Fallstudie:Antriebe und Nachrüstungen einer Rollenschneid- und Aufwickelmaschine der Papierfabrik

Laut The Federal Network for Sustainability verbrauchen die Vereinigten Staaten jährlich etwa 8 Millionen Tonnen Büropapier. Das ist genug, um eine 20 Fuß hohe und 6.815 Meilen lange Mauer zu bauen. Um mit der Nachfrage Schritt halten zu können, suchen Papierfabriken ständig nach Möglichkeiten zur Verbesserung von Effizienz und Qualität. Während bei der Papierherstellung viele verschiedene Maschinen und Prozesse verwendet werden, ist der Rollenschneider ein wichtiger Bestandteil jeder Papierfabrik.

Eine Rollenschneidemaschine ist dafür verantwortlich, riesige, neu hergestellte Rollen von der Hauptpapiermaschine abzuwickeln, in kleinere Abschnitte zu schneiden und sie als handlichere Rollen für die Verteilung wieder aufzuwickeln. Als einer der letzten Produktionspunkte in einer Papierfabrik kann jedes Problem mit der Rollenschneidemaschine die Produktion der gesamten Fabrik stoppen.

Bestehend aus mehreren Motoren und Steuerungen ist die Rollenschneidemaschine eine der fortschrittlichsten Ausrüstungen in einer Fabrik. Das Herzstück des Prozesses dieser Maschine ist die Spannung, die die Qualität der Papierrollen bestimmt. Während des gesamten Prozesses müssen genaue und konstante Kräfte aufgebracht werden, um eine perfekte Bahnführung, präzises Schneiden und richtige Rollendichteprofile zu gewährleisten.

Abgesehen von der Nip-Steuerung wird die Qualität der Walze weitgehend von der Leistung der Antriebe bestimmt. Der Wickler muss als koordiniertes System laufen und während der kontinuierlichen Zyklen eine genaue Kontrolle von Drehzahl und Drehmoment gewährleisten – von Stopp auf volle Drehzahl und zurück auf Null. Selbst kleine Ungenauigkeiten in der Leistung können zu Problemen führen, wie z. B. Bogenrisse, raue Kanten, Teleskope, Versätze und Bindungen, was zu Ausfallzeiten, abgelehnten Rollen und letztendlich zu Gewinnverlusten führt.

Ziel:Kontinuierliche Hochgeschwindigkeitsproduktion
Um die Produktivität und Effizienz zu steigern, beschloss eine führende Papierfabrik im Südosten der Vereinigten Staaten, ihre Rollenschneidemaschine umzubauen und die neueste Technologie zu integrieren. Ziel des Upgrades war es, die Walzenqualität zu verbessern, die Maschinengeschwindigkeit auf das höchstmögliche Niveau zu erhöhen und kostspielige Stillstände zu vermeiden.

Das Werk wandte sich an SDS Inc, einen in den USA ansässigen Systemintegrator, der sich auf Steuerungsdesigns für die Papier- und Bahnverarbeitungsindustrie spezialisiert hat. SDS analysierte das bestehende System und lieferte eine kosteneffektive Lösung, die vorhandene Motoren und Komponenten nutzte, die hochmodernen ACS800-Frequenzumrichter von ABB und die neuen DCS800-Gleichstromantriebe – die fortschrittlichsten Gleichstromantriebe seiner Art – integriert. Die Antriebshardware wurde mit Intelli-Wind von SDS vervollständigt, einem beliebten HMI für Zweitrommel-Wickler, das TNT-Steuerung, Rezepte, numerische und grafische Sollwerte, Berechtigungen und Diagnose bietet.

Das Personal des Systemintegrators stattete der Einrichtung mehrere Besuche ab, um die Situation zu begutachten. Sie erfuhren, dass es eine Vielzahl von Problemen mit der vorhandenen Rollenschneidemaschine gab.

