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Frühwarnsystem für Produktionsstörungen an der Papiermaschine

Einleitung

Signifikante Produktionsstörungen in Form von stickybedingten Bahnabrissen oder Produktmängeln treten oftmals schlagartig und zeitlich auf einige Stunden oder Tage begrenzt auf. Eine wesentliche Ursache wird vielfach in schwankenden und fallweise kurzzeitig stark erhöhten Anteilen polymerer Substanzen im Rohstoff Altpapier vermutet Bisher war eine Bewertung und ursachenbezogene Reduzierung solcher Störfälle in der Regel nicht möglich, da angefragte nachträgliche Systemanalysen immer einen zeitlichen Verzug zum eigentlichen Ereignis aufwiesen und nur punktuell messen.

Projektinhalt

Ein Monitoringsystem zum quantitativen Gehalt polymerer Partikel im Fertigpapier bietet eine Perspektive für eine deutlich schnellere und zielgerichtete Reaktion beim Rohstoffeintrag oder in der Einstellung ausgewählter Stellgrößen im Prozess. Mittels Trendanalyse lassen sich kontinuierlich ansteigende Beladungsniveaus polymerer Störstoffe zeitnah identifizieren und im Dauerbetrieb ist eine Definition von konkreten Schwellwerten (Warnschwellen) auf Basis der Erfahrungswerte beim Maschinenlauf möglich.

Projekttitel: » Entwicklung eines Störstoff-Monitoring-Verfahrens zur Erhöhung der Produktionskontinuität und Produktqualität in Papierfabriken

Laufzeit: » 01.04.2019 - 30.09.2021

Projektträger: » IK-MK 49MF180157 / Bundesministerium für Wirtschaft und Energie

Forschungsstellen: » Papiertechnische Stiftung (PTS) Projektleiter: Lutz Hamann, Dr. Enrico Pigorsch

Ziel des Forschungsprojektes ist die Entwicklung eines technikbasierten Dienstleistungssystems „Störstoff-Monitoring“ zur Anwendung in Papierfabriken. Für das Monitoringsystem kommen NIR-Messverfahren zum Einsatz, die es ermöglichen, die Störstoffbelastung zeitnah, mit hoher Spezifität und Differenzierung sowohl quantitativ als auch qualitativ zu erfassen. Abb 1 zeigt in einer abstrahierten Übersicht die Hauptkomponenten des Störstoffmonitoringsystems: Ausgehend vom kontinuierlich erfassten Messsignal und der Datenanalyse mittels Schwellwertkontrolle kann zeitnah eine Steuerung des Rohstoffeintrages und von Prozessparametern wie z.B. Rejektraten, Dispergerarbeit oder Additiveinsatz erfolgen.

Abb. 1: Schematische Darstellung zur Anwendung des Störstoff-Monitorings

 

Aktuelle Zwischenergebnisse

In Abb 2 wird das Gesamtniveau grobdisperser Polmerpartikel im Fertigpapier über einen Messzeitraum von 3,5 Tagen mit einer Messfrequenz von ca 1 Messung je Stunde dargestellt. Der gleitende Mittelwert über 12 Perioden (ca 0,5 d) zeigt den Trendverlauf gut an und man erkennt, dass die Störstoffbeladung innerhalb kurzer Zeiträume ohne weiteres um den Faktor 3 schwanken kann.

In Abb 3 wird die Gesamtpolymerbeladung in einem weiteren Detaillierungsgrad in 3 Substanzklassen unterteilt, die vorzugsweise klebrig (PVA Polyvinylacetat / PISO Polyisopren/ PAC Polyacrylat bzw PE-EVA Polyethylenthylenvinylacetat ) oder vorzugsweise nichtklebrig (PS Polystyrol) sind.

Abb. 2: Monitoring Polymerpartikel gesamt

Abb. 3: Unterscheidung nach Substanzart

In einem längeren Monitoringtrial über insgesamt 5 Wochen (im Ausschnitt sind ca 2,5 Wochen dargestellt) wurden insgesamt etwa 900 Papierproben mittels NIR-Imaging bezüglich grobdisperser Polymerpartikel vermessen. Im Trendverlauf der gestrichelten Linie ergaben sich ebenfalls Niveauunterschiede um den Faktor 3, bei einem Mittelwert aller Ergebnisse von 50 mm²/ROI Die Messfläche der Fertigpapierproben betrug jeweils 25 x 40 cm und eine NIR-Messung erforderte einen Zeitaufwand von 5 min. Aktuell in Arbeit ist der Abgleich zum Laufverhalten der Papiermaschine im untersuchten Zeitraum.

Abb. 4: Langstudie zur Schwankungsbreite der Polymerbeladung

 

Ausblick

Die in den Diagrammen dargestellten Ergebnisse wurden mit dem neuen PTS NIR-Imaging-System zur Makrosticky-messung ermittelt. Die Messung erfolgte offline in der PTS an von den Papierfabriken zugeschickten Fertigpapierproben. Durch den Einsatz der NIR-Messung reduzierte sich der zeitliche Aufwand im Vergleich zur bisher üblichen INGEDEMethode 4 um ca 95%. Zunächst gilt es also zu überprüfen, inwieweit das NIR Messsignal eindeutige Korrelationen zu den Abrisszahlen und Stillstandszeiten der Papiermaschine aufweist. Letztendliches Ziel im Projekt ist die Entwicklung eines online-Messsystems auf Basis NIR, das an der laufenden Papierbahn kurz vor der Aufrollung ein kontinuierliches Messsignal zur quantitativen Polymerbeladung im Papier liefert Eine Prinzipdarstellung des geplanten Messsystems verdeutlicht Abb 5.

Abb. 5: mögliches online-Messsystem

Weiterführende PTS-Entwicklungen sind eine optionale insitu-Remotesteuerung des Online-Messystems und eine von Algorithmen unterstützte Datenauswertung und -prognose unter Einbeziehung von Simulationsmodellen zur Altpapierqualität und für technische Prozess-Stufen der Stoffaufbereitung. Zusammen mit dem im nächsten Abschnitt vorgestellten Projekt INVITE ist das Projekt Störstoffmonitoring ein wesentlicher Bestandteil neuer Digitalisierungsangebote für die Papierindustrie im PTS-Geschäftsbereich Smart Services & Products (SSP).

Lutz Hamann,

lutz.hamann(at)ptspaper.de

Enrico Pigorsch,

enrico.pigorsch(at)ptspaper.de