PAPERIKONEEN LAATUSÄÄTÖJÄRJESTELMÄN UUSINNAN VAIKUTUKSET LAATUSÄÄTÖJEN SUORITUSKYKYYN

LAPPEENRANNAN TEKNILLINEN YLIOPISTO Sähkötekniikan osasto Milla Ratilainen PAPERIKONEEN LAATUSÄÄTÖJÄRJESTELMÄN UUSINNAN VAIKUTUKSET LAATUSÄÄTÖJEN SUORITUSKYKYYN Diplomityön aihe on hyväksytty Sähkötekniikan osaston osastoneuvostossa 5.5.2004. Työn tarkastajat Työn ohjaajat Professori Olli Pyrhönen Professori Jero Ahola Professori Olli Pyrhönen Yliopettaja Merja Mäkelä, Kymenlaakson ammattikorkeakoulu DI Janne Haltamo, UPM-Kymmene Oyj Kajaani Kajaani 26.8.2004

TIIVISTELMÄ Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu Sähkötekniikan osasto Milla Ratilainen Paperikoneen laatusäätöjärjestelmän uusinnan vaikutukset laatusäätöjen suorituskykyyn Diplomityö 2004 107 sivua, 41 kuvaa, 26 taulukkoa ja 7 liitettä Tarkastajat: Professori Olli Pyrhönen Professori Jero Ahola Hakusanat: laatusäädöt, paperin laatusuureiden mittaus, säätöpiirin suorituskyky Keywords: quality control, paper quality measurement, control loop performance Tutkimuksen kohteena olleen UPM-Kymmene Oyj Kajaanin tehtaan PK3:n laatusäätöjärjestelmä ja mittapalkki uusittiin, jolloin haluttiin selvittää uusinnan vaikutuksia laatusäätöjen suorituskykyyn ja paperin laatuun. Työn kirjallisessa osassa perehdyttiin paperinvalmistusprosessin osiin kyseisen sanomalehtipaperikoneen tapauksessa sekä keskeisimpiin paperin laatuominaisuuksiin liittyviin mittaus- ja säätölaitteisiin sekä niiden toimintaan. Seurattaviksi paperin laatusuureiksi valittiin neliömassa, kuivamassa, kosteus ja paksuus, jotka ovat sanomalehtipaperin tärkeimpiä online-mitattavia ominaisuuksia. Paperin laatusuureiden seurantaan käytetään erilaisia tunnuslukuja ja työkaluja, joita on esitelty tässä työssä. Laatusuureiden konesuuntaisen ja poikkisuuntaisen seurannan tunnusluvuksi valittiin yleisesti käytössä oleva 2σ-keskiarvohajonta. Säätöjen suorituskykyä seurattiin suorituskykykolmion ohjausmatkaindeksien (CTI) ja erosuureen integraalien (IAE) avulla. Kokeellisessa osassa kerättiin mittaustietoja sekä vanhan että uuden laatusäätöjärjestelmän aikana. Seurattavat ajotilanteet paperikoneella jaettiin stabiiliin ajoon ja muutostilanteisiin, jotka käsittävät katkot ja lajinvaihtotilanteet. Stabiilin ajon aikana selvitettiin laatusuureiden hajontojen ja säätöjen suorituskykyindeksien normaaleissa tasoissa tapahtuneet muutokset. Muutostilanteiden osalta haluttiin selvittää, nopeuttaako järjestelmäuusinta katkoista toipumista ja lajinvaihtoaikaa. Stabiilin ajon seurannasta saatujen tulosten perusteella neliömassan ja kuivamassan konesuuntaiset hajonnat kasvoivat järjestelmäuusinnan myötä, mutta kosteuden konesuuntaiset hajonnat pienenivät. Laatusuureiden poikkisuuntaisista hajonnoista neliömassan sekä kuivamassan hajonnat kasvoivat ja kosteuden sekä paksuuden hajonnat pienenivät joidenkin lajien osalta. Poikkisuuntaisten laatusuureiden, etenkin paksuuden, toipuminen katkon jälkeen nopeutui. Myös lajinvaihtoon kuluva aika lyheni poikkisuuntaisilla laatusuureilla. Muutostilanteiden konesuuntaisten hajontojen asettumisajat eivät juuri parantuneet.

1 SISÄLLYSLUETTELO SYMBOLI- JA LYHENNELUETTELO ALKUSANAT 1 JOHDANTO...5 2 PAPERIKONEEN PROSESSILAITTEET...6 2.1 Lyhyt kierto ja perälaatikko...7 2.2 Viiraosa...9 2.3 Puristinosa...10 2.4 Kuivatusosa...11 3 AUTOMAATIO- JA LAATUMITTAUSJÄRJESTELMÄT...13 3.1 Automaatiojärjestelmien rakenne...14 3.2 Paperin laatusuureiden mittaus...17 3.2.1 Laatusuureet...17 3.2.2 Mittapalkin rakenne ja toiminta...20 3.2.3 Mitta-anturit...22 4 KONESUUNTAISET LAATUSÄÄDÖT...24 4.1 Malliprediktiivinen säätö...24 4.2 Ennustava monimuuttujasäätö...26 4.3 Konesuuntaiset ylä- ja alatason säädöt...32 4.4 Värin säätö...36 5 POIKKISUUNTAISET LAATUSÄÄDÖT...36 5.1 Kuivamassaprofiilin säätö...37 5.2 Kosteusprofiilin säätö...38 5.3 Paksuusprofiilin säätö...38 6 LAATUSÄÄTÖJEN SEURANNAN TYÖKALUT JA TUNNUSLUVUT...39 6.1 Tunnusluvut...39 6.2 Suorituskyvyn mittarit...40 6.2.1 Erosuuretta käyttävät indeksit...41 6.2.2 Suorituskykyindeksit...42 6.3 Konesuuntaisen vaihtelun seurannan työkalut...47 6.3.1 Konerullakohtainen konesuuntainen keskiarvohajonta...47 6.3.2 Konesuuntainen online-hajonta...49 6.3.3 Suorituskykykolmio...49 6.3.4 Lajinvaihdon seuranta -työkalu...49 6.4 Poikkiprofiilien seurannan työkalut...51 6.4.1 Poikkisuuntainen konerullakohtainen ja online-hajonta raakaprofiilista...51 6.4.2 Poikkisuuntainen konerullakohtainen ja online-hajonta toimilaitejaolla...52 6.4.3 Stabiliteettinäyttö...54

2 7 STABIILIN AJON SEURANTA...55 7.1 Vanhan laatusäätöjärjestelmän seuranta...56 7.2 Uuden laatusäätöjärjestelmän seuranta...60 7.3 Laatusäätöjärjestelmän uusinnan vaikutukset...64 8 KATKOISTA TOIPUMISEN SEURANTA...66 8.1 Katkot vanhan laatusäätöjärjestelmän seurannan aikana...68 8.1.1 Katkot märässä päässä...70 8.1.2 Katkot kuivassa päässä...72 8.2 Katkot uuden laatusäätöjärjestelmän seurannan aikana...74 8.2.1 Katkot märässä päässä...75 8.2.2 Katkot kuivassa päässä...76 8.3 Laatusäätöjärjestelmän uusinnan vaikutukset katkosta toipumiseen...78 9 LAJINVAIHTOJEN SEURANTA...83 9.1 Lajinvaihtojen seuranta vanhan laatusäätöjärjestelmän aikana...85 9.2 Lajinvaihtojen seuranta uuden laatusäätöjärjestelmän aikana...90 9.3 Laatusäätöjärjestelmän uusinnan vaikutukset lajinvaihtoaikoihin...93 10 POHDINTA...97 11 YHTEENVETO...102 LÄHDELUETTELO...105 LIITTEET Liite 1. Experion PKS:n konesuuntainen säätö Liite 2. Kalanterien viivakuormien optimointi Liite 3. Konesuuntaiset ja poikkisuuntaiset hajonnat Liite 4. Kuivamassasäädön suorituskykykolmio Liite 5. Experion PKS:n lajinvaihdon seuranta -työkalu Liite 6. Calcoilin stabiliteettinäyttö Liite 7. Lippkellä mitatut suodattamattomat konesuuntaiset hajonnat

