DE2845995A1 - Verfahren und vorrichtung zur steuerung des feuchtigkeitsprofiles bei der herstellung von papier - Google Patents

Description

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London ¥ 1Α 1 EJ

18. November 1978 13 459 V/pi.

Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung des Feuchtigkeitsprofiles bei der Herstellung von Papier

Die Erfindung bezieht sich auf die Papierherstellung und betrifft insbesondere die Verbesserung des Feuchtigkeitsprofiles einer die Papiermaschine verlassenden Papierbahn.

Es ist allgemein wünschenswert, daß das Feuchtigkeitsprofil einer Papierbahn so gleichförmig wie möglich sein sollte, so daß von der Bahn abgeschnittene Stücke die gleichen Eigenschaften haben. Falls weiterhin die Variabilität des Feuchtigkeitsgehaltes reduziert wird, ist es möglich, den durchschnittlichen Feuchtigkeitsgehalt anzuheben und zwar mit einem geringeren Risiko, daß der Feuchtigkeitsgehalt an einigen Punkten in der Breite der Bahn über das Zulässige hinausgeht. Dies ermöglicht die Herstellung von

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Papier nit einem durchschnittlich höherem Feuchtigkeitsgehalt, wenn dies gewünscht wird.

Der Feuchtigkeitsgehalt von Papier wird im allgemeinen durch eine Reihe von unter Druck stehenden und dampfbeheizten Trocknungszylindern gesteuert. Wenn eine Maschine ^Ntrocknungsbegrenztⁿ gefahren wird, d.h., die Trockner arbeiten mit ihrer maximalen Kapazität, dann kann die Maschinengeschwindigkeit angehoben werden, falls ein Anstieg des durchschnittlichen Feuchtigkeitsgehaltes zulässig ist, da die Trockner weniger Feuchtigkeit entfernen müssen. Dies führt natürlich zu einem Anstieg der erzeugten Papiermenge. In einer nicht trocknungsbegrenzten Situation und wenn die Maschinengeschwindigkeit durch andere Faktoren begrenzt wird, führt die Reduzierung der Variationen des Feuchtigkeitsprofiles zu einem Produkt mit verbesserter Qualität und zu einer Reduktion von Ausflußmaterial.

Die Kraft ("Endbelastung"), die auf die Enden der Preßwalzen aufgebracht wird, und der Dampfdruck in den Trocknungszylindern können im allgemeinen variiert werden, um den Feuchtigkeitsgehalt des Produktes zu variieren. Die Preßwalzen sind invariabel ballig (d.h., sie haben einen größeren Durchmesser in der Mitte als an ihren Enden), so daß ein im allgemeinen gleichförmiger Druck auf die Papierbahn aufge-

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bracht werden kann, wenn die Enden der Preßwalzen alt einem vorbestimmten Betrag belastet werden.

Es sind schon Preßwalzen vorgeschlagen worden, deren Profil verändert werden kann. Es sind zwei Formen solcher variablen Preßwalzen bekannt: die Schwimmwalze (oder Küsterwalze), die aus einem rotierenden, mit öl gefülltem Hantel besteht, in dem die Seitenbelastung und der Öldruck variiert werden können und die Nipco-Walze, die über ihre Länge in eine Anzahl von zylindrischen Kammern geteilt ist, in denen der Druck unabhängig voneinander variiert werden kann. Durch die Messung des Feuchtigkeitsgehaltes an verschiedenen Stellen über die Breite der Papierbahn, wenn diese die Trockner verläßt und durch Steuerung (entweder manuell oder automatisch) der variablen Walzenumfangefläche in Abhängigkeit von der gemessenen Feuchtigkeit, ist es möglich, bezüglich des Feuchtigkeitsprofiles Verbesserungen zu bewirken. Ein beträchtlicher Nachteil von Walzen mit variabler Umfangsfläche besteht darin, daß sie notwendigerweise groß und schwer und demgemäß sehr teuer sind.

Ein großer Teil der zur Zeit in Betrieb befindlichen Papierherstellungsmaschinen ist im Pressenabschnitt mit Preßwalzen ausgestattet, die ein vorgegebenes, gekrümmtes Profil haben und bestehen im allgemeinen aus einer Stahlwelle, die mit Granit umgeben ist. Es ist möglich, durch Änderung der Be-

lastung an den Enden dieser Walzen die Druckzuteilung über die Walze zu verändern. Wenn beide Endbelastungen gleich auf einen bestimmten Wert eingestellt sind, so wird die ballige Walze elastisch quer über ihre Breite derart verformt bzw. gepreßt, daß der von der Walze vermittelte Druck gleichförmig quer über die Breite ist. Wenn beide Endbelastungen gleichförmig reduziert werden, so wird dank des Profiles der Walze der Druck in der Mitte größer als an den Enden. Wenn die Belastung auf der einen Seite gegenüber der anderen geändert wird, so wird der von der Walze vermittelte Druck asymmetrisch. Es ist jedoch nicht möglich, für die Steuerung des Feuchtigkeitsprofiles die Endbelastungen einer balligen Walze einfach zu variieren, weil jede Variation der Endbelastungen von einem vorgegebenen Wert den durchschnittlichen Liniendruck verändert und daher zu einer unerwünschten Veränderung des durchschnittlichen Feuchtigkeitsgehaltes führt.

Nach der Erfindung ist demgemäß ein Verfahren zur Steuerung des Feuchtigkeitsprofiles von in einer Papiermaschine hergestellten Papier vorgesehen, die mit gekrümmten Preß- und Trocknungswalzen versehen ist, wobei nach den Verfahren der Feuchtigkeitsgehalt des Papieres an mehreren Stellen quer über die Breite der Papierbahn gemessen wird, wenn diese den Trockner verläßt und wonach automatisch drei Steuer-

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-χ-

signale in Abhängigkeit von den gemessenen Feuchtigkeitswerten produziert werden, von denen zwei zur Steuerung der Endbelastungen der Preßwalzen benutzt werden, um relative Veränderungen im Feuchtigkeitsprofil zu reduzieren und wobei das dritte Steuersignal zur Steuerung einer Maschinenvariablen benutzt wird, die gleichförmige Feuchtigkeitsveränderungen quer über die Breite der Bahn bewirkt, um jede Veränderung des durchschnittlichen Feuchtigkeitsgehaltes, bewirkt durch eine Veränderung der Endbelastungen, zu kompensieren.

