2 Projektets bakgrund. PROJEKTSAMMANFATTNING Processindustriell IT och Automation hösten Projektfakta. 1 Sammanfattning 1 (5)

Transkript

1 PROJEKTSAMMANFATTNING Processindustriell IT och Automation hösten 2014 Projektakronym RIMKAPP Projektfakta Projektnamn 1 (5) Roadmap för implementering av multispektral kvalitetskontroll av hela arean vid pappersoch kartongtillverkning Sökt belopp från VINNOVA: kr Sökande organisation: Innventia AB Projektledare: Catherine Östlund Projektperiod: Sammanfattning Det föreslagna förprojektet utgår ifrån en vision av en högupplöst, multispektral online mätning och analys av hela den producerade produktarean vid pappers-och kartongtillverkning. Detta inkluderar en avancerad tolkning av mätvärden och kommer att ge en mycket mer komplett information av pappersproduktionen än som är möjligt med dagens teknik. Huvudsyftet är att kunna identifiera orsakerna till olika processvariationer, framförallt detektering av sällsynta men extrema variationer, men också styra processen noggrannare baserat på de avancerade mätdata. Data från på marknaden existerande mätmetoder (högupplösta multispektrala höghastighetskameror främst inom IR och NIRområdet) i kombination med process- och dataanalys (t ex softsensorer och multivariat dataanalys) ska ge en noggrannare, snabbare och tydligare återkoppling till kvalitetskontrollsystemen. För att analysera hur denna vision kan realiseras är förprojektets mål att skriva en roadmap. Roadmappen åstadkoms genom att sammanföra experter på pappers- och kartongtillverkning, mättekniker, analysmetoder och kvalitetskontrollsystem för att diskutera dagens tekniker, och morgondagens behov och möjligheter. Huvudverktyget blir 3 workshops och intervjuer med svenska och utländska experter. Resultaten sammanfattas i en roadmap i form av en rapport. Där beskrivs detaljerat hur huvudelementen av visionen kan uppnås på 5-10 års sikt, samt vilka F&U&I-insatser som krävs för att implementera de nya teknikerna i de befintliga kvalitetskontrollsystemen på bruken. Resultatet av förprojektet, roadmappen, blir också ett underlag för de deltagande företagen att söka finansiering för genomförandet av ett fullskaleprojekt. 2 Projektets bakgrund Papper och kartong tillverkas som en kontinuerlig bana med en bredd på 5 till 10 m. Produktegenskaperna, såsom styrkan eller ytegenskaper, varierar betydlig, framförallt på grund av variationer i processen och den råvara som används. Variationer förekommer både i en mikroskala (med en storlek upp till ett tiotal centimeter) och in en makroskala (med en karakteristisk längd på upp till ett flertal hundra meter). Tyvärr medför dessa variationer en heterogenitet i produktens kvalitet, som kan leda till banbrott vid tillverkningsprocessen. Ett banbrott medför stora ekonomiska förluster eftersom produktionsprocessen avbryts för ett tiotal minuter och stora mängder utskott produceras. Den svaga punkten är för det mesta ett resultat av att flera processvariationer samverkar åt fel håll. För att mäta produktegenskaper online använder man sig i dagsläget huvudsakligen av punktbaserade mätinstrument som är installerade i en mätram. Dessa skannar av produkten genom att köra fram och tillbaka över den producerade pappersbanan, se Figur 1.

