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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff
von Anspruch 1 zur Optimierung der Produktion von Papier oder Karton.
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In
dieser Beschreibung bezieht sich der Begriff Papier oder Karton
auf bahnähnliche
Produkte, die mindestens hauptsächlich
aus einem Papierstoff ausgebildet sind, der aus Pflanzenfasern verfeinert ist.
Die wichtigsten Produkte in der Gruppe sind Druckpapiere, Packkartons
und Seidenpapiere. Zusätzlich
werden verschiedene Spezialprodukte und Kombinationsprodukte hergestellt,
wobei der Faserpapierstoffbahn in diesem Fall künstliche Polymerfilme, Metallfolien
oder Füllstoffe
beigemischt werden können.
Der Einfachheit halber werden nachfolgend nur die Herstellungsprozesse
für Druckpapiere
untersucht, wobei die Prinzipien der Erfindung auch auf andere oben
erwähnte
Produkte angewandt werden können.
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Der
Herstellungsprozess beginnt damit, dass ein Faserpapierstoff mit
Wasser gemischt, zubereitet und auf einem Sieb ausgebreitet wird.
Beim Ausbreiten wird ein Stoffauflaufkasten verwendet, der eine gleichförmige Schicht
aus Papierstoff auf dem Sieb ausbildet. Die bei der Herstellung
verwendeten Rohwerkstoffe wie zum Beispiel Zellulosebrei können in derselben
Mühle hergestellt
oder von einem externen Hersteller gekauft werden. Die Eigenschaften
des Papierstoffes sind von seinem Herstellungsverfahren und Rohwerkstoffen
abhängig,
wobei oftmals Mischungen unterschiedlicher Rohwerkstoffe verwendet
werden. Bei der Herstellung von Papier oder Karton werden mit anderen
Werkstoffen zum Beispiel mechanische Fasern, Zellulosebrei, Recyclingfasern, zu
dem Prozess zurückgeführter Ausschuss
und eine große
Bandbreite an Chemikalien, Bindemitteln und Farbmitteln verwendet.
Die Eigenschaften des verwendeten Faserpapierstoffes beeinflussen
die Eigenschaften und den Preis von Papier in großem Ausmaß. Durch
die Verwendung unterschiedlicher Papierstoffe kann die Festigkeit,
Helligkeit und Oberflächenqualität zum Beispiel
des Papiers beeinflusst werden. Bei der Herstellung einer spezifischen
Art von Papierqualität
wird gewöhnlich
ein Versuch unternommen, die durch den Kunden gesetzten Qualitätsziele
zu erreichen. Der Preis des Rohpapiers wird insbesondere stark von
der Art des Papierstoffes oder der Kombination von Papierstoffen
beeinflusst. Da die Preise von Faserzellstoffen ständig schwanken,
ist es vorteilhaft, die Papierstoffe gemäß den Preisschwankungen zu
verändern,
um den bestmöglichen
Profit zu erzielen. Bei Verwendung von Recyclingpapierstoff kann
die ausgewählte
Papierstoffzusammensetzung selbst durch die Verfügbarkeit von Recyclingfasern
beeinflusst werden. Wenn nicht genügend Recyclingfasern verfügbar sind,
müssen
sie durch anderen Zellstoff ersetzt werden. Da die Qualität und die
Eigenschaften des Grundpapiers eine beträchtliche Wirkung auf die nachfolgenden
Stufen des Herstellungsprozesses ausüben, ist es schwierig, die
Herstellung des Grundpapiers zu optimieren.
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Obwohl
eine große
Menge an Wasser den Grundpapierstoff auf dem Sieb verlässt, muss
er immer noch wirksam getrocknet werden. Die Trocknung erfolgt durch
Pressen zwischen Filzen und schließlich mithilfe von Wärme gewöhnlich auf
Trockenwalzen. Durch Regulierung und Teilung des Trocknungsereignisses
kann das Entfernen von Wasser von der Bahn in unterschiedlichen
Stufen dazu verwendet werden, um die Eigenschaften des Papiers und
insbesondere die Menge an erforderlicher Energie zu beeinflussen.
Nach dem Trocknen kann das Papier fertig sein, oder es kann zur
weiteren Bearbeitung entweder zu Vorrichtungen, die eine direkte
Fortsetzung der Pa piermaschine sind, oder zu separaten Fertigbearbeitungsvorrichtungen
weitergeführt
werden. Bei der Herstellung von Druckpapieren handelt es sich bei
den zur Fertigbearbeitung verwendeten Vorrichtungen gewöhnlich um
Kalander zur Verbesserung der Glattheit des Papiers, und um verschiedene
Streicheinrichtungen zum Auftragen verschiedener Substanzen auf
die Oberfläche
des Papiers. Gewöhnliche
Pigmentstriche wie zum Beispiel Kaolin und Kalziumkarbonat werden
verwendet. Es gibt eine große
Anzahl unterschiedlicher Streichmittel, wobei durch ihre Kombination
die Schaffung einer nahezu unbegrenzten Anzahl unterschiedlicher Überzugsmischungen
ermöglicht
wird. Zusätzlich
zu den obigen Verfahren wird Papier mit Oberflächenleim bearbeitet, um seine
Festigkeit zu erhöhen,
und mit verschiedenen Zusätzen,
die zum Beispiel dem Zellstoff beigemischt werden.