Die Maschinen-Variable kann beispielsweise die Trocknungsintensität des Trockners sein, die Arbeitsgeschwindigkeit der Maschine, der Druck auf eine weitere Preßwalze, die wesentlich steifer ist als die ballige Preßwalze oder sie kann in der Kombination dieser Variablen bestehen. Der Trockner kann aus herkömmlichen Trocknungswalzen bestehen, in welchem Falle die Trocknungsintensität durch Steuerung des Druckes des in die Trocknungswalzen eingeführten Dampfes gesteuert wird. Falls die Maschine mit einer "begrenzten Trocknung" arbeitet, ist es möglich, die Maschinengeschwindigkeit zu steuern oder falls keine begrenzte Trocknung vorgesehen ist, kann der Dampfdruck variiert werden. Der durchschnittliche Liniendruck einer weiteren steifen Preßwalz· kann in beiden Fällen alternativ oder zusätzlich gesteuert werden. Falls die Maschinengeschwindigkeit gesteuert wird, ist es natürlich

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notwendig, andere abhängige Variable zu steuern, wie die Menge der zugespeisten Papierfasern und zwar in einem abhängigen Zeit- und Mengenverhältnis.

Die Maschine kann mehr als eine ballige Druckwalze enthalten, in welchem Falle es möglich ist, die Endauflasten auf zwei Druckwalzen zu steuern, wenn eine Gesamtheit von fünf Steuersignalen gefordert würde. Mehr als zwei ballige Druckpressen könnten gesteuert werden, obgleich größere Zahlen den wirtschaftlichen Wert vermindern würden.

Vorzugsweise werden die Steuersignale durch eine lineare Kombination der gemessenen Feuchtigkeitswerte erzeugt, und die Koeffizienten der linearen Kombinationen werden vorzugsweise vorher ausgewählt, um die Standardabweichung des Endfeuchtigkeitsprofiles zu minimalisleren.

Die Erfindung sieht ebenfalls eine Papiermaschine vor, die eine ballige Druckwalze umfaßt, einen Trockner und Elemente für die Messung des Feuchtigkeitsgehaltes des Papieres an einer Vielzahl von Stellen quer über dessen Breite, wenn es den Trockner verläßt und ferner ein Steuergerät, verbunden mit den Meßelementen und so ausgebildet, daß es drei Steuersignale produziert, in Abhängigkeit von den gemessenen Feuchtigkeitsgehaltswerten und Elemente für die Steuerung der

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Endbelastungen an der Druckwalze in Abhängigkeit von den beiden Steuersignalen, wodurch die relativen Veränderungen des Feuchtigkeitsgehaltes im Papier quer über seine Breite reduziert wird und schließlich sind noch Steuerelemente für die Steuerung einer Maschinen-Variablen in Abhängigkeit vom dritten Steuersignal vorgesehen, das gleichförmige Feuchtigkeitsveränderungen quer über die Breite des Papiers bewirkt, wodurch Jede Veränderung im durchschnittlichen Feuchtigkeitsgehalt kompensiert wird, die durch Veränderung der Endauflasten entsteht.

Das Steuergerät ist vorzugsweise ein elektronisches Steuergerät und derart ausgebildet und angeordnet, daß es drei elektrische Steuersignale in Abhängigkeit von den gemessenen Feuchtigkeitswerten produziert. Die Steuersignale können in einen Indikator gegeben werden, um ihre Werte an einen Operator weiterzugeben, der dann die notwendigen Steuerveränderungen bezüglich der Endbelastungen und der Maschinen-Variablen vermittelt. Vorzugsweise ist Jedoch das Steuergerät so verbunden, daß es automatisch die Endbelastungen und die Maschinen-Variable steuert.

Wie vorerwähnt, kann die gesteuerte Maschinen-Variable,beispielsweise der Dampfdruck, die Arbeitsgeschwindigkeit der Maschine oder der Druck einer relativ steifen weiteren Druck-

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walze sein. Die automatische Steuerung der Endlasten einer Druckwalze kann durch ein elektro-pneumatisches Gerät erreicht werden.

Nach einem anderen Gesichtspunkt sieht die Erfindung ein elektronisches Steuergerät für die Steuerung des Feuchtigkeitsprofiles von Papier vor, das in einer Papiermaschine hergestellt wird, die eine ballige Druckwalze hat, einen Trockner und einen Feuchtigkeitsfühler, der so angeordnet ist, daß der Feuchtigkeitsgehalt des Papieres gemessen werden kann, wenn es den Trockner verläßt, wobei das Steuergerät Elemente für die Erzeugung von drei Steuersignalen in Abhängigkeit von gemessenen Feuchtigkeitswerten an mehreren Stellen quer über die Breite der Papierbahn enthält und das so ausgebildet ist, daß zwei der Steuersignale, wenn für die Steuerung der Endauf lasten der balligen Druckwalze verwendet, eine Reduktion der relativen Veränderungen des Feuchtigkeitsprofiles bewirken und ferner derart, daß das dritte Steuersignal, wenn zur Steuerung einer Maschinen-Variablen, die gleichförmige Feuchtigkeitsveränderungen quer über die Breite der Papierbahn bewirkt, verwendet, jede Veränderung im durchschnittlichen Feuchtigkeitsgehalt, verursacht durch eine Veränderung der Auf lasten bewirkt, kompensiert wird.

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Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung werden nun beispielsweise beschrieben und in Bezug auf die Druckwalze. Die automatische Steuerung der Endlasten auf eine Druckwalze können durch eine elektro-pneumatische Einrichtung erreicht werden.

