СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ УМЕНЬШЕНИЯ РАЗМЕРА ЧАСТИЦ МАТЕРИАЛА, МАШИНА ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ РАЗМЕРА ЧАСТИЦ МАТЕРИАЛА И СПОСОБ КАЛИБРОВКИ ТАКОЙ МАШИНЫ
METHOD OF CONTROL OVER MATERIAL PARTICLE SIZE REDUCTION, MACHINE TO THIS END AND METHOD OF MACHINE CALIBRATION

Изобретение относится к способу управления процессом уменьшения размера частиц материала, к машине для уменьшения размера частиц материала и к способу калибровки такой машины.
Существует множество процессов уменьшения размера частиц материала, например пасто- или тестообразных, полужидких и подобных масс, путем пропускания материала через зазор между валками. Например, в процессе изготовления шоколада ингредиенты шоколадной массы смешивают, а затем уменьшают размер частиц смеси в так называемом предрафинере. Размер частиц затем дополнительно уменьшают в одном или более рафинерах, после чего массу подают в одно или более устройств для конширования или гомогенизации. Описанный предрафинер, который служит для уменьшения размера частиц и регулирования консистенции шоколадной массы, может содержать валки, между которыми устанавливают определенный зазор, через который пропускают шоколадную массу для уменьшения размера частиц.
В этом контексте, в EP 0123015 A2 описано устройство для мониторинга и регулирования густоты шоколадной массы, в котором измеряют калориметрические сигналы и их используют для регулирования давления, создаваемого между валками.
В EP 0953291 B1 описан способ рафинирования материала для кондитерских изделий, например шоколадной массы, согласно которому расстояние между валками непрерывно измеряют, сравнивают с эталонным расстоянием и используют эти данные для регулирования скорости вращения одного из валков.
Наконец, в патенте США 6182914 B1 раскрыт способ измерения силы, с которой материал для кондитерских изделий действует на валки, и способ регулирования зазора между валками таким образом, чтобы согласовывать его с упомянутой силой.
Настоящее изобретение обеспечивает усовершенствованный способ управления процессом уменьшения размера частиц материала, который служит для приготовления массы с уменьшенным диапазоном колебания размера частиц. Этот способ повышает эффективность всего процесса, например процесса изготовления кондитерской массы, например шоколада. Кроме того, изобретением создана машина, использование которой может привести к достижению упомянутой эффективности, а также создан способ калибровки такой машины.
Эта задача решается способом по п.1 формулы изобретения.
В соответствии со способом управления, описанным здесь, измеряют по меньшей мере один рабочий параметр по меньшей мере одного двигателя, связанного по меньшей мере с одним валком, и регулируют зазор путем регулирования рабочих параметров таким образом, чтобы согласовывать его с эталонным рабочим параметром. Например, можно непрерывно измерять величину электрического тока, которым питают по меньшей мере один двигатель, связанный по меньшей мере с одним валком, например двигатель, которым приводят валок, и регулировать зазор путем регулирования величины тока, которым питают двигатель таким образом, чтобы согласовывать его с эталонной величиной тока, который должен потреблять двигатель. Дополнительно или альтернативно, другие рабочие параметры по меньшей мере одного двигателя, например потребляемую мощность, создаваемый крутящий момент и число оборотов в минуту или в секунду, можно использовать в способе, описанном здесь. Хотя последующее подробное описание сфокусировано на токе, потребляемом по меньшей мере одним двигателем, изобретение не ограничено этим, и один или более вышеупомянутых рабочих параметров или данных можно использовать в предложенном в изобретении способе вместо или в дополнение к току, питающему двигатель.
