CN105676684A - 配备有现场总线控制逆变器的用于制造液体或半液体产品的机器 - Google Patents

配备有现场总线控制逆变器的用于制造液体或半液体产品的机器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于制造液体和半液体产品的机器(1)，包括：容器(2)，该容器用于加工所述液体和半液体产品；搅拌器(3)，该搅拌器在所述加工容器内部操作；热交换器(4)，该热交换器在操作上与加工容器(2)相关联以便与在容器(2)内部的液体或半液体产品交换热量；电动机单元(5)，该电动机单元在搅拌器(3)上操作以用于驱动搅拌器在容器内部旋转；逆变器(6)，该逆变器连接到所述电动机单元(5)以便控制所述电动机单元(5)的操作；控制和操作单元(7)，该单元连接到所述逆变器(6)以便发送命令信号(S1)并接收控制信号(S2)，通信现场总线(8)，该通信现场总线是介于逆变器(6)与控制单元(7)之间，从而允许在逆变器(6)与控制单元(7)之间传输所述命令和控制信号(S1、S2)，所述机器的特征在于控制单元(7)被编程为运行被配置成控制逆变器的状态机类型的第一算法，包括下列状态：将命令传输至逆变器；待机以便确认逆变器已接收到命令；传输对逆变器操作参数的读取请求；待机以便接收逆变器参数。[附图1]。

Description

配备有现场总线控制逆变器的用于制造液体或半液体产品的机器
技术领域
本发明涉及一种用于制造液体或半液体产品的机器。
背景技术
正如已知的，在相关领域中，对用于生产液体或半液体产品的工艺的精确和正确的控制有着很强的需求。
现有技术的用于制造液体或半液体产品的机器基本上包括：用于对基本的液体或半液体材料进行加工的容器、及在容器内部操作且由电动机驱动的搅拌器。
这些机器还包括被设计用于控制电动机的控制单元。
在本发明申请人名义下的专利文件EP2082649描述了一种用于液体或半液体产品的机器，其中微处理器控制单元通过通信现场总线对连接到电动机的逆变器进行操控从而驱动搅拌器。
在前述文件公布之后提交的在G.S.GSrl名义下的专利文件US2012/0215361描述了一种用于制造液体和半液体产品并且装备有其中安装有搅拌器的加工槽的机器。
搅拌器是由电动机驱动，而电动机进而由逆变器通过通信总线进行控制。
控制单元利用定时器以预定的时间间隔、通过计时器或者另选地基于预定的事件来向逆变器发送请求该逆变器的状态的命令，并且也基于逆变器的瞬时状态而向逆变器发送命令。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于加工液体和半液体产品的机器。该机器允许以特别准确、可靠和容易的方式对主要工艺参数进行控制，并且构成现有技术系统的替代技术方案。
附图说明
关于上述目的的本发明技术特征明确地描述于所附权利要求中，并且基于下面的详细说明并参照附图本发明的优点将是显而易见的，附图中图示说明了本发明的一个非限制性示范性实施例，在附图中：
图1是用于制造液体或半液体产品的本发明的机器的示意图；
图2是用于制造液体或半液体产品的本发明的机器的示意图；
图3示意性地表示在本发明的机器中实现的算法。
具体实施方式
在附图中，附图标记1代表用于制造液体和半液体产品的机器，该机器包括：
用于加工液体和半液体产品的容器2；
在加工容器2内部操作的搅拌器3；
热交换器4，该热交换器在操作上与加工容器2相关联以便与容器2内部的液体或半液体产品交换热量；
电动机单元5，该电动机单元是在搅拌器3上操作以便驱动搅拌器3在容器2内部旋转；
逆变器6，该逆变器连接到电动机单元5以便控制电动机单元5的操作；
控制和操作单元7(在下文中也称为“控制单元”)，该控制和操作单元连接到逆变器6以便发送命令信号S1并接收控制信号S2，
通信现场总线8，该总线是介于逆变器6与控制单元7之间以允许在逆变器6与控制单元7之间传输命令信号S1和控制信号S2。
优选地，通信现场总线8是串行总线，更优选地是Modbus。
关于加工容器2，优选地容器2是圆柱形的容器。
优选地，容器2是轴对称的。
优选地，容器2具有水平轴。
关于热交换器4，应当注意的是，该机器优选地包括其操作是基于载热流体的热力学系统，并且热交换器4被配置成使载热流体从其中流过。