3 SYMBOLI- JA LYHENNELUETTELO γ unohdustekijä µ, x keskiarvo σ, s keskihajonta σ 2 varianssi 1 φ z autoregressiivinen viivepolynomi ( ) 1 ( z ) θ liukuvan keskiarvon viivepolynomi a t e f i G IAE lim j M n P z -1 ARIMA BS CD CSI CTI CV DV FTE GA GPC HIC HMPC IAE ISE ITAE ITSE MD MFS MIMO MV OSC PGW SI SISO TMP VI riippumaton virhetermi erosuure frekvenssi vahvistus raja-arvo luottamusväli ohjaushorisontti otoskoko ennustushorisontti siirto-operaattori Auto-Regressive Integrated Moving Average Breaker Stack Cross Direction Control Speed Index Control Travel Index Controlled Variable Disturbance Variable Fault Tolerant Ethernet Genetic Algorithm Generalized Predictive Control Honeywell Info Center Horizon Multivariable Predictive Control Integral of Absolute Error Integral of Squared Error Integral of Time-weighted Absolute Error Integral of Time-weighted Squared Error Machine Direction Machine Finished Special Multiple Input/Multiple Output Manipulated Variable Oscillation Index Pressure Ground Wood Saturation Index Single-Input/Single-Output Thermo-Mechanical Pulp Variability Index

4 ALKUSANAT Tämä diplomityö on tehty UPM-Kymmene Oyj Kajaanin tehtaalla. Diplomityö on osa teollisuuden ja Tekesin rahoittamaa Paperikoneen laatusäätöjen diagnostisointi - tutkimushanketta. Haluan kiittää ohjaajaani DI Janne Haltamoa työni luotsaamisesta ja opastuksesta koko työn ajan. Lämpimät kiitokset ansaitsevat myös Mikko Toiviainen ja Seppo Jormakka neuvoista ja avusta mittaustietojen keruun käytännöntoteutuksessa. Lisäksi haluan kiittää koko automaatio-osastoa ja PK3:n väkeä mukavasta työilmapiiristä. Suuret kiitokset kuuluvat myös työni muille ohjaajille professori Olli Pyrhöselle ja yliopettaja Merja Mäkelälle, jotka ovat osoittaneet suurta kiinnostusta työni etenemistä kohtaan ja antaneet arvokkaita neuvoja pitkästä välimatkasta huolimatta. Haluan kiittää vanhempiani kannustuksesta ja tuesta koko opiskelutaipaleeni aikana. Kajaanissa 26.8.2004 Milla Ratilainen

5 1 JOHDANTO Tutkimuksen kohteena oleva UPM-Kymmene Oyj Kajaanin tehtaan PK3 on sanomalehtipaperikone, jolla valmistetaan erikoissanomalehtipaperia ja kirjapaperia. Paperikoneen tehtävänä on valmistaa paperia, jonka ominaisuudet täyttävät valmistajan ja käyttäjän sille asettamat vaatimukset. Paperin käyttäjät, esimerkiksi painotalot, asettavat korkeat laatuvaatimukset ostamalleen paperille, jotta painokoneiden ajohäiriöt pysyisivät mahdollisimman pienenä ja painojälki olisi hyvää. Paperin valmistajat puolestaan pyrkivät mahdollisimman pieniin tuotantokustannuksiin ja häiriöttömään tuotantoon, jotka vaikuttavat suoraan tuotannon kannattavuuteen. Vaadittavat laatuominaisuudet riippuvat paperilajista, mutta yhteistä niille kaikille on, että paperin tulisi olla tasalaatuista koko tuotannon ajan. Korkealuokkaisen ja tasalaatuisen lopputuotteen valmistus edellyttää tuotantoprosessin jatkuvaa tarkkailua ja hallintaa. Hyvän koneiston, automaatiojärjestelmien ja osaavan henkilökunnan lisäksi tarvitaan paperinvalmistusprosessin eri osissa lukuisia valvonta-, mittaus- ja säätölaitteita. Tässä työssä esitellään paperinvalmistusprosessin osat kohdekoneen tapauksessa sekä keskeisimpiin paperin laatuominaisuuksiin liittyvät mittausja säätölaitteet sekä niiden toiminta. Tutkimuksen kohteena olevan paperikoneen laatusäätöjärjestelmä ja mittapalkki uusittiin keväällä 2004. UPM-Kymmene Oyj Kajaanin tehtaalla haluttiin selvittää laatusäätöjärjestelmän uusinnan myötä tapahtuneet muutokset laatusäätöjen suorituskyvyssä. Seurattaviksi paperin laatusuureiksi valittiin neliömassa, kuivamassa, kosteus ja paksuus, sillä ne ovat kohdekoneen ja sillä valmistettavan paperin kannalta tärkeimpiä online-mitattavia ominaisuuksia. Näille laatusuureille määritetään konesuuntaisten ja poikkisuuntaisten 2σ-hajontojen sekä säätöjen suorituskykyä kuvaavien indeksien stabiilin ajon normaalit tasot yleisimmin ajetuilla paperilajeilla. Jatkossa paperin laatua olisi yksinkertaista seurata tuotannon aikana näiden tunnuslukujen avulla. Lisäksi tutkitaan laatusäätöjen käyttäytymistä sekä lajinvaihtotilanteessa että katkon jälkeen. Tarkoituksena on selvittää, nopeuttaako laatusäätöjärjestelmän uusinta lajinvaihtoon kuluvaa aikaa ja katkoista toipumista.

6 2 PAPERIKONEEN PROSESSILAITTEET Tutkimuksen kohteena oleva UPM-Kymmene Oyj Kajaanin tehtaan PK3 on sanomalehtipaperikone, joka on rakennettu vuonna 1971. Koneella valmistetaan erikoissanomalehtipaperia (MFS) ja jonkin verran kirjapaperia. Raaka-aineena käytetään noin puolet painehioketta (PGW) ja puolet kuumahierrettä (TMP). Täyteaineena käytetään kaoliinia ja täyteainepitoisuus vaihtelee välillä 3-10 %. Koneella valmistettavan paperin neliömassa on 45-60 g/m 2 ja vaaleusalue on 63-76 % ISO. Pelkällä massan ditioniittivalkaisulla maksimivaaleus on 72 % ISO, joten niin sanotut 76 vaaleat (76 ISO, D65) tehdään optisen kirkasteen avulla. Tällä hetkellä lajeja on noin 70. Koneen keskinopeus on parhaimmillaan 1330 m/min ja rainan leveys on 7,65 m. Vuosikapasiteetti on noin 220 000 tonnia. Paperikonetta on modernisoitu vuosina 1988 ja 1995. Paperikoneen pääosat ovat perälaatikko, viiraosa, puristinosa ja kuivatusosa, joiden rakennetta ja toimintaa on kuvattu tarkemmin seuraavissa kappaleissa. Kuivatusosalla olevaan välikalanteria ja kuivatusosan jälkeistä konekalanteria käytetään paperin pinnan käsittelyä varten. Viimeisenä osana on rullain, jonka tehtävänä on rullata paperi konerullaksi. Konekalanterin ja rullaimen välissä on laatusuureiden online-mittauksiin käytettävä mittapalkki. PK3:n pääosien sekä muiden prosessilaitteiden sijainti paperikoneella on esitetty kuvassa 1. Jälkikäsittelyä varten PK3:lla on Valmetin Winair - kantotelaleikkuri. Sen kapasiteetti ei yksin riitä leikkaamaan kaikkea PK3:n tuotantoa, joten lisänä käytetään toista leikkuria PK4:n puolella. Leikkureiden perässä on URK eli uudelleenrullauskone yksittäisille paperirullille ja kaksi pakkaamoa, joista toinen on täysautomaattinen pakkauslinja ja toinen on käsinpakkauslinja. Nämä pakkaamot pakkaavat koko tehtaan tuotannon.