„Es ist unbedingt erforderlich, die Perspektive aller von diesem Aufwickler betroffenen Personen einzuholen“, sagt John Parker, Senior Sales Engineer bei SDS. „Das Wartungsteam hatte Bedenken hinsichtlich eines Komponentenausfalls und eines Antriebsraums, der eine genaue Temperaturregelung erforderte, um ein Driften der analogen Komponenten zu verhindern. Die Produktionsabteilung wollte die Betriebszeit erhöhen, die Rollenqualität verbessern und ihren Kunden ein kostengünstiges Produkt anbieten, und sie wollte technologisch fortschrittliche Ausrüstung verwenden. Durch unsere Partnerschaft mit ABB konnten wir diese Vorteile ansprechen und erzielen.“

Veraltete Geräte:Ineffizient und kostspielig in der Wartung
Diese Papierfabrik gehört nach Einschätzung von ABB- und Systemintegrator-Experten zu einer zunehmenden Zahl von Herstellern, die immer noch mit 25 bis 30 Jahre alten Antriebssystemen arbeiten. Die Reparatur und Wartung des Antriebssystems des Rollenschneiders wurde immer teurer. Einige Komponenten waren veraltet und konnten nicht ersetzt werden. Einige der analogen Geräte erforderten ständige Aufmerksamkeit aufgrund von Driften, und alte Kabel zeigten an Gelenkpunkten Anzeichen von Brüchen und Isolationsfehlern. Die mechanischen Baugruppen, die die Thyristorbaugruppen und Sicherungen an Ort und Stelle hielten, waren nicht mehr zu reparieren; Darüber hinaus gab es Probleme mit der strukturellen Integrität der Leistungsmodule.

Craig Tierno, leitender Anwendungsingenieur bei SDS, erklärt, dass eine Nachrüstung, die analoge Regler durch digitale Gegenstücke ersetzt und gleichzeitig ihre vorhandene Strombrücke beibehält, angesichts dieser vielfältigen Probleme nicht praktikabel war. Die SCRs in den Leistungsmodulen wären nicht zuverlässig. Daher empfahl der Integrator ein komplettes Upgrade des Antriebs- und Steuerungssystems, um die Zuverlässigkeit und Leistung zu verbessern.

„Wenn sich die DC-Leistungsmodule eines Unternehmens noch in ihrem Lebenszyklus befinden, empfehlen wir oft, sie mit neuen digitalen Hochleistungs-Frontends (DFE) nachzurüsten, um die Regelleistung zu verbessern und gleichzeitig die vorhandenen SCRs zu zünden“, sagt Tierno, „In In diesem Fall konnten wir das nicht tun.“

Neue Technologie bietet im Zusammenspiel mit Laufwerken wertvolle Synergien
Auf der Suche nach einer Antriebslösung fand der Integrator in ABB eine Antwort.

„Unsere größte Sorge war, dass die Antriebslieferanten mit DC nichts Neues machen. Die meisten Lieferanten saßen auf Produkten, die fast 10 bis 20 Jahre alt waren“, sagt Tierno.

ABB, so erfuhr er, entwickelte einen neuen Gleichstromantrieb, der mit einigen der gleichen Softwaretools und Kommunikationsmodule wie seine Wechselstromprodukte konstruiert wurde. Dadurch war es möglich, sowohl DC- als auch AC-Produkte im Projekt zu verwenden und zu integrieren.

Es gibt immer noch eine große installierte Basis von Gleichstrommotoren in ganz Nordamerika mit einer Vielzahl von PS- und Drehzahlbereichen.

„Diese Motoren haben bei richtiger Wartung und gelegentlichen Reparaturen eine lange Lebensdauer, sodass die Kunden nicht unbedingt darauf bedacht sind, sie auszutauschen“, sagt Tierno. „Die Suche nach einem Lieferanten wie ABB, der ständig neue Technologien zur Steuerung dieser Motoren erfindet und einführt, hat uns von Anfang an einen Vorteil verschafft.“

Für dieses System wurden vier ABB DCS800-Antriebe installiert. Der erste Antrieb steuert den 500 PS starken Abwickelmotor, der die Zugregelung für die Jumbo-Stammrolle übernimmt. Der zweite DCS800-Antrieb wurde an der 50-PS-Einlaufpapierrolle installiert, die für den Transport des Papiers zur Schneidepartie verwendet wird. Der dritte und vierte Antrieb wurden auf den 250 PS vorderen und hinteren Trommeln installiert – Komponenten, die für die Bereitstellung der Maschinengeschwindigkeitsreferenz und des Profilierungsdrehmoments für die aufgewickelte Rolle verantwortlich sind.

