Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Maschine zur Herstellung einer Faserstoffbahn gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 .

Die Herstellung einer Faserstoffbahn wie beispielsweise einer Papier-, Karton oder Tissuebahn, ist ein sehr komplexer Prozess, der aus einer Mehrzahl aufeinanderfolgender Einzelverfahrensstufen besteht, in denen regelbare chemische und/oder physikalische Ablaufe bzw. Prozessschritte stattfinden. Üblicherweise sollen die einzelnen Prozessschritte so geregelt werden, dass ein sicherer Betrieb der Anlage gewährleistet ist, und dass gleichzeitig die Qualität des Endprodukts, also der Faserstoffbahn, den vorgegebenen Anforderungen genügt.

Jedoch wird der Papierhersteller bei einer derartigen Regelung stets darauf achten, dass durch die gewählte Fahrweise der Anlage die Kosten für die Herstellung des Endprodukts beispielsweise durch Zugabe einer zu großen Menge an Chemikalien oder Hilfsstoffen, nicht zu hoch werden.

Häufig tritt hierbei bei der Regelung einer Papiermaschine das Problem auf, dass eine zu regelnde Größe nicht als online Messwert zur Verfügung steht. Viele Größen, wie beispielsweise die Festigkeitswerte der Faserstoffbahn lassen sich heute nur durch zerstörende Messungen im Labor messen.

Im Stand der Technik, beispielsweise der DE 10 2005 054 825 wurde deshalb vorgeschlagen, eine solche zu regelnde Größe indirekt zu ermitteln. Hierzu wird in der DE 10 2005 054 825 vorgeschlagen, die zu regelnde Größe mittels eines geeigneten Modells aus direkt messbaren Größen zu berechnen. Nachteilig an dieser Lösung ist es, dass hierbei der ökonomische Aspekt, also eine kosten-optimierte Regelung gar nicht betrachtet wird. Die DE 10 2012 217 729 schlägt eine Regelung vor, bei der die Stellgrößen in Abhängigkeit von einem Kostenfunktional gebildet werden, wobei die Zielgröße als Messwert online zur Verfügung steht. Die vorliegende Erfindung hat sich demgegenüber die Aufgabe gestellt, eine verbesserte, kostenoptimierte Steuerung für einer Faserstoffherstellungsmaschine vorzuschlagen, wobei die zu steuernde Zielgröße nicht als online-Messwert zur Verfügung steht.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Steuerung einer Maschine zur Herstellung einer Faserstoffbahn. Das Verfahren umfasst eine Regelgröße, zumindest zwei Stellgrößen, zumindest eine weitere Größe, sowie ein Kostenfunktional. Bei der Steuerung werden die zumindest zwei Stellgrößen so eingestellt werden, dass das Kostenfunktional optimiert wird, während gleichzeitig die Regelgröße innerhalb eines vorgegebenen Zielintervalls verbleibt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Regelgröße als auch das Kostenfunktional mittels eines gemeinsamen Modells aus den zumindest zwei Stellgrößen und der zumindest einen weiteren Größe berechnet werden.

Unter einem Kostenfunktional soll im Rahmen dieser Anmeldung ein funktionaler Zusammenhang verstanden werden, der eine ökonomische Bewertung der aktuellen Fahrweise der Faserstoffherstellungsmaschine erlaubt. Insbesondere soll es ein solches Kostenfunktional ermöglichen, verschiedene Einstellungen der zumindest zwei Stellgrößen hinsichtlich der daraus entstehenden Kosten miteinander zu vergleichen.

Dadurch, dass erfindungsgemäß aus einem gemeinsamen Modell sowohl die zu steuernde Zielgröße, als auch ein relevantes Kostenfunktional berechnet wird, ergeben sich daraus mehrere Vorteile.

Zum einen steht nun die Zielgröße online zur Verfügung. Das Modell dient also einerseits als eine Art virtueller Sensor. Dieser ermittelte Wert der Zielgröße kann außer zu der erfindungsgemäßen Steuerung auch noch in weiteren Regelungen, zur Dokumentation oder andern Zwecken verwendet werden.