Unter einim weiteren Gesichtspunkt sieht die Erfindung ein elektronisches Steuergerät für die Steuerung des Feuchtigkeitsprofiles von Papier, hergestellt in einer Papiermaschine ait einer balligen Druckpresse, einen Trockner und einem Feuchtigkeitsfühler derart angeordnet vor, daß der Feuchtigkeitsgehalt des Papieres gemessen werden kann, wenn es den Trockner verläßt, wobei das Steuergerät Elemente zur Erzeugung von drei Signalen in Abhängigkeit der gesessenen Feuchtigkeitswerte an verschiedenen Stellen quer über die Breite der Papierbahn enthält und das derart ausgebildet ist, daß zwei der Steuersignale, verwendet für die Steuerung der Endlasten der Druckpresse, eine Reduktion der relativen Veränderungen des Feuchtigkeitsprofiles bewirken und ferner derart, daß das dritte Steuersignal, wenn für die Steuerung einer Maschinen-Variablen verwendet, die gleichförmige Feuchtigkeitsveränderungen quer über die Papierbahn verursacht, jede Veränderung Ib durchschnittlichen Feuchtigkeitsgehalt bewirkt, verursacht durch eine Veränderung der Auflasten, kompensiert wird.

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Das erfindungsgeaäße Verfahren und die Vorrichtung werden nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung von Ausführungebeispielen näher erläutert.
Es zeigen schematisch

Fig. 1 vereinfacht den prinzipiellen Aufbau einer Papiermaschine nach der Erfindung;

Fig. 2 ein Blockdiagramm des Steuergerätes gemäß Fig. 1;

Fig. 3 ein detaillierteres Blockdiagramm des Steuergerätes nach Fig. 2;

Fig. 4 ein Schnitt durch eine Druckwalze;

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Liniendruckvermittlung für zwei gleichmäßig belastete Druckwalzen bei unterschiedlichen Druckzuteilungszahlen;

Fig. 6 die graphische Darstellung des Liniendruckgradienten als Funktion der Druckzuteilungszahl und Fig. 7 eine Anzahl von simulierten, von Feuchtigkeitsprofilen quer über die Papierbahn für die Druckwalze gemäß Fig. 5, die den Effekt nach der vorliegenden Erfindung verdeutlichen.

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Gemäß Flg. 1 weist die Papiermaschine eine herkömmliche Aufgabvorrichtung 1 für das Fasermaterial auf, die das Fasermaterial kontinuierlich und zur Ausbildung einer Papierbahn auf ein endlos umlaufendes Drahtgitter gibt, von dem aus die Fasermaterialbahn durch Druckwalzen und einen Trockner 3 läuft. Die Druckwalzen 2 sind vom balligen Typ und bestehen aus einer Stahlwelle mit einem entsprechend profiliierten Granitwalzenkörper, der in der Mitte einen größeren Durchmesser hat als an seinen Enden. Der Trockner 3 umfaßt 50 bis 60 Trocknungswalzen, um die die Papierbahn geführt ist. Diese Trocknungswalzen werden mit Dampf über ein

oder mehr Ventile 4 beschickt. Ein Feuchtigkeitsfühler bzw. Feuchtigkeitsmesser 5 ist hinter dem Trockner angeordnet, um den Feuchtigkeitsgehalt des Papieres zu messen, wenn es den Trockner verläßt. Dieser Feuchtigkeitsfühler 5 mißt die Feuchtigkeitsgehaltswerte an einer Mehrzahl von Stellen quer über die Breite der Papierbahn, was beispielsweise an 33 Stellen erfolgen kann. Ein elektronisches Steuergerät 6 steht mit dem Feuchtigkeitsfühler 5 in Verbindung und ist so ausgebildet, daß es drei Steuersignale erzeugt, von denen jedes durch eine lineare Kombination der gemessenen Feuchtigkeitsgehaltswerte abgeleitet ist. Die Koeffizienten in den linearen Kombinationen sind derart vorgewählt, daß sie die Standardabweichungen des Feuchtigkeitsprofiles des Papieres auf ein Minimum reduzieren und zwar in einer noch nachfolgend

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zu beschreibenden Art. Zwei der Steuersignale werden für entsprechende elektro-pneumatische Einrichtungen an den Enden 9 der Druckwalzen verwendet, um die Endauflasten an den Walzen derart zu steuern, daß die relativen Veränderungen im Feuchtigkeitsprofil des Papieres reduziert werden. Das dritte Steuersignal wird für die Steuerung einer Maschinenvariahleo benutzt, die gleichförmige Feuchtigkeitsveränderungen quer über die Breite der Papierbahn bewirkt, wodurch jede Veränderung im durchschnittlichen Feuchtigkeitsgehalt, verursacht durch eine Veränderung der Endauflasten, kompensiert wird.

Das dritte Steuersignal kann beispielsweise auf das Dampfventil 4 gegeben werden, um damit die Dampfzufuhr zu den Trocknungswalzen zu steuern und daraus resultierend die Intensität der Trocknung. Falls notwendig, kann dieses dritte Signal durch das Steuergerät 6 eine Verzögerung erhalten und zwar um eine Zeitspanne, die mit der Zeit korrespondiert, welche das Papier benötigt, um von den gesteuerten Druckwalzen 2 zum Trockner zu gelangen.

Das dritte Steuersignal kann alternativ auch verwendet werden für die Steuerung der Arbeitsgeschwindigkeit der Papiermaschine, wie mit 7 angedeutet. Diese Möglichkeit ist insbesondere für den Fall geeignet, bei dem es sich um eine

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Maschine handelt, die mit einer Trocknungsbegrenzung arbeitet, d.h., einer Haschine, bei der das Dampfventil 4 voll geöffnet ist. Bei der Steuerung der Arbeitsgeschwindigkeit der Maschine ist es zunächst notwendig, die Faserzufuhr zu variieren und dann entsprechend die nachfolgenden Teile der Maschine mit einer angepaßten Zeitverzögerung.