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Alle
oben beschriebenen Herstellungsstufen beeinflussen die Eigenschaften
des als Endprodukt erzeugten Papiers. So ist zum Beispiel dann,
wenn ein dunklerer Zellstoff verwendet wird, eine größere Menge
an Überzug
erforderlich, um dieselbe Oberflächenweiße zu erzielen.
Auf ähnliche
Weise kann dann, wenn ein teurerer langfaseriger Papierstoff verwendet
wird, eine größere Proportion
des Papierstoffes durch einen Füllstoff
ersetzt werden, so dass die Menge an Papierstoff verringert werden
kann. In beiden oben erwähnten
Fällen
wird das wirtschaftlichste Mischverhältnis durch den Kaufpreis der
Produktionsgüter
bestimmt, während
die Grenzwerte der Schwankungsbandbreite gemäß den gewünschten Eigenschaften des Endproduktes
bestimmt werden. Somit begrenzen die Grenzwerte, innerhalb welcher ein
die Qualitätsanforderungen
erfüllendes
Endprodukt hergestellt werden kann, auch die Schwankungen bei den
Mengen und Proportionen der Rohwerkstoffe. Neben Energie und Rohwerkstoffen
umfassen die mit den Kosten des Produktes in Zusammenhang stehenden
Produktionsfaktoren materielles und immaterielles Kapital, Personalressourcen
und verschiedene Dienstleistungen wie zum Beispiel Transport, Wartung,
Reinigung, Marketing, Sicherheit und den Kauf von externer Fachkenntnis.
Die Produktionsfaktoren müssen
entweder von außerhalb
der Firma gekauft, oder in ihr produziert werden.
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Wenn
wie oben nur zwei Größen untersucht werden,
kann eine Änderung
in dem Prozess und seine Wirkungen leicht verstanden werden. Wenn
berücksichtigt
wird, dass jede in dem Prozess vorgenommene Änderung viele unterschiedliche
Auswirkungen auf die Eigenschaften des Papiers, die Herstellungskosten,
die Lauffähigkeit
der Maschine und die bei der Herstellung erforderliche Menge an
Rohwerkstoffen haben wird, dann wird es offensichtlich werden, dass
die Wirkung selbst einer einzelnen Änderung schwierig zu bewerten
ist. Die Verwaltung des Prozesses wird sogar noch durch die Tatsache
erschwert, dass einzelne Prozessänderungen
durch entsprechende Veränderungen
anderer Prozessfaktoren ausgeglichen werden müssen. Daher ist es leicht,
in eine Kette von Veränderungen
eingebunden zu werden, die schwierig voraussagbar ist.
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In
Papiermaschinen werden hochentwickelte Steuersysteme verwendet,
welche die Qualitäten und
die Eigenschaften des in der Herstellung befindlichen Papiers überwachen.
Diese Steuersysteme steuern jedoch gewöhnlich nur eine einzige Größeneigenschaft
wie zum Beispiel den Feuchtigkeitsgehalt des Papiers in unterschiedlichen
Herstellungsstufen, oder die Dicke bzw. das Dickenprofil des Papiers.
Daher wird zum Beispiel eine Änderung
des Feuchtigkeitsgehaltes in einer frühen Prozessstufe die Qualität des Grundpapiers
in Bezug darauf beeinflussen, ob für das Papier eine Benetzung
oder Trocknung vor der Kalandrierung in einer späteren Prozessstufe erforderlich
ist. Gewöhnlich
sind immer noch Benetzungs- und Trocknungsvorrichtungen am Kalander
vorhanden, mittels welcher der Feuchtigkeitsgehalt des Papiers passend
für die
Kalandrierung eingestellt wird. Zusätzlich weist der Kalander sein
eigenes Feuchtigkeitssteuersystem auf. Dieses System soll die Feuchtigkeit
innerhalb der eingestellten Grenzwerte halten, wobei es auf keinen
Fall in der Lage ist, zum Beispiel aus Änderungen der Faserqualität erwachsende
Benetzungs- oder Trocknungsanforderungen zu berücksichtigen. Dementsprechend
funktionieren die anderen Steuerprozesse relativ unabhängig und
versuchen, die Größe, die
sie steuern, innerhalb der ein gestellten Grenzwerte zu halten. Daher
kann das System zum Beispiel nicht auf Einstellungsanforderungen
reagieren, die aus Änderungen
bei Rohwerkstoffen erwachsen, mit Ausnahme im Falle seiner eigenen
Größe. Aus
diesem Grund muss der Maschinenbediener in einem Änderungszustand
die notwendigen Laufwerte in dem Steuersystem einstellen, wobei
die Steuerung normalerweise feineingestellt werden muss, um die
Endeigenschaften des Produktes zu erreichen. Diese Steuereinstellung
basiert auf vorangegangenen Produktionsdaten mithilfe des auf Erfahrungen
basierenden Know-Hows der Maschinenbediener.
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Bei
dem Papierherstellungsprozess und seinen Unterprozessen wie zum
Beispiel der Herstellung des Grundpapiers, muss der Bediener mehrere Verwaltungsgrößen steuern.
