DE4433593A1 - Verfahren zur Regelung einer Arbeitsmaschine und danach arbeitende Regelung sowie ein Sensor hierzu - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung, insbeson­ dere eines Extruders nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so­ wie eine, nach diesem Verfahren arbeitende Regelung sowie einen on line Sensor hierzu. Sie betrifft vor allem solche Arbeitsmaschinen, deren Steuerung und Regelung von zumeist mehreren subjektiven Entscheidungsgrößen beeinflußt wird, insbesondere die Regelung von Extrudern zur Herstellung von Lebensmitteln einerseits und das Konstanthalten durch eine oder mehrere on line Meßgrößen andererseits.

Die Steuerung bzw. Regelung eines Extruders unterliegt einer Vielzahl von Einflußgrößen. Extrusionsprodukte werden hin­ sichtlich Quantität und Qualität von verschiedensten Eingangsgrößen beeinflußt. Hieraus ergeben sich vielfältige Variationen von Stellgrößen, die in hohem Masse von der Er­ fahrung und der Einfühlung des jeweiligen Bedienpersonals ab­ hängen. Vor allem die Extrudierung neuer Produkte erfordert einen hohen Einstellungsaufwand ausgehend von bekannten Arbeitspunkten mit ähnlichen Produkten. Da die Charakteristik der Regelstrecken wesentlich von der Extruderkonfiguration abhängt, geschieht dies weitgehend nach dem Prinzip "trial and error". Ist ein gesuchter Arbeitspunkt erreicht, kann dieser nach einer gewissen Lernphase stabilisiert/optimiert werden. Diese Vorgehensweise ist notwendig, da aus den Erfah­ rungen einer bestimmten Extruderkonfiguration und bekannten Rezepturen nicht eindeutig auf das Verhalten in einem neuen Arbeitspunkt geschlossen werden kann.

Das Bedienpersonal arbeitet üblicherweise in einem mehrdimen­ sionalen Regelraum mit mehreren Stellgrößen. Im allgemeinem ist der Mensch nicht in der Lage, diesen Regelraum in Echt­ zeit zu überblicken. Erfahrungen und Beobachtungen sind meist nur auf zwei Dimensionen erstreckbar, was eine optimale Rege­ lung ausschließt.

Seit langem wird daher versucht, diese komplizierten Steue­ rungs- und Regelungsfunktionen zu automatisieren. Aufgrund der Fülle von Einflußgrößen konnte dies bisher nur unvoll­ kommen und mit sehr hohem Aufwand realisiert werden, da eine geschlossene, mathematische Beschreibung des Extrusionsvor­ ganges von Lebensmitteln mit genügender Präzision in der Vielzahl seiner Parameter nicht existent ist.

Für Regelvorgänge mit komplexen Wirkzusammenhängen oder mit problematischer Ermittlung von Kenngrößen (Eingang) sind be­ reits sogenannte Fuzzy-Regler, z. B. aus der EP-A-355753 und der EP-B-290999, bekanntgeworden, die jedoch durch eine auf­ wendige Signalverarbeitung gekennzeichnet sind.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regelung einer Arbeitsmaschine zu entwickeln, das eine Optimierung und Stabilisierung bzw. adaptive Anpassung eines Arbeitspunktes, insbesondere bei einem Extruder zur Extrusion von Lebensmitteln ermöglicht. Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Aufgabe der Erfindung besteht des weiteren darin, für produktspezifi­ sche Regel strecken Regler mit der vorhandenen Datenbasis zu generieren. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitende Regler und Code-Generatoren, d. h. die zur Erstellung solcher Regler notwendigen Hilfsmittel zu schaffen, die eine Optimierung und Stabilisierung eines gefundenen Arbeitspunktes ermöglicht. Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen der An­ sprüche 7 und 8 gelöst. Der erfindungsgemäße Viskositätssen­ sor ist in Anspruch 9 offenbart.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen offenbart.

