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Faseroptische Bahnkantenerfassung: Berührungslose Positionsüberwachung in Papiermaschinen und darüber hinaus
Inhaltsverzeichnis
Damit eine Papierbahn, ein Trockensieb oder generell ein Transportband exakt geführt wird, muss die seitliche Position der Kante kontinuierlich und präzise bekannt sein – nicht nur als einfache Ja/Nein-Information, sondern als fortlaufender Positionswert für eine automatisierte Regelung. Faseroptische Sensoren eignen sich für diese Aufgabe besonders gut, weil sie auch unter rauen Bedingungen und beengten Platzverhältnisse zwischen Walzen – zuverlässig und kompakt aufgebaut werden können.
Dieser Artikel erklärt, was Bahnkantenerfassung leistet, warum faseroptische Sensorik dafür besonders geeignet ist, wie sie konkret bei der Überwachung von Papierbahn und Trockensieb in Papiermaschinen eingesetzt wird – etwa für Sieblaufregler – und welche weiteren Branchen von derselben Technologie profitieren.
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Was ist Bahnkantenerfassung und wofür wird sie benötigt?
Bahnkantenerfassung bestimmt fortlaufend die seitliche Position der Kante eines bahnförmigen Materials – etwa einer Papierbahn, eines Trockensiebs oder eines Förderbands. Diese Positionsinformation ist die Grundlage für eine automatisierte Bahnlauf- bzw. Siebverlaufregelung: Weicht die Kante von der Sollposition ab, steuert die Regelung motorisch verstellbare Leitwalzen so nach, dass die Bahn wieder in die korrekte Spur zurückgeführt wird.
Ohne diese Regelung würde ein bahnförmiges Material im laufenden Betrieb unweigerlich seitlich wandern – durch asymmetrische Spannung, ungleichmäßige Walzenausrichtung oder Fertigungstoleranzen. Die Folgen reichen von einseitigem Verschleiß über Beschädigung der Bahnkante bis zum vollständigen Ablaufen von der Walze.
Warum faseroptische Sensorik für die Kantenerfassung?
Der Messpunkt für die Kantenerfassung liegt oft unmittelbar an rotierenden Walzen, in feuchten oder heißen Zonen oder in sehr beengten Zwischenräumen. Ein faseroptischer Sensor überträgt Licht über eine Faseroptik vom eigentlichen Messpunkt zu einer entfernt platzierten Auswerteeinheit. Das bringt mehrere Vorteile:
- Kompakte Bauform am Messpunkt: Das Faserende lässt sich auch dort platzieren, wo für ein vollständiges Sensorgehäuse kein Platz wäre
- Berührungslose Messung: Anders als die in Papiermaschinen bislang meist eingesetzten mechanischen Paddelfühler (Tastfinger), die Bahn oder Sieb direkt berühren, kommt die faseroptische Erfassung ohne Kontakt zum Material aus – ein Anfahren, Reißen oder Beschädigen von Bahn oder Sieb durch den Sensor selbst ist damit ausgeschlossen
- Geschützte Elektronik: Die eigentliche Auswerteelektronik bleibt außerhalb von Feuchtigkeit, Dampf und Vibration
- Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störfeldern: Vorteilhaft in der Nähe von Antrieben und Motoren
- Flexible Verlegung: Die Glasfaser lässt sich auch durch enge oder gekrümmte Kabelwege zum Messpunkt führen
Warum reicht Standardsensorik hier nicht aus?
Mehrere Besonderheiten der Kantenerfassung erschweren den Einsatz einfacher Standardsensorik:
- Geringer Kontrast: Helles Papier vor hellem Maschinenhintergrund oder ein nasses, teiltransparentes Sieb bieten wenig optischen Kontrast für eine zuverlässige Kantenerkennung
- Kontinuierliches statt binäres Messsignal: Für eine Regelung wird nicht nur „Kante da/nicht da”, sondern ein fortlaufender Positionswert innerhalb eines definierten Erfassungsfensters benötigt
- Flatternde Kante bei hoher Geschwindigkeit: Die Bahnkante bewegt sich bei hoher Produktionsgeschwindigkeit nicht ruhig, sondern flattert – die Messung muss dem schnell und präzise folgen können
- Feuchtigkeit, Dampf und Verschmutzung: Insbesondere in der Sieb- und Pressenpartie sind Wasser, Fasern und Ablagerungen an der Optik ständige Begleiter
- Beengte Platzverhältnisse: Zwischen Leitwalzen ist oft nur sehr wenig Bauraum für Sensorik vorhanden
Standard-Kantensensoren, die für gleichmäßig kontrastreiche, trockene Materialien ausgelegt sind, stoßen unter diesen Bedingungen schnell an ihre Grenzen.