Как указано выше, в процессе, которым управляют способом, описанным здесь, размер частиц материала уменьшают путем пропускания материала через зазор между валками. Материалом может быть любое тесто или тестообразная масса, полужидкое вещество, порошок, суспензия или подобный материал. В настоящее время способ, описанный здесь, предпочтительно используют для предварительного рафинирования шоколадной массы в процессе изготовления шоколада. Что касается подробностей процесса, то можно сослаться на вышеупомянутые документы, содержание которых включено в данный документ путем ссылки. Короче говоря, ингредиенты шоколадной массы смешивают по меньшей мере в одном смесителе, а затем подают в предрафинер. При выпуске материала из смесителя размеры частиц могут быть в диапазоне от около 700 мкм до около 800 мкм. Консистенция материала может быть описана как грубая или, если речь идет о полужидком веществе, то оно может быть описано как вещество низкой вязкости. После предрафинера, к которому способ, описанный здесь, может быть приложен, размер частиц составляет около 250 мкм или менее. Это может быть, например, достигнуто за счет зазора между валками, составляющего от 100 мкм до 200 мкм. Это приблизительно соответствует диапазону, в пределах которого регулируют величину зазора, как это описано ниже. При выведении материала из предрафинера он может быть описан как полужидкое тесто или тестообразная масса. Затем массу обычно подают в один или более рафинеров, в которых размер частиц дополнительно уменьшают, например, до около 30 мкм или менее. Материал может быть описан как порошок, обладающий взбитой структурой. В этом контексте способ, описанный здесь, может быть также приложен к рафинеру, а также к любому другому процессу, где размер частиц массы или полужидких веществ уменьшают с помощью валков. В качестве примеров возможного применения способа можно упомянуть парфюмерную промышленность или производство красок.
В процессе изготовления шоколада существует определенный эталонный размер частиц для каждой рецептуры. Кроме того, желательно достижение малых колебаний размера частиц и консистенции массы, выводимой из предрафинера. Это требование объясняется тем, что при больших колебаниях размера частиц имеют место колебания качества готового продукта, а это осложняет работу последующих рафинеров с высокой производительностью. Как хорошо известно специалистам в данной области техники, частицы набирают жир в зависимости от их размера и физических/химических свойств. Таким образом, размер частиц оказывает влияние на консистенцию массы. В частности, при уменьшении размера частиц общая площадь поверхности увеличивается таким образом, что может быть набрано большее количество жира, и масса становится «более сплошной», а вязкость ее увеличивается. Следовательно, колебания размера частиц пагубно влияют на консистенцию массы. Таким образом, желательны малые колебания, что достигается описанным ниже способом. Однако даже при заданном размере частиц консистенция массы может меняться из-за изменения физических/химических свойств исходных материалов.
Согласно изобретению установлено, что ток, потребляемый одним или более двигателями, связанными с валками, изменяется в зависимости от консистенции массы, пропускаемой через зазор между валками. Другими словами, в идее, описанной здесь, акцент сделан на консистенцию массы, которая оказывает наиболее значительное влияние на последующий процесс, скорее, чем размер частиц, который не напрямую соотносится с консистенцией. Таким образом, в ранее известных процессах, где регулировали зазор между валками и/или давление, создаваемое валками, принимали во внимание только размер частиц. В противоположность этому, в настоящем изобретении внимание сфокусировано на консистенции, которая, как считают авторы, соотносится с величиной тока, потребляемого одним или двигателями, связанными с валками. Это может быть объяснено описанными ниже причинами, но изобретение не ограничено этим. При пропуске материала через зазор между валками увеличиваются сдвиговые усилия, при этом может иметь место разность скоростей валков, и это может пагубно влиять на величину тока, потребляемого двигателем. Таким образом, изобретением открыт практически прямой и надежный способ регулирования действия валков благодаря принятию в расчет наиболее важного свойства массы, т.е. ее консистенции, и использованию ее взаимоотношения с величиной тока, потребляемого двигателем, взаимоотношение которого установили авторы.