Ausgangspunkt der Erfindung ist die Überlegung, daß, insbe­ sondere bei der Herstellung von Lebensmitteln die Beurteilung der Produktqualität von vielen subjektiven Entscheidungskri­ terien beeinflußt wird, wobei diese Kriterien zumeist nur durch menschliche Sinne determiniert sind. Sie sind in hohem Maß von Expertenwissen abhängig und/oder müssen nach Versu­ chen durch sensorische und analytische Beurteilung ermittelt werden. Die Fülle der zu ermittelnden Daten ist so umfang­ reich (mehrdimensional), daß die Erstellung einer Regelung gerechtfertigt ist. Durch die Verbindung von Produktqualität und Stellgrößen kann die Regelstrecke als "black box" be­ trachtet werden. Hierbei werden scheinbare Zusammenhänge dar­ gestellt, die den wirklichen nicht zwingend entsprechen müs­ sen. Wie auch beim menschlichen Denken besteht kein Anspruch auf die wirklichen physikalischen Zusammenhänge. Mittels eines üblichen Rechnersystems werden die Zusammenhänge umge­ kehrt und Stellgrößen in Abhängigkeit von der gewünschten Produktqualität und on line Meßgrößen angeboten. Die Er­ stellung erfolgt in einer Programmiersprache sowie ihre Inte­ gration in eine konventionelle Maschinensteuerung (Sollwert- Vorgabe). Aus dem bekannten Stand der Technik heraus ist es nicht offensichtlich, durch Versuchsplanung und Abfahren eines Kennfeldes und Überspringen von Systemparametern den Einfahraufwand eines Extruders drastisch zu reduzieren (Parameterreduzierung).

Es ist selbstverständlich, daß alle Daten für weitere Unter­ suchungen oder technische Anwendung gespeichert werden.

Zur Erstellung eines solchen ersten Systems können verschie­ dene Versuchsdesign gewählt werden.

Die Integration eines Viskositätssensors ermöglicht eine Re­ gelung (Betriebspunktstabilisierung) mit on line Meßgrößen. Derartige Meßgrößen sind die Produkttemperatur und der Druck vor der Düse, die spezifische, mechanische Energieein­ leitung, insbesondere die viskosen Eigenschaften und ggf. auch die Verweilzeit.

Ein solcher Viskositätssensor ist in an sich bekannter Weise zwischen Schneckenspitze und Düse installiert und ermöglicht die Messung der Fließ- und Viskositätskurve unter Produk­ tionsbedingungen (ganzer Produktstrom oder Teilstrom). Der Viskositätssensor stellt somit einen Hauptteil der Regel­ strecke dar.

Die Produkteigenschaften werden durch die gewählte Vorgehens­ weise (Rechenmethode) eindeutig den on line Meßgrößen zuge­ ordnet und umgekehrt. Die Stellgrößen sind eindeutig als Funktion, Regressionsgleichung, Fuzzysystem oder neuronales Netz der on line Meßgrößen beschreibbar:

x, m, n, Td, TG = f(p, T, SME, t, ⁿ).

Bei Abweichungen von einer oder mehrerer abhängigen Größen werden die unabhängigen Variablen angepaßt.

Mit den vorhandenen Daten ist es weiterhin möglich, eine ent­ sprechende Automatisierung vorausgesetzt, für weitere, pro­ duktspezifische Regelstrecken entsprechende Regelungen zu adaptieren, d. h. für jede Regelstrecke quasi "auf Knopf­ druck" einen Regler zu generieren. In einem adaptiven System (lernfähig mit nichtlinearer Abbildung der Regelstrecke) kön­ nen während der Produktion gefahrene Punkte in die Systembil­ dung einbezogen werden, so daß dieses erweitert oder an ver­ änderte Bedingungen angepaßt werden kann.

Neben der genannten unscharfen Logik (Fuzzy) und der Regres­ sion können die Wirkzusammenhänge prinzipiell auch durch neu­ ronale Netze oder mathematische Modellierung dargestellt wer­ den. Eine derartige Modellierung ist jedoch sehr aufwendig und läßt zudem eine Darstellung als "black box" nicht zu (neuronale Netze ausgenommen).

