DE102012217729A1

DE102012217729A1 - Verfahren zur Regelung einer Faserstoffbahnherstellungsmaschine zum Verbessern der Formation

Info

Publication number: DE102012217729A1
Application number: DE102012217729A
Authority: DE
Inventors: Oliver Kaufmann; Jens Haag
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2013-10-17
Also published as: EP2900868A1; CN104704168A; EP2900868B1; WO2014048811A1; CN104704168B; US20150292158A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Formation einer Faserstoffbahn eines Faser- oder Papierherstellungsprozesses, bei dem in einer Mehrzahl aufeinanderfolgender Einzelverfahrensstufen, in denen regelbare chemische und/oder physikalische Abläufe bzw. Prozessschritte in Abhängigkeit von Messwerten stattfinden, in denen die zur Bildung der Faserstoffbahn erforderlichen Stoffe behandelt, zusammengeführt und/oder entwässert werden, bei dem zumindest einige der Messwerte inline erfasst und direkt oder indirekt zur Regelung der Formation verwendet werden. Das vorgeschlagene Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest die die Formation relevant beeinflussenden Stellgrößen der einzelnen Abläufe bzw. Prozesse im Gesamtprozess in Abhängigkeit von definierbaren Nebenbedingungen gebildet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Formation einer Faserstoffbahn eines Faser- oder Papierherstellungsprozesses.
Faserstoffbahnen können unter anderem auch Tissue- oder Kartonbahn sein.
Der Faser- oder Papierherstellungsprozess besteht im Wesentlichen aus einer Mehrzahl aufeinanderfolgender Einzelverfahrensstufen, in denen regelbare chemische und/oder physikalische Abläufe bzw. Prozessschritte in Abhängigkeit von Messwerten stattfinden. So werden die zur Bildung der Faserstoffbahn erforderlichen Stoffe in den einzelnen Prozessschritten behandelt, zusammengeführt und/oder entwässert. Die Messwerte können inline erfasst und direkt oder indirekt zur Regelung der Formation verwendet werden. Daneben können die Messwerte aber auch offline im Labor ermittelt werden.
Eine besonders wichtige Messgröße bei der Beurteilung der Qualität der Faserstoffbahn ist die Formation, also die Faserverteilung und -zusammensetzung in der Bahn. Durch den Einsatz einer leistungsfähigen Qualitätsmesstechnik ist es möglich, eine genaue Online-Beurteilung der Struktur und Gleichmäßigkeit der inneren Faserverteilung (Papierformation) im Papier zu erhalten. Damit können weitere Qualitätsparameter wie Bedruckbarkeit, Oberflächenbeschaffenheit, Festigkeit, Steifigkeit, optische Qualität, usw. verbessert werden.
Die Formation wird durch verschiedene veränderbare Einflussgrößen bzw. Stellgrößen wie Vakuum, Siebspannung usw. beeinflusst. Jede Verstellung einer Stellgröße beeinflusst aber nicht nur den den Prozess, den sie beeinflussen soll, sondern auch nachfolgende Prozesse. Verstellungen eines Prozesses bewirken also Folgeeffekte wie z. B. größeren Siebverschleiß, mehr Chemikalieneinsatz usw. Diese Effekte haben somit immer auch einen Einfluss auf die Gesamtkosten.
Zur Regelung der Formation sind aus dem Stand der Technik eine Reihe von Veröffentlichungen bekannt. So ist beispielsweise ein Verfahren zur Optimierung der Formation durch Veränderung der Stoffauflaufkonsistenz über Lippenöffnung bekannt. Weitere Regelungen werden in der EP 1 454 012 A1 oder der WO 00/34575 offenbart.
Eine der Aufgaben der Erfindung ist es eine Formationsregelung vorzuschlagen, die die Formation in der Faserstoffbahn vorbessert.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren zur Formationsregelung bereitzustellen das es erlaubt den Papiermaschinenbetrieb zu stabilisieren.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Regelung der Formation einer Faserstoffbahn der eingangs genannten Art vorgeschlagen, bei dem zumindest die die Formation relevant beeinflussenden Stellgrößen der einzelnen Abläufe bzw. Prozesse im Gesamtprozess in Abhängigkeit von definierbaren Nebenbedingungen gebildet werden.
