Fehlersuche am laufenden Band

Mit der ständigen Verbesserung der Eigenschaften von Papier, Kunststoffen, Geweben, Fliesen und Metallen haben sich die Erzeugnisse der Bahnwaren zu Hightechprodukten entwickelt. Die dabei...

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Oberflächen von Bahnwaren in Echtzeit mit hoher Auflösung kontrollierenIm hochkomplexen Prozess der Feinpapierfertigung ist die äußerst zuverlässige und extrem genaue Qualitätskontrolle am schnell laufenden Bahn unumgänglich. Neue modernste Bildverarbeitung hat beim Papierhersteller Sappi in Glatkorn den Prozess rationalisiert und Kosten reduziert.Mit der ständigen Verbesserung der Eigenschaften von Papier, Kunststoffen, Geweben, Fliesen und Metallen haben sich die Erzeugnisse der Bahnwaren zu Hightechprodukten entwickelt. Die dabei erforderliche prozessorientierte kontinuierliche Qualitätskontrolle muss meist extreme Leistungsmerkmale erfüllen. Materialfehler, Löcher, Flecken, Falten, Verschmutzungen und vieles mehr gilt es mit höchstmöglicher Erkennungssicherheit und hoher Auflösung in Echtzeit zu erfassen. Wie man mit einem neuen leistungsfähigeren Fehlerinspektionssystem den Prozess optimieren und erhebliche Kosten einsparen konnte, das zeigt dieses Beispiel aus der Papierindustrie besonders deutlich. Ein Jahr nach Inbetriebnahme des neuen Fehlerinspektionssystems von Cognex an der PM 9 (Papiermaschine 9) zeigt sich eine deutliche Reduzierung der Papierabrisse. Nach Aussage von Karl Weiss - verantwortlicher Projekt-Manager für Electric & Automation im Sappi-Werk Gratkorn - entsprechen die reduzierten Papierabrisse Einsparungen von einem ,,pay back" der Investition unter einem halben Jahr. Die Papiermaschinen PM 9 und PM 11 im größten Produktionswerk des Sappi-Konzerns in Gratkorn bei Graz zählen zu den weltweit leistungsstärksten Papiermaschinen für Feinpapiere und bieten einen Ausstoß von über 820 000 t/a. Einerseits gilt es die Druckindustrie mit kontinuierlich hoher Produktqualität zu beliefern, andererseits müssen die Maschinenverfügbarkeit und nacheinander folgenden Fertigungsprozesse in bestmöglicher Effizienz gestaltet werden. Mit mehreren nachträglichen Hochrüstungen der PM 9 in den vergangenen Jahren wurde deren Kapazität deutlich gesteigert. Anfang des Jahres 2001 entstand an der PM 9 die Notwendigkeit höherer Anforderungen in der Qualitätskontrolle, die zudem in den gesamten hoch automatisierten Prozess nahtlos integriert werden musste. Die Feinrohpapiere mit einem Flächengewicht von 45 bis 90 g/m2 werden im 24-h-Betrieb mit einer Geschwindigkeit von 1050 m/min auf einer Breite von 6500 mm produziert. Auf der anschließenden Papierrolle (Tambour) wird das Rohpapier mit einer Papierbahnlänge von etwa 60 km erfasst. Im nächsten Verarbeitungsschritt wird das Rohpapier mit einem Klingenstreichwerk beidseitig gestrichen. Ein Loch oder eine Faltung im Papier würde durch das Aufbringen der Streichfarbe und anschließendem Abstreifen mit einer Klinge zu einem Aufreißen und Abriss der Papierbahn führen. Deshalb erfolgt am Zwischenaggregat des Umrollers (UR91) die manuelle Fehlerbehebung von Löchern und Defekten durch Zukleben mit Papier. Das vor der Papieraufrollung installierte bisherige Fehlerinspektionssystem zum Erkennen von lochartigen Fehlern (pinholes) im Papier arbeitete nicht völlig zuverlässig. Es konnte zwischen hellen Flecken - kontrastreiche Erscheinung von Wasser- oder Öltropfen - und Dünnstellen/Löchern nicht eindeutig unterscheiden. Randfehler wie Einrisse oder Faltungen wurden nur sporadisch erkannt. Das nicht vorhandene fein differenzierte Erkennen von echten Fehlern und scheinbaren Fehlern ergab unnötige Stopps an der