DE3835641A1

DE3835641A1 - Verfahren und vorrichtung zur steuerung und/oder ueberwachung des trocknungsprozesses eines yankee-zylinders

Info

Publication number: DE3835641A1
Application number: DE19883835641
Authority: DE
Inventors: Haakan Hannus; Markku Karlsson; Ilkka Jokioinen; Hans Sundqvist
Original assignee: Valmet Paper Machinery Inc
Current assignee: Valmet Paper Machinery Inc
Priority date: 1987-11-09
Filing date: 1988-10-19
Publication date: 1989-05-18
Also published as: FI874951A0; FI81628C; SE8803862D0; FI81628B; FI874951A; SE8803862L

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung und/oder Überwachung des am Yankee-Zylinder stattfindenden Trocknungsprozesses einer Bahn, wobei das Luftverteilungs system des Yankee-Zylinders aufgeteilt, zweckmäßig in drei Teile aufgeteilt ist, und in dem Verfahren zur Steuerung des Prozesses ein Computer verwendet wird.

Bei einigen Papier- und Kartonsorten sind Glätte und Glanz wichtige Qualitätseigenschaften. Die am Yankee-Zylinder stattfindende Trocknung ist von wesentlicher Bedeutung für die Glätte von Karton und/oder Papier. Deshalb wird das Feuchtigkeitsniveau und das Feuchtigkeitsprofil an verschie denen Stellen des Prozesses bestimmt.

Es sind Verfahren bekannt, bei denen die Bahnfeuchtig keit vor dem Yankee-Zylinder gemessen und aufgrund des Meßer gebnisses das Druckniveau der Dampfgruppen der vorderen Trockenpartie geregelt wird, womit angestrebt wird, die Feuchtig keit der Kartonbahn konstant zu halten. Mit diesen Verfahren wurde aber eine genügend gute Qualität nicht genügend schnell erzielt, denn um das Qualitätsniveau zu erzielen vergeht zuviel Zeit und die reinen Materialkosten liegen bereits bei mehreren hundert Finnmark in der Minute.

Als Beispiel für den Stand der Technik wird auf das FI-Patent 73 480 hingewiesen, bei dem die Oberflächenfeuch tigkeit der Oberfläche und/oder des Rückens einer Kartonbahn und die durchschnittliche Feuchtigkeit in Richtung der Dicke der Kartonbahn vor dem Yankee-Zylinder gemessen wird und aufgrund der Meßergebnisse werden vor dem Yankee-Zylinder auf das Feuchtigkeitsprofil der Kartonbahn wirkende Prozeß führungsgrößen gesteuert.

In den bekannten Steuerungs- und Überwachungssystemen zur Papierbahntrocknung sind u.a. folgende Nachteile aufge treten. Nach einem Bahnriß und nach einem Sortenwechsel war eine relativ lange "Gewöhnungszeit" nötig, während der die Bahn in den Ausschuß geht, bevor eine befriedigende Qualität gefahren werden kann.

Auch bezüglich des Qualität/Produktionskostenverhält nisses wurden Verbesserungen gewünscht, insbesondere unter Berücksichtigung der Energiekosten. Die bekannten Systeme erfordern verhältnismäßig viel Überwachung und ein besonders fachkundiges Überwachungspersonal. Alles in allem haben die bisher bekannten Systeme dem Betriebspersonal nicht genügend Informationen aus dem Trocknungsprozeß geboten und sie waren weder genügend behilflich bei der Suche nach Funktionsstörun gen noch bei der Optimierung der Papierqualität. Weiter haben die derzeit in Betrieb befindlichen Systeme auch z.B. den Bemühungen, durch Forschungstätigkeit zu besserer Papierqua lität zu gelangen, nicht genügend Informationen geboten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein neues Steuerungs- und Überwachungssystem für den Yankee-Zylinder- Trockenprozeß mit Hilfe von on-line-Simulation zu schaffen. Im einzelnen besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Steuerungs- und Überwachungssystem zu schaffen, durch dessen Einsatz bessere Papierqualität und effektivere Trocknung sowohl bezüglich des Energieverbrauchs als auch der Qualität erreicht werden.