2 2 (5) Figur 1: Illustration av mätning av pappersbanan med ett traverserande, punktbaserade mätinstrument (övre del) och de verkliga variationerna (nedre del) 1. Figur 2: Jämförelse mellan en bild i det visuella (övre) och IR-spektrum (nedre) på en pappersbana på en 5 meter bredd tambur 2. Dessa punktbaserade mätare analyserar i dagsläget mindre än 1 promille av den totala producerade produktarean, och är heller inte tillräcklig snabba för att upplösa processvariationer med en mindre längdskala. För att avsevärd förbättra online mätningen av pappersbanans kvalitet krävs det att hela den producerade arean mäts. Här öppnas nya möjligheter genom att använda multispektral analys, d v s att undersöka pappersarean i flera våglängder utanför det visuella våglängdspannet. Genom att observera den tillverkade pappersbanan med t ex en IRkamera, kan betydligt mer processinformation fås, se Figur 2, också på grund av att papperstillverkningsprocessen inkluderar en torkningsprocess. Temperaturvariationerna tillåter slutsatser angående processvariationer eftersom de är ofta kopplade till dessa. Under de senaste åren har ett flertal multispektrala sensorer, framförallt bildbaserade sensorer och skannrar, blivit intressanta för processövervakning. En implementering av dessa sensorer i ett QCS (Quality Control System) i en pappersmaskin skulle vara ett stort steg framåt för att åstadkomma en heltäckande övervakning av pappersbanan. Det skulle även ge betydligt mer information för att både analysera, styra och reducera variationerna vid papperstillverkningen, samt också hjälpa till att identifiera orsakerna till extrema svaga områden i produkten. 3 Projektets idé Det föreslagna förprojektet utgår ifrån en vision av en högupplöst, multispektral online analys av den total producerade produktarean med nya angreppssätt t ex vad gäller tolkning av mätvärden och implementering av dessa, som ger en bättre och mer komplex 1 Figiel et al. (2010): Paper machine quality control systems (QCS), Tappi Press. 2 Resultat av en IR-mätning av Innventia i ett säckpappersbruk.

3 3 (5) information av pappersproduktionen. Nya kombinationer av data från på marknaden existerande mättekniker (högupplösta multispektrala sensorer, höghastighetskameror), och ny implementation av process- och dataanalys ska ge en snabbare och tydligare återkoppling till kvalitetskontrollsystemen. För att åstadkomma detta vill vi i ett första steg sammanföra experter på pappers- och kartongtillverkning, mättekniker, analysmetoder och kvalitetskontrollsystem för att diskutera dagens tekniker och morgondagens behov av ny tillämpning av mättekniker. Genom workshopar och intervjuer med experter vill vi komma fram till en roadmap för vad som krävs vad gäller forskning och utveckling för att implementera de nya teknikerna på bruken. 4 Potential Det visionära i projektet anses vara att (1) integrera kamerabaserade mätmetoder för att åstadkomma en mätning av hela den tillverkade produktarean med en hög spatial upplösning, (2) analysera i olika våglängdsspektra och därmed få helt ny information angående processvariationer och materialsammansättning, och (3) genom en kombination av de olika data få en mycket mer komplett karakterisering av produktens egenskaper och dess variationer. Den nya informationen kommer att hjälpa att identifiera orsaker till processvariationer, framförallt också extrema variationer som orsakar banbrott. De kommer att kunna användas för att minska processvariationer i största allmänhet, och därmed ger jämnare, bättre produkter med en mer väldefinierad egenskapsprofil. Detta leder i sin tur till ett effektivare råmaterialanvändande eftersom produkterna inte behöver överdimensioneras på samma sätt som det görs idag för att gardera sig för eventuella svaga punkter. En implementering av visionen i ett fullskaleprojekt skulle kunna göras i tre steg. Första steget är användandet som expertsystem vid troubleshooting/mapping, t ex för inventering och identifikation av befintliga processvariationer. Som nästa steg skulle en alarmfunktion implementeras, dvs en automatiserad identifiering av statistiskt sällsynta men för produktionen störande kraftiga lokala variationer som ett förebyggande verktyg för att undvika banbrott och produktion av utskott. Det sista steget skulle vara en integrering i kvalitetskontrollsystemet, där mätresultaten används kontinuerligt för styrningen av processen. Innventia har jobbat inom delar av området under de senaste 5 år och har bland annat i olika fallstudier påvisat att IR-tekniken kan användas för processanalys 4. För att få en heltäckande arbetsgrupp valdes projektdeltagare från hela innovationskedjan (högskola-industriforskningsinstitut-leverantörsindustri-tillverkningsindustri). För att även lära sig av andra banproducerande processindustrier kommer även en representant från stålbranschen att delta i projektet vilket förväntas ge synergieffekter. Bredden i gruppens kompetens ska också ge ett fundament för en effektiv innovationsprocess. Gruppen är helt nybildad, men tanken är att den ska forma ett konsortium som ska vara kärnan i ett framtida fullskaleprojekt kring en implementering. Målet med detta förprojekt är att formulera en roadmap för en implementering av dessa metoder i QC-systemet hos en pappersmaskin. 5 Aktörer Projektet leds av Innventia med Catherine Östlund som projektledare och bildanalysspecialist, och Hannes Vomhoff som vetenskaplig rådgivare för papperstillverknings- 4 F. Rosén, H.Vomhoff, The use of infrared thermography to detect in-plane moisture variations in paper, presentation at Control Systems 2010.