Die erfindungsgemäße Anwendung zeigt als wesentlichen Vor­ teil, die Erfahrungen des Bedienpersonals in einer aufwands­ armen und damit kostengünstigen Regelung zu automatisieren. Wie bekannt zeigte sich, daß die Fuzzy-Logic sehr gut ge­ eignet ist, Prozesse mit komplizierten Wirkzusammenhängen wie z. B. an Extrudern mit bezahlbarem Aufwand zu regeln. Es ist möglich, auf eine genaue mathematische Modellierung der Re­ gelstrecke zu verzichten und eine Regelcharakteristik für jeden neuen Arbeitspunkt einer vorgegebenen Extruderkonfigu­ ration zu erstellen. Linguistische Daten zur Erreichung eines Arbeitspunktes werden "fuzzyfiziert". Es entsteht kein dyna­ misches System beim Anfahren und es ist scheinbar langsamer als konventionelle Logik, jedoch schneller und vor allem sicherer und reproduzierbarer arbeitend, als dies dem Men­ schen möglich ist.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben. Die zugehörige Zeichnung zeigt einen Vis­ kositätssensor in einer Prinzipdarstellung.

Die besondere Schwierigkeit bei der Regelung des Extrusions­ vorganges liegt darin, daß sich die Erfahrungen des Bedien­ personals stets auf eine bestimmte Extruderkonfiguration für genau vorgegebene Rezepturen bei einem bestimmten Arbeits­ punkt beschränken. Diese Erfahrungen sind nicht eindeutig auf andere Produkteinstellungen übertragbar, die Charakteristik der Regelstrecke ändert sich von Punkt zu Punkt. Es ist so nicht möglich, eine Regelung zu konzipieren, die jeden belie­ bigen Extrusionsvorgang zu regeln vermag. Es ist daher zunächst erforderlich, Daten und Erfahrungen über die Wirkzu­ sammenhänge zwischen Stellgrößen (z. B. Drehzahl, Masse­ strom, Wassergehalt) und Produktkriterien (z. B. Farbe, Lös­ lichkeit, Expansionsgrad) zu ermitteln, z. B. durch Abfahren verschiedener Konfigurationen am Extruder. Hierzu werden die einzelnen Stellgrößen so variiert, daß der Regelraum, in dem sich der oder die gesuchten Arbeitspunkte befinden, abge­ deckt wird. An spezifischen Punkten werden Stichproben des Produkts entnommen und an Hand von Produktkriterien klassifi­ ziert. Gemessen werden on line Größen. Mittels derartiger "Stützstellen" werden Bereiche festgelegt, in denen sich die gesuchten Arbeitspunkte befinden.

In einer ersten Regelungsstufe erfolgt eine Annäherung an den gewünschten Arbeitspunkt. Die gewünschte Kombination der Pro­ duktkriterien wird als absolute Größe an einen Regler ange­ legt und dieser generiert absolute Stellgrößen als Ausgangs­ signal. Der Extruder wird daraufhin aus dem Stand via vorge­ gebener Rainbowfunktion in den vorgegebenen Arbeitspunkt ge­ fahren (Rampen). Gleichzeitig wird um den Arbeitspunkt herum in an sich bekannter Weise ein Wirkmodell erstellt, welches in diesem Bereich die Zusammenhänge zwischen der Veränderung einer on line Meßgröße und Stellgröße und der daraus re­ sultierenden Änderungen der Produktkriterien beschreibt.

Befindet sich der Extruder im gewünschten Arbeitspunkt, er­ folgt in einer zweiten Regelungsstufe eine Annäherung an den optimalen Arbeitspunkt auf Grund von Produktkriterien an Hand linguistischer Begriffe. Ein Fuzzy-Regler erzeugt aus diesen Angaben inkrementelle Eingangsgrößen. Damit kann sich das System beliebig (im Gegensatz zu absoluten Stellgrößen) nah an einen optimalen Arbeitspunkt herantasten, es ist weiterhin nicht erforderlich, Nichtlinearitäten der Regelstrecke zu be­ achten. Bei genügend kleinen Inkrementen folgt der Regler automatisch jedem nichtlinearen Kurvenverlauf.

