Produktion und Fertigung Innovation in Aktion Ein bahnbrechender optischer Sensor von ABB ermöglicht Papierherstellern die Messung und Regelung der Blattdicke auch bei schwierigsten Papiersorten Rambod Naimohasses, Anthony Byatt Seit Langem sind Papierhersteller auf der Suche nach einem Dickesensor für ihre Papiermaschinen, der ebenso präzise wie zuverlässig ist und weder Spuren noch Schäden am Papier hinterlässt. Nun hat ABB einen solchen Sensor entwickelt, der anderen optischen Dickesensoren überlegen ist. Erste Reaktionen von Kunden bestätigen einen geringeren Energie- und Materialeinsatz und eine höhere Qualität. Der radikale technologische Ansatz ist ein interessantes Beispiel für die praktische Anwendung einer innovativen Lösung. ABB Technik 4/2009 33 Innovation in Aktion Produktion und Fertigung D as Papier wurde schon vor Tausenden von Jahren erfunden. Folglich kann die Herstellung doch nicht allzu schwierig sein. Oder doch? Tatsächlich ist für die moderne Herstellung eines einzigen Blatts Kopierpapier eine Unmenge von Technik erforderlich. Dies gilt insbesondere im Hinblick auf die Sicherung einer gleichbleibenden Qualität. ABB gehört zu den führenden Anbietern von Qualitätsleitsystemen (Quality Control System, QCS) für die Papierindustrie. Einige Papiersorten stellen eine enorme Herausforderung für diese Messkufen dar, und Beschädigungen des Papiers, ungenaue Messungen und eine mangelhafte Regelung sind häufig die Folge. Dies veranlasste ABB in den 1960er Jahren dazu, als erstes Unternehmen berührungslose, luftgelagerte Sensoren zu entwickeln. Diese zeichneten sich zwar durch ihre Einfachheit aus, boten bei sehr schnellen Maschinen jedoch nur eine geringe Genauigkeit und Auflösung. Eine wichtige Komponente bei der Papierherstellung ist der Messrahmen, durch den die Papierbahn geführt wird. Dieser umfasst eine Reihe von Sensoren, die sich quer zur Papierbahn bewegen und die wichtigsten Eigenschaften des Papiers wie die Feuchtigkeit und das Gewicht messen. Ausgeklügelte Algorithmen erzeugen daraufhin die Anweisungen für die Papiermaschine zur Regelung des Prozesses. So haben sich die Anbieter von QCS in den letzten Jahren auf optische Dickesensoren konzentriert, die auf dem Prinzip der Lasertriangulation basieren. Dieses Verfahren hat sich als vielversprechend erwiesen, ist aber noch von Fehlern behaftet, die durch Instabilitäten bei schnelllaufenden Papierbahnen, Neigungseffekte durch Unebenheit, Sensorausrichtungsprobleme, Oberflächentopografieeffekte und nicht zuletzt durch das Eindringen des Laserstrahls in den halb lichtdurchlässigen Papierkörper („Leuchtkugel-Effekt“) verursacht werden. Neben der Feuchtigkeit und dem Gewicht ist eine präzise Messung und Regelung der Dicke des Papiers (der sogenannten Blattstärke) entscheidend für die Qualität des Papiers. Doch eine zuverlässige Dickemessung hat sich bisher als schwierig erwiesen. Die moderne Herstellung eines einzigen Blatts Kopierpapier erfordert eine Unmenge von Technik. ABB hat einen anderen, nicht laserbasierten optischen Ansatz gewählt, der eine deutlich bessere Messgenauigkeit und Stabilität verspricht. Mit dem neuen Sensor, der neuesten Entwicklung in der 50-jährigen Geschichte des Unternehmens als Vorreiter in der OnlinePapierqualitätsmessung, stellt ABB Papierherstellern nun ein Präzisionswerkzeug zur Verfügung, das eine zuverlässige Messung und Regelung der Blattstärke auch bei schwierigen Papiersorten ermöglicht. Fall ist. Dringt das Licht jedoch in das Material ein, wie es bei