Selluloosan suodinpesemön tietokoneohjauksen suunnittelu ja toteutus

V

Teknillinen Korkeakoulu Teknillisen fysiikan osasto

SELLULOOSAN SUODINPESEMÖN TIETOKONEOHJAUKSEN SUUNNITTELU JA TOTEUTUS

Diplomityö

Alpo Johannes Soininen

Työ on tehty vs.prof. Seppo Haltsosen johdolla ja dipl.ins. Lassi Mannosen ohjauksella.

Työ on jätetty tarkastettavaksi 1978-10-23

Tf.'.,. ' r ! KORKEAKOULU TEKNIL « F KAN OSASTO KIRJAS Ï O

O TA KA ARI 3 A

02150 ESPOO 16

Tämä diplomityö on tehty Enso-Gutzeit Osakeyhtiön Kotkan tehtailla. Työssä on kehitetty selluloosan suodinpesemön tieto­

koneohjaus järjestelmä ja siihen liittyvä pestyn sellun puhtauden jatkuvatoiminen mittausmenetelmä. Ohjausjärjestelmän periaate on sellaisenaan sovellettavissa myös tehtaan toiseen pesemöön.

Diplomityö tehtiin vs.prof. Seppo Haltsosen johdolla. Kiitän häntä myönteisestä suhtautumisesta aiheeseen sekä työn tarkasta­

misesta. Dipl.ins. Lassi Mannoselle haluan lausua parhaimmat kiitokseni työn tehokkaasta ohjauksesta. Dipl.ins. Pekka Vistiä kiitän monista varsinkin säätötekniikan alalla saamistani arvok­

kaista neuvoista. Kiitän myös tekn. Pentti Pöysää monista tieto­

koneen ohjelmointiin liittyvistä ohjeista. Lisäksi kiitän Kotkan tehtaiden laboratorion henkilökuntaa hyvästä yhteistyöstä,

sellutehtaan prosessiasiantuntijoita monista valaisevista keskus­

teluista, tietokonekeskuksen henkilökuntaa mielyttävästä työympä­

ristöstä ja sihteeri Marja-Liisa Uskia työni tehokkaasta puhtaak­

sikirjoittamisesta.

Kotkassa, lokakuun 11. päivänä 1978

SISÄLLYSLUETTELO sivu

V

1. JOHDANTO 1

1.1. Esityksen jäsentely 1

1.2. Käytetyt nimitykset ja laadut 2

2. PROSESSIN ESITTELY 3

2.1. Sahajauhoselluloosan valmistus

Kotkan tehtailla 3

2.2. Sellun pesun tarkoitus 6

2.3« Suodinpesemöiden esittely 6

2.3.1. Rakenne ja toiminta 6 2.3*2. Instrumentointi ja käsiohjaus 9 2.4. Pesun tarkkailussa käytetyt suureet 10

3. TIETOKONEOHJAUKSEN TAVOITTEET 12

4. PESTYN MASSAN PUHTAUSMITTARI U

4

1

4

4.2. Puhtausmittarin hyvyystarkastelu 16

1«.

5* SJ-1-PESEMÖN TALOUS 18

5.1. Kustannusfunktio 18

5.2. Kustannuskäyrä 20

6. SJ-1-PESEMÖN TIETOKONEOHJAUSJÄRJESTELMÄ 23

6.1. Tietokonelaitteisto 23

6.2. Pesemon tietokoneliitännät 25

6.2.1. PPCP,-muuttujat 27

6.2.2. Pesijän ja tietokoneen

välinen yhteydenpito 28 6.3. Massan puhtauden tavoitearvosäätö 29

6.4. Tietokoneohjelmat 35

6.5* Kokemuksia ohjausjärjestelmästä 36

7. YHTEENVETO 38

KIRJALLISUUSVIITTEET ' 40

L 2. Mustalipeän kuiva-ainepitoisuus (KP1) tiheyden (R) funktiona ja tiheyden

riippuvuus lämpötilasta (T) L 2.1 L 3. Sj-1-pesemöstä otetut näytteet ja niiden

analys ointituloks et L 3« 1-L 3» Ю L 4* Pesuhäviö-, kuiva-ainehäviö- ja haihdutus-

kustannusten laskentakaavat sekä Sj—1 —

pesemön kustannuskäyrä L 4»1-L 4*7 L 5. Sj-1-pesemön takaisinkytketyn säätöpiirin

säätöalgoritmin johtaminen L 5«1-L 5*4 L 6. Sj-1-pesemön ohjelmissa käytetyt aliohjelmat,

säätöohjelman PESU1 lohkokaavio ja pesemön

vuorokausiraportti L 6.1-L 6.4

L 7» Säätöjärjestelmän käyttäytyminen massa-

virtausmuutosten yhteydessä L 7«1

TIIVISTELMÄ

-1-

1. JOHDANTO

t

1.1. Esityksen jäsentely

Tässä diplomityössä on suunniteltu ja toteutettu selluloosan suodinpesemön tietokoneohjausjärjestelmä Enso-Gutzeit Osakeyhtiön Kotkan tehtailla.

Luvun 2 alussa esitetään Kotkan tehtaiden sahajauhoselluloosan valmistusprosessi ja sellun pesun tarkoitus. Tämän jälkeen

esitetään suodinpesemöiden yksityiskohtainen rakenne ja toiminta sekä pesemöiden instrumentointi ja ohjaustapa. Luvun lopussa selvitetään lisäksi pesuprosessin tarkkailussa käytettävät tär­

keimmät suureet. Luvussa 3 esitellään erään Kotkan tehtailla . aiemmin tehdyn, selitin pesua koskeneen tutkimuksen tuloksia sekä

niiden ja pesemön käyttökokemusten perusteella tietokoneohjaukselle asetettuja tavoitteita. Tavoitteiden saavuttamiseksi oli kehitet­

tävä pestyn sellun puhtausmittari, jonka toimintaperiaate ja

hyvyystarkastelu on luvussa 4» Luvussa 5 esitetään pesemön kustan­

nusten laskentakaavat ja kustannusten riippuvuus pestyn sellun puh­

taudesta. Luvussa 6 selitetään tietokoneohjausjärjestelmän raken­

ne ja toiminta. Aluksi esitellään lyhyesti käytettävissä ollut tietokonelaitteisto. Seuraavaksi selvitetään ohjausjärjestelmässä tarvittavat tietokoneliitännät sekä prosessin valvojan ja tieto­

koneen välinen yhteydenpito. Kappaleessa 6.3 esitetään säätö­

järjestelmässä käytetyt laskenta-algoritmit sekä kappaleessa 6.4 järjestelmän tietokoneohjelmat ja niiden toiminta. Lopuksi tarkas­

tellaan kappaleessa 6.5 ohjausjärjestelmästä saatuja kokemuksia.

1.2. Käytetyt nimitykset ja laadut

v

Jhiun kuitujen, keittokemikaalien, niihin liuenneen kuitujen si- dosaineen ja veden muodostamasta seoksesta käytetään tässä esityk­

sessä nimityksiä sulppu, sellu ja massa. Sellutehtaalta saatavasta tuotteesta käytetään hieman harhaanjohtavasti nimitystä selluloosa, joka yleensä tarkoittaa orgaanista, hiilihydraattipolymeerista yhdistettä.

Massan tai sulpun sakeus tarkoittaa kuitujen osuutta massasta ja se ilmoitetaan painoprosentteina.

Lipeäliemi tarkoittaa sellussa olevien keittokemikaalien, puun sidosaineen ja veden seosta. Massa koostuu siten kuiduista ja lipeäliemestä. Lipeäliemestä käytetään tässä työssä myös nimi­

tystä lipeä.

Kuiva-ainepitoisuus tarkoittaa puun sidosaineen osuutta lipeä- liemestä. Liepeäliemen haihdutusjäännös saadaan taas haihduttamalla lipeäliemen vesi pois. Sekä kuiva-ainepitoisuus että haihdutus- jäännös ilmoitetaan tässä työssä painoprosentteina.

Teknillistä laminaattiraakapaperia, josta valmistetaan mm.

piirilevyjen eristekerrokset, nimitetään sellu- ja paperitehtaalla yleisesti johtokykypaperiksi. Myös tässä työssä käytetään yksin­

omaan nimitystä johtokykypaperi.

Yksikkö tm tarkoittaa tonnia sellaista massaa, jonka sakeus on 90

fo,

■selluteollisuudessa. Muut tässä työssä esiintyvät yksiköt ovat SI-järjestelmän mukaisia.

-3-

V

2. PROSESSIN ESITTELY

2.1. Sahajauhoselluloosan valmistus Kotkan tehtailla

Enso-Gutzeit Osakeyhtiön Kotkan tehtailla valmistetaan sulfaattiselluloosaa puuhakkeesta ja sahanpurusta. Raaka- aineena käytetään enimmäkseen mäntyä. Puuhake keitetään erä- keittämöissä ja saatua massaa nimitetään Sa-selluksi. Sahajauho keitetään kahdella jatkuvatoimisella keittokattilalla ja tuot­

teena on Sj-sellu.

Sahajauhoselluloosan tuotantoprosessi on esitetty kuvassa 1.