Zur Erreichung der im vorstehenden genannten und weiter unten deutlich werdenden Ziele ist für die Erfindung im we sentlichen charakteristisch, daß in dem Verfahren ein Pro zeßmodell angewendet wird, das aufgrund von Versuchsläufen, on-line-Messungen und/oder der Trocknungstheorie des zu steu ernden Prozesses oder dessen Äquivalents aufgestellt ist, in das Prozeßmodell der aus einer sog. Sorten- oder Rezept kartei zu fahrenden Bahnsorte entsprechende sortenspezifische Sollwertparameter eingegeben werden, in das Simulationsprogramm in bestimmten Zeitabständen neue Ausgangswerte eingegeben werden, als welche von verschiedenen Meßgebern des Trocknungsprozesses erhaltene Meßwerte von Prozeßparametern und möglicherweise im Labor analysierte Bahn- und Strichproben verwendet werden, und zwecks Minimierung der Ungenauigkeiten des Prozeßmodells in dem Verfahren ein adaptierendes Prozeßmodell angewendet wird, zu welchem Zweck in dem Prozeß ein bestimmter oder mehrere bestimmte Parameter als Veränderliche gelassen werden, der/die von den neuen Ausgangswerten des Prozesses ausgehend in richtiger Richtung adaptiert werden derart, daß das Pro zeßmodell als Resultat für die gemessenen Parameter den Meß ergebnissen entsprechende Werte gibt.

Das in der Erfindung genutzte adaptierte und mit Simu lationstechnik erstellte Prozeßmodell beruht auf Messungen, Versuchsläufen und der Trocknungstheorie. Das in der Erfin dung angewendete Simulationsprogramm berechnet aus den Aus gangsdaten z.B. die Verdampfungsleistung für die zu trock nende Bahn von jedem Segment, den Trockengehalt und die Tem peratur des Papieres und den Energieverbrauch und Eigenbedarf der einzelnen Segmente. Auch Geschwindigkeit, Feuchtigkeit und Temperatur der Blasluft können aus weiteren Größen be rechnet werden.

Das in der Erfindung genutzte Simulationsprogramm ent hält ein oder zwei offene Parameter, zweckmäßig den Wärme- und Massenübertragungskoeffizienten der Lufttrocknung zwi schen Trockenluft und zu trocknender Bahn. Genannter Para meter wird überschlagsweise aus dem Prozeß ermittelt.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann sowohl zur Regelung als auch zur Optimierung des Prozesses genutzt werden.

Es ist möglich, ein vorteilhaftes Qualität/Trocknungs energieverhältnis in jedem Segment im Hinblick auf die Ge samttrocknung zu optimieren. Auch diese Optimierung kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt werden.

Das erfindungsgemäße System arbeitet auch als indirek tes Meßsystem, mit dem große Mengen Meßparameter im Speicher des Computers gesammelt und gespeichert werden können, und diese Daten können zur Weiterentwicklung des Trocknungspro zesses und zur Präzisierung des in der Erfindung genutzten Prozeßmodells und Simulationsprogramms nutzbar gemacht wer den. Damit kann in der Erfindung von einem sehr groben Pro zeßmodell ausgegangen werden, das mit der Zeit genau dem zu steuernden Trocknungsprozeß und den veränderlichen Einsatzbe dingungen entsprechend präzisiert und weiterentwickelt werden kann. Zur genannten Entwicklungarbeit gehören in Labortests gesammelte Qualitätsdaten, die gemeinsam mit den aus Fahr parametern gesammelten Daten genutzt werden beim Zusammen stellen der Sortenkarteien verschiedener zu streichender Sorten, die in dem Verfahren als sortenspezifische Sollwert parameterreihen genutzt werden.

Im folgenden wird die Erfindung unter Hinweis auf die in den Abbildungen der beigefügten Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele, auf deren Einzelheiten die Erfindung jedoch nicht begrenzt ist, ausführlich beschrie ben.

