Современная косметическая промышленность характеризуется сложными составами, часто включающими неньютоновские жидкости. Присущие этим материалам реологические свойства, такие как неньютоновское поведение при увеличении скорости сдвига и тиксотропия, создают значительные проблемы для традиционных методов производства, приводя к нестабильности от партии к партии, большим потерям сырья и операционной неэффективности в критически важных процессах, таких как перекачивание и смешивание. Традиционные методы контроля качества, основанные на реактивных измерениях вязкости вне производственной линии, принципиально не подходят для регистрации динамического поведения этих жидкостей в производственных условиях.
I. Реология и гидродинамика в производстве косметической продукции.
Производство косметики — это сложный процесс, в котором физические свойства жидкости имеют первостепенное значение. Глубокое понимание этих свойств является необходимым условием для любого содержательного обсуждения оптимизации процесса. Гидродинамика косметических продуктов не подчиняется простым соотношениям, что делает их принципиально отличными от ньютоновских жидкостей, таких как вода.
1.1Вязкость и реология
Вязкость — это мера сопротивления жидкости приложенному напряжению. Для простых ньютоновских жидкостей это свойство постоянно и может быть охарактеризовано одним значением. Однако косметические составы редко бывают настолько простыми. Большинство лосьонов, кремов и шампуней относятся к неньютоновским жидкостям, сопротивление текучести которых изменяется в зависимости от величины приложенной силы (сдвига).
Реология — наиболее всеобъемлющая и важная дисциплина для этой отрасли. Она изучает течение и деформацию жидкостей, гелей и полутвердых веществ. Одной точки данных недостаточно для прогнозирования поведения продукта при его перекачивании, смешивании и розливе. Реологические характеристики продукта напрямую влияют на его органолептические свойства, долговременную стабильность в упаковке и функциональные возможности. Например, вязкость крема определяет его растекаемость по коже, а консистенция шампуня влияет на количество средства, которое потребитель выдавливает из флакона.
1.2Неньютоновские жидкости и проблемы их производства.
Сложность производства косметики обусловлена разнообразием реологических свойств используемых жидкостей. Понимание этих свойств имеет ключевое значение для решения основных производственных проблем.
Псевдопластичность (снижение вязкости при увеличении скорости сдвига):Это свойство не зависит от времени, при котором кажущаяся вязкость жидкости уменьшается с увеличением скорости сдвига. Многие косметические эмульсии и лосьоны демонстрируют такое поведение, что желательно для продуктов, которые должны быть густыми в состоянии покоя, но становиться растекающимися или текучими при нанесении.
Тиксотропия:Это свойство, зависящее от времени и проявляющееся в уменьшении вязкости при увеличении скорости сдвига. Тиксотропные жидкости, такие как некоторые гели и коллоидные суспензии, становятся менее вязкими при перемешивании или сдвиговом воздействии с течением времени и за определенное время возвращаются в исходное, более вязкое состояние после снятия напряжения. Классический пример — не растекающаяся краска, которая истончается под действием кисти, но быстро густеет на вертикальной поверхности, предотвращая стекание. Йогурт и некоторые шампуни также демонстрируют это свойство.
Жидкости, обладающие пределом текучести:Эти материалы ведут себя как твердое тело в состоянии покоя и начинают течь только после того, как приложенное касательное напряжение превысит критическое значение, известное как предел текучести. Кетчуп — распространенный пример. В косметике продукты с высоким пределом текучести воспринимаются потребителями как имеющие «больший объем» и более высокое качество.
1.3 Прямое влияние на эффективность процесса
Нелинейное поведение этих жидкостей оказывает существенное и зачастую пагубное воздействие на стандартные производственные процессы.
1.3.1 Операции по перекачке:
Производительность центробежных насосов, широко используемых в производстве, существенно зависит от вязкости рабочей жидкости. Напор и объемная производительность насоса могут значительно снижаться при перекачивании высоковязких неньютоновских жидкостей. Исследования показывают, что увеличение содержания твердых частиц в смеси может привести к снижению напора и КПД до 60% и 25% соответственно для концентрированных смесей. Это снижение производительности не является статическим; высокая скорость сдвига внутри насоса может изменять кажущуюся вязкость жидкости, что приводит к непредсказуемой работе насоса и нестабильному потоку. Высокое сопротивление вязких жидкостей также создает большую радиальную нагрузку на подшипники и вызывает проблемы с механическими уплотнениями, увеличивая риск отказа оборудования и необходимости технического обслуживания.