7 Mittapalkki Konekalanteri Rullain Välikalanteri Kuivatusosa Puristinosa Viiraosa Perälaatikko Kuva 1. PK3:n prosessilaitteet ovat perälaatikko, viiraosa, puristinosa ja kuivatusosa. Kuivatusosalla olevaa välikalanteria ja kuivatusosan jälkeistä konekalanteria käytetään paperin pinnan käsittelyyn. Viimeisenä osana on rullain, jonka tehtävänä on rullata paperi konerullaksi. Konekalanterin ja rullaimen välissä on laatusuureiden online-mittauksiin käytettävä mittapalkki. (UPM-Kymmene Kajaani 2004) 2.1 Lyhyt kierto ja perälaatikko Paperikoneen lyhyellä kierrolla tarkoitetaan sitä prosessinosaa, jossa laimennetaan ja puhdistetaan paperikoneelle menevää massaa viirakaivon ja perälaatikon välillä. Lyhyt kierto käsittää viirakaivon, pyörrepuhdistimet, ilmanpoistosäiliön, konesihdit ja perälaatikon. Lyhyen kierron tehtävänä on laimentaa konesäiliön sakeamassa perälaatikkosakeuteen, palauttaa viiraosalta poistuva vesi ja retentioda veden sisältämä kiintoaines takaisin paperirainaan, puhdistaa massa epäpuhtauksista ja ilmasta sekä vaimentaa ja tasata perälaatikkoon tulevia häiriöimpulsseja. (Häggblom-Ahnger & Komulainen 2000) Konemassa, jonka sakeus PK3:lla on noin 3,4 %, laimennetaan perälaatikkosakeuteen, joka on noin 0,9-1,0 %. Perälaatikosta viiralle tulevassa virtauksessa on siis noin 99 % vettä. Paperikoneen lyhyttä kiertoa voidaan sanoa paperinvalmistusprosessin arimmaksi osaksi, sillä kierrossa esiintyvät häiriöt näkyvät suoraan lopputuotteessa (Häggblom-Ahnger & Komulainen 2000). PK3:lla konesäiliöstä tuleva konemassa, joka muodostuu hiokkeesta, hierteestä ja hylystä ohjataan laimennettavaksi viirakaivon pohjaan. Viirakaivosta massa pumpataan pyörrepuhdistuslaitoksen syöttöpumpulla pyörrepuhdistuksen ensimmäiseen vaiheeseen. Täyteaineena käytettävä kaoliini sekä värit annostellaan massaan pyörrepuhdistuslaitoksen ensimmäisen portaan syöttöpumpun imupuolelle. Pyörrepuhdistuksen läpäissyt hyväksytty

8 jae, aksepti, ohjataan ilmanpoistosäiliöön, josta massa virtaa peränsyöttöpumpulle. Peränsyöttöpumppu pumppaa massan konesihtien kautta perälaatikkoon. Retentioaineena käytettävä polymeeri lisätään massaan konesihtien jälkeen ja bentoniitti ennen peränsyöttöpumppua. Perälaatikolla on useita keskeisiä tehtäviä paperinvalmistusprosessissa. Perälaatikon tulee levittää massavirtaa tasaisesti koko viiran leveydelle ja luoda massaan sellainen turbulenssi, ettei kuituflokkeja pääse muodostumaan. Sen tulee myös poistaa virtaushäiriöitä, jotka voivat aiheuttaa neliömassavaihteluita sekä aikaansaada viiralle suihku, jolla on haluttu sakeus, nopeus ja suunta. (Paperikoneet yleistä 1990) PK3:n perälaatikko on Valmetin hydraulinen Sym-Flo. Perälaatikon rakenne on esitetty kuvassa 2. Massa tulee sisään perälaatikkoon suorakulmion muotoisen, virtaussuuntaan suppenevan jakotukin kautta. Massa tulee jakotukkiin kohtisuorasti koneen käyttöpuolelta ja jakotukki levittää virtauksen tasaisesti koko koneen leveydelle. Massa virtaa jakotukista jakopillistön kautta tasauskammioon. Jakopillistön tehtävänä on vaimentaa jakotukin painevirheitä ja tasauskammio puolestaan tasaa pillistön jälkeistä nopeusprofiilia. Tasauskammion yläosassa oleva vaimennussäiliö, joka normaalissa ajotilanteessa on suurelta osin paineilman täyttämä, vaimentaa lyhyestä kierrosta tulevia paine- ja virtaamahäiriöitä. Tasauskammiosta homogeeninen paperimassa virtaa turbulenssigeneraattorin kautta huulikanavaan. Huulikanavan ensisijainen tehtävä on virtausnopeuden kiihdyttäminen perälaatikkonopeudesta koneen nopeustasolle. Massa johdetaan huulikanavan kautta huuliaukolle, josta massavirta joutuu edelleen viiralle. (KnowPap 4.0 2002)

9 Karojensäätölaite Ylähuuli Jakopillistö Kärkilista Huulikanava Jakotukki Vaimennussäiliö Tasauskammio Turbulenssigeneraattori Kuva 2. Perälaatikon osat ovat jakotukki, jakopillistö, tasauskammio, vaimennussäiliö, turbulenssigeneraattori, huulikanava, ylähuuli, karojensäätölaite ja kärkilista. (Mäkelä 2003) Huuliosa muodostuu kahdesta vaakasuorasta huulesta, jotka ovat noin 30 :n kulmassa. Alahuulipalkki on kiinteä ja ylähuuli on varustettu liikkuvalla kärkilistalla ja siihen kiinnitetyillä huulensäätökaroilla. Huuliaukon suuruutta voidaan muuttaa säätökaroilla, joita ajetaan Jetmatic-säätölaitteella automaatiojärjestelmältä saatujen asetusarvojen mukaan. Perälaatikon sakeutta voidaan pienentää avaamalla ylähuulta koko leveydeltä. Huulen avaaminen myös siirtää massan osumiskohtaa kauemmaksi viiran rintapöydällä, mikä vaikuttaa vedenpoistotapahtumaan viiraosan alussa. Kuivamassan poikkiprofiilia säädetään liikuttamalla ylähuulen säätökaroja paikallisesti. (Häggblom-Ahnger & Komulainen 2000) 2.2 Viiraosa Paperin rakenteelliset ominaisuudet määräytyvät valtaosin jo viiralla, jossa paperiraina muodostuu kuitulietteestä suotauttamalla (Häggblom-Ahnger & Komulainen 2000). PK3:n viiraosa on Valmetin Sym-Former R eli kyseessä on vanha tasoviirakone, johon on asennettu yläviirayksikkö vuonna 1988. Yläviirayksikössä ei ole omaa käyttöä, vaan se pyörii alaviiran pyörittämänä. PK3:lla sulppu tulee perälaatikosta viiralle 0,9-1,0 % sakeana ja viiran jättävän rainan kuiva-ainepitoisuus on 13-15,5 %. PK3:n viiraosan alaviira on pingotettu rintatelan ja imutelan välille ja sen alapuolella on erityyppisiä vedenpoistoelementtejä. Alaviiralla on rintatelan ja imutelan lisäksi kahdeksan telaa, jotka ovat kaksi kiristystelaa, ohjaustela, neljä varsinaista johtotelaa sekä viiran

10 vetotela. Niiden avulla viiraa pyöritetään, kiristetään ja ohjataan siten, ettei se ajaudu laitaan. Tasoviiraosalla vedenpoisto tapahtuu ainoastaan rainan alapuolelta. Tasoviiralla olevat vedenpoistoelementit perälaatikolta eteenpäin ovat rintapöytä, foililistat ja foililaatikot, alipaineiset foililaatikot, neljä tasoimulaatikkoa sekä viiran imutela. Yläviirayksikön tehtävänä on lisätä tasoviiran vedenpoiston tehokkuutta. Yläviirayksikön vedenpoistoelementit ovat formeritelat ja listakenkä. Ensimmäisellä formeritelalla vesi poistuu ylöspäin. Tästä raina etenee kahden viiran välissä kohti listakenkää, jonka alueella vettä poistuu ylöspäin keskipakovoiman avulla ja alaspäin alipaineen avulla. Listakengän jälkeen tule toinen formeritela, jonka alueella vedenpoisto tapahtuu ylöspäin keskipakovoiman avulla. 2.3 Puristinosa Paperiraina ohjataan viiraosalta puristinosalle 13-15,5 %:n kuiva-aineessa. Puristinosalla vettä poistetaan rainasta mekaanisesti puristamalla, jolloin kuiva-ainepitoisuus nousee 41-43 %:iin. Puristimella pyritään saavuttamaan riittävän suuri märkälujuus, jotta rainan siirto kuivatusosalle onnistuu ilman katkoja (KnowPap 4.0 2002). PK3:n puristinosa on kuvassa 3 oleva Valmetin Sym-Press, jossa on kolme nippiä. Paperirata kulkee kuvassa puristinosan läpi oikealta vasemmalle. Ensimmäisen nipin muodostavat taipumakompensoitava tela ja pick-up-huopakierrossa oleva puristimen imutela. Toinen nippi on puristimen keskitelan ja puristimen imutelan välillä. Kolmannen nipin muodostavat taipumakompensoitava tela ja puristimen keskitela. Lisäksi puristimella on kosteuden poikkisuuntaista säätöä varten höyrylaatikko, joka toimii puristimen imutelaa vasten.