Zur Stabilisierung des Betriebspunktes kann eine dritte Rege­ lungsstufe eingesetzt werden. Ihr Zweck besteht darin, die in der zweiten Regelungsstufe gemessenen on line Meßgrößen stabil zu halten und somit die Produktqualität zu stabilisie­ ren. Dies ist möglich, da die Qualitätskriterien des Produkts und die on line Meßgrößen eindeutig aufeinander abbildbar sind. Die Stellgrößen werden bei Änderungen der on line Meßgrößen in einem dynamischen System bei einem Abdriften derart angepaßt, daß die on line Meßgrößen wieder auf ihre ursprünglichen Werte gesetzt werden.

Bei gezielter Veränderung des Betriebspunktes aus der zweiten Regelungsstufe werden die Sollwerte (on line Meßgröße) aus der dritten Regelungsstufe angepaßt und auf den neuen Werten erneut stabilisiert.

Der verwendete Viskositätssensor kann in an sich bekannter Weise sowohl keilförmig als auch in Stufen ausgebildet sein, wie dies z. B. in der DE-OS 42 20 157 beschrieben ist. Die in der Figur dargestellte Keilform stellt eine vereinfachte Kon­ struktion dar, die jedoch zur on line Messung vollumfänglich (extruderunabhängig) geeignet ist. Hierzu ist in einem Extru­ der 1 ein in line Viskositätssensor 2 in an sich bekannter Weise und in einer an sich bekannten Anordnung zwischen einer Schneckenspitze 3 und einer Düse 4 des Extruders 1 instal­ liert.

Es ist unvermeidlich, für jedes zu extrudierende Produkt einen speziellen Regler zu entwickeln. Dies gestattet ande­ rerseits, die Regler nach einem bestimmten Algorithmus zu er­ zeugen.

Die Codegenerierung erfolgt in einem separaten Vorgehensmu­ ster dergestalt, daß ein spezifischer Regelraum manuell ab­ gefahren wird und eine Klassifizierung der gewonnenen Daten erfolgt. Auf Basis dieser Informationen wird ein Vektor der Produktkriterien eingegeben und ein spezieller Regler zur Optimierung und Stabilisierung des Arbeitspunktes erzeugt. Dieser kann dann direkt in die bereits bestehende Regelungs­ umgebung integriert werden.

Das Bedienpersonal kann so den Extruder auf Grund visueller Produktbeurteilung mit linguistischen Variablen einfach opti­ mieren und damit on line Meßgrößen stabilisieren.

Claims (9)

1. Verfahren zur Regelung einer Arbeitsmaschine unter Ver­ wendung statistischer und mathematischer bzw. informations­ technischer Verfahren sowie an sich bekannter Maschinensteue­ rungen,
dadurch gekennzeichnet, daß

• - an Hand von Versuchsdaten und/oder Expertenwissen Daten für Sollwertvorgaben einer Regelung für eine Maschinen­ steuerung erstellt werden, deren Stellgrößen von einer subjektiv vorbestimmten und sensorisch oder analytisch kontrollierten Produktqualität abhängen und
• - mittels dieser Sollwertvorgaben ein Arbeitspunkt optimiert und stabilisiert wird und
• - ein Regler erstellt und in die Maschinensteuerung inte­ griert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach einer Eingabe und Speicherung der ermittelten Daten automatisiert Regelungen für spezifische Regel strecken adap­ tiert und spezifische Regler generiert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelgrößen und die Stell­ größen als linguistische Variablen mittels einer Logik ver­ arbeitet und zur Annäherung an einen optimalen Arbeitspunkt sowie dessen Stabilisierung verwendet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß, ausgehend von bekannten Maschinendaten und ermittelten Pro­ zeßdaten zu verändernde Stellgrößen generiert werden und danach in an sich bekannter Weise ein produktspezifischer Regler erstellt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erstellung bzw. Generierung eines Reglers mittels Regres­ sion, Fuzzy oder neuronaler Netze erfolgt.

6. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsmaschine ein Extruder ist.

7. Regler zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler ein prozeßregelnder Fuzzy- oder anderer Regler ist.

8. Code-Generator zur Ausführung des Verfahrens nach An­ spruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Code-Generator in die Regelungsumgebung integriert ist.

9. Extruder zur Herstellung von Lebensmitteln, dadurch gekennzeichnet, daß ein in line Viskositätssensor (2) in an sich bekannter Weise zwischen einer Schneckenspitze (3) und einer Düse (4) des Extruders (1) installiert ist.