热交换器4构成热力学系统的一部分。
优选地，热力学系统包括压缩机(未图示)。
关于搅拌器3，应当注意的是该搅拌器具有从中心轴径向地延伸的一个或多个刀片或者刮削元件。
优选地，搅拌器3被配置成允许刮削容器2的内壁。
关于热交换器4，应当注意的是，热交换器4具有用于载热(热交换)流体的流动回路。
图1示出了机器1的第一实施例，其中容器2是加工(搅拌和冷冻)圆柱体。
图2示出了具有用于对产品进行预处理的箱体2A(定义第一容器2)、和用于对产品进行加工的圆柱体2B(定义第二容器2)的机器1。
因此，图2的机器包括：用于驱动在第一容器2A中操作的第一搅拌器的第一电动机和第一逆变器、及用于驱动在第二容器2B中操作的第二搅拌器的第二电动机和第二逆变器。
控制单元7(通过单条现场总线或者两条现场总线8)连接到第一和第二逆变器。
优选地，控制单元7通过相同的现场总线8连接到第一和第二逆变器(在这种情况下，每一逆变器具有由控制单元用来将传输命令或请求命令发送至逆变器的唯一标识符ID)。
优选地，但不一定地，机器1是用于制造冰淇淋(手工冰淇淋和/或软冰淇淋)的机器。更一般地，机器1可以制造任何类型的液体和/或半液体产品(例如，酸奶、巧克力、果汁冰糕、奶油等)。
根据本发明，控制单元7被编程为运行用于控制逆变器的(有限)状态机类型的第一算法。
换言之，机器1(具体地，控制单元7)包括硬件模块(包括一个或多个处理器)和软件指令，这些软件指令是由硬件模块执行并且被配置成运行用于控制逆变器的(有限)状态机类型的第一算法。
状态控制算法至少包括下列状态：
(a)将至少一条命令传输至逆变器；
(b)待机以便确认逆变器已接收到命令；
(c)传输对逆变器操作参数的读取请求；
(d)待机以便接收逆变器参数。
关于步骤(a)，应当注意的是，传输至逆变器的命令是下列中的一条(或多条)命令：电动机单元的启动命令、电动机单元的停止命令、电动机的旋转频率设定、警报归零。
电动机启动命令允许启动电动机，因此启动搅拌器3。
电动机停止命令允许使电动机停止，因此使搅拌器3停止。
旋转频率设定命令允许将旋转频率设定在逆变器6中。
应当注意的是，在逆变器6接收到启动命令和停止命令之后，在没有控制单元以任何方式控制电动机驱动参数(例如，加速、减速)的情况下，由逆变器主动地管理并控制电动机，因此独立于控制单元而控制电动机，也就是说，仅仅由在逆变器中实现的操作逻辑来控制电动机。
优选地，旋转频率是属于一组离散值的数字。优选地，旋转频率是在0、第一值、第二值和第三值之间的值。
警报归零命令允许在逆变器寄存器中将警报(如果有的话)归零。
应当注意的是，这些命令基本上是由发送写入一个或多个逆变器寄存器的请求所组成。
因此，也应当注意的是，控制单元7可以同时地发送一条或多条命令。
应当注意的是，第一算法循环地运行。
因此，来自逆变器程序单的命令既不是按照预定的时间方案(例如以预定的时间间隔)也不是基于事件而发送，而是当算法处于特定状态(尤其是处于“将命令传输至逆变器”的状态)时发送。
图3示意性地示出了如何由控制单元7将命令和读取请求发送至逆变器6。
应当注意的是，命令(如读取请求)是按照循环的方案来发送的，也就是说循环地发送命令。
更具体地，在正常操作期间(即，当没有警报或者来自逆变器的驱动变更时)，第一算法循环地且交替地发送读取逆变器操作参数的命令和请求(如图3中所示)。
优选地，在每一循环发送的命令是相同的，而在每一循环读取逆变器操作参数的请求是不同的(如图3中所示，其中将读取请求标记为RD并且将命令标记为WR)。
当算法处于“传输对逆变器操作参数的读取请求”状态时，由控制单元将读取逆变器操作参数的请求发送至逆变器。
应当注意的是，为了所有意图和目的，第一算法由此定义状态机，该状态机循环地且迭代地将命令和读取请求发送至逆变器。
也应当注意的是，从启动机器的时刻起基本上持续地执行第一算法。
通过总线8发送的数字数据只与用于逆变器操作的命令有关，而与通过除通信总线8以外的通信线路到达控制单元7的来自不同传感器(温度、压力)的其它信号无关。
换句话说，通信总线8仅专用于与命令和参数读取请求有关的数据的传输。对于另一方面，应当注意的是控制和操作单元7被配置成独立于第一算法而运行(优选地，并行地运行)状态机类型的第二算法，并且被配置成控制一个或多个机器致动器，包括热力学系统(具体地热力学系统的压缩机)。