11 Taipumakompensoitava tela Keskitela Höyrylaatikko Imutela Taipumakompensoitava tela Kuva 3. Puristinosa, jonka ensimmäisen nipin muodostavat taipumakompensoitava tela ja imutela, toisen nipin muodostavat imutela ja keskitela sekä kolmannen nipin muodostavat keskitela ja taipumakompensoitava tela. Höyrylaatikon paikka on osoitettu imutelaa vasten. Paperiradan kulkusuunta on kuvassa oikealta vasemmalle. (UPM-Kymmene Kajaani 2004) Märkäpuristus tapahtuu kahden toisiaan vasten puristetun telan avulla. Paperiraina kulkee yhdessä yhden tai kahden huovan kanssa telojen muodostaman nipin läpi. Ensimmäinen nippi on kaksoishuovitettu, jolloin vesi poistuu sekä ylös- että alaspäin. Toisessa ja kolmannessa nipistä vesi poistuu vain ylöspäin ja paperirainan alapinta on suoraan puristimen keskitelaa vasten. Veden siirtymiseen paperista huopaan ja sieltä edelleen telalle vaikuttaa useat seikat. Tärkeimpiä näistä ovat huovan ja telan rakenne, lämpötila, massan koostumus ja jauhatusaste, koneen nopeus sekä viivakuorma ja viipymäaika nipissä. (KnowPap 4.0 2002) 2.4 Kuivatusosa Puristinosalta paperiraina johdetaan kuivatusosalle, jonka tarkoituksena on haihduttaa rainasta vesi ja siten päästä sopivaan paperin loppukosteuteen, joka on PK3:lla 9-10 %. Kuivatusosalla raina kulkee höyryllä lämmitettävien sylinterien päällä. Kuuman sylinterin lämpö siirtyy paperiin ja haihduttaa siinä olevaa vettä. Kuivatusosa on kokonaisuudessaan kaavun eli huuvan sisällä lämmöntalteenoton vuoksi (Häggblom-Ahnger & Komulainen 2000).

12 PK3:n kuivatusosa muodostuu kuudesta käyttöryhmästä, joista ryhmät 4-6 ovat kaksiviiravientisiä eli paperi siirtyy sylintereiltä eteenpäin ilman tukea. Kuivatusosan mekaanisesta jaosta poiketen höyryryhmiä on vain neljä kappaletta, joista ensimmäinen on jaettu A- ja B-ryhmään. Kolmas höyryryhmä on päähöyryryhmä. Kuivumistapahtuma voidaan jakaa kolmeen vaiheeseen. Aluksi paperirainan lämpötila nousee tiettyyn arvoon, kun lämpöä siirtyy paperiin. Höyrystyminen ja häviöt ovat tasapainossa lämmöntuoton kanssa ja kuivumisnopeus kasvaa. Sen jälkeen alkaa kuivuminen vakionopeudella, jolloin vettä höyrystyy paperin pinnasta ja samaan tahtiin tapahtuu kosteuden diffuusiota paperin sisäosista. Kun diffuusionopeus ei pysy enää höyrystymisnopeuden tahdissa, kuivumisnopeus pienenee. Kuivumisnopeus on likimain vakio 10-15 %:n kosteustasolle asti. Sen jälkeen kuivumisnopeus vähenee huomattavasti. (Mäkelä 2003) Viidennen ja kuudennen ryhmän välissä on välikalanteri eli breaker stack, jolla saadaan muokattua paperin pintaominaisuuksia ja tiheyttä tehokkaasti, kun rata on vielä märkä. Se muodostuu kahdesta valumetallipintaisesta kokillitelasta, joista alatela on taipumakompensoitu. Välikalanteri myös tasaa paperin paksuusvaihteluita ja näin vähentää konekalanterin värähtelyriskiä (Paperikoneet yleistä 1990). Kuivatusosan jatkona on nelitelainen konekalanteri, josta yleensä on käytössä vain kaksi alimmaista telaa. Telat ovat valurautakokilliteloja, joista ala- ja ylätelat ovat taipumakompensoituja. Toiseksi alinta telaa vasten on poikkisuuntaisena paksuussäätäjänä Calcoil-paksuudensäätölaite. Kalanteroinnin päätehtävä on muokata paperin pintaominaisuudet sellaisiksi, että ne vastaavat kyseisen painomenetelmän asettamia vaatimuksia (Häggblom-Ahnger & Komulainen 2000). Konekalanterin nopeus on yhtä suuri kuin paperikoneen nopeus ja käytettävä nippipaine riippuu valmistettavasta paperista ja halutusta kalanterointituloksesta (KnowPap 4.0 2002). PK3:lla on viisi erilaista kalanterointimahdollisuutta riippuen siitä, kuinka välikalanterin ja konekalanterin nipit on aseteltu. Välikalanterin ollessa alhaalla raina voidaan ajaa konekalanterista joko alimman tai kaikkien nippien läpi. Välikalanterin ollessa ylhäällä

13 raina voidaan ajaa joko konekalanterin alimman tai kaikkien nippien läpi tai jättää kalanterointi kokonaan tekemättä. Eri kalanterointimahdollisuudet on havainnollistettu kuvassa 4. Välikalanteri Konekalanteri a b c d e Kuva 4. Kalanterointimahdollisuuksia on viisi riippuen siitä, miten välikalanterin ja konekalanterin nipit on aseteltu. Välikalanterin ollessa alhaalla raina voidaan ajaa konekalanterilla joko yhden (kuva a) tai kolmen (kuva b) nipin läpi. Välikalanterin ollessa ylhäällä raina voidaan ajaa konekalanterilla joko yhden (kuva c) tai kolmen (kuva d) nipin läpi tai jättää kokonaan kalanteroimatta (kuva e). 3 AUTOMAATIO- JA LAATUMITTAUSJÄRJESTELMÄT Paperikoneautomaation avulla hallitaan paperinvalmistusprosessia, koneita ja laitteita sekä paperin laatua. Paperikoneen automaatio voidaan jakaa prosessiautomaatioon, koneenohjaukseen, sähkökäyttöjen ohjaukseen ja laatusäätöjärjestelmään. Perinteisesti paperikoneen automaatio on toteutettu useilla eri automaatioratkaisuilla, jotka on liitetty toisiinsa. Nykyään on kuitenkin jo mahdollista integroida koko automaatio prosessiautomaatiojärjestelmään järjestelmien suorituskyvyn kasvettua. Prosessiautomaatiojärjestelmällä mitataan, ohjataan ja säädetään massanvalmistukseen, vesikiertoihin sekä lisäaineiden annosteluun liittyviä prosessisuureita. Perinteisesti koneenohjaus on toteutettu ohjelmoitavilla logiikoilla ja paperikoneen eri osien nopeuksien ohjaamiseen on käytetty sähkökäyttöjä, joilla on omat ohjausjärjestelmänsä. Paperin laatua

