Méthode statistique d'analyse et de prédiction des casses de la feuille dans une machine à papier

Le papier journal est un terme qui s'applique à un grade de papier dont le poids de base est compris entre 40 g/m² et 59 g/m² et qui sert à l'impression de journaux. Une grande quantité de ce papier est absorbée par les quotidiens et les hebdomadaires, le reste est utilisé pour l'impression de prospectus, d'encarts, de suppléments de journaux et d'annuaires. Le papier journal est produit à partir de pâte mécanique car elle répond aux exigences d'une telle utilisation pour un faible grammage. La pâte mécanique conserve tous les constituants du végétal original (cellulose, hémicellulose et la lignine) ; elle est obtenue avec un rendement élevé de 95%. Le Québec joue un rôle très important dans ce segment. Il contribue à plus de 11% de la production mondiale du papier journal. Cependant, le procédé de fabrication du papier est très interactif et les ajustements opératoires affectent plusieurs variables à la fois. Ces ajustements causent, dans la plupart des cas, des perturbations qui se propagent dans toutes les sections de l'usine. Ces perturbations qui affectent aussi la machine à papier, parfois au niveau de sa caisse d'arrivée, peuvent augmenter les probabilités d'occurrence des casses de la feuille. La casse de la feuille est la rupture totale de la feuille sur la machine à papier. Elle engendre le rejet du papier en dehors des spécifications pendant le recouvrement du papier sur la machine et aussi avant le rétablissement de l'équilibre de fonctionnement de la machine. Quelquefois, et même si le papier a des spécifications acceptables, les bobines endommagées à cause des casses ont des prix de vente dévalués, ce qui fait de la casse de la feuille sur une machine à papier un problème très coûteux et perturbateur. Cette étude qui s'inscrit dans le cadre du projet stratégique de recherche intitulé « Approche stratégique d'optimisation des opérations dynamiques d'usine intégrée de papier journal », se veut comme objectif principal, l'établissement de liens entre les casses de la feuille et les événements discrets tels que, les changements soudains des proportions des pâtes dans le système d'approche de la machine à papier. Pour atteindre cet objectif, une méthodologie a été développée. Elle permet d'identifier et de caractériser une catégorie particulière de casses possiblement causée par des événements discrets se produisant au système d'approche des machines à papier et qui génèrent de la variabilité dans la caisse d'arrivée. Cette méthodologie permet aussi d'établir des modèles probabilistes pour la prédiction des casses et de mettre en place un indice pour les casses qui peut être utilisé en ligne afin d'identifier d'éventuelles causes des casses de la feuille. La méthodologie inclut la statistique et l'analyse de risques pour les casses avec des causes définies et des causes inconnues. La méthode statistique étudiée est une combinaison non linéaire de variables : la régression logistique binaire. L'outil utilisé pour l'analyse de risques est l'arbre des défaillances appelé aussi arbre des causes ou arbre des défauts. L'étude de cas a été menée sur une usine intégrée de papier journal d'Abitibi-Consolidated à Shawinigan (Belgo). Elle produit environ 400 000 t par an de papier journal avec plus de 30 différents grades sur quatre machines à papier différentes. La moyenne des casses non intentionnelles par jour et par machine retenue pour cette étude durant neuf mois de fonctionnement est de 2.68, 4.14 2.75 et 1.96, ce qui représente une perte moyenne en production d'environ 48 t/jour. Les données collectées à l'usine proviennent de deux systèmes d'acquisition de données « PI system » et « Proficy ». Ces données ont été utilisées pour prédire l'occurrence des casses en établissant des modèles probabilistes. Les résultats confirment que certains événements discrets tels que les changements des proportions de la pâte cassée et de la pâte thermomécanique (PTM) augmentent les probabilités d'occurrence des casses de la feuille sur la machine à papier. Des indices logistiques différents pour chacune des quatre machines ont été développés pour la prédiction des casses, en s'appuyant sur ces résultats. En se fondant sur l'analyse des données historiques de l'usine, les indices ont réussi à prédire en moyenne 33% des casses dues à la variabilité dans la caisse d'arrivée. Les mêmes indices ont permis d'identifier les causes de 10% des casses initialement indéterminées sur le total de toutes les casses, intentionnelles et spontanées. Si la méthodologie est appliquée et les indices utilisés, les indices logistiques des casses peuvent sensibiliser les ingénieurs aux événements critiques conduisant à augmenter les probabilités d'occurrence des casses, et permettre d'approuver des changements dans les pratiques opératoires pour réduire les casses dues à la variabilité dans la caisse d'arrivée et ainsi, améliorer le taux de rendement global « TRG » des machines à papier.

