DE4420813A1 - Verfahren und Anordnung zum Steuern und/oder Regeln des Wasserhaushaltes einer Produktionsanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Steuern und/oder des Wasserhaushaltes einer Produktionsanlage, die aus einer Vielzahl von Teilanlagen besteht, bei der wäßrige Stoffströme zwischen den Teilanlagen zirkulieren. Insbeson­ dere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Steuern des Wasserhaushaltes einer Papierfabrik mit Wasser als einem wesentlichen Stoffstrom, wobei für die Stoff- bzw. Wasser­ ströme in den Teilanlagen der Papierfabrik offene Behälter oder geschlossene Tanks vorhanden sind, die miteinander ver­ bunden sind. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf die zugehörige Anordnung zur Anwendung bei einer Papierfabrik.

Komplexe Produktionsanlagen bestehen aus einer Vielzahl von Teilanlagen. Diese Teilanlagen sind miteinander durch Stoff­ ströme vernetzt. Ein Teil dieser Stoffströme zirkulieren zwi­ schen den Teilanlagen.

Letzteres gilt speziell für eine Papierfabrik, die aus wenig­ stens einer Papiermaschine und der zugehörigen Peripherie zur Aufbereitung von Altpapier besteht. Für die Papierherstellung ist Wasser der wesentliche Hilfsstoff, d. h. ohne Wasser wäre eine Papierherstellung nicht möglich. Das Wasser übernimmt bereits in der Stoffaufbereitung den Transport der Faser- und Füllstoffe. Es ermöglicht eine gleichmäßige Verteilung aller dem Papierstoff zugesetzten Bestandteile und ist Vorausset­ zung für die Bildung einer gleichmäßigen Papierbahn. Wasser dient also einerseits als Transport- und andererseits als Suspensionsmittel.

Speziell in Papierfabriken zirkuliert Wasser zwischen den einzelnen Teilanlagen, wozu jeweils Speicher in Form von offenen Bütten bzw. Behältern oder geschlossenen Tanks vor­ handen sind. Sind Speicher leer, kommt es zu Verzögerungen im Prozeßablauf oder auch zu Stillständen der Teilanlagen. Da­ durch werden die Kreisläufe unterbrochen. Zum Aufrechterhal­ ten der Produktion oder zum Vermeiden von Störungen beim Stillstand einzelner Teilanlagen kann es notwendig sein, daß Frischwasser in den Kreislauf eingeschleust oder Kreislauf­ wasser ausgeschleust, d. h. in die Abwasserreinigung geleitet werden muß.

Bei herkömmlichen Papiermaschinen werden die Speicherinhalte, d. h. die Sollwerte der Füllstände, häufig noch von Hand ver­ stellt. Vom Stand der Technik ist es auch bekannt, Vorsteue­ rungen und Verriegelungen über ein Automatisierungssystem auf die Füllstände wirken zu lassen.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, den Wasserhaushalt von Produktionsanlagen derart zu steuern, daß einerseits die Störungen in der Produktion so gering wie möglich gehalten werden, daß aber andererseits Frischwasser so wenig wie mög­ lich benötigt werden und gleichzeitig Kreislaufwasser so ge­ ring wie möglich in die Abwasserreinigung ausgeschleust wer­ den müssen.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Verfahren der ein­ gangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Wasserströme, insbesondere die Wassermengenverteilung, in den Teilanlagen, mittels Fuzzy-Logik gesteuert bzw. geregelt werden. Bei der zugehörigen Anordnung wird mittels wenigstens eines Fuzzy- Reglers der Wasserhaushalt der vorgelagerten Anlagenteile einerseits, insbesondere der sogenannten Stoffaufbereitung, und der nachgelagerten Anlagenteile andererseits, insbeson­ dere der eigentlichen Papiermaschine, gesteuert.