Zum anderen gibt das modellierte Kostenfunktional sofort eine Information darüber, welche Kosten mit dem aktuellen Wert der Zielgröße verbunden sind. Da zumindest zwei Stellgrößen vorgesehen sind, welche die Zielgröße beeinflussen, kann ein vorgegebenes Zielintervall für die Zielgröße häufig auf durch verschiedene Kombinationen der Stellgrößen erreicht werden. Mittels des Kostenfunktionais können diese Kombinationen nun bezüglich ihrer ökonomischen Auswirkungen miteinander verglichen werden.

Die erfindungsgemäße Optimierung des Kostenfunktionais soll dabei derart weit gefasst zu verstehen sein, dass sie neben dem Finden eines globalen oder lokalen Optimums des Kostenfunktionais auch z.B. die Möglichkeit umfasst, von mehreren möglichen Fahrweisen der Faserstoffbahnherstellungsmaschine die günstigste auszuwählen, auch wenn diese möglicherweise kein Optimum im mathematischen Sinne darstellt.

Die gemeinsame Modellierung von Zielgröße und Kostenfunktional ist unter anderem deshalb vorteilhaft, da der Aufwand für eine solche gemeinsame Modellierung nur unwesentlich größer ist, als die reine Modellierung der Zielgröße im Rahmen eines virtuellen Sensor, jedoch wie oben beschrieben einen deutlich größeren Nutzen für den Anwender hat.

Weiterhin besteht die Möglichkeit, ein solches gemeinsames Modell als Basis für ein mathematischen Optimierungsverfahrens zu nehmen, mit dem das Kostenfunktional minimiert wird, während gleichzeitig die Zielgröße in einem vorgegebenen Zielintervall verbleibt.

Vorteilhafte Ausführungen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in den Unteransprüchen beschrieben. Prinzipiell können die Verfahren gemäß der Erfindung für beliebige Regelgrößen angewendet werden. In einer vorteilhaften Ausführung des Verfahrens kann die Regelgröße eine solche sein, welche im Herstellungsprozess mittels eines Sensors gemessen wird.

In einer anderen vorteilhaften Ausführung kann die Regelgröße eine solche sein, welche im Herstellungsprozess nicht direkt gemessen wird, sondern aus anderen Messwerten berechnet wird (Virtueller Sensor). In einem solchen Fall können insbesondere die Modelle des virtuellen Sensors und des erfindungsgemäßen gemeinsamen Modells gleich oder unterschiedlich sein.

In einer vorteilhaften Ausführung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass zumindest eine der zumindest einen weitere Größe eine abhängige weitere Größe darstellt, welche sich in Abhängigkeit von einer oder mehrerer Stellgrößen verändert. Das Verfahren kann dabei einen Schritt umfassen, in dem die zumindest eine abhängige Größe bei einer Veränderung einer oder mehrerer Stellgrößen neu berechnet bzw. angepasst wird. Wird zum Beispiel an einer Papiermaschine das Flächengewicht der Bahn als Stellgröße gezielt verändert, so ändert sich dadurch auch als abhängige weitere Größe beispielsweise die Konsistenz der verschiedenen Siebwässer.

Diese Neuberechnung bzw. Anpassung der abhängigen weiteren Größen kann mittels vorher festgelegten Modellen erfolgen, die dem gemeinsamen Modell vorgelagert sind.

Der Vorteil einer solchen Anpassung von abhängigen weiteren Größen besteht in der größeren Genauigkeit der von dem gemeinsamen Modell ermittelten Werte. Insbesondere wenn ein Optimum gesucht werden soll, welches sich nicht in unmittelbarer Nähe eines Ist-Datenpunktes befindet . Dann werden häufig die großen Änerungen in den Stellgrößen auch große Änderungen in den abhängigen weiteren Größen nach sich ziehen.

