Weniger Dampf, engere Qualität, ruhigerer Betrieb: was modellgestützte Optimierung in der Pressen- und Trockenpartie einer Papiermaschine leistet

Die Pressen- und Trockenpartie einer Papiermaschine entzieht der Bahn das Wasser: zunächst mechanisch in den Pressen, dann thermisch mit Dampf auf beheizten Zylindern. Die Trockenpartie ist der größte Energieverbraucher der Maschine — typischerweise 50 bis 70 Prozent des Gesamtbedarfs — und bestimmt zugleich die Endfeuchte des Produkts, eine zentrale Qualitätsgröße.

Drei Ziele stehen dabei in Konflikt: Energieverbrauch, Qualitätseinhaltung und Laufsicherheit. Mehr Dampf sichert die Feuchte, kostet aber Geld. Höherer Pressdruck spart Dampf, belastet aber Filze, drückt das Volumen des Papiers und kann die nasse Bahn beschädigen. Schnelle Eingriffe korrigieren Abweichungen, erhöhen aber die Unruhe der Bahn und damit das Risiko eines Abrisses mit Stillstand.

Diese Abwägung trifft heute der Maschinenführer, unterstützt von Reglern im Leitsystem. Sie beruht auf Erfahrung, nicht auf einer expliziten Rechnung.

Zwei Fragen standen im Mittelpunkt. Erstens: Lässt sich die Abwägung zwischen Energie, Qualität und Laufsicherheit als Optimierungsproblem formulieren und mit einem modellbasierten Verfahren besser lösen als mit heutiger Praxis — und wo liegt der Nutzen? Zweitens: Welche Rolle spielt die Unsicherheit im Prozess, etwa schwankende Rohstoffqualität oder Eingangsfeuchte, und welche methodischen Entscheidungen sind nötig, damit das Verfahren im Betrieb verlässlich ist?

Simulationsmodell

Da keine öffentlichen Betriebsdaten für diesen Anlagenteil existieren, wurde ein physikalisches Simulationsmodell aufgebaut. Es bildet die Pressenpartie, vier Trockengruppen mit Dampfsystem und die Endfeuchte am Scanner ab, dazu die wesentlichen Störungen: schwankende Eingangsfeuchte, driftende Rohstoffqualität, alternde Filze. Bahnabrisse sind als Zufallsereignis modelliert, dessen Wahrscheinlichkeit mit der Prozessunruhe steigt. Im Projektverlauf kamen die Gegenkräfte hinzu, die den Pressdruck in der Praxis begrenzen: Volumenverlust des Papiers, Filzverschleiß und die Grenze, ab der die nasse Bahn in der Presse beschädigt wird.

Das Modell enthält rund dreißig Parameter; ein Teil stammt aus der Fachliteratur, ein Teil sind gekennzeichnete Annahmen. Absolute Zahlen sind daher als Größenordnungen zu lesen, bis das Modell mit Betriebsdaten abgeglichen ist.

Verglichene Strategien

• Heuristik. Nachbildung heutiger Praxis: Ein Regler korrigiert den Dampfdruck anhand der gemessenen Endfeuchte, Pressdrücke bleiben fest. Dient als Referenz.
• Modellprädiktive Regelung (MPC). Ein Optimierer berechnet jede Minute den besten Verlauf der Dampfdrücke für die nächsten zehn Minuten, unter Einhaltung harter Grenzen. Zielfunktion ist der Deckungsbeitrag: Erlös abzüglich Dampfkosten, Qualitätsstrafe und erwartetem Abrissverlust.
• MPC mit Pressdruck. Erweiterung, bei der der Optimierer zusätzlich die Pressdrücke im Minutentakt stellt.
• Zweischichtige Optimierung. Eine übergeordnete Schicht legt die Pressdrücke im Stundentakt fest, indem sie den langfristigen, stationären Deckungsbeitrag maximiert und dabei die Verteilung der Eingangsfeuchte einrechnet. Darunter regelt das MPC die Dampfdrücke im Minutentakt.

Alle Strategien wurden unter identischen Bedingungen geprüft und mit denselben Kennzahlen bewertet: Deckungsbeitrag in Euro pro Stunde, Anteil der Zeit außerhalb der Feuchtespezifikation, Dampfverbrauch je Tonne, Stellaktivität und Abrisse pro Tag. Die Bewertung ist von der internen Zielfunktion der Verfahren unabhängig, damit unterschiedliche Ansätze fair vergleichbar sind.

Qualität: Das MPC hält die Spezifikation

Das MPC hält die Endfeuchte deutlich enger in der Toleranz von ±0,5 Prozentpunkten und benötigt dafür weniger Stelleingriffe. Der Grund: Es kennt die Trägheit des Dampfsystems und stellt vorausschauend, während die Heuristik erst auf eine eingetretene Abweichung reagiert. Dieser Effekt ist in allen Versuchsreihen reproduzierbar und der robusteste Befund des Projekts.

Der Abstand im Deckungsbeitrag von rund 470 Euro pro Stunde entsteht fast vollständig aus dieser Qualitätseinhaltung. Er hängt davon ab, welche Kosten eine Spezifikationsabweichung im jeweiligen Werk verursacht; dieser Wert ist eine Annahme und vom Werk zu beziffern. Der Energieverbrauch ist in diesem Vergleich praktisch gleich.

Energie: Der Hebel liegt in der Presse, nicht in der Endfeuchte

Die engere Feuchteregelung erlaubt, den Sollwert näher an die obere Spezifikationsgrenze zu legen und weniger zu trocknen. Dieser Hebel wurde geprüft und erweist sich als klein: rund 0,3 Prozent Dampfersparnis, denn die Endfeuchte macht nur einen Bruchteil des insgesamt zu verdampfenden Wassers aus. Der wirksame Hebel ist der Trockengehalt nach der Presse: Jeder Prozentpunkt mehr spart im Modell rund vier Prozent Dampf — das entspricht der bekannten Faustregel aus der Praxis. Begrenzt wird er durch Volumenverlust, Filzverschleiß und die Gefahr, die Bahn in der Presse zu beschädigen.

Laufsicherheit: Kurze Betrachtungszeiträume täuschen

Ein Befund betrifft die Bewertung selbst. In Läufen über acht Stunden erschien ein hoher, fest eingestellter Pressdruck als bester Betriebspunkt mit zehn Prozent Dampfersparnis. Über 24 Stunden und mehrere Wiederholungen zeigte derselbe statische Betriebspunkt 1,4 Abrisse pro Tag und lag im Ergebnis unter der Referenz: Die Bahnbeschädigung in der Presse tritt ein, wenn die Eingangsfeuchte schwankungsbedingt hoch ist — selten, aber teuer.

Die erhöhte Abrissrate stammt damit aus einer statischen Betriebspunktwahl, nicht aus der Optimierung. Die optimierenden Varianten blieben in allen Läufen auf dem Basisniveau des Modells; das Abrissrisiko geht bei ihnen als erwarteter Verlust in die Zielfunktion ein und wirkt dämpfend, nicht treibend. Die zweischichtige Optimierung wählte den kritischen Punkt von vornherein ab: Sie rechnet mit der Verteilung der Eingangsfeuchte statt mit ihrem Mittelwert und hält deshalb Abstand zur Beschädigungsgrenze — bei nahezu gleicher Dampfersparnis. Anzumerken ist, dass Abrisse seltene Ereignisse sind; eine präzise Bezifferung der Raten würde gezielte Verfahren für seltene Ereignisse erfordern und steht hier nicht im Vordergrund. Die Richtung des Befunds ist davon unberührt und mechanistisch begründet.

Was belastbar ist: die Richtung aller Effekte und ihre Größenordnung. Das MPC verbessert die Qualitätseinhaltung, der Energiehebel liegt in der Presse, aggressive Betriebspunkte sind bei kurzer Betrachtung systematisch überschätzt. Diese Aussagen folgen aus der Struktur des Problems, nicht aus einzelnen Parameterwerten.

Was nicht belastbar ist: die Euro-Beträge. Sie hängen von Annahmen ab, die mit Betriebsdaten und Werkswissen zu prüfen sind — Kosten einer Spezifikationsabweichung, Filzkosten, Lage der Beschädigungsgrenze, Verteilung der Störungen. Ebenso ist die Heuristik eine Vereinfachung; ein heutiges Qualitätsleitsystem ist in der Regel leistungsfähiger, und der Abstand zu ihm wäre kleiner.

Eine Erkenntnis aus der Entwicklung: Das MPC war anfangs schlechter als die Heuristik, weil das Modell Fehler enthielt, die der Optimierer nicht bemerkte. Ein Optimierer liefert auch mit falschem Modell eine in sich schlüssige Lösung. Die einfache Heuristik als Vergleichsmaßstab hat diese Fehler sichtbar gemacht. Für den Betrieb folgt daraus: Das System sollte zunächst als Vorschlagssystem neben der bestehenden Regelung laufen, bis die Übereinstimmung von Modell und Messung über einige Wochen belegt ist.

Für Schritt 1 bis 3 sind wenige Wochen zu veranschlagen, sofern Betriebsdaten verfügbar sind. Schritt 4 hängt von der Leitsystemlandschaft des Werks ab.

Ein Simulationsmodell der Pressen- und Trockenpartie wurde aufgebaut und darauf mehrere Regelstrategien verglichen. Ein modellprädiktiver Regler hält die Endfeuchte im Modell deutlich enger in der Spezifikation als heutige Praxis, bei geringerer Stellaktivität. Der Energiehebel liegt in der Pressenpartie; eine zweischichtige Optimierung, die Pressdrücke im Stundentakt und Dampfdrücke im Minutentakt stellt, spart im Modell rund sechs Prozent Dampf bei ruhigem Betrieb. Der wichtigste methodische Befund: Kurze Betrachtungszeiträume überschätzen aggressive Betriebspunkte, und die explizite Berücksichtigung der Prozessunsicherheit vermeidet diesen Fehler. Die Euro-Beträge sind bis zur Kalibrierung mit Betriebsdaten als Größenordnung zu verstehen. Die Infrastruktur für Modell, Vergleich und Bewertung steht und ist auf andere Maschinen übertragbar.

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