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11.10.1991 - 

Lösungsbeispiel: Badische Karton- und Pappenfabrik

Papierhersteller müssen ihren Fertigungsablauf optimieren

Durch die weltweit agierenden Papier-Großkonzerne wird der Konkurrenzdruck in der Branche immer stärker. Um noch Gewinne erwirtschaften zu können, müssen entweder die Qualitäten verbessert, der Rohstoff- und Energieeinsatz optimiert oder Spezialsorten mit kleinen Posten hergestellt werden. Dies alles setzt eine optimale Technik der Maschinensteuerung und -regelung (MSR) mit Produktionsdatenerfassung voraus.

Ein Prozeß-Leitsystem, mit dessen Hilfe eine transparente Kostenkontrolle durchgeführt werden kann, ermöglicht eine solche Optimierung. Um sich flexibler auf die Belange des Rohstoffmarktes sowie auf spezifische Kundenanforderungen auszurichten, wurde 1989 bei der Badischen Karton- und Pappenfabrik (BKPO), Obertsrot, im Bereich der Stoffaufbereitung ein intelligentes Automatisierungssystem der Firma Foxboro in Betrieb genommen. Das Unix-basierte "Intelligent Automation Series Systems" - kurz "I/A Series" - überzeugte den Investor durch seine offene Architektur, mit der es zu einem fabrikweiten Automatisierungssystem erweitert werden kann. Es ermöglicht außerdem einen durchgehenden Informationsfluß auf allen Ebenen des Unternehmens. Nach rund zweijähriger Laufzeit konnte die BKPO zahlreiche Verbesserungen und erhebliche Kosteneinsparungen feststellen.

Produktion muß anpassungsfähig sein

Die BKPO ist ein Zweigwerk der Herzberger Papierfabrik, die Produktionsstandorte in Herzberg/Harz, Oberau/Loisach, Neuss und Obertsrot unterhält. Das vor über 100 Jahren in Bielefeld gegründete Familienunternehmen gehört heute zum niederländischen Papierkonzern KNP. Der Jahresumsatz der Herzberger Papierfabriken beträgt 300 Millionen Mark. Insgesamt werden 1900 Mitarbeiter beschäftigt. Im Werk Obertsrot werden jährlich rund 80 000 Tonnen Vollpappe produziert; hiervon wird etwa die Hälfte zu fertigen Verpackungen verarbeitet. 600 Beschäftigte erzielen einen Jahresumsatz von zirka 100 Millionen Mark; der Exportanteil liegt bei 15 Prozent.

Da der Markt, den BKPO beliefert, überwiegend aus Verpackungsherstellern besteht und einem ständigen Wandel unterliegt, muß auch die Produktion sehr anpassungsfähig sein, um die Forderungen hinsichtlich der verschiedenen Qualitäten und Mengen erfüllen zu können. Aus denselben Gründen muß auch die Stoffaufbereitung sehr umfangreich ausgestattet sein.

In diesem Arbeitsgang werden die verschiedenen Rohstoffe zur Kartonherstellung der Kartonmaschine in nutzbarer Qualität und ausreichender Menge zur Verfügung gestellt. Zu fast 100 Prozent wird als Rohstoff Altpapier eingesetzt. Die Qualitätspalette reicht von Mischpapier aus Sammlungen über Verpackungsabfälle und Zeitungspapier bis zu gut sortierten Abfällen von Papierverarbeitern. Der Einsatz von Primärfasern wie Zellstoff oder Holzschliff spielt nur noch eine untergeordnete Rolle (im Durchschnitt unter fünf Prozent).

Die Stoffe werden in neun Aufbereitungslinien, die speziell auf die Belange der einzelnen Sorten abgestimmt sind (Mahlen, Reinigen, Entstippen, Dispergieren), präpariert und in Zwischenbütten (Bütten heißen die Transport- und Verarbeitungsbehälter für flüssige Papier-Rohstoffe) der Stoffzentrale übergeben. Hier werden aus den neun Komponenten die vier Lagen - Decke, Schonschicht, Einlage, Rücken - über 22 Mengenverhältnis-Regelkreise in der vorgewählten Zusammensetzung gemischt und in den Maschinenbütten zur Abnahme durch die Kartonmaschine bereitgestellt.

Die BKPO steuert und regelt die gesamte Stoffaufbereitung über das neue Prozeß-Leitsystem (PLS). Alle heutzutage meßtechnisch erfaßbaren Prozeßgrößen wie Drücke, Behälterstände, Durchflüsse, Stoffdichten, Temperaturen, Drehzahlen etc. werden gemessen und dem PLS als Meßsignale in genormten Größen zugeleitet. Dieses verarbeitet die Signaldaten mit den gemäß der Programmierung zugeordneten Ingenieurgrößen und gibt sie als Stellsignal zum Führen einer Kaskade oder zur direkten Steuerung eines Stellorgans wieder aus. Jedem Meßwert, Regelalgorithmus und Stellsignal können Grenzwerte zugeordnet werden, die dann beim Ansprechen direkt in die Steuerungslogik eingreifen und so entweder betriebsmäßig und geordnet die Produktion stoppen oder im Störfall den Prozeß abschalten.

