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Vendredi 15 décembre 2017

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Les contrôles virtuels dans la fabrication du papier : au point, mais encore en développement

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Des capteurs prédictifs virtuels pourraient aider les opérateurs à identifier les endroits clés des opérations et permettre d'améliorer le contrôle de la qualité.


Crédit photo : Metso (maintenant Valmet)

Les contrôles multivariables prédictifs (CMP) ou ce qu'on appelle les contrôles avancés sont en pleine maturité; ils ont fait leurs preuves, sont solides et fournissent des résultats constants. Mais on développe encor des applications nouvelles et il faut s'attendre à d'encore meilleures applications nouvelles.

Si vous demandez aux papetiers comment ils opèrent, vous verrez à quel point ils sont multidimensionnels et intuitifs. C'est pourquoi les contrôles virtuels sont une bonne chose car ils sont prévus pour un processus continu où le changement d'un réglage en affecte plusieurs autres et donc plusieurs réglages peuvent être modifiés au moment opportun et de la même façon pour obtenir les meilleurs résultats. C'est ça la fabrication du papier! En réalité, les opérateurs de processus, grâce à leur grande expérience, se servent de leur propre maîtrise des contrôles multivariables. Malgré tout, d'une équipe à l'autre, les opérateurs peuvent utiliser les contrôles de façons différentes suivant les réglages qu'ils préfèrent. Et donc avec des résultats différents. Au contraire, les contrôles font le même travail d'un jour à l'autre quels que soient les changements de chiffre. En un mot, ils sont consistants.


CMP est applicable au processus tel que la fabrication du papier lorsque des variables entrent en jeu. Source : Metso (maintenant Valmet)

Normes SCQ

Les contrôles prédictifs ont été utilisés depuis un certain temps. On peut dire que le contrôle de grammage prédictif établi vers 1970 en était le premier exemple. C'est une forme simple où le concept d'un capteur de grammage virtuel a été créé. Les capteurs virtuels actuels sont basé sur le même principe mais peuvent être avec des calculs complexes de données multiples.

Aujourd'hui, les CMP font partie des systèmes standard de contrôle de qualité. Ils sont bien adaptés aux contrôles CD où des profileurs multiples réagissent les uns avec les autres. Les contrôles des parties sèches et humides ont été groupés à l'aide de techniques multivariables et ils ont été bien établis depuis plus d'une dizaine d'années. Leur force est apparente quand, lors de sa fabrication, le papier est en transition – lors de ce fragile moment du démarrage, après de longues périodes d'arrêt, quand le cycle de rupture augmente et pendant les changements de catégorie de papier. Le retour sur investissement se fait quand le redémarrage est rapide, les ruptures successives sont éliminées et les pertes réduites.

Le séchage avec les multiples mécanismes de transfert de chaleur et différentes sources d'énergie représente un autre domaine d'application de réduction des coûts et des pertes. Ceci est particulièrement vrai dans le cas du séchage des papiers mousseline où le gaz naturel, la vapeur et l'énergie électrique doivent être réglés et utilisés judicieusement afin d'opérer les machines avec un coût minimal tout en maintenant la qualité et l'efficacité. Comme vous pouvez le voir plus loin dans le schéma des contrôles, il peut y avoir plusieurs variables à manipuler et contrôler. Ceci est valable aussi bien pour le séchage des papiers que des cartons.


Un CMP pour séchage à l'air de papier mousseline réduit la consommation d'énergie tout en stabilisant l'humidité. Source : Pulp and Paper Magazine, 2/2012 et Honeywell.

Le contrôle prédictif a trouvé son application dans le contrôle de la brillance et la teinte du papier qui impliquent de grands délais entre les réactions chimiques des pâtes en réserve et le travail de la machine. Dans ce cas, le contrôle de qualité s'est amélioré. La compagnie Valmet a institué une stratégie grâce à laquelle les capteurs virtuels prévoient la brillance du papier aux différents points d'alimentation chimique bien avant qu'elle soit mesurée par le SCQ. Ceci économise un montant considérable de produits chimiques servant au blanchiment.

Aujourd'hui, il existe des applications CPM bien établies mais il pourrait et devrait y en avoir d'autres à venir, qui soient déjà en route, ou futures. Voyons ce qu'on pourrait créer dans le futur.

Gestion de la prévision de la résistance et de la préparation des pâtes

Valmet a créé une technique à base de capteurs virtuels pour la prédiction de la résistance à sec du papier qui constitue un changement significatif dans la gestion de la qualité du papier dès la préparation des pâtes. Cette prédiction est basée sur la mesure de la propriété des fibres, y compris la fibrillation, à l'aide d'un analyseur des fibres de pâte. En principe, ceci devrait mener à une sorte de raffinement du contrôle. Ceci est certainement une technologie à suivre.