Valmistus tapahtuu kahdella tuotantolinjalla, Sj-1 ja Sj-2, joihin kumpaankin kuuluu keitto, pesu ja lajittelu. Yhteisiä osaprosesseja ovat mustalipeän haihdutus, vahvalipeän poltto soodakattilassa, kemikaalien regenerointi ja lajitellun massan saostus.

Keittämöön johdetaan sahajauhon lisäksi höyryä, valkolipeää ja tarvittaessa myös pesemöltä saatavaa mustalipeää. Keitto- kattilassa erotetaan lämmön, paineen ja kemikaalien avulla puun kuidut sidosaineestaan ligniinistä. Kun keitossa on saavutettu tietty kypsyysaste, eli kun riittävä määrä ligniinistä on liuen­

nut, johdetaan keitetty massa pesemöön. Massa sisältää tällöin kuidut, keittokemikaalit ja niihin liuenneen puuaineen. Keitossa syntyvien kaasujen lämpö käytetään pesuvetenä toimivan akkuveden lämmitykseen.

höyry

l/l o

O I- Q I-

O <

Kuva1.SahajauhoselluloosanvalmistusKotkantehtailla

-5-

Pesemöllä poistetaan sellusta kuuman pesuveden avulla keitto- kemikaaleja ja liuennutta ligniiniä eli kuiva-ainetta. Osa pesu-

V

vedestä sekoittuu poistettuun lipeäliemeen, mustalipeään, joka pumpataan osaksi keittämöön ja osaksi haihduttamolle.

Pesty massa laimennetaan saostajaita saatavalla O-vedellä, joka toimii samalla massan kuljetusvetenä lajittelun läpi.

Lajittelussa erotetaan massasta kuitukimput, oksat, hiekka ja muut paperintekoa vaikeuttavat epäpuhtaudet. Samalla massasta poistuu vielä jonkin verran siihen pesussa jäänyttä lipeälientä, ja näin massa puhdistuu pesun jälkeenkin. Massasta erottunut aines eli rejekti johdetaan viemäriin.

i

Lajiteltu sellu johdetaan massasäiliön kautta saostajalle, jossa siitä poistetaan ylimääräinen vesi. Saostajalla voidaan vielä massaa puhdistaa raakaveden ja lämpimän veden avulla.

О-veteen lisätään rikkihappoa, jotta selluloosalle saataisiin haluttu happamuusaste. Saostuksen jälkeen on selluloosa valmista

johdettavaksi paperitehtaalle.

Haihduttamolle pumpattua mustalipeää kiehutetaan höyryn lämmöl­

lä siten, että se väkevöityy vahvalipeäksi, jonka kuiva-ainepitoi­

suudeksi saadaan noin 55 Vahvalipeän kuiva-aine poltetaan sooda­

kattilassa, jolloin samalla kehittyy riittävästi energiaa koko sulfaattiselluloosan valmistusprosessin tarpeisiin. Soodakatti­

lassa syntyy erilaisia natriumyhdisteitä, joiden seosta kutsutaan viherlipeäksi. Viherlipeän natriumyhdisteet muutetaan kemikaalien regenerointiprosessissa sellaiseen muotoon, että niitä voidaan käyt­

tää uudelleen sellun keittoprosessissa. Pestyn massan mukana menete­

tyt kemikaalit korvataan natriumsulfaatilla ja natriumhydroksiidillä.

2.2. Sellun pesun tarkoitus

t

Sellun pesuprosessissa pyritään erottamaan lipeälientä kui­

duista mahdollisimman tehokkaasti, eli pienellä pesuvesimäärällä koetetaan massa puhdistaa mahdollisimman hyvin. Samalla saadaan talteen keitossa käytettäviä kemikaaleja ja lämpöenergiaksi muutettava mustalipeän kuiva-aine.

Pesuvesivirtausta lisäämällä puhdistuu massa paremmin ja saadaan enemmän keittokemikaaleja talteen. Samalla kuitenkin pienenee

haihduttamolle johdetun mustalipeän kuiva-ainepitoisuus ja haihdut- tamon energiankulutus kasvaa. Pestyn massan mukana menetettyjen kemikaalien ja kuiva-aineen arvo sekä vastaavat haihdutuskustan- nukset määräävät pesemön ajon taloudellisen optimin. Selluloosasta valmistettavan paperin laatuvaatimukset voivat kuitenkin olla sellaiset, että taloudellisesti optimaalinen pesemön ajo ei tuota riittävän puhdasta massaa. Tällöin pesun tarkoituksena on ensi­

sijaisesti massan puhdistaminen. Ympäristönsuojelulliset rajoituk­

set vaativat myös massalta tiettyä puhtaustasoa, sillä epäpuhdas massa likaa lajittelusta viemäriin poistuvan rejektin.

2

3

2.3.1. Rakenne ja toiminta

Molemmilla tuotantolinjoilla pumpataan keitetty massa pusku- säiliöiden kautta kolmivaiheisiin suodinrumpupesemoihin. Tällainen pesemö on puskusäiliöineen esitetty kuvassa 2. Pesemön yhteen vaiheeseen eli pesuriin kuuluu suodinrumpu, rumpuallas,

-7-

О •-

V) V)

э оV) U)

Q.U)

Kuva2.Selluloosansuodinpesemö(Lpinta.Rpiirturi,Fvirtaus.Csäätö.Cssokeus.Qmäärämittan Dtiheys.Skierrosnopeus,

I

ja

suodosputki, suodossäiliö ja pesureita toisiinsa liittävä put­

kisto. Suodinrumpu on vaakatasossa pyörivä sylinteri, joka v

osittain uppoaa rumpualtaassa olevaan sulppuun. Rummun pinta on reijitetty ja päällystetty viirakankaalla, joka laskee lävit­

seen lipeäliemen, mutta ei siinä olevia kuituja. Rummun sisällä on pienempi paine kuin ulkopuolella. Paine-eron vaikutuksesta rumpualtaan lipeäliemi imeytyy rummun sisään ja viirapinnalle

saostuu massakerros, jonka paksuus vaihtelee välillä 0,5.•*4»0 cm.

Rummun yläosassa suihkutetaan massamattoon pesunestettä, joka sekoittuu kuitujen seassa olevaan lipeään ja osittain imeytyy viirapinnan läpi rummun sisään. Massamatto innoitetaan lopuksi paineilman tai irroitustelojen avulla rummulta ja johdetaan

s eur aavaan pesuriin. Rumpualtaan sulpun sakeus on välillä 2... 5

°¡°

ja pesurista poistuvan massamaton sakeus vaihtelee välillä

12 .. ^.16 io.

Rummun sisään imeytynyt lipeä eli suodos johdetaan suodos- putken kautta suodossäiliöön. Suodossäiliön pinnalle kohoaa vaahtona lipeään sekoittunutta ilmaa sekä hartsi- ja rasva-

saippuoita, ns. suopaa, joka sopivin välein poistetaan tätä varten asennetuilla laitteilla, sillä ylimääräinen suopa haittaa massan puhdistumista. Suodossäiliön lipeää käytetään saman pesurin rumpualtaaseen tulevan massan laimennukseen ja edellisen pesurin pesunesteeksi. Ensimmäisen pesurin suodosta eli mustalipeää

johdetaan puskusäiliöön, keittämölle ja haihduttamolle. Kolmannen pesurummun pesunesteenä käytetään akkuvettä, jonka lämpötila

pyr±tään_pitämän,-no4n-&5- Crssa. Käytetystä pesuvesimäärästä riippuen vaihtelee mustalipeän kuiva-ainepitoisuus välillä

7... 16

”¡o

-9-

Sj-1-linjan pesemö on mitoitettu tuotannolle 100 tm/vrk ja

V

X

sen suodossäiliöiden tilavuudet ovat 100 m . Pesurit ovat ns.

painepesureita, joiden rummut ovat umpinaisten teräskuorten sisällä ja rumpujen uiko- ja sisäpuolen välinen paine-ero

synnytetään pumppaamalla ilmaa suojakuoren sisään. Pesurumpujen mitat ovat

0

on 160 tm/vrk. Suodossäiliöiden tilavuudet tällä tuotantolinjalla ovat 400 m^ ja suodinrumpujen mitat

0

van imu jalan hydrostaattisen paineen avulla, joten pesureita kutsutaan tyhjiöpesureiksi.

2.3.2. Instrumentointi ja käsiohjaus

Kummankin tuotantolinjan pesemöiden mittaukset, osoitinlaitteet ja säätöpiirit ovat kuvan 2 yleisesti käytettyjen piirrosmerkkien mukaiset. Puskusäiliöstä pesemöön tulevan massan virtaus on verran­

nollinen massapumpun tehonkulutukseen, jota puolestaan ohjataan virtausmittauksen ja mas s avir t aus s äätimen asetusarvon perusteella.

Puskusäiliöstä lähtevän massan sakeus mitataan puskusäiliön ala- kartion sekoittimen pyörimisnopeudesta. Sakeussäädin ohjaa säätö- venttiilin välityksellä laimennuslipeävirtausta siten, että sääti­

men asetusarvon ja sakeuden mittausarvon välinen ero nollautuu.

Rumpualtaiden ja suodossäiliöiden pinnankorkeuksien asetusarvo- säädöt on toteutettu laimennuslipeä- ja pesunestevirtauksilla.

