nach der letzten Antriebsgruppe PDS_m der Vortrockenpartie PDS vor der
Leimpresse SP wird in einem Regelkreis durch die Vorgabe der Geschwindigkeitsrelation v_SP/v_PDS_m – das heißt dem Verhältnis der
Geschwindigkeiten der Antriebsgruppen SP und PDS_m – eingestellt.
Die Bahnfeuchte u_PDS_m liegt als Messwert vor. Analog wird der
Bahnzug σ_ADS_0
vor der ersten Antriebsgruppe ADS_1 der Nachtrockenpartie ADS in
einem Regelkreis durch die Vorgabe der Geschwindigkeitsrelation v_ADS_1/v_SP – das heißt dem Verhältnis der
Geschwindigkeiten der Antriebsgruppen ADS_1 und SP – eingestellt.
Die Bahnfeuchte u_ADS_0 lässt
sich aus der gemessenen Bahnfeuchte u_PDS_m und dem in der Regel
bekannten Wasserauftrag in der Leimpresse SP berechnen. (Der Wasserauftrag
in der Leimpresse SP lässt
sich z. B. aus dem Frischwasserverbrauch der Leimpresse SP ermitteln.)
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Analog
werden die über
die mit dem Trocknungsmodell berechneten Bahnfeuchten bestimmten Geschwindigkeitsrelationen
zwischen allen Antriebsgruppen PDS_m – 1, PDS_m, ADS_1, ADS_2, ADS_n
eingestellt, so dass die Geschwindigkeiten der einzelnen Antriebsgruppen
PDS_m – 1,
PDS_m, ADS_1, ADS_2, ADS_n vorteilhafterweise automatisch an Veränderungen
im Trocknungsprofil einer Papierbahn PB angepasst werden. Hierdurch
werden Bahnabrisse und Bahnflattern verhindert und somit die Zuverlässigkeit
der Papiermaschine bei gleichbleibend guter Papierqualität erhöht.
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2 zeigt
das Elastizitätsmodul
E in Abhängigkeit
von der Bahnfeuchte u. Zur Ermittlung der Kennlinie E(u) mittels
eines so genannten ”E-Modul-Modells” werden
die Punkte A und B ermittelt, wobei A die Feuchte und Bahnelastizität unmittelbar vor
der Leimpresse SP repräsentiert
(= trocken) und B dasselbe unmittelbar nach der Leimpresse SP (= feucht).
Dabei wird die Bahnfeuchte u_PDS_m vor der Leimpresse SP gemessen
und die Bahnfeuchte u_ADS_0 nach der Leimpresse SP aus dem in der Regel
bekannten Wasserauftrag in der Leimpresse SP berechnet. Um die zugehörigen E-Werte
zu bestimmen, wird zudem vor und nach der Leimpresse SP die Bahnspannung σ gemessen
und die Dehnung der Bahn PB aus den Geschwindigkeiten der beteiligten
Antriebsgruppen PDS_m, SP, ADS_0 bestimmt. (Optional kann die Kennlinie
gemäß dieser
Figur auch als Labormessung verwendet werden, falls diese Eigenschaft
der Papierbahn PB hinreichend konstant bleibt).
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Gemäß dem E-Modul-Modell
verlaufen die Kennlinien während
des Verlaufs der Papierbahn PB durch Vortrockenpartie PDS, Leimpresse
SP und Nachtrockenpartie ADS innerhalb des durch die schraffierten
Linien gekennzeichneten Bereichs, wie in der Sprechblase angedeutet.
Der Zustand der Papierbahn PB im E(u)-Diagramm verläuft zunächst während der
Vortrockenpartie PDS vom Punkt B zum Punkt A, da die zugehörige Bahnfeuchte
u_PDS kontinuierlich abnimmt. Während
des Durchgangs durch die Leimpresse SP nimmt die entsprechende Bahnfeuchte
u_SP wieder zu und schließlich
die Bahnfeuchte u_ADS in der Nachtrockenpartie ADS wieder ab – entsprechend
einer Zustandsbewegung von A nach B und wieder zurück.