Papier der Fall sein kann, lässt sich die korrekte Oberflächenposition nur sehr schwer bestimmen, was wiederum zu einer falschen Abstandsmessung führt 1b . Sorten- und prozessabhängige Kalibrierungen oder andere Formen der Kompensation können ebenfalls erforderlich sein. Bei einigen Lasersensoren ist zur regelmäßigen Kalibrierung auch ein zusätzlicher Kontaktmesssensor erforderlich. Der Effekt der Lichtdurchdringung lässt sich leicht demonstrieren, indem man fünf aneinander geklebte Papiere verschiedener Sorte mithilfe eines beidseitigen Kontaktmesssensors und mithilfe eines beidseitigen optischen Sensors mit Lasertriangulation misst 2 . Bei den feineren Papiersorten liegt die Übereinstimmung im Bereich von etwa 1 µm bis 10 µm. Häufig ist in den Qualitätsvorgaben für diese Papiersorten eine maximale Abweichung in der Dicke von ±1 µm gefordert, sodass solche Abweichungen ein echtes Problem darstellen können, wenn auf einer Maschine die Sorten gewechselt werden oder sich die Prozessbedingungen ändern. Außerdem entstehen enorme Diskrepanzen, wenn der Sortenwechsel gravierender ausfällt, wie die Abweichungen von 30 bis 50 µm bei den Cardstock- und Sackpapieren zeigen. Bei einigen dünnen Papiersorten können die Messfehler von Lasersensoren bis zu 50 % der Papierdicke betragen1). Um 1 Bisherige Verfahren Traditionell erfolgt die Messung der Papierdicke mithilfe von beidseitig angebrachten Kontaktmesssensoren. Dies entspricht dem derzeitigen Industriestandard. Dabei laufen kleine Messkufen über das Papier und erfassen Veränderungen der Dicke mit einer Genauigkeit von 1 µm. Auch wenn ein Papier glatt erscheint, gleicht die Oberfläche mancher Papiersorten unter dem Mikroskop betrachtet einem Gebirge. Die Blattstärke entspricht per Definition der Dicke des Papiers unter Einwirkung eines Standardgewichts, das diese Erhöhungen leicht herunterdrückt und ist ein unverzichtbares Maß für nahezu jeden Papierhersteller. 34 Grenzen der Lasertriangulation Die Lasertriangulation ist ein verbreitetes Verfahren in Bereichen wie der Metall-, Gummi- und Kunststoffindustrie. Dabei wird ein physischer Spalt mit dem per Lasertriangulation gemessenen Abstand zur freien Blattoberfläche verglichen. Dazu wird ein Laserstrahl auf das Papier fokussiert und die Position des reflektierten Lichts verfolgt 1a . Durch Analyse des sich ergebenden Abbilds kann der Abstand von der Blattoberfläche ermittelt werden. Die Triangulation funktioniert sehr gut bei Oberflächen, in die der Laserstrahl nicht eindringt, wie es bei Metallen der Prinzip der Lasertriangulation: Mit der Dicke des Papiers ändert sich auch die Position des reflektierten Lichts a . Der „Leuchtkugel-Effekt“ führt zu Messunsicherheiten bei einigen Papiersorten b . a b Detektor Detektor Linse Laser Linse Laser „Leuchtkugel-Effekt“ Fußnote 1) Alle diese Punkte wurden von anderen Forschern bestätigt [1, 2, 3]. ABB Technik 4/2009 Innovation in Aktion Produktion und Fertigung dies zu kompensieren, sind zeitaufwendige faser- und füllstoffabhängige Kalibrierungen erforderlich. Die Suche nach einer besseren Methode Die Bemühungen, eine Vielzahl dieser Probleme zu beseitigen, hatten bisher nur begrenzten Erfolg. Da jedoch die Nachfrage nach einem laserbasierten System seitens der Kunden sehr groß war, entschloss sich ABB, ein eigenes Entwicklungsprojekt für einen Lasersensor zu starten. lösung im Mikrometerbereich sowie andere wichtige Leistungsparameter bot. Ob sich das Verfahren allerdings dazu eignete, raue Papieroberflächen an einer