DE19931181A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Optimierung der Prozessführung sowie Prozessüberwachung in einer Anlage zur Schokoladeherstellung - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Optimierung der Prozessführung sowie Prozessüberwachung in einer Anlage zur SchokoladeherstellungInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Optimierung der Prozessführung sowie Prozessüberwachung in einer Anlage zur Schockoladenherstellung, insbesondere zur Herstellung von Schockoladen-, Überzugs- und Füllmassen oder dergleichen. DOLLAR A Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass eine automatische, sich selbst kontrollierende und regulierende Produktqualitäts- und Prozessparameterregelung mittels Intelligenter Software Technologien und Online Sensoren, übergeordnet zum traditionellen Leitsystem und Liniensteuerung, während des Herstellungsprozesses von Schockolade eingesetzt wird. Die Prozessführung und Prozessüberwachung erfolgt über alle und in allen Teilprozessen (Verfahrensstufen). DOLLAR A Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung der Prozessführung, sowie Pro
zessüberwachung in einer Anlage zur Schokoladen, - Füll und Überzugsmassenher
stellung, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Die industrielle Herstellung von Schokoladenmassen erfolgt bereits bei Teilprozes
sen wie z. B. bei Walzverfahren auf einem hohen Stand der Automatisierung. So be
schreibt die EP-A- 0 129 892 B1 ein Verfahren zur automatischen Feinheitsregelung
beim Feinwalzwerk. Weiterhin beschreibt die DE 42 43 262 ein Verfahren zur Rege
lung der Vermahlung, sowie Anlage zur Durchführung des Verfahrens.
Der technische Ablauf und teilweise die Verfahrensparameter sind als Steuerungs
daten verfügbar. Anlagesteuerungen ermöglichen Ablaufsteuerungen entsprechend
nach gewählten Prozessen und auch eine Visualisierung des Anlagenzustandes.
Hinsichtlich der Sensoren sind z. B. Temperatur- und Feuchtesensoren, Drehzahlge
ber (kein Sensor sondern Aktor!) oder Drucksonden bekannt. Jedoch können auf
grund unterschiedlicher Rohstoffwerte, des Maschinenverschleisses oder Abwei
chungen bei den Sensoren schwerlich On-Line Optimierungen vorgenommen wer
den. Bekannte Problembereiche liegen beim Rohstoff (Totalfettgehalts-, Freifettge
haltsschwankungen bei Kakaomassen und Milchpulver u. a.), auch in Verbindung mit
der Qualifikation des Bedienpersonals, nicht konstanten Maschineneigenschaften
und anderen.
Die DE-44 33 593 A1 zeigt ein Verfahren zur Regelung eines Extruders, wobei an
hand von Versuchsdaten oder Expertenwissen Sollwertvorgaben einer Regelung er
stellt werden, deren Stellgrössen von der Produktqualität abhängen. Mittels dieser
Sollwertvorgaben wird ein Arbeitspunkt optimiert und stabilisiert und es wird ein in die
Maschinensteuerung integrierter Regler erstellt. Dieser Regler kann ein prozessre
gelnder Fuzzy-Regler sein. Nach einer Eingabe und Speicherung der ermittelten
Daten werden automatisiert Regelungen für spezifische Regelstrecken adaptiert und
spezifische Regler generiert. Letzteres unter Verwendung von Code-Generatoren,
die in die Regelungsumgebung integriert sind.
Die DE-197 34 711 C1 beschreibt einen Regler mit zeitdiskreten, dynamischen Fuz
zy-Regelgliedern, bei denen gezielt Nichtlinearitäten für ein gewünschtes Regelver
halten einbringbar sind.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Optimierung der Prozessführung
von einzelnen Teilprozessen in einer Anlage zur Herstellung von Schokoladen-,
Überzugs- und Füllmassen o. dgl. zu entwickeln, das eine verbesserte Feinheitsre
gelung, sowie Prozessüberwachung mit Hilfe des Einsatzes von intelligenten Soft
ware-Technologien ermöglichen. Insbesondere soll eine einfachere Regeleinstellung
und eine Verringerung der Fehlproduktion erreicht werden. Die Lösung der Aufgabe
erfolgt anhand der Merkmale des Anspruches 1.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen des Anspruches 1, mittels des
Einsatzes von intelligenten Software-Technologien, wie z. B. eines virtuellen Sensors
(auch "Soft-Sensor") für die Produktkonsistenz für den Mischer und das Feinwalz
werk und der Conche mit einer Regelung des Druckes bzw. Spaltes im Vorwalzwerk,
sowie Dosiermenge an Fett im Mischer oder der Conche. Es ist möglich, die Endpro
duktkonsistenz und andere Produkteigenschaften sowie Prozessparameter in den
zulässigen Grenzen zu halten. Bisher war es nicht möglich, Informationen über den
Produktzustand nach dem Mischer bzw. Vorwalzwerk zu erhalten. Mittels On-line-
Schichtdickenmessgerät auf der 5. Walze des Feinwalzwerkes kann zudem die
Endfeinheit des Produktes geregelt werden.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass die einzelnen Teilprozesse vonein
ander abhängen und eine punktweise Optimierung wenig erfolgversprechend ist.