Umrollstation. Aus Zeit- und Steuerungsgründen ist die Anzahl der Stopps pro 60 000 m Papiertrommel auf etwa 15 begrenzt. In der Vergangenheit wurden auf dem Papier alle 1000 m etwa 60 m lange Synchronmarken angebracht. An der Umrollstation konnte man deshalb nur mit einer Genauigkeit von etwa 50 m an den Fehler heranfahren. Im minutenlangen Kriechgang musste dann der Fehler manuell gesteuert in die 1 m breite Reparaturzone gefahren werden. Im Falle eines Abrisses am Umroller war man gezwungen im Blindflug bis zur nächsten Markierung weiterzufahren, verbunden mit einem Papierverlust von bis zu 999 m. Eine Pufferung durch einen zweiten Umroller kam aus baulichen Gründen als auch erheblichem Investitionsaufwand nicht in Betracht. All dies führte zu einem markanten Engpass im Fertigungsschritt der Fehlerbehebung am Umroller (UR91). Dieser Engpass und Abrisse an der folgenden Streichmaschine konnten die Reduzierung der Papier-Produktionsgeschwindigkeit notwendig machen. Anforderungen an das FehlerinspektionssystemDie Analyse der Problembereiche führte zu einem Pflichtenheft mit folgenden Anforderungen an das neue Fehlerinspektionssystem. - Mit hoher Sicherheit sind Öl- und Wasserflecken von Dünnstellen zu unterscheiden.- Die Papierabrisse an der Streichmaschine sind um mindestens einen pro Tag zu verringern.- Eine umfangreichere klare Darstellung der Fehlerklassen und genauere Fehlerposition sowie detailliertere Dokumentation für die Prozessrückkopplung zur PM 9.- Datenexport an das Firmennetz- Automatisch gesteuertes Anfahren der Fehlerposition am Umroller mit einer Genauigkeit unter ±0,5 m.- Höhere Systemzuverlässigkeit mit weniger elektronischen Bauteilen.Auf der Suche nach einer Lösung von verschiedenen Anbietern stieß man auf das Smart-View-System von Cognex. Im Februar 2001 wurden zwei SV-Kameras testweise installiert. Die damit erzielten Resultate und das Systemkonzept dieser Lösung, bestehend aus Hochleistungs-Zeilenkamera mit leistungsstarker Bildverarbeitungssoftware und umfangreiche Bibliothek von Fehlermerkmalen, überzeugten. Hinzu kam die Eigenschaft der einfachen Bedieneroberfläche mit anspruchsloser parametrischer Programmierung. Ende August 2001 wurde das alte System demontiert und das neue Komplettsystem von der Cognex SISD (Surface Inspection Systems Division) Karlsruhe während eines längeren Maschinenstillstandes installiert. Zwölf Smart-View-Kameras mit jeweils 1024 Pixel Auflösung arbeiten zeitgleich, einschließlich der Kantenverfolgung, in der Kontrolle der 6,5 m breiten Papierbahn. Gearbeitet wird im Durchlichtverfahren, wobei aber die Bildverarbeitungssoftware viele weitere Möglichkeiten auch im Auflicht erschließt. Die theoretisch erzielte Messgenauigkeit beträgt pro Pixel 0,5 mm 3 0,5 mm. Die praktische Messgenauigkeit arbeitet ab 1 mm2 und an der PM 9 wird mit einer Genauigkeit von 3 mm2 gefahren. Die SV-Kameras bieten die hohe Zeilentaktfrequenz von 40 MHz. Im Betrieb mit 1050 m/min Papierbahngeschwindigkeit wird mit 38 000 Scans/s abgetastet, wobei die Scanfrequenz über die gefahrene Geschwindigkeit gekoppelt ist. Durch die 14-Bit-Graubildnormalisierung und die Fähigkeit des Antiblooming (kein Überstrahlungseffekt) wird eine sehr feine und sichere Detektion geboten. (Normale Bildverarbeitung bietet 8 Bit mit 256 Graustufen oder 10 Bit mit 1024 Graustufen). Sofort nach dem Anfahren der Papiermaschine war das System betriebsbereit und zeigte die gewünschten Resultate. Durch die Installation des neuen Smart-View-Fehlerinspektionssystems wurde die Erkennungsgenauigkeit um Klassen angehoben. Viele bislang nicht kontrollierte Fehlermerkmale wurden in den laufenden Prozess aufgenommen, Produktionsabschnitte erheblich beschleunigt und beachtliche Kosten eingespart. Löcher und Dünnstellen werden eindeutig erkanntDie sichere und sehr feinfühlige Detektion unterscheidet nun Wasser- und Ölflecken eindeutig von Dünnstellen und Löchern. Die breit angelegte Klassifizierung der verschiedenen Fehlermerkmale, zum Beispiel Wasserflecken, Ölflecken, Kantendefekte, Materialfehler, wird im Bild festgehalten und dokumentiert. Mit einfacher parametrischer Programmierung kann ein Fehlermerkmal erweitert, modifiziert oder auch schnell neu aufgenommen werden. Die zentimetergenaue Positionsbestimmung auf der Papierbahn ermöglicht die schnelle Reaktion auf die eigentlichen Ursachen und folgende Maschinenwartung. An den Wasserleitungen und hydraulischen Komponenten gibt es zum Beispiel immer wieder Leckagen, deren Auswirkung auf die Papierbahn durch das neue Fehlerinspektionssystem genau und rasch erkannt wird und damit die Ursache wesentlich schneller behoben werden kann. Durch die bessere und detaillierte Dokumentation der Fehler kann sowohl der Eingriff in den Prozess der Papierherstellung als auch die Reklamationsbehandlung durch die ausführlichere Informationsbasis effizienter gestaltet werden. Karl Weiss hat festgestellt, dass die zusätzlichen Informationen eine engagiertere Arbeitsweise des Maschinenbedienpersonals bewirkt haben.Von ganz besonderer Bedeutung für das Werk Sappi in Gratkorn hat sich die komplette Neuentwicklung der Umrollersteuerung in direkter Kopplung mit dem neuen Fehlerinspektionssystem von Cognex erwiesen. Diese gemeinsame Lösung ist wohl derzeit einzigartig in der Papierindustrie. Noch vor der Installation des Fehlerinspektionssystems hat Cognex den Entwickler nach Gratkorn wochenweise geschickt, um die kompletten Verfahrensabläufe und -schritte in Zusammenarbeit mit dem Bedienpersonal der PM 9 in bestmöglicher Weise auf die technischen Möglichkeiten der Anlage abzustimmen. Dabei schlugen sich die umfangreichen Kenntnisse und Erfahrungen von Cognex als Weltmarktführer industrieller Bildverarbeitung nieder. Für die neuen Synchronmarken wurde ein besonderer berührungsloser Kodierdrucker an der PM 9 installiert. Mit dieser Cognex-Variante wird nun alle 10 m eine Synchronmarke aufgebracht. Das hat zu einer extremen Verbesserung der Positionsbestimmung von Fehlern geführt. Des Weiteren können Gruppen zusammengefasst oder bei Bedarf künstliche Haltepunkte addiert werden. Manipulationszeit pro Fehler ist deutlich gesunkenDie erreichte Genauigkeit in der Positionsbestimmung längs der Papierbahn wird nun mit ±10 cm angegeben, wobei es aber noch erheblich genauer gehen kann. Nun werden die über 30 t schweren Tamboure automatisch mit steiler Steuerrampe schnell und exakt in die nur 1 m breite Ausbesserungszone gefahren. Das verkürzt in der Umrollstation die Manipulationszeit pro Fehler um etwa 30%. Der Flaschenhals und Produktions-Bremsfaktor Umrollstation hat seine negative Bedeutung verloren. Durch die Erfahrungen bei Sappi ist Cognex jetzt in der Lage die Umrollsteuerung als ausgereifte Lösung für andere Anlagen zügig in Betrieb zu nehmen. Ein Jahr nach der Inbetriebnahme des neuen Fehlerinspektionssystems an der PM 9 gelten die anvisierten Ziele des Pflichtenheftes als erreicht. Mit der Minimierung der Abrisse um einen pro Tag gilt dies als stärkster Faktor in der Amortisation des neuen Inspektionssystems. Die guten Erfahrungen und Ergebnisse mit dem Smart-View-System haben eine weitere kleine Installation an der derzeit weltweit größten Papiermaschine bei Sappi Gratkorn bewirkt. Das Fehlerinspektionssystem an der PM 11 wurde mit einer SV-Kamera nachgerüstet, um die Kante der Papierbahn präzise auf Faltenbildung zu prüfen.