schmutzigen, feuchten und vibrierenden Papiermaschine zu messen, war jedoch noch unklar, da es bis dahin nur unter stabilen Laborbedingungen eingesetzt worden war. Labortest bestätigten schließlich die Robustheit des Verfahrens, worauf es in den Mittelpunkt des Entwicklungsprojekts rückte. Optisches Prinzip Mit dem Wissen über die Lichtstreuung an Papier, das man sich angeeignet hatte, kam man schnell zu dem Schluss, dass ein verbessertes Lasertriangulationsverfahren nicht die beste Lösung für eine präzise Dickemessung darstellte. Eine parallel durchgeführte Studie zur Untersuchung möglicher Technologien aus anderen Bereichen der Industrie führte die Forscher zu einem anderen vielversprechenden Verfahren: der konfokalen optischen Abstandsmessung. ABB stellt Papierherstellern ein Präzisionswerkzeug zur Verfügung, das eine zuverlässige Messung und Regelung der Blattstärke auch bei schwierigen Papiersorten ermöglicht. Eine erste Evaluierung ergab, dass dieses Verfahren die erforderliche Auf2 Bei der konfokalen Messmethode wird ein kleiner Lichtpunkt (12 µm) großer Bandbreite von einer leistungsstarken weißen LED-Quelle über Lichtwellenleiter (LWL) und ein Linsensystem auf die Papieroberfläche projiziert 3 . Das Linsensystem ist so ausgelegt, dass eine starke chromatische Aberration auftritt, d. h. das Licht wird auf dem Weg durch das Linsensystem in seine farbigen Bestandteile zerlegt. Jede einzelne Farbe hat einen Brennpunkt in einem unterschiedlichen Abstand von der Linse. Das vom Papier reflektierte Licht wird über den gleichen Weg, d. h. durch die Linse und den Lichtwellenleiter, zurückgeführt. Dieser gemeinsame optische Pfad gehört zu den Merkmalen, die das Verfahren präziser machen als die Lasertriangulation. der Oberfläche den Brennpunkt einer bestimmten Farbe. Läuft die Oberfläche zum Beispiel durch den Brennpunkt des grünen Lichts, ist dies die dominierende Wellenlänge, die vom Spektrometerdetektor empfangen wird. Spezielle Algorithmen im Detektor setzen diese am stärksten reflektierten Wellenlängen mit dem Abstand zur Papieroberfläche in Beziehung. Ein spezieller digitaler Signalprozessor wertet die empfangenen Spektren mit einer Rate von 4.000 Messungen pro Sekunde aus 4 . Eine hohe numerische Apertur sorgt dafür, dass die Messung nicht durch Staub im Lichtstrahl beeinflusst wird. Ein Vorteil der Abstandsmessung mithilfe der Wellenlänge ist, dass sie nicht durch leichte Veränderungen in der Intensität des reflektierten Lichts aufgrund der Papierfarbe und -helligkeit beeinträchtigt wird. 3 Ein konfokaler Sensor verringert die durch das Eindringen des Laserstrahls bei der Triangulation verursachten Fehler. Lasertriangulator Konfokaler Sensor Die Höhenveränderungen an der Papieroberfläche werden mithilfe der Wellenlängen gemessen. Wenn sich das Papier am Sensor vorbeibewegt, passieren die verschiedenen Erhöhungen an Vergleich zwischen der Lasertriangulation und einer berührenden Dickemessung (GT) bei Cardstock-, Sack- und drei feinen Schreibpapiersorten. 