Консистенция массы может, как это упомянуто выше, изменяться из-за различия свойств используемых исходных материалов и их колебаний, так как они имеют природное происхождение. Основываясь на установленных фактах, заключающихся в том, что величина тока, потребляемого двигателем, изменяется в зависимости от консистенции, пришли к выводу, что величину тока, потребляемого двигателем, можно изменять в определенных пределах и измерять выпуск продукции/производительность. В предпочтительном варианте измеряли выпуск продукции/производительность рафинера, а не предрафинера, к которому способ, описанный здесь, может быть также приложен. Это основано на том факте, что выпуск продукции/производительность рафинера очень существенно влияет на эффективность всего процесса, и основано на установленных авторами фактах, указывающих на то, что консистенция массы, выводимой из предрафинера, оказывает значительное влияние на выпуск продукции/производительность рафинера. При работе с максимальной производительностью (при максимальном выпуске продукции) можно определить эталонную величину тока, потребляемого двигателем. В вышеупомянутом процессе можно предусмотреть калибровку, которую можно производить однажды для каждой рецептуры, для задания эталонной величины тока, который должен потреблять двигатель.
Во время действия валков величину тока, потребляемого двигателем, регулируют таким образом, чтобы согласовывать ее с эталонной величиной тока, который должен потреблять двигатель. Этого достигают посредством соответствующего регулирования зазора между валками. Например, было установлено, что зарегистрированная величина тока, потребляемого двигателем, уменьшается, когда через зазор пропускают «более мягкий» материал, т.е. масса проходит через зазор относительно более легко. В такой ситуации, когда давление, и соответственно зазор между валками, поддерживают непрерывно, двигатели, связанные с валками, потребляют меньше тока. Альтернативно, когда масса становится сравнительно «сухой» и давление, а соответственно и зазор, между валками поддерживают непрерывно, двигатель потребляет больший ток. Это, однако, если это случается во время изготовления продукции, может приводить к проблеме, связанной с колебанием размера частиц и, таким образом, к колебаниям выпуска продукции/производительности. Кроме того, при этом следует ожидать повышенный износ и трение валков.
Что касается «потребления» тока двигателем, то его можно определять следующим образом. Двигатели, которые могут использоваться в процессе, описанном здесь, изготавливают с расчетом на потребление определенного тока. Если величина тока становится слишком большой, то система управления выключает двигатель. Таким образом, используемые двигатели могут содержать встроенный амперметр любого типа, и он может быть соединен с имеющимся в наличии блоком управления, с помощью которого выполняют непрерывный мониторинг тока, потребляемого двигателем. В связи с процессом, описанным здесь, блок управления можно использовать для сравнения фактической величины тока, потребляемого двигателем, с эталонной величиной тока, который должен потреблять двигатель, и, как упомянуто выше, для выполнения регулировки величины зазора таким образом, чтобы согласовывать фактическую величину тока, потребляемого двигателем, с эталонной величиной тока. Этим можно обеспечить возможность высокоавтоматизированного и точного управления процессом уменьшения размера частиц материала, тогда как до настоящего времени задачей операторов было регулирование вручную действия валков или величины зазора таким образом, чтобы обеспечивалась желательная консистенция массы, выводимой из предрафинера.
Однако у различных операторов различные представления об идеальной консистенции массы. Кроме того, оператор не может всегда непрерывно следить за упомянутым процессом, из-за чего регулировку иногда производят слишком поздно. Короче говоря, имеют место большие колебания консистенции и размера частиц массы, выводимой из предрафинера. Кроме того, невозможно гарантировать, что предрафинер действует с максимально достижимой производительностью, или выпуском продукции.
Путем использования способа, описанного здесь, можно преодолеть эти недостатки. Как было упомянуто выше, изобретение основано на идее управления величиной тока, потребляемого двигателем, и не обязательно давлением, создаваемым валками, и/или зазором между ними. Этим обеспечивают возможность более непосредственного управления, основанного на достижении желательной консистенции и максимальной производительности/выпуска продукции. На основе калибровки используемой машины определена логическая функция, используемая следующим образом. Если измеренная величина тока, потребляемого двигателем, отличается от эталонной величины тока, то зазор, и соответственно давление между валками, регулируют таким образом, чтобы фактическая величина тока, потребляемого двигателем, согласовывалась с эталонной величиной тока. Таким образом обеспечивают автоматизированное регулирование, которое выполняется значительно быстрее, чем при ручном регулировании. Таким образом колебания консистенции массы, выводимой из предрафинера, значительно уменьшаются. Кроме того, может быть достигнута высокая производительность. Как следствие, колебания свойств продуктов ниже по потоку, например рафинированной шоколадной массы, а также качество шоколадной массы, подвергаемой коншированию, и готового продукта, могут быть повышены. Кроме того, способ, описанный здесь, ведет к сокращению затрат, так как уменьшается потребность в операторах. Наконец, может быть исключен чрезмерный износ валков.
