DE4433593B4

DE4433593B4 - Verfahren zur Regelung eines Extruders und Vorrichtung dazu

Info

Publication number: DE4433593B4
Application number: DE4433593A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dr. Van Lengerich; Richard Schaer; Peter Scheitlin; Erwin Sievi
Original assignee: Buehler AG
Current assignee: Buehler AG
Priority date: 1993-11-30
Filing date: 1994-09-21
Publication date: 2007-10-04
Anticipated expiration: 2014-09-22
Also published as: CH687047A5; DE4433593A1

Abstract

Verfahren zur Regelung eines Extruders (1) für die Herstellung von Lebensmitteln durch eine dreistufige Regelung unter Verwendung von Produktkriterien, wie z.B. Farbe, Löslichkeit oder Expansionsgrad, und online Messgrössen des Extruders (1), die eindeutig aufeinander abbildbar sind, wobei die Produktkriterien an einem Regler angelegt und als Ausgangssignal Stellgrössen, wie z.B. Drehzahl, Massestrom oder Wassergehalt, generiert werden, wobei
– in einer ersten Stufe eine Annäherung an den gewünschten Arbeitspunkt erfolgt, wobei die gewünschte Kombination der Produktkriterien als absolute Grösse an einen Regler angelegt wird und dieser absolute Stellgrössen als Ausgangssignal generiert,
– in einer zweiten Stufe eine Annäherung an den optimalen Arbeitspunkt aufgrund der Produktkriterien anhand linguistischer Begriffe erfolgt, indem ein Fuzzy-Regler aus diesen linguistischen Begriffen inkrementale Grössen erzeugt, um sich beliebig nah an den optimalen Arbeitspunkt heranzutasten, und
– in einer dritten Stufe zur Stabilisierung des Arbeitspunktes dient, wobei die in der zweiten Regelungsstufe gemessenen online Messgrössen stabil...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Extruders, eine nach diesem Verfahren arbeitende Regelung sowie einen on line Sensor hierzu. Sie betrifft vor allem solche Extruder, 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 hinsichtlich Quantität und Qualität von verschiedensten Eingangsgrössen beeinflusst. Hieraus ergeben sich vielfältige Variationen von Stellgrössen, die in hohem Masse von der Erfahrung und der Einfühlung des jeweiligen Bedienpersonals abhängen. 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 Erfahrungen einer bestimmten Extruderkonfiguration und bekannten Rezepturen nicht eindeutig auf das Verhalten in einem neuen Arbeitspunkt geschlossen werden kann.
Das Bedienpersonal arbeitet üblicherweise in einem mehrdimensionalen Regelraum mit mehreren Stellgrössen. Im allgemeinem ist der Mensch nicht in der Lage, diesen Regelraum in Echtzeit zu überblicken. Erfahrungen und Beobachtungen sind meist nur auf zwei Dimensionen erstreckbar, was eine optimale Regelung ausschliesst.
Seit langem wird daher versucht, diese komplizierten Steuerungs- und Regelungsfunktionen zu automatisieren. Aufgrund der Fülle von Einflussgrössen konnte dies bisher nur unvollkommen und mit sehr hohem Aufwand realisiert werden, da eine geschlossene, mathematische Beschreibung des Extrusionsvorganges 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 bereits sogenannte Fuzzy-Regler, z. B. aus der EP-A-355753, der WO-A-93/04839, der EP-B-290999, der JP-A-04319419 oder der JP-A-04199302 bekanntgeworden, die jedoch durch eine aufwendige Signalverarbeitung gekennzeichnet sind.
Die JP-A-04319419 beschreibt ein Extrusionsgiessverfahren, bei dem die Querschnittsform eines extrudierten Produktes gemessen wird. Diese Information wird zur automatischen Einstellung verschiedener optimaler Extrusionsbedingungen verwendet. Eine Messung der Viskosität des Produktes im Extruder und deren Zuordnung zu anderen Messgrössen erfolgt jedoch nicht.
Die WO-A-93/04839 beschreibt ein Verfahren zur Steuerung einer Spritzgiessmaschine für die Herstellung von Kunststoff-Spritzgussteilen. Dabei werden in einem Lernzyklus Kenndatenfelder ermittelt und gespeichert, welche die Abhängigkeit ausgewählter Qualitätsparameter der hergestellten Produkte von ausgewählten Einstellparametern der Maschine angeben. Zur Steuerung der Maschine unter Vorgabe der Qualitätsparameter als Zielgrössen werden Sollwerte bzw. Sollwertbereiche für mindestens zwei ausgewählte Qualitätsparameter in eine Steuerungseinrichtung eingegeben. Diese ermittelt dann anhand der gespeicherten Kenndatenfelder zumindest einen Satz ausgewählter Einstellparameter, für den gleichzeitig alle vorgegebenen Qualitätsparameter den jeweils vorgegebenen Sollwerten entsprechen bzw. in den vorgegebenen Sollwertbereich fallen.
Die DE-3526050, die DD-155935 und die DE-3636867 beschreiben jeweils ein Verfahren zur Regelung eines Extruders. In diesen Dokumenten werden klassische Regelungsstrategien verwendet.
Die DE-3636867 befasst sich dabei insbesondere mit der Regelung eines Verfahrens zum Extrudieren von Lebensmitteln. Im Bereich vor der Düse besitzt der dort verwendete Extruder eine Druckmesseinrichtung vor einer Produktdrosseleinrichtung.
Von Fuzzy-Reglern, einem Viskositätssensor im Innern eines Extruders zwischen seiner Scheckenspitze und seiner Düse oder einem dreistufigen Regelungsverfahren ist jedoch bei den genannten Dokumenten keine Rede.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regelung einer Arbeitsmaschine unter Verwendung von on line Messgrössen zu entwickeln, das eine Optimierung und Stabilisierung bzw. adaptive Anpassung eines Arbeitspunktes bei einem Extruder zur Extrusion von Lebensmitteln ermöglicht, wobei eine eindeutige Zuordnung von Produkteigenschaften und Messgrössen ermöglicht werden soll. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Ausgangspunkt der Erfindung ist die Überlegung, dass, insbesondere bei der Herstellung von Lebensmitteln die Beurteilung der Produktqualität von vielen subjektiven Entscheidungskriterien beeinflusst wird, wobei diese Kriterien zumeist nur durch menschliche Sinne determiniert sind. Sie sind in hohem Mass von Expertenwissen abhängig und/oder müssen nach Versuchen durch sensorische und analytische Beurteilung ermittelt werden. Die Fülle der zu ermittelnden Daten ist so umfangreich (mehrdimensional), dass die Erstellung einer Regelung gerechtfertigt ist. Durch die Verbindung von Produktqualität und Stellgrössen kann die Regelstrecke als 'black box' betrachtet werden. Hierbei werden scheinbare Zusammenhänge dargestellt, die den wirklichen nicht zwingend entsprechen müssen. Wie auch beim menschlichen Denken besteht kein Anspruch auf die wirklichen physikalischen Zusammenhänge. Mittels eines üblichen Rechnersystems werden die Zusammenhänge umgekehrt und Stellgrössen in Abhängigkeit von der gewünschten Produktqualität und on line Messgrössen angeboten. Die Erstellung erfolgt in einer Programmiersprache sowie ihre Integration in eine konventionelle Maschinensteuerung (Sollwertvorgabe). 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 Untersuchungen oder technische Anwendung gespeichert werden.
Zur Erstellung eines solchen ersten Systems können verschiedene Versuchsdesign gewählt werden.
Die Integration eines Viskositätssensors ermöglicht eine Regelung (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 Produktionsbedingungen (ganzer Produktstrom oder Teilstrom). Der Viskositätssensor stellt somit einen Hauptteil der Regelstrecke dar.
Die Produkteigenschaften werden durch die gewählte Vorgehensweise (Rechenmethode) eindeutig den on line Messgrössen zugeordnet 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 entsprechende Automatisierung vorausgesetzt, für weitere, produktspezifische Regelstrecken entsprechende Regelungen zu adaptieren, d. h. für jede Regelstrecke quasi 'auf Knopfdruck' einen Regler zu generieren. In einem adaptiven System (lernfähig mit nichtlinearer Abbildung der Regelstrecke) können während der Produktion gefahrene Punkte in die Systembildung einbezogen werden, so dass dieses erweitert oder an veränderte Bedingungen angepasst werden kann.
Neben der genannten unscharfen Logik (Fuzzy) und der Regression können die Wirkzusammenhänge prinzipiell auch durch neuronale Netze oder mathematische Modellierung dargestellt werden. 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 Vorteil, die Erfahrungen des Bedienpersonals in einer aufwandsarmen und damit kostengünstigen Regelung zu automatisieren. Wie bekannt zeigte sich, dass die Fuzzy-Logic sehr gut geeignet ist, Prozesse mit komplizierten Wirkzusammenhängen wie z. B. an Extrudern mit bezahlbarem Aufwand zu regeln. Es ist möglich, auf eine genaue mathematische Modellierung der Regelstrecke zu verzichten und eine Regelcharakteristik für jeden neuen Arbeitspunkt einer vorgegebenen Extruderkonfiguration zu erstellen. Linguistische Daten zur Erreichung eines Arbeitspunktes werden 'fuzzyfiziert'. Es entsteht kein dynamisches System beim Anfahren und es ist scheinbar langsamer als konventionelle Logik, jedoch schneller und vor allem sicherer und reproduzierbarer arbeitend, als dies dem Menschen möglich ist.
Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben. Die zugehörige Zeichnung zeigt einen Viskositätssensor in einer Prinzipdarstellung.
Die besondere Schwierigkeit bei der Regelung des Extrusionsvorganges liegt darin, dass sich die Erfahrungen des Bedienpersonals stets auf eine bestimmte Extruderkonfiguration für genau vorgegebene Rezepturen bei einem bestimmten Arbeitspunkt 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 beliebigen Extrusionsvorgang zu regeln vermag. Es ist daher zunächst erforderlich, Daten und Erfahrungen über die Wirkzusammenhänge zwischen Stellgrössen (z. B. Drehzahl, Massestrom, Wassergehalt) und Produktkriterien (z. B. Farbe, Löslichkeit, 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, abgedeckt 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 Produktkriterien wird als absolute Grösse an einen Regler angelegt und dieser generiert absolute Stellgrössen als Ausgangssignal. Der Extruder wird daraufhin aus dem Stand via vorgegebener Rainbowfunktion in den vorgegebenen Arbeitspunkt gefahren (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 resultierenden Änderungen der Produktkriterien beschreibt.
Befindet sich der Extruder im gewünschten Arbeitspunkt, erfolgt 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 beachten. Bei genügend kleinen Inkrementen folgt der Regler automatisch jedem nichtlinearen Kurvenverlauf.
Zur Stabilisierung des Betriebspunktes kann eine dritte Regelungsstufe eingesetzt werden. Ihr Zweck besteht darin, die in der zweiten Regelungsstufe gemessenen on line Messgrössen stabil zu halten und somit die Produktqualität zu stabilisieren. 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 Messgrössen) 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 4220157 beschrieben ist. Die in der Fig. dargestellte Keilform stellt eine vereinfachte Konstruktion dar, die jedoch zur on line Messung vollumfänglich (extruderunabhängig) geeignet ist. Hierzu ist in einem Extruder 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 installiert.
Es ist unvermeidlich, für jedes zu extrudierende Produkt einen speziellen Regler zu entwickeln. Dies gestattet andererseits, die Regler nach einem bestimmten Algorithmus zu erzeugen.
Die Codegenerierung erfolgt in einem separaten Vorgehensmuster dergestalt, dass ein spezifischer Regelraum manuell abgefahren 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 Regelungsumgebung integriert werden.
Das Bedienpersonal kann so den Extruder auf Grund visueller Produktbeurteilung mit linguistischen Variablen einfach optimieren und damit on line Messgrössen stabilisieren.

