ОБЗОР
Целлюлозно-бумажная промышленность, насчитывающая более 4000 лет традиций, порой медленно внедряет новые технологии. Комбинаты часто эксплуатируют установленное оборудование старого образца, что до некоторой степени объяснимо, если учесть капитальные затраты на новое оборудование для предприятий такого масштаба.
Дело не в отсутствии инвестиций, а в том, что традиционно они направлялись на краткосрочные, неотложные нужды, а не на долгосрочные программы оптимизации.
Однако в связи с недавним экологическим законодательством, требующим достижения еще более строгих показателей, а также с учетом глобальной конкуренции и проблем с поставками, отрасль должна еще более тщательно искать способы повышения эффективности и внедрения более стабильных уровней качества для снижения воздействия на окружающую среду.
Измерения лежат в основе этих возможностей. Без быстрых и точных измерений контроль и оптимизация процесса невозможны. Современные, непрерывные и высокоскоростные измерения открывают перед современными бумажниками новый мир контроля и оптимизации.
ИСТОРИЧЕСКИЙ ВЗГЛЯД
Отрасль прошла долгий путь с точки зрения технологий. Сто лет назад существовало очень мало инструментов для оценки качества бумаги. Вместо этого компании полагались на врожденные навыки операторов линий, которые проверяли однородность бумаги на глаз, твердость рулона — с помощью палки, а содержание влаги — по воздействию статического электричества на волоски на руках.
Более однозначные методы измерения влажности появились в 1927 году, когда Луи Томпсон из General Electric получил патент США № 1 645 077. Он заметил, что изоляционные свойства бумаги снижаются при повышении уровня влажности. Его идея заключалась в использовании электрода с высоким напряжением с одной стороны листа и заземленного валика с другой. В процессе работы напряжение повышалось до тех пор, пока через бумагу между электродом и валиком не возникала дуга, при этом уровень напряжения в момент замыкания цепи коррелировал с уровнем влажности бумаги.
Такой уровень технологии можно было бы охарактеризовать как «лучше, чем ничего». Это был хороший индикатор влажности, но он давал очень мало информации с точки зрения построения трендов, профилей по ширине листа или возможностей управления.
Содержание влаги было ключевым показателем тогда и остается не менее важным сегодня, благодаря своей способности влиять на качество, производительность и, что наиболее примечательно в современной экономике, на эффективность сушки. В результате разработка более точных и эффективных способов измерения и контроля ее уровней привлекла соразмерное внимание.
Атомный век
По мере того как бумагоделательные машины становились шире, допуски на производство увеличивались, толщина бумаги уменьшалась, а производительность росла, рынок и масштаб производства требовали большей эффективности. Потребовались новые, более быстрые онлайн-технологии, способные обеспечить большую точность. Первоначально это достигалось путем измерения твердости рулона или использования толщины бумаги. Дальнейшие разработки включали электрическую дугу, которая была дополнена бесконтактными емкостными устройствами, используемыми для измерения веса бумаги. Затем это было дополнено системами, основанными на ослаблении радиоактивного излучения. Одной из компаний, коммерциализировавших эту технологию, была Industrial Nucleonics, основанная в 1950 году и ставшая предшественником ABB в бумажной промышленности.
В конечном итоге была разработана технология, более близкая к той, что мы видим сегодня. Используя бесконтактные датчики, которые применяют видимый свет, микроволны, ионизирующее излучение и инфракрасное излучение, в сочетании с онлайн-сканерами, способными сканировать всю ширину полотна, комбинаты могли получать около 60 измерений в секунду. Именно эти технологии легли в основу современного возрождения возможностей и точности измерений.
Так почему же эта разработка стала таким переломным моментом в то время? В процессе работы органические материалы внутри бумажного полотна демонстрируют сильное поглощение инфракрасного излучения. В результате концентрацию влаги можно оценить, измеряя различия в поглощении.
Обработка сигналов, используемая в этом старом поколении инфракрасных датчиков влажности, использует так называемую амплитудную модуляцию, которая применяется для подавления любых фоновых явлений, способных повлиять на измерения. Это стало важным шагом на пути к поддержанию влажности на желаемых уровнях.
Кроме того, появление цифровых технологий управления позволило совершить первый большой скачок в управлении влажностью. Последующие десятилетия были сосредоточены на разработке систем управления в машинном направлении (MD) и поперечном направлении (CD) с постоянным потоком усовершенствований, которые могли реагировать на постоянно улучшающиеся измерения, обеспечивая более быстрый запуск, снижение вариативности и более быструю смену сортов.