Alternativ oder zusätzlich zu den oben erwähnten beiden Steuerungsmethoden kann das dritte Steuersignal für die Steuerung der Endbelastungen einer weiteren Druckwalze 8 benutzt werden, die wesentlich steifer ist als die gesteuerten balligen Druckwalzen 2. Falls eine Druckwalze sehr steif ist, bleibt der von ihr vermittelte Liniendruck im wesentlichen gleich, wenn die Belastung an den Walzenenden gleichmäßig variiert wird, was weiter unten noch zu erläutern ist. Demgemäß kann die weitere Druckwalze 8 zur Erzeugung von im wesentlichen gleichmäßigen Feuchtigkeitsgehaltsänderungen benutzt werden.

Das Steuergerät 6 kann, falls gewünscht, derart ausgestaltet werden, daß zwei weitere Steuersignale erzeugt werden und zwar für die Steuerung der Endbelastungen einer anderen balligen Druckwalze 10. Durch die gleichzeitige Steuerung der zwei Druckwalzen 2 und 10 kann das Feuchtigkeitsprofil gleichmäßiger gestaltet werden. Durch die Steuerung von

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mehr als zwei balligen Druckwalzen können weitere Verbesserungen erzielt werden.

Das Steuergerät 6 umfaßt eine Computer- und Speiehereinheit 11, in der die lineare Kombination der Feuchtigkeitsgehaltswerte verarbeitet werden. Die Koeffizienten, mit denen die Feuchtigkeitsgehaltswerte zu multiplizieren sind, können über eine Eingabetafel 12 eingegeben und in der Einheit 11 gespeichert werden oder sie können vorprogrammiert sein. Eine Signalkonditionierungseinheit 13 gehört mit zum Steuergerät 6 und dient zur Aufnahme der Signale vom Feuchtigkeitsfühler 5, wandelt diese in passende Digitalsignale um für die Beschickung der Einheit 11. Die Ergebnisse der linearen Kombination gelangen in eine Ausgabeeinheit 14, die Verstärker für die Erzeugung der drei Steuersignale enthält. Die Ausgangssignale des Verstärkers können von der Schalttafel 12 gesteuert werden, und es ist ferner eine Betriebsschalttafel 15 vorgesehen, um die Ausgangssignale manuell übersteuern und den gewünschten durchschnittlichen Feuchtigkeitsgehalt einstellen zu können. Wie Fig. 3 zeigt, umfaßt die Computereinheit eine arrythmetische Einheit 16, eine feste Programmeinheit 17, einen Speicher 18 für die Koeffizienten und einen Profilspeicher 19, in de» die Feuchtigkeitsgehaltswerte gespeichert sind. Der Profilspeicher 19 speichert ebenfalls einen kompletten Satz von tatsächlichen

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oder maschineneigentümlichen Feuchtigkeitsprofilwerten, die kontinuierlich von der arrhytmetischen Einheit 16 aufgearbeitet werden.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 4, 5 und 6 werden nun weitere Erklärungen zur Erfindung und zu einem Verfahren zur Berechnung der Koeffizienten, die im Steuergerät benutzt werden, gegeben.

Jede elastische Druckwalze in einer Papiermaschine 1st in der Lage, einen bestimmten Betrag von Wasser quer über die Breite des Papierbandes zu entfernen und zwar derart, daß die Liniendruckvermittlung geändert wird, wenn sich die Walze unter der Wirkung von Endbelastungsänderungen abbiegt. Dieses Verhalten eröffnet die Möglichkeit, das Feuchtigkeitsprofil des Papieres zu modifizieren, wenn es durch die Druckwalze läuft und endgültig das Feuchtigkeitsprofil am Trocknungsende. Das Verhalten eines Drucksystems kann in Kenntnis der Walzengeometrie und des Deckmaterials der Walze vorgegeben werden.

Den meisten Maschinendruckwalzen ist eine Balligkeit oder Umfangsflächenkontur gegeben, um eine vorbestimmte Liniendruckzuteilung bei einer Arbeitslast zu vermitteln» Der Grund besteht darin, daß sich Druckwalzen wie Wellen ver-

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halten, die sich unter aufgebrachter Last abbiegen. Die folgende Analyse des Preßsystems basiert auf der Theorie von kurzen, elastischen Wellen. Die Liniendruckzuteilung an ein sandwichartiges, zwischen zwei elastischen Wellen angeordnetes Material gemäß Fig. 4 kann auf diese Weise bestimmt werden.

Für eine einfache Darstellung wird unterstellt, daß die untere Walze steif sei, was im wesentlichen den tatsächlichen Verhältnissen entspricht. FUr die obere Walze wird deshalb unterstellt, daß es sich dabei um eine Welle handelt, die längs ihrer ganzen Länge von einem elastischen Medium getragen ist, und die zwei vertikal einvrirkendeiKräften unterworfen ist, die durch zwei unabhängig voneinander wirkenden Endauflasten dargestellt sind. Unter Einwirkung dieser Kräfte wird sich die Welle biegen und erzeugt dadurch kontinuierlich· Reaktionskräfte in dem tragenden Medium. (Liniendruckveraittlung)· Wo die Durchbiegung nach unten (positiv) gerichtet ist, ergibt sich eine Kompression.

Unter Betrachtung der Gleichgewichtskräfte an einem Element der Welle verbunden mit der Beziehung einer gebogenen Welle ist es möglich, die folgende Differenzialgleichung für die Biegungskurve oder die Druckzuteilungskurve einer auf einer elastischen Unterlage gelagerten Welle abzuleiten.

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EI *-£ . -ky (1)

d^

y ist dabei die Abbiegung an einem Punkt χ längs der Welle gegeben durch die Wellenbelastungen, EI ist die Biegefestigkeit der Welle und k ist der tatsächliche Federungswert oder die Elastizität der Unterlage.