应当注意的是，第二算法负责管理工艺的进程，而第一算法基本上负责在加工期间逆变器6的通信和控制。
第二算法被配置成：
(a)读取将被执行步骤的参数(从下述的第一数据结构和/或第二数据结构中读取)；
(b)根据所读取的参数来命令致动器；
(c)递增步骤计数器。
因此，工艺的进程并非是由第一算法所控制，而是独立地且分开地由第二算法所控制。
每个配方(用于制造产品)是由各步骤(阶段)所组成。应当注意的是，在每一步骤，第二算法执行前述的操作(a)至(c)直到到达最后的步骤。
根据另一方面，机器1包括具有第一数据结构的存储器(优选ROM，即只读存储器)。
第一数据结构是为每一配方的不同阶段所设定的信息。
应当注意的是，算法优选地在工艺的每一阶段开始时并且只在开始时读取数据结构。
应当注意的是，检索到的数据(亦即从数据结构中读取的数据)是用全局变量存储的，以使得对于第一和第二算法两者是可访问的(为了所有的意图和目的，这两个算法是独立的)。
基于此读取，第一算法设定将被发送至逆变器6的初始命令。
在与配方相关联的特定阶段的执行期间，不再次读取数据结构中的数据或者与数据结构的数据进行比较。
换句话说，在每一阶段开始时，第二算法读取数据结构，以便从数据结构本身中检索出与将在该阶段期间执行命令相关的信息和/或机器1的操作参数。
因此，第二算法被配置成在每一阶段开始时从数据结构中读取存在于数据结构中的为该阶段所设定的信息，从而基于从数据结构中检索到的信息来设定将被传输至逆变器的命令。
更确切地，数据结构至少包括下列的用于每一配方和阶段的信息：
将被执行的功能(命令)；
将被显示的配料；
所需逆变器速度；
能设定的逆变器最小命令速度；
能设定的逆变器最大命令速度；
阶段执行时间；
能设定的最小时间；
能设定的最大时间；
所需产品温度；
能设定的产品最低温度；
能设定的产品最高温度；
控制温度限值。
优选地，机器1包括：ROM所包含的第一数据结构，该数据结构包含编程值(工厂设定)以及第二个不同的储存器所包含的第二数据结构，该存储器是非易失性的(可写)并且该第二数据结构包含用户可设定值。
优选地，但不一定地，第二数据结构具有等同于第一数据结构的结构。
在每一阶段开始时，算法从第一和第二数据结构两者中检索出信息项。
对于将被执行的功能(存在于数据结构中的信息项)，功能优选地是下列中的一个功能：
加热；
冷却；
加热和搅拌；
冷却和搅拌；
搅拌；
产品储存；
产品准备。
应当注意的是，在加热功能中，控制单元7(更确切地，第二算法)激活与容器2相关联的加热器从而将容器2内部的产品加热(该加热器可以是完全一样的热交换器4)。
另一方面，在冷却功能中，控制单元7(更确切地，第二算法)激活与容器2相关联的冷却元件从而使容器2内部的产品冷却(冷却元件可以是完全一样的热交换器4)。
在“加热和搅拌”、“冷却和搅拌”和“搅拌”功能中，控制单元7命令逆变器6激活电动机5。
优选地，加热器和冷却元件是由热交换器4或者两个不同的交换器定义的。
第一算法优选地被配置成在“将命令传输至逆变器”状态中，传输与对应于配方的准备结束条件的“产品储存”或“产品准备”功能相关联的电动机停止命令或零速电动机启动命令。
优选地，机器1包括用户界面(未图示)，该用户界面具有控件并且被配置成调整被传输至逆变器的命令的一个或多个参数。
优选地，该界面允许修改第二数据结构的部分值并且将其保存到该数据结构中。
根据另一方面，该界面具有用于调整逆变器的旋转速度的控件，从而允许调整逆变器的旋转速度。
因此，有利地，用户可以根据需要通过调整逆变器的旋转速度来制造各种各样的产品。
有利地，机器1在其操作方面是高度可靠的并且特别易于控制。
上述两种状态算法(组合地和单独地)允许以特别安全可靠的方式将机器的操作保持在控制之下。
关于“传输对逆变器操作参数的读取请求”状态，应当注意的是，控制单元7读取下列的操作参数：
电动机的旋转力矩；
存在于逆变器处的逻辑输入的状态(这些输入可使得外部安全设备与其相关联)；
警报的状态(警报寄存器和警报码寄存器)。
关于警报管理，应当注意的是，警报管理是在第一算法中执行的。

Claims (14)

1.一种用于制造液体和半液体产品的机器(1)，包括：
用于对所述液体和半液体产品进行加工的容器(2)；