Zur Realisierung eines Fuzzy-Systems, insbesondere zur Anwen­ dung bei Papierfabriken, werden einerseits Regeln für die einzelnen Speicher und andererseits Regeln für das Gesamt­ system, bei dem der Vernetzung der Teilanlagen Rechnung ge­ tragen ist, verwendet. Vorteilhafterweise dienen als Quelle für die Aufstellung der Fuzzy-Regeln die Aktionsregeln der Anlagenbediener, das Wissen über die Produktion durch Prozeß­ analysen und das Wissen, das durch Bilanzierung und Modellie­ rung der Wasserströme und der Speicherinhalte gewonnen wurde. Für die Erstellung der Petri-Netze werden dagegen die Kennt­ nisse der Systemstrukturen eingebracht.

Die Anwendung von Fuzzy-Logik für den allgemeinen Betrieb von Produktionsanlagen ist zwar verschiedentlich schon vorge­ schlagen worden. Speziell für das Steuern des Wasserhaushal­ tes einer Produktionsanlage wurde Fuzzy-Optik bisher nicht angewandt. Überraschenderweise konnte gezeigt werden, daß da­ mit insbesondere bei Papierfabriken die Produktivität erheb­ lich gesteigert werden kann.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung eines Ausführungs­ beispiels anhand der Zeichnung. Es zeigen

Fig. 1 das Fließschema der Wasserkreisläufe einer Papier­ fabrik,

Fig. 2 das zugehörige Fuzzy-Set zur Beschreibung des Füll­ standes einer Bütte bzw. eines Tankes im Wasserkreis­ lauf gemäß Fig. 1,

Fig. 3 und Fig. 4 ein Beispiel für die Anwendung von Fuzzy- Logik zum Steuern des Wasserstandes von zwei über ein Ventil miteinander verbundenen Bütten und

die Fig. 5 bis 9 weitere Anwendungen von Fuzzy-Logik auf den Wasserkreislauf gemäß Fig. 1.

Eine Papierfabrik beinhaltet üblicherweise wenigstens eine Papiermaschine und die zugehörige Peripherie, die insbeson­ dere zur Stoffaufbereitung aus Altpapier dient. Eine solche Gesamtanlage ergibt sich in vereinfachter Form aus Fig. 1, wobei der obere Bereich die Materialaufbereitung und der untere Bereich die eigentliche Papiermaschine darstellt. Ver­ bunden sind beide Bereiche durch Leitungen, welche die Was­ serzirkulation verdeutlichen. Im einzelnen sind Behälter für die flüssige Papiersuspension, den sogenannten (Papier-)Stoff einerseits und für das Wasser andererseits dargestellt, die über Ventile verbunden sind. Auf die eigentliche Papierher­ stellung in Bahnen wird nicht im einzelnen eingegangen.

Zur Stoffaufbereitung im oberen Teilbereich der Produktions­ anlage gehören ein sogenannter Pulper Pu31 und Bütten K31 bis K36. Offene Bütten C1 bis C14 dienen für die Aufnahme von Wasser.

Im Pulper Pu31 wird das Altpapier in Rückwasser gelöst, das aus der Bütte C12 kommt. Außerdem wird Trichterwasser und Rückwasser aus der Abwasserreinigung dazugegeben. Das Trich­ terwasser ist Wasser, das im gesamten Betrieb anfällt und faserhaltiges Wasser, welches im Reinigungsprozeß in der Kläranlage anfällt. Nach der Stapelbütte K31 wird die flüssi­ ge Papiersuspension in sogenannten Fiberizern 31 und 32 ge­ reinigt.

In Fig. 1 dienen die Stapelbütten K31, K33 und K35 als Vor­ rats- und Pufferbehälter. In einer Mischbütte K34 wird die Papiersuspension aus der Bütte K33 mit Wasser aus der Abwas­ serreinigung und Papierstoff aus dem Pulper C4 gemischt. Für den Fall, daß die Papierbahn reißt, wird der Stoff ebenfalls in den Pulper C4 eingefahren. Es erfolgt also ein Stofffluß zwischen den einzelnen Bütten.