Ein weiterer Vorteil einer solchen Ausführung ist es, dass man bei der Wahl des gemeinsamen Modells eine größere Freiheit hat. Häufig sind gerade nichtlineare mathematische Modelle wie z.B. Neuronale Netze, Selforganizing Maps (SOM, eine Methode des unüberwachten Lernens) oder die„Support Vector Regression" (eine Methode des überwachten Lernens) besonders genau. Hier hat man aber häufig keine Kontrolle darüber, ob auf die Modellierung der Regelgröße die eigentlichen Stellgrößen oder abhängigen weiteren Größen den größten Einfluss haben. Durch eine vorgelagerte Modellierung dieser abhängigen weiteren Größen kann man trotzdem eine hohe Güte des modellierten Ergebnisses gewährleisten.

In häufigen Ausführungen werden mehr als eine abhängige Größe auftreten, beispielsweise 3, 5, 10 oder mehr. So kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass das Verfahren eine mathematische Optimierung umfasst, mittels derer Werte für die zumindest zwei Stellgrößen ermittelt werden, bei denen das Kostenfunktional minimiert wird, unter der Nebenbedingung, dass gleichzeitig die Regelgröße innerhalb eines vorgegebenen Zielintervalles verbleibt.

Vorteilhaft hierfür ist es, wenn bekannte Zusammenhänge zwischen Änderung der Stellgrößen und deren Auswirkung auf die Regelgröße hinterlegt sind und für die Optimierung zur Verfügung stehen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung kann vorgesehen sein, dass die Optimierung des Kostenfunktionais unter zumindest einer weiteren Nebenbedingung erfolgt. So kann es beispielsweise möglich sein, dass sich durch die Änderungen der zumindest zwei Stellgrößen außer der Zielgröße auch noch andere Eigenschaften der Faserstoffbahn ändern. Mittels einer weiteren Nebenbedingung bei der Optimierung kann dann beispielsweise erreicht werden, dass auch diese andere Eigenschaft innerhalb eines vorgegebenen Zielintervalles verbleibt.

Gegebenenfalls kann es vorteilhaft sein, diese andere Eigenschaft im Rahmen des gemeinsamen Modelles zusammen mit der Regelgröße und dem Kostenfunktional mit zu modellieren.

Bei einer weiteren, vorteilhaften Ausführung des Verfahrens kann es sich bei der Regelgröße um eine Festigkeitseigenschaft der Faserstoffbahn handeln. Für die Beschreibung der Festigkeit der Faserstoffbahn gibt es eine Vielzahl von Kenngrößen, wie z.B. die Reißfestigkeit, Spaltfestigkeit, Berstfestigkeit, aber die die Dehnbarkeit oder Steifigkeit der Faserstoffbahn. All diese Kenngrößen können direkt nur im Labor ermittelt werden. Die meisten davon auch nur im Rahmen einer zerstörenden Messung.

In weiteren vorteilhaften Ausführungen kann es sich bei der Regelgröße aber auch andere um Qualitätsparameter wie Planlage, Porosität, oder ähnliche handeln. Mittels im Labor gemessener Werte für die Regelgröße kann das gemeinsame Modell kontinuierlich überprüft werden, wie gut die Regelgröße durch das Modell vorhergesagt wird. Bei den zumindest zwei Stellgrößen kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass zumindest eine, insbesondere beide Stellgrößen ausgewählt sind aus der Gruppe Flächengewicht der Faserstoffbahn, Stärkeauftrag, Menge der Massestärke, Strahl- Sieb Verhältnis, Füllstoffmenge, Art und/oder Menge des verwendeten Fasermaterials, insbesondere auch Art und/oder Menge des eingesetzten Ausschusses.

Insbesondere in Bezug auf die oben erwähnten Festigkeitseigenschaften haben diese Größen einen großen Einfluss, so dass sie als Stellgrößen besonders vorteilhaft sind.

In besonders vorteilhaften Ausführungen kann vorgesehen sein, dass das Verfahren mehr als eine weitere Größe, bevorzugt mehr als 5, besonders bevorzugt mehr als 10 weitere Größen umfasst. Durch Hinzunahmen dieser weiteren Größen zu dem gemeinsamen Modell lässt sich häufig die Modellgüte massiv verbessern und z.B. die Genauigkeit der Ermittlung der Regelgröße deutlich erhöhen. Gerade bei statistischen Modellen wird es häufig vorkommen, dass sogar mehr als 20 oder mehr als 30 weitere Größen verwendet werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung kann das Verfahren im Rahmen eines geschlossenen Regelkreises verwendet werden. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass das gemeinsame Modell und/oder das vorgegebene Zielintervall in Abhängigkeit von der produzierten Sorte der Faserstoffbahn gewählt werden.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Figur noch weiter erläutert.

Die Figur 1 zeigt schematisch das Prinzip einer Regelung nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung. Die Figur 2 zeigt schematisch das Prinzip einer Regelung nach einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung.

Kernstück ist das gemeinsame Modell 1 , welches sowohl einen Wert für die Regelgröße 10 liefert, als auch für das Kostenfunktional 20. Als Eingangsgrößen in das gemeinsame Modell 1 sind hier sowohl zwei oder mehr Stellgrößen 40 vorgesehen, als auch eine oder mehrere weitere Größen 50, 55. Bei der Regelgröße 10 kann es sich beispielsweise um einen Parameter handeln, der die Festigkeit der Materialbahn an einer bestimmten Stelle beschreibt. Das Kostenfunktional 20 kann beispielsweise angeben, welche Kosten für den Betreiber durch die aktuellen Werte der Stellgrößen 40 und/oder auch der weiteren Größen 40 entstehen. Am folgenden Beispiel soll dies noch einmal näher erläutert werden. So kann in einer vorteilhaften Ausführung die Regelgröße 10 beispielsweise eine Festigkeit beschreiben, welche durch die Stellgrößen 40 Stärkemenge und Faserstoffmenge beeinflusst werden kann. Die beiden Stellgrößen 40 haben einen unterschiedlich großen Einfluss auf die Festigkeit, und führen zu unterschiedlichen Kosten. Sind in dem gemeinsamen Modell 1 Werte für die Kosten dieser Stellgrößen 40 hinterlegt oder können sie von diesem über eine Datenverbindung bezogen werden, so ermittelt das gemeinsame Modell 1 die Kosten, die durch die aktuelle Einstellung der Stellgrößen 40 entstehen. Diese können dann mit den ebenfalls durch das gemeinsame Modell 1 berechneten Festigkeitswerten in Verbindung gesetzt werden.

In der in Figur 1 gezeigten Ausführung umfasst das Verfahren weiterhin eine mathematische Optimierung 30. Durch die erfindungsgemäße Verwendung eines gemeinsamen Modells 1 ist dies sehr leicht möglich. In diesem Verfahrensschritt wird mittels eines geeigneten Verfahrens zur mathematischen Optimierung eine Einstellung der Stellgrößen 40 berechnet, bei der ein vorgegebener Wert der Regelgröße mit der günstigsten Einstellung der Stellgrößen ermittelt wird. Vorteilhaft hierfür ist es, wenn bekannte Zusammenhänge zwischen Änderung der Stellgrößen 40 und deren Auswirkung auf die Regelgröße 10 hinterlegt sind und für die Optimierung 30 zur Verfügung stehen. Vorteilhafterweise ist diese Optimierung 30 eine Optimierung 30 unter einer oder mehreren Nebenbedingungen. So sollte einerseits die Nebenbedingung erfüllt sein, das die Regelgröße in einem gewissen Zielintervall liegt. Zusätzlich können aber auch noch weitere Nebenbedingungen in Betracht gezogen werden. Mittels einer weiteren Nebenbedingung bei der Optimierung 30 kann dann beispielsweise erreicht werden, dass eine weitere Qualitätseigenschaft innerhalb eines vorgegebenen Zielintervalles verbleibt.

Gegebenenfalls kann es vorteilhaft sein, diese weitere Qualitätseigenschaft im Rahmen des gemeinsamen Modelles 1 zusammen mit der Regelgröße 40 und dem Kostenfunktional 20 mit zu modellieren.

Das Ergebnis dieser Optimierung 30 kann beispielsweise auf einem Bildschirm angezeigt, oder dem Betreiber der Anlage auf anderen Wegen zugänglich gemacht werden, und ihm als Entscheidungshilfe dienen. Alternativ oder zusätzlich kann mit das beschriebene Verfahren aber in einem geschlossenen Regelkreis verwendet wird. In diesem Fall werden die Ergebnisse der Optimierung 30 direkt verwendet, um die Stellgrößen 40 auf ihre als optimal befundenen Werte einzustellen.

Üblicherweise wird dieses beschriebene Verfahren kontinuierlich ablaufen. Änderungen der Stellgrößen 40 sowie der weiteren Größe 50,55 führen dann zu einer neuen Berechnung des gemeinsamen Modells 1 , und damit zu neuen Werten für die Regelgröße 10 und das Kostenfunktional 20.

Um die Qualität der durch das gemeinsame Modell 1 gewonnenen Werte zu beurteilen und gegebenenfalls durch Adaption des gemeinsamen Modells 1 verbessern zu können ist es vorteilhaft, zumindest die durch das gemeinsame Modell 1 berechneten Regelgrößen mittels Labormessungen 60 zu überprüfen, bzw. das gemeinsame Modell 1 auf diese Messungen zu kalibrieren.

Hier ist es auch wieder von Vorteil, dass erfindungsgemäß ein gemeinsames Modell 1 zur Modellierung der Regelgrößen 10 und des Kostenfunktionais 20 vorgesehen ist, da bei einer solche modellbasierten Regelung üblicherweise ein gewisser Wartungs- und Pflegeaufwand anfällt (z.B. zur Kalibrierung), der bei einem solchen gemeinsamen Modell 1 einfacher und besser durchgeführt werden kann, als im Falle einer separaten Modellierung in verschiedenen Modellen. ln Figur 2 ist eine sehr vorteilhafte Ausführung der Erfindung schematisch angegeben. Von der Maschine, beispielsweise einer Papiermaschine, wird ein Ist-Datensatz 70 an die Steuerung übergeben. Dieser Ist-Datensatz umfasst vorteilhafterweise die zumindest zwei Stellgrößen 40 sowie die zumindest eine weitere Größe 50, 55. Er kann jedoch auch beliebig viele weitere Größen umfassen. Insbesondere sollte der Ist-Datensatz 70 alle Parameter umfassen, welche später in dem Model 1 a benötigt werden,

Mittels der zumindest einen weiteren Größe 50, 55, und üblicherweise aber nicht zwingend mittels der zumindest zwei Stellgrößen, wird mittels eines gemeinsamen Modells 1 a die Regelgröße 10 sowie das Kostenfunktional 20 ermittelt.

Das Modell 1 a zur Ermittlung der Regelgröße kann dabei ein lineares, aber auch ein nichtlineares Modell sein. Vorteilhaft ist hier ein Modell, das die Regelgröße mit möglichst hoher Genauigkeit vorhersagt.

Bei der Modellierung des Kostenfunktionais 20 kann beispielsweise so vorgegangen werden, dass alle oder einige der weiteren Größen 50, 55 und der Stellgrößen 40 mit Kostenwerten versehen werden (Preis pro Tonne eingesetzter Stärke etc.). Zusätzlich kann auch die Regelgröße 10 mit einem Kostenwert versehen werden. In dem Fall, dass die Regelgröße 10 ein Qualitätsparameter des Papiers ist (wie z.B. ein

Festigkeitswert) spiegelt dies den Fall wieder, dass Papier mangelnder Qualität nur mit einem Preisabschlag verkauft werden kann.