14 voidaan säätää mittaus- ja ohjaustoiminnot käsittävällä laatusäätöjärjestelmällä tai prosessiautomaatiojärjestelmällä, jolloin mittaustiedot laatusuureista saadaan laatumittausjärjestelmän mittapalkilta. 3.1 Automaatiojärjestelmien rakenne PK3:n pääautomaatiojärjestelmänä on Honeywellin TotalPlant Alcont (TP Alcont), josta on liitäntä vanhempaan Alcont I -järjestelmään. TP Alcont -automaatiojärjestelmä käsittää 16 prosessiasemaa (PA), yhden tiedonkeruuaseman (HIC), yhden raportoinnin puskurointiaseman (RPA), kaksi valvomoasemaa (VA), kaksi valvomoliitäntäasemaa (VLA), yhden tietoaseman (TA), kaksi Alcont I -liitäntäasemaa (LA), yhden laatumittausaseman (LMA), kolme ajopaikkaa, yhden VxA-päätteen, yhden kenttäajopaikan sekä yhden sovellusaseman (SA) sovelluksen ylläpitoon ja huoltoon. Oheislaitteina on hälytyskirjoitin, lasertulostin ja kuvakopiolaite. Alcont I -järjestelmässä on viisi prosessiasemaa, viisi Aldixia, yksi raporttiasema (RA), yksi järjestelmäasema, yksi konfigurointipääte, yksi operointiasema ja yksi operointipaikka. Asemat liittyvät toisiinsa Upline-väylien välityksellä. Toinen valvomoliitäntäasema, tiedonkeruuasema, sovellusasema ja VxA-pääte liittyvät Ethernet-liitännöillä tehtaan tietoverkkoon. Automaatiojärjestelmien järjestelmäkaavio on esitetty kuvassa 5. Ennen laatusäätöjärjestelmän uusintaa Lippke-mittapalkki oli liitetty Alcont-järjestelmään siten, että Alcont ohjasi sitä. Konesuuntaiset säädöt ja kaikkien profiilitoimilaitteiden ohjaus ja säätö tapahtui TP Alcontin prosessiasemilla. Kaikki tiedot Alcont I - järjestelmästä tuodaan liitäntäasemien kautta TP Alcont -järjestelmään. TP Alcont - sovelluksessa on 1700 I/O-liitäntää ja Alcont I -sovelluksessa 500 I/O-liitäntää. Koneenohjaus on toteutettu Siemensin S5-konelogiikalla ja sähkökäyttöjen ohjaukset on toteutettu ABB:n Selma-järjestelmällä.

15 Aldix 5 kpl Konfigurointipääte Operointipääte PA 5 kpl OA RA JA Alcont I Upline Ajopaikka 3 kpl HIC VA 2 kpl RPA SA LA 2 kpl Ethernet TP Alcont Upline PA 16 kpl TA VLA 2 kpl LMA Jetmatickarojensäätölaite VxA Lippkemittapalkki Kenttäajopaikka Calcoilpaksuudensäätölaite Devronizerhöyrylaatikko Kuva 5. Pääautomaatiojärjestelmässä on liitäntä TP Alcont -järjestelmästä vanhaan Alcont I -järjestelmään. Joiltakin asemilta on Ethernet-liitännät tehtaan tietoverkkoon. Lippke-mittapalkki on liitetty pääautomaatiojärjestelmään laatumittausaseman kautta. Perälaatikon Jetmatic-karojensäätölaite, puristinosan Devronizer-höyrylaatikko ja kuivatusosan Calcoil-paksuudensäätölaite on liitetty prosessiasemien kautta pääautomaatiojärjestelmään. Laatusäätöjärjestelmän uusimisen myötä TP Alcontin rinnalle lisättiin Honeywellin Experion PKS -automaatiojärjestelmä. Experion PKS -järjestelmä liittyy TP Alcont - järjestelmän valvomoasemaan Upline-väylän välityksellä. Experion PKS -järjestelmässä on yksi sovellusasema, yksi PMD-palvelin, yksi Da Vinci -palvelin ja kolme Field Controller - kenttäohjainta (FC) sekä kolme HMI-käyttöliittymää, jotka liittyvät suoraan Ethernetpohjaiseen järjestelmäverkkoon (Fault Tolerant Ethernet, FTE). Järjestelmäverkosta on liitäntä PK3:n automaatioverkkoon. Valvomon ajopaikat muutettiin GUS- ja HMIkäyttöliittymiksi. Näiden automaatiojärjestelmien rakenne on esitetty kuvassa 6. Uuden laatumittausjärjestelmän Precision Platform 4000 -mittapalkki ja Experion PKS -

16 järjestelmä on liitetty Da Vinci -palvelimen kautta OPC-linkillä toisiinsa. Profiilitoimilaitteista perälaatikon karojen Jetmatic-ohjaus on liitetty RS-485 - sarjaliikenneyhteydellä ja Calcoil-paksuudensäätölaite LON-kenttäväyläyhteydellä Experion PKS -järjestelmän Field Controller -kenttäohjaimiin. Höyrylaatikon ohjaus jätettiin TP Alcontin prosessiasemalle. Konesuuntaisten ylätason säätöjen, suihkuviirasuhteen sekä värisäädön ohjaus toteutetaan Experion PKS:n FCkenttäohjaimella. Alatason säädöt jätettiin TP Alcontin prosessiasemalle. Alcont I Upline HIC PA 16 kpl RPA TA LA 2 kpl TP Alcont VA 2 kpl Upline VLA 2 kpl SA Automaatioverkko GUS 3 kpl VxA Calcoilpaksuudensäätölaite Kenttäajopaikka Experion PKS FTE SA Da Vincipalvelin PMD FC 3 kpl HMI 3 kpl Precision Platform 4000 - mittapalkki Jetmatickarojensäätölaite Devronizerhöyrylaatikko Kuva 6. Laatusäätöjärjestelmän uusinnassa TP Alcont -järjestelmän rinnalle lisättiin Experion PKS - järjestelmä. Precision Platform 4000 -mittapalkki on liitetty Da Vinci -palvelimen kautta Experion PKS -järjestelmään. Devronizer-höyrylaatikon ohjaus on TP Alcontin prosessiasemalla, mutta Jetmatic-karojensäätölaitteen ja Calcoil-paksuudensäätölaitteen ohjaus siirrettiin Experion PKS - järjestelmän alle, johon ne liittyvät Field Controller -kenttäohjaimien kautta.

17 3.2 Paperin laatusuureiden mittaus Paperin laatu muodostuu monista eri tekijöistä. Paperin laatusuureita mitataan sekä onlineettä offline-mittauksin. Offline-mittaukset ovat laboratorioanalyysejä, kun taas onlinemittaukset suoritetaan reaaliaikaisena prosessin ajon aikana mittapalkin avulla. Onlinemittauksesta saatuja mittaustietoja käytetään tuotannon jatkuvaan säätöön ja seurantaan. Offline-tietojen perusteella tehdään ohjaustoimenpiteitä sellaisten suureiden osalta, joita voidaan mitata vain laboratorio-olosuhteissa. Laboratorioanalyysejä käytetään myös tuotannon laaduntarkkailuun sekä sen lisäksi online-mittausten kalibrointiin. 3.2.1 Laatusuureet Paperin ominaisuuksia kuvaavia suureita ovat neliömassa, kosteus, paksuus, täyteainepitoisuus, väri, vaaleus, opasiteetti, kiilto, kuituorientaatio ja huokoisuus. Näitä suureita voidaan mitata sekä laboratorio-olosuhteissa että online-mittauksin suoraan paperinvalmistusprosessin aikana paperikoneella. Veto- ja repäisylujuuden sekä sileyden mittaus onnistuu ainoastaan laboratoriomittauksin. Tässä työssä keskitytään neliömassan, kuivamassan, kosteuden ja paksuuden tarkasteluun, sillä ne ovat sanomalehtipaperin tärkeimpiä online-mitattavia ominaisuuksia värin ohella. Laatusuureiden konesuuntaisen eli paperin kulkusuunnassa tapahtuvan sekä paperirataan nähden poikkisuuntaisen vaihtelun tulisi olla mahdollisimman pieni. Käytännön kokemuksen perusteella konesuuntaisen vaihtelun merkitys on tärkeä nimenomaan paperikoneen ajettavuuden kannalta. Paperirataan nähden poikittaissuunnassa tapahtuvalla laatuominaisuuksien vaihtelulla on puolestaan merkitystä asiakkaalle. Paperin tulisi olla tasalaatuista koko radan leveydellä, jotta ajo esimerkiksi painokoneella olisi häiriötöntä. Paperin neliömassalla tarkoitetaan paperin massaa grammoina laskettuna neliömetriä kohden (g/m 2 ). Neliömassan vaihtelut aiheuttavat vaihteluja melkein kaikkiin paperin ominaisuuksiin. Asiakas ostaa paperin tonnien mukaan, mutta haluaa todellisuudessa neliöitä eli painopintaa. Näin ollen hieman alipainoinen paperi ei ole ongelma, sillä tällöin asiakas saa metrimääräisesti enemmän tavaraa. Ylipainoinen paperi sen sijaan voi tuottaa asiakkaalle ongelmia pienemmän saadun metrimäärän vuoksi. Asiakas on myös laskenut tuotteelleen tietyn painon, jonka mukaan postituskustannukset määräytyvät. Näin ollen