Abstract

Newsprint is a term that applies to a grade of paper having a basis weight ranging from 40 g/m2 to 59 g/m2, which is used for the printing of newspapers. While the majority of newsprint is consumed by daily newspapers and weekly magazines, it is also used for the printing of leaflets, inserts, supplements in newspapers, and directories. Newsprint is produced from mechanical pulp because it fulfills the requirements of a low basis weight (grammage). The mechanical pulp preserves all the components of the original raw material (the cellulose, the hemicelluloses, and the lignin) and is obtained with a high yield of 95%. Quebec plays a very significant role in this sector as it contributes more than 11% of the world's production of newsprint. However, the manufacturing process of paper is interactive, and process adjustments and other perturbations affect several variables at the same time. These perturbations can create headbox variability, which in turn can lead to the enhanced probability of web breaks on the paper machine. The breakage of the web on the paper machine is the total rupture of the sheet. It generates the rejection of paper that is off-specifications during the covering of paper on the machine, and also before the re-establishment of balance of machine operation. Even if the paper has acceptable specifications, sometimes the reels damaged because of breakages have devaluated selling prices, rendering web breaks on a paper machine a very expensive and disruptive problem. This study, which lies within the scope of the strategic research project entitled «Innovative Approach to the Optimization of Integrated Newsprint Mill Dynamic Operations», has the principal objective of establishing a link between web breaks and discrete events, such as the sudden changes of the pulp proportions in the stock approach system of the paper machine. To achieve this target, a methodology was developed. It identifies and characterizes the category of breaks that are possibly caused by discrete events in the stock approach system, and that are likely to result in headbox variability. This methodology also establishes probabilistic models for web break prediction and sets up an index for web breaks that can be used online in order to identify possible causes of paper machine web breaks. The methodology includes statistics and risk analysis for web breaks with defined and unknown causes. The investigated statistical method is a nonlinear combination of variables, the binary logistic regression, and the tool used for the risk analysis is the fault tree analysis. The case study was carried out at the Abitibi-Consolidated Inc. integrated TMP-newsprint mill, Belgo, located in Shawinigan. It produces approximately 400 000 T per year of newsprint with more than 30 various grades, out of four different paper machines. The average number of intentional web breaks per day and by machine retained for this study during nine months of operation is 2.68, 4.14, 2.75 and 1.96. This represents an average loss in production of approximately 48t/day. The data were collected form the mill data management systems "PI" and "Proficy". They were used to predict web breaks using probabilistic models. The application of the methodology is illustrated for four paper machines located in the same mill. The results confirmed that certain discrete events, such as changes in broke and TMP ratios, increase the likelihood of paper machine break occurrence. Based on these results, probabilistic indices were developed for predicting the occurrence of web breaks for each machine. Based on an analysis of historic mill operating data, the indices were effective for predicting headbox variability web breaks 33% of the time. The same indices also permitted the identification of the causes of 10% of initially unspecified web breaks among the total of intentional and unintentional breaks. The application of this methodology and the use of the indices as indicators could help sensitize mill engineers to critical events resulting in an increased probability of web breaks, and could be used in general web break troubleshooting. Moreover, by minimizing the occurrence of web breaks due to furnish variability, the efficiency of the paper machines can be improved, as measured by the "OEE" standard.-----------CONTENU Problématique -- Hypothèses -- Objectifs -- Structure de mémoire -- Conventions pour le mémoire -- La casse de la feuille dans une machine à papier -- Causes d'occurrence des casses -- Les approches utilisées pour l'analyse de la casse de la feuille -- L'approche statistique pour l'analyse de la casse -- Régression logistique -- Analyse de risques -- Données du procédé et des opérations -- Données des casses de la feuille -- Allocation de catégories pour les casses -- Isolation de casses dues à la variabilité dans les caisse d'arrivée et identification des variables associées -- Développement d'une nouvelle méthode pour l'analyse de casses.

Mots clés

Machines à papier; Papier journal -- Fabrication; Mécanique de la rupture; Feuille de papier; Papier -- Rupture