1.3.2 Перемешивание и механическое воздействие:
В смесительном резервуаре высокая вязкость косметических жидкостей может значительно ослабить поток от мешалки, концентрируя сдвиговое и перемешивающее воздействие в небольшой области, непосредственно окружающей лопасти мешалки. Это приводит к значительным потерям энергии и препятствует достижению однородности всей партии. Для жидкостей с уменьшающейся вязкостью этот эффект усугубляется, поскольку жидкость вдали от мешалки испытывает низкие скорости сдвига и остается высокой вязкости, создавая «островки медленного перемешивания» или «псевдопещеры», которые не гомогенизируются должным образом. В результате происходит неравномерное распределение компонентов и получается нестабильный конечный продукт.
Традиционный подход, основанный на ручном измерении вязкости в автономном режиме, принципиально не подходит для управления этими сложностями. Вязкость неньютоновской жидкости не является единым значением, а зависит от скорости сдвига и, в некоторых случаях, от продолжительности сдвига. Условия, в которых измеряется лабораторный образец (например, в стакане при определенной скорости вращения шпинделя и температуре), не отражают динамические условия сдвига внутри трубы или смесительного резервуара. Следовательно, измерение, проведенное при фиксированной скорости сдвига и температуре, скорее всего, не будет иметь отношения к поведению жидкости в ходе динамического процесса. Когда производственная группа полагается на ручные проверки с интервалом в два часа, она не только слишком медленно реагирует на колебания процесса в реальном времени, но и принимает решения на основе значения, которое может неточно отражать состояние жидкости в процессе производства. Эта зависимость от ошибочных, реактивных данных создает причинно-следственную связь плохого контроля и высокой операционной изменчивости, которую невозможно разорвать без нового, проактивного подхода.
Смешивание и смешивание косметических средств
II. Выбор датчиков и аппаратная реализация в суровых условиях окружающей среды
Для отказа от ручных методов необходимо выбрать надежные и долговечные онлайн-вискозиметры, способные предоставлять непрерывные данные в режиме реального времени непосредственно в процессе производства.
2.1Онлайн-вискозиметрия
Онлайн-вискозиметрыВнедрение таких систем, будь то непосредственно в технологическую линию (встроенных в поток) или в обходной контур, обеспечивает измерения вязкости в режиме реального времени 24/7, позволяя осуществлять постоянный мониторинг и управление процессом. Это резко контрастирует с лабораторными методами, используемыми вне производственной линии, которые по своей природе являются реактивными и могут предоставлять лишь моментальный снимок состояния процесса через дискретные интервалы времени. Возможность получения надежных непрерывных данных с производственной линии является необходимым условием для внедрения автоматизированной системы управления с замкнутым контуром.
2.2 Основные требования к вискозиметру
Выбор вискозиметра для производства косметической продукции должен определяться с учетом уникальных экологических и производственных ограничений отрасли.
Экологические ограничения и ограничения по долговечности:
Высокая температура и давление:Для обеспечения надлежащего смешивания и эмульгирования косметических составов часто требуется нагрев до определенной температуры. Выбранный датчик должен надежно работать при температурах до 300 °C и давлении до 500 бар.
Коррозионная стойкость:Многие косметические ингредиенты, включая поверхностно-активные вещества и различные добавки, со временем могут вызывать коррозию. Смачиваемые части датчика должны быть изготовлены из высокопрочных, коррозионностойких материалов. Нержавеющая сталь 316L является стандартным выбором благодаря своей устойчивости в таких условиях.
Устойчивость к вибрации:В производственных условиях часто присутствует механический шум: насосы, мешалки и другое оборудование создают значительные вибрации. Принцип измерения датчика должен быть по своей природе невосприимчив к этим вибрациям, чтобы обеспечить целостность данных.
2.3 Анализ технологий вискозиметрии для интеграции технологических процессов
Для надежной онлайн-интеграции одни технологии подходят лучше, чем другие.