Предпочтительные варианты предложенного в изобретении способа описаны в зависимых пунктах формулы изобретения.
Как сказано выше, было установлено, что способ управления, описанный здесь, особенно благоприятен для выполнения процесса уменьшения размера частиц порошка и/или полужидкого вещества, например теста или тестообразного материала.
Кроме того, в настоящее время предпочтительным является применение способа управления, описанного здесь, в способе изготовления массы для кондитерских изделий, например в способе, в котором шоколадную массу предварительно рафинируют, используя этот процесс как часть процесса изготовления шоколада.
Поставленную выше цель далее достигают, используя машину, описанную в п. 4 формулы изобретения.
В соответствии с этим, и для выполнения описанного выше способа управления, машина снабжена по меньшей мере одним устройством для измерения величины тока, потребляемого по меньшей мере одним двигателем, связанным по меньшей мере с одним валком, и устройством для регулирования зазора или зоны контакта, между валками на основе измеренной величины тока, потребляемого двигателем, которую надлежит согласовывать с эталонной величиной тока.
В соответствии с предпочтительными вариантами способа управления машина, описанная здесь, является предпочтительно предрафинером в машине для изготовления кондитерской массы, например машина для изготовления шоколада.
Кроме того, предметом настоящего изобретения является также машина для изготовления шоколада, содержащая по меньшей мере один смеситель; по меньшей мере, одну машину, подобную описанной выше; по меньшей мере, один, но возможно множество, рафинер; и по меньшей мере одно или более устройство для конширования/гомогенизации шоколадной массы.
Наконец, поставленную выше цель достигают, используя способ калибровки машины согласно описанному выше способу. Этот способ калибровки включает этап измерения величины тока, потребляемого двигателем, связанной с желательными размером частиц и/или консистенцией массы, и установки величины тока, потребляемого двигателем, соответствующей идеальному размеру частиц и/или идеальной консистенции массы, как эталонной величины тока, потребляемого двигателем. Такой способ калибровки обеспечивает благоприятную базу для осуществления вышеупомянутого способа управления.
В настоящем описании приведен пример, который не предназначен для ограничения объема изобретения, и результаты экспериментов со ссылкой на чертежи, на которых:
Фиг.1 - блок-схема процесса изготовления шоколада;
Фиг.2 - блок-схема, иллюстрирующая способ управления, описанный в данном документе;
Фиг.3a - механизм регулирования зазора между валками;
Фиг.3b - автоматизированный механизм для регулирования зазора между валками;
Фиг.4 - результаты экспериментов, относящиеся к размеру частиц и производительности в течение периода времени до использования способа, описанного в данном документе; и
Фиг.5 - результаты экспериментов, относящиеся к размеру частиц и производительности в течение периода времени при использовании способа, описанного в данном документе.
На Фиг.1 представлена схема процесса изготовления шоколада. Сначала ингредиенты шоколадной массы смешивают в смесителе 30 и смешанную массу подают в предрафинер 10. Предварительно рафинированную массу в представленном варианте подают во множество рафинеров 12. Затем рафинированную массу подают в одно или более устройство для конширования шоколада, из которых на чертеже показано только одно устройство 14. Различные двигатели обозначены буквой M.
На Фиг.2 схематически представлен способ управления, который можно, например, использовать для управления действием предрафинера 10. В способе калибровки, как описано выше, определяют эталонную величину тока, который должен потреблять двигатель. Кроме того, непрерывно измеряют величину тока, потребляемого по меньшей мере одним двигателем, связанным по меньшей мере с одним валком, и регулируют зазор и, как следствие, давление между валками, с помощью цилиндра, которым создают давление, таким образом, чтобы согласовывать фактическую, измеренную величину тока, потребляемого двигателем, с эталонной величиной тока, который должен потреблять двигатель.