18 paperin ollessa ylipainoista lehtikin painaa enemmän kuin oli suunniteltu, mikä puolestaan voi nostaa postituskustannuksia. Neliömassaan sisältyvät sekä paperin kuiva-aine että vesi. Kuivamassa saadaan neliömassan ja vesimassan mukaan yhtälöstä (Blumberg 2000) kuivamassa = neliömassa vesimassa. (1) PK3:n uudella järjestelmällä mitataan nimenomaan vesimassaa. Vanhan järjestelmän mittapalkki antaa mittaustietona kosteusprosentin vesimassan sijaan, jolloin kuivamassa lasketaan yhtälöllä (Immonen 2003) 100 kosteus% kuivamassa = neliömassa. (2) 100 Paperin kosteudella tarkoitetaan paperin vesimolekyylien suhteellista massaprosenttiosuutta (%) kokonaismassasta (Mäkelä 2003). Paperin kosteuspitoisuus määritellään yhtälöllä (Aumala 2000) vesimassa kosteus % = 100%. (3) vesimassa + kuivamassa Kosteus, kuten neliömassakin, vaikuttaa lähes kaikkiin paperin ominaisuuksiin. Epätasainen kosteus aiheuttaa helposti laskoksia ja katkoja sekä vaikeuttaa ajoa monissa valmistusprosessin vaiheissa (Mäkelä 2003). Myös paperin täyteainepitoisuus on tärkeä ominaisuus. Täyteainepitoisuudella tarkoitetaan sen polton epäorgaanista jäännöstä ja se ilmoitetaan prosentteina kuivamassasta (Mäkelä 2003). Täyteaineiden käytöllä voidaan muuttaa optisia ominaisuuksia ja alentaa massaseosten valmistuskustannuksia sekä parantaa paperin painettavuutta. Niiden käyttö kuitenkin huonontaa paperin lujuusominaisuuksia. Täyteainepitoisuus voidaan laskea yhtälöllä (Aumala 2000)

19 täyteainemassa täyteaine % = 100%. (4) kuivamassa Paksuus on yksi sanomalehtipaperin tärkeimmistä ominaisuuksista, sillä profiilin tasaisuus vaikuttaa merkittävästi paperin laatuun. Paperin paksuus ilmoitetaan mikrometreissä (µm). Paksuusprofiililla on suuri merkitys ajettaessa paperia painokoneen läpi, sillä paperin tasalaatuisuus vaikuttaa oleellisesti ajohäiriöiden määrään (Aumala 2000). Kirjapaperilla paksuuden merkitys korostuu sen vuoksi, että tietyn määrän sivuja on laskettu mahtuvan tietyn paksuisten kansien väliin. Paksuuden vaihtelut voivat johtua monesta eri tekijästä, kuten epätasaisesta kuivamassasta tai kosteudesta (KnowPap 4.0 2002). Kalanteroinnissa kostea ja paksu kohta paperista voi myös mennä suuremman nippipaineen takia niin paljon kasaan, että se on kalanterin jälkeen muita kohtia ohuempi (Häggblom-Ahnger & Komulainen 2000). Paperin sileydellä on suuri merkitys jälkikäsittelyprosesseissa ja painatuksessa. Mitä sileämpi paperiraina on, sitä helpompi sitä on esimerkiksi rullata, leikata, arkittaa ja painattaa. Sileyteen vaikuttavat formaatio, kutistuminen ja kalanteroituminen. Suuremman paksuuden omaavia kohtia on kalanteroitava enemmän, mikä johtaa myös korkeampaan sileysasteeseen. Myös vaihtelut rainan lämpötilassa ja kosteudessa voivat vaikuttaa rainan sileyteen, koska niillä on suuri vaikutus kalanteroitumistulokseen. (KnowPap 4.0 2002) Paperin tärkeimmät optiset ominaisuudet ovat väri, kiilto, vaaleus ja opasiteetti eli läpinäkymättömyys, jotka vaikuttavat painojäljen laatuun. Värille on käytössä useita järjestelmiä, joista tunnetuin on CIE-väristandardi (1931). Siinä kaikki spektrin värit on sijoitettu koordinaatistoon, jossa väri ilmaistaan x-, y-koordinaatteina ja voimakkuutena (Mäkelä 2003). Tämän väristandardin ongelmana on, että se ei ole lineaarinen. Nykyään käytetäänkin esimerkiksi CIE-järjestelmään perustuvaa CIELab-väristandardia (1976), jossa epälineaarisuuden ongelma on ratkaistu. Hyvä vaaleus auttaa laajan painetun pinnan sävyalueen ja painojäljen densiteetin saavuttamisessa. Painojäljen läpipainatuksen tulisi olla pieni, mikä riippuu yleisesti opasiteetista ja paperin huokoisuudesta (Jakobsson 2000). Sanomalehtipaperin vaaleudella ja värillä on merkitystä kuluttajalle, sillä ne vaikuttavat merkittävästi visuaaliseen vaikutelmaan.

20 Kuituorientaatioksi sanotaan kuitujen asettumista paperiradan pitkittäis- ja poikittaissuuntaan nähden. Kuitujen kokonaisorientaatio ilmaistaan keskimääräisten pitkittäissuuntaisten ja poikkisuuntaisten komponenttien suhteena. Kuitujen asettuminen vaikuttaa merkittävästi paperin veto- ja repäisylujuuteen. Formaatioksi sanotaan sitä ominaisuutta kokonaisuudessaan, miten paperin muodostavat kuidut ovat jakaantuneet, asettuneet ja sekoittuneet keskenään (Mäkelä 2003). Sanomalehtipaperikoneella kuituorientaation halutaan olevan konesuuntainen, jolloin konesuuntainen vetolujuus on suurempi poikkisuuntaiseen repäisylujuuteen nähden. Formaation merkitys ei ole sanomalehtipaperilla yhtä suuri kuin esimerkiksi aikakauslehtipaperilla. 3.2.2 Mittapalkin rakenne ja toiminta Paperin laatusuureiden online-mittauksiin käytetään mittapalkkia. Kuvassa 7 on esitetty mittapalkki, joka koostuu mittaraamin kehyksestä ja mittakelkasta, jossa mitta-anturit sijaitsevat. Mittaraami on sijoitettu paperikoneen loppupäähän rullaimelle, kuten kuvassa 1 on esitetty. Mittakelkka liikkuu edestakaisin paperiradan poikkisuunnassa, jolloin mittaanturit saavat näytteenomaista mittaustietoa diagonaaliselta linjalta. Sen avulla saadaan tietoa sekä konesuuntaisista että poikkisuuntaisista laatusuureiden vaihteluista. Kuva 7. Mittapalkki, joka muodostuu mittaraamin kehyksestä ja mittakelkasta, jossa mitta-anturit sijaitsevat. (KnowPap 4.0 2002) Ennen laatusäätöjärjestelmän uusintaa PK3:lla on ollut käytössä Lippken mittapalkki, joka oli asennettu vuonna 1995. Tämän mittapalkin mittakelkan nopeus on aseteltavissa 0-300 mm/s ja sitä ajetaan vaihtovirtakäytöllä. Laatusäätöjärjestelmän uusinnan yhteydessä

21 PK3:lle asennettiin Honeywellin Precision Platform 4000 -mittapalkki. Sen kulkunopeus on aseteltavissa välillä 0-600 mm/s ja sitä ajetaan vaihtovirtakäytöllä. Mittakelkka voidaan myös ohjata mittaamaan tietylle halutulle kohdalle rataa, jolloin se mittaa konesuuntaista vaihtelua yhdessä pisteessä. Miniskannauksessa mittakelkka skannaa lyhyttä väliä radalla edestakaisin, jolloin huomioidaan myös poikkisuuntainen vaihtelu. Mittakelkan poikkiliikkeestä eli traversoinnista johtuen paperiradasta mitataan vain hyvin vähäinen osuus. Mittakelkan liikkuminen paperiradan poikittaissuunnassa on esitetty kuvassa 8. PK3:n radan leveys on 7,65 m, keskinopeus on parhaimmillaan noin 1330 m/min ja Lippken mittakelkan radanylitysaika on 30 s, joten rata ehtii liikkua yhden traversoinnin aikana noin 665 m ja mittakelkka on kulkenut suunnilleen saman matkan vinosti radan yli. Da Vincin mittakelkan radanylitysaika on 12,75 s, joten mittakelkan kulkema matka yhdellä traversoinnilla on 283 m. Lippke-mittapalkin paksuusmitta-anturin ikkuna on halkaisijaltaan 15 mm ja muiden mitta-anturien ikkunat ovat 10 mm suuruiset. Precision Platform 4000 -mittapalkin paksuusmitta-anturi on halkaisijaltaan 15 mm, kosteus- ja täyteainemitta-antureiden ikkunat ovat 10 mm ja neliömassamitta-anturin ikkuna on 5 mm. Esimerkiksi Lippken paksuusmitta-anturilla mitataan paperista vain 0,2 %. Mitta-anturin ikkunan kulkema ala yhdellä traversoinnilla on A 1 = 975 2 = 0,015m 665m 9, m. Koko paperiradan ala traversoinnin ajalta on 2 2 1 = 7,65m 665m m. Mitattu ala on = 100 = 0,20% 2 A2 5087m A 2 = 5087 A 9,975m koko paperin alasta. Näin ollen yhden traversoinnin aikana tuotteesta mitataan mitta-anturista riippuen enintään noin 0,07-0,2 %. Kuva 8. Mittakelkka liikkuu paperiradan poikittaissuunnassa siksak-rataa pitkin kuvan osoittamalla tavalla, kun paperirata liikkuu mittapalkin kehyksen läpi nuolen suuntaan.

