Истребитель коробления от Valmet

Интервью-вебинар для читателей gofro.expert по следам презентации «Решения Valmet для гофроиндустрии» на XVII международной научно-практической конференции в Институте комплексного развития и обучения «КРОНА» (г. Санкт‑Петербург, 21.11.2019 г.)

Дмитрий Трошин
директор по продажам оборудования ЦБП (Россия, СНГ)
Компания Valmet

— Сегодня рынок выдвигает новые требования к производителям гофроупаковки. Чтобы им соответствовать, производитель обязан обратить внимание на улучшение внешнего вида продукции, повышение ее качества и производительности оборудования.

Какие задачи при этом главные? Если посмотреть на общие тренды в производстве упаковки — это уменьшение веса гофрокартона. Чем он тоньше, тем должен быть прочнее, и тем должно быть выгоднее производить из него упаковку.

Усложнение конструкции тары. Теперь не просто вырубается четырехклапанный ящик, а производится сложная высечка. Для этого важны механические характеристики гофрокартона.

Повышаются требования к декоративной печати. Месяц назад мы побывали в гостях у одного производителя, который показывал коробку из гофрокартона, запечатанную наподобие «Лувра». Увидев это, мы поняли, насколько сильно меняются ожидания от упаковки.

Увеличение спроса на готовую продукцию. Если раньше кто-то был счастлив получить большой поддон с листами и наделать из него как попало короба, то теперь у производителей гофрокартона все чаще требуют образцы.

Лучше всего, конечно же, когда переработка идет вслед за гофроагрегатом. Но, к сожалению, это не всегда так, и поскольку качество гофрокартона варьируется, производитель упаковки подбирает наиболее подходящий вариант.

Сокращение сроков поставки. Все хотят получить гофрокартон быстро, желательно вчера, а если не вчера — то завтра). Послезавтра уже никто не покупает в связи со многими факторами.

Эти задачи могут быть решены путем автоматизации управления технологическим процессом и качеством гофрокартона.

Valmet предлагает решения для управления качеством на базе оборудования, которое широко применяется в ЦБП, и было адаптировано под требования гофротехнологий.

Измерение влажности и температуры картона в технологическом процессе, управление этими параметрами позволяют снизить потери от коробления и поднять производительность как самого гофроагрегата, так и всей технологической цепочки изготовления упаковки из гофрокартона.

Для помощи в решении вопросов коробления гофрокартона компания Valmet адаптировала свои разработки, проверенные в течение многих лет на бумагоделательных машинах.

В этом слайде сведено почти два года наших научных исследований, поездок, разговоров и т.д.

Мы выделили четыре крупных блока проблемных вопросов, которые возникают у современных производителей гофрокартона:

это измерение влажности в мокрой части; увлажнение на тройном подогревателе; измерение влажности двух поверхностных лайнерных слоев после того, как произошла финальная склейка, и измерение коробления на транспортной линейке перед укладчиком.

Что в результате удалось выяснить?

Производственный процесс на гофроагрегате включает многократно повторяющиеся циклы увлажнения и сушки.

У нового, только что установленного на раскат рулона влажность неравномерно распределяется как вглубь, так и поперек. Мы начинаем его подсушивать для склейки — и разные слои высушиваются по-разному, в результате чего рулон продолжает иметь разную влажность.

Классическая модель управления построена на регулировании температуры, которая, тем не менее, может быть ошибочной.

На клеильном прессе мы наносим на полотно клей, и подсушенная бумага увлажняется. После того как мы проклеили один слой, выставляем его на мост, где он снова начинает сохнуть.

Потом мы подаем его на тройной подогреватель, чтобы он нагрелся для прочного склеивания с другим слоем.

Затем снова сушим, подогреваем нижний лайнер и окончательно сушим на сушильном столе.

Таким образом, волокно несколько раз намокает и сохнет, вследствие чего меняет геометрию. У него есть интересная особенность, которая называется анизотропия. Что это значит?

Когда мы начинаем увлажнять, а потом сушить наш образец, он изменяет геометрию неравномерно. По этой причине, когда он возвращается к первоначальным размерам, то уже не повторяет прежнюю форму.

При этом, если у нас плохо настроен процесс сушки, мы можем получить коробление в машинном направлении, выгиб или прогиб за счет того, что два лайнера имеют разную влажность.

Обращу внимание, что следует отталкиваться именно от влажности, потому что температура может не являться ключевым фактором.

Итак, мы поставили рулон определенной влажности и температуры на раскат. При классическом управлении мы начинаем менять угол обхвата, чтобы сделать его более холодным или теплым. При этом одновременно повышаются и его температура, и влажность.