4 Prinzip des konfokalen optischen Dickesensors Im Sensor µm 300 250 Außerhalb Leistungsstarke weiße LED-Quelle LWL-Kabel LWL-Splitter Cardstock 200 Linsensystem mit hoher chromatischer Aberration 150 Gemeinsam für Quelle und Detektor (konfokal) Fein 3 Sackpapier Fein 2 100 50 GT Laser Fein 1 Papieroberfläche 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 Zeit (s) ABB Technik 4/2009 12 µm Punktgröße immer im Brennpunkt Spektrometerdetektor Wellenlänge und Form der Spektrallinie liefern optische Entfernungsinformation 35 Innovation in Aktion Produktion und Fertigung Ein spezieller Algorithmus zur Analyse der Spektralform sorgt für eine weitere Verbesserung der Übereinstimmung zwischen der Sensor- und Labormessung, auch für Papiere mit einer ausge- prägten Oberflächentopografie. Dieser Algorithmus simuliert das leichte Herunterdrücken der Erhöhungen, das bei einer Dickemessung mit einem OfflineInstrument im Labor auftreten würde. zeigt die Sensorausgabe für eine Reihe anspruchsvoller Papiersorten und Mylar-Proben, gemessen mit denselben Kalibrierungskonstanten2). Zu den verwendeten Papiersorten gehören TissuePapier3), SC-A, gestrichene und ungestrichene Papiere, Deckenpapier, Zeitungsdruckpapier, Cardstock und glänzend satinierte Papiere. Das Interessante an dem Diagramm ist der sehr lineare Verlauf über eine Vielzahl verschiedener Proben, was darauf schließen lässt, dass die Messung keine sortenspezifische Kalibrierung erfordert. Mit anderen Worten, der optische Dickesensor von ABB ist der einzige heute auf dem Markt erhältliche Sensor, der in der Lage ist, die Dicke aller Papiersorten mit einer einzigen Kalibrierung zu messen. 5 Ergebnisse einer konfokalen Sensormessung für verschiedene Papiersorten und -dicken bei gleicher Kalibrierung 5 Beidseitige optische Dickemessung (µm) 1.800 1.600 1.400 1.200 1.000 800 Y = 0.987x – 2.345 R2 = 1.000 Dünnes TissuePapier 600 400 200 0 0 500 1.000 1.500 Im Labor gemessene Dicke (µm) 2.000 Dicke (Durchschnitt) 758 µm Mylar doppelt 1.120 µm Mylar dreifach Papiermuster (maximale Dicke) Linear (durchschn. Dicke) 6 Querschnitt durch einen Sensor (vereinfacht) a b h wiesen hat. Aus der Differenz zwischen dieser magnetischen Spaltmessung und der optischen Abstandmessung wird die Papierdicke bestimmt. Darüber hinaus gibt es einen weiteren magnetischen Sensor zur Diagnose und Korrektur der Sensorkopfausrichtung auf drei Achsen. Dies macht die mechanische Einrichtung für den Kunden besonders einfach und robust und sorgt durch eine mehrachsige Restfehlerkorrektur für eine bessere Profilgenauigkeit. Dank des einzigartigen aerodynamischen Designs sammelt sich auch nach 6-monatigem Dauerbetrieb nur wenig Staub in den Vakuumkammern. Technische Herausforderungen Die oben beschriebene, zugrunde liegende konfokale Technologie ist nicht neu. Die bahnbrechende Neuerung besteht in der Anpassung der Technologie an die Anforderungen einer genauen Online-Messung der Papierdicke in der äußerst rauen Umgebung einer Papierfabrik. Dort ist es nicht nur heiß, feucht und staubig, hinzu kommt auch, dass sich das Papier mit Autobahngeschwindigkeit bewegt und die Größenordnung der Vibrationen der Maschine die Papierdicke um ein Mehrfaches übersteigt. Infobox Der Unternehmensbereich ABB QCS wurde vor etwas mehr als 50 Jahren in Ohio gegründet und blickt auf eine lange und erfolgreiche Geschichte zurück. Einer der frühen Errungenschaften, ein Flächengewichtsensor für Papier, war die erste kommerzielle Anwendung, in der Radioaktivität zum Einsatz kam. Seitdem wurden eine ganze Reihe weiterer Innovationen auf dem Gebiet der Papiermessung und Produktionssteuerung von ABB QCS entwickelt. Heute hilft das Unternehmen Papierherstellern bei der Messung und Steuerung ihrer Prozesse. Zu den Produkten gehören neben Sensoren (für Flächengewicht, Feuchtigkeit, Faserorientierung, Aschegehalt und Beschichtung, die auf einem Stahlmessrahmen angeordnet sind) auch fortschrittliche Steuersoftware und Aktuatoren. i d c j e a b c d e f g h i j k l 36 f g l k LWL zur