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 Schokoladeherstellung

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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.
Bezugszeichen
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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