Gestion de la décharge et du tirage du papier

Le seul tirage ouvert de la partie humide de la majorité des machines modernes a lieu quand la feuille se dégage d'un rouleau presse central. À cet endroit, la délicate feuille est exposée à une série de forces parmi les quelles son propre poids, et sa vitesse, la pression d'air et l'adhésion au rouleau. Afin de permettre le minimum de tension sur la feuille, et donc les meilleurs comportements machine et vitesse, ces forces doivent être bien équilibrées. Des modèles de l'interaction de ces forces ont été créés.

Une importante machine WFU à l'usine UPM Kymi en Finlande est équipée d'un ensemble de mesures qui donne au papetier un aperçu de ce domaine ainsi qu'une possibilité de pouvoir y exercer un contrôle. L'humidité moyenne et les profils CD sont mesurés après la presse avec le rayon d'un capteur scanneur électronique, la demande de charge cationique par un analyseur en ligne, et le point de décharge par un rayon laser dans la presse. Les papetiers sont très conscients des changements aux points de décharge et de tirage et font les réglages pour rester dans une marge d'opération étroite. Ces mesures ont montré comment le point de décharge varie avec l'humidité de la feuille et son poids et que c'est là que le CMP peut intervenir. Les tirages influencent les tests sur la feuille finie comme la résistance et la porosité et peuvent donc être un élément du casse-tête multivariable.

Au lieu d'un capteur au laser, un système de caméra de rupture a été utilisé dans d'autres machines à papier afin de fournir à l'opérateur une image du point de dégagement à une distance permettant de conserver la caméra propre. Pour l'application des points de décharge, la carte de l'image pixel doit être calibrée.


Le point de dégagement de la feuille mesuré par l'image d'une caméra web calibrée pourrait être une donnée pour un point de dégagement multivariable et en faire profiter la stratégie de la direction. Source : Metso (Maintenant Valmet)

Gestion du drainage et de la ligne d'eau

Un drainage stable (ou la ligne d'eau des formeurs à grille) est particulièrement important pendant les changements de qualité car il a un impact direct sur la formation de la feuille, le comportement machine, la limite de séchage et l'adhérence des différentes couches. C'est un autre élément variable qui pourrait bénéficier des capteurs logiciels et du CPM. En réalité, le contrôle du séchage a été étudié il y a une vingtaine d'années par les chercheurs de l'Université de Luleä, en Suède, qui ont développé un système de détection de séchage du foudrinier basé sur des caméras CCD. La ligne d'eau est tributaire de plusieurs facteurs tels que la vitesse de la machine, l'ampleur de la caisse d'arrivée, l'ouverture de la vanne, et l'énergie de raffinage. Ces facteurs sont tous actifs lors du changement de catégorie de papier et représentent donc une situation délicate à gérer.

Pour moi, les graphiques d'évolution des figures ci-dessous ressemblent beaucoup à des matrices de CPM. Peut-être que des mesures exactes en ligne n'étaient pas disponibles en 1998, mais il faudrait les inclure aux stratégies de contrôle d'aujourd'hui de concert avec les taux de suppléments chimiques. Les mesures en ligne de fibrillation, les niveaux de fines et d'air entraîné seraient utiles car chacun d'eux affecte le drainage. Les idées de 1998 pourraient être dépoussiérées, précisées et développées pour aider les opérateurs à faire les changements de qualité de façon plus efficace et avec moins de pertes.


Les chercheurs de la Luleä University of Technology ont utilisé une caméra CCD pour mesurer la ligne d'eau pendant les changements de catégorie de papier. Source ¨American Control Conference Proceedings, Philadelphie, PA, juin 1998

Formation des cartons multicouches

Comme en sont conscients tous les fabricants de papier, l'égouttage est un indicateur important du potentiel de drainage qui est généralement fonction du raffinement de son intensité. De la même façon, le degré de raffinement affecte la qualité des tests, ce qui crée encore un autre niveau de complexité. Avec les multiples zones d'alimentation et de formation typiques d'une machine à carton, ceci est encore plus décourageant. Les opérateurs de l'ancienne usine de carton de Weyerhaeuser à Albany, Oregon, avaient eu l'intuition de ces effets interactifs en utilisant des mesures d'égouttage du dessus, du dessous et des alimentations des charges de couches afin de contrôler chaque train de raffinage, stabiliser la formation de chaque couche et mesurer leur impact sur les tests de qualité (Mullen et STFI). La pression de la couche presseuse et celle de la sécheuse ont été traitées de la même manière. De plus, les machines étaient équipées de mesures la consistance et des propriétés électrochimiques de l'eau blanche de façon à obtenir un meilleur contrôle de la rétention et du dosage des additifs de résistance. Les améliorations prévues grâce aux opérations de contrôle des opérateurs ont été de meilleures résistances sèches ou humides, moins de ruptures, moins de rejets ou de défauts. On n'a pas obtenu les pleines possibilités de ces améliorations car l'usine a fermé et a été démolie. Il n'en reste pas moins que ces objectifs sont prometteurs et que l'optimisation des sections de fabrication de cartons à multicouches pourrait être une bonne application de CMP qui n'attend qu'en entrepreneur pour s'en servir.