Die Lösung der Gleichung (1) ist gegeben durch

y=e(C₁COs Xx + CgSin λχ) + β"^^χ(0,οο8 Ax + C^ sin Λχ) (2)

In dieser Lösung umfaßt das Λ die Biegesteifigkeit der Welle und auch die Elastizität des tragenden Mediums. Λ ist dabei ein wichtiger Parameter, der die Form der elastischen Linie oder die Liniendruckzuteilung beeinflußt. Aus diesem Grunde wird Λ die Charakteristik des Systems genannt und, weil seine Dimension Länge ist, wird der Ausdruck /Λ als charakteristische Länge bezeichnet. Wenn L die Länge der Walze ist, so wird AL eine absolute Zahl sein ("Liniendruckzuteilungszahl"), die klar die Liniendruckzuteilung quer über die Walze bestimmt, die für jede gegebene Seitenbelastung erhalten wird.

Um eine Vorstellung von der Bedeutung der unterschiedlichen Druckzuteilungszahlen zu geben, wird auf Fig. 5, 6 Bezug genommen. Die Liniendruckzuteilungen für zwei Walzen mit λ L = 1.39 und 2«■ 45 sind berechnet worden und in Fig. 5 darge-

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stellt. Hierbei sind die Seitenbelastungen durch gleiche Beträge angehoben worden, um eine Veränderung im durchschnittlichen Liniendruck von 100 pli (17,5 kN/m) zu bewirken. Es ist erkennbar, daß der Liniendruckgradient zur Mitte hin (d.h., die Differenz zwischen den lokalen Linien-drücken an den Walzenenden und dem Walzenzentrum) für einen höheren Wert AL größer ist. Die Fig. 6 zeigt diesen Gradienten, berechnet für eine 100 pli - änderung im durchschnittlichen Liniendruck als Funktion der Druckzuteilungszahl A L. Für ein Al größer als pi (3.142) flacht sich die Druckzuteilungskurve zur Walzenmitte hin aus. Für geringere Werte von AL wird die Druckzuteilung zunehmend flacher. Eine ideale Größenordnung für /JL ist 2.0 bis 3*14 für eine ballige Druckwalze. Für ein Calanderwerk kann Al so hoch sein wie 5.0 und für eine sehr steife Walze kann der Wert niedriger sein 3Ls 1.0.

Wo das Walzenbelastungssystem mit parallelen Lagern ausgestattet ist, was üblicherweise der Fall 1st, ergeben sich konsequent Drehmomente an den Kanten der Preßwalzen, die die Druckzuteilung beeinflussen. Die Momente, verursacht durch einen überstand ^Na" (Fig. 4) zwischen der Walzenkante und der Lagermittellinie, haben die Wirkung eines Anwachsens des Liniendruckgradienten, der sich an der Walze ergibt, durch einen Faktor (1 + 4.9 a/L). Dieser Effekt läßt sich

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streng in dieser mathematischen Behandlung berücksichtigen. In Fig. 4 sind die Momente mit HL und Mg bezeichnet.

Die Wirksamkeit jedes Steuersystems hängt ab von der Gewinnung eines Wertes \L , der ausreichend hoch 1st, um eine sensible Ausformung der Liniendruckzuteilung durch Veränderung der Seitenauflasten zu erhalten.

Der Wert AL für eine Welle auf einer elastischen Unterlage wird bestimmt durch die Elastizität k der Unterlage und der Biegesteifigkeit £1 der Wellet

ν (kl¹/⁴

k variiert zwischen unterschiedlichen Materialien: typische Werte wurden etwa bei 4000 psi (27000 kN/m²) für eine normale erste Walze,etwa 12000 psi (80000 kN/m²) für eine Mlcrorok bedeckte Walze auf einer PVC-bedeckten Venta-Nip-Walze und etwa 500000 psi (3500 MN/m²) für Papier in einer Calenderwalze.

Der Wert EI variiert mit dem Material der Walze und mit Ihrer Geometrie, wobei der wichtigste geometrische Faktor im Verhältnis des Durchmessers D zur Länge L besteht. Als

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ein· grobe Annäherung für den k-Vert von 12000 psl, wie oben erwähnt, 1st AL angenähert 0.30 L/D für eine mit Granit beschichtete Walze und Al angenähert 0.24 L/D für eine stahlbemantelte Walze. Eine Orientierung einer Zahl von Druckwalzen Bit L/D-Verhältnis liegt in der Größenordnung von 4x1 bis 9:1. Aus der oben gegebenen Analyse kann gesehen werden, daß ein hohes Verhältnis, d.h., in der Größenordnung von 6:1 bis 10:1, vorteilhaft für eine Profilsteuerung ist und daß andererseits die Walze sonst zu steif ist, um die gewünschte Liniendruckzuteilung in gewünschter Weise auszuformen.

Es ist demgemäß möglich, eine Druckwalzenkombination auszuwählen aus verschiedenen Walzenkonstraktionen und Walzenbeschichtungen, um die gewünschte Llniendruckzuteilungszahl Al zu erhalten. Solch eine Auswahl unterliegt natürlich normalen Konstruktionsbegrenzungen bei der Walzenformgebung.

Die allgemeine Lösung (2) der Gleichung (1) muß auch die Grenzbedingungen befriedigen, die an beiden Enden der Welle herrschen. Die vier Integrationskonstanten können bestimmt werden durch Benutzung der Grenzbedingungen in Form der Seitenauf lasten und der Momente.

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Im besonderen Fall, wenn die beiden Seitenbelastungen gleich und die Momente null sind, ist die Liniendruckzuteilung gegeben durch

J₅ 2 coshAx cos A x* + coahAx¹ cos Ax \ _p sinh AL + sin λ L

worin x¹ » L-oc

Ähnliche nanalytische Lösungen bestehen für die elastische Linie einer Welle mit beliebigen Kräften P_A und P_ß und Momente M. und Mg an beiden Enden. Die allgemeine Funktion für die Liniendruckzuteilung

ky - f(P_A, P_B, M_A, Mg, x) (4)

kann in eine lineare Matrixgleichung umgewandelt werden, worin der Liniendruck bei ausgewählten Werten von χ gleichmäßig verteilt über die Breite der Walze - in einem Liniendruckvektor 1, gesammelt wird und auf die Seitenbelastungen bezogen wird durch

worin F eine m χ 2 konstante Matrix ist, abhängig von der Walzencharakteristik und worin £ der 2x1 Kräftevektor (P_A, P_B)^T ist.