Die Formation wird von einer Mehrzahl aufeinanderfolgender Einzelverfahrensstufen, in denen regelbare chemische und/oder physikalische Abläufe bzw. Prozessschritte in Abhängigkeit von Messwerten stattfinden, beeinflusst, wobei zumindest einige der Messwerte inline erfasst und direkt oder indirekt zur Regelung der Formation verwendet werden.
In den aufeinanderfolgenden Einzelverfahrensstufen werden die zur Bildung der Faserstoffbahn erforderlichen Stoffe behandelt, zusammengeführt und/oder entwässert. Zur Regelung des Gesamtprozesses werden alle Messwerte in einem Datenverarbeitungssystem verarbeitet und daraus nach definierten Vorgaben Stellgrößen generiert.
Bei der Verstellung der Stellwerte treten wiederum Folgeeffekte auf, die nicht erwünscht sind. So kann durch die Verstellung eines Stellwertes die Formation zwar verbessert werden dadurch aber als Folgeeffekt ein erhöhter Siebverschleiß auftreten, wenn z. B. das Vakuum zu hoch eingestellt wird.
Werden, wie vorgeschlagen, die Stellgrößen der einzelnen Abläufe bzw. Prozesse im Gesamtprozess in Abhängigkeit von definierbaren Nebenbedingungen gebildet können derartige negative Auswirkungen verhindert werden. Unter Nebenbedingungen im Sinne der Erfindung werden somit Bedingungen verstanden, die Wertebereiche definiert, die nicht verlassen werden dürfen bzw. die eine Verstellung der Stellwerte nur in einem definierten Bereich zulassen, sodass an den den Prozessen zugeordneten Messstellen die Messwerte bestimmte Grenzen nicht über- und/oder unterschreiten.
Weiterhin können die Stellgrößen in Abhängigkeit von definierbaren Kostenfunktionen gebildet werden. Ein Folgeeffekt könnten auch die Kosten sein. So kann die Formation bzw. der Gesamtprozess zusätzlich dahin gehend optimiert werden, dass die die Kosten reduziert werden, wobei immer auch die anderen Nebenbedingungen und letztendlich auch die Formation in gewissen Grenzen liegen muss.
So können mittels der Kostenfunktion auch die Aufwandskosten bewertet werden, die durch die Veränderung der Stellgrößen entstehen. Des Weiteren kann die Kostenfunktion allerdings auch die Folgekosten bewerten.
Die Nebenbedingung kann als eine Gleichheitsbedingung, z. B. Formation = konstant, aber auch als eine Ungleichung, z. B. steigende Vakua in der Siebstation entlang der Entwässerungsstrecke, wie p1 > p2 > p3, in die Bildung der Grenzwerte mit einfließen.
Des Weiteren können die Nebenbedingungen sowohl in Abhängigkeit von den Ausgangsmaterialien bzw. Rohstoffen und/oder von den in den aufeinanderfolgenden Verfahrensstufen zugeführten Chemikalien, Hilfsstoffen und Energien sowie den zu entsorgenden Materialien und Emissionen gebildet werden.
Zur Minimierung der Kosten kann ein Optimierungsalgorithmus eingesetzt werden, mittels dem die Kostenfunktionen unter Einhaltung der Nebenbedingungen optimiert werden, indem alle entscheidenden Stellgrößen, unter Berücksichtigung der Nebenbedingungen und der Folgeeffekte, nur soweit verstellt werden, dass die Formation eine Zielgröße bzw. Formationswert erreicht.
So kann der Optimierungsalgorithmus, zur Einhaltung der Formationsnebenbedingungen, die beeinflussenden Stellgrößen der einzelnen Abläufe bzw. Prozesse im Gesamtprozess so beeinflusst, dass der Betrag einer eventuellen Abweichung der Formation vom Sollwert minimiert wird.
Zum Anderen kann dem Optimierungsalgorithmus aber auch ein Modell hinterlegt sein, welches entweder über a priori Vorwissen oder durch die Auswertung der Effekte der vorausgegangenen Verstellungen den Einfluss der Stellgrößen auf die Formation qualitativ wiedergibt, wodurch die Totzeiten der Prozesse vorteilhaft mit berücksichtigt werden.
Beide Vorgehensweisen können aber auch miteinander kombiniert werde, sodass es zu einer weiteren Optimierung kommt.
Die Einzelverfahren im Sinne der Erfindung finden im Wesentlichen in der Stoffaufbereitung, dem Stoffauflauf und der Nasspartie einer Faserstoffbahnherstellungsmaschine statt. Also den Bereichen einer Faserstoffbahnherstellungsmaschine, in denen eine Veränderung oder Beeinflussung der Formation stattfinden kann.
So kann in der Stoffaufbereitung zumindest eine der folgenden Stellgrößen zur Regelung der Formation verwendet werden:

– Retentionsmitteltyp
– Retentionsmittel-Dosierpunkt
– Retentionsmittelmenge
– Mahlleistung
– Dispergerleistung
– Stoffzusammensetzung
– Fixiermittelmenge

So kann im Stoffauflauf, zumindest eine der folgenden Stellgrößen zur Regelung der Formation verwendet werden:

– Suspensionsstrahlgeometrie
– Lippenöffnung
– Blendenstellung
– Lamellenstellung
– Insertsstellung
– Geschwindigkeitsdifferenz Strahl-Sieb

Weiterhin kann in der Nasspartie, zumindest eine der folgenden Stellgrößen zur Regelung der Formation verwendet werden:

– Entwässerungsleistengeometrie
– Entwässerungsleistendrücke
– Vakuum
– Siebspannung

Aber auch die Siebeigenschaften wie auch die Sieblaufzeit, insbesondere die CFM-Wert Veränderung haben einen Einfluss auf den stabilen lauf der Maschinen sowie auf die Kosten und können z. B. als Funktion in die Nebenbedingungen mit einfließen.
So ist es aber auch möglich die Formation dadurch zu optimieren, dass die Maschinengeschwindigkeit verändert wird, wodurch, insbesondere bei schwer zu verarbeitenden Rohstoffen oder auch bei sich ändernden Klimabedingungen, das Risiko eines Bahnrisses vermindert wird. Bahnrisse haben einen großen Einfluss auf die Gesamtkosten.
Einer der besonderen Vorteile der Erfindung ist es, dass die Betriebsstabilität und die Formation derart stabilisiert werden können, dass die Kosten des Gesamtprozesses auf ein optimales Minimum reduziert werden können.
Weitere Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens und weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Skizzen näher erläutert. In diesen zeigen:
1 ein Blockdiagramm zur Darstellung der Formationsregelung
2 ein Liniendiagramm zur Darstellung der Zusammenhänge zwischen Stellgrößen, Nebenbedingungen und Kosten in Bezug auf eine konstante Formation
1 zeigt ein Blockdiagramm zur Darstellung der Formationsregelung, mit dessen Hilfe die Funktion des Systems bzw. der Regelung der Formation beschrieben werden kann.
Das System bzw. die Regelung 1 der Formation einer Faserstoffbahn eines Faser- oder Papierherstellungsprozesses ist von einer Mehrzahl aufeinanderfolgender Einzelverfahrensstufen abhängig. So finden in den einzelnen Verfahrenstufen unterschiedliche regelbare chemische und/oder physikalische Abläufe bzw. Prozessschritte in Abhängigkeit von Messwerten statt, um den zur Bildung der Faserstoffbahn erforderlichen Stoff zu behandeln, zusammen zuführen und/oder zu entwässern.
Die einzelnen Verfahrenstufen, die für die Formationsbildung verantwortlich sind, sind in 1 in Block 3 zusammengefasst worden. Die Verfahren oder Prozesse können in der Stoffaufbereitung, dem Wet End Prozess, dem Stoffauflauf und dem Former stattfinden, wobei jeder Prozess durch mindestens eine Stellgröße 2 beeinflussbar ist. Bezüglich der möglichen Stellgrößen a1, a2, ... wird auf die bereits erwähnten verwiesen, wobei dies keine abschließende Aufzählung ist.
Neben den Stellgrößen haben die Nebenbedingungen einen Einfluss auf die Formation, indem einzelne relevante Stellgrößen in Abhängigkeit von definierbaren Nebenbedingungen gebildet werden.
Die Nebenbedingungen sind derart definiert, dass ein besonders stabiler Papiermaschinenbetrieb gewährleistet ist. Bestimmte Messwerte dürfen also gewisse Grenzen nicht überschreiten, die zwingend zur Optimierung der Formation eingehalten werden müssen.
Die Regelungsstrategie kann mithilfe eines Optimierungsalgorithmus erfolgen, der die Kostenfunktion minimiert und dabei die Nebenbedingungen einhält. Diese Nebenbedingungen können als Gleichheitsbedingung (z.B. Formation = konstant), als Grenzwerte (Stellgrenzen, z. B. 0,9 < Strahl-Sieb-Verhältnis < 1,1) oder als Ungleichung (steigende Vakua entlang der Entwässerung, z.B. p1 > p2 > p3) vorliegen.
Die Folgeeffekte 5 ergeben sich aus den einzelnen Verstellungen der Stellgrößen der Prozesse. Die Folgeeffekte können online oder im Labor gemessen werden und fliesen direkt oder indirekt in die Nebenbedingungen ein. Oder anderes ausgedrückt, die Grenzen der Nebenbedingungen werden durch die Folgebedingungen beeinflusst. Folgeeffekte können Verschleiß, Energieverbrauch, Chemikalienverbrauch, usw. sein.
In 2 ist ein Liniendiagramm zur Darstellung der Zusammenhänge zwischen Stellgrößen, Nebenbedingungen und Kosten in Bezug auf eine konstante Formation dargestellt.
Die durch die Regelung verstellbaren Einflussgrößen (Aufwand) werden über eine entsprechende Preisfunktion als Aufwandskosten bewertet. Ebenso werden Folgekosten, die durch die verstellbaren Einflussgrößen entstehen, ermittelt. Die Kostenfunktion berechnet sich somit aus den Gesamtkosten aus Aufwands- und Folgekosten der Einstellung der formationsrelevanten Stellgrößen. Diese Kostenfunktion wird über einen Optimierungsalgorithmus minimiert unter Einhaltung der oben definierten Nebenbedingungen, sodass eine (iterative) schrittweise Einstellungsänderung zu einem kostenoptimalen Betriebspunkt erfolgt, wobei die Formation als Regelgröße innerhalb eines zulässigen Toleranzbandes bleibt.
Der Optimierungsalgorithmus ist/kann zur Einhaltung der Formationsnebenbedingung die Verstellungen so gestalten, dass der Betrag einer eventuelle Abweichung der Formation vorn Sollwert (Bereich) minimiert wird (im Idealfall zu 0). Dies kann über ein Modell geschehen, das entweder über a priori bekanntes Vorwissen oder durch die Auswertung der Effekte der vorausgegangenen Verstellungen den Einfluss der Stellgrößen auf die Formation quantitativ wiedergibt.
Bezugszeichenliste

