Mathematical Modeling, Optimization and Control of Continuously Circulating Inductive Baking Ovens

Abstract

Viele Produkte der Lebensmittelindustrie werden mithilfe von kontinuierlichen Backöfen großtechnisch hergestellt. Essbare Waffelprodukte, wie beispielsweise gerollte Eistüten und Flachwaffeln für Schnitten, werden in Endlosförderern mit umlaufenden Backformen gebacken. Die Backformen oder Backzangen bestehen aus massivem Metall und das Zusammenspiel ihrer Wärmekapazität mit ihrer zyklischen Bewegung führt zu anderen regelungstechnischen Herausforderungen als bei gängigen Chargen-oder Tunnelöfen.Unterbrechungen des nominellen Betriebs eines Waffelbackofens werden vor allem durch Not-Halt oder Ausfälle des Teigaufgießers herbeigerufen. Sie verursachen in weiterer Folge langsam abklingende Temperaturunterschiede zwischen Backzangen,die zu inhomogener Produktqualität über einen langen Zeitraum führen. Dadurch werden Ausschuss produziert, Rohstoffe verschwendet und damit finanzielle Verluste verursacht. Eine aktive Unterdrückung von Temperaturinhomogenitäten durch eine kluge Wahl der Heizleistung wäre denkbar, jedoch nicht praktikabel für die derzeit großteils verwendeten gasbeheizten Öfen aufgrund ihrer langsamen Änderungsratender Heizleistung und dem räumlich ausgedehnten Einflussbereich der Gasbrenner.Induktive Erwärmung ist eine innovative Technologie für das aktive Ausgleichen von Temperaturunterschieden, da sie schnelle Ausgangsleistungsänderungen ermöglicht und der Heizbereich räumlich stark konzentriert ist. Zudem ist der Wirkungsgrad induktiv beheizter Waffelöfen etwa doppelt so hoch wie bei ansonsten gleichen gasbeheizten Öfen. Ein weiterer Vorteil ist die deutlich reduzierte mechanische Belastung von Komponenten im Ofeninneren wegen reduzierter Ofenraumtemperaturen.Zusätzlich fallen keine Rauchgase an, wodurch die Abgasmenge deutlich reduziert wird. Die Abluft enthält letztlich nur harmlosen Wasserdampf und Umgebungsluft. In dieser Dissertation wurden industrielle Waffelöfen mit induktiver Heizung lysiert und optimiert. Ein mathematisches Modell der relevanten Temperaturen wurde entwickelt und mithilfe von Messdaten einer Anlage von Bühler Wafer Solutions GmbH in Leobendorf validiert. Nach dem Machbarkeitsnachweis Regelungskonzeptes an einem Ofen für gerollte Zuckertüten wurde ein induktiv beheizter Flachwaffelofen entworfen und in Betrieb genommen.Eine Transformation von Systemen mit kontinuierlich umlaufenden Komponenten auf zeitinvariante Systeme bildet die Basis der in diesem Projekt entworfenen Regelungssystemen. Die Transformation erhält physikalische Parameter sowie deren Bedeutungen und lässt sich auf eine Teilmenge der periodischen Systemeanwenden. Die numerisch stabile und konstruktiv angegebene Transformation bei Anwendung auf die Anlagenmodelle dieser Arbeit auf regelungstechnische Probleme stark reduzierter Komplexität, die mit geringem Berechnungsaufwand gelöst werden können.Diese Arbeit beschreibt die erstmalige Backplatten-individuelle Temperaturregelung in kontinuierlichen Umlauföfen, inklusive einer Regelung der Temperaturverteilung innerhalb der Backplatten. Die Ergebnisse konnten mittels automatisierter Bildverarbeitung von Fotos der gebackenen Waffeln unabhängig überprüft werden. Backplatten-individuelle Temperaturregelung ist eine zentrale Voraussetzung die aktive Unterdrückung von Inhomogenitäten der Produkteigenschaften und sich in Versuchen gegenüber dem Stand der Technik als überlegen.Neben den regelungstechnischen Aspekten dieser Arbeit wird die Optimierung neuer sowie bestehender Anlagen diskutiert. Modellbasierte Verfahren zur Arbeitspunktoptimierung werden beschrieben und dazu verwendet, die Backplattendickesowie die Position und die stationäre Leistung der Induktoren zu wählen, den gewünschten Backzyklus mit minimalen Temperaturunterschieden auf Backfläche und schnellem Aufheizen des gesamten Ofens zu erreichen.Die Ergebnisse dieser Arbeit wurden erfolgreich auf zwei Anlagen der Bühler WaferSolutions GmbH realisiert: Ein induktiv beheizter Ofenprototyp für gerollte Zuckertüten auf Basis des Caiman und ein neu entworfener Flachwaffelofen OptiBake,welcher aktuell in Serienproduktion übergeht und bereits den Niederösterreichischen Innovationspreis erhalten hat. Die in dieser Arbeit entwickelten modellbasierten Regelungssysteme sind wesentliche Produktmerkmale dieser Backanlage.