Einsatz in der Papiermaschine
Papierbahnkante
Die Erfassung der Papierbahnkante wird u. a. zur Steuerung von Besäumung und Aufrollung sowie zur allgemeinen Bahnlaufregelung eingesetzt – etwa vor der Aufrollung, wo eine exakt geführte Bahn Voraussetzung für gleichmäßige, sauber gewickelte Rollen ist.
Trockensieb- und Formiersieb-Kantenerfassung für Siebverlaufregler
Ein besonders anspruchsvoller Anwendungsfall ist die Kantenerfassung an Formiersieben, Pressenfilzen und Trockensieben. Diese umlaufenden Bänder unterliegen im Betrieb ständig leichten seitlichen Verschiebungen, verursacht durch Spannungsunterschiede, Walzenausrichtung oder Fertigungstoleranzen des Siebs selbst. Ein Siebverlaufregler nutzt die kontinuierliche Kantenpositionserfassung als Regelgröße, um über verstellbare Leitwalzen automatisch gegenzusteuern und das Sieb dauerhaft in der korrekten Spur zu halten.
Die Bedingungen an diesen Messpunkten sind besonders herausfordernd: Formiersiebe sind durchgehend nass und teiltransparent, Trockensiebe laufen in unmittelbarer Nähe heißer Zylinderoberflächen, und überall herrscht Vibration durch die umlaufenden Walzen. Genau hier zeigt sich der Vorteil faseroptischer Sensorik: Nur das kompakte, robuste Faserende muss dieser Umgebung standhalten, während die eigentliche Auswerteelektronik an einer geschützten Stelle außerhalb dieser Zone montiert werden kann.
Ohne zuverlässige Siebverlaufregelung drohen einseitiger Verschleiß des Siebs, Beschädigung der Siebkante und im schlimmsten Fall ein Ablaufen des Siebs von den Leitwalzen – mit entsprechendem Stillstand und Reparaturaufwand.
Funktionsprinzip der faseroptischen Kantenerfassung
Anders als eine reine Anwesenheitserfassung liefert ein Kantensensor kein einfaches binäres Signal, sondern einen kontinuierlichen Positionswert innerhalb eines definierten Erfassungsfensters. Dazu wird die Bahn- bzw. Siebkante unter einer Sende- und einer Empfangsseite hindurchgeführt: Je nachdem, wie weit die Kante in das Erfassungsfenster hineinragt, wird ein unterschiedlicher Anteil des übertragenen Lichts abgeschattet. Aus diesem Verhältnis errechnet die Auswerteeinheit die genaue Position der Kante und gibt sie als kontinuierliches Analogsignal an die Regelung weiter.
Analoge vs. binäre Kantenerfassung: Warum eine mitlaufende Regelung eine kontinuierliche Messung braucht
In der Praxis werden Bahn- und Siebkanten häufig noch mit binären Grenzschaltern überwacht: Ein Schalter meldet lediglich, ob die Kante eine definierte Grenzposition über- oder unterschritten hat – ein reines Ja/Nein-Signal. Für eine kontinuierliche, mitlaufende Regelung ist das problematisch: Da die Regelung nur auf das Erreichen einer Schaltschwelle reagieren kann, neigt sie dazu, immer erst dann korrigierend einzugreifen, wenn die Kante bereits an der Grenze angekommen ist – und dann tendenziell zu stark gegenzusteuern.
In der Folge kann sich die Regelung aufschaukeln: Die Kante pendelt zwischen den Schaltschwellen hin und her, die Ausschläge werden größer statt kleiner, und die Bewegung wird zunehmend unkontrollierbar – im schlimmsten Fall „haut die Bahn ab”, läuft also vollständig von der vorgesehenen Spur.
Eine faseroptische Kantenerfassung mit analogem Ausgangssignal löst dieses Problem grundlegend: Statt nur zwei diskrete Zustände zu kennen, liefert sie fortlaufend den exakten Positionswert der Kante innerhalb des Erfassungsfensters. Die Regelung kann dadurch bereits bei kleinen Abweichungen sanft und proportional gegensteuern, statt erst bei Erreichen einer Grenzschwelle hart einzugreifen. Das Ergebnis ist eine stabile, mitlaufende Regelung ohne Aufschaukelneigung.
Für diesen Einsatzzweck bietet Sensorik Austria mit SensoWeb Edge-A die analoge Ausführung der Kantenerfassung an, die gezielt für kontinuierliche, mitlaufende Regelungen ausgelegt ist – im Unterschied zu einfacheren, binär schaltenden Ausführungen.