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Es ist festgestellt worden, daß im Betrieb einer typischen Druckwalze eine Veränderung von 55 pli (9.8 kN/m) im durchschnittlichen Liniendruck eine Veränderung von angenähert 1% im Endfeuchtigkeitsgehalt bewirkt. Die obigen Liniendruckzuteilungen können deshalb in entsprechende Feuchtigkeitsänderungen transformiert werden.

Wenn angenommen wird, daß die Veränderungen in der Liniendruckzuteilung gemäß der Änderungen der äußeren Auflasten auch linear die feuchte Verteilung in der Papierbahn quer über die Breite der Haschine verändern, dann beschreibt die folgende Matrxgleichung die Veränderungen im Feuchtigkeitsprofil χ gemäß der Veränderungen in den äußeren Auflasten

χ m FA Aß (6)

Bei gegebener Gleichung (6) kann man die Feuchtigkeitsveränderungen χ durch die Lastveränderungen Ap ausfindig machen.

Der Gebrauch einer einzelnen Druckwalze zur Ausformung des Feuchtigkeitsprofiles macht die Veränderung des durchschnittlichen Liniendruckes erforderlich, der seinerseits den durchschnittlichen Feuchtigkeitsgehalt beeinflußt. Dieser unerwünschte Nebeneffekt muß deshalb in jedem Profilsteuerungs-

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system kompensiert werden, das auf gesteuerten Veränderungen der Druckwalzenseltenbelastungen basiert. Diese oben erwähnte Kompensation kann in Modellgleichungen eingeschlossen werden, durch Verstärkung der Matrix F durch besondere zentrale Reihenelemente.

Das neue Verstärkungssystem kann deshalb wie folgt geschrieben werden:

χ - AAu (7)

worin A eine m χ 3 konstante^ dimensionslose Matrix ist (mit gleichen zentralen Reihenelementen) und die beiden anderen Gruppen bzw. Reihen sind die gleichen wie die des vorbeschriebenen F. u ist ein 3x1 Kraftvektor ( ΔΡ_Α, Δρ,

φ
AP-R/ » worin ΔP die durchschnittliche, hypothetische

Liniendruckkompensation ist, die optimal umgesetzt und angewendet werden muß auf eine der Maschinen-Variablen im System, das eine Änderung in der Durchschnittsfeuchte bewirkt, wie:

i) Dampfdruckeinstellungspunkt ii) Maschinengeschwindigkeit

iii) Belastung einer zweiten steifen Walze (AL « 1.0) Von einem betrachteten Steuerpunkt aus kann man einen optimalen Vektor u° für u ausfindig machen, der das gemessene Feuchtigkeitsprofil gemäß einem gewählten Kriterium korrigiert.

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Ein geeignetes Kriterium würde In diesem Fall sein das
Quadrat der Differenz (oder der Standardabweichung) zwischen dem gemessenen Profil χ und den Profiländerungen, die mit
der Walze möglich sind, Au⁰, d.h.

Min S m Min 1/2 || I - A u°|[ ² (8)

in Rücksicht auf die folgenden notwendigen Bedingungen

1) die Summe der Steuerausgänge ist null

2) alle Steuerausgänge sind null, wenn alle Elemente der Meßvektoren gleich sind.

Die Bedingung 1) stellt sicher, daß keine Änderung im durchschnittlichen Feuchtigkeitsgehalt vorliegt und die Bedingung 2) stellt sicher, daß ein Niveaumeßprofil kein Ausgangssignal erzeugt.

Die Funktion (8) kann dahingehend modifiziert werden, daß verschiedene andere Zwänge in Bezug auf das u° und auch auf andere Prozeßdynamiken berücksichtigt werden, um die Lösung an die Erfordernisse Jeder besonderen Anlage anzupassen. Die Minlmalisierung nach (8) führt zu einem ^Nfeedback-Steuergesetz^N-d.h., die Kontrollsignale werden als eine lineare Kombination aller Messungen quer über das Feuchtigkeitsprofil gegeben, wonach

u° - - D χ (9) ,

worin D eine 3 χ m Kontrollmatrix ist.

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μ"

Die Möglichkeiten, wie sie durch das Steuersystem mit der balligen Druckwalze gegeben sind, sind für eine Venta-Nippdruckwalze berechnet worden, für die \L = 1.39 ist. Zum Vergleich sind Simulationen ausgeführt worden für eine hypothetische Druckwalze, für die Al * 2.45 ist. (Es ist darauf hinzuweisen, daß es keine Schwierigkeiten bedeuten würde, eine solche Druckwalze in der Praxis zu konstruieren innerhalb der normalgesetzten Grenzen für die Druckwalzenfestigkeit).

Einige der simulierten Profilergebnisse sind in Fig. 7 zusammengefaßt. Die unkontrollierten bzw. ungesteuerten Profile sind als Histogramme dargestellt. Die vorhergesagten Profile, die sich aus den Steuermaßnahmen ergeben, sind dargestellt als Linienzüge aus vereinigten Einzelpunkten. Die Vorhersagen sind dargestellt für beide Druckwalzen, die unterschiedliche Werte für die Liniendruckzahl λ L haben.

Es ist erkennbar, daß die Profile allgemein eine gebogene Form haben, mit trockenen Rändern. Um dieser Form unter Drucksteuerung entgegenzuwirken, ist es offensichtlich notwendig, die Belastung der Druckwalzen zu reduzieren. Die berechneten Belastungsveränderungen sind in Tabelle 1 angegeben. Die unvermeidliche Reduktion des Liniendruckes

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die sich aus diesen Änderungen ergibt, erlaubt es, den Feuchtigkeitsgehalt der Papierbahn anzuheben, und es müssen korrigierende Maßnahmen getroffen werden, entweder an der Maschinengeschwindigkeit oder am Dampfdruck (oder eine zweite druckwalze).