Diese umfassen Geschwindigkeit, Temperatur, die Linearlast in dem
Kalander, Benetzung, die Streichmenge und -mischung, die Trockenwirkung
und ihre Verteilung durch die unterschiedlichen Trockenstufen, die
Rohwerkstoffe und ihre Proportionen usw. Zusätzlich zu diesen müssen die
sich ständig
verändernden
Preise von Energie und Rohwerkstoffen ebenfalls berücksichtigt
werden. Die durch den Bediener getroffene Auswahl in Bezug auf diese
Größen beeinflusst
in einer Art und Weise, die jedoch im Allgemeinen durch Theorie
und Praxis voraussagbar ist, die verschiedenen Eigenschaften des
in der Herstellung befindlichen Produktes sowie seinen Preis.
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Das
Ziel eines Papierherstellers besteht darin, so kostengünstig wie
möglich
Papier herzustellen, welches die Qualitätsanforderungen des Kunden erfüllt. Zu
diesem Zweck wurden Messverfahren entwickelt, die zur Verwendung
zur Voraussage des Verhaltens des Papiers in einer Druckmaschine
und als ein Endprodukt verwendet werden sollen. Dementsprechend
wurden auch Messverfahren für
die Eigenschaften anderer Produkte entwickelt. Informationen über viele
Eigenschaften, welche die Qualität von
Papier beeinflussen, werden bereits auf der Papiermaschine mithilfe
von Onlinemessungen erhalten. Zusätzlich werden traditionelle
Labormessungen und Überwachung
gemeinsam mit der Möglichkeit verwendet,
automatische Papiertestlabors zu verwenden. Diese Daten können in
einer elektronischen Form verarbeitet und übertragen werden.
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Vom
Gesichtspunkt des Benutzers von Druckpapier aus ist der wichtigste
Aspekt das Endergebnis des Druckes. Das Druckergebnis wird durch die
Lauffähigkeit
des Papiers, das heißt
der Anzahl von in einer Zeiteinheit produzierten Druckprodukten, einer
hohen Laufgeschwindigkeit, Druckbarkeit, das heißt von der Menge an erforderlicher
Druckfarbe, um die Qualitätsmerkmale
zu erreichen, und der Informationstragfähigkeit beeinflusst, die aus
der Dunkelheit des Druckes, der Fähigkeit zur Reproduktion von
Details und der Ungleichförmigkeit
des Druckes besteht. Ein Hersteller von Druckprodukten muss auch
den Preis des Druckens berücksichtigen,
der durch das Papier stark beeinflusst wird. Je höher die gewünschte Druckqualität, umso
besser verarbeitet und teurer muss das verwendete Papier sein, wodurch
die Kosten erhöht
werden. Daher ist es für
den Papierkäufer
am wirtschaftlichsten, das billigste Papier zu kaufen, welches die
Qualitätsanforderungen erfüllt.
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Die
Steuergrößen des
Herstellungsprozesses beeinflussen oft auf individuelle Art und
Weise alle gemessenen Eigenschaften. Die für die Eigenschaften des Produktes
eingestellten Kriterien können
unter Verwendung unterschiedlicher Kombinationen der Steuergrößen erfüllt werden.
Die Suche nach den besten Werten und oftmals nach solchen, die anders
als direkt in Bezug auf die Eigenschaften des Produktes optimiert
wurden (wie zum Beispiel die in unterschiedlichen Formen verwendete
Menge an Energie) erfordert Kenntnisse, Erfahrung und Zeit. Die Benutzerschnittstellen
der Messergebnisse, welche die Eigenschaften des Produktes und die
den Prozess beeinflussenden Steuergrößen darstellen, erfüllen nicht
die Anforderungen, die mit der Durchführung solcher Untersuchungen
in Zusammenhang stehen. Gewöhnlich
werden die Informationen über unterschiedliche
Systeme sehr weit verbreitet, und es ist sehr arbeitsaufwändig, ein
Gesamtbild zu gewinnen. So ist zum Beispiel die Ausbildung eines Echtzeitbildes
der Lauffähigkeit,
Druckbarkeit und Informationstragfähig keit des auf der Papiermaschine hergestellten
Papiers unmöglich,
wie dies auch bei der Echtzeitsteuerung der Papiermaschine auf der Grundlage
dieser Eigenschaften der Fall ist.
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Im
Prinzip könnte
eine Mehrfachsteuergrößensteuerung,
die auf korrekte Art und Weise implementiert ist, ein Werkzeug zur
Verbesserung der Herstellung ausbilden, wobei die Implementierung
eines solchen Systems mithilfe des gegenwärtigen Technologieniveaus weder
wirtschaftlich noch technisch machbar ist. Eine zweite Schwäche in Zusammenhang
mit Steuersystemen besteht darin, dass die Steuerung immer gemäß einer
in das Steuersystem integrierten Steuerungsstrategie funktioniert.
Diese Steuerungsstrategie basiert immer auf Modellen, die sich zuvor
als gut erwiesen haben, wobei die Grenzwerte eingestellt werden,
innerhalb welcher die Steuerung bleiben muss. Somit kann es nicht
notwendigerweise möglich
sein, Optimalwerte für
komplexe Systeme zu finden, wenn zum Beispiel der Einstellbereich
einer Steuergröße überschritten
werden muss, das Überschreiten
jedoch mithilfe anderer Steuergrößen ausgeglichen
werden kann.
