Fachbericht
Produktidentifikation als Grundlage der Automatisierung von Misch- und Verdünnungsprozessen
Um in vielen Bereichen der Lebensmittelindustrie, der chemischen und pharmazeutischen Industrie die Produktqualität bei der Produktherstellung konstant und reproduzierbar zu machen, werden häufig zustandsverändernde Maßnahmen wie Verdünnung, Mischung und Dosierung eingeleitet. Auch bei einem automatisierten Chargenwechsel bzw. einer Medienumstellung, z.B. an einer Abfüllanlage, wird oft das vorherige Produkt vom nachfolgenden verdrängt. Das in der Verdrängungsphase anfallende Mischprodukt wird meist verworfen. Wird der Zustand des „reinen“ Produktes rechtzeitig erkannt und somit die verworfene Produktmenge minimiert, ergibt sich ein direktes Einsparpotential.
Zur Steuerung dieser Prozesse werden gegenwärtig verbreitet indirekte Messverfahren eingesetzt, die eine Hochrechnung von Mischungsverhältnissen und Konzentrationen nur im Labor ermöglichen. Sie sind damit wesentlich ungenauer und auch zeitaufwendiger, als die im abgeschlossenen F/E-Vorhaben gemeinsam mit der TUD entwickelte Mess- und Steuerungstechnik, die zur Produkterkennung und Qualitätssicherung direkt in eine Prozesssteuerung integriert werden kann.
Schwerpunkte des Projektes waren umfassende Analysen der Möglichkeiten einer simultanen, echtzeitnahen Produktidentifikation und -klassifizierung sowie Untersuchungen von geeigneten Sensorsystemen. Diese erfolgten unter dem Aspekt des Einsatzes innovativer optischer und Ultraschallsensorik zur schnellen Abtastung von Produktströmen mit dem Ziel, die relevanten Informationen ständig verfügbar zu machen und, darauf aufbauend, ein Konzept für ein automatisches Misch- und Dosiersystem zu entwerfen.
Eine kontinuierliche messtechnische Erfassung der qualitätsbestimmenden Eigenschaften oder zu diesen korrelierbaren Messgrößen des Produktstromes ist unabdingbar für die optimale Steuerung des Prozesses bei laufendem Anlagenbetrieb. Im Ergebnis der Untersuchung von Messgrößen wie:
- Elektrische Leitfähigkeit,
- Viskosität,
- Ultraschallextinktion,
- Optische Extinktion,
- Optisch spektrale Rückstreumessung
und deren Kombination hinsichtlich des Informationsgehaltes und ihrer Eignung zur Produktklassifizierung und Prozesssteuerung am Beispiel der Produktgruppe Milch und Milchmischprodukte wurde der Einsatz eines weiterentwickelten Prozessphotometers zur Messung in hochkonzentrierten Dispersionen favorisiert ( Abb.1).
Damit wird ein großer Dynamikbereich in Bezug auf die Partikelkonzentration bei der Extinktionsmessung mit Hilfe programmierbarer Beleuchtungsintensitäten und variabler Signalverstärkung realisiert. Eine auf das Messmedium einstellbare Extinktionsschichtdicke (0,2 - 10 mm) bietet zusätzlich Potential für die Erweiterung des erfassbaren Konzentrationsbereichs. Durch gleichzeitige Anwendung dieser Maßnahmen wird ein Signalpegelbereich von etwa 106 erreicht, was neben der Erfassung und Auswertung hoher Konzentrationen auch die Online-Erfassung großer Konzentrationsschwankungen ermöglicht.
Diese Online-Messungen sind z.B. in der Praxis erforderlich, wenn in der Mischanlage von einem Milchprodukt auf ein anderes umgestellt wird und die Reinheit der Anlage für das neue Produkt nachgewiesen werden muss oder die Produktqualität echtzeitnah zu steuern ist.
Grundlage für ein solches System ist eine sichere, echtzeitnahe Produktidentifikation und -klassifizierung durch die simultane Erfassung und Auswertung der physikalischen Messgrößen, die eine direkte Aussage über Zusammensetzung und Produktqualität unter Einbeziehung von Datenbanken zur Aufzeichnung und Speicherung der Prozesshistorie erlauben.
Die Steuerung des Gesamtsystems enthält eine SPS S7 zur Realisierung der unmittelbaren Steuerungsfunktionen und einen PC für die Messwertverarbeitung, die Realisierung der Datenbankfunktionalitäten und die Bedienung der Schnittstellen zu den peripheren Geräten. Die Messwerte werden von der SPS übernommen und an den PC übertragen, der sie je nach Arbeitsmodus speichert bzw. weiterverarbeitet.
Durch die Kombination mehrerer Messverfahren, je nach Eigenschaften der Produktströme, wird eine gleichbleibend hohe Produktqualität erreicht.
Das abgeschlossene Vorhaben schließt eine Lücke bei der schnellen Steuerung von Misch- und Verdünnungsprozessen und erweitert gleichzeitig das Einsatzfeld der von AUCOTEAM entwickelten Gerätesysteme.
Autoren:
Dr. Ing. Bernd Eckart, AUCOTEAM
Dr. Ing. Günter Hanusch, AUCOTEAM
Dr. Ing. Benno Wessely, Technische Universität Dresden,
AG Mechanische Verfahrenstechnik |