4 4 (5) processen. Alla övriga deltagare är experter på sitt område, och kommer från alla de discipliner (tillverkare, leverantörer (varav två är SMEs), industriforskningsinstitut, högskola) som är viktiga för att få en helhetsbild av området. Deras kompetenser listas i Tabell 1. Tabell 1 Projektdeltagarna och deras kompetens och/eller roller. Pappers- och Kartongtillverkare Kompetens/roll Kontaktperson(er) Stora Enso Central F&U Expert på processanalys Raija Bådenlid Stora Enso, Nymölla Processexpert tryckpapper N.N. Billerud Korsnäs, Frövi Processexpert kartong Lars Jonhed Holmen Paper, Hallsta Processexpert boktryckpapper Dan Buskhe Leverantörsindustrier ABB Central F&U Specialist på processtyrning Alf Isaksson, Carl- Fredrik Lindberg ABB QCS Specialist QCS Håkan Österholm IrCon Drying systems, leverantör av IR torkelement och mätsonder (SME) Umbio, multispektral NIR skanner (SME) FLIR: Leverantör av IR och NIR kameror Universitet/högskola Spec. IR-tork utrustning Spec. multi-spektral dataanalys Spec. mätinstrument Thomas Björnberg, Fredrik Liljesäter N.N. Ulf Guldevall KTH Strömningsmekanik Prof. Daniel Söderberg LTH Torkning, med specialkompetens inom papper Prof. Stig Stenström KaU Torkningsmodellering Prof. Lars Nilsson Industriforskningsinstitut Innventia Online-mätning, produktvariabilitet, Catherine Östlund, pappersprocessteknik Hannes Vomhoff Swerea On-line mätning på metallytor Jonas Gurell Internationella experter Mondi Dynäs, Sverige Processexpert säckpapper Andreas Stattin Andritz, USA Spec. pressning, torkning Dave Lange International Paper, USA Specialist QCS N.N. Även en deltagare med kompetens från stålindustrin har bjudits till workshopen, för att lära mer om liknande problemställningar i en annan processindustri med banbaserade processer. I de fall ingen kontaktperson är nämnd kommer dessa att tas fram när finansieringen av förprojektet är klar. Alla deltagare, förutom de internationella experterna som intervjuas, kommer att delta i de tre workshoparna.

5 5 (5) 6 Genomförbarhet En tidsplan för förprojektet visas i Figur 3. Figur 3 Tidplan för förprojektet. Förprojektet består huvudsakligen av tre workshops (WS1 till WS3) på vardera en dag där projektets partners medverkar aktivt. Den preliminära agendan för workshops är: Workshop 1: Inventering av dagens läge och framtida mätmöjligheter Workshop 2: Krav på ett framtida kvalitetskontrollsystem Workshop 3: Roadmap för implementering av ett nytt mätkoncept 7 Projektets kostnader och finansiering Kostnaderna i projektet består av lönekostnader och resekostnader. Egen insats i form av egen nedlagd tid på vardera SEK kommer från 10 partner (Stora Enso, BillerudKorsnäs, Holmen, ABB Corporate Research, ABB Process Automation, IrCon Drying systems, FLIR AB, KTH, LTH och KaU) och SEK (Innventia). Från VINNOVA söks SEK.