Ensimmäisen suodossäiliön pinnankorkeutta säätää haihduttamon mustalipeävirtaus. Pesuvesivirtaus säädetään asetusarvoonsa vir­

tausmittauksen ja säätöventtiilin avulla. Pesuvesivirtauksen säädin i;oimii sähköisesti muiden säätimien ollessa pneumaattisia. Sääti-

missä käytetään joko P- tai PI-algoritmia.

Pe s emon valvoja eli pesijä antaa säätöpiireille asetusarvot.

Puskusäiliöstä pesemöön tulevan massavirtauksen asetusarvo v

määräytyy puskusäiliön pinnankorkeuden ja tuotantolinjassa vallitsevan tilanteen mukaan, sillä puskusäiliötä käytetään tuotantohäiriöiden tasaamiseen. Massan sakeussäätimen asetus- arvo pidetään normaaliajossa aina samana, jotta pestävän sellun määrä voitaisiin arvioida suoraan pesemön massavirtauksesta.

Pesijä määrittää sopivan pesuvesivirtauksen pesemöä varten laaditusta laimennuskäyrästöstä, jollainen on esitetty Hü- Ш

jtgÊasâ L 1. Pesuveden määrään vaikuttavat siten pesemön massa- virtaus ja käytetty laimennuskerroin, joka puolestaan määräytyy joko pestyn massan puhtauden tai haihduttamon kapasiteetin perusteella. Pesijä asettaa suodossäiliöiden pinnankorkeudet lipeästä erottuvan kuohan määrän mukaan. Rumpusäiliöiden pinnan­

korkeudet ja rumpujen kierrosnopeudet määrää rummulle keräänty­

vän massamaton paksuus.

Pesemön ajon tarkkailua varten on kytketty piirturit seuraaviin mittauksiin: pesemön massavirtaus ja massan■sakeus, mustalipeän haihduttamovirtaus ja tiheys, pesuveden virtaus ja lämpötila sekä suodossäiliöiden pinnankorkeudet. Osoittavat mittarit on asennettu säädettävien suureiden lisäksi rumpujen pyörimisnopeuk­

sille ja rumpujen sisä- ja ulkopuolen välisille paine-eroille.

Laskurista voidaan vielä lukea haihduttamolle virranneen mustali­

peän määrä.

2.4. Pesun tarkkailussa käytetyt suureet

Pestyn massan mukana menetettyjen keittokemikaalien määrää ja 'Samalla massan puhtautta mitataan massan pesuhäviöllä, jonka

laatuna on kg Na2S0^/tm.

-11-

Pesuhäviömääritys on kuitenkin työläs ja aikaavievä, joten massan puhtauden mittaamiseksi on kehitetty helpompi keino:

i

kolmannelta rummulta poistuvasta massamatosta otetaan yhdestä kohtaa - tavallisesti, keskeltä - näyte, josta puristetaan käsin lipeää näytepurkkiin. Lipeänäytteen johtavuudesta arvioidaan

massan puhtaus. Tämän työn yhteydessä otettujen näytteiden perus­

teella on näytteestä puristetun lipeän johtavuuden ja näytteen pesuhäviön välinen riippuvuus esitetty liitteen L 3 kuvassa L 3*6.

Käytetty keino on periaatteessa hyvä. Käytännössä se antaa kuiten­

kin epävarmoja tuloksia, sillä massan puhtaus vaihtelee rummun pituussuunnassa niin paljon (liite L 3, taulukot L 3.1 ja L 3.2), että puhtaustasoa ei voida kovinkaan tarkasti määrittää yhdestä paikasta otetun näytteen perusteella. Puristetun lipeän johtavuus mitataan molemmilta pesemöiltä kahden tunnin välein ja merkitään pesuraportteihin.

Mustalipeän kuiva-ainepitoisuus määritetään lämpötila- ja tiheysmittauksella. Liitteessä L 2 on esitetty mustalipeän kuiva- ainepitoisuuden riippuvuus lipeän tiheydestä (tiheys mitattu lämpö­

tilassa 20°C) sekä tiheyden ja .lämpötilan välinen yhteys. Liitteen L 2 kuva on piirretty Kotkan tehtailla aiemmin suoritettujen mitta­

usten perusteella. Mustalipeän tiheys ja lämpötila mitataan kahden tunnin välein lipeään upotettavilla mittareilla, joiden lukemat merkitään pesuraportteihin. Sellutehtaan mittarikorjaamo viritti tiheyden jatkuvaan mittaamiseen käytettävän refraktometrin toimin­

takuntoon tätä työtä aloitettaessa.

Pesuvesimäärän annostelussa käytetty laimennuskerroin lasketaan jakamalla pesuvesivirtauksen ja pestyn massan mukana poistuvan

saadaan siten kaavasta г

LK =

PV - ((100 - LSAK)/100) . (TSAK/LSAK) . MV , (TSAK/IOO) . MV

/

( 1 )

missä LK PV LSAK TSAK MV .

on laimennuskerroin,

on pesuvesivirtaus (kg/min

F*

an kolmannelta rummulta irroitetun massan sakeus ($), on pesemöön tulevan massan sakeus

(‘/o)

on pesemön massavirtaus (kg/min).

Liitteen L 1 laimennuskäyrästö on laskettu olettamalla, että massan sakeudet pysyvät vakoina ja pesemöön tulevan massan tiheys on 1 kg/dm^. Pesemön massavirtaus voidaan muuttaa tila- vuusvirtauksesta yksiköihin kg/min kaavalla (6). Laimennuskertoi- men tapauksessa ei tällaisella korjauksella ole kuitenkaan käytän­

nössä merkitystä, ja pesemöllä toteutunut laimennuskerroin voidaan lukea laimennuskäyrästöstä pesuraporttiin kahden tunnin välein merkittyjen pesuvesi- ja massavirtausten perusteella.

З. TIETOKONEOHJAUKSEN TAVOITTEET

Kotkan paperitehtaalla valmistetaan muiden paperilaatujen lisäksi hk. johtokykypaperia, joka vaatii raaka-aineekseen taval­

lista puhtaampaa selluloosaa. Tämän vuoksi suoritti tehtaan laboratorio 13.09.1976...29.09.1976 välisenä aikana Sj-sellun pesua koskevan tutkimuksen, jonka tavoitteena oli selvittää

-15-

pe sun taloudellisuus ja pesemöiden ajotapa selluloosan riittävän puhtauden saavuttamiseksi.

Tutkimuksen tuloksena (/l/ ja /2/) saatiin mm. pesemöillä käytettävien laimennuskertoimien ohjearvot: johtokykypaperiksi valmistettava sellu pestään laimennuskertoimia 4,0...4,5 käyt­

täen ja muulloin annostellaan pesuvesi laimennuskertoimilla

3,0...3,5« Kustannustarkastelussa huomioitiin mustalipeän haihdu- tuskustannukset ja menetettyjen kemikaalien arvo. Haihdutuskustan- nukset todettiin tällöin määrääviksi ja havaittiin, että pesemön kustannusten minimoimiseksi on pestyn massan pesuhäviö pidettävä mahdollisimman suurena. Annetut laimennuskertoimien ohjearvot ovat sellaisia, että pienempiä arvoja käytettäessä ei ole varmuut­

ta sellun kelpaamisesta paperin raaka-aineeksi.

Pesuvesivirtauksen määrääminen tietyn laimennuskertoimen

mukaan ei kuitenkaan takaa, että massa puhdistuisi aina yhtä hyvin.

Prosessissa esiintyvät häiriöt ja pesemön tehokkuusmuutokset

aiheuttavat massan puhtaustason muuttumista. Pesuraporttien merkin­

töjen perusteella on esim. Sj-1-pesemöllä 01.02.1978...01.04.1978 välisenä aikana käytetty laimennuskerrointa 6,0 ohjearvon 3,5 asemasta massan riittävän puhtaustason varmistamiseksi.

Tietokoneohjauksella pyritään säätämään pesuvesivirtausta siten, että massan puhtaudelle annettu tavoitearvo toteutuu kaikissa

tilanteissa mahdollisimman hyvin. Tämän onnistuttua voidaan pestyn massan pesuhäviö nostaa lähelle ylärajaansa ja siten pienentää pesun kustannuksia käsiohjaukseen verrattuna. Lisäksi saadaan tasalaatuista sellua, joka helpottaa paperin valmistusta.

/

4. PESTYN MASSAN PUHTAUSMITTARI

V

4*1. Puhtausmittanksen periaate

Tietokoneohjausta varten oli tämän työn yhteydessä suunni­

teltava pestyn sellun jatkuvatoiminen puhtausmittari. Pesemöiden toiminnan ja piirustusten tutkimisen jälkeen selvisi, että täl­

laisen mittausmenetelmän konstruointi oli helpointa Sj-1-pesemöllä.

Kuvan 3 mukaisesti oli Sj-1-pesemön 3» pesurummun sisään asennettu koko rummun pituinen keräilykouru. Keräilykouruun rummun ylä­

osasta valuva lipeä on melkein samaa lipeää, jota puristetaan rummulta irroitetusta massamatosta. Keräilykourun lipeän johtavuus osoittaa ilmeisesti riittävän hyvin pestyn massan pesuhäviön.

Kuvan 3 näytteenottoputkikin oli jo valmiina. Johtokykyanturi olisi voitu putken mittojen perusteella asentaa suoraan putkeen, mutta ei tiedetty, tuliko putki täyteen näytekourun lipeästä.