В случае, если мы используем более интеллектуальное управление и управляем влажностью, оно рассчитывает, на сколько нужно изменить температуру, чтобы влажность не пострадала. Когда влажность картона выровнена, клей на него будет ложиться лучше.

В случае, если мы сушим рулон «до упора», — на выходе получаем полотно, которое понадобится сильно намочить клеем, чтобы он более-менее нормально впитался и придал картону необходимую влажность.

Мы исследовали, в связи с чем происходит коробление гофрокартона определенных типов. В результате обнаружили, что на него напрямую влияет изменение влажности нижнего лайнера, который прикрепляется последним.

При этом форма влажности нижнего лайнера практически полностью совпадает с направлением коробления гофрокартона.

Таким образом, главным фактором, определяющим, какого качества образцы мы получим на выходе, является влажность — особенно что касается поперечного коробления.

Проанализировав процесс производства гофрокартона, вот какие типичные дефекты мы выявили на выходе.

Номер один — это коробление в виде улыбки. Грустный смайл/веселый смайл. Оно происходит тогда, когда один из лайнеров более сухой. В зависимости от того, какой из лайнеров более влажный, изгиб будет происходить в ту или иную сторону.

S-образное коробление. Происходит, когда поперек полотна сильно меняется влажность. Этот вид коробления меняет форму в произвольной геометрии.

Волнообразный профиль или эффект стиральной доски. Происходит, когда лайнер очень сухой, и для того, чтобы его увлажнить, наносится слишком много клея.

Неравномерность проклейки приводит к тому, что часть картона провисает. С этим тоже можно бороться, выравнивая профиль влажности, в результате чего происходит более равномерное распределение клея.

Растрескивание происходит, когда лайнер сухой и его сильно намочили. Когда он высыхает и пытается стянуться, то просто трескается.

Плохая проклейка — это когда мы не угадали с влажностью внутри слоев: собираем пирожок, а он полностью склеивается.

Недостаточная механическая прочность — коробка из коробленого картона не выдерживает необходимого давления.

Поэтому, когда мы разрабатывали модель управления, то отталкивались от того, что под контроль нужно взять именно влажность.

Наша система позволяет производителю гофрокартона быстро переходить с одного сорта сырья на другой, применять меньше ручного труда и избегать большого количества брака.

При постоянном отслеживании влажности смена сорта картона не будет приводить к потерям качества. Кроме того, оптимизация производства продукции позволит перейти на более легкий вес.

Это пример того, как можно рассчитать возврат инвестиций в наше оборудование на гофроагрегате BHS.

Если мы уменьшаем количество брака за счет коробления с 2,4 до 1,4 на переработке и с 2,0 до 0,5 на основной линии, то при расчете производительности получаем экономию в 375 тыс. евро при стоимости квадратного метра 0,25 евро.

Интеллектуальное управление гофроагрегатом Valmet условно делится на две части:

управление мокрой частью, которое позволяет измерить влажность и температуру точечно, начиная с раскатов, и соответственно управлять углами обхватов вплоть до тройного подогревателя;

управление сухой частью, где окончательно склеенный гофрокартон меряется сканерами и лазером на предмет коробления, а разность по влажности корректируется увлажнителями, которые расположены после тройного подогревателя и до тройного пресса (в зависимости от конструкции гофроагрегата возможна установка увлажнителей перед тройным подогревателем).

Вот что представляют из себя эти решения. Во-первых, датчик измерения влажности, у которого может быть до 9 устройств замера (щупов). Мы можем их поставить на раскатах, подогревателях, тройном подогревателе и т.д.

Щупы одновременно замеряют температуру и влажность, датчик считывает их показатели и выдает на монитор состояние на каждом из участков измерения в машинном направлении.

После тройного подогревателя, перед склейкой, установлены увлажнители в количестве, равном числу слоев гофрокартона. Впрыскиванием воды они позволяют изменять влажность в нужных местах полотна и получать заготовку с определенными параметрами коробления.

После того, как слои гофрокартона склеены, на выходе со стола поверхностную влажность верхнего и нижнего лайнеров измеряют два сканера, сверху и снизу.

По разнице влажности они определяют, куда будет выгибаться полотно, и дают коррекцию на увлажнители, которые в нужном месте добавляют или убавляют воду.

В самом конце, когда полотно режется на заготовки, лазерная камера подсвечивает их лучем, считывает его форму и выдает информацию о степени коробления перед укладчиком. Вот, в принципе, и вся схема работы.