Claims

Verfahren zur Regelung eines Extruders (1) für die Herstellung von Lebensmitteln durch eine dreistufige Regelung unter Verwendung von Produktkriterien, wie z.B. Farbe, Löslichkeit oder Expansionsgrad, und online Messgrössen des Extruders (1), die eindeutig aufeinander abbildbar sind, wobei die Produktkriterien an einem Regler angelegt und als Ausgangssignal Stellgrössen, wie z.B. Drehzahl, Massestrom oder Wassergehalt, generiert werden, wobei – in einer ersten Stufe eine Annäherung an den gewünschten Arbeitspunkt erfolgt, wobei die gewünschte Kombination der Produktkriterien als absolute Grösse an einen Regler angelegt wird und dieser absolute Stellgrössen als Ausgangssignal generiert, – in einer zweiten Stufe eine Annäherung an den optimalen Arbeitspunkt aufgrund der Produktkriterien anhand linguistischer Begriffe erfolgt, indem ein Fuzzy-Regler aus diesen linguistischen Begriffen inkrementale Grössen erzeugt, um sich beliebig nah an den optimalen Arbeitspunkt heranzutasten, und – in einer dritten Stufe zur Stabilisierung des Arbeitspunktes dient, wobei die in der zweiten Regelungsstufe gemessenen online Messgrössen stabil gehalten werden, indem die Stellgrössen bei Änderungen der online Messgrössen in einem dynamischen System bei einem Abdriften derart angepasst werden, dass die online Messgrössen wieder auf ihre ursprünglichen Werte gesetzt werden, wobei als eine der online Messgrössen die Viskosität des Produktes im Extruder mittels eines Inline Viskositätssensors (2) zwischen einer Schneckenspitze (3) und einer Düse (4) des Extruders (1) online gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei gezielter produktabhängiger Veränderung des optimalen Arbeitspunktes aus der zweiten Rege lungsstufe die Sollwerte aus der dritten Stufe, nämlich die online Messgrössen, angepasst und auf die neuen Werte stabilisiert werden.
Extruder zur Herstellung von Lebensmitteln, bei dem ein Viskositätssensor (2) in an sich bekannter Weise zwischen einer Schneckenspitze (3) und einer Düse (4) des Extruders (1) installiert ist, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Regelungsverfahrens nach den Ansprüchen 1 oder 2.