1: Blockdiagramm
2: Stellgrößen
3: Verfahrensstufen
4: Nebenbedingungen
4a: Grenzwerte Nebenbedingungen für Stellgröße Y
4b: Grenzwerte Nebenbedingungen für Stellgröße X
5: Folgeeffekte
6: Zielgröße Formation
8: Gültigkeitsbereich
9: Kostenaufwand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1454012 A1 [0006]
WO 00/34575 [0006]

Claims

Verfahren zur Regelung der Formation einer Faserstoffbahn eines Faser- oder Papierherstellungsprozesses, bei dem in einer Mehrzahl aufeinanderfolgender Einzelverfahrensstufen, in denen regelbare chemische und/oder physikalische Abläufe bzw. Prozessschritte in Abhängigkeit von Messwerten stattfinden, in denen die zur Bildung der Faserstoffbahn erforderlichen Stoffe behandelt, zusammengeführt und/oder entwässert werden, bei dem zumindest einige der Messwerte inline erfasst und direkt oder indirekt zur Regelung der Formation verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die die Formation relevant beeinflussenden Stellgrößen der einzelnen Abläufe bzw. Prozesse im Gesamtprozess in Abhängigkeit von definierbaren Nebenbedingungen gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgrößen in Abhängigkeit von definierbaren Kostenfunktionen gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kostenfunktion die Aufwandskosten bewertet, die durch die Veränderung der Stellgrößen entstehen.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kostenfunktion die Folgekosten bewertet, die durch die Veränderung der Stellgrößen entstehen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nebenbedingung eine Gleichheitsbedingung ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nebenbedingung eine Ungleichung ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nebenbedingungen sowohl in Abhängigkeit von den Ausgangsmaterialien bzw. Rohstoffen und/oder von den in den aufeinanderfolgenden Verfahrensstufen zugeführten Chemikalien, Hilfsstoffen und Energien sowie den zu entsorgenden Materialien und Emissionen gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kosten mittels der Kostenfunktion über einen Optimierungsalgorithmus unter Einhaltung der Nebenbedingungen minimiert werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Optimierungsalgorithmus, zur Einhaltung der Formationsnebenbedingungen, die beeinflussenden Stellgrößen der einzelnen Abläufe bzw. Prozesse im Gesamtprozess so beeinflusst, dass der Betrag einer eventuellen Abweichung der Formation vom Sollwert minimiert wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass dem Optimierungsalgorithmus ein Modell hinterlegt ist, welches entweder über a priori Vorwissen oder durch die Auswertung der Effekte der vorausgegangenen Verstellungen den Einfluss der Stellgrößen auf die Formation qualitativ wiedergibt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelverfahren im Wesentlichen in der Stoffaufbereitung, dem Stoffauflauf und der Nasspartie einer Faserstoffbahnherstellungsmaschine stattfinden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der Stoffaufbereitung, zumindest eine der folgenden Stellgrößen zur Regelung der Formation verwendet wird: – Retentionsmitteltyp – Retentionsmittel-Dosierpunkt – Retentionsmittelmenge – Mahlleistung – Dispergerleistung – Stoffzusammensetzung – Fixiermittelmenge
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Stoffauflauf, zumindest eine der folgenden Stellgrößen zur Regelung der Formation verwendet wird: – Suspensionsstrahlgeometrie – Lippenöffnung – Blendenstellung – Lamellenstellung – Insertsstellung – Geschwindigkeitsdifferenz Strahl-Sieb
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der Nasspartie, zumindest eine der folgenden Stellgrößen zur Regelung der Formation verwendet wird: – Entwässerungsleistengeometrie – Entwässerungsleistendrücke – Vakuum – Siebspannung
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Stellgröße die Maschinengeschwindigkeit ist.