Auswahlkriterien für faseroptische Kantensensoren
- Erfassungsfenster: Erforderliche Breite des Messbereichs, innerhalb dessen sich die Kante bewegen darf, ohne das Fenster zu verlassen
- Auflösung und Genauigkeit: Erforderliche Positionsgenauigkeit für die nachgeschaltete Regelung
- Ansprechzeit: Fähigkeit, einer flatternden Kante bei hoher Bahn- bzw. Siebgeschwindigkeit zuverlässig zu folgen
- Ausgangssignal: Analoges Signal (z. B. 4–20 mA, 0–10 V) oder digitale Schnittstelle (z. B. IO-Link) zur Anbindung an die Regelung
- Umgebungsbedingungen: Feuchtigkeit, Dampf, Temperatur und Vibration am jeweiligen Einbauort (Siebpartie, Pressenpartie, Trockenpartie)
- Einbauabstand und Baugröße: Verfügbarer Bauraum zwischen Leitwalzen
- Materialbeschaffenheit: Kontrastverhalten des zu erfassenden Materials (z. B. nasses, teiltransparentes Sieb vs. opake Papierbahn)
- Reinigungsbedarf: Ggf. Sperrluftspülung oder Abstreifer zum Schutz der Optik vor Wasser und Fasern
Weitere Anwendungen in anderen Industrien
Das Grundprinzip der Bahnkantenerfassung ist nicht auf die Papierindustrie beschränkt – überall dort, wo bahnförmiges Material geführt werden muss, ist eine zuverlässige Kantenerfassung relevant:
- Kunststofffolien-Extrusion: Kantenerfassung nach der Extrusion und vor der Aufwicklung zur Steuerung der Bahnführung
- Vliesstoffproduktion (Nonwovens): Führung des Vliesbands durch Verfestigungs- und Beschichtungsanlagen
- Textilindustrie: Bahnführung bei Web-, Beschichtungs- und Veredelungsprozessen technischer Textilien
- Metallband- und Coilverarbeitung: Bandlaufregelung bei Aluminium- oder Stahlbandanlagen
- Batterieelektrodenfertigung: Kantenführung beschichteter Elektrodenfolien vor Schneid- und Wickelprozessen
- Druck- und Verpackungsindustrie: Bahnführung bei Rollendruck-, Laminier- und Kaschieranlagen
- Gummi- und Reifencordgewebe: Führung von Cordbahnen in der Reifenproduktion
Häufige Fragen zur faseroptischen Bahnkantenerfassung
Was ist der Unterschied zwischen Anwesenheitserfassung und Kantenerfassung?
Nein, überall dort, wo Endlosbahnen geführt werden müssen – etwa in der Folien-, Vliesstoff-, Textil- oder Metallbandverarbeitung – ist zuverlässige Kantenerfassung von Bedeutung. Und faseroptische Kantenerfassung spielt vor allem im Hochtemperatur-Bereich ihre vollen Vorteile aus.
Warum ist eine berührungslose Messung gegenüber mechanischen Paddelfühlern von Vorteil?
Anwesenheitserfassung liefert ein einfaches Ja/Nein-Signal, ob Material vorhanden ist. Kantenerfassung liefert einen kontinuierlichen Positionswert, der angibt, wo genau sich die Kante innerhalb eines definierten Messbereichs befindet – das ist Voraussetzung für eine automatisierte Regelung.
Warum kann die Verwendung binärer Grenzschalter problematisch sein?
Mechanische Paddelfühler (Tastfinger) berühren Bahn oder Sieb direkt, um deren Position zu ertasten. Dieser Kontakt birgt das Risiko, das Material zu beschädigen oder anzureißen – insbesondere bei empfindlichen Formier- oder Trockensieben. Eine faseroptische, berührungslose Erfassung vermeidet dieses Risiko vollständig.
Warum ist die Kantenerfassung am Trockensieb besonders anspruchsvoll?
Binäre Grenzschalter melden nur, ob eine Schaltschwelle über- oder unterschritten wurde. Eine darauf basierende Regelung reagiert erst spät und tendenziell zu stark, was zu einem Aufschaukeln der Kantenposition führen kann – im ungünstigsten Fall bis zum vollständigen Ablaufen der Bahn oder des Siebs von der Spur.
Kann derselbe Sensor für Papierbahn und Trockensieb eingesetzt werden?
Das Grundprinzip ist gleich, die konkrete Ausführung v.a. die Länge der Faseroptik kann sich jedoch unterscheiden.
Ist Kantenerfassung nur für die Papierindustrie relevant?
SensoWeb Edge von Sensorik Austria
Sensorik Austria bietet mit SensoWeb Edge faseroptische Sensorik zur berührungslosen Bahnkantenerfassung – von der Papierbahn über Pressen- und Trockensiebe bis zu weiteren Bahnverarbeitungsprozessen außerhalb der Papierindustrie. Für mitlaufende Regelungen, wie sie bei Siebverlaufreglern benötigt werden, steht mit SensoWeb Edge-A die analoge Ausführung mit kontinuierlichem Positionssignal für eine mitlaufende Positionsanpassung zur Verfügung.