Aufgrund der Größe der Walzen und des anspruchsvollen Drehmoments, das zum Beschleunigen und Abbremsen erforderlich ist, wurden alle DC-Antriebe so ausgelegt, dass sie eine Minute lang eine Strombegrenzung von 200 Prozent bewältigen können.

Zwei ACS800-AC-Antriebe und -Motoren mit einer Nennleistung von 15 PS wurden mit den beiden Enden der Reiterrolle verbunden, um eine vertikale Kraft für Beschleunigungs- und Verzögerungsdrehmoment bereitzustellen. Aus mechanischer Sicht basierte die Motorrahmengröße auf der Anwendungsleistung und dem Belüftungsstil, da die Motoren in einem beweglichen Reiter-Rollen-Rahmen montiert sind.

Neue Wägezellen für die Zugkraftkontrolle
Die Wägezellen, die die Bahnspannung im Abwickelbereich der Maschine messen, wurden durch Pressductor-Aufnehmer vom Typ ABB PillowBlock ersetzt. Die ausgewählten PFTL-Einheiten basierten auf den Systemanforderungen und der Tatsache, dass sie ein direkter physischer Ersatz für die alten Wägezellen waren. Die Wägezellen mit neuer Technologie von ABB, die für die Anwendung vorkalibriert geliefert wurden, verbessern die Zugregelung und reduzieren Installationszeit und -kosten.

Kompatible Plattformen; Vorhandene Gleichstrommotoren nachrüsten und verwenden
Die Mitarbeiter von Integratoren waren der Meinung, dass der DCS800 perfekt zu den Technik- und IT-Mitarbeitern der Papierfabrik passt, die bereits mit den Betriebs- und Inbetriebnahmefunktionen von Gleichstromantrieben vertraut waren. Der komplementäre ACS800 von ABB, dessen Look and Feel dem DC-Produkt ähnelt, erleichterte dem Werk den Wechsel zu AC.

„Es war wirklich wichtig, sicherzustellen, dass die DC-Antriebe vollständig komplementär waren – Hand in Hand, Schritt in Schritt – mit dem, was wir mit dem AC-Produkt machen wollten. diese beiden auf derselben Plattform zu haben“, sagt Tierno.

Er erklärt, dass die neuen DC-Antriebe es Retrofittern ermöglichen, modernste Technologie und hervorragende Regelung zu einem Bruchteil der Kosten für den Austausch des gesamten Stromsystems bereitzustellen. „Viele unserer Kunden möchten keine Motoren austauschen und durchlaufen einen riesigen Installationsprozess. Wenn es eine kostengünstigere Methode gibt, möchten sie davon erfahren.“

Master-Steuerung über Wickler-Betriebssoftware
In Abstimmung mit den Antrieben installierte der Systemintegrator eine eigene Wickler-Bediensoftware namens iWind, die entwickelt wurde, um das Rollenprofil und die Qualität zu optimieren und gleichzeitig automatisches Stoppen, Produktrezepte, numerische und grafische Sollwerte, Freigaben und vollständige Diagnose bietet. Als elegante und einfach zu bedienende Schnittstelle führt iWind die verschiedenen Steuerungsgeräte direkt mit der Antriebshardware zusammen, was zu einem weniger komplexen System mit erhöhter Leistung führt. Es ist auch einfacher, Fehler zu beheben und zu warten.

SDS konzentrierte sich hauptsächlich auf Spannung, Nip und Drehmoment (TNT) und konnte eine Architektur entwickeln, die den Kundenwunsch nach verbesserter Walzenqualität erfüllt. Die automatische Stoppfunktion löste das Problem der Mühle mit Produktlänge und -durchmesser. Freigabe- und Diagnoseseiten boten Bedienern schnelle Hilfe, um den Wickler am Laufen zu halten, und reduzierten Support-Anrufe bei der Wartung. Das Rezeptsystem ermöglichte es den Betrieben, Bestellungen schnell einzurichten und die Produktkonsistenz aufrechtzuerhalten.