Grundlage sind die Wechselwirkungen zwischen Produkteigenschaften und Maschi
nenverhalten. Hierbei werden Modelle zwischen den Prozessparametern (Maschi
neneinstellungen, Rohstoffe, Rezeptmischungen) und den Produkteigenschaften
(z. B. Temperatur, Freifettgehalt, Feinheit) mittels statistischen und intelligenten Soft
ware-Technologien erstellt.
Intelligente Software Technologien (auch "Soff Computing") umfassen Technologien
wie Expertensysteme, neuronale Netze, Fuzzy Logik und genetische Algorithmen
(Evolutionäre Algorithmen). Diese sind z. B. im Artikel "Soff Computing in der Auto
mation" von P. Auer, Elektronik 34/1998 beschrieben.
Durch die Kombination dieser Technologien (z. B. Neuro-Fuzzy) entstehen hybride
Modelle, welche sowohl das bereits vorhandene Expertenwissen (z. B. mit Fuzzy-
Regeln), als auch experimentelle Daten (welche z. B. mittels statistischer Versuchs
planung und Prozessversuchen erzeugt und in neuronalen Netzen modelliert wer
den) berücksichtigen können. Ausserdem werden diese Modelle mit konventionellen,
analytischen Modellen (z. B. basierend auf physikalischen Modellen oder Regressi
onsrechnung) kombiniert und ebenfalls als Hybrid bezeichnet.
Insbesondere sind auch neue Methoden im Kommen, welche eine automatische Mo
dellgenerierung (z. B. automatische Generierung der Struktur und Parameter von
Neuronalen Netzen mittels z. B. genetischer Algorithmen oder automatische Generie
rung von Fuzzy-Regeln aus Prozessdaten) ermöglichen. Hiermit wird eine adaptive
Online-Modellanpassung einfacher möglich.
Mit Hilfe dieser Modelle ist eine Optimierung bzgl. Produkteigenschaften, Prozesspa
rametern und auch Kosten (Rohstoffkosten, Betriebskosten) möglich. Hierdurch wird
eine zielgerichtete, modelbasierte, adaptive Regelung möglich. Insbesondere können
hiermit auch nichtlineare Systeme besser geregelt werden.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfah
rens zu schaffen.
Das Ergebnis ist eine adaptive Regelung zur Herstellung von Schokoladenmassen
bzgl. Mischen/Kneten der Rohkomponenten und deren Vor- und Feinvermahlung,
wobei die Anlage personalunabhängiger gefahren werden kann. Adaptive Regelun
gen einfacher Vorgänge sind zwar bekannt, nicht jedoch auf derart komplexe Vor
gänge übertragbar.
Bereits vorhandene Sensoren können eingesetzt werden.
Zusätzlich sollen optimale Einzugsbedingungen beim Feinwalzwerk von gemischten
bzw. vorgewalzten Schokoladengut erreicht werden, um eine konstante Endpro
duktfeinheit bei maximaler spezifischer Durchsatzleitstung - ausgedrückt in kg/h/µm -
zu gewähren.
Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand einer Zeich
nung näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 den schematischen Ablauf in einer Schokoladeherstellungsanlage mit den
Teilprozessen Dosieren, Mischen, Walzen und Conchieren.
Fig. 2 den schematischen Ablauf in einer Schokoladenherstellungsanlage mit der
Anordnung von On-line-Sensoren.
Von verschiedenen Dosierelementen 1 für Fest- und Flüssigkomponenten gelangen
die Rohstoffe - wie z. B. Kristallzucker, Milchpulver, Kakaobutter, Kakaomasse - in
einen Mischer/Kneter 2, wo ein intensives Mischen und Kneten der Rohrstoffe zu
einem homogenen Mischgut erfolgt.
Nach Ende des Misch- und Knetvorganges wird das Produkt auf einen Vorbehälter 3
eines Vorwalzwerkes 4 gefördert bzw. ausgetragen. Das darunter liegende Vorwalz
werk 4 kalibriert das Produkt auf eine gewünschte Vorfeinheit, je nach Anwendung
zwischen 60 und 300 µm. Eine Homogenisierschnecke 5 unterhalb des Vorwalzwer
kes 2 kompaktiert und homogenisiert das vorgewalzte Produkt.
Anschliessend gelangt das vorgewalzte Produkt in den Einzugsspalt eines Fein
walzwerkes 6, wo mittels einer nicht dargestellten Einzugspassage und 3 folgenden
Mahlpassagen die Vermahlung auf die gewünschte Endfeinheit stattfindet. Ein
Schichtdickenmessgerät 7 auf der 5. Walze des Feinmahlwerkes 6 kontrolliert die
Endfeinheit und regelt die Einzugsverhältnisse mittels eines variablen Antriebes an
der 2. Walze.