Verarbeitungseinheit Temperaturgeregelte Luft Chromatischer Lichtkegel Keramischer Abstandhalter Bogenstabilisator Äußeres Vakuum Inneres Vakuum Linsensystem (optische Sonde) Luftspülung Koaxiale Ferrit-Sensorspule Ferrit-Ziel Optisches Ziel Eine der kritischen Herausforderungen bestand darin, den Papierbogen während der Messung des Spaltabstands stabil zu halten. Dies ist der Referenzabstand zwischen der oberen und unteren Hälfte des Sensors, jeweils auf der einen und der anderen Seite des Papiers in einem Abstand von 10 mm. Luftspalt und Bogenstabilisierung Eine präzise Messung des Sensorluftspalts ist ebenso wichtig wie die optische Messung. Ein Querschnitt durch die beiden Sensorköpfe ist in 6 dargestellt. Der Referenzabstand zwischen dem oberen und unteren Sensorkopf wird mithilfe einer speziellen magnetisch-induktiven Technik bestimmt, die sich als äußerst präzise und stabil er- ABB QCS: Langjährige Kompetenz auf dem Gebiet der Papiermessung Fußnoten 2) Die Prüfung wurde in einer Laborumgebung durchgeführt, sodass möglicherweise nicht alle Störungen berücksichtigt wurden, die in einer Produktionsumgebung auftreten können. 3) Der Wert für dünnes Tissue-Papier fiel höher aus als normal, da einzelne ungebundene Fasern über die Blattgrenzen hinausragten. ABB Technik 4/2009 Innovation in Aktion Produktion und Fertigung 7 Online-Performance bei Zeitungsdruckpapier aus 100 % Sekundärfasern 8 Leistungsfähigkeit des optischen Sensors bei Zeitungsdruckpapier aus 100 % Sekundärfasern 5,0 Optischer Dickesensor Berührender Dickesensor 2 Optischer Dickesensor Labormessung Profilabweichung (µm) Durchschn. Profilabweichung (µm) 3 1 0 -1 2,5 0,0 -2,5 -2 -5,0 -3 0 0 2.000 4.000 6.000 8.000 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000 8.000 9.000 10.000 Querposition (mm) Querposition (mm) Ebenfalls unabdingbar für die optische Dickemessung ist eine präzise Positionierung und Glättung des Papiers. Dies wird mithilfe eines Bogenstabilisators erreicht, der in einem der Sensorköpfe untergebracht ist. Der Stabilisator enthält ein Ferrit-Ziel für die magnetische Spaltmessung und ein optisches Ziel, auf das die Optik fokussiert wird [4]. Die Bogensteuerung erfolgt mithilfe eines sehr leichten Vakuums, das den Bogen vorsichtig spannt und sämtliche Falten im Bereich der optischen Messung entfernt, ohne Spuren auf dem Papier zu hinterlassen oder die Ansammlung von Beschichtungsstoffen oder Schmutz zu ermöglichen. Dadurch kann der optische Dickesensor auch für anspruchsvolle Papiersorten wie Zeitungsdruckpapier, beschichtete und hochsatinierte Papiere sowie Recyclingpapiere verwendet werden. In der Bogenstabilisatorplatte kommen extrem glatte Keramikbeschichtungen und harte Materialien zum Einsatz, um Papierstaus und Spuren auf dem Papier zu verhindern und eine hervorragende Verschleißfestigkeit zu gewährleisten. Die großen Vakuumzonen verhindern die Ansammlung von Füllstoffen und Beschichtungsmaterial, sodass der Reinigungsaufwand deutlich reduziert wird oder sogar ganz entfallen kann. Messergebnisse Die Ergebnisse von ersten Tests an einer realen Papiermaschine waren ausgezeichnet und stimmten mit den Ergebnissen eines parallel installierten Kontaktmesssensors überein. So lag die tatsächliche Abweichung der beiden Sensoren bei weniger als ±1 µm. Außerdem wurden erstaunliche kleine Schwankungen in der Papierdicke sichtbar. Die erste permanente Installation wurde an einer großen Maschine für Zeitungsdruckpapier aus 100 % Sekundärfasern Die leistungsstarken und intelligenten Network-Platform-Messrahmen von ABB liefern die erforderlichen Prozessinformationen zur Optimierung der Produktqualität. 9 vorgenommen, die mit einer Geschwindigkeit von 1.700 m/min eine 9,3 m breite Papierbahn produziert. Dieser Prozess kann für Kontaktmesssensoren problematisch sein, da sich Ablagerungen am Sensor bilden können und andere mechanische Faktoren die Messung beeinträchtigten oder die Handhabung des Papierbogens erschweren können. Der optische Dickesensor wurde im Dezember 2008 installiert und ist seit Januar 2009 im Produktionsprozess im Einsatz. Nur einen Monat später wurde er für die Querprofilregelung (CD-Regelung) eingesetzt. Seitdem hat sich laut Aussage des Kunden das Aufrollverhalten deutlich verbessert und die Profilabweichung reduziert. Hinzu kommt, dass der Sensor bei diesem Prozess kaum gewartet werden muss – lediglich die Bogenstabilisatorplatte wird vorsorglich in regelmäßigen Abständen gereinigt. Daten einer realen Anlage: Die Kosten für den Kunden durch mangelhafte Papierdicke haben sich seit der Verwendung des optischen Dickesensors von ABB mehr als halbiert. Umstellung der CD-Regelung auf die optische Dickemessung Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Jan Feb Mär Apr 2008/2009 Profilbezogene Kosten ABB Technik 4/2009 37 Innovation in Aktion Produktion und Fertigung ABB Network Platform NP1200 mit dem neuen optischen Dickesensor 7 zeigt einen Leistungsvergleich zwischen dem optischen Dickemesssensor und dem Kontaktmesssensor. Bei diesem Beispiel liegt die Profilabweichung zwischen der berührenden und optischen Messung unter 0,5 µm. Gleichzeitig hat sich auch die Profilübereinstimmung mit den Labormessungen des Kunden drastisch verbessert. Die Kurve in 8 zeigt eine Übereinstimmung von mehr als ±1 µm. Kundenvorteile Die Vorteile für den Kunden lassen sich am besten anhand von realen Daten eines Kunden beschreiben, der einen der ersten optischen Dickesensoren betreibt. Die Grafik in 9 zeigt einen 55%igen Rückgang der Kosten aufgrund von dickebezogenen Qualitätsmängeln. Eine solch drastische Reduzierung führt wiederum zu erheblichen Einsparungen beim benötigten Rohmaterial, der erforderlichen Energie und den verwendeten Chemikalien. Der optische Dickesensor von ABB kontrolliert die Papierqualität bei der Fertigung verschiedener Papiersorten mit einer Genauigkeit von 1 µm und ist unempfindlich gegenüber verschiedenen Kalanderdrücken, Geschwindigkeiten und Zugspannungen innerhalb der Maschine. Stora Enso in Eilenburg (Sachsen) ist nach eigenen Aussagen „sehr zufrieden“ mit dem optischen Dickesensor von ABB. Das Unternehmen berichtet, dass der Sensor „für die CD-Regelung eingesetzt wird“ und dass es „keine Probleme an den Papierkanten und keinen Papierabfall am Aufroller“ gibt. Rambod Naimohasses Anthony Byatt ABB Pulp and Paper QCS CoE Dundalk, Irland [email protected] [email protected] Literaturhinweis [1] Nakano, Reijiro (2008): „Non contacting caliper measurements (Laser caliper sensor)“. 11th paper manufacturing technical seminar, Japan TAPPI Vol. 60, No. 2: 169–175 [2] Sung, Y. J., Ham, C. H., Kwon, O., Lee, H. L., Keller, D. S., (2005): „Application of Thickness and apparent density mapping by laser profilometry“. 13th Fundamental Research Symposium, Cambridge, September 2005: 961–1007 [3] Holik, H. (2006): „Handbook of paper and board“. (409) ISBN 3527309977 [4] US-Patentanmeldungen 20090059244, 20090056156 und 20090059232 unter dem Titel „Web Measurement Device”. USPTO, 5. März 2009 38 ABB Technik 4/2009