在所述加工容器内部操作的搅拌器(3)；
热力学系统，所述热力学系统包括在操作上与所述加工容器(2)相关联，以便与在所述容器(2)内部的液体或半液体产品进行热交换的热交换器(4)；
电动机单元(5)，所述电动机单元在所述搅拌器(3)上操作以便驱动所述搅拌器在所述容器(2)内部旋转；
逆变器(6)，所述逆变器连接到所述电动机单元(5)以便控制所述电动机单元(5)的操作；
控制和操作单元(7)，所述控制和操作单元连接到所述逆变器(6)以便发送命令信号并接收控制信号，
通信现场总线(8)，所述通信现场总线是介于所述逆变器(6)与控制和操作单元(7)之间，从而允许在所述逆变器(6)与所述控制和操作单元(7)之间传输命令和控制信号，所述机器的特征在于所述控制和操作单元(7)被编程为运行被配置成命令并控制所述逆变器(6)的状态机类型的第一算法，包括下列状态：
将命令传输至所述逆变器(6)；
待机以便确认所述逆变器(6)已接收到所述命令；
传输对逆变器(6)操作参数的读取请求；
待机以便接收所述逆变器(6)参数。
2.根据前述权利要求所述的机器，其中被传输至所述逆变器(6)的所述命令是下列中的至少一条命令：
所述驱动单元(5)的启动命令；
所述驱动单元(5)的停止命令；
所述驱动单元(5)的旋转频率设定；
警报归零。
3.根据前述权利要求中任一项所示的机器，其中所述控制和操作单元(7)被配置成基本上独立于所述第一算法而运行用于控制加工的状态机类型的第二算法，并且被配置成控制一个或多个致动器，包括所述热力学系统。
4.根据前述权利要求中任一项所述的机器，其中所述控制和操作单元(7)被配置成从启动所述机器的时刻起持续地运行所述第一算法。
5.根据前述权利要求和权利要求3中任一项所述的机器，包括第一存储器，所述第一存储器具有表示用于每一配方的不同阶段的数据集的第一数据结构，并且其中所述第二算法被设计用于在配方的每一阶段开始时读取与将被执行的特定阶段有关的数据集，从而基于所述数据读取来设定将被传输至所述逆变器(6)的初始命令。
6.根据前述权利要求所述的机器，包括第二存储器和第二数据结构，所述第二数据结构基本上等同于所述第一数据结构并且包含由所述用户输入并修改的与每一配方的不同阶段有关的数据。
7.根据前述权利要求所述的机器，其中所述第一数据结构至少包括用于每一配方和每一阶段的下列数据：
将被执行的功能；
阶段执行时间；
所需产品温度；
所需逆变器速度。
8.根据前述权利要求所述的机器，其中所述第一数据结构还包括下列数据：
被显示的配料；
能设置的逆变器最小命令速度；
能设置的逆变器最大命令速度；
能设置的最小时间；
能设置的最大时间；
能设置的产品最低温度；
能设置的产品最高温度；
控制温度限值。
9.根据权利要求6或7所述的机器，其中所述将被执行的功能包括下列功能：
加热；
冷却；
加热和搅拌；
冷却和搅拌；
搅拌；
产品储存；
产品准备。
10.根据前述权利要求所述的机器，其中所述第一算法被配置成传输电动机停止命令或零速电动机启动命令，所述电动机停止命令或零速电动机启动命令与对应于所述配方的准备结束条件的所述产品储存或产品准备功能是相关联的。
11.根据前述权利要求中任一项所述的机器，其中所述第一算法被配置成在预定状态下将命令和读取请求循环地相继传输至所述逆变器，对于每个循环所述命令是相同的，一个循环的读取请求与下一个循环的读取请求是不同的，并且所述请求选自一组离散的请求。
12.根据前述权利要求所述的机器，包括用户界面，所述用户界面具有用于调整所述逆变器(6)的旋转速度的控件，从而允许调整所述逆变器(6)的旋转速度。
13.根据前述权利要求中任一项所述的机器，其中所述控制和操作单元(7)被配置成在“传输对逆变器操作参数的读取请求”状态下，将用于读取下列操作参数的读取请求发送至所述逆变器(6)：
所述电动机(5)的旋转力矩；
存在于所述逆变器(6)上的逻辑输入的状态；
警报的状态。
14.根据前述权利要求和权利要求5中任一项所述的机器，其中所述第二算法被配置成：
(a)在所述步骤开始是从所述第一数据结构中读取参数；
(b)根据所读取的参数来命令致动器；
(c)递增步骤计数器。
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