Здесь показано, как работают увлажнители. Форсунки определенной конструкции создают завихряющее поле и рассеивают воздушно-капельную смесь, которая максимально впитывается в поверхность полотна.

Это запатентованная технология Valmet, проверенная десятилетиями надёжной работы в ЦБП.

На следующей картинке видно, как работают сканеры. Они находятся на расстоянии до 50 см от полотна и проводят инфракрасное измерение влажности. Красная точка — это место измерения влажности на каждом слое.

Здесь изображен принцип управления. Вначале два сканера дают полный профиль влажности гофрополотна, который поступает в мультипредикативный контроллер.

Контроллер рассчитывает, на какие места и с какой силой нужно воздействовать увлажнителям, чтобы выровнять эти профили, и дает задание на профилёры, которые начинают дуть воздушно-водяной смесью сильнее или слабее.

После того, как готовое полотно приходит на укладку, наши камеры проверяют, действительно ли получилось ровное полотно, и передают корректировку в мультипредикативный контроллер. Тот вносит изменения в работу увлажнителей. Это вся цепочка на сухой части.

Если же, исходя из условий окружающей среды в цехе, например, из-за возможной разницы температур в летний и зимний периоды эксплуатации, требуются не ровные по профилю заготовки, а с заданной степенью коробления, чтобы в ходе хранения на складе заготовки выровнялись, то мультипредикативный контроллер позволяет получить на укладчике заготовки с заданной формой коробления.

Это дисплей оператора. Сверху изображен профиль влажности. Серые полоски — это положения ножей, которые разрезают полотно. Здесь мы видим, какой у нас будет образец, и какое у него будет коробление.

В соответствии с этим идет настройка открытия клапанов. Можно увидеть, насколько они открыты, номера соответствующих форсунок. Они дуют чуть сильнее или слабее, чтобы добиться необходимого результата.

Мы можем выставить как нулевое, так и положительное или отрицательное коробление. Последнее тоже бывает нужно.

Например, если мы знаем, что температура в цеху (на складе) достаточно высокая и верхний лайнер будет быстро сохнуть, целесообразно задать отрицательное коробление (т.е. выгнуть полотно вниз). Тогда через определенное время гофрокартон распрямится.

На этом слайде показано, что форсунки на увлажнителях стоят в два ряда. Когда они начинают дуть воздушно-водяной смесью, то взаимно перекрываются и усиливают эффект.

Система увлажнения IQ Moisturizer может работать в ручном режиме (когда оператор сам решает, какие форсунки открыть), а может в автоматическом, когда все данные сами считывают датчики и сканер.

Это пример установки нашей системы управления на сухую часть гофроагрегата у одного из Заказчиков.

После того, как мы установили IQ Moisturizer для работы в ручном режиме, процент отбраковки сильно не изменился. А когда установили полную концепцию управления сухой частью, коробление снизилось с 3,5-4% до менее чем 2%.

Та же картина относительно того, сколько листов оператор должен был добавлять взамен бракованных, чтобы получилась готовая партия заготовок. После того, как мы установили полное автоматическое управление, количество добавочных листов ушло на 0.

И последнее — отбракованные тамбурные рулоны. Даже после установки системы IQ Moisturizer с ручным управлением — их практически перестали снимать с раскатов. А когда поставили полную концепцию, они исчезли совсем.

Рулоны от разных поставщиков имеют разные характеристики: разная макулатура, разная влажность — соответственно, разные поперечные профили. Поэтому их смена всегда приводит к каким-то неожиданностям.

У нашего Заказчика отбраковка практически ушла, значительно уменьшился брак по каждой партии листов.

На графике видно, что когда включено автоматическое управление, фактическое коробление очень четко следует за задаваемым. Если управление выключено, коробление получается меньше или больше в зависимости от того, какая влажность в рулоне. То есть, случается так, как случается.

Это наш первый Заказчик. Гофроагрегат BHS 1991 г. Их основной проблемой было коробление в поперечном направлении, S-образное коробление, остаточная деформация.

Вот состояние перед установкой нашей системы: 36 рекламаций в год по короблению, порядка 25 по качеству.

Когда поставили ручное управление (оператор видит, где происходит коробление, и поддувает туда водичкой), число рекламаций по короблению снизилось, однако по остальным параметрам оставались претензии.

После установки полной системы управления в 2015 г. претензии практически исчезли.

Начало разработки этой системы — 2013 г. В 2014 г. были опробованы ручные и автоматические концепции, а с 2015-2016 гг. это уже готовые решения. С 2016 г. мы выпускаем комплектные решения для всех основных моделей гофроагрегатов.