Современные, непрерывные и высокоскоростные измерения открывают перед современными бумажниками новый мир контроля и оптимизации.
МОРГНЕШЬ — И ПРОПУСТИШЬ
Итак, что стало с описанным выше модулирующим подходом? Поскольку он похож на моргающий глаз, система фиксирует измерения только тогда, когда глаз открыт. Это приводит к недостаткам, несовместимым со многими современными высокоскоростными производственными процессами. Скорость измерения ограничена частотой сигнала и возможностями электроники, используемой для восстановления сигнала. Уровень оптической мощности, направляемой на лист, также ниже, что снижает эффективность сигнала.
Требовался способ держать глаз открытым все время, чтобы улавливать как можно больше информации и избегать «слепых зон» во время «моргания». Это решение появилось в 2010 году с внедрением немодулирующей технологии, которую назвали самым большим прорывом в измерении влажности за 30 лет!
Справедливо будет сказать, что она появилась как раз вовремя, поскольку бумагоделательные машины выросли до огромных размеров. Благодаря этой новой немодулирующей технологии, такой как та, что используется исключительно в портфеле запатентованных инфракрасных датчиков высокой производительности (HPIR) от ABB, можно непрерывно измерять и одновременно компенсировать фоновое излучение. Действительно, она установила новые стандарты точности: новейший датчик влажности HPIR отражательного типа выполняет измерения 5000 раз в секунду, что примерно на 83 раза больше точек данных, чем 50 лет назад.
Преимущества всевидящего ока
Больший объем данных от датчиков HPIR означает лучший контроль, и даже небольшие процентные выигрыши или экономия могут оказать огромное влияние на прибыль. Если рассмотреть стадию сушки при производстве бумаги, то изменение влажности всего на один процент может означать экономию энергии до 400 000 долларов в год!
Благодаря такому повышенному уровню данных производители бумаги могут быть гораздо более уверены в том, что их измерения влажности повсеместно отражают номинальные значения. Они также могут сместить свои целевые показатели влажности ближе к допустимым пределам качества. Это не только снижает затраты на волокно, но и экономит значительное количество энергии, поддерживая цели устойчивого развития, оставаясь при этом в рамках строгих спецификаций качества.
Эта инновация обеспечивает принципиально новые уровни возможностей измерения, предоставляя владельцам и операторам комбинатов способность контролировать и оптимизировать процессы так, как никогда раньше. Это также является базовой технологией для следующего поколения подходов к оптимизации, которые выведут управление на еще более высокий уровень.
ИННОВАЦИИ — ЭТО КЛЮЧ
Помимо базового контроля влажности, непрерывный мониторинг показателей влажности способствует глобальному сдвигу парадигмы, поскольку компании все чаще внедряют рабочие практики Индустрии 4.0 и промышленный интернет вещей (IIoT) для получения важнейших операционных данных.
Современные информационные системы процветают за счет обмена данными и их анализа, поэтому уровни качества можно постоянно оценивать и сравнивать в исторической ретроспективе с другими переменными, такими как графики смен, квалификация операторов, сезонные колебания температуры и сырье, и это лишь некоторые из них. Этот взрывной рост возможностей и управляемости привел к созданию все более быстрых и эффективных решений для производства и оптимизации, а именно — к способности соотносить итоговые измерения с условиями процесса на более ранних этапах работы машины, контролировать больше переменных и выявлять истинные причины возникающих отклонений. Целлюлозно-бумажная промышленность обладает огромными возможностями для использования этих новых технологий, и законодательство может стать движущей силой этого процесса, включая такие вопросы, как прослеживаемость по всей цепочке создания стоимости, от посадки деревьев до последующей переработки.
Заключение
140-летний опыт ABB в этой крайне требовательной отрасли привел к многочисленным эволюционным изменениям в контроле качества для производителей целлюлозы и бумаги, которые прошли путь от оценки влажности «на ощупь» до цифровых измерений. Дальнейший прогресс был стимулирован очевидными преимуществами, которые приносит развитие технологий измерения.
Простая установка новейшего датчика влажности, например, может обеспечить более четкое представление об операциях, что позволит как ужесточить контроль, так и достичь современных целей в области устойчивого развития. Учитывая, что другие технологии уже находятся в стадии разработки, наряду с улучшениями существующих инфракрасных и микроволновых решений, технологии измерения влажности, несомненно, будут развиваться и дальше.
Эта инновация обеспечивает принципиально новые уровни возможностей измерения, предоставляя владельцам и операторам комбинатов способность контролировать и оптимизировать процессы так, как никогда раньше.
