DE102015012474A1

DE102015012474A1 - Presskraftregelung von Walzenpressen zur Kompaktierung von Kleinstmengen und Walzenpresse dafür

Info

Publication number: DE102015012474A1
Application number: DE102015012474.9A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Fahrer; Karlheinz Stäbe
Original assignee: Hosokawa Alpine AG
Current assignee: Hosokawa Alpine AG
Priority date: 2015-09-29
Filing date: 2015-09-29
Publication date: 2017-03-30
Anticipated expiration: 2035-09-30
Also published as: DE102015012474B4

Abstract

Bei einem Verfahren zur Regelung der Walzenpresskraft von Walzenpressen mit zwei gegensinnig rotierenden Walzen mit regelbarer Walzendrehzahl und regelbarem Walzenspalt sowie mit einer oder mehreren Verdichterschnecken mit regelbarer Drehzahl zur Materialzufuhr in die Walzenpresse soll die Walzenpresse so geregelt werden, dass Schülpen mit konstanter Schülpendichte erzielt werden und der Anfahrprozess möglichst kurz und ohne große Materialverluste gehalten wird. Dies wird dadurch erreicht, dass das System aus Walzenpresse und Verdichterschnecke bei geschlossenem Walzenspalt und langsamer Walzendrehzahl angefahren wird und auf konstante Walzenpresskraft eingeregelt wird. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur Regelung der Walzenpresskraft von Walzenpressen mit zwei gegensinnig rotierenden Walzen mit regelbarer Walzendrehzahl und regelbarem Walzenspalt sowie mit einer oder mehreren Verdichterschnecken mit regelbarer Drehzahl zur Materialzufuhr in die Walzenpresse und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Zur Optimierung der Ausstoßleistung von Tablettenpressen hat sich in den vergangenen Jahren die Trockengranulierung in der pharmazeutischen Industrie etabliert. Dabei werden Walzenpressen für die Verdichtung des pharmazeutischen Gemisches genutzt. Die zu verarbeitenden Materialien sind in der Regel Gemische aus mehreren Materialkomponenten.
Die Walzenpresse besteht aus einer Materialzuführung meist mit Verdichterschnecke und den Kompaktierwalzen. Die beiden gegenläufig rotierenden Walzen verdichten das pharmazeutische Gemisch und pressen es zusammen. Das so entstandene Kompaktat, auch Schülpe genannt, wird anschließend mit einer Siebmühle zerkleinert. Das so entstandene Granulat wird in dieser Form direkt zur Tablettenpresse gefördert oder aber durch Siebung in der Kornverteilung noch optimiert, indem der Feinanteil abgetrennt und der Walzenpresse rückgeführt wird.
Ein wichtiges Qualitätsmerkmal ist eine gleich bleibende Dichte der Schülpe. Die Dichte der Schülpe wird durch die anliegende Presskraft in der Walzenpresse bestimmt. Ist die Dichte zu gering oder zu hoch, stimmt die Qualität der fertigen Tablette nicht. Bei zu niedriger Presskraft, variiert das Gewicht der einzelnen Tablette. Bei zu hoher Presskraft kommt es zum sogenannten „Deckeln”, d. h. das Kompaktat wird durch Lufteinschlüsse nach Verlassen der Walzenpresse in seiner Mittelebene gesprengt. Beim Betreiben der Walzenpresse ist also auf eine möglichst konstante Presskraft während der Produktion zu achten.
Um diese Schülpendichte in der Produktion konstant zu halten, wird standardmäßig die Presskraft über im Maschinenrahmen integrierte Kraftaufnehmer erfasst. Durch Regeln der Drehzahl der Verdichterschnecke wird letztlich im kontinuierlichen Betrieb der Volumenstrom zum Walzenspalt konstant gehalten und damit auch die Dichte der Schülpe.
Für bestimmte Granulatkörnungen ist es wichtig die Spaltweite einstellbar auszuführen. Hier hat sich in der Vergangenheit entweder einen mechanische Verstellung oder eine hydraulische Verstellung etabliert. Die mechanische Spalteinstellung kann aber nicht während des Betriebes vorgenommen werden. Die hydraulische Spaltverstellung hat den Nachteil, dass eventuell Hydrauliköl bei Leckage in das Produkt gelangen kann. Zudem ist eine hydraulische Spaltverstellung im Betrieb relativ träge und reagiert nicht sofort.