Tämän työn yhteydessä suunniteltiin anturin asentamista varten yksinkertainen näytepönttö, jonka sellutehtaan keskuskorjaamo rakensi ja asensi paikoilleen.

Näyteputkesta otettujen lipeänäytteiden johtavuus osoittautui alustavissa tutkimuksissa niin suureksi, että normaali, elektrodeil­

la varustettu johtokykyanturi ei soveltuisi jatkuvaan mittaukseen elektrodien polarisaation, likaantumisen ja sähkökemiallisten vaikutusten vuoksi. Otaniemessä järjestetyillä automaatiopäi- villä 1978 oli kuitenkin esiteltävänä johtokykyantureita, joissa on elektrodien sijasta kaksi toroidikelaa. Anturia ympäröivän liuoksen johtavuusmittaus perustuu kelojen väliseen sähkömagneet­

tiseen vuorovaikutukseen. Balsbaugh 1210-sarjan anturit toimivat

■edelläkuvatulla tavalla, ja niistä valittiin tyyppimerkinnällä 1210-EV-C varustettu anturi, joka lähettimineen asennettiin

1

-

15

ре suvesi

Kuva 5. Sj-1-pesemön 3. suodinrumpu (1 keräilykouru, 2 näytteenottoputki ja 3 suodosputki)

sellutehtaan mittarikorjaamon toimesta Sj-1-pesemöön. Hankittu johtavuusmittari on lämpötilakompensoitu alueella 5***85°C

referenssilämpötilan ollessa 25 °C. Lähetin on viritetty alueelle 0...20 mS/cm ja se on varustettu 4»**20 mA lähtöviestillä tieto- koneliitäntää varten.

Massan puhtauden mittaus Sj-2-pesemöllä voidaan toteuttaa samalla periaatteella kuin Sj-1-pesemöllä. 3« pesurummun sisällä ei kuitenkaan ole kuvan 3 mukaista,keräilykourua, vaan imujalan jatkeeseen liittyvät imuputket, jotka pyörivät rummun mukana.

Imujalan jatkeeseen voidaan asentaa näytteenottoputki siten, että

putkeen kerääntyy rummun yläpuolella olevasta massasta rummun si­

sään, imuputkien läpi, valuva lipeä. Koska Sj-2-pesemön näyt- teenottoputken asennustyöt ovat aikaavievät ja suhteellisen hankalat, päätettiin asentaa puhtausmittari ensin Sj-1-pesemöön.

4.2. Puhtausmittarin hyvyystarkastelu

Näyteputkilipeän johtavuuden ja pestyn massan puhtauden

välisen riippuvuuden selvittämiseksi otettiin tämän työn yhteydes­

sä näytteitä Sj-1-pesemön 3* pesurummulta. Koejakson aikana ajet­

tiin Sj-1-pesemöä laimennuskertoimilla 3»5»•-9»0, jotta pestyn massan puhtaus vaihtelisi mahdollisimman paljon. Kutakin laimennus- kerrointa käytettiin noin yhden vuorokauden ajan lukuunottamatta kerrointa 3»5» jota käytettiin noin kuuden tunnin ajan. Tällöin laski massan puhtaustaso niin alas, että oli siirryttävä käyttä­

mään suurempia laimennuskertoimia.

Pesemöstä poistuvasta massamatosta otetiin rummun pituussuun­

nassa näytteitä kolmesta eri kohdasta liitteen L 3 kuvan L 3*1 mukaisesti. Kustakin näytteestä puristettiin käsin lipeää lasi­

purkkeihin ja puristelematonta massaa pakattiin muovipusseihin.

Samanaikaisesti otettiin myös lipeänäyte näyteputkesta.

Näytteet analysoitiin Kotkan tehtaiden laboratoriossa.

Kaikista lipeänäytteistä mitattiin johtavuus 25 °C lämpötilassa.

Massasta puristetuista lipeänäytteistä määritettiin osasta myös haihdutus jäännös, joka on laimeissa lipeäliuoksissa prosenteiksi muutettuna suunnilleen sama kuin lipeän kuiva-ainepitoisuus.

Puristamisen yhteydessä lipeän sekaan joutuneet kuidut suodatet­

tiin pois ennen haihdutusjäännöksen määritystä. Muovipusseihin

pakatuista massanäytteistä mitattiin pesuhäviö. Laboratoriomääri­

tysten tulokset on esitetty liitteen L 3 taulukoissa L 1 ja L 3.2. ‘

Puhtausmittarin asennuksen jälkeen selvitettiin puhtausmittarin tietokoneviestin ja laboratorion johtavuusmittauksen välinen yhteys,

joka on esitetty liitteen L 3 kuvassa L 3*2. Puhtausmittarin luke­

man ja massan puhtauden välisen riippuvuuden laskemista varten muutettiin laboratoriossa mitatut näyteputkilipeän johtavuudet puhtausmittarin lukemaa vastaaviksi ja massasta otetuista kolmesta näytteestä laskettiin keskiarvot.

Pesuhäviön, massasta puristetun lipeän haihdutusjäännöksen ja johtavuuden riippuvuudet puhtausmittarin lukemasta laskettiin 1. asteen regressioanalyysillä. Tulokset on esitetty liitteen L 3 kuvissa L 3*3» L 3-4 ja L 3*5* Riippuvuudet ovat kaikissa tapauk­

sissa lineaarisia korrelaatiokertoimen ollessa suuremmat .kuin 0,93, joten puhtausmittari ilmaisee hyvin pestyn massan puhtauden.

Koetuloksista laskettiin lisäksi näytteen pesuhäviön ja näytteistä puristetun lipeän haihdutusjäännöksen riippuvuudet puristetun lipeän johtokyvystä (liitteen L 3 kuvat L 3*6 ja L 3.7). Molemmissa tapauksissa korreloivuus on hyvä, joten Sj- pesun mahdollisissa lisätutkimuksissa voidaan pesuhäviö ja haihdu­

tus jäännös määrittää massasta puristetun lipeän johtokyvystä.

Puhtausmittari asennettiin Sj-1-pesemöön Об.Об.1978, ja se

on toiminut siitä lähtien moitteettomasti nyt yli kolmen kuukauden ajan. Ainoana heikkoutena on se, että näyteputken mahdollisesta

tukkeutumisesta ei saada lainkaan viestiä Sj-pesemöiden valvonta- huoneeseen. Tehtaan instrumenttiosasto tarkastaa kuitenkin mitta-

v

rin toiminnan kerran vuorokaudessa.

/

5. SJ-1-PESEMÖU TALOUS

Aiemmin tehty tutkimus Sj-pesun kustannuksista on suuntaa- antava eikä siinä ole tarkasteltu molempia pesemöitä erikseen, joten tämän työn yhteydessä päätettiin selvittää Sj-1-pesemön kustannusten riippuvuus pestyn massan puhtaudesta.

5.1. Kustannusfunktio

Sellun pesiin kokonaiskustannukset muodostuvat pesemön käyttö­

kustannuksista, pesuveden lämmityskustannuksista, pesuhäviö- ja kuiva-ainehäviökustannuksista. Käyttökustannuksia lukuunottamatta ovat muut kustannukset riippuvaisia käytetystä pesuvesimäärästä.

Sj-pesemöiden pesuveden lämmityksestä ei aiheudu kustannuksia, sillä pesuvesi lämmitetään puskusäiliöstä purkautuvalla pusku- höyryllä, jonka sisältämä lämpö muutoin menisi hukkaan. Sj-pesemön pesuvesivirtauksesta riippuvat kustannukset lasketaan siten

kaavasta

K = PHK + KAHK + HK,

missä

K on pesuvesivirtauksesta riippuvat kustannukset (mk/tm), PHK on pesuhäviökustannukset (mk/tm),

'KAHK on kuiva-ainehäviökustannukset (mk/tm) ja Ж on haihdutuskustannukset (mk/tm).

-19-

Liitteessä L 4 on esitetty kaavat, joiden avulla kustannukset voidaan määrätä kemikaalien ja energian hintojen sekä pesemöstä

\

saatavien tietokonemittausten perusteella. Pesuhävlökustannukset lasketaan kaavasta (liite L 4» kaavat (L 4»1) ja (L 4*2)).

PHK = A1 * (k^PM + k2), (5)

missä

РЖ on pesuhäviökustannukset (mk/tm),

A^ on pesuhäviön kustannuskerroin (A^=0,3186 mk/

kgNa2S04),

PM on puhtausmittarin lukema (mS/cm), k^ = 0,899 (cm*kgNa2S04)/(mS*tm) ja k2 = 2,917 kg Na2S04/tm.

Kuiva-ainehäviökustannukset saadaan kaavasta (liite L 4»

kaavat (L 4-3), (L 4-4) ja (L 4-5)).