Die Stoffflüsse zu den Bütten K35 und K36 sind konsistenz­ geregelt. Dafür wird Wasser jeweils aus der Wasserbütte C12 entnommen. Die Bütte K36 wird immer 100% vollgefahren. Dazu wird aus der Bütte K35 ein so großer Stoffstrom zur Bütte K36 gepumpt, daß ein Überlauf zurück nach K35 gewährleistet ist. Von der Bütte K36 geht der Stofffluß zur eigentlichen Papier­ maschine im unteren Bereich der Fig. 1.

Die Papiermaschine ist in eine sogenannte Naß- und in eine sogenannte Trockenpartie unterteilt. Zur Naßpartie gehören der Stoffauflauf, die Siebpartie und die Pressenpartie. Zur Trockenpartie gehören dagegen die Vor- und Nachtrockenpartie und die Leimpresse. Vor dem Stoffauflauf wird der flüssige Papierbrei über einen Siebwasserkreislauf auf eine Konsistenz von 1% verdünnt. Der Stoffauflauf übernimmt die Führung der Papiersuspension auf ein Sieb. Durch Unterteilung in Ober- und Untersieb wird eine Mehrschichtigkeit des Endproduktes als Papierbahn 500 erreicht. In der Siebpartie sorgen soge­ nannte Foils für die Entwässerung der Faserstoffsuspension. Das in der Siebpartie anfallende Wasser wird in der Bütte C12 gesammelt und dem Prozeß über den Pulper P31 und die Bruch­ pulverbehälter C4 bis C8 wieder zugeführt.

Von der Siebpartie wird die Papierbahn 500 von sog. Pick-up- Walzen aufgenommen und in die Pressenpartie überführt. Das von der Siebpartie kommende und von der Pressenpartie über­ nommene Papier hat einen Trockengehalt von ca. 20%. In der Pressenpartie muß möglichst viel Wasser aus dem Papier ent­ fernt werden, da bei der nachfolgenden Trockenpartie wesent­ lich mehr Energie zur Entfernung der gleichen Wassermenge be­ nötigt wird als zu diesem Zeitpunkt. Das Papier verläßt die Pressenpartie mit einem Trockengehalt von 50%. Das anfal­ lende Wasser geht in die Wasserbütte C12.

Einer mechanischen Wasserentfernung durch Pressen und Saugen sind Grenzen gesetzt. Daher wird das Papier in der Trocken­ partie durch Wärmezufuhr weiter entwässert, wozu die Trocknung mit dampfbeheizten Trockenzylindern vorgenommen wird.

Der Randabschnitt in der Trockenpartie geht immer in die so­ genannten Bruchpulper der Bütten C4, C5, C6, C7 und C8, in welche Wasser aus der Bütte C12 hinzugegeben wird. Der Stoff aus den Bruchpulverbehältern C5 bis C8 wird zur Bütte C4 ge­ pumpt und gelangt von dort nach K34.

In der Fig. 1 ist C19 eine Pufferbütte mit Überlauf. Der Überlauf wird so bemessen, daß die Gesamtwassermenge in der Papieranlage unter allen Umständen die gleiche bleibt. Es ist daher möglich, daß dem Prozeß Wasser aus der Bütte C19 zuge­ führt wird, so daß der Überlauf zur Abwasseraufbereitung Null ist.

Die Konsistenz des Stoffes in der Bütte C4 soll auf jeden Fall gleich der Konsistenz des Stoffes, der von der Bütte K33 nach K34 geht, sein. Da die Bütte C12 sowohl als Puffer für überschüssiges Wasser als auch als Reservetank dient, soll die Bütte C12 ein Niveau von 50% haben. Das Wasser für die Sprüher kommt in Fig. 1 aus der Bütte C19. Wenn C19 kein Wasser liefert, muß Frischwasser verwendet werden.

Aus Vorstehendem ist die Komplexität der bei der Papierher­ stellung bezüglich des Wasserhaushaltes zu beachtenden Vor­ gänge ersichtlich. Wenn die Verhältnisse Stoff/Wasser, d. h. also die Konsistenz, konstant sind, sind auch die Frischwas­ sermenge, Prozeßwassermenge, Abwassermenge und Füllstände konstant. In diesem Fall würden sich die Wasserkreisläufe im Gleichgewicht befinden.