Vorgefertigte erhöhte Paneele beschleunigen die Installation in fünf Tagen
Bei der Nachrüstung wurde die vorhandene Konstruktion genutzt – ein offenes Panel-Design, das minimalen Platz und Freiraum im Kontrollraum erforderte. Anstelle von Standschränken wurden alle Leistungsmodule, Leistungsschalter und andere Komponenten auf aufgeständerten Platten angeordnet. Dies ermöglichte es dem Integrator, für jedes Laufwerk ein separates Unterpanel vorzufertigen, sodass vor dem Abriss der alten Ausrüstung Zeit zum Testen der Laufwerke einzeln und als Gruppe blieb! Dies ermöglichte es, die gesamte Kommunikation zwischen den Antrieben und einem Großteil der Anwendungssoftware und Antriebsfunktionalität vor der Installation und Inbetriebnahme gründlich zu testen.

Die Einrichtung und Inbetriebnahme des Anwendungsprogramms verlief reibungslos. Das Systemintegrator-Team benötigte ungefähr vier Wochen, um die Schaltpläne zu entwickeln, die Antriebs- und Steuerungssoftware zu erstellen und die Panels zu bauen. Nach einem gründlichen zweiwöchigen Testprozess konnte das Team die neue Ausrüstung innerhalb von fünf Tagen installieren, die die Mühle benötigte. Ingenieure blieben nach der Inbetriebnahme noch einige Tage vor Ort, um einen reibungslosen Übergang für die Anlagenbetreiber zu gewährleisten.

Gewinnkombination ermöglicht optimale Betriebszeit
Seit der Installation der DCS800- und ACS800-Antriebe in Ergänzung mit der iWind-Software konnte die Mühle ihre Ziele einer gesteigerten Produktion, Höchstgeschwindigkeitseffizienz, besserer Walzenqualität, reduzierter Wartung und minimaler Stillstände verwirklichen. Tatsächlich konnten sie Stillstände, die zuvor aufgrund von Komponentenfehlern aufgetreten waren, praktisch eliminieren.

„Wir sind mit den Produkten und dem Support von ABB zufrieden und planen, weiterhin ABB-Produkte für zukünftige Projekte zu verwenden“, sagte Parker. „Und im Moment haben wir acht Papierherstellungsprojekte vor uns, für die wir ABB empfehlen, entweder ACS800, DCR- oder DCS-800 für verschiedene Anwendungen.“

Tierno fügt hinzu:„Unsere Beziehung zu ABB und den Menschen in New Berlin hat sich sehr gelohnt. Sie waren sehr hilfreich bei der Produktlieferung und bei der Schulung zu den neuen Produkten, insbesondere zum DCS800.“

ABB-Produkte bieten dem Systemintegrator die Ressourcen und die Flexibilität, die er benötigt, um jeden Kunden gemäß seinen spezifischen Bedürfnissen und seinem Budget zufriedenzustellen.

ABB und SDS haben einen weiteren Grund zum Feiern:Mit der Installation der Papierfabrik wird erstmals in den USA eine DCS800 in ein Gesamtsystempaket integriert. Mit der nahezu unbegrenzten Skalierbarkeit der DCS800 freut sich das gesamte Team darauf, Kunden noch viele Jahre mit Antrieben und Software zu beliefern.

Schema der Nachrüstung eines Gleichstrom- und Wechselstromantriebs einer Rollenschneidemaschine in einer großen südöstlichen Papierfabrik.

Master Panel, das die ABB ACS800 Rider Roll AC Drives und den Master Controller enthält.

Unwind Drive – die neue ABB DCS800 beim Systemtest.

Von links nach rechts:Platten für Papierrolle, vordere Trommel, hintere Trommel mit DCS800 DC-Antrieben von ABB. Durch die Vorfertigung der Paneele war es möglich, die gesamte Nachrüstung des Rollenschneiders innerhalb von fünf Tagen zu installieren.

Um mehr zu diesem Thema zu erfahren, besuchen Sie www.abb.us/drives oder kontaktieren Sie Thomas Junger, Product Line Manager, ABB Inc., unter 262-785-3377 oder [email protected].