В случае, если гофрокартон покороблен, он застревает в перерабатывающем станке. Оператор должен его удалять, восстанавливать производство и добавлять новые заготовки. Это задерживает работу линии.

Когда у нас коробление в допустимых пределах или картон совершенно ровный, станок работает безостановочно.

Здесь представлены экраны, которые видит оператор. На одном — тройной подогреватель, склейка сортов. Сюда же поступают показания влажности со сканера.

На общем экране изображены раскаты, тройной подогреватель, склейка и сушильный стол со всеми параметрами. На третьем — дополнительные параметры, которые могут потребоваться — например, температура.

Увлажняющие и измерительные системы. Вот обычные места установки наших увлажнителей — перед склеиванием и после тройного подогревателя.

Здесь показаны виды «улыбок» и как от них избавиться. При помощи спрысковых балок с паровым подогревом добавляется водичка сверху либо снизу.

В комплект поставки можно включить систему водоподготовки, подачи воздуха, воздухоочистки. Если Заказчик готов сам обеспечить нужное качество воды, мы предоставляем требуемые параметры.

Это примеры монтажа балок на гофроагрегат, по которым сверху и снизу двигаются сканеры (IQ Converting Scanner). Как правило, система ставится на выходе из сушильной части.

Название IQ Converting Scanner происходит от бумажных сканеров. IQ Scanner — это сканер для БДМ, IQ Converting Scanner — для гофроагрегатов. Это облегченный вариант, он и подешевле, и полегче.

На БДМ балка для сканера более тяжелая. Внутрь ее подается охлаждение для поддержания формы балки, потому что бумажная машина очень горячая. Также на БДМ несколько видов датчиков, и у них другое крепление.

На гофроагрегатах мы измеряем только влажность одновременно с температурой, поэтому датчик один и ставится с любой стороны. Балка очень легкая, потому что вокруг обычная температура и ее никак не коробит.

Здесь картинка, которую дает сканер. Синее — это сильная влажность, красное — пересушивание, в диапазоне от 1,5 до 6. Видно, насколько меняется влажность полотна в одном рулоне.

Такие картинки сохраняются в специальную базу. В нужное время мы можем развернуть рулоны, которые находились у нас на хранении, и сказать, насколько они были влажными в поперечном и машинном направлении.

Теперь про лазер. Он устанавливается в конце гофроагрегата и чертит линейку на полотне. Камера считывает ее форму и передает на увлажнитель корректировки в зависимости от деформации.

Например, если сканер передал увлажнителю: «дуй», а камера в конце показала «передув», то увлажнитель приглушает свое действие.

Камера определяет степень изгиба, переведенную в машинное зрение, и представляет ее на экране дисплея. Показатели заносятся в базу данных, которая называется IQ Reporting.

Переходим к мокрой части. Расположенный над поверхностью полотна на высоте 55 мм датчик точечно измеряет влажность. Наиболее частые места установки — подогреватели флютинга и лайнера, а также раскаты.

Очень часто задают вопрос: если с поперечным профилем все понятно, мы боремся с короблением, то зачем нужно мерить влажность в машинном направлении?

А это потому что снаружи и внутри рулона разная влажность, которая влияет на коробление. И если мы не поймаем момент, когда она начнет меняться, то получим на выходе брак.

В случае, если мы меряем влажность и температуру на раскатах, мы можем настроить управление на компенсацию изменений. То есть не только регулировать угол обхвата подогревающих валов, но и всю дальнейшую цепочку.

Расскажу пример, который дал толчок разработке системы увлажнения для мокрой части.

Заказчик из Финляндии получал сырье для производства гофрокартона из Швеции, которое транспортировалось на судах. Рулоны 2-3 месяца выстаивались на складе, однако после каждой их смены на раскате получался всплеск по температуре и влажности.

В то же время, в Швеции, где производитель сырья передавал продукцию на свой гофроагрегат, таких всплесков не было — картон все время шел ровный.

Это говорит о том, что от того, как транспортируются и хранятся рулоны, очень сильно зависит то, что мы получим на раскате. Для компенсации этих прыжков и была создана модель регулирования влажности на основе точечных измерений.

Углом обхвата подогревателя можно управлять как на основании измерений влажности, так и температуры. Мы не настаиваем, что надо управлять только влажностью, потому что температура тоже имеет свои преимущества.

Мы должны нагреть бумагу до определенной температуры, чтобы улучшить впитываемость клея. В противном случае его расход будет неразумный. Но если у нас есть прыжки по влажности, управление углом обхвата должно осуществляться не только с учетом температуры, но и влажности.