Fig. 1 zeigt schematisch und zum Teil als Block schema ein auf dem erfindungsgemäßen Ver fahren beruhendes Steuerungs- und Überwa chungssystem und einen damit zu steuernden und zu überwachenden Yankee-Zylinder-Trock nungsprozeß.

Fig. 2 zeigt das Funktionsprinzip des erfindungs gemäßen Systems als Ablaufplan.

In Fig. 1 ist ein Beispiel für einen mit dem erfin dungsgemäßen Verfahren zu überwachenden und zu steuernden Prozeß gezeigt, das im folgenden beschrieben wird. Die zu trocknende Papierbahn W _in kommt zum Yankee-Zylinder 40. Die Bahn wird von Tragwalzen 41 und 42 getragen, welche die Bahn eng gegen die Oberfläche des Yankee-Zylinders halten. Um die Trocknung zu intensivieren, ist der Yankee-Zylinder mit einer Haube überdeckt, die in drei Teile aufgeteilt ist (Segmente L 1, L 2 und L 3). Vor dem Yankee-Zylinder kann als Vortrockner (nicht gezeigt) ein Laternenzylindertrockner dienen, in dem sich z.B. 20-30 Zylinder befinden.

Die Trocknung erfolgt mit gegen die Bahn gerichteten Blasströmungen ₃₁, ₃₂ und ₃₃, die mit Wärmetauschern 4, 5, 6 auf die erforderliche Temperatur erwärmt werden, die mit Einheiten 7, 8 und 9 kontrolliert und geregelt wird. Die Blas luftströmungen ₃₁, ₃₂ und ₃₃ werden aus einer Mischung aus Ersatzluft und Umluft gebildet derart, daß in jedem Segment über Abluftstutzen 21, 22 und 23 Umluftströmungen ₄₁, ₄₂ und ₄₃ abgezweigt werden. Die Ersatzluftströmung ₁ wird mit Hilfe eines Ventilators 10 durch den Anschluß 1 in den Trock nungsprozeß geführt und nach Fig. 1 in drei Anschlüsse 11, 12 und 13 aufgeteilt, durch welche Ersatzluft ₁₁, ₁₂ und ₁₃ in jedes Segment L ₁, L₂ und L₃ geführt wird. Diese Ersatz luftströmungen ₁₁, ₁₂ und ₁₃ vereinigen sich mit den Um luftströmungen m ₄₁, m₄₂ und m₄₃ und werden als Blasluftströ mungen ₃₁, ₃₂ und ₃₃ durch Anschlüsse 31, 32 und 33 gegen die Bahn geführt. Die Düsenöffnungen bilden z.B. 1,5% der Gesamtfläche.

Der mit Ventilator 14 über Anschluß 2 aus dem System abzuführende Abluftstrom ₂ wird aus dem jeweiligen Segment L ₁, L ₂ und L ₃ über die Anschlüsse 21, 22 und 23 gesammelt. Im Abluftkanal wird Wärme rückgewonnen, die für die Ersatzluft genutzt wird. Die Bahn W _out setzt ihren Lauf in getrocknetem Zustand fort.

In Fig. 1 ist das erfindungsgemäße Überwachungssystem schematisch als Einheiten 101, 102 und 103 gezeigt, die mit dem Prozeßcomputer 110 zusammenarbeiten. Weil das erfindungs gemäße System auch zur Regelung eingesetzt werden kann, sind in Fig. 1 schematisch drei Regelungseinheiten 151, 152, 153, eine für jedes Segment 21, 22, 23 gezeigt, die den Prozeß steu ern, der in der Figur außerdem schematisch als Block 200 dargestellt ist.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird während der Trocknung eine große Reihe Messungen verschiedener Prozeß parameter durchgeführt, die in Fig. 1 durch Bezugszeichen verdeutlicht sind. Im folgenden ist ein Liste der einzelnen Bezugszeichen und deren zugehöriger Messungen angeführt.