Anhand Fig. 2 wird der Begriff des Büttenfüllstandes ver­ deutlicht. In der Teilfig. 2a ist der zulässige Füllstand bei einer scharfen Bewertung des Büttenniveaus und in der Teilfig. 2b bei einer unscharfen Bewertung des Büttenniveaus wiedergegeben. Letzteres wird nachfolgend im einzelnen erläu­ tert.

Es wird eine Zugehörigkeitsfunktion µ(x) definiert, welche den Zugehörigkeitsgrad einer jeweils unscharfen Menge aus­ drückt. Die Funktion µ(x) bewertet jedes Element der Menge mit einer reellen Zahl im Intervall zwischen 0 und 1. Der Zu­ gehörigkeitswert µ(x) = 0 kennzeichnet dabei die Nichtzuge­ hörigkeit und der Zugehörigkeitswert µ(x) = 1 die beste Zuge­ hörigkeit eines Elementes zur Menge. Während in Fig. 2a nur die Werte 0 und 1 erlaubt sind, verläuft in Fig. 2b µ(x) entsprechend vorgegebener Abhängigkeit mit im wesentlichen stetiger Änderung, so daß ein unscharfes Verhalten vorliegt.

Die unscharfe Zugehörigkeitsfunktion µ(x) drückt also inhalt­ lich eine Möglichkeitsbewertung aus. Sie unterscheidet sich damit wesentlich von der Wahrscheinlichkeitsbewertung in der Statistik.

Mit der oben definierten Zugehörigkeitsfunktion µ(x) wird die Unschärfe in einem Rechner darstell- und berechenbar. Spe­ ziell für das Stoffmanagement kann diese Unschärfe bei der Koordinierung der Stoffdichteänderungen und der Behälter­ niveaus im Wasserkreislauf der Papiermaschine in vielfältiger Weise genutzt werden. Dies ist insbesondere der Fall bei der Ermittlung von Steuerhandlungen, mit denen beim Abriß der Papierbahn flexibel der stetige Übergang von zulässigen zu unzulässigen Niveaus in den Bütten berücksichtigt werden muß. Dabei drückt die Unschärfe die jeweilige Güte der Bütten­ niveaus als Abbild von Produktionsbedingungen aus, auf die flexibel mit angepaßten Steueroperationen reagiert werden kann.

Die Führung der Wasserkreisläufe, die Anzahl der Bütten und Wasserbehälter variiert von Papierfabrik zu Papierfabrik stark.

Anhand Fig. 3 und 4 wird der Einsatz eines Fuzzy-Kontroll- Konzeptes am System gemäß Fig. 1 beispielhaft für zwei Büt­ ten verdeutlicht. Es werden Steuerregeln vorausgesetzt, die abhängig vom Ist-Zustand Stellgrößenänderungen aktivieren, um so die gewünschte Zustandsänderung im System zu erreichen. Die Steuerregeln beschreiben damit eine Zuordnungsvorschrift zwischen dem Systemzustand und den Stellgliedhandlungen. Da­ bei kann der Systemzustand durch die Regelabweichungen und deren Trend ausgedrückt werden und die Stellgrößen entweder als inkrementale oder absolute Veränderungen angegeben wer­ den.