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Anhand
des mittels des besagten Modells bestimmten Elastizitätsmoduls
E in Abhängigkeit
von der Bahnfeuchte u (oder optional mittels einer Laborkennlinie)
kann nun in einem nächsten
Schritt die Bahndehnung ε zu
einer vorgegebenen Soll-Bahnspannung σ errechnet
werden, wie in der nächsten Figur
gezeigt ist.
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3 zeigt
die Bahnspannung σ in
Abhängigkeit
von der Bahndehnung ε für verschiedene Bahnfeuchten
u. Dabei beginnen die den verschiedenen Bahnfeuchten u entsprechenden
Halbgeraden nur für
den Fall einer trockenen Papierbahn PB mit der Bahnfeuchte u1 im
Ursprung. Es ist bekannt, dass sich die Papierbahn PB im spannungslosen
Zustand (σ =
0) in Länge
und Breite verändert,
wenn die Feuchte u verändert
wird. In Maschinen-Richtung nimmt
die Länge
der Papierbahn PB zu, wenn – ausgehend
von einer ”absolut
trockenen (atro)” Papierbahn
PB – Feuchte
zugeführt
wird, wie es z. B. bei der Leimpresse SP der Fall ist. Dies ist
in der FIGur durch die feuchteabhängigen Bahndehnungen ε im zugfreien
Zustand – ε(σ = 0, u1), ε(σ = 0, u2),
... – dargestellt,
wobei u4 > u3 > u2 > u1 gilt. Die gestrichelten
Linien sind die Halbgeraden für
die Bahnfeuchten u_PDS_m im Punkt A und u_ADS_0 im Punkt B der 2.
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Um
die Bahndehnung ε zu
einer vorgegebenen Soll-Bahnspannung σ zu ermitteln, muss nun nur noch
für die
jeweilige Bahnfeuchte u die zu der Soll-Bahnspannung σ gehörende Bahndehnung ε bestimmt
werden, wie dies in der FIGur durch die gepunkteten Pfeile gezeigt
ist. Aus diesen jeweiligen Bahndehnungen ε können die Geschwindigkeitsrelationen
zwischen den einzelnen Antriebsgruppen PDS_m – 1, PDS_m, ADS_1, ADS_2, ADS_n
berechnet werden und der Antriebsregelung als Sollwerte vorgegeben
werden. Auf diese Weise können die
Geschwindigkeitsrelationen zwischen den Antriebsgruppen PDS_m – 1, PDS_m,
ADS_1, ADS_2, ADS_n automatisch so eingestellt werden, dass die Bahnspannung σ der Papierbahn
PB weder zu hoch ist (Gefahr des Bahnabrisses) noch zu niedrig ist (Gefahr
des Bahnflatterns).
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Zusammenfassend
betrifft die Erfindung eine Papiermaschine mit zumindest einer Vortrockenpartie
mit zumindest einer Antriebsgruppe, wobei die Antriebsgruppen zumindest
einen Trockenzylinder zum Trocknen einer Papierbahn aufweisen. Um
die Geschwindigkeitsrelationen zwischen den Antriebsgruppen automatisch
zu bestimmen, wird ein Verfahren mit den folgenden Schritten vorgeschlagen:
- – Bereitstellung
von Messwerten wie insbesondere von Geschwindigkeiten der Antriebsgruppen, einer
flächebezogenen
Masse der Papierbahn, von Feuchtemessungen nach dem letzten Trockenzylinder
der Vortrockenpartie und/oder von Dampfdrücken in den Trockenzylindern,
- – Berechnung
von Bahnfeuchten der Papierbahn nach jedem Trockenzylinder aus den
Messwerten,
- – Berechnung
zumindest einer Bahndehnung aus einem feuchteabhängigen Elastizitätsmodul
und zumindest einer vorgebbaren Soll-Bahnspannung und
- – Berechnung
der Geschwindigkeitsrelationen aus der zumindest einen Bahndehnung.
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Durch
die erfindungsgemäße Lösung werden
die aus Änderungen
im Feuchteprofil resultierenden veränderten Geschwindigkeitsrelationen
zwischen den Antriebsgruppen für
eine gleichmäßige Bahndehnung
automatisch bestimmt.