Вибрационные/резонансные вискозиметрыЭта технология работает за счет измерения демпфирующего эффекта жидкости на вибрирующий элемент, такой как вилка или резонатор, для определения вязкости. Этот принцип предлагает ряд ключевых преимуществ для применения в косметической промышленности. Эти датчики не имеют движущихся частей, что минимизирует необходимость технического обслуживания и снижает общие эксплуатационные расходы. Хорошо продуманная конструкция, например, сбалансированный коаксиальный резонатор, активно компенсирует реактивные моменты и, следовательно, полностью нечувствительна к условиям монтажа и внешним вибрациям. Эта невосприимчивость к окружающему шуму обеспечивает стабильное, повторяемое и воспроизводимое измерение даже в турбулентном потоке или в условиях высокого сдвига. Эти датчики также могут измерять вязкость в чрезвычайно широком диапазоне, от очень низкой до очень высокой вязкости жидкостей, что делает их очень универсальными для разнообразного ассортимента продукции.
Вращательные и другие технологии:Хотя ротационные вискозиметры весьма эффективны в лабораторных условиях для построения полных кривых текучести, их сложность и наличие движущихся частей могут создавать трудности в обслуживании в условиях промышленного производства. Другие типы, такие как вискозиметры с падающим элементом или капиллярные вискозиметры, могут подходить для определенных применений, но часто имеют ограничения при измерении неньютоновских жидкостей или подвержены колебаниям температуры и потока.
Надежность автоматизированной системы управления прямо пропорциональна достоверности входных данных от датчика. Поэтому долговременная стабильность и минимальные требования к калибровке вискозиметра — это не просто удобства, а основополагающие требования для жизнеспособной и не требующей сложного обслуживания системы управления. Стоимость датчика следует рассматривать не только как первоначальные капитальные затраты, но и как общую стоимость владения (TCO), которая включает в себя трудозатраты и время простоя, связанные с техническим обслуживанием и калибровкой. Данные, полученные с помощью таких приборов, как...капиллярные вискозиметрыДоказательства показывают, что при надлежащем обращении и очистке их калибровка может оставаться стабильной в течение десятилетия и более, демонстрируя, что долговременная стабильность является достижимым и критически важным свойством технологических измерительных приборов. Датчик, способный сохранять свою калибровку в течение длительных периодов, значительно снижает риски проекта автоматизации, устраняя основной источник потенциальных колебаний процесса и позволяя системе работать автономно с минимальным вмешательством человека.
| Технологии | Принцип действия | Пригодность для неньютоновских жидкостей | Возможность работы при высоких температурах и давлении. | Коррозионная стойкость | Устойчивость к вибрациям | Техническое обслуживание/калибровка |
| Вибрационный/Резонирующий | Измеряет гидродинамическое затухание вибрирующего элемента (вилки, резонатора). | Отлично (высокая скорость сдвига, воспроизводимые результаты). | Высокая температура (до 300°C, 500 бар). | Отличное качество (все детали, контактирующие с рабочей средой, изготовлены из нержавеющей стали 316L). | Отлично (сбалансированная конструкция резонатора). | Низкий уровень загрязнения (отсутствие движущихся частей, минимальное загрязнение). |
| Вращательный | Измеряет крутящий момент, необходимый для вращения шпинделя в жидкости. | Отлично (обеспечивает полную кривую потока в лабораторных условиях). | Умеренный или высокий (зависит от модели). | Хорошо (требуются специальные материалы для шпинделя). | Плохое качество (высокая чувствительность к внешним вибрациям). | Высокая нагрузка (частая чистка, движущиеся части). |
| Капиллярное/перепадное давление | Измеряет падение давления на неподвижной трубке при постоянном расходе. | Ограниченное значение (приводит к единственной средней ньютоновской вязкости). | Умеренный или высокий уровень (требуется температурная стабильность). | Хорошо (зависит от материала капилляра). | Умеренная сложность (зависит от потока, требует стабильного потока). | Высокий уровень (требует очистки, подвержен засорению). |
| Падающий элемент | Измеряет время, за которое элемент проходит сквозь жидкость. | Ограниченное значение (приводит к единственной средней ньютоновской вязкости). | Умеренный или высокий уровень (зависит от материалов). | Хорошо (зависит от материала элемента). | Умеренный (восприимчив к вибрации). | Умеренная сложность (движущиеся части, требуется повторная калибровка). |
2.4 Оптимальное размещение датчиков для получения точных данных
Физическое размещение вискозиметра так же важно, как и сама технология. Правильное размещение гарантирует, что собранные данные будут репрезентативны для состояния процесса. Передовая практика предписывает размещать датчик в месте, где жидкость однородна и где чувствительный элемент всегда полностью погружен. Следует избегать высоких точек трубопровода, где могут скапливаться пузырьки воздуха, поскольку захваченный воздух может исказить измерения, особенно длявибрационные вискозиметрыАналогично, следует избегать установки датчиков в «зонах застоя», где жидкость не находится в постоянном движении, чтобы предотвратить образование отложений на датчике. Хорошей стратегией является размещение датчика в участке трубы, где поток стабилен и постоянен, например, в вертикальном стояке или в зоне с постоянным расходом, чтобы обеспечить наиболее надежные данные для системы управления.
III.Бесшовная интеграция ПЛК/УСЗ через RS485
Успешное развертываниеонлайн вискозиметрОна основана на бесшовной интеграции в существующую инфраструктуру управления предприятием. Выбор протокола связи и физического уровня — это стратегическое решение, которое обеспечивает баланс между надежностью, стоимостью и совместимостью с устаревшими системами.
3.1 Обзор архитектуры системы
Стандартная архитектура промышленного управления для данного приложения представляет собой модель «ведущий-ведомый». Центральный ПЛК или АСУ ТП предприятия выступает в роли «ведущего», инициируя связь с вискозиметром, который функционирует как «ведомое» устройство. Ведомое устройство остается «неактивным» до тех пор, пока не получит запрос от ведущего, после чего оно отправляет запрошенные данные. Такая модель связи «один ко многим» предотвращает коллизии данных и упрощает управление сетью.
3.2 Интерфейс связи RS485
Интерфейс связи RS485 — это надежный и широко распространенный стандарт для промышленной автоматизации, особенно для приложений, требующих связи на большие расстояния между несколькими точками.
Технические достоинства:
Дальние и многоточечные перевозкиRS485 поддерживает передачу данных на расстояния до 2000 метров, что делает его идеальным решением для крупных промышленных предприятий. К одной шине можно подключить до 30 устройств, а с помощью ретрансляторов это число можно расширить до круглосуточного режима работы, что значительно снижает стоимость и сложность кабельной инфраструктуры.
Помехоустойчивость:В протоколе RS485 используется сбалансированный дифференциальный подход к передаче сигналов по витой паре. Такая конструкция обеспечивает исключительную устойчивость к электромагнитным помехам (ЭМП) и другим электрическим шумам, что является распространенной проблемой в производственных условиях с крупными двигателями и приводами.
3.3 Преодоление разрыва между ПЛК и АСУ ТП
RS485 — это не просто техническое предпочтение; это стратегическое бизнес-решение, которое значительно снижает барьер для внедрения автоматизации процессов. Его способность передавать данные на большие расстояния и устойчивость к помехам делают его идеальным решением для промышленных условий, где эти факторы важнее, чем просто скорость передачи данных.
IV. Теоретическое обоснование адаптивного управления на основе модели.
В этом разделе представлена основательная интеллектуальная база для стратегии управления, способной справляться со сложной нелинейной динамикой косметических жидкостей.
4.1 Необходимость в усовершенствованном управлении
Традиционные пропорционально-интегрально-дифференциальные (ПИД) регуляторы основаны на линейных моделях процесса и плохо подходят для обработки нелинейного, зависящего от времени и изменяющегося по свойствам поведения неньютоновских жидкостей. ПИД-регулятор является реактивным; он ожидает отклонения от заданного значения, прежде чем начать корректирующие действия. Для процессов с длительной динамикой отклика, таких как большой смесительный резервуар или сгуститель, это может привести к медленной коррекции ошибок, колебаниям или перерегулированию целевой вязкости. Кроме того, внешние возмущения, такие как колебания температуры или изменения состава поступающего сырья, потребуют постоянной ручной перенастройки ПИД-регулятора, что приведет к нестабильности и неэффективности процесса.
4.2 Реологическое моделирование для управления
Основой успешной стратегии управления неньютоновскими жидкостями является точная и предсказуемая математическая модель их поведения.
4.2.1 Моделирование определяющих процессов (на основе первых принципов):
Модель Гершеля-Балкли — это мощное определяющее уравнение, используемое для описания реологического поведения жидкостей, проявляющих как предел текучести, так и характеристики уменьшения или увеличения вязкости при увеличении скорости сдвига. Модель связывает напряжение сдвига (τ) со скоростью сдвига (γ˙) с помощью трех ключевых параметров:
τ=τγ+K(γ˙)n
τγ (предел текучести): минимальное касательное напряжение, которое необходимо превысить для начала течения жидкости.
K (индекс консистенции): параметр, аналогичный вязкости, отражающий сопротивление жидкости течению.
n (индекс поведения потока): важнейший параметр, определяющий поведение жидкости: n<1 для неньютоновской жидкости с уменьшением вязкости при увеличении скорости сдвига (псевдопластичность), n>1 для жидкости с увеличением вязкости при увеличении скорости сдвига (дилатантность) и n=1 для бингамовской пластичности.
Эта модель предоставляет математическую основу для контроллера, позволяющую прогнозировать изменение кажущейся вязкости жидкости при различных скоростях сдвига в процессе, от области смешивания с низкой скоростью сдвига до среды с высокой скоростью сдвига в насосе.
4.2.2 Моделирование на основе данных:
В дополнение к моделям, основанным на фундаментальных принципах, для построения модели процесса, обучающейся на основе данных, предоставляемых онлайн-вискозиметром, можно использовать подход, основанный на данных. Это особенно полезно для сложных составов, где сложно построить точную модель, основанную на фундаментальных принципах. Модель, основанная на данных, может адаптивно корректировать и оптимизировать параметры датчика в режиме реального времени, учитывая внешние факторы, такие как изменения состава масла или колебания температуры. Было показано, что этот подход успешно контролирует среднюю абсолютную погрешность измерений вязкости в узком диапазоне, демонстрируя превосходную производительность и надежность.
4.3 Вывод закона адаптивного управления
Суть адаптивной системы управления на основе модели заключается в ее способности непрерывно обучаться и адаптироваться к изменяющимся условиям процесса. Контроллер не полагается на фиксированные параметры, а динамически обновляет свою внутреннюю модель процесса.
Основной принцип:Адаптивный контроллер непрерывно оценивает или обновляет параметры своей внутренней модели в режиме реального времени на основе поступающих данных от датчиков. Это позволяет контроллеру «обучаться» и компенсировать изменения в процессе, вызванные изменениями в сырье, износом оборудования или изменениями окружающей среды.
Формулировка закона управления:
Оценка параметров модели: Оценка параметров, часто основанная на алгоритме рекурсивных наименьших квадратов (RLS) с адаптивным коэффициентом забывания, использует данные датчиков в реальном времени (вязкость, температура, скорость сдвига) для непрерывной настройки параметров модели, таких как значения K и n модели Гершеля-Балкли. Это и есть «адаптивный» компонент.
Алгоритм предиктивного управления:Обновленная модель процесса затем используется для прогнозирования будущего поведения жидкости. Алгоритм управления с прогнозированием модели (MPC) является идеальной стратегией для этого применения. MPC может одновременно управлять несколькими регулируемыми переменными (например, скоростью добавления загустителя и скоростью насоса) для контроля нескольких выходных переменных (например, вязкости и температуры). Прогностическая природа MPC позволяет ему рассчитывать точные корректировки, необходимые для поддержания процесса в нужном русле даже при больших временных задержках, гарантируя, что жидкость всегда остается в пределах своего оптимального реологического «диапазона».
Переход от простого управления с обратной связью к адаптивному управлению на основе модели представляет собой фундаментальный сдвиг от реактивного к проактивному управлению процессами. Традиционный ПИД-регулятор по своей природе реактивен, ожидая возникновения ошибки, прежде чем предпринять какие-либо действия. Для процессов со значительными временными задержками эта реакция часто бывает слишком запоздалой, что приводит к перерегулированию и колебаниям. Адаптивный контроллер, непрерывно обучаясь модели процесса, может предсказывать, как изменение на предыдущем этапе — например, изменение состава сырья — повлияет на вязкость конечного продукта до того, как отклонение станет значительным. Это позволяет системе вносить проактивные, рассчитанные корректировки, обеспечивая соответствие продукта техническим характеристикам и минимизируя потери и изменчивость. Это является основной причиной значительного сокращения изменчивости партий и отходов материалов, задокументированного в успешных внедрениях.
V. Практическая реализация, проверка и операционные стратегии.
Заключительный этап проекта — это успешное развертывание и долгосрочное управление интегрированной системой. Это требует тщательного планирования и соблюдения передовых методов работы.
5.1 Рекомендации по развертыванию
Интеграция онлайн-вискозиметрии и адаптивного управления — сложная задача, которую следует доверить опытным системным интеграторам. Четко продуманная предварительная разработка имеет решающее значение, поскольку до 80% проблем проекта можно отнести именно к этому этапу. При модернизации устаревших систем управления квалифицированный интегратор может предоставить необходимую экспертизу для устранения коммуникационных барьеров и обеспечения бесперебойной миграции. Кроме того, правильное размещение датчиков имеет первостепенное значение. Вискозиметр должен быть установлен в месте, свободном от пузырьков воздуха, зон застоя и крупных частиц, которые могут мешать измерениям.
5.2 Проверка и сверка данных
Для того чтобы система управления была надежной, данные, на которые она опирается, должны быть проверены и согласованы. Промышленные датчики, работающие в суровых условиях, подвержены шуму, дрейфу и ошибкам. Контур управления, слепо доверяющий необработанным данным датчиков, является ненадежным и склонен к совершению дорогостоящих ошибок.
Проверка данных:Этот процесс включает обработку необработанных данных с датчиков для обеспечения того, чтобы значения были значимыми и находились в пределах ожидаемого диапазона. Простые методы включают фильтрацию выбросов и усреднение нескольких измерений за определенный период времени для снижения уровня шума.
Обнаружение грубых ошибок:Статистические тесты, такие как критерий хи-квадрат, могут использоваться для выявления существенных ошибок или отказов датчиков путем сравнения значения целевой функции с критическим значением.
Согласование данных:Это более совершенная методика, использующая избыточные данные датчиков и модели процессов (например, закон сохранения массы) для получения единого, статистически подтвержденного набора данных. Этот процесс повышает уверенность в системе и обеспечивает самодостаточный уровень устойчивости к незначительным аномалиям и сбоям датчиков.
Внедрение уровня проверки данных — это не дополнительная функция, а необходимый интеллектуальный компонент, который делает всю систему управления надежной и заслуживающей доверия в условиях реальных несоответствий. Этот уровень превращает систему из простого инструмента автоматизации в по-настоящему интеллектуальную, самоконтролирующуюся систему, способную поддерживать качество продукции без постоянного человеческого контроля.
5.3 Долгосрочное техническое обслуживание и обеспечение устойчивости
Долгосрочный успех системы онлайн-вискозиметрии зависит от четко определенной стратегии технического обслуживания.
Техническое обслуживание датчиков: Использование надежных конструкций вискозиметров без движущихся частей и из коррозионностойких материалов, таких как нержавеющая сталь 316L, может значительно уменьшить проблемы загрязнения и упростить процедуры технического обслуживания.
Калибровка и проверка системы:Регулярная калибровка необходима для обеспечения долговременной точности вискозиметра. Для высокоточных применений калибровку с использованием сертифицированных стандартов вязкости следует проводить по графику, но для менее критичных применений частоту можно уменьшить. Как показали исследования долговременной стабильности, некоторые типы вискозиметров, такие как стеклянные капиллярные или вибрационные вискозиметры, могут сохранять свою калибровку в течение многих лет, что значительно снижает частоту дорогостоящих калибровочных работ.
AПрактическое решение может принести ощутимые преимущества: значительное снижение вариативности от партии к партии и отходов материалов, а также путь к полностью автономному, интеллектуальному производству.Стаrt your opТимизатионby контакt Лоннметer.
Дата публикации: 09.09.2025