На Фиг.3a показан механизм для регулирования зазора 16 между первым 18 и вторым валками 20. В показанном варианте первый валок 18 приводят двигателем (не показан), потребляемый ток которого измеряют. Кроме того, в показанном варианте цилиндр 22, которым создают давление, используют для перемещения одного или обоих валков 18, 20 влево и вправо на Фиг. 3a таким образом, чтобы регулировать зазор 16 между валками. В данном контексте перемещение штока 24 поршня можно передавать через второй шток 26 и рычаг 28 на валок 20. В показанном варианте шток 24 поршня соединен, через муфту 30 и звено 32, и через стенку 34, только часть которой показана, с маховиком 36. При отсутствии автоматизированного управления, как это описано в данном документе, можно поворачивать маховик 36 для регулирования давления посредством изменения величины зазора 16, используя описанную выше систему создания давления. Система ручного регулирования давления, представленная по меньшей мере маховиком 36, звеном 32 и муфтой 30, может быть удалена и заменена автоматизированным клапаном управления давления (не показан на Фиг. 3a).
На Фиг. 3b показан механизм, представленный на Фиг. 3a, но с автоматизированным клапаном 30 управления давлением. Шток 24 поршня (см. Фиг. 3b) соединен с поршнем 32, которым разделен цилиндр 22 системы создания давления на первую 34 и вторую 36 камеры. Путем регулирования положения поршня 32 можно регулировать размер зазора 16, как это описано ранее со ссылкой на Фиг. 3a. Положение поршня 32 можно, например, регулировать путем подачи гидравлической жидкости через один из проходов 38 в одну из камер 34, 36 и обеспечения возможности выпуска избыточного количества гидравлической жидкости через проход, соединенный с другой одной из камер 34, 36. Этот поток гидравлической жидкости можно регулировать с помощью электрических сигналов, которые можно подавать, используя блок управления, на основе того, что фактическая величина тока, потребляемого двигателем, не совпадает с эталонной величиной тока. С помощью описанной выше автоматизированной системы управления давлением можно регулировать давление, действующее на шток 24 поршня, и соответствующим образом регулировать величину зазора 16, используя второй шток 26 и рычаг 28.
На Фиг. 4 представлены результаты испытаний, где показаны размеры частиц (мкм) и производительность (кг/ч). Как видно из диаграммы на Фиг. 4, в течение времени продолжительностью в два часа (показано по оси X), производительность и размер частиц изменялись в значительной степени. На Фиг. 4 представлена ситуация, имевшая место до применения способа, описанного в данном документе. Следует отметить, что линиями, помеченными на Фиг. 4 и 5 квадратиками с горизонтальными и вертикальными сторонами, показан размер частиц после рафинирования, а линиями, помеченными квадратиками, расположенными под углом к осям диаграммы, показан размер частиц на выходе производственной линии по приготовлению шоколадной массы.
На Фиг. 5 представлены результаты испытаний при использовании способа, описанного в данном документе. Можно заметить, что и размер частиц, и производительность не изменяются столь значительно, как на Фиг. 4. Кроме того, средняя производительность значительно выше, чем до этого. Что касается колебаний величин, представленных на Фиг. 4 и 5, то колебания размера частиц после рафинирования могут быть снижены с 14% до 4%, колебания размера частиц на выходе производственной линии могут быть снижены с 11% до 2%, а колебания производительности могут быть снижены с 17% до 6%. Эти результаты были получены в ходе проведенных экспериментов и при применении предложенного способа в систематическом производстве. Кроме того, среднюю производительность можно, при желании, значительно повысить. Наконец, наблюдали, снижение простоев предрафинера при применении способа, описанного в данном документе, и существуют свидетельства того, что износ валков рафинеров более равномерно распределен по рабочей части валков, благодаря чему может быть, таким образом, уменьшен объем работ по техническому обслуживанию.