Prozessautomatisierung






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Bahnspannungsregelung an Papier- und Druckmaschinen

Unser Anliegen ist, ganz allgemein gesprochen, die Wechselwirkung von Maschine und Warenbahn während der Verarbeitung zu untersuchen, mit dem Ziel, die Prozeßführung zu optimieren. Das gelingt beispielsweise durch zugeschnittene Antriebskonzepte, die möglichst einfach und anwendungsnah gestaltet sind.

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Zeitungsdruckmaschine: Der Trend zu winkelgeregelten Einzelantrieben bringt neue Möglichkeiten Papierrollen: Dieser Bedruckstoff hat es in sich: Papier ist nicht Papier.

Bahnspannungsregelung an Papier- und Druckmaschinen

Im Mittelpunkt vieler anwendungsbezogener Untersuchungen zur Bahnlaufoptimierung an Maschinen zur Herstellung und Verarbeitung von Warenbahnen, wie Papier-, Druck-, oder Verarbeitungsmaschinen steht die Regelung der Bahnspannung. Gründe für den Einsatz einer Zugregelung gibt es viele: Entlastung des Bedienpersonals, Bahnreisser, Sackbildung, Qualitätssicherung durch optimale Prozessführung, weniger Makulatur, Rationalisierungsdruck. Dabei ist der technologische Aufwand für die Realisierung einer Bahnzugregelung in den letzten Jahren durch die Fortschritte bei Antriebs- und Rechentechnik deutlich zurückgegangen. So wird eine Bahnzugregelung nach und nach für breitere Anwendungsbereiche wirtschaftlich vertretbar. Insbesondere die Einzelantriebstechnik in Verbindung mit hochauflösenden Messsystemen bietet dem Bahnlauf neue Möglichkeiten, die es besser auszunutzen gilt.

Modellbildung

Die Entwicklung einer Bahnspannungsregelung führt uns zunächst auf das Gebiet der Modellbildung, mit den Ziel, für den Prozess des Bahnlaufes ein wirklichkeitsgetreues Prozessmodell zu finden, welches quantitative Aussagen über den zeitlichen Verlauf der betrachteten Grössen erlaubt. Die bestimmenden physikalischen Grössen des Bahnlaufes sind Bahndehnung ε, Bahnspannung σ und Elastizitätsmodul E in einem bestimmten Abschnitt der Bahn. Ausgangspunkt ist das linearisierte Dehnungsmodell einer eingespannten Warenbahn. Die Warenbahn wird als eindimensionales Linienmodell (Gummifaden) angenommen. Materialgrössen und die Geometrie des Aufbaus fliessen in das entstehende Modell ein. Methoden der experimentellen und theoretischen Modellbildung verfeinern die Grundannahmen schrittweise, bis das Modell eine brauchbare Genauigkeit erreicht hat. Jetzt können Untersuchungen am realen Prozess ersatzweise mit dem Modell durchgeführt werden.

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Simulation

Die digitale Simulation ist sowohl bei der Modellbildung als auch für den Reglerentwurf ein überaus nützliches Hilfsmittel. Sie bildet dynamische Vorgänge in technischen Systemen sehr anschaulich ab und vereinfacht auf diese Weise die überprüfung modifizierter Modell- oder Reglerparameter. Durch den gezielten Einsatz von Simulationstechnik lässt sich der Aufwand für praktische Versuche bedeutend verringern. Als Simulationssystem wird vorwiegend das hauseigene WINDDC eingesetzt, sowie MATLAB.

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DDC-Technologiedarstellung: Simulationstechnik erleichtert die Entwicklungsarbeit

Reglerentwurf

Ziel ist die Entwicklung von Algorithmen und Baugruppen, die für den Einsatz in geschlossenen Bahnspannungsregelkreisen geeignet sind. Für den erfolgreichen Reglerentwurf ist eine genaue Kenntnis des entsprechendes Prozesses nötig.

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Unangenehm: Das Streckenverhalten ist geschwindigkeitsabhängig

Die Entwicklung geht in mehreren Abschnitten vor sich: Reglerentwurf, Optimierung, Implementation. Diese Phasen sind eng miteinander verflochten und werden mehrfach durchlaufen. Entscheidend ist am Ende das Verhalten der Zugregelung bei Störungen und Parameteränderungen. Parameteränderungen sind z.B.: Elastizitätsschwankungen, wechselnde Materialeigenschaften, Veränderung von Geschwindigkeit, Vorspannung, Feuchtegehalt sowie Temperatur um nur einige zu nennen. Durch Simulationsläufe kann man klären, ob diese oder jene änderung das Verhalten der Regelung verschlechtert. Ziel ist immer, dass Störungen und Parameteränderungen keine Auswirkung auf das Verhalten der Regelung haben. Auf einen Praxistest kann man trotz der Simulationsmöglichkeiten nicht ganz verzichten. Er zeigt letztendlich, ob alle vorangegangenen Schritte richtig waren.

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Beim simulierten Anfahren der Maschine zeigt sich die Güte der Regelung.

Ergebnis ist eine Bahnspannungsregelstrategie, die für kritische Betriebsfälle (Anfahren, Druckanstellung, fliegender Rollenwechsel, Schnellstopp) einen stabilen Bahnlauf sichert. Diese Strategie ist für die verschiedene Druckverfahren und Anlagenkonfigurationen geeignet.

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Einbahn-System: Die angetriebenen Walzen bilden Klemmstellen. Diese sind durch die eingezogene Papierbahn zu einem Gesamtsystem verbunden
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Anspruchsvoll: in grossen Druckanlagen werden bis zu 16 Bahnstränge zusammengeführt

Veröffentlichungen und Vorträge

  • Galle, A., Neumann, R., Winkler, A.: Improved Web Tension Control using Variable Structure Controller, Gain Scheduling and Decoupling. Proc. of the International conference Applied Electronics 2002 University of West Bohemia, Pilsen, Czech Republik 2002, pp. 67-70. ISBN 80-7082-881-1
  • Winkler, A.: Improved Web Tension Control using Variable Structure Controller, Gain Scheduling and Decoupling. ICAE Pilsen, Czech Republik 2002
  • Galle, A.: Improved Web Tension Control using Variable Structure Controller, Gain Scheduling and Decoupling. ERA PPC, Cassale Monferrato, Italy 2002
  • Galle, A.: Verbesserte Regelstrategie im Bahnlauf durch Strukturumschaltung, gesteuerte Adaption und Entkopplung. 6. Bahnlaufseminar Technische Universität Chemnitz, Deutschland 2001