Здесь как пример показано, что у нас есть задание и по влажности, и по температуре. И только от нас зависит, будем ли мы устанавливать ведущей температуру, влажность или их комбинацию.

Например, управление может смотреть в основном за температурой, но учитывать и влажность, или наоборот.

Здесь мы говорим о том, сколько понадобится времени, чтобы стабилизировать работу в каждом из трех случаев.

Мы заправили новый рулон и начали производство. Если у нас нет никакого управления влажностью, то после того, как оператор увидит коробление и изменит угол обхвата, ровный гофрокартон появится на выходе через 7 минут или 1100 м полотна при нормальной работе гофроагрегата.

Если у нас установлен профиль управления влажностью, работающий в ручном режиме, выравнивание картона мы получим уже через 1,5 минуты.

А если у нас полностью автоматическое управление, то после того, как сканер обнаружит коробление или придет сигнал с датчиков управления, мы получим плоский гофрокартон через 15 секунд.

При включенном автоматическом управлении мы выставляем задание и видим, что влажность и коробление четко следуют за нашим заданием. Если управление выключено — всё происходит так, как происходит, ничего не меняется.

В среднем при включенном автоматическом управлении уменьшение колебаний по влажности составляет почти 50%, по короблению — 30%.

Датчик находится в защитном корпусе. Здесь видно, как он крепится, фрагмент его установки.

Последняя часть презентации — интеллектуальная база хранения информации IQ Reporting. В ней можно сохранять параметры для определенных сортов продукции, чтобы в случае надобности не подбирать их заново.

Допустим, что исходные данные нового заказа аналогичны заказу 1100. Влажность верхнего слоя должна быть 5%, нижнего слоя — 4%.

Мы нажимаем кнопку — последние задания загружаются в систему, актуаторы увлажнителей приводятся в нужное положение. И система начинает управлять выполнением заказа с сохраненными параметрами.

Второй момент — из базы IQ Reporting мы получаем любые формы отчетов. Какие у нас были рулоны, с какими параметрами вышли заготовки, все данные по их влажности и короблению. Разворачиваем гофрополотно, и по времени смотрим, где и какая была влажность, где какая температура.

— Когда вы разработали IQ для БДМ?

— Конец 80-х — начало 90-х гг.

— И только в 2010-х заинтересовались гофрокартоном?

— Дело в том, что раньше у гофровиков были другие требования к качеству.

Бумажники отчаянно нуждались в подобном решении, а гофровики обходились. Ведь никогда раньше к гофрокартону не предъявлялись высокие требования. Сейчас… я видел последние сорта гофрокартона: берешь его пальцами, а он — как обычный картон, в середине почти ничего нет).

О бумаге мы знали две вещи: туда нужно давать много воды, чтобы не повредить механические свойства, и нужно беспокоиться о волокне. Все. Здесь же воды можно не давать вообще, механические свойства от этого не изменятся, потому что присутствуют усыхание и вытягивание.

Когда мы начали это изучать, то открыли для себя новый мир. При этом понятно, что гофростанок не стоит столько, сколько бумажная машина, поэтому нам нужно было изобрести облегченный вариант сканера.

Мы должны были доработать технологию машинного зрения, которая, несмотря на свою известность, была очень дорогой и тяжелой. Когда появились более-менее дешевые камеры и лазеры, их нужно было объединить в систему.

Valmet совершенствовал свой сканер для БДМ почти 10 лет, начиная с первых установок в 80-х гг. прошлого столетия, и сейчас этот сканер является типовым стандартным изделием.

В итоге, преобразовать его в облегченный вариант для гофроагрегата оказалось проще, чем с нуля разработать подобный сканер.

— В каком временном промежутке окупится ваша система?

— Если мы говорим о полном решении, то при самом идеальном раскладе (много заказов, машина скоростная, работает без остановок, продукция в цене) можно говорить, что понадобится около года.

Если мы говорим о более медленных машинах, с остановами и пр., следует говорить о 2-3 годах.

Многое также зависит от того, есть ли переработка у производителя гофрокартона. Если она настроена на производство сложной высечки, то за счет уменьшения отбраковки всю систему можно окупить гораздо быстрее.

— Большое спасибо.

— И вам большое спасибо за интерес к нашей продукции и профессиональные вопросы.

Контакты данные :

automation.spb@valmet.com

+7 812 333 4011

www.valmet.com

gofro.expert

Приглашаем Вас подписаться на наши страницы в социальных сетях: