Case Study: ABB Drives-upgrade tillt slitter-rewinder prestaties bij grote papierfabriek

De Verenigde Staten, volgens het Federal Network for Sustainability, verbruikt ruwweg 8 miljoen ton kantoorpapier per jaar – genoeg om een 20-voet hoge muur van 6.815 mijl te bouwen. Om stap te houden met deze vraag, najagen papierfabrieken onverminderd efficiëntie- en kwaliteitsverbeteringen. Onder de vele machines betrokken bij papierproductie is de slitter-rewinder onmisbaar.

Een slitter-rewinder wikkelt massive rollen van de hoofd-papierproductielijn af, snijdt ze in kleinere secties en wikkelt ze in hanteerbare rollen voor distributie. Als laatste productiestap kan elke fout in deze machine de hele fabriek stilleggen.

Bestaande uit meerdere motoren en besturingseenheden, is de slitter-rewinder een van de meest gesofisticeerde apparatuurstukken in een fabriek. Centraal voor de operatie is spanningcontrole, wat de kwaliteit van de papierrollen dicteert. Consistente krachten moeten door het hele proces toegepast worden om foutloze web-tracking, precisiesnijden en juiste rol-dichtheidsprofielen te waarborgen.

Naast nip-controle hangt de rolkwaliteit af van aandrijfprestaties. De winder moet als gecoördineerd systeem draaien, leverend strakke snelheids- en koppelcontrole door continue stop-naar-volle-snelheid en deceleratie-cycli. Kleine onnauwkeurigheden kunnen velbreuken, ruwe randen, telescoping, offsets of vastlopers veroorzaken, wat resulteert in downtime, afgekeurde rollen en verlies van winst.

Doel: Continue hoge-snelheidsproductie

Om productiviteit en efficiëntie te boosten, koos een toonaangevende papierfabriek in het zuidoosten van de VS ervoor om zijn slitter-rewinder te herbouwen en de nieuwste technologie te integreren. De upgrade had als doel rolkwaliteit te verbeteren, machinesnelheid naar het maximum te tillen en dure afsluitingen te elimineren.

De fabriek partnerde met SDS Inc., een VS-gebaseerde systeemintegrator gespecialiseerd in controle-ontwerp voor papier en web handling. SDS evalueerde het bestaande systeem en leverde een kosteneffectieve oplossing die huidige motoren en componenten benutte, ABB's state-of-the-art ACS800 AC-drives installeerde naast de nieuwe DCS800 DC-drives – de meest geavanceerde DC-drive van zijn klasse – en complementeerde ze met SDS's Intelli-Wind, een populaire tweedrum-winder HMI die TNT-controle, recepten, numerieke en grafische setpoints, permissives en diagnostiek biedt.

SDS-ingenieurs bezochten de fabriek meerdere keren om de situatie te beoordelen. Ze identificeerden diverse issues die de bestaande slitter-rewinder plaagden.

"Het is imperatief om elke stakeholder's perspectief te begrijpen," zegt John Parker, senior sales engineer bij SDS. "Het onderhoudsteam reisde zorgen over componentstoring en de noodzaak voor precisietemperatuurcontrole in de drive-kamer om analoge drift te voorkomen. Productie wilde hogere uptime, betere rolkwaliteit en moderne apparatuur. Onze partnership met ABB stelde ons in staat deze doelen te halen."

Verouderde apparatuur: Inefficiënt en duur te onderhouden

Zowel ABB- als SDS-experts merkten op dat de fabriek opereerde met aandrijfsystemen van 25-30 jaar oud – een groeiende trend onder fabrikanten. De slitter-rewinder's aandrijfsysteem werd steeds duurder om te repareren, met verouderde componenten die niet meer vervangen konden worden. Analog apparatuur vereiste constante aandacht vanwege drift, en oude bedrading begon te breken aan scharnierpunten. Mechanische assemblages die thyristor-assemblages en zekeringen vastzetten, waren niet meer te repareren, en stroommodules confronteerden structurele integriteitsissues.

Craig Tierno, senior application engineer bij SDS, legde uit dat het vervangen van analoge regulators door digitale tegenhangers terwijl de bestaande stroomplein behouden bleef, impractisch was. De SCR's in de stroommodules waren niet meer betrouwbaar, dus SDS adviseerde een volledige aandrijf- en besturingssysteem-upgrade om betrouwbaarheid en prestaties te verbeteren.

"Als een DC-stroommodule nog binnen zijn levenscyclus is, stellen we meestal voor het te retrofitten met een nieuwe digitale, hoog-presterende front-end (DFE) om de regeling te verbeteren terwijl de bestaande SCR's behouden blijven," zei Tierno. "In dit geval was dat niet haalbaar."

Nieuwe technologie synergiseert met drives

Tijdens de zoektocht naar een aandrijfoplossing ontdekte SDS dat ABB een nieuwe DC-drive ontwikkelde die compatibel was met zijn AC-producten, dezelfde softwaretools en communicatiemodules deelde. Deze compatibiliteit maakte het mogelijk om zowel DC- als AC-componenten naadloos te integreren.

Noord-Amerika bezit nog steeds een grote geïnstalleerde basis van DC-motoren over een wijd bereik aan pk en snelheid. Deze motoren kunnen lang leven met correct onderhoud, dus klanten zijn meestal niet nieuwsgierig om ze te vervangen. Een leverancier vinden zoals ABB die continu controle-technologie voor deze motoren innoveert, gaf SDS een duidelijke voordeligheid vanaf het begin.

De retrofit installeerde vier ABB DCS800-drives. De eerste beheerde de 500-pk unwind-motor die spanning regelt voor de jumbo moederrol. De tweede controleerde de 50-pk lead-in rol die papier naar de slitter transporteert. De derde en vierde drives handelden de 250-pk front- en rear-drums, die machinesnelheidsreferentie en profileringskoppel aan de herwonden rol leveren. Alle DC-drives waren gedimensioneerd om 200% stroomlimiet voor één minuut te tolereren door de grote rollen en eisende koppel.

Twee ACS800 AC-drives, elk 15 pk, aandreven de rider rol-einden, leverend verticale kracht voor versnelling en deceleratiekoppel. Motorkadergrootte was gekozen op basis van pk en ventilatiestijl, aangezien de motoren gemonteerd zijn binnen een bewegende rider-rol frame.

Nieuwe belastingscellen voor spanningcontrole

De oude belastingscellen op de unwind-sectie werden vervangen door ABB's PillowBlock-style Pressductor-transducers (PFTL-eenheden). Deze eenheden werden geselecteerd voor hun directe fysieke compatibiliteit en pre-kalibratie, wat spanningcontrole verbetert terwijl installatietijd en -kosten worden ingekort.

Compatibele platforms; Retrofit met bestaande DC-motoren

Integrators vonden de DCS800 een ideale match voor de fabriek's engineering en IT-staf, die al vertrouwd was met DC-drive operatie en commissioning. ABB's complementaire ACS800, met een vergelijkbare look-and-feel, maakte overstappen naar AC soepel.

"Zorgen dat de DC-drives de AC-product op hetzelfde platform complementeerden was cruciaal," zei Tierno. "Deze synergie stelt retrofitters in staat om cutting-edge technologie en uitstekende regeling te leveren bij een fractie van de kosten van een volledige stroomsysteemvervanging."

Hoofdcontrole via winder-besturingsoftware

In tandem met de drives installeerde SDS zijn iWind winder-besturingsoftware, ontworpen om rolprofiel en kwaliteit te optimaliseren. De software biedt automatische stopping, productrecepten, numerieke en grafische setpoints, permissives en volledige diagnostiek. De intuïtieve interface mergeert controle-apparatuur direct met de drive-hardware, wat troubleshooting en onderhoud vereenvoudigt.

Gefocust op spanning, nip en koppel (TNT), ontwierp SDS een architectuur die aan de fabriek's behoefte aan verbeterde rolkwaliteit voldood. De automatische stopfunctie adresste issues met productlengte en diameter, terwijl permissive en diagnostische pagina's operators snelle hulp boden, wat onderhoudsoproepen reduceerde. Het receptensysteem stelde operaties in staat orders snel op te zetten en productconsistentie te behouden.

Pre-built verhoogde panelen mogelijk maken vijf-daagse installatie

De retrofit benutte bestaande constructie – een schone, open-paneel ontwerp dat minimale controle-kamer ruimte vereiste. In plaats van vloermontage cabinets, werden alle stroommodules, circuitbreakers en componenten op verhoogde panelen gerangschikt. Deze aanpak stelde SDS in staat een afzonderlijk sub-paneel voor elke drive te pre-bouwen, de drives individueel en collectief te testen vóór demontage van de oude apparatuur. Grondige testen van communicatie, applicatiesoftware en drive-functionaliteit voorafgaand aan installatie en commissioning.

Setup en commissioning verliep soepel. SDS-ingenieurs besteedden ongeveer vier weken aan engineering schemata's, drive- en controller-software maken en panelen bouwen. Na een tweewekelijkse testfase installeerde het team de nieuwe apparatuur binnen de vijf-daagse contingentie die de fabriek vereiste. Ingenieurs bleven enkele dagen na opstart op locatie om een naadloze overgang voor fabrieksoperators te garanderen.

Winnende combinatie maakt optimale uptime mogelijk

Sinds de installatie van de DCS800 en ACS800 drives, gecompliceerd met iWind-software, heeft de fabriek haar doelen gehaald: hogere productie, top-snelheidsefficiëntie, superieure rolkwaliteit, verminderd onderhoud en minimale afsluitingen. Ze hebben de eerdere afsluitingen door componentmalfunctions vrijwel geëlimineerd.

"We zijn tevreden over ABB's producten en support, en plannen ABB te blijven gebruiken voor toekomstige projecten," zei Parker. "Momenteel hebben we acht papierproductieprojecten lopend, voor welke we ABB's ACS800, DCR- of DCS-800 aanbevelen voor diverse toepassingen."

Tierno voegde toe: "Onze relatie met ABB en het team in New Berlin is zeer belonend. Ze hebben uitstekende productlevering en training op de nieuwe DCS800 geleverd."

ABB-producten geven SDS de middelen en flexibiliteit die nodig zijn om aan elke klant zijn specifieke behoeften en budget te voldoen.

ABB en SDS hebben nog een reden om te vieren: deze papierfabriekinstallatie markeert de eerste keer dat een DCS800 geïntegreerd is in een compleet systeempakket in de Verenigde Staten. Met de DCS800's near-onbeperkte schaalbaarheid kijkt het team ernaar uit drives en software aan klanten te leveren voor vele jaren te komen.

Schema van DC- en AC-drive retrofit van slitter-rewinder bij een grote zuidoostelijke papierfabriek.

Master Paneel, wat de ABB ACS800 Rider Roll AC Drives en de Master Controller bevat.

Unwind Drive – de nieuwe ABB DCS800 tijdens systeemtest.

Van links naar rechts: Papierrol, Front Drum, Rear Drum panelen met ABB DCS800 DC Drives. Pre-bouwen van de panelen maakte het mogelijk om de gehele retrofit van de slitter-rewinder binnen vijf dagen te installeren.

Voor meer informatie over dit onderwerp, bezoek www.abb.us/drives of contacteer Thomas Junger, product line manager, ABB Inc., op 262-785-3377 of Thomas.junger@us.abb.com.