22 3.2.3 Mitta-anturit Neliömassan määritys sekä Lippke- että Precision Platform 4000 -mittapalkkien mittaantureissa perustuu radioaktiivisen β-säteilyn absorption mittaamiseen. Mitta-anturi koostuu paperiradan yläpuolella olevasta säteilylähteestä ja alapuolen ilmaisimena toimivasta ionisaatiokammiosta. Säteilylähteenä käytetään prometiumin (Pm 147 ) radioaktiivisia isotooppeja. Rainaan kohdistetusta säteilystä osa läpäisee paperin ja osa absorboituu kuituihin ja täyteaineisiin. Säteilyn absorboitunut osuus on verrannollinen paperin neliömassaan. Paperin läpi mennyt jäännössäteily mitataan ilmaisimella ja muutetaan signaaliksi, joka muutetaan edelleen jännitteeksi. (Honeywell 1994a; Honeywell 2003d) Paperin kosteusmittaukseen käytetään infrapunavalon absorptioon perustuvia mittaantureita. Lippke-mittapalkissa infrapunavalon absorptiota mitataan neljällä eri aallonpituudella. Halogeenilamppu, joka synnyttää jatkuvan infrapunavalon, sijaitsee radan alapuolella. Sen tuottama valo kohdistetaan paperirataan peilin ja linssin avulla. Paperissa oleva vesi, kuidut ja täyteaineet absorboivat valoa tietyillä aallonpituuksilla infrapunaalueella. Radan alapuolella oleva neljä eri aallonpituussuodatinta sisältävä pyörivä suodatinkiekko päästää nämä takaisin heijastetut paperin läpäisseet aallonpituudet sekä vertailuaallonpituudet sisältävän valon peilin kautta ilmaisimelle. Ilmaisimelta saatavat säteiden intensiteettiin verrannolliset signaalit vahvistetaan ja muutetaan jännitesignaaleiksi, joista voidaan laskennallisesti määrittää paperin kosteusprosentti. (Honeywell 1994c) Precision Platform 4000 -mittapalkissa käytetään kosteuden määrittämiseen vain kahta infrapunavalon aallonpituutta. Vesi absorboi voimakkaasti valoa, jonka aallonpituus on 1,9 µm. Vesi ja muut paperissa olevat aineet eivät absorboi valoa, jonka aallonpituus on 1,8 µm, joten sitä voidaan käyttää vertailuaallonpituutena, kun lasketaan säteiden voimakkuuksien suhdetta. Radan alapuolella oleva lamppu synnyttää infrapunavalon, joka heijastetaan kulkemaan kahden pinnan välissä siten, että valo läpäisee paperin useita kertoja. Tämän jälkeen valo suodatetaan kahden suodattimen läpi, jotka päästävät lävitseen vertailuaallonpituuden ja kosteusmittausaallonpituuden. Näin molemmat aallonpituudet saadaan eroteltua. Paperin läpäisseiden eri taajuudet omaavien infrapunasäteiden

23 intensiteetit suhteutetaan toisiinsa, jolloin saadaan selville paperin sisältämä kosteus. Mitta-anturi mittaa todellisuudessa vesimassaa, josta kosteus saadaan laskettua neliömassamittausta hyväksikäyttäen. (Honeywell 2003c) Paperin paksuutta mittaavat mitta-anturit käyttävät hyväkseen magneettista vastusta, joka mittapäähän kiinnittyneenä liukuu paperin pintaa pitkin. Lippke-mittapalkin paksuusmittaanturi on rakennettu Kajaanissa itse Lippken ja Honeywell-Measurexin mittapalkkien mitta-antureista. Radan toisella puolella on Lippke-anturin ferriittisydämen ympärille käämitty kela, joka on yhdistetty oskillaattoriin. Paperirata painetaan alipaineen avulla tähän alamittapäähän kiinni. Toisella puolella paperirataa on Honeywell-Measurexin anturista muunneltu magneettinen "sormi", joka työnnetään paineilman avulla alamittapäätä vasten. Kelassa kulkeva sähkövirta synnyttää magneettipiirin mittapäiden välille. Mittapäiden etäisyyden muutos havaitaan reluktanssin muutoksena oskillaattoripiirissä, jonka taajuus on verrannollinen paperin paksuuteen (Honeywell 1994b). Precision Platform 4000 -mittapalkin mitta-anturin toimintaperiaate on samanlainen, mutta siinä paperirata kulkee kahden "sormen" välissä, jotka painetaan paperia vasten. (Honeywell 2003e). Täyteainemittaukseen käytettävän mitta-anturin toiminta perustuu röntgensäteilyn absorptioon. Lippke-mittapalkissa säteilylähteenä on rauta-55 (Fe 55 ) ja Precision Platform 4000 -mittapalkissa käytetään röntgensäteilyn tuottamiseen muotoillun spektrin tuottavaa röntgenputkea. Mitta-anturi vastaa toimintaperiaatteeltaan neliömassa-anturia. Röntgenputki on sijoitettu paperiradan alapuolelle ja ionisaatiokammiotunnistin yläpuolelle. Mitattaessa osa säteilystä absorboituu täyteaineeseen ja osa läpäisee paperirainan, joka aiheuttaa virran ionisaatiokammiossa. Virta on verrannollinen kammioon tulleen röntgensäteilyn määrään. Signaali muutetaan digitaaliseen muotoon, josta se edelleen muutetaan laskennallisesti täyteainepitoisuudeksi. Todellisen täyteainepitoisuuden määrittämiseksi tarvitaan mittaustulokset myös neliömassasta, kosteudesta ja ilman lämpötilasta, sillä näiden ominaisuuksien vaikutukset täyteainemittaukseen tulee kompensoida. (Honeywell 2003b)

24 4 KONESUUNTAISET LAATUSÄÄDÖT Paperin laatusuureita voidaan säätää pitkittäis- eli konesuunnassa (Machine Direction, MD) ja poikkisuunnassa (Cross Direction, CD) erilaisten toimilaitteiden välityksellä. Säädön tavoitteena on saada paperin ominaisuudet vastaamaan valmistajan ja käyttäjän vaatimia ominaisuuksia ja pitää paperin laatu mahdollisimman tasaisena koko paperiradan alueella. Konesuuntainen vaihtelu esiintyy samanlaisena yli koko paperirainan leveyden. PK3:lla konesuunnassa säädettäviä laatusuureita ovat järjestelmästä riippuen kuivamassa tai kuitumassa, kosteus tai vesimassa, väri sekä laatusäätöjärjestelmän uusinnan jälkeen myös täyteaine, joita säädetään ennustavalla monimuuttujasäädöllä. Viiralle syötettävän massavirran ja viiran nopeuden suhdetta sanotaan suihkuviirasuhteeksi, jolla voidaan vaikuttaa kuituorientaatioon. Suihkun nopeutta voidaan muuttaa perälaatikon paineella, jonka asettelu tapahtuu peränsyöttöpumpun pyörimisnopeutta muuttamalla. Konesuuntaisten säätöjen toimivuutta hankaloittavat pitkät viiveet, aikavakiot ja tuntemattomat häiriötekijät. Pitkä viive johtuu esimerkiksi kuivamassaa säädettäessä siitä, että mittapalkin mittauksen ja sen mukaan konesäiliön pumpun avulla tehtävän konemassavirtauksen muutoksen välillä on pitkä matkaviive johtuen koneen rakenteesta. Aikavakio kuvaa prosessin hitautta eli sitä, kuinka nopeasti mittausarvo saavuttaa 63 % asetusarvosta. Käytännössä konesuuntaista ja poikkisuuntaista vaihtelua ei voida erottaa toisistaan täydellisesti johtuen mittapään traversoivasta luonteesta. Lippkemittausjärjestelmässä on kuitenkin käytössä konesuuntainen suodatus, jolla konesuuntaisen vaihtelun vaikutusta poikkisuuntaiseen vaihteluun pyritään vähentämään. Tämä vaikeuttaa Lippke- ja Da Vinci -mittausjärjestelmien vertailua toisiinsa. 4.1 Malliprediktiivinen säätö Konesuuntainen säätö on toteutettu ennustavalla eli prediktiivisellä säädöllä, jossa ohjausten laskenta perustuu järjestelmän mallin perusteella ennustetun ja järjestelmän halutun käyttäytymisen välisen erotuksen minimointiin. Ennustusta käytetään pitkien viiveiden ja suurten aikavakioiden kompensointiin. Malliprediktiivisen säädön nimitys tulee tavasta, jolla ohjaukset lasketaan, mikä on esitetty kuvassa 9. Hetkellä t järjestelmän