Speziell beim Anfahren und beim Abfahren einer Produktionsanlage und damit einer Walzenpresse ist der Füllstand mit Material oberhalb des Walzenstandes im Vergleich zum kontinuierlichen Betrieb zu niedrig. Dadurch bedingt ist der statische Vordruck der Materialsäule deutlich niedriger und damit die Schüttdichte des Aufgabegutes zur Walzenpresse.
Im Patent DE 40 41 316 A1 wird eine Regelungsmöglichkeit beschrieben, die den Betrieb einer Gutbett-Walzenmühle für diesen Fall ermöglicht. Hier wird der Massenstrom in die Maschine geregelt, um die Leistungsaufnahme des Antriebes konstant zu halten. Zudem wird bei zu starker Abweichung der Leistungsaufnahme vom Sollwert zusätzlich die Presskraft geändert. Es wird keine Messung der Presskraft vorgenommen. Nachteilig ist, dass es hier zu starken Abweichungen in der Schülpendichte kommen kann.
Aus dem Patent DE 29 50 072 C2 ist bekannt, dass die Nennbelastung des Walzenantriebes (Stromaufnahme des Antriebsmotors) über die Anpassung der Walzendrehzahl bzw. der Verdichterschneckendrehzahl konstant gehalten wird. Nachteilig ist auch bei diesem Verfahren, dass keine direkte Erfassung der Presskraft erfolgt.
Vom Patent DE 101 06 856 A1 ist bekannt, dass Abweichungen der Antriebs- und Bewegungsparameter erfasst und entsprechend über die Nachstellung der Presskraft konstant gehalten werden. Die Veränderung der Presskraft führt zu unterschiedlichen Dichten im engsten Walzenspalt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Lösung zu schaffen, die es ermöglicht, eine Walzenpresse so zu regeln, dass Schülpen mit konstanter Schülpendichte erzielt werden und der Anfahrprozess möglichst kurz und ohne große Materialverluste ausgeführt wird sowie eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein System aus Walzenpresse und Verdichterschnecke bei geschlossenem Walzenspalt und langsamer Walzendrehzahl angefahren wird und auf konstante Walzenpresskraft eingeregelt wird.
Bei Walzenpressen sollen Prozessgrößen, wie Walzenpresskraft, Walzenspalt und Durchsatz eingestellt und über den Prozess konstant gehalten werden, um Schülpen gleicher Schülpendichte zu erzielen. Gleichzeitig besteht die Forderung, beim Anfahren möglichst schnell und ohne großen Materialverlust die validierten Eigenschaften zu erreichen. Die Presskraft soll im allen Arbeitsbereichen, wie Anfahren- und Abfahren aber auch während des kontinuierlichen Betriebs konstant gehalten werden.
Erfindungsgemäß wird die Schülpendichte über die Walzenpresskraft geregelt. Die Walzenpresskraft wird über am Pressenrahmen der Walzenpresse integrierte Kraftaufnehmer erfasst und ausgewertet. Die Spaltweite des Walzenspaltes wird über Wegaufnehmer gemessen und ausgewertet. Die Spaltverstellung an der Walzenpresse ist mechanisch/elektrisch realisiert. Über eine Spindel und einen Servoantrieb wird der Walzenspalt stufenlos eingestellt. Die Walzenpresse wird über mindestens eine Verdichterschnecke mit Material versorgt. Die Walzenpresse wird bei geschlossenem Walzenspalt und mit langsamer Walzendrehzahl angefahren und auf konstante Walzenpresskraft eingeregelt.
Die Walzenpresskraft kann über verschiedene Stelleingriffe wie Verdichterschneckendrehzahl, Walzenspalt und Walzendrehzahl beeinflusst wird.
Gleichzeitig werden über diese Stelleingriffe teilweise die übrigen Prozessgrößen ungewollt verändert. In der klassischen Regelungstechnik wurden deshalb Entkoppelungsregler eingesetzt, um diesen Effekt zu vermeiden.
Erfindungsgemäß wird ein Fuzzy-Tool eingesetzt, um die Sollwerte für die Stelleingriffe zu generieren. Zur Fuzzifizierung wird ein Zugehörigkeitsvektor bestehend aus:

– Verdichterschneckendrehzahl
– Abweichung der Walzendrehzahl vom Stellwert
– Abweichung der Walzenpresskraft vom Stellwert
– Abweichung des Walzenspalts vom Stellwert

Auf Basis dieses Zugehörigkeitsvektors wird in der Inferenz die Regelbasis, bestehend aus 81 Tabellenspalten, die Schlussfolgerungen für die Stellgrößen gebildet. Im letzten Schritt, der Defuzzifizierung, werden aus diesen Schlussfolgerungen scharfe Aussagen für die Stellgrößen gewonnen.
Mit diesem Konzept ist es möglich, bei geschlossenem Walzenspalt und langsamer Walzendrehzahl den Prozess anzufahren. Die Verdichterschnecke führt die Walzenpresskraft nach. Sobald der Sollwert der Walzenpresskraft erreicht ist, wird der Spalt langsam geöffnet und die Walzendrehzahl langsam gesteigert. Die Verdichterschnecke fährt in jedem Fall nach. So wird der gewünschte Betriebspunkt erreicht. Priorität hierbei hat die Walzenpresskraft, danach der Walzenspalt gefolgt vom Durchsatz (Walzendrehzahl).
Mit dieser Methode können auch Kleinstmengen von wenigen Gramm mit validierten Werten (Presskraft und damit Schülpendichte) verlustfrei in Walzenpressen kompaktiert werden.
Bei Erreichen des Betriebspunktes kann, wenn gewünscht, automatisch der maximale Durchsatzpunkt gesucht und angefahren werden. Solange die Verdichterschnecke noch den Walzenspalt halten kann, wird die Walzendrehzahl gesteigert.
Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht aus einer Walzenpresse mit mindestens einer Verdichterschnecke zur Materialzuführung in den Walzenspalt der Walzenpresse. Die Verdichterschnecke ist in ihrer Drehzahl regelbar um den Materialdurchsatz einzustellen. Die Walzenpresse ist in der Walzenpresskraft regelbar, indem die Drehzahl der Verdichterschnecke gefolgt von der Einstellung des Walzenspaltes und gefolgt von der Einstellung der Walzendrehzahl eingeregelt wird. Die Walzenpresse kann so bei geschlossenem Walzenspalt und langsamer Walzendrehzahl angefahren werden und auf konstante Walzenpresskraft eingeregelt werden.
Die Spaltverstellung an der Walzenpresse erfolgt dabei elektromechanisch über eine Spindel und einen Servoantrieb. Der Pressenrahmen der Walzenpresse weist integrierte Kraftausnehmer zur Messung der Walzenpresskraft auf. Der Walzenspalt wir über Wegaufnehmer gemessen.
Die Regelung der Walzenpresskraft basiert auf Fuzzy-Logik.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4041316 A1 [0008]
DE 2950072 C2 [0009]
DE 10106856 A1 [0010]

Claims

Verfahren zur Regelung der Walzenpresskraft von Walzenpressen mit zwei gegensinnig rotierenden Walzen mit regelbarer Walzendrehzahl und regelbarem Walzenspalt sowie mit einer oder mehreren Verdichterschnecken mit regelbarer Drehzahl zur Materialzufuhr in die Walzenpresse dadurch gekennzeichnet, dass, das System aus Walzenpresse und Verdichterschnecke(n) bei geschlossenem Walzenspalt und langsamer Walzendrehzahl angefahren wird und auf konstante Walzenpresskraft eingeregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass, durch Drehzahländerung der Verdichterschnecke die Walzenpresskraft nachgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass, nach Erreichen des Sollwerts der Walzenpresskraft, der Walzenspalt geöffnet und Walzendrehzahl langsam gesteigert wird, wobei die Verdichterschneckendrehzahl nachgeregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass, zuerst die Walzenpresskraft gefolgt von dem Walzenspalt und gefolgt von der Walzendrehzahl eingeregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass, die Regelung auf Fuzzy-Logik basiert.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass, der Zugehörigkeitsvektor aus: – Verdichterschneckendrehzahl – Abweichung der Walzendrehzahl vom Stellwert – Abweichung der Walzenpresskraft vom Stellwert – Abweichung der Walzenspalt vom Stellwert besteht.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 6 mit Walzenpresse mit zwei gegensinnig rotierenden Walzen mit regelbarer Walzendrehzahl und regelbarem Walzenspalt sowie mit einer oder mehreren Verdichterschnecken mit regelbarer Drehzahl zur Materialzufuhr in die Walzenpresse dadurch gekennzeichnet, dass, das die Walzenpresse über eine Regelung der Walzenpresskraft durch Regelung der Drehzahl der Verdichterschnecke, des Walzenspaltes und der Walzendrehzahl bei geschlossenem Walzenspalt und langsamer Walzendrehzahl angefahren wird.
Vorrichtung nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltverstellung an der Walzenpresse elektromechanisch über eine Spindel und einen Servoantrieb erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 7 und 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Walzenpresskraft über am Pressevrahmen intergierte Kraftaufnehmer erfasst wird und
Vorrichtung nach Anspruch 7 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltweite des Walzenspaltes über Wegaufnehmer gemessen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 7 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass das die Regelung des Walzenpresskraft auf Fuzzy-Logik basiert.