18, 19, 20 trockene Ersatzluftströmung zum jeweiligen Segment,
27 Temperatur der Ersatzluft,
28, 29, 30 Abluftströmung des jeweiligen Segments,
34, 35, 36 Feuchtigkeiten der Abluft des jeweiligen Segments,
37, 38, 39 Temperaturen der Abluft des jeweiligen Segments,
7, 8, 9 Temperaturen und Regelungen der Blasluft,
15, 16, 17 Strömungsgeschwindigkeiten der Blasluft.

Aus diesen Messungen wird die Abluftmenge z.B. über Manometer gemessen.

In die Zentraleinheit 101 werden alle Messungen des ersten Segmentes L 1 sowie Temperaturdaten der Ersatzluft ge leitet, in die Zentraleinheit 102 werden alle Messungen des zweiten Segmentes L 2 sowie Temperaturdaten der Ersatzluft und in die Zentraleinheit 103 werden alle Messungen des dritten Segmentes L 3 sowie Temperaturdaten der Ersatzluft geleitet. Das Abluftmengenverhältnis jedes Segments zur Ersatzluftmenge ist als Kurve oder Tabelle im Speicher gespeichert und die Regelung erfolgt über die Regeleinheiten 151, 152 und 153.

Im folgenden werden zunächst unter Hinweis auf Fig. 1 und 2 die einzelnen Phasen und wesentlichen Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein weiter unten genauer beschriebenes Prozeßmodell angewendet, das aufgrund der im vorstehenden in Verbindung mit Fig. 1 be schriebenen Messungen und Trocknungstheorie der Versuchsläufe des zu steuernden Prozesses oder dessen Äquivalents aufge stellt wurde. Aufgrund des genannten Prozesses wird ein wei ter unten genauer beschriebenes Computersimulationsprogramm erstellt, das programmiert wird, wenigstens die Verdampfungs geschwindigkeiten der einzelnen Trocknungssegmente und die Trockengehalte der zu trocknenden Papierbahn und die Tempera turen nach jedem Trocknungssektor zu berechnen. Die Luftge schwindigkeit wird segmentweise aus anderen Größen berechnet. In das genannte Simulationsprogramm werden für die aus der weiter unten genauer beschriebenen Sortenkartei zu fahrenden Bahnsorte sortenspezifische Werte eingegeben, die eine Soll wertparameterreihe des erfindungsgemäßen Steuerungsprogramms bilden. In das Simulationsprogramm werden in bestimmten Zeit abständen automatisch neue Ausgangswerte eingegeben, als welche von den einzelnen Meßgebern erhaltene Meßwerte der Prozeßparameter des Trocknungsprozesses und möglicherweise auch im Labor analysierte Proben verwendet werden. Erfin dungsgemäß werden die Ungenauigkeiten des genannten Prozeß modells unter Anwendung eines adaptierenden Prozeßmodells minimiert, in welchem einer oder mehrere bestimmte Parameter als Veränderliche offen gelassen werden, die in richtiger Richtung ausgehend von den neuen Ausgangswerten des Prozesses 200 adaptiert werden derart, daß das Prozeßmodell als Resul tat für die gemessenen Parameter die entsprechenden Werte der Meßergebnisse gibt. Als genannter offener Prozeßparameter wird zweckmäßig der Wärme- und Massenübertragungskoeffizient der Lufttrocknung zwischen Trockenluft und zu trocknender Bahn verwendet.

Der Dampfdruck des Yankee-Zylinders wird unabhängig von diesem System geregelt.

Der allgemeine Aufbau des erfindungsgemäßen Systems geht aus Fig. 2 hervor.

Im folgenden wird der Anschluß des Prozeßcomputers 110 an den Prozeß beschrieben.

Der Prozeßcomputer 110 kommuniziert mit dem Prozeß über das I/0-Programmsystem der SIP-Station (SIPS = Serial Interface Process Station). Das Basisprogramm betreibt das Betriebssystem der SIP-Station, wogegen das Anwenderprogramm für den Datenverkehr vom Prozeß zum Prozeßcomputer 110 ver antwortlich ist. Das Betriebssystem des Prozeßcomputers wird im folgenden genauer beschrieben. Außerdem enthält es Pro gramme zum Empfangen und zur Aufbereitung von Daten von der SIP-Station, zur Realisierung von Grafiken auf dem Bild schirm, für Trendanzeigen, Datenspeicherung sowie zur Simulation.

