CN117794816A - 用于填充机器流量调节阀的基于虚拟压力的控制系统和方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于控制填充机器(1)的流量调节阀(6)的方法，该填充机器(1)由多层复合包装材料形成复合包装(2)并用可倾倒填充产品填充该复合包装，其中调节阀的位置控制填充包装的产品的流量，该方法设想：实施流量反馈控制，接收流量设定点(FSP)和入口流量测量值(FIN)并生成指示入口流量测量和流量设定点之间的差值的反馈控制贡献(CFB)；实施流量前馈控制，接收流量设定点(FSP)并使用流体动态图生成前馈控制贡献(CFF)，该图映射调节阀相对于填充产品流量和压力值的输出位置；基于在流量反馈控制模块的输出处生成的反馈控制贡献(CFB)生成虚拟压力(PV)，其中流量前馈控制接收虚拟压力(PV)并使用流体动态图基于流量设定点(FSP)和虚拟压力(PV)在其输出处生成前馈控制贡献(CFF)。前馈控制贡献(CFF)确定用于调节流量调节阀(6)的操作位置的控制信号(Sc)。
Description
技术领域
本发明涉及用于控制用于用可倾倒食品填充复合包装的填充机器中的流量调节阀的基于虚拟压力的系统和方法。
背景技术
众所周知，许多液体或可倾倒食品，例如果汁、UHT(超高温处理的)奶、酒、番茄