In einem Optimierungsalgorithmus 30 kann nun eine vorteilhafte Änderung δ der Stellgrößen 40 ermittelt weden. Diese geänderten Stellgrößen 40a gehen in ein vorgelagertes Modell 1 b ein. Dieses vorgelagerte Modell 1 b trägt der Tatsache Rechnung, dass sich durch die veränderten Stellgrößen 40a auch zumindest eine weitere Größe 50 ändert. Diese stellt eine abhängige weitere Größe 50 dar. Wird zum Beispiel an einer Papiermaschine das Flächengewicht der Bahn als Stellgröße 40, 40a gezielt verändert, so ändert sich dadurch auch als abhängige weitere Größe 50 die Konsistenz der verschiedenen Siebwässer. Diese Konsistenz kann gegebenenfalls von dem gemeinsamen Modell 1 a zur Berechnung der Regelgröße 10 oder des Kostenfunktionais 20 verwendet werden.

Würde man für diese oder andere abhängige weitere Größen 50, welche sich in Abhängigkeit der gezielten Änderung einer Regelgröße 40 auch verändern, weiterhin mit den Werten des Ist-Datensatzes arbeiten, würde das zu einer geringeren Qualität des durch das gemeinsame Modell 1 a ermittelten Kostenfunktionais 20 und/oder der Regelgröße führen.

Daher ermittelt das vorgelagerte Modell 1 b mittels der geänderten Stellgrößen 40a zumindest eine, häufig jedoch mehrere, geänderte abhängige weitere Größe 50. Danach übermittelt das vorgelagerte Modell die zumindest eine geänderte abhängige weitere Größe 50 sowie gegebenenfalls eine oder mehrere unveränderte weitere Größen 55 an das gemeinsame Modell 1 a. Auch die geänderten Stellgrößen 40a können als Stellgrößen 40 an das gemeinsame Modell übermittelt werden. Mit diesen Eingangsdaten ermittelt das gemeinsame Modell 1 a wieder einen Wert für das Kostenfunktional 20, sowie die Regelgröße 10.

Dieses Verfahren kann nun z.B. im Rahmen eines iterativen Verfahrens, einer mathematischen Optimierung oder anderer geeigneter Algorithmen dazu verwendet werden, eine Empfehlung für geänderte Stellgrößen 40, 40a zu ermitteln. Diese können dann als Soll-Daten 80 an die Maschinensteuerung zurück übermittelt werden.

Zum weiteren Verständnis soll der Prozess sowie das vorgelagerte Modell 1 b und das gemeinsame Modell 1 a an einem einfachen, exemplarischen Beispiel noch einmal verdeutlicht werden.

Seien mit u die Stellgrößen 40 und mit x die abhängigen weiteren Größen 50 bezeichnet.

Aus dem Ist-Datensatz 70 können Startwerte uo und xo gewonnen werden. Hieraus kann das gemeinsame Modell 1 a -zusammen mit ggf. (unabhängigen) weiteren Größen 55 Startwerte Ro für die Regelgröße 10 und K ₀ für das Kostenfunktional 20 ermitteln. Will man nun die Auswirkung einer Verstellung 5u ermitteln, so kann diese als

Eingabe in das vorgelagerte Modell 1 b übergeben werden. Diese vorgelagerte Modell 1 b ermittelt daraus üblicherweise den geänderten Wert der Stellgrößen uo+ 5u, sowie die sich daraus ergebenden Änderungen der abhängigen weiteren Größen 50 5u) . In einer ganz einfachen Ausführung können diese Änderungen linear modelliert werden: xo + G 5u, mit einem vorher hinterlegten Proportionalitätsfaktor G.

Diese angepassten Werte ui und x1 können dann an der gemeinsame Modell 1 a übermittelt werden. Dort werden damit neue Werte Ri für die Regelgröße 10 sowie Ki für das Kostenfunktional 20 ermittelt, wie sie sich aus der Änderung der Stellgrößen um 5u ergeben.