Gemäß der Funktion (8) ist ersichtlich, daß die Standardabweichung der Profilveränderungen auf ein absolutes Minimum reduziert ist für eine besondere Druckwalze. Es können auch andere Kriterien benutzt werden, wie Reduktion relativer Veränderungen - d.h. die Fluktuationen zwischen den maximalen und minimalen Feuchtigkeitswerten werden bis zu einem gewissen Grad ausgeglättet; diese Kriterien sind jedoch mathematisch unbehandelbar_c Es liegt auf der Hand, daß selbst mit einer vergleichsweisen steifen Druckwalze (bzw. Druckwalzensystem) bemerkenswerte Verbesserungen im Feuchtigkeitsprofil erreicht werden können. Diese Verbesserungen können noch beträchtlich erhöht werden durch Benutzung einer flexibleren Druckwalzenform.

Es ist ersichtlich, daß der durchschnittliche Feuchtigkeitsgehalt angehoben werden kann, wie um ein Prozent. Dies ist vergleichbar mit einer Anhebung der Produktionsgeschwindigkeit von etwa 3Ji, die sonst nur erreichbar ist durch Benutzung einer beträchtlich teueren Schwimmwalze. Oben ist

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Bezug genommen worden auf die Benutzung einer bestehenden Druckwalze, die eine Druckzuteilungszahl von AL « 1.39 hat und auf eine hypothetische Druckwalze mit AL » 2.45. Computersimulationen sind deshalb für ein System durchgeführt worden, in dem beide Druckwalzenarten zusammen benutzt werden. Eine der Schwierigkeiten in der Berechnung für die Steuerausgänge des Systems besteht darin, daß es, um die absolute Minimalstandardabweichung eines gegebenen Feuchtigkeitsprofiles zu erreichen, in der Theorie wünschenswert sein kann, auf eine Druckwalze eine hohe positive Auflast aufzubringen und alle anderen von Auflasten freizuhalten. Dies ist in der Praxis natürlich unmöglich, und es ist deshalb notwendig, sogar größere ?ν änge bei der Steuerungsberechnung zu berücksichtigen.

Es wurde jedoch gefunden, daß Verbesserungen in der vorausgesagten Profilstandardabweichung erzielt werden können durch Simulierung des Effektes von zwei aufeinanderfolgend arbeitenden Druckwalzen mit einer durchschnittlichen Feuchtigkeitsgehaltskompensation· Die Ergebnisse werden verglichen mit dem Fall gemäß Tabelle 2, der mit nur einer Druckwalze arbeitet. Es ist ersichtlich, daß die Ergänzung einer zweiten Druckwalze mit einer unterschiedlichen Liniendruckzuteilungszahl gegenüber der ersten tatsächlich nützlich sein kann unter Berücksichtigung dessen, daß praktische

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SH

Begrenzungen berücksichtigt werden. Das Kontrollgerät muß in diesem Falle natürlich für die Ausgabe von fünf Ausgangssignalen ausgelegt sein.

Im Prinzip könnte die Ausdehnung der Steuerung auf Druckabschnitte ausgedehnt werden, die mehr als zwei Druckwalzen aufweisen. Es ist jedoch unwahrscheinlich, daß bestehende Druckabschnitte die notwendige Größenordnung einer Liniendruckzuteilungszahl Λ L haben, und die Kosten für die Anordnung von mehr als einer Druckwalze währe in Rücksicht auf die erreichbare, geringfügige Verbesserung nicht gerechtfertigt. Eine sorgfältige Auswahl des Walzenmaterials, der Konstruktion und der Walzenbeschichtimg macht einen Wert Λ L erreichbar, der bei der Benutzung einer oder zweier balligen Walzen zu einer guten Profilsteuerung führt.

Einer der Nutzeffekte eines automatischen Steuersystems besteht darin, daß die Beobachtung der Steuerausgänge über eine Zeitspanne anzeigt, ob die Walzenballigkeit für die normalen Arbeitsauf lasten korrekt ist. Wo eine Druckwalze eine zu kleine Balligkeit hat, würde die Steuerung die Walzenbelastung reduzieren, vm die beste Liniendruckverteilung zu erreichen, umgekehrt würde eine zu große Balligkeit durch hohe Druckbelastungen angezeigt werden.

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In gleicher Weise würde der graduelle Verschleiß der Druckwalzen durch die Steuerung kompensiert werden, bis zum Erreichen von Grenzbedingungen, bei denen ein Neuschliff der Druckwalze als erforderlich offenbar wird.

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Tabelle 1

SinvuiatLonseVijehnlLze l'lxr .^inzeiureisv/alseη

co ο to co

	yordere Belastungs änderung Ib	Steuermaioiialiiiien	Durchschnittl. Liniendruck- änderung ·, ·	"Trocknungsbegrenzt Geschwind.-Änderung %	\ SN
Standard Mögliche Profile Abweichung !Feuchtigkeits verschiebung davor danach $	-3977 -2200	Sintere Selastungs- änderung Ib	-89 -56	-0.8 +0.2
! 1.22 0.64 a 1.54 0.88 1.32	-1507 -1239	-5968 -4085	-11 - 7	+0.4 ■ +0.4
0.53 0.64 b 0.85 0.51 0.68	-4369 -2984	+ 229 + 442	-67 -90	-0.7 -0.6
0.96 0.38 c 1.15 0.70 0.90	-6013 -4056	-3155 -1779	-93 -116	-0·9 κ» OO -0.6 4^ —— tn
1.21 0.56 d 1.49 0.84 1.30	-4345 -2501

Die oberen Ergebnisse beziehen sich auf eine Prei3walze für Al·= 1.39» die unteren ' " für Al= 2.45

Tabelle 2 Simulationsergebnisse für eine und zwei Preßwalzen

	STANDARD ABWEICHUNG	Vor de'r Steuerung	Hinter der Preßwalze AL = 1.39	Hinter der Preßwalze \L = 2.45	Hach beiden Preßwalzen
Profile	1.54	1.22	0.88	0.84
a	0.85	0.53	0.51	0.51
b	1.15	0.96	0,70	0.67
C	1.49	1.21	0.84	0.79
d.