Continuous baking ovens are used in the food industry to produce various productsat large scale. For edible wafer production, continuously circulating ovens are used to bake, among others, flat wafer sheets for wafer biscuits and rolled wafer cones forice cream fillings. These products are baked between metallic baking tongs whose high heat capacity together with the circulating nature of the transport mechanis mlead to control engineering challenges that are different to those for commonly used tunnel or batch ovens.Disruptions of the nominal operation of a wafer baking oven, e.g. those caused by batter deposition outages or emergency stops, entail temperature inhomogeneities across baking tongs and inhomogeneous product quality over a long time. Such inadequate production conditions result in rejects, waste of resources, and economic losses. It is desirable to manipulate the heating power for active suppression of these inhomogeneities. However, this is infeasible for the prevalent gas-heated ovens due to the wide area of effect of the heaters and their slow response.Induction heating achieves fast power changes and highly concentrated heating power. This technology is thus an innovative solution candidate for active homogenization. On top of this, inductively heated ovens offer superior efficiency,consuming roughly half the energy input of an otherwise equal gasfired oven. Due to the absence of hot flue gases, the oven interior is at a reduced temperature,relieving thermal stresses in mechanical components. Furthermore, the gas stream leaving an inductive wafer baking oven needs to remove only water vapor and is free from combustion products.In this dissertation, industrial wafer baking ovens with inductive heaters have been analyzed and optimized. A mathematical model based on first principles is developed and validated based on measurements from a prototype oven of Bühler Wafer Solutions GmbH in Leobendorf, Austria. After a proof-of-concept stage ofthe control system for a rolled wafer cone oven, the project continued with the design and commissioning of an inductively heated flat wafer baking oven.A transformation of systems with continuously circulating components into time-invariant systems forms the basis of the control systems developed in this project.This transformation is applicable to a subset of periodic systems and conserves the physical interpretability of model parameters. The application of this constructive and numerically stable transformation to the plant models relevant for this project results in reduced-complexity control problems that can be solved with minimal computational effort.For the first time, temperature control of individual baking plates has been realized,including the control of the temperature distribution within these plates. The results have been independently verified by automated analyses of photographs of the produced wafers. Individual baking plate temperature control is a keyprerequisite for active suppression of inhomogeneities of product properties andhas been shown to compare favorably to state-of-the-art controllers.The optimization of new or already existing plants is discussed in parallel to the central control engineering topics of this thesis. Model-based schemes to optimizethe steady-state operating point are presented and used to choose the baking plate thickness, inductor locations, and their steady-state powers to achieve the desired baking cycle with minimal baking face temperature variation and fast oven startup.The results of this work have been successfully applied to a prototype oven for rolled wafer cones and a flat wafer baking oven, both manufactured by BühlerWafer Solutions GmbH. The flat wafer baking oven is currently entering series production and won the Lower Austrian Innovation Award 2025. The model-based optimal control strategy developed in this thesis is an important feature of thesebaking systems.