In Fig. 3 wird ein Fuzzy-Regler 100 beispielhaft zur Niveau­ regelung der Bütten K34 und K35 mit Ventilen 134 und 135 im Wasserkreislauf der Papiermaschine eingesetzt. Der Regler 100 soll den stoßfreien Zu- und Ablauf in diesen Bütten bei unterschiedlichen Betriebszuständen der Papiermaschine ermög­ lichen. Für jedes Ventil 134 und 135 wird aus den Abweichun­ gen und dem Trend der zugehörigen Pufferfüllstandshöhen eine Regelmenge für die notwendigen Ventilverstellungen ermittelt. Um einer Explosion der Regelmenge entgegenzuwirken, werden dabei Teilmengen gebildet, die sich aus getrennten Betrach­ tungen des Zustandes der Papiermaschine und der vor und nach dem Ventil angeordneten Bütten K34 und K35 ergeben. Dafür werden die Regelabweichungen der Füllstandshöhen in jeweils vier unscharfe Quantifizierungsstufen und zwar
positiv groß (PG)₁ positiv klein (PK), negativ klein (NK) und negativ groß (NG)
eingeteilt. Der Trend der Regelabweichungen wird in den drei Quantifizierungsstufen negativ (N), Null (0) und positiv (P) und die Stellgliedveränderung in den Mengen "Ventil öffnen" und "Ventil schließen" ausgedrückt. Durch das gleichzeitige Wirken mehrerer Regeln wird in der Defuzzyfizierungsphase zwischen den groben Fuzzyregeln interpoliert, so daß trotz des Vergröberungseffektes fein abgestufte Steueraktivitäten im Prozeß wirksam werden können.

Das Verschmelzen der unscharfen Steuerregeln durch das De­ fuzzyfizieren verleiht dem Fuzzy-Regler 100 ein robustes Steuerverhalten. Die zu erwartende Regelgüte ist nicht von der Anzahl der Regeln abhängig, sondern resultiert aus den Nachbarschaftseigenschaften des Zustandsgebietes der Regel­ strecke, wie sie z. B. bei lokalen Nichtlinearitäten anzutref­ fen sind.

In der Ausschnittsdarstellung der Fig. 4 und den zugehörigen Fuzzy-Bedingungen sind die zugehörigen Füllhöhen X_ist1 und x_soll1 der Bütte K34 und X_ist2 und x_soll2 der Bütte K35 defi­ niert. Aus den überlagerten Abweichungen und dem zugehörigen Trend ergibt sich mit den oben angegebenen Quantitizierungs­ stufen die Verstellung des Ventils 135 durch den Fuzzy-Regler 100.

Aus der Betrachtung der Teilregelmengen für das Ventil 135 wird deutlich, daß die Regeln sowohl kooperativ als auch kon­ trär wirkende Stellgliedsverstellungen auslösen können. Be­ findet sich in der vorgelagerten Bütte K34 des Ventils 135 zu viel und in der nach dem Ventil 135 angeordneten Bütte K35 zu wenig Stoff, so werden aus beiden Regelmengen solche Regeln aktiv, die das Öffnen des Ventils 135 fordern. Dadurch wird der kooperative Einfluß beider Regelmengen auf das Stellglied deutlich.

Anhand der Fig. 3 wurden die Regeln für einzelne Speicher definiert. Daneben sind auch Regeln aufstellbar für das Gesamtsystem, womit insbesondere der Vernetzung der Gesamt­ anlage Rechnung getragen ist. Hierfür werden die Aktions­ regeln der Anlagenfahrer, d. h. die eigentlichen Produktions­ regeln, verwendet und weiterhin das Wissen über die Produk­ tion, welches durch Prozeßanalysen ermittelbar ist. Zusätz­ lich wird das Wissen, das durch Bilanzierung und Modellierung der Stoffströme und der Speicherinhalte gewonnen wird, in die Gesamt regeln eingebracht.

In Fig. 5 ist ein Fuzzy-Regler 200 vorhanden, dessen Ausgän­ ge direkt auf die Regelventile der Bütten einwirkt, bei­ spielsweise auf das Ventil 135 zwischen den Bütten K34 und 35. Der Bütte K35 ist ein LIC-Regelkreis für den Füllstand zugeordnet. Dem Fuzzy-Regler 200 sind Fuzzy-Sets 210 und 220 zugeordnet, von denen das eine Set für die vorgelagerten Anlagenteile, d. h. die Stoffaufbereitung, zuständig ist, und das andere für die nachgeschalteten Anlagenteile, d. h. die Papiermaschine, zuständig ist.