Damit das Feinwalzwerk 6 mit einer guten Produktbelegung auf den Mahlwalzen
(hoher spezifischer Durchsatz) betrieben wird, dürfen die Drehzahlen an der Walze 2
nur innerhalb eines vorgegebenen Fenster variieren. Dieses Fenster ist eventuell
rezeptabhängig. Wird dieser Bereich verlassen, so muss der Druck bzw. Spalt am
Vorwalzwerk entsprechend verstellt werden. Dieses Regelprinzip wird eingehend in
DE-42 43 262 A1 beschrieben.
Zusätzlich wird hier der Regelvorgang am Vorwalzwerk 3 und am Mischer 2 ausge
führt. Der Verstellungsbereich von Druck bzw. Spalt im Vorwalzwerk muss sich in
nerhalb bestimmter Grenzen abspielen, damit sowohl die Parameter Feinheit wie
Plastizität - zusammengeführt unter dem Begriff Konsistenz - für das nachfolgende
Feinwalzwerk 6 stimmen. Dieses Fenster ist eventuell rezepturabhängig. Wird dieser
Bereich verlassen, so muss im Mischer 2 bei der nächsten Mischung die Fettzugabe
entsprechend verändert werden. In der Regel gilt: Bei zu hohen Spaltwert bzw. tiefen
Druckwert am Vorwalzwerk muss gegenüber einer vorgegebenen Rezeptur Fett zu
gegeben werden. Im entgegengesetzten Fall, d. h. zu tiefen Spalt bzw. zu hohen
Druckwert, muss etwas Fett herausgenommen werden.
1
Dosierelemente
2
Mischer
3
Vorbehälter
4
Vorwalzwerk
5
Homogenisierschnecke
6
Feinwalzwerk
7
On-line-Schichtdickenmessgerät
8
On-line-Sensor
Claims (20)
1. Verfahren zur Optimierung der Prozessführung sowie Prozessüberwa
chung in einer Anlage zur Schokoladeherstellung mit den Teilprozessen Dosieren,
Mischen, Walzen und Conchieren und mit einem Leitsystem und Liniensteuerung,
dadurch gekennzeichnet, dass eine automatische, sich selbst kontrollierende und
regulierende Produktqualitäts- und Prozessparameterregelung mittels Intelligenter
Software Technologien und Online Sensoren, übergeordnet zum traditionellen Leit
system und Liniensteuerung, während des Herstellungsprozesses von Schokolade
eingesetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pro
zessführung und Prozessüberwachung über alle und in allen Teilprozessen (Verfah
rensstufen) erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine
Konsistenzmessung für das Feinwalzwerk während der Bearbeitung erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rege
lung der Maschineneinstellparameter z. B. des Druckes bzw. Spaltes im Vorwalzwerk
(4) während der Bearbeitung erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rege
lung des Rezeptes, z. B. der Dosiermenge am Fett im Mischer (2) oder der Maschi
neneinstellparameter während der Bearbeitung erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mittels On-
line-Schichtdickenmessgeräts (7) zudem die Endfeinheit des Produktes geregelt
wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die End
feinheit an der fünften Walze des Feinwalzwerkes (6) geregelt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen
den Prozessparametern und Produkteigenschaften Modelle mittels statistischen und
intelligenten Software Technologien erstellt werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
dass für die Modellierung, Optimierung und Regelung neuronale Netze verwendet
werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeich
net, dass für die Modellierung, Optimierung und Regelung ein Fuzzy-System oder ein
Expertensystem verwendet wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeich
net, dass für die Modellierung, Optimierung und Regelung analytische Modelle ver
wendet werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeich
net, dass für die Modellierung, Optimierung und Regelung hybride Modelle verwen
det werden.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass für die
hybride Modelle Kombinationen der in den Ansprüchen 9 und 10 genannten Tech
nologien verwendet werden.
14. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass für die
hybride Modelle Kombinationen der in den Ansprüchen 9 bis 10 und 11 genannten
Technologien verwendet werden.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeich
net, dass für die Modellierung, Optimierung und Regelung genetische Algorithmen
oder andere Optimierungsalgorithmen verwendet werden.
16. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle
von On-Line Sensoren virtuelle Sensoren verwendet werden.
17. Vorrichtung zur Optimierung der Prozessführung sowie Prozessüber
wachung in einer Anlage zur Schokoladeherstellung mit den Teilprozessen Dosieren,
Mischen, Walzen und Conchieren zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1,
wobei die Vorrichtung eine Dosiereinheit (1), einen Mischer (2), einen Vorbehälter (3)
einen Vorwalzwerk (4), eine Homogenisierschnecke (5) sowie einen Feinwalzwerk
(6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheiten (1, 2), (3, 4, 5) und (6) On-
Line Sensoren (8) aufweisen.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der On-
Line Sensor (8) an der Einheit (1, 2) zur Erfassung von Füllungsgrad, Drehzahl, Mas
sentemperatur, Walzenspalt und Produktdurchsatz vorgesehen ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der On-
Line Sensor (8) an der Einheit (6) zur Erfassung von Endproduktfeinheit vorgesehen
ist.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17-19, dadurch gekennzeich
net, dass die On-Line Sensoren (8) mit einer Anlagensteuerung verbunden sind.
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