Im folgenden wird ein Beispiel für das in der Erfindung angewendete Betriebssystem beschrieben.

In dem in der Leitwarte anzuordnenden Computer 110 ist ein Betriebssystem auf Menu-Basis realisiert, mit dem der Bediener beim Durchgehen der Menüauswahl die gewünschten Funk tionen auswählt. Das Hauptmenü kann aus folgender Tabelle bestehen:

1. Simulation starten
2. Simulation stoppen
3. Fahrparameter ändern
4. Fahrsituation speichern

Vom Hauptmenü wird auf verschiedene Untermenüs gegan gen, aus denen Zusatzfunktionen für jede Hauptgruppe gewählt werden können. Z.B. wird bei der Wahl "Simulation starten" folgendes Untermenü auf dem Bildschirm angezeigt:

1.1 Überwachungsbild 1
1.2 Überwachungsbild 2
1.3 Trendanzeigen
1.4 Sortenkarte 1
1.5 Sortenkarte 2
1.6 Rückkehr zum Hauptmenü

Im unteren Teil des Bildschirms werden Hinweise und Alarme angezeigt.

Zu den Fahrparametern ist zu sagen, daß das Anwender programm derart aufgebaut ist, daß bestimmte feste Fahrpara meter vom Betriebssystem aus manuell geändert werden können. Solche Parameter sind:

- Sollwert für Endfeuchtigkeit
- Ober- und Untergrenze für Endfeuchtigkeit
- Sortenkode

Als Hauptbild im Überwachungssystem dient das Über wachungsbild, aus dem die für die Trocknung wichtigen Daten ersichtlich sind.

Außerdem können verschiedene Trendbilder angezeigt werden. Z.B. liefert der im Simulationsprogramm enthaltene offene Parameter als Funktion der Zeit dem Bediener Daten aus erster Hand über mögliche Störungen oder Fehler im Prozeß: wenn im Parameterwert eine plötzliche Niveauänderung ein tritt, indiziert dies eine Änderung im Prozeß.

Außer dem offenen Parameter ist vorteihaft, z. B. von folgenden Größen Trende anzuzeigen:

- Temperatur der Blasluft
- Gesamtenergieverbrauch
- Gesamtverdampfung

Im folgenden werden Unterbrechungen und Alarme des Verfahrens beschrieben. Die Information über den Beginn einer Unterbrechung wird als Binärinformation über die SIPS-Station erhalten. Ist die Unterbrechungsinformation eingetroffen, bleibt das Simulationsprogramm stehen, wobei die vor der Unterbrechung herrschende Situation u.a. in der Sortenkarte und den Überwachungsbildern festgehalten wird. Mit Hilfe dieser Information kann der Prozeß schnell auf seinen vor herigen Zustand gefahren werden. Nach Erhalt der Information über das Ende der Unterbrechung startet das System seine Funktion automatisch.

Für Alarmsignale ist der untere Teil des Bildschirms reserviert. Alarme sind u.a. von folgenden Stellen erhält lich:

- Temperaturen der Blasluft
- Endfeuchtigkeit
- offener Parameter

Das erfindungsgemäße System verschafft Klarheit über die Verdampfungsverteilung unter den Trocknungssegmenten. Die erhaltenen Verdampfungswerte adaptieren auf die Werte der manuell zu entnehmenden Feuchtigkeitsproben.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Systems kann die glei che Trocknung für eine bestimmte Sorte in verschiedenen Fahr phasen wiederholt werden. Mit dem erfindungsgemäßen System sind bei angestrebter Optimierung der Trocknung zusätzliche Informationen bezüglich der Qualität, Leistung und/oder des Energieverbrauchs erhältlich. Zusätzliche Informationen sind durch das Sammeln von Fahrparametern bei unterschiedlichen Verdampfungsbedingungen im Speicher der Anlage erhältlich. Dabei werden gleichzeitig Qualitätsdaten in Labortests sowie mit an der Streichmaschine durchzuführenden Messungen gesam melt. Aufgrund dieser Daten läßt sich eine Qualitätskartei zusammenstellen, die Aussagen darüber macht, wie die ein zelnen Papiersorten zu trocknen sind. Der Wechsel von einer Sorte zur anderen ist sehr einfach.