Les opérateurs de machine à carton utilisent les mesures d'égouttage à trois couches, le vide des lits, la pression du séchoir et les test de compression Mullen et STFI. Source : PPI Magazine d'août 2012 et Weyerhaeuser.

Relier la pâte et la fabrication du papier

Pouvoir contrôler les multiples variables rencontrées dans les secteurs des pâtes et du papier, « du copeau à la livraison » suivant le vieil adage, a depuis longtemps été un vieux rêve des fournisseurs de contrôles. Ce rêve pourrait maintenant devenir réalité, au moins dans les catégories de fibres vierges brunes où il y a un lien direct entre la variation de l'indice Kappa des pâtes non blanchies, le comportement de la machine et la qualité du produit final. Un article récent du World Pulp and Paper Magazine révélait que la division Kraft Arkansas de la compagnie Green Bay Packaging s'était procurée un analyseur ponctuel Kappa par BTG pour que les opérateurs des usines de pâtes et de carton puissent stabiliser leurs opérations et leur qualité. Les mesures permettent un contrôle plus serré de l'indice Kappa, ce qui permet aux opérateurs de hausser leur norme de qualité, baisser les taux liqueur/bois et augmenter le rendement des pâtes. De plus, les opérateurs des machines à carton travaillent avec une pâte plus régulière, et utilisent les données fréquemment mises à jour des mesures pour régler le raffinage et éviter les ruptures de bande et les problèmes de qualité. Le résultat est un meilleur retour sur investissements des deux côtés de l'usine.


Les opérateurs de machine à carton à l'usine Kraft de Green Bay Packaging en Arkansas utilisent cet écran DCS pour régler le raffinage et la vitesse de la machine grâce aux mesures fréquentes KB (en blanc) obtenues juste après le fonctionnement du lessiveur. Source : Green Bay Packaging.

Certes, les résultats obtenus ne sont pas basés sur des contrôles automatiques et les opérateurs ont de l'expérience et font un travail remarquable. Il n'en reste pas moins que la porte est ouverte pour des stratégies plus intéressantes en intégrant la pâte et le papier dans la chaîne de production des usines. Le principe de fabriquer de meilleurs papiers en contrôlant les opérations de pâte a été établi avec succès par l'usine Billerud de Karlborg en Suède. Ils ont utilisés les analyseurs et les contrôles Metso (Valmet) pour obtenir un meilleur indice Kappa et ainsi obtenir une meilleure qualité de porosité et de résistance pour les sacs d'emballage de ciment en papier kraft. Par contre, il n'y avait pas de lien direct entre les contrôles de l'usine de pâte et celle de papier.

Ce lien s'applique aux usines de fibres recyclées (RCF) où les résultats du désencrage, de l'avivage, du fractionnement des fibres, du mélange des fibres, et du raffinage sont transférés à la machine à papier. Actuellement, Valmet a fourni des résultats dans une ligne RCF où la brillance, le niveau de cendres et de ERIC du papier ont été stabilisés tandis que le degré de blancheur restait plus uniforme. Le ROI provient de la réduction des produits chimiques de désencrage et de blanchiment et de l'élimination de nouveaux additifs dans la machine.

Relier l'amont et l'aval

Transformer un produit brut en un produit standard ou spécial, répondre aux tests de qualité et faire marcher une machine de façon efficace n'est pas facile. Les propriétés des fibres à l'arrivée, la gestion de la préparation de la pâte et de l'équipement de fabrication du papier et les tests du produit fini sont interactifs et les opérations de contrôle doivent être coordonnées. Il est évident que le contrôle de qualité du papier progresse de la machine à papier à partir de la fibre et de sa préparation, et même encore plus avant. Alors, il existe un besoin de plus de capteurs évolués et de contrôles multivariables pour relier le processus en amont avec celui en aval. Il en existe déjà quelques-uns mais il en faut d'autres. Pour finir, n'oublions pas le profit car le retour sur investissement est important.


 
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