Eine Variante zu Fig. 5 ist in Fig. 6 dargestellt. Hier wirkt ein Fuzzy-Regler 300 über LIC-Regelkreise auf die Ven­ tile 134 und 135 der Bütten 34 und 35. Der Wasserfüllstand der Bütten 34 und 35 wird über Sensoren auf den Regler 300 als Eingangssignale zurückgekoppelt.

Bei einer Struktur gemäß Fig. 6 ist es möglich, über die Fuzzy-Logik die Reglerstrukturen entsprechend dem jeweiligen Bedarf umzuschalten. Beispielsweise in Fig. 7 wird der Fuzzy-Regler 300 gemäß Fig. 6 dazu verwendet, eine soge­ nannte "ziehende" Regelung für den Wasserhaushalt zu reali­ sieren. Dabei werden die aus der letzten Bütte anfallenden Wassermengen erfaßt. Alternativ dazu ist es auch möglich, mittels des Fuzzy-Reglers 300 eine "schiebende" Regelung des Wasserhaushaltes zu realisieren. Letzteres wird anhand Fig. 8 verdeutlicht, wobei jeweils die in die erste Bütte einge­ brachte Wassermenge erfaßt wird.

Das zugehörige Fuzzy-Set ergibt sich aus der Fig. 9. Deut­ lich wird der Bereich der positiven bzw. negativen Wasser­ beaufschlagung, wobei in der Mitte ein Bereich zur Steuerung der Nullage vorhanden ist. Dieser Bereich wird als tote Zone bezeichnet.

Wesentlich ist bei den vorstehend beschriebenen Beispielen, daß die als Varianten dargestellten Ausführungsformen mitein­ ander kombinierbar sind. Es ist so ein durchgängiges System zur Niveauregelung aller in einer Papierfabrik für den Was­ serkreislauf untereinander verkoppelten Behältern geschaffen.

Claims (8)

1. Verfahren zum Steuern und/oder Regeln des Wasserhaushaltes einer Produktionsanlage, die aus einer Vielzahl von Teilanla­ gen besteht, bei der wäßrige Stoffströme zwischen den Teilan­ lagen zirkulieren, insbesondere zum Steuern des Wasserhaus­ haltes einer Papierfabrik mit Wasser als einem wesentlichen Stoffstrom, wobei für die Stoff- bzw. Wasserströme in den Teilanlagen offene Behälter oder geschlossene Tanks vorhanden sind, die miteinander verbunden sind, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Wasserströme, insbesondere die Wassermengenverteilung in den Teilanlagen, mittels Fuzzy-Logik gesteuert bzw. geregelt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Anwendung von Fuzzy-Logik Regeln für die einzelnen Teilanlagen aus den miteinander verbundenen offenen Behältern und geschlossenen Tanks verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Anwendung von Fuzzy-Logik Regeln für das Gesamtsystem, bei dem der Vernetzung der Teilanlagen Rechnung getragen ist, verwendet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2 und/oder Anspruch 3, da­ durch gekennzeichnet, daß als Quelle für die Aufstellung der Fuzzy-Regeln

• - die Aktionsregeln der Anlagenbediener,
• - das Wissen über die Produktion durch Prozeßanalysen und
• - das Wissen, das durch Bilanzierung und Modellierung der Wasserströme und der Speicherinhalte gewonnen wurde, verwendet wird.

5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 4 zur Anwendung bei einer Papierfabrik, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mittels wenigstens eines Fuzzy-Reglers (100, 200, 300) der Wasserhaushalt der vorge­ lagerten Anlagenteile einerseits, insbesondere der sogenann­ ten Stoffaufbereitung, und der nachgelagerten Anlagenteile andererseits, insbesondere der eigentlichen Papiermaschine, gesteuert wird.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mittels des Fuzzy-Reglers (200) die Reglerstrukturen umschaltbar sind.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Wasserniveauregelung zie­ hend realisiert ist.

8. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Wasserniveauregelung schiebend realisiert ist.