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Mit
der vorliegenden Erfindung soll ein Verfahren geschaffen werden,
mit dessen Hilfe es möglich
ist, den Papierherstellungsprozess in seiner Gesamtheit, seinen
Unterbereichen oder einigen Faktoren zu optimieren, die den Prozess
und das Endergebnis beeinflussen.
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Mit
der vorliegenden Erfindung soll insbesondere die Prozesssteuerung
mit der Finanzsteuerung kombiniert werden, das heißt die Steuerung
der Papierherstellungsmaschine wird so mit der Finanzsteuerung kombiniert,
dass die Maschine wirtschaftlich steuerbar ist.
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Die
Erfindung basiert auf der Schaffung eines Simulatormodells für mindestens
einen Teil einer zur Herstellung eines bahnähnlichen Produktes auf Pflanzenfaserbasis
verwendeten Produktionslinie, wobei das Modell eine Schnittstelle
für die
Eingabe der mit dem Produktionsprozess in Zusammenhang stehenden
Steuergrößen und
Vorschläge
zur Veränderung
der Steuergrößen, ein
Berechnungsmodell zur Berechnung der mit dem Prozess in Zusammenhang
stehenden Qualitätsfaktoren,
und Elemente zum gleichzeitigen Anzeigen der Steuergrößen und der
berechneten Qualitätsfaktoren
umfasst.
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Genauer
ausgedrückt
ist das Verfahren gemäß der Erfindung
durch das gekennzeichnet, was in dem Oberbegriff von Anspruch 1
ausgesagt ist.
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Mithilfe
der Erfindung werden beträchtliche Vorteile
gewonnen.
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Das
Verfahren ist zur Beschleunigung und Erleichterung der Optimierung
des Herstellungsprozesses bestimmt. Die Aufgabe kann entweder in
der Optimierung der Qua lität
des Produktes innerhalb der Grenzwerte einiger Produktionsfaktoren
oder in der Aufrechterhaltung der Qualität des Produktes innerhalb zuvor
festgelegter Werte bestehen, wobei die Herstellungskosten des Produktes
so niedrig wie möglich
gehalten werden. Der Zweck besteht jedoch gewöhnlich darin, mehrere Faktoren
in einen optimalen Bereich zu bringen, so dass das Gesamtergebnis so
gut wie möglich
ist. Die Aufgabe der Optimierung kann auch als ein mehrdimensionaler
Bereich betrachtet werden. Das Verfahren ist insbesondere vorteilhaft,
wenn die Qualität
des hergestellten Papiers geändert
wird, da zu diesem Zeitpunkt das Verfahren zur Voraussage der zukünftigen
Situation verwendet werden kann, und um einen Start von Prozesssteuerungswerten
zu ermöglichen,
die nahe bei den Endwerten liegen, die für die Produktion verwendet
werden. Selbst wenn die Papierqualität bereits früher hergestellt
worden sein kann, haben sich die Prozessbedingungen und die Rohwerkstoffe
jedoch möglicherweise
leicht gegenüber
den zuvor verwendeten verändert.
Mithilfe der Erfindung ist es möglich vorauszusagen,
wie die Steuergrößen verändert werden
müssen,
um die Veränderung
bei der Anfangssituation zu berücksichtigen.
Auf ähnliche
Weise können Änderungen
während
des Prozesses erfolgen. Mithilfe der Erfindung ist es möglich, für diese Änderungen
bereit zu sein und das Bedürfnis
nach Anpassungen oder anderen in dem Prozess erforderlichen Änderungen
vorauszusagen.
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Da
der Erfindungsgedanke im gleichzeitigen Anzeigen der Steuergrößen und
Qualitätsfaktoren zum
Beispiel auf einem Computerbildschirm besteht, erhält der Bediener
ein sofortiges Gesamtbild der Entwicklung der Situation. Gleichzeitig
ist es möglich, damit
zu experimentieren, mit welchen Steuergrößen und Produktionsfaktoren
die Herstellung zum Beispiel eines für die besonderen Anforderungen
eines Benutzers anwendungsspezifisch angefertigten Papiers möglich wäre. Außerdem können mögliche Änderungen
bei den Rohwerkstoffen im Voraus untersucht und somit schlecht ausgewählte Rohwerkstoffkäufe vermieden
werden, wenn zum Beispiel die Verwendung von billigem Rohwerkstoff
zu einem Anstieg der Gesamtkosten führen würde. Das zur Implementierung
erforderliche Modell ist für
jeden Prozess separat anwendungsspezifisch angefertigt, und vorzugsweise
sind eine Produktbibliothek und ein Produktlogbuch damit verbunden.
Dieses kann zur Aufzeichnung der hergestellten Produkte, der in
dem Endprodukt erreichten Eigenschaften und der angefallenen Kosten
verwendet werden. Das Modell wird laufend genauer gemacht, so dass
seine Voraussagen durch die Verwendung immer genauer werden, da
das Modell an die wirklichen Bedingungen angepasst wird.
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Die
Erfindung kann als Software implementiert werden, die in einem gesamten
Unternehmen verwendet wird, so dass zum Beispiel Maschinenbediener,
Produktionssteuerung, Marketing und Verwaltung alle dasselbe Fenster sehen.