KAHK = A2 • i-19.?-.r-..LSAK) '^.yPM, (4) LSAK

missä КАЖ

A2

LSAK PM

on kuiva-ainehäviökustannukset (mk/tm),

on kuiva-ainehäviön kustannuskerroin (A2=0,1008 mk/kg kuiva-ainetta),

on 3* rummulta poistuvan massan sakeus (LSAK=14,8 $), on puhtausmittarin lukema (mS/cm)

=2,05 * 10'2

{f •

Haihdutuskustannukset saadaan kaavasta (liite L 4» kaavat (L 4-6), (L 4-7), (L 4.8) ja (L 4-9)).

t

HK = A, . 5

9 • 104. (E25 - k4) . (KPg -

Ъ

KP2 . TSAK . MV

missä

Ж on haihdutuskustannukset (mk/tm),

A3 on haihdutuksen kustannuskerroin (A^= 6,13 • 10-^

R25

mk/kg HgO),

o 3

on mustalipeän tiheys lämpötilassa 25 C (kg/dnr ),

kp2 on vahvalipeän kuiva-ainepitoisuus (K?2= 55

i°)

TSAK on pesemöön tulevan massan sakeus (TSAK = 4»6

io

k4 = 0,032 kg/dm5, k5

k6

= 157,37

[°/o

= 156,74

°¡o

5.2. Kustannuskäyrä

Pesuhäviö- ja kuiva-ainehäviökustannukset ovat suoraan verran­

nollisia puhtausmittarin lukemaan. Haihdutuskustannusten laskemista varten on tunnettava pesemön massavirtaus, mustalipeän haihduttamo- virtaus ja tiheys. Pesemön ollessa staattisessa toimintatilassa ovat myös mustalipeän tiheys ja haihduttamovirtaus riippuvaisia pestyn massan puhtaudesta.

-21-

Pesemön toiminnan tutkimista varten mitattiin tietokoneella viiden minutin välein edellälueteltujen suureiden lisäksi myös

t

pesuvesivirtaus ja mittaustulokset talletettiin kokonaisluku- muodossa levytiedostoon. Tiedoston sisältö tulostettiin kerran vuorokaudessa rivikirjoittimene insinööriyksiköiksi muutettuna.

Muunnoksen yhteydessä poistettiin sellaiset mustalipeän tiheyden mittaustulokset, jotka oli otettu refraktometrin lasin höyryhuuh- telun toimiessa, ja korvattiin edellisellä mittaustuloksella, sillä huuhtelun vaikutuksesta on refraktometrin mittausviesti aina 20 minuutin välein alarajansa tuntumassa ja huuhtelu kestää noin 10 s ajan.

Mittaustulosten keskiarvot kolmen tunnin ajalta laskettiin silloin, kun pesuvesivirtaus ja pesemön massavirtaus olivat tätä.

. ennen olleet vakioita vähintään 20 tunnin ajan. Mustalipeän haihduttamovirtauksen keskiarvo laskettiin riittävän tarkkuuden saavuttamiseksi kahdeksan tunnin ajalta, sillä suovan pumppaus 1. suodossäiliöstä aiheuttaa haihduttamovirtauksen värähtelyä.

Näin lasketut keskiarvot on esitetty taulokossa 1.

Taulukko 1

V

Tietokonemittausten keskiarvot pesemön tasapainotiloissa.

Massan tilavuus- virtaus

Pesuvesi- virtaus

Pestyn massan puhtaus

Mustalipeän haihduttamo- virtaus

Mustalipeän tiheys lämpö­

tilassa 25°C

l/min l/min mS/cm l/min kg/dm5

1343 760 5,73 796 1,0512

1356 751 6,79 782 1,0568

1365 779 7,05 . 797 1,0809

1358 735 9,13 771 1,0835

1364 705 10,58 734 1,08?2

1371 673 13,50 684 1,0916

Haihdutuskustannusten (kaava (5)) laskemiseksi muutettiin taulukon 1 massavirtaukset yksiköihin kg/min kaavalla (liite L 4, kaavat. (L 4«ö) ja (L 4*13))

1oo . . ( r 25 -'k4)

MV = _____________________________________ . MTV, (6) (100 - TSAK) . + TSAK . (R - k^)

missä MV

*k R25 TSAK MTV

on pesemön massavirtaus (kg/min), on kuitujen tiheys (R^ = 0,4.2 kg/dm^),

on mustalipeän tiheys 25°C lämpötilassa (kg/dm^),

I

on pesemöön tulevan massan sakeus (TSAK = 4,6

Í°)

= 0,032 kg/dm5.

-23-

Pe s emon kustannukset laskettuna kaavoista (2), (3)» (4) ja (5), on esitetty puhtausmittarin lukeman funktiona liitteen

v

L 4 kuvassa L 4»1• Taulukon 1 tasapainotiloja vastaavat haihdutus- kustannukset on merkitty kuvaan ristillä. Haihdutuskustannukset alenevat pesemön tuotannon pienentyessä ja kustannuskäyrän muoto pysyy samana (/4/).

Pesuhäviön ylärajana pidetään Sj-1-pesemöllä normaalisti noin 14 kg Na^SO^/tm. Johtokykypaperiksi valmistettavan sellun pesu- häviö saa olla korkeintaan 7 kg Ha^SO^/tm. Vastaavat puhtausmitta­

rin lukemat ovat liitteen L 3 kuvan L 3*5 perusteella 4»6 ja

12,4 mS/cm. Mikäli sellu pestään niin likaiseksi kuin mahdollista, ovat johtokykypaperiksi valmistettavan sellun pesukustannukset Sj-1-pesemöllä noin 16 mk/tm suuremmat kuin sellun normaalipesussa.

6 .

6

.

.

Pesemön ohjaus on toteutettu IBM 1800-tietokoneella, jota käytetään myös paperikoneen, eräkeittämön ja sahajauhokeiton

ohjaukseen sekä eräissä kaupallishallinnollisissä sovellutuksissa.

Tietokoneen muistin koko on 56 ksanaa sananpituuden ollessa 16 bittiä. Muistijakson pituus on 2,25ytis• Käyttöjärjestelmänä on IBM 1800 Multiprogramming Executive Operating System (MPX), jonka avulla kone suorittaa prosessinohjaukset reaaliaikaisina ja tausta- ajot eräkäsittelynä. Oheislaitteisiin kuuluu kaksi IBM 2311-levy- yksikköä, IBM 1443-rivikirjoitin, IBM 1442-kortinlukija/lävistäjä,

11 kpl IBM 1053-kirjoituskoneita, viisi prosessinhoitajan ja tietokoneen välistä yhteydenpitolaitetta (INFO-asemaa) sekä viisi

tiedonsyöttölaitetta. Erilaisia prosessiliitäntöjä on lähes 900 kpl, joista osa ei kuitenkaan ole käytössä.

v

INSKEL

Käyttöjärjestelmä

Alue 1

Alue 2

Alue 3 Alue 4

Alue 5 (VCORE)

Kuva 4* IBM 1800:n muistin jako

Tietokoneen keskusmuisti on jaettu osiin kuvan 4 osoittamalla tavalla. Osa käyttöjärjestelmän vaatimasta muistitilasta on

varattu COMMON/lNSKEL-alueeksi, jota käytetään tietokoneen muis­

tissa jatkuvasti olevan tiedon tallentamiseen. Osa prosessiohjel- mista on sellaisia, että ne haetaan toteutuksen ajaksi levyltä tietokoneen muistiin jollekin alueista I...3 tai VCORE:een.

Pysyvästi muistissa olevat prosessiohjelmat sijaitsevat alueella SPAR. Kaikista ohjelmista voidaan päästä käsiksi määrätyllä INSKEL- alueella sijaitseviin tietoihin.

-25-

То inen levy-yksiköistä toimii ns. systeemipakkana, jossa

sijaitsevat mm. kaikki prosessiohjelmien tiedostot eokä sellaiset v

prosessiohjelmat, jotka eivät jatkuvasti ole tietokoneen muistissa.

Prosessiohjelmat käynnistyvät kellokutsusta, prosessista tulleesta keskeytyksestä tai jonkun muun ohjelman kutsumana. Taustaohjelmat käynnistetään komentokorteilla, jotka syötetään tietokoneeseen kortinlukijan välityksellä. Ohjelmien suoritusjärjestys on toteu­

tettu prioriteettitasoja käyttäen. Ohjelmointikielinä ovat IBM 1130/I800 Assembler ja IBM II30/I8OO Basic Fortran IV.

•Prosesseista saatavat mittaukset välittyvät tietokoneelle joko 4...20 mA:n virta- tai O...5O mV:n jänniteviesteinä. Kunkin mitta­

uspisteen viesti siirtyy tietokoneelle ns. lentävän kondensaattorin välityksellä. Jänniteviestien käytöstä on suurelta osin luovuttu, koska ne on havaittu häiriöherkiksi. IBM 1800:n digitaalisissa tuloissa ja lähdöissä on jännite joko 0 tai 24 V. Digitaalisten tulojen kautta voidaan mm. käynnistää tietokoneohjelmia. Osaan digitaalisista tuloista on kytketty myös pulssilaskurit.

Digitaalisina lähtöinä toimivat pulssijonot ja pulssinpituudet.

Näillä ohjataan mm. prosessin toimilaitteiden sähkömoottoreita ja erilaisia merkkilamppuja.

6.2. Pesemön tietokoneliitännät

Tämän työn yhteydessä oli määriteltävä pesemön ohjausjärjestel­

mässä käytettävät tietokoneliitännät. Tarvittavat mittarit oli

jo valmiiksi asennettu pestyn massan puhtausmittaria lukuunottamatta.

Liitännät suunniteltiin yksityiskohtaisesti tehtaan teknisen osas­

ton mittarisuunnittelussa ja ne toteutettiin sähkökorjaamon ja mittarikorjaamon toimesta. Pesemön tietokoneliitännät on esitetty kuvassa 5.