Claims

1. Verfahren zur Steuerung und/oder Überwachung des am Yankee-Zylinder stattfindenden Trocknungsprozesses einer Bahn (W), wobei das Luftverteilungssystem des Yankee-Zylinders aufgeteilt, zweckmäßig in drei Teile aufgeteilt ist, und in dem Verfahren zur Steuerung des Prozesses ein Computer ver wendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß
in dem Verfahren ein Prozeßmodell angewendet wird, das auf grund von Versuchsläufen, on-line-Messungen und/oder der Trocknungstheorie des zu steuernden Prozesses oder dessen Äquivalents aufgestellt ist,
in das Prozeßmodell der aus einer sog. Sorten- oder Rezept kartei zu fahrenden Bahnsorte entsprechende sortenspezifische Sollwertparameter eingegeben werden,
in das Simulationsprogramm in bestimmten Zeitabständen neue Ausgangswerte eingegeben werden, als welche von verschiedenen Meßgebern des Trocknungsprozesses erhaltene Meßwerte von Prozeßparametern und möglicherweise im Labor analysierte Bahn- und Strichproben verwendet werden, und
zwecks Minimierung der Ungenauigkeiten des Prozeßmodells in dem Verfahren ein adaptierendes Prozeßmodell angewendet wird, zu welchem Zweck in dem Prozeß ein bestimmter oder mehrere bestimmte Parameter als Veränderliche gelassen werden, der/die von den neuen Ausgangswerten des Prozesses ausgehend in richtiger Richtung adaptiert werden derart, daß das Pro zeßmodell als Resultat für die gemessenen Parameter den Meß ergebnissen entsprechende Werte gibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aufgrund des genannten Prozeßmodells die Verdampfungslei stungen des/der Trocknungssegments/-segmente und die Trocken gehalte der zu trocknenden Papierbahn und die Geschwindig keiten der Blasluft und die Temperaturen nach jedem der genannten Segmente berechnet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren zur Überwachung des Trocknungsprozesses angewendet wird und daß dem Bediener in dem Überwachungsver fahren simulierte Werte für die Verdampfung, die Trockenge halte und die Temperaturen der Papierbahn sowie den im Prozeß gemessenen entsprechende direkte Meßwerte angezeigt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem erfindungsgemäß arbeitenden Überwachungssystem im Speicher des Computers für den Trocknungsprozeß wichtige Fahrparameter gesammelt werden, die im Steuerungs- und Über wachungssystem des Trocknungsprozesses genutzt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß das Verfahren zur Optimierung der Trocknung bezogen auf die Qualität, Trockenleistung oder den Energie verbrauch der zu trocknenden Bahn in den einzelnen Trock nungssegmenten verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß als ein als offene Veränderliche gelassener Prozeßparameter der Wärme- und Massenübertragungskoeffizient der Lufttrocknung zwischen Trockenluft und zu trocknender Bahn verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß das Verfahren zur Steuerung des Trocknungspro zesses verwendet wird derart, daß mit dem Verfahren optimale Sollwerte für Temperatur, Feuchtigkeit und Geschwindigkeit der Blasluft geregelt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, daß mit dem Verfahren Fahrparameterdaten unter verschiedenen Verdampfungsbedingungen im Speicher des Com puters der Anlage gesammelt werden und daß gleichzeitig Qualitätsdaten in Labortests sowie an der Trockenmaschine durchzuführenden Messungen gesammelt werden und daß aufgrund der im vorstehenden genannten Daten Sortenkarteien über die einzelnen zu trocknenden Qualitäten zusammengestellt werden, die im Verfahren als sortenspezifische Sollwertparameter reihen genutzt werden.