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Leerseite

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   von Papier, das in einer Papiermaschine hergestellt idird, die mit einer balligen Preßualze und einem Trockner ausgestattet ist, gekennzeich net durch Messen des Feuchtigkeitsgehaltes an mehreren Stellen quer über die Breite des aus dem Trockner (3) auslaufenden Papiers, automatische Erzeugung von drei Steuersignalen in Abhängigkeit von den gemessenen Feuchtigkeitsgehalts-Lierten, Benutzung von zweien der Steuersignale für die Steuerung der seitlichen Auflasten an der Drucktualze zur Reduzierung relativer Veränderungen im Feuchtigkeitsprofil und Benutzung des dritten Steuersignals zur Steuerung einer gleichmäßige Feuchtigkeitsveränderungen quer über die Breite des Papiers bewirkende Maschinenvariablen,

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   ORIGINAL INSPECTED

   ujabei jede Änderung im durchschnittlichen Feuchtigkeitsgehalt, bewirkt durch eine Änderung der seit liehen Auflasten, kompensiert wird.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Steuersignal für die Steuerung des Trocknungsgrades des Trockners benutzt wird.

   3. V/erfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Steuersignal für die Steuerung des Druckes des dem Trockner zugeführten Dampfes benutzt uiird.

   k. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Steuersignal für die Steuerung der Arbeitsgeschwindigkeit der Papiermaschine benutzt wird.

   5. Verfahren nach jedem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis if, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Steuersignal für die Steuerung des Druckes einer weiteren Preßwalze benutzt uird, die wesentlich steifer als die ballige Druckwalze ausgebildet ist.

   6. Verfahren nach jedem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Papiermaschine mit zuiei balligen Preßumlzen benutzt wird und fünf Steuersignale automatisch in Abhängigkeit von den gemessenen Feuchtigkeitsgehaltsuierten erzeugt uierden, von denen vier für die Steuerung der seitlichen Auflasten an den zuiei balligen Preßujalzen benutzt werden.

   7. Verfahren nach jedem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steusrsignale durch lineare Kombinationen der gemessenen FeuchtigkeitsgehaltsuertE Erzeugt uierden.

   B. V/erfahren nach Anspruch 7, dadur ch

   gekennzeichnet, daß die Koeffizienten der linearen Kombinationen derart vorgewählt werden, daß die Standortabuieichung des Endfeuchtigkeitsprofilas minimalisiert uird.

   9. Papiermaschine zur Durchführung des Verfahrens, gekennzeichnet durch eine 1 ballige Preßualze, einem Trockner (3), Elemunte (5) für die Messung des Feuchtigkeitsgehaltes an mehrereretellen quer über die Breite des

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   den Trockner verlassenden Papiers, ein mit den Meßelementen (5) verbundenes Steuergerät (6) zur Erzeugung von drei Steuersignalen in Abhängigkeit von den gemessenen Feuchtigkeitsgehaltswerten, ferner durch Steuerelemente, die in Abhängigkeit von zwei Steuersignalen die seitlichen Auflasten an der balligen Preßujalze steuern, wobei die relativen Abweichungen des Feuchtigkeitsgehaltes quer über die Breite des Papiers reduziert werden und durch Steuerelemente, die in Abhängigkeit vom dritten Steuersignal eine Maschinenvariable steuern, die gleichmäßige Feuchtigkeitsveränderungen quer über die Breite des Papiers bewirkt, wobei jede Veränderung im durchschnittlichen Feuchtigkeitsgehalt, bewirkt durch eine Veränderung der seitlichen Auflasten, kompensiert wird.

   lo. Papiermaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (67 als elektrisches Steuergerät zur Erzeugung von drei elektrischen Steuersignalen in Abhängigkeit von den gemessenen Feuchtig-keitsgehaltswerten ausgebildet ist.

   11. Papiermaschine nach Anspruch In, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (6) mit entsprechenden Einrichtungen zur automatischen Steuerung der seitlichen Aullasten und der Maschinenvariablen verbunden ist.

   12. Elektronisches Steuergerät für die Steuerung des Feuchtigkeitsprofiles von auf einer Papiermaschine hergestellten Papiers, die eine ballige Preßwalze, einen Trackner und einen Feuchtigkeitsfühler für die Messung des Feuchtigkeitsgehaltes des den Trockner verlassenden Papiers aufweist, gekennzeichnet durch Elemente zur Erzeugung von drei Steuersignalen in Abhängigkeit von an mehreren Stellen quer über die Breite des Papiers gemessenen Feuchtigkeitsgehaltsuierten, wobei das Steuergerät derart angeordnet und ausgebildet ist, daß zuiei der für die Steuerung der seitlichen Auflasten der balligen Preßuialze verwendeten Steuersignale eine Reduktion der relativen Veränderung des Feuchtigkeitsprofiles bewirken und ferner derart, daß ein drittes, für die Steuerung einer gleichmäßige Feuchtigkeitsänderungen quer über die

   Breite des Papiers bewirkenden Maschinenvariablen verwendetes Steuersignal jede V/eränderung im durchschnittlichen Feuchtigkeitsgehalt, bewirkt durch eine Änderung der seitlichen Auflasten, kompensiert.

   13. Steuergerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß es derart ausgebildet und angeordnet ist, daß es die Steuersignale als lineare Kombinationen der gemessenen Feuchtigkeitsujerte berechnet.

   1^. Steuergerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Koeffizienten der linearen Kombinationen derart vorgewählt werden, daß die Standardabweichung des Endfeuchtigkeitsprofiles minimalisiert wird.