%

pesu-

pesty massa PESEMO

mustalipeä haihduttamaan

Kuva 5. Pesemön tietokoneliitännät (F virtaus, D tiheys, C johtavuus, A virtaviesti, I tulo, 0 lähtö ja FRC pesuveden virtaussäädin)

Pesuvesivirtausta ohjataan massan puhtauden ja pesemön massa- virtauksen perusteella. Pesuvesivirtauksen säätimestä on tieto­

koneeseen kytketty asetusarvon mittaus ja ohjaus, säätimen lamppu sekä MAMJAL/COMP-kytkin, jolla pesijä voi kytkeä tietokonesäädön pois/päälle. Tietokoneen ohjatessa pesuvesivirtausta palaa sääti­

men lamppu. Tietokoneen tulostamaa pesemön vuorokausiraporttia varten on pesemöstä lisäksi kytketty tietokoneeseen mustalipeän haihduttamovirtauksen ja tiheyden mittaus.

6.2.1 PPCP-muuttujat

IBM:n PPCP-säätöjärjestelmää (Process and Production Control Program) käytetään Kotkan tehtailla kaikissa IBM 1800:n avulla toteutetuissa prosessinohjaussovellutuksissa. PPCP ylläpitää tietokoneen muistissa jatkuvasti olevaa ns. päätaulua, joka sijaitsee ydinmuistin INSKEL-alueella. Myös muilla kuin PPCP:hen kuuluvilla ohjelmilla on mahdollisuus päästä käsiksi eräisiin päätaulussa oleviin tietoihin. Jokaiselle PPCP-muuttujaksi määri­

tellylle prosessisuureelle on varattu yksi päätaulun tietue, jossa on paikat mm. suureen mittaus- ja tavoitearvolle, mittauksen suoda- tuskertoimille, mittausväline ja muille säätöön liittyville para­

metreille. PPCP-muuttuja voi olla varsinainen säätömuuttuja, jolloin PPCP huolehtii suureen mittauksesta ja säädöstä. On myös sellaisia muuttujia, joiden kohdalla PPCP huolehtii pelkästä mittauksesta. PPCP:hen kuuluu siten mittauspisteiden lukuohjelmat

ja prosessien toimilaitteiden ohjausohjelmat.

Kaikkien päätaulun. muuttujien mittaus- ja tavoitearvoista saadaan digitaalinen näyttö INFO-asemien näyttölaitteistolle.

INFO :n käsittelyssä tarvittavat ohjelmat sisältyvät siis PPCP:hen.

INFO-aseman välityksellä voidaan muuttaa PPCP-tietueen eräiden sanojen (esim. muuttujan tavoitearvo) sisältöä.

v

PPCP-muuttujiksi määriteltiin Sj-1-pesemön pesuvesivirtaus ja pestyn massan puhtaus. PPCP-mittaa molempien suureiden arvot 64 s välein ja tallettaa mittaustulokset päätaulun tietueisiin.

PPCP ohjaa lisäksi pesuvesivirtauksen säätimen asetusarvoa siten, -että pesuvesivirtaus on sama kuin päätaulun tietueeseen kirjoitettu

tavoitearvo.

6.2.2 Pesijän ja tietokoneen välinen yhteydenpito

Sj-tuotantolinjojen keittämöillä ja pesemöillä on yhteinen prosessinvalvontahuone, jonne on keittämöiden tietokoneohjausta varten asennettu INFO-asema ja siihen liittyvä kirjoitin.

Osa INFO-asemasta on piirretty kuvaan 6. Piirtämätön osa sisältää keittämöiden tietokoneohjauksessa käytettävät toimintakäskypainik- keet ja niiden merkkilamput. Koodikiekkojen avulla voidaan tieto­

koneelle syöttää tietoa. Ensimmäisessä koodikiekossa (K 1) on 10 kirjainmerkkiä ja lopuissa numerot 0...9- Nelinumeroisella näytöllä saadaan esitettyä luvun etumerkki, desimaalipiste

Kuva 6. Osa INEO-asemästä (li näyttö, K koodikiekko, A avain, Ж näytön kutsupainike ja SK syötön kutsupainike)

halutussa kohdassa ja punainen tai musta taustaväri. Avainkytkimen avulla on prosessin valvojille tehty kielletyiksi eräät INFO-

asemalta suoritettavat toiminnot.

-29-

PPCP-muuttujan mittaus- ja tavoitearvo tulostuu INFO:n näyttöön, kun koodikiekkoihin K 1, K 2, КЗ ja K 4 asetetaan muuttujan tun-

v

nus ja painetaan näytön kutsupainiketta. Mittausarvo näkyy tällöin mustalla ja tavoitearvo punaisella pohjalla, ja kumpaakin näytetään vuorotellen noin 4 s ajan. Pestyn massan puhtauden tavoitearvo

syötetään INFO-asemalta tietokoneelle tulostamalla ensin

näyttöön ylläkuvatulla tavalla mittaus- ja tavoitearvo ja asetta­

malla sitten uusi tavoitearvo koodikiekkoihin K 5i Кб, K 7 ja K 8 sekä painamalla syötön kutsupainiketta. Tavoitearvo syötetään kahden desimaalin tarkkuudella, joten desimaalipiste on koodi- kiekkojen K 6 ja K 7 välissä.

Pesuvesivirtaussäätimen MAMAL/COMP-kytkintä käännettäessä tulostaa valvomon kirjoitin tekstin, josta ilmenee kytkennän

•kelloaika, pesuvesivirtauksen siirtyminen käsi- tai tietokone­

ohjaukseen ja tietokoneohjaukseen siirryttäessä massan puhtauden senhetkinen mittaus- ja tavoitearvo. Tietokoneohjauksen ollessa päällä tulostetaan pesuvesivirtauksen muutokset, niitä vastaava kelloaika sekä massan puhtauden mittaus- ja tavoitearvo.

6.3» Massan puhtauden tavoitearvosäätö

Pestyn massan puhtausvaatimusten ja pesemön kustannustarkastelun perusteella ohjataan tietokoneella pesuvesivirtausta siten, että pestyn massan puhtaus pysyisi tavoitearvossaan. Tässä työssä kehitetyn säätöjärjestelmän toiminta on esitetty kuvassa 7*

Lohkot , S ja G muodostavat järjestelmän takaisinkytketyn säätö­

piirin. Säädön onnistumiseksi tarvitaan vielä pesemön massavir- tausmuutokset huomioiva myötäkytkentäpiiri, johon kuuluvat

lohkot Dg, S ja G. Tietokone ei mittaa todellista pesuvesivirtausta vaan säätimen asetusarvon, sillä säätimen oletetaan toimivan

t

Oikein. PPCP ohjaa säätimen asetusarvoa muuttavaa askelmoottoria 64 s välein siten, että erosuure e^ nollautuu. Lohkot D^ ja Dg muuttavat pesuvesivirtauksen PPCP-tietueen tavoitearvoa.

Kuva 7. Pesemän tietokoneohjausjärjestelmä

(D tietokonelohko, S pesuvesivirtauksen säädin, G pesuprosessi, mpt massan puhtauden tavoitearvo,

pvsa säätimen asetusarvo, pv pesuvesivirtaus, mv massa- virtaus ja mp massan puhtaus)

Lohko D1 laskee tunnin välein pesuvesivirtauksen uuden tavoite- arvon liitteessä L 5 johdetulla säätökaavalla

T

PVT(n) = ( 1 /V1 ) . ( 1 —e

x)

n . n

(£

i=1 i=2

(7)

-51-

missä PVT(n) T c e^n)

V.i

on pesuvesivirtauksen tavoitearvo hetkellä n (l/min), on säätöväli (T = 1 h),

on aikavakio = 0,5 h)

on tavoitearvon ja mittausarvon erotus hetkellä n (mS/cm) ja

ovat prosessin askeIvasteesta liitteen L 5 kaavalla (L 5«4) laskettavia vakioita ((min . mS)/(1 . cm)).

Pesuvesivirtauksen muuttuessa askelmaisesti ja massavirtauksen pysyessä vakiona kestää pesemön siirtyminen staattisesta tilasta toiseen 12 tuntia (liite L 5> kuva L 5*2). Mikäli massan puhtau­

den tavoitearvoa muutetaan pesemön ollessa tasapainotilassa, ohjaa kaavan (7) mukaisesti viritetty säätäjä pesuvesivirtausta siten, että massan puhtaus on ajan

4^

!

nä uutta tavoitearvoa kuin tavoitearvon muutoshetkellä ja 3***4 tunnin kuluttua on puhtaus tavoitearvossaan.

Lohko tunnistaa pesemön massavirtausmuutokset ja laskee muutoksia vastaavat uudet pesuvesivirtauksen tavoitearvot.Massa- virtaus mitataan minuutin välein. Pesemöstä kerättyjen tieto­

konemittausten perusteella vaihtelee massavirtaus epäsäännöllisesti säätimen asetusarvon ympärillä ja poikkeama asetusarvosta voi

hetkellisesti olla jopa 3OO l/min, joten mittaustulokseen sovel­

letaan 1. asteen suodatusta

MVU = (1 - SK) . MW + SK . MTV

(

)

missa MVU

SK MW MTV

on suodatettu mittaustulos (l/min), on suodatuskerroin (SK = 0,1),

on edellinen suodatettu mittaustulos (l/min) ja on suodattamaton mittautulos (l/min).