25 ulostuloa ennustetaan P askelta eteenpäin, missä P on ennustushorisontti. Ennustushorisontin yli tehtävä ennuste muodostetaan prosessimallin, suunniteltujen tulevien ohjausten ja edellisten ohjausten vaikutusten perusteella. Ohjaushorisontin M:ään tulevaisuuden ohjausaskeleeseen lasketaan korjaukset prosessimallia käyttäen, jotta tavoite ja korjattu ennustus olisivat mahdollisimman lähellä toisiaan ennustushorisontissa. Vain ensimmäinen ohjausmuutos toteutetaan ja hetkellä t+1 toistetaan edellä olevat toimenpiteet. Tätä kutsutaan niin sanotuksi siirtyvän horisontin periaatteeksi. (Henttonen 1992) MENNEISYYS TULEVAISUUS Mittaus Tavoite Asetusarvo o o o o o Optimiohjauksella o Asetusarvo korjattu ennustus o + + + + + + + + hetken t-1 ohjauksella laskettu ennustus t-1 t+1 t t+m-1 t+p Ohjaushorisontti Ennustushorisontti Kuva 9. Malliprediktiivisessä säädössä hetkellä t järjestelmän ulostuloa ennustetaan P askelta eteenpäin. Ohjaushorisontin M:ään tulevaisuuden ohjausaskeleeseen lasketaan korjaukset, jotta tavoite ja korjattu ennustus olisivat mahdollisimman lähellä toisiaan ennustushorisontissa. Vain ensimmäinen ohjausmuutos toteutetaan ja hetkellä t+1 toistetaan edellä olevat toimenpiteet. (Henttonen 1992) Malliprediktiivisen säädön suurimpana etuna prosessiteollisuuden sovelluksissa on, että eksplisiittiset rajoitukset on mahdollista ottaa suoraan huomioon. Säädön hyödyt tulevat esiin, kun sitä käytetään monimuuttujasysteemissä, jossa esiintyy ohjaus- ja säätösuureiden sekä tilojen rajoituksia. Rajoitukset liittyvät usein turvallisuuteen ja kapasiteettiin. Turvallisuusrajoitukset johtuvat siitä, että laitteille annettuja rajoituksia ei saa ylittää. Kapasiteettirajoitukset aiheutuvat esimerkiksi pumppujen ja puhaltimien maksimituotoista. (Henttonen 1992)

26 4.2 Ennustava monimuuttujasäätö Yhden säädettävän suureen ja yhden ohjaussuureen käsittävää prosessia kutsutaan SISOjärjestelmäksi (Single Input/Single Output). SISO-järjestelmän säädettävä suure ei riipu muista tekijöistä tai säädettävistä suureista. SISO-mallialkioista voidaan muodostaa MIMO-prosessimalli (Multiple Input/Multiple Output), jota käytetään konesuuntaisen monimuuttujasäädön toteutuksessa. Monimuuttujasäätäjässä voidaan ajatella olevan useita yksittäissäätöpiirejä. Säätäjällä on siten useita asetusarvoja, useita tuloja ja useita lähtöjä. Erona on kuitenkin se, että yksittäisten säätöpiirien tulojen ja lähtöjen välillä ei ole pelkästään suoraa riippuvuutta toisistaan. Jokainen lähtö on laskettu ottaen huomioon kaikkien tulojen vaikutus. (Honeywell a) PK3:n konesuuntainen laatusäätöpaketti ennen järjestelmäuusintaa oli Honeywellin toimittama ennustava monimuuttujasäätö, HMPC (Horizon Multivariable Predictive Control), jossa säätö perustuu lineaariseen optimointiin. Järjestelmäuusinnan myötä konesuuntaiseksi säädöksi tuli Honeywellin GPC-GA (Generalized Predictive Control- Genetic Algorithm). Tässä säätö perustuu geneettiseen optimointialgoritmiin ja parametriadaptiiviseen prosessimalliin, jonka avulla sovellus ennustaa prosessin käyttäytymisen, mikä on esitetty kuvassa 10. Ennustavan prosessimallin parametrit virittyvät adaptiivisesti tuotantotilanteiden mukaan. Vahvistus, aikavakiot ja viiveet on sidottu laskentakaavioiden avulla esimerkiksi koneen nopeuteen. Säädin hyödyntää geneettistä optimointia, joka luo ja testaa ohjausehdotuksia ennustavalla prosessimallilla, kunnes optimaalinen ohjausvaste löytyy. (Kinnunen 2004)

27 Prosessimallit Tämän hetkiset asetusarvot + Tulevaisuuden säätövirhe Ennustettu prosessivaste Tulevaisuuden ohjaukset Tavoitefunktio Mallimuunnos GPC ennustaja GA optimoija Ennustemalli Rajoitukset Mittaukset Historian keräys Ohjaukset Kuva 10. Uusi konesuuntainen säätö perustuu geneettiseen optimointialgoritmiin (GA) ja parametriadaptiiviseen prosessimalliin (GPC), jonka avulla sovellus ennustaa prosessin käyttäytymisen. Jokaisella säätökierroksella valitaan tavoitefunktion minimoiva tulevaisuuden ohjaus. (Kinnunen 2004) Monimuuttujasäädön mittaussuureita kutsutaan myös säädettäviksi suureiksi (Controlled Variables, CV) ja säätäjän lähtöjä ohjaussuureiksi (Manipulated Variables, MV). Säätäjä voi myös ottaa huomioon häiriösuureet (Disturbance Variables, DV). Ne ovat mittaussuureita, joita säätäjä ei säädä, mutta jotka vaikuttavat säädettäviin suureisiin. Monimuuttujasäätäjä käyttää näitä häiriösuureita säädön myötäkytkentään. Säätäjä ennustaa niiden vaikutukset säädettäviin suureisiin ja tekee tarvittavat korjaukset ohjaussuureisiin, jotta säädettävät suureet pysyvät tavoitearvoissaan. (Honeywell a) PK3:n vanhassa TP Alcont -laatusäätöjärjestelmässä säädettäviä konesuuntaisia suureita ovat paperin kuivamassa ja kosteus sekä koneen nopeus. Ohjaussuureita ovat konemassavirtaus, päähöyryryhmän paineen osuus höyrytukin paineesta ja koneen nopeusohje. Näistä suureista voidaan muodostaa prosessimalli, joka kuvaa, kuinka säätösuureet käyttäytyvät ohjaussuureiden muutoksissa. Prosessimallin määrittämiseksi muutetaan stabiilissa ajotilanteessa yhtä ohjaussuuretta kerrallaan askelmaisesti ja todetaan sen aiheuttama vaste säätösuureissa. TP Alcont -laatusäätöjärjestelmän konesuuntaisen monimuuttujasäädön askelvastematriisi on esitetty taulukossa 1. Jos konemassavirtausta nostetaan askelmaisesti, kuivamassa ja kosteus kasvavat voimakkaasti. Koneen nopeuteen tällä ei ole vaikutusta. Päähöyryryhmän paineen nosto vaikuttaa ainoastaan kosteuteen