Durch das Abarbeiten der Steuer- und Regelprogramme innerhalb des gleichen, den einzelnen Produktionsbereichen jeweils zugeordneten, Prozessors und durch die Vorverknüpfung aller schnellen Steuersignale in den Feldanschluß-Modulen der Steuerung sind trotz umfangreicher Start und Abstellprogramme alle Reaktionszeiten des Systems für den zu führenden Prozeß schnell genug. Somit wird die Forderung, die Produktion kontrolliert zu fahren, erfüllt. Die Produktion reproduzierbar zu fahren, ist durch die Anfahr- und Abstellprogramme in Verbindung mit den Sollwert-Einslellungen ebenfalls sichergestellt.

Die BKPO-Verfahrenstechnik sorgt dafür, daß die Maschine - sowohl bei kontinuierliche als auch bei diskontinuierliche Produktion - mit der optimalen Menge beaufschlagt werden. Schwankungen in der Abnahmemenge werden durch Pufferbütten ausgeglichen. Dies bringt eine gleichmäßige Qualität bei geringem spezifischem Energiebedarf.

Bei konventioneller MSR Technik muß das Personal die Produktionswerte von Hand in die Schichtprotokolle eintragen und auswerten. Weil jedoch das BKPO System alle Werte kennt, ist hier eine automatische Protokollerstellung möglich. Alle logischen Zustände lassen sich als Programmpunkt ansprechen, mit einer Kennung und einem Klartext versehen und - als "kommend" oder "gehend" gekennzeichnet - über einen Alarmdrucker ausgeben.

Indem Steuerung und Regelung enger ineinandergreifen und indem Informationen über alle erdenklichen logischen Zustände auf diese Weise vorgehalten werden, stehen sehr komplexe Automatismen zur Verfügung, die dem Personal beim Fahren der Anlage sehr viel Überwachungsarbeit abnehmen. Auf diese Weise bekommt das Personal für Rundgänge durch die Produktionsanlage den Rücken frei. Durch den zielgerichteten Einsatz des Foxboro-PLS können weitere Probleme und Engpässe beseitigt werden. So können über den Feldbus vom und zum Pulperhaus, zum Rohstofflager und zur Kartonmaschine Informationen ausgegeben und empfangen werden. Hierdurch werden Mißverständnissen zwischen den Bedienermannschaften vermieden .

Eine Ausweitung des Systems ist für die Abwasser-Reinigungsanlage (ARA) vorgesehen. Das Personal in der Stoffaufbereitung wird via Feldbus über den Prozeßablauf in der ARA informiert, und aus der Stoffzentrale kann sie auch ferngesteuert werden. Auf diese Art ist sichergestellt, daß Abweichungen vom Normalbetrieb sofort erkannt und zu einem sehr frühen Zeitpunkt dort eingegriffen werden kann, wo eine Störungsursache zu vermuten ist.

Die Optimierung von Prozessen in der industriellen Produktion ist nicht nur aus wirtschaftlichen Gründen eine ständige Herausforderung. Auch bei großem Durchsatz und höchster Effektivität muß sichergestellt sein, daß die erzeugten Produkte die notwendigen qualitativen Anforderungen in einem engen Toleranzfeld einhalten. Nach dieser Maßgabe nutzt die BKPO das Prozeß-Leitsystem in der Stoffaufbereitung und sieht den Erfolg in der deutlichen Senkung der Rohstoffkosten und der Minimierung des Frischfaser-Einsatzes.

Den Nutzen von Investitionen in die Prozeßautomatisierung beschreibt Georg Friedrich, technischer Direktor der BKPO, wie folgt: "Das Papiermacher-Handwerk im ursprünglichen Sinn ist heute nur noch von geschichtlichem Interesse. Die bisherigen guten Leistungen sind unter anderem ein Erfolg der Personal-Weiterbildung auf dem MSR-Sektor. Zielsetzung für die kommenden Jahre ist es, moderné Entwicklungen, die für die Papierindustrie nützlich sind, zu beobachten und rechtzeitig umzusetzen."

Die Installation des PLS bei der BKPO stellt die erste Stufe eines fabrikweiten Systems (Stichwort "millwide control" - bezogen auf die Bezeichnung von Papierfabriken als "Papiermühlen") dar. Der zweite Schritt, der bereits in Planung ist, ist das Anbinden der Abwasserreinigung an dieses Automatisierungssystem. Weitere Pläne sehen vor, der Werksleitung und der kaufmännischen Abteilung über angekoppelte PCs Zugang zu den Bestands- und Veränderungsdaten der gesamten Produktionsanlage zu verschaffen .

Mit einem Entwicklungsaufwand von rund 500 Millionen Mark wurden 1987 die I/A-Series-Systeme der zweiten Generation von Foxboro fertiggestellt. Sie ermöglichen die Regelung und das Management von Echtzeit-Informationen in integrierten Systemen. Das seit 1988 in Deutschland verfügbare Prozeß-Leitsystem ermöglicht auch den Automatisierungseinstieg für kleinere Unternehmen. Je nach Anforderungen kann ein solches System wachsen, horizontal zum Beispiel durch Regelfunktionen und vertikal durch weitere Informationsvermittlung. Die Entwicklung kann in kleinen Schritten mit zusätzlichen Single-Station-Controllern, PCs, Softwaremodulen, Gehäusen und Workstations fortschreiten .

Von den über 1000 weltweit installierten Systemen werden bisher allein 200 in der papierverarbeitenden Industrie eingesetzt.