Mikäli suodatettu massavirtauksen mittaustulos poikkeaa yli 10 l/min aiemmin kirjatusta massavirtauksen arvosta 6 min ajan, katsotaan massavirtausmuutos tapahtuneeksi ja muutosta vastaava pesuvesivirtaus lasketaan kaavasta

1,5

PVT = (MVU/MVE) . PVTV, (9)

missä

PVT on pesuvesivirtauksen tavoitearvo (l/min),

MVU on massavirtauksen suodatettu mittaustulos (l/min), MYE on aiemmin kirjattu massavirtaus (l/min) ja

PVTV on edellinen pesuvesivirtauksen.tavoitearvo (l/min).

Laimennuskäyrästön perusteella on pesuvesivirtauksen muutos suo­

raan verrannollinen massavirtauksen muutokseen. Säätöjärjestelmän käyttökokemuksista havaittiin, että massavirtauksella 1195 l/min

ja pesuvesivirtauksella 64O l/min saatiin massan puhtaudeksi 5,0 mS/cm ja samaan massan puhtauteen päästiin massavirtauksella 1356 l/min ja pesuvesivirtauksella 770 l/min. Näiden kokemusten perusteella on massavirtausten suhde kaavassa (9) korotettava potenssiin 1,5* Kaavasta (9) laskettu pesuvesivirtauksen tavoite- arvo sijoitetaan vastaavaan PPCP-tietueen sanaan ja säätökaavassa

i

-33-

6.4. Tietokoneohjelmat

v

Tämän työn yhteydessä tehdyt ohjelmat on kirjoitettu IBM:n Fortran IV:llä. Ohjelmissa käytetyt aliohjelmat olivat jo val­

miina ennen tämän työn aloittamista, ja niiden toiminta on kuvat­

tu liitteessä L 6. Sj-1-pesemöön liittyvät ohjelmat ja tiedostot on esitetty kuvassa 8 .

Tietokonesäädön aloitus/lopetus-ohjelma SJP01 käynnistyy, kun käännetään pesuveden säätimen MANUAL/COMP-kytkintä. Jos kyt­

kin käännetään asentoon COMP, niin ohjelma sytyttää säätimen lampun ja kirjoittaa INFO-aseman kirjoittimelle kelloajan, tieto­

konesäädön käynnistymisen sekä massan puhtauden mittaus- ja tavoitearvon. Säätötiedostoa SPES1 päivitetään siten, että

PESTJ1-ohjelma tietää tietokonesäädön alkaneen ja laskee ensimmäisen pesuvesivirtauksen ohjauksen 10 min kuluttua kytkimen kääntämi­

sestä. Säädön oletetaan alkavan pesemön ollessa tasapainotilassa, joten tiedostossa olevien aikaisempien ohjausten paikalle kirjoi­

tetaan senhetkinen pesuvesivirtaus. Käännettäessä kytkin asentoon MANUAL sammuttaa ohjelma säätimen lampun sekä kirjoittaa INFO:n kirjoittimelle ja tiedostoon SPES1 tietokonesäädön loppumisen.

Säätöohjelma PESU1 käynnistyy kellokutsusta minuutin välein.

Ohjelman lohkokaavio on esitetty liitteessä L 6 ja se suorittaa kuvan 6 lohkojen ja toiminnat sekä tulostaa INFO :n kirjoit­

timelle mittausalueiden ylitykset ja pesuvesivirtaukselle annetut i

ohjaukset. Suurin sallittu ohjaus on 1100 l/min, koska sitä suurempi pesuvesivirtaus irrottaa rummulle kerääntyneen massan ja

MANUAL/

COMP- KYTKIN

SJP 0 1 SPES 1

säätö -

tiedosto KELLO

1/MIN

Sj-valvomon kirjoitin PESU 1

1/MIN PESU 3 ALPOS

tiedot pesemästä

KLO 6.00

sellun raportti PESU 5

Kuva 8. Tietokoneohjelmat, tiedostot ja

kirjoittimet

-35-

mas s a putoaa takaisin rumpualtaaseen. Kun pesemön massavirtaus putoaa alle 600 l/min, ei tietokone anna enää pesuvesivirtaukselle uusia ohjauksia, ja kirjoittimen välityksellä kehoitetaan pesuvesi kytkemään käsisäädölle. Säätötiedostossa SPES1 ovat kaavassa (7) tarvittavat aikaisemmat ohjaukset, kellokäynnistysten laskuri, tietokonesäätö päällä/poissa-sana sekä massavirtausmuutosten tunnistamisessa tarvittavat mittausarvot ja laskuri.

Tiedonkeruuohj elma PESU} käynnistetään kerran minutisза ohjel­

masta PESU1 ns. QLEVL-kutsulia. PESU} mittaa Sj-1-pesemön massa- virtauksen, mustalipeän haihduttamovirtauksen ja tiheyden, massan puhtauden ja pesuvesivirtauksen. Ohjelma laskee mittausten jatku­

vat keskiarvot ja tallettaa ne tiedostoon ALFOS. Mittaukset saadaan tietokoneelle 4«••20 mA virtaviesteinä. Ennen keskiarvojen laske­

mista muutetaan A/D-muuntimesta saatu kokonaislukumuotöinen mitta­

ustulos insinööriyksiköihin. Lisäksi suodatetaan mustalipeän tiheyden mittaustulos siten, että refraktometrin höyryhuuhtelun vaikutus mittaustulokseen poistuu. Keskiarvot lasketaan pesemön toiminta-ajaita, jolloin pesemön massavirtatis on yli 200 l/min.

Raportointiohjelma PESU} käynnistyy joka aamu klo O6.OO ohjel­

man TA} QLEVL-kutsusta. Ohjelma laskee tiedoston ALPOS arvojen perusteella Sj-1-pesemön toiminta-ajan prosentteina vuorokaudesta, käytetyn laimennuskertoimen (kaava (1)), mustalipeän tiheyttä vastaavan kuiva-ainepitoisuuden (kaava (L 4-9)), haihdutettavan vesimäärän (kaavat (L 4*7) ja (6)), haihdutuskustannukset (kaavat (5) ja (6)) sekä kokonaiskustannukset (kaavat (2), (}), (4), (5) ja (6) ) ja kirjoittaa pesemön vuorokausiraportin sellutehtaan vuoro- mestarien raporttikirjoittimelle. Raportissa on päivämäärä, pesemön

teksti, josta ilmenee, säätääkö tietokone raportointihetkellä pesuvesivirtausta vai ei. Jos pesuvesivirtaus on tietokonesäädöl­

lä, tulostetaan vielä- massan puhtauden tavoitearvo. Liitteessä L 6 on esitetty pesemön vuorokausiraportti.

Pesemön ohjelmat ja tiedostot on talletettu systeemipakan levyille. Tietokoneen toimintojen varmistamiseksi kopioidaan systeemipakka kerran vuorokaudessa ns. kopiolevylle, joka asete­

taan systeemipakan vioittuessa sen tilalle. Kopiolevyn tiedostojen sisältö on useimmiten vanhentunut, joten kopiolevyn käyttöön­

oton jälkeen voi esim. pesemön tietokonesäätö toimia epätyydyt­

tävästä Mikäli kopiolevynkin sisältö tuhoutuu, voidaan pesemön ohjelmat syöttää tietokoneelle reikäkorteilta. Reikäkorteille . lävistetyllä ohjelmalla VIRIT voidaan vielä kirjoittaa pesemön

tiedostoihin sopivat alkuarvot.

6.5» Kokemuksia ohjausjärjestelmästä

Sj-1-pesemön tietokoneohjauksesta muutamien viikkojen ajalta saatujen kokemusten perusteella voidaan sanoa, että pestyn massan puhtaus pysyy hyvin tavoitearvonsa tuntumassa. Tavoite- arvona oli 29.08... 05.09.1978 välisenä aikana massan puhtaus 9,00 mS/cm. Tänä aikana on massavirtaussäätimen asetusarvoa muutettu pesuraporttien merkintöjen perusteella välillä 1100...

1550 l/min. Massan puhtauden keskiarvoksi saatiin tällöin minutin välein kerätyistä mittauksista 9,04 mS/cm ja hajonnaksi 0,25 mS/cm.

-37-

Ennen tämän työn aloittamista oli jo selvitetty, että pesemön säätöjärjestelmä voitaisiin rakentaa joko nykyisen instrumentoin-

t

nin pohjalta tai täydentämällä instrumentointia kaikkien pesu- suihkujen virtaussäädöillä ja suodossäiliöiden pintamittauksilla.

