Aaltopahvin valmistuksen data-analyysi ja hallinta
Vuorinen, Juho (2020)
2020
Ympäristö- ja energiatekniikan DI-tutkinto-ohjelma - Degree Programme in Environmental and Energy Engineering, MSc (Tech)
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. Only for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2020-02-19
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202002182185
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202002182185
Tiivistelmä
Tämän diplomityön tarkoituksena on lisätä ymmärrystä aaltopahvin valmistuksesta ja kehittää prosessin hallintaa tutkimuksen kohteena olevalla aaltopahvikoneella. Aaltopahvin valmistusta ja aaltopahvikonetta käsitellään aluksi yleisellä tasolla sekä tuodaan esille prosessia ohjaavat toimilaitteet ja näiden vaikutuksesta muuttuvat pahvin laadulliset ominaisuudet. Työssä yhdistyy teoria- ja datapohjainen mallinnus ja analyysi. Tältä osin työ koostuu kolmesta tutkittavasta aiheesta, jotka liittyvät osittain toisiinsa.
Ensimmäisenä tutkittava aihe liittyy aaltopahvilajien paljouteen. Prosessiohjausjärjestelmää käyttöönotettaessa säätimien asetusarvot määritetään manuaalisesti ja aaltopahvilajien paljoudesta johtuen näitä tulee määrittää satoja. Tämä on ymmärrettävästi hidasta ja lisää järjestelmän käyttöönottoaikaa. Ratkaisuksi esitetään prosessimittausten asentamista ensin vain datan keruuta varten. Kerätystä datasta lasketaan tilastollisten menetelmien avulla sopivat asetusarvot säätimille, minkä jälkeen prosessinohjausjärjestelmä voidaan ottaa nopeammin käyttöön. Kerätyn datan avulla voidaan visualisoida laitteen toimintaa ja tehdä päätelmiä prosessista ja tuotannon suorituskyvystä. Osiossa lasketaan myös korrelaatioita prosessisuureiden välille ja tutkitaan nopeusmuutosten esiintymistiheyttä.
Toisessa osassa fysikaalis-datapohjaisella lämmön- ja massansiirtomallilla syvennetään prosessiymmärrystä. Mallilla tutkitaan pohjakartongin kosteutta ja lämpötilaa liimausyksikön esilämmittimellä. Kosteuteen ja lämpötilaan vaikuttavat ohjaukset ovat esilämmittimen asento ja koneen nopeus. Malli on rakenteeltaan yksiulotteinen ja osa malliparametreista haetaan sovittamalla malli mittausdataan. Mallin ennustekykyä verrataan mittauksiin ja sen avulla simuloidaan prosessin toimintaa eri tilanteissa. Simulointien tulosten perusteella aaltopahvikoneen kiihtyvyys on liian suuri, ja käytössä oleva kosteussäätö reagoi hitaasti muutostilanteisiin.
Kolmas tutkittava aihe liittyy tutkittavan aaltopahvikoneen nopeuden hallintaan, minkä pro-sessioperaattorit hoitavat tällä hetkellä manuaalisesti. Tämä aiheuttaa nopeuteen operaattorikohtaista vaihtelua ja nopeus saattaa jäädä alle mahdollisen maksiminopeuden. Ratkaisuna tutkitaan koneen nopeutta rajoittavia tekijöitä ja automaatiojärjestelmään implementoidaan staattinen tavoitenopeuden ohjaus ja operointinäyttö. Staattiset tavoitenopeudet laskettiin ensimmäisessä osiossa. Lisäksi esitetään teoreettinen dynaaminen malli tavoitenopeudelle.
Ensimmäisenä tutkittava aihe liittyy aaltopahvilajien paljouteen. Prosessiohjausjärjestelmää käyttöönotettaessa säätimien asetusarvot määritetään manuaalisesti ja aaltopahvilajien paljoudesta johtuen näitä tulee määrittää satoja. Tämä on ymmärrettävästi hidasta ja lisää järjestelmän käyttöönottoaikaa. Ratkaisuksi esitetään prosessimittausten asentamista ensin vain datan keruuta varten. Kerätystä datasta lasketaan tilastollisten menetelmien avulla sopivat asetusarvot säätimille, minkä jälkeen prosessinohjausjärjestelmä voidaan ottaa nopeammin käyttöön. Kerätyn datan avulla voidaan visualisoida laitteen toimintaa ja tehdä päätelmiä prosessista ja tuotannon suorituskyvystä. Osiossa lasketaan myös korrelaatioita prosessisuureiden välille ja tutkitaan nopeusmuutosten esiintymistiheyttä.
Toisessa osassa fysikaalis-datapohjaisella lämmön- ja massansiirtomallilla syvennetään prosessiymmärrystä. Mallilla tutkitaan pohjakartongin kosteutta ja lämpötilaa liimausyksikön esilämmittimellä. Kosteuteen ja lämpötilaan vaikuttavat ohjaukset ovat esilämmittimen asento ja koneen nopeus. Malli on rakenteeltaan yksiulotteinen ja osa malliparametreista haetaan sovittamalla malli mittausdataan. Mallin ennustekykyä verrataan mittauksiin ja sen avulla simuloidaan prosessin toimintaa eri tilanteissa. Simulointien tulosten perusteella aaltopahvikoneen kiihtyvyys on liian suuri, ja käytössä oleva kosteussäätö reagoi hitaasti muutostilanteisiin.
Kolmas tutkittava aihe liittyy tutkittavan aaltopahvikoneen nopeuden hallintaan, minkä pro-sessioperaattorit hoitavat tällä hetkellä manuaalisesti. Tämä aiheuttaa nopeuteen operaattorikohtaista vaihtelua ja nopeus saattaa jäädä alle mahdollisen maksiminopeuden. Ratkaisuna tutkitaan koneen nopeutta rajoittavia tekijöitä ja automaatiojärjestelmään implementoidaan staattinen tavoitenopeuden ohjaus ja operointinäyttö. Staattiset tavoitenopeudet laskettiin ensimmäisessä osiossa. Lisäksi esitetään teoreettinen dynaaminen malli tavoitenopeudelle.