Somit können
sie gleichzeitig möglichen,
an der Produktion vorgenommenen Änderungen
folgen und somit ihre Vorteilhaftigkeit bewerten. Vorzugsweise können mehrere
unterschiedliche Fenster zum Beispiel so eingerichtet werden, dass
allgemeine Betriebsansichten, welche die Gesamtsituation darstellen,
für alle
Benutzer verfügbar
sein können,
während
spezielle Fenster für separate
Gruppen von Benutzern anwendungsspezifisch angefertigt, und nur
für die
betroffene Gruppe verfügbar
sind. Somit können
zum Beispiel spezifische Fenster für die Produktion, Maschinenbediener, Produktionssteuerung
und Finanzverwaltung implementiert werden, mit deren Hilfe sie die
Situation in ihrem eigenen Bereich simulieren können. Im Prinzip werden alle
notwendigen Informationen jeder Benutzergruppe präsentiert,
jedoch alle unnötigen
Informationen beseitigt. Mithilfe des Systems ist es auch möglich, die
Produktion zu überprüfen, die
bereits stattgefunden hat, und zu bestimmen, wie die wirkliche Steuerungssituation
die Produktqualität
und den Herstellungsprozess beeinflusst hat.
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Es
können
verschiedene Fenster vorhanden sein, wobei es in einem davon zum
Beispiel möglich ist,
den Energieverbrauch, die angefallenen Produktionskosten, den Rohwerkstoffverbrauch
oder die Qualitätsfaktoren
des Produktes zu verfolgen. Natürlich
können
diese alle gleichzeitig angezeigt werden. Es sollte jedoch daran
erinnert werden, dass aus Gründen
der Klarheit nicht zu viele zu verarbeitende Informationen in einem
einzelnen Fenster gezeigt werden sollten. Auf ähnliche Weise können mehrere Untermodelle
unterhalb des Modells des gesamten Produktionsprozesses jeweils
mit ihrem eigenen Fenster vorhanden sein. Somit kann zum Beispiel
der Betrieb des Trockenbereiches, des Kalanders oder der Streichstation
separat von dem Gesamtmodell untersucht werden. Natürlich kann
die Erfindung auch auf eine einzelne Produktionsvorrichtung angewandt
werden, wenn mehrere Steuergrößen zu deren
Steuerung erforderlich sind.
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Mithilfe
der Erfindung kann sogar mit der Funktionalität irrationaler Prozesssituationen
experimentiert werden, zum Beispiel indem die Steuergrößen auf
solche Werte eingestellt werden, bei denen die Steuergrößengrenzwerte
oder die Qualitätsfaktorengrenzwerte
des Produktes überschritten
werden. Dadurch wird es möglich
zu experimentieren um festzustellen, ob ein unkonventionelles Laufverfahren den
Vorgaben entsprechende Produkte herbeiführen würde, oder ob die Betonung eines
Qualitätsfaktors neue
Produkte schaffen würde.
Gemäß der traditionellen
Art der Produktion könnte
es zum Beispiel irrational sein, teurere Produktionsgüter in einer
Situation zu verwenden, in der genügend billigere nicht verfügbar sind. Ähnliche
Gründe
könnten
aus der Betriebspolitik erwachsende Gründe sein, das heißt es wird
bevorzugt, Produktionsgüter
von den eigenen Mühlen
der Gruppe zu kaufen, oder es können
zahlreiche Gründe
sein, die aus der Wettbewerbspolitik oder aus den Werten des Eigentümers oder
der Gesellschaft erwachsen. Weiterhin können dann, wenn sich eine Charge
von Rohwerkstoff einem Alter nähert,
in dem sie nicht mehr verwendbar wird, Gründe zu dessen Verwendung vorhanden
sein, selbst wenn ein billigerer Rohwerkstoff mit genügender Qualität verfügbar sein
kann.
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Mithilfe
der Erfindung ist es möglich,
die Folgen der Mehrfachsteuergrößensteuerung
von einem finanziellen Standpunkt aus zu untersuchen und diese auch
mit Änderungen
bei der Qualität
des Endproduktes zu kombinieren.
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Nachfolgend
wird die Erfindung mithilfe der dazugehörigen Zeichnungen untersucht.
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In 1 ist
eine Ausführungsform
eines Fensters in dem Verfahren gemäß der Erfindung dargestellt.
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Nachfolgend
bezieht sich der Begriff Steuergrößen auf Prozessfaktoren, die
angepasst oder verändert
werden können,
wobei mit ihrer Hilfe der Status des Prozesses und die Qualität des Produktes beeinflusst
werden können.
Der Begriff Qualitätsfaktoren
bezieht sich auf die Eigenschaften des Produktes entweder während des
Prozesses oder in dem Endprodukt. Steuergrößen sind zum Beispiel Geschwindigkeit,
Trockenwirkung, Rohwerk stoffe und ihre Eigenschaften, Feuchtigkeitsgehalt,
die Menge an Überzug
oder Leim, die Last auf der Schaberklinge und die Belastung und
Temperatur des Kalanders. Beispiele der Qualitätsfaktoren des Produktes umfassen
Raumgewicht, Steifigkeit, Flächengewicht, Glanz,
Körnung,
Undurchsichtigkeit, Weiße
und Oberflächenfestigkeit.
Bei Anwendung der Erfindung wird das verwendete Berechnungsmodell
für eine spezifische
Maschine erstellt, so dass bei der Herstellung von ungestrichenem
und unkalandriertem Papier nur die Steuergrößen und Qualitätsfaktoren, die
mit der aktuellen Papiermaschine in Zusammenhang stehen, berücksichtigt
werden. Bei der Herstellung von gestrichenem und kalandriertem Papier
auf einer Onlinemaschine werden die Anzahl von Faktoren und Größen natürlich größer, und
das erforderliche Modell komplexer sein. Dementsprechend kann ein
individuelles Optimierungsverfahren anwendungsspezifisch für unabhängige Offlinestationen und
Kalander angefertigt werden, wobei die Größen die Eigenschaften des von
der Maschine hergestellten Grundpapiers umfassen.
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Der
Grundgedanke der Erfindung besteht in der separaten Anwendung des
Optimierungsmodells auf jede verwendete Maschine, so dass es zur
Voraussage der Ereignisse genau eines spezifischen Prozesses verwendet
werden kann. Der Betrieb der Maschine oder der Prozesskomponente
wird mathematisch so dargestellt, dass die Werte der Qualitätsgrößen erhalten
werden, um die Steuergrö ßen darzustellen.
Bei dem Modell sind die Qualitätsgrößen die
in das Modell eingegebenen, sich ändernden Werte, auf deren Grundlage
die Werte der Qualitätsgrößen in Echtzeit
berechnet werden. Die Qualitätsgrößen werden
vorzugsweise auf der Anzeige als Relativwerte zum Beispiel grafisch
dargestellt. Das Modell soll nicht in erster Linie dazu dienen,
absolute Änderungen
bei den Qualitätsfaktoren
vorauszusagen, sondern die relativen Änderungen insbesondere der
Richtung oder Richtungen der Änderungen
bei der Qualität
und anderen Faktoren darstellen, die möglicherweise durch die beabsichtigte Änderung verursacht
werden. Somit besteht die Erfindung in der Anwendung des Verfahrens
um in der Lage zu sein, vorauszusagen, ob eine Änderung einer einzelnen oder
mehrerer Größen eine
Wirkung in der gewünschten
Richtung haben wird.
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Die
Steuergrößen werden
in demselben Fenster wie die Qualitätsfaktoren dargestellt, so
dass dann, wenn eine einzige Steuergröße verändert wird, die Änderungen
bei allen der Qualitätsfaktoren
sofort sichtbar sind. Wenn die Qualitätsfaktoren nicht innerhalb
der eingestellten Grenzwerte bleiben, können die anderen Qualitätsfaktoren
so verändert
werden, dass sie die erste Änderung
ausgleichen. Die wirkliche Steuerungssituation, wenn sich Produktionsfaktoren ändern, wird
auf diese Weise mithilfe des Verfahrens simuliert. Bei der tatsächlichen
Produktion ist es extrem schwierig, mit Änderungen zu experimentieren,
da die Änderungen
langsam stattfinden und es nicht möglich ist zu sehen, was die
Gesamtwirkung der Änderungen
ist. Es ist auch so teuer, eine Produktionsmaschine zu anderen Zwecken
als der eigentlichen Produktion zu verwenden, dass keine anderen Änderungen
als wesentliche Steuerungsmaßnahmen
zum Beispiel um die produzierte Papierqualität zu ändern, durchgeführt werden
können.
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Sobald
ein Grundmodell der Produktionsausrüstung produziert wurde, kann
es mit echten Prozessdaten und den Werten der entsprechenden Qualitätsfaktoren
aktualisiert werden. Die Aktualisierung kann in regelmäßigen Abständen von
dem Steuerungssystem und der Qualitätssteuerung der Produktionsausrüstung durchgeführt werden,
oder die Überwachung
kann ununterbrochen sein, und die wesentlichen Daten aufgezeichnet
werden. Das Ziel besteht in der Schaffung einer Produktbibliothek,
welche die Daten über
zuvor produzierte Produktchargen enthält, so dass mit ihrer Hilfe
eine schnelle Änderung
des Produktes möglich
ist, ohne eine lange Zeit zum Herunterfahren der Maschine zu benötigen. Mithilfe
der Erfindung ist es möglich,
eine Produktänderung
gut im Voraus durch Experimentieren vorzubereiten, wie die verfügbaren Rohwerkstoffe
das Endprodukt beeinflussen werden. Auf dieselbe Art und Weise ist
es möglich
zu experimentieren, wie eine mögliche
Steuerungsänderung
das Endprodukt, den Produktpreis oder zum Beispiel den Verbrauch von
Energie und anderen Produktionsgütern
beeinflussen würde.
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Das
zur Berechnung der Qualitätsfaktoren benötigte Modell
wird zum Beispiel durch die Festlegung der Qualitätsfaktoren
für jede
Steuergröße ausgebildet,
die diese beeinflusst, und durch Festlegung eines geeigneten Wirkungskoeffizienten.
Dadurch wird eine Matrix geschaffen, wobei dabei für jeden Qualitätsfaktor
eine Berechnungsformel vorhanden ist, die zur Bestimmung von dessen
Wert auf der Grundlage der Steuergrößen verwendet wird. Nun wird
jede Änderung
eines Wertes einer Steuergröße als eine Änderung
bei mehreren Qualitätsfaktoren
erscheinen, während
dementsprechend ein einzelner Qualitätsfaktor mithilfe mehrerer
Steuerungsfaktoren beeinflusst werden kann. Es gibt mehrere Möglichkeiten
zur Schaffung eines solchen Modells, wobei die eigentliche Schaffung
des Modells nicht in den Umfang der Erfindung fällt. In Bezug auf die Erfindung
ist es jedoch wesentlich, dass das Modell gemäß wirklichen und implementierten
Laufsituationen aktualisiert wird, indem die Wirkungskoeffizienten
der Steuerungsfaktoren verändert
werden. Auf diese Weise kann das Modell während des Betriebes genauer
an den optimierten Prozess angepasst werden.
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Ein
sehr wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, wie die Werte
der Steuergrößen und
die Qualitätsfaktoren
präsentiert
werden. Die zu einer beliebigen Zeit behandelten Steuergrößen werden
in derselben Benutzerschnittstelle wie die Werte der Qualitätsfak toren
dargestellt, so dass dann, wenn der Wert eines Steuerungsfaktors
geändert
wird, die Wirkung der Änderung
sofort sichtbar ist. In diesem Fall bezieht sich der Begriff Benutzerschnittstelle
auf ein Arrangement, welches zwischen einem Benutzer und dem System
ausgebildet wird, das heißt
eine Möglichkeit
zur Übertragung
von Daten zwischen dem Benutzer und dem System. Die Benutzerschnittstelle
kann verschiedene Anzeigevorrichtungen, Schaltpulte, Tastaturen
und andere Einrichtungen zur Eingabe und Präsentation von Informationen
umfassen. Der Kontrollraum einer modernen Papiermühle kann
2–20 CRTS
oder Flachbildschirme aufweisen, wobei auf jedem davon mehrere Fenster
für unterschiedliche
Anforderungen geöffnet
werden können.
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Für jede Steuergröße und Qualitätsfaktor werden
Grenzwerte eingestellt, innerhalb welcher diese bleiben müssen. Im
Falle der Qualitätsfaktoren werden
diese auf der Grundlage der bei dem Produkt erforderlichen Eigenschaften
festgelegt, und in dem Fall der Steuergrößen gemäß den verfügbaren Einstellungsbereichen.
In der Anzeige wird vorzugsweise eine grafische Benutzerschnittstelle
verwendet, wobei die Werte der Steuergrößen direkt in der Anzeige verändert werden
können,
und die Werte derselben und der Qualitätsfaktoren als Relativwerte
auf geeignete Art und Weise zum Beispiel als Spalten, Balken, Kreisgrafiken
oder Ähnliches
dargestellt werden. Eine grafische relative Anzeige ist normalerweise
ausreichend um zu bewerten, wie eine Än derung bei einigen Steuerungsfaktoren
den Prozess beeinflussen wird. Wesentlich ist das Erreichen einer
besseren und umfassenderen Voraussagbarkeit der Wirkungen von Änderungen
bei den Steuergrößen als Grundlage
für bei
der Produktion vorzunehmende Änderungen.
Es ist nicht notwendig, die genaue Wirkung einer Änderung
bei einer einzelnen Steuergröße wie zum
Beispiel der Temperatur der Thermowalze eines Kalanders auf einige
Qualitätsfaktoren
wie zum Beispiel Glanz zu kennen. Die Erfindung soll für den Benutzer
grafisch darstellen, ob die beabsichtigte Änderung einen Einfluss in die
gewünschte
Richtung ausüben
wird oder alternativ, den Benutzer unterstützen um zu bestimmen, welche Änderungen
zu verwenden sind, um eine Änderung
in einer gewünschten
Richtung zu erreichen. Es ist insbesondere wichtig zu bestimmen,
welche Gesamtwirkungen eine Änderung
haben wird. Natürlich
können
Fenster oder für
die Anzeige auszuwählende
dimensionierte Zahlenwerte der Anzeige ununterbrochen hinzugefügt werden.
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Die
Erfindung soll zur Schaffung eines Automationsprogrammes dienen,
welches als Teil des Steuersystems der Maschine zu verwenden ist,
oder ein separates Programm in dem Automationssystem, mit dem das
Endergebnis des Prozesses für
den Benutzer auf der Grundlage von Prozessmodellen simuliert werden
kann. Die Nutzung der Erfindung wird wesentlich erleichtert, wenn
der Betrieb des Simulators durch umgekehrt wirkende Optimierung
ergänzt wird.
Die auf der Grundlage der Simulation verwendeten Prozessmodelle
können
mithilfe mathematischer Optimierungsalgorithmen so genutzt werden, dass
der Benutzer oder das Automationssystem die beabsichtigten Endeigenschaften
bereitstellt, wobei der mathematische Algorithmus die Einstellwerte
für die
Maschine berechnet, mittels welcher die Gesamtheit der Zieleigenschaften
so nahe wie möglich
erreicht wird. Die Optimierung kann auch die Änderung der Richtung der Einstellwerte
der Maschine anstatt der Absolutniveaus berechnen. Ein wesentliches Merkmal
der Optimierung besteht darin, dass die Abweichung der Endparameter
von dem Ziel zu einem Kostenfaktor führt. Der Optimierungsalgorithmus sucht
ein Minimum der Kombination der Kosten verschiedener Parameter,
wobei die verschiedenen Kosten gegenseitig gewichtet werden können. Die Gewichtung
und die Kostenfaktoren sind vorzugsweise so beschaffen, dass der
Benutzer sie verändern kann.
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In 1 ist
eine mögliche
Art der Präsentation
der Anzeige dargestellt. Das Fenster der dargestellten Anzeige stellt
die Steuergrößen und
Qualitätsfaktoren
mithilfe eines den Betrieb eines Kalanders simulierenden Modells
dar.
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In
der rechten oberen Ecke von 1 ist ein Block
zu sehen, der die behandelten Steuergrößen, Belastung, Temperatur,
Feuchtigkeitsgehalt, Dampfmenge über
der Bahn, Füllstoff
und die Dampfmenge unter der Bahn darstellt. Für jede Steuergröße ist eine
Skala vorhanden, wobei das Anzeigeelement darauf zur Veränderung
des Wertes der Größe bewegbar
ist. In diesem Fenster sind auch Zahlenwerte der Größen vorhanden,
die in für
die Größe passenden
Einheiten gegeben sind. Auf der rechten Seite des Steuergrößenblockes
ist ein Anfangswertblock vorhanden, der die Zusammensetzung des
Rohpapierstoffes des Papiers in Form von Prozentsätzen der
unterschiedlichen Arten von verwendetem Papierstoff darstellt. Unter
dem Anfangswertblock ist ein Diagramm der verwendeten Vorrichtung
vorhanden, in diesem Fall der Walzenspalt in einem Kalander.
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Am
Boden des Fensters ist ein Qualitätsfaktorblock vorhanden. Dieser
Block stellt 12 Qualitätsfaktoren
dar, mit deren Hilfe die Eigenschaften des fertigbearbeiteten Papiers
bewertet werden können. Die
Qualitätsfaktoren
sind als Balkendiagramme dargestellt, wobei an der unteren Kante
ein Anzeigeelement mit zwei oder mehr Teilen vorhanden ist, welches
zum Anzeigen der Qualitätsfaktoren
verwendet wird, die in Bezug auf das Endprodukt und einen Bereich
korrekt sind, mittels welchem das gewünschte Endergebnis nicht erreicht
werden wird. Über
diesem Anzeigeelement ist ein Cursor vorhanden, wobei die von demselben
dargestellten Werte die Werte der Qualitätsfaktoren darstellen, die
von den mithilfe des Simulatormodells berechneten Steuergrößen abhängig sind.
Hierbei sollte bemerkt werden, dass die Qualitätsfaktoren nicht notwendigerweise
nur von den Steuergrößen abhängig sind,
die in dem betroffenen Fenster dargestellt sind, wobei der Simulator jedoch
viele andere Daten verwenden kann, die zum Beispiel von den Steuer-
und Qualitätssystemen
der Maschine erhalten wurden.
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Die
Erfindung ist vorzugsweise als ein Computerprogramm implementiert.
Das Programm umfasst Schnittstellen mit dem Produktionsprozess und Qualitätsüberwachungssystemen,
wovon die im Moment vorhandenen zunächst aufgelistet werden:
- – Messdaten
(Prozess)
- – Steuerungsdaten
- – Messdaten
(Qualität)
- – Externe
Faktoren (zum Beispiel Preise, Verfügbarkeit von Rohwerkstoff)
- – Andere
notwendige Daten.
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Mit
anderen Worten ausgedrückt
wird zunächst
der gesamte Anfangsstatus der Änderung
bei der Simulation festgelegt, das heißt der Status, in dem der Vorgang
stattfindet. Dann werden eine oder mehrere Steuergrößen in dem
Fenster des Simulators geändert,
wobei der Simulator danach die Änderungen
präsentiert,
die möglicherweise
bei der Qualität
verursacht werden, und andere Faktoren werden untersucht. Wenn als
Ergebnis der Simulation Änderungen
in der richtigen Richtung erhalten werden, können entsprechende Änderungen
an dem Steuersystem vorgenommen werden. Dann kann das Simulatorprogramm
mit den neuen Messdaten und anderen Daten aktualisiert werden, und
mögliche
neue Änderungssituationen
können
bewertet werden.
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Zusammenfassung
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Verfahren
zur Optimierung der Produktion von Papier oder Karton
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Verfahren
zur Herstellung eines bahnähnlichen
Produktes auf Faserbasis zur Optimierung des Betriebes des verwendeten
Prozesses, wobei bei dem Verfahren Qualitätsfaktoren für das hergestellte Produkt
festgelegt werden, Steuergrößen, die
den Status des Prozesses beeinflussen, oder Qualitätsfaktoren
des Fertigproduktes für
mindestens einen Teil des Prozesses festgelegt werden. Zusätzlich wird
ein Betriebsmodell geschaffen, welches zur Darstellung der Wirkung
einer jeden Steuergröße auf die Qualitätsfaktoren
verwendet wird, und eine Benutzerschnittstelle wird geschaffen,
durch die variierende Werte für
die Steuergrößen in das
Betriebsmodell eingegeben werden können, und wobei die Werte der Qualitätsfaktoren
gleichzeitig so dargestellt werden können, dass die Werte der Steuergrößen und
die Werte der Qualitätsfaktoren
gleichzeitig betrachtet werden können.