Lisäinstrumentoinnin kustannukset olisivat olleet viisinkertaiset tässä työssä rakennettuun järjestelmään verrattuna. Lisäinstru­

mentoinnin avulla olisi pesemön tietokoneohjauksen toimiminen varmistettu pesemön kaikissa ajotilanteissa. Nykyisestä järjes­

telmästä saatujen kokemusten perusteella olisi lisäinstrumenttien asentaminen ollut turhaa, sillä massan puhtauden tavoitearvosäätö toteutuu tällä järjestelmällä myös pesemön suurten tuotantomuutos­

ten yhteydessä (liite L 7). Pesuvesi on kytketty tietokonesäädölle myös heti pesemön käynnistämisen jälkeen. Tällöin olivat pesu- vesivirtauksen ja massavirtauksen alkuarvot 320 l/min ja 1240 l/min Noin kuuden tunnin kuluttua säädön aloittamisesta toteutui massan puhtauden tavoitearvo 5,00 mS/cm pysyvästi ja mittausarvon suurin poikkeama tavoitearvosta oli tänä aikana 4,50 mS/cm, joten ennen tietokonesäädön aloittamista pitäisi pesuvesivirtauksen alkuarvo asettaa 1aimennuskäyrästön mukaan. ' ■

Massan puhtauden tavoitearvon muutoksissa toimii säätöjärjes­

telmä normaalitilanteissa teorian mukaisesti: massan puhtaus saavuttaa uuden tavoitearvonsa 3•••4 h kuluttua tavoitearvon muutoksesta. Mikäli kaavasta (7) laskettu pesuveden ohjaus on määrittelyalueensa ulkopuolella (100 l/min £ PVT £ 1100 l/min), annetaan ohjaukseksi lähin rajoista, ja tavoitearvon toteutuminen kestää tällöin normaalia kauemmin.

Ohjausjärjestelmä on täyttänyt sille asetetut tavoitteet

siten, että myös Sj-2-pesemö on tarkoitus kytkeä tietokonesäätöön ja asentaa sinne luvussa 4 esitetty massan puhtauden mittaus­

menetelmä. Pesemön vuorokausiraporttien perusteella on helppo tarkistaa säätöjärjestelmän toiminta ja seurata pesuprosessin pitempiaikaista kehitystä.

7. YHTEENVETO

Enso-Gutzeit Osakeyhtiön Kotkan tehtailla pestään sahajauhosta sufaattimenetelmällä keitettyä sellua kahdella jatkuvatoimisella suodinpesemöllä. Tässä työssä on suunniteltu ja toteutettu Sj—1 — tuotantolinjan pesemön tietokoneohjausjärjestelmä, joka on peri­

aatteiltaan sovellettavissa myös Sj-2-linjan pesemöön.

Tehtaalla vuonna 1976 suoritetun Sj-sellun pesua koskeneen tutkimuksen perusteella pitäisi pestyn sellun puhtaustaso pitää mahdollisimman alhaisena, jotta pesun kustannukset minimoituisivat.

Sellusta valmistettavan paperin laatuvaatimukset määräävät pestyn sellun puhtauden alarajan. Pesemön tietokoneohjauksen tavoitteena oli pesemön kustannusten minimointi, ja tavoitteen saavuttamiseksi kehitettiin tässä työssä pestyn sellun puhtauden jatkuvatoiminen mittausmenetelmä.

Tässä työssä määriteltiin pesemön ohjausjärjestelmässä tarvit­

tavat tietokoneliitännät ja johdettiin kaavat, joiden avulla voi­

daan pesemön kustannukset laskea kemikaalien ja energian hintojen sekä pesemöstä saatujen tietokonemittausten perusteella. Pesemön tasapainotiloja vastaavat kustannukset laskettiin ja niiden avulla hahmoteltiin kustannuskäyrä, jossa pesemön kustannukset on esitet­

ty pestyn sellun puhtausmittarin lukeman funktiona.

“39-

Ohjausjärjestelmä toteutettiin IBM 1800-tietokoneella ja siihen liittyvällä prosessinvalvontalaitteistolla. Tietokoneohjelmat kir­

ie

joitettiin FORTRAN IV-ohjelmointikielellä. Pesemön pesuvesivirtaus- ta säädetään siten, että pestyn sellun puhtaus pysyy tavoite- arvossaan. Pesemön valvoja syöttää tietokoneelle INFO-aseman

välityksellä massan puhtauden tavoitearvon, joka määräytyy massas­

ta valmistettavan paperin laatuvaatimusten perusteella. Ohjaus­

järjestelmään kuuluu takaisinkytketty ja myötäkytketty säätö­

piiri. Takaisinkytkentä saadaan tunnin välein tapahtuvasta pestyn massan puhtausmittauksesta. Tavoitearvon ja mittauksen erotusta vastaava pesuvesivirtaus lasketaan tässä työssä johdetulla, prosessin askelvasteen perusteella viritetyllä säätökaavalla.

Myötäkytketty piiri huomioi pesemön tuotannon muutokset, joita vastaavat pesuvesivirtaukset lasketaan tässä työssä kehitetyllä, kokemusperäisellä kaavalla.

Ohjausjärjestelmään kuuluvat lisäksi pesemön tiedonkeruu- ja raportointiohjelmat, joiden tekeminen kuului myös tähän työhön.

Raportointiohjelma tulostaa pesemön vuorokausiraportin, jossa ilmoitetut suureet on laskettu pesemöstä vuorokauden ajalta kerä­

tyistä tietokonemittausten keskiarvoista.

Ohjausjärjestelmästä saatujen kokemusten perusteella täyttää pestyn sellun puhtauden tavoitearvosäätö' sille asetetut tavoitteet.

KIRJALLISUUSVIITTEET

1. 0. Valtavaapa Projektin Sj-pesu, haihdutus, Enso-Gutzeit Osakeyhtiö paperin johtavuus, tilannekatsaus

Kotkan tehtaat 17.11.1976

2. 0. Valtavaapa Projektin Sj-pesu, haihdutus, Enso-Gutzeit Osakeyhtiö paperin johtavuus, loppuraportti

Kotkan tehtaat 07.04.1977

5. M. Tiitinen Suodinpesemön dynaaminen malli ja simulointi.

Diplomityö, Teknillinen korkea­

koulu, Helsinki 1973«

4. S. Ruonala Sulfaattiselluloosatehtaan suodin' pesemön käyttötekniikan tarkas­

telua.

Diplomityö; Teknillinen korkea­

koulu, Helsinki 1970

5. 0. Hartikainen, A. Niemi, Rumpupesemön dynamiikka.

J. Virkkunen Eripainos Kemian teollisuus 29 (1972) 10:657-661

6. A. Mikkola Sahajauhon keittoprosessin tieto­

koneohjauksen suunnittelu ja toteutus.

Diplomityö ,• Teknillinen korkea­

koulu , Helsinki 1976.

L 1.1

Liite L 1. Sj 1 - pesemön laimennuskäyrästö

Pesuvesivirtaus (I/min ) Laimennus kerroin

Pesemän massavirtaus ( l/min )

i I

Liite L

KP 1

C/o)

Mustalipeän kuiva - ainepitoisuus ( KP1 ) Tiheyden (R ) funktiona ja tiheyden

riippuvuus lämpötilasta ( T )

1,100 1,200

R (kg /dm3 )

-L 3.1-

Liite L 3 Sj-1-pesemöstä otetut näytteet ja niiden

• analysointitulokset v

Massanäytteitä otettiin pesemön 3. rummulta kuvan L 3*1

kohdista А, В ja C. /

Kuva L 3.1 Näytteidenottopaikat Sj-1-pesemön 3. pesurummulta poistuvasta massasta

Taulukko L 3.I Lipeänäytteiden johtavuudet ja pesuhäviöt

Näyteputki- lipeän johtavuus

Puristetun lipeän johtavuus

Pesuhäviö Näytteenotto- paikka

mS/cm mS/cm kglïa2S0^/tm

0,65 7,04 A

4,10 0,55 6,09 В

1,06 8,61 C

1,10 8,89 A

'5,80 1,45 10,11 в

2,65 15,17 C

«v~ti

Näyteputki- lipeän johtavuus

Puristetun lipeän johtavuus

Pesuhäviö Näyttenotto- paikka

mS/cm mS/cm kgNa^SO^/tm

2,70 14,09 A

10,80 3,00 18,51 В

3,00 16,55 C

4,60 24,62 A

15,80 4,50 23,07 В

3,90 15,17 c

2,75 13,31 A

13,80 3,65 20,70 В

3,60 20,60 C

4,20 18,10 A

13,00 3,40 10,60 В

4,15 21,53 c

1,15 7,64 A" -

8,40 1,10 7,71 В

1,60 12,05 c

1,38 10,49 A

8,80 1,20 8,76 В

1,95 15,11 c

1,25 9,42 A

8,00 2,93 12,70 В

2,20 11,71 C

vr-f

-L

3

3

Näyteputki- lipeän johtavuus

Puristetun lipeän johtavuus

Pesuhäviö Näyttenotto- paikka

mS/cm mS/cm kgllagSO^/tm

0,42 4,96 A

1,85 0,46 5,64 В

0,75 6,59 C

Taulukko L 3-2 Lipeänäytteiden johtavuudet ja haihdutusjäännökset

Näyteputki- lipeän johtavuus

Puristetun lipeän johtavuus

Puristetun lipeän haih- àùtusjäännös

Näytteenotto- paikka

mS/cm mS/cm

io

2,10 0,198 A

9,20 1,95 0,185 В

4,45 0,352 C

0,72 0,062 A

4,45 0,95 0,091 В

1,75 0,144 C

0,49 0,047 A

2,60 0,52 0,050 В

1,13 0,093 c

0,42 0,044 A

1,85 0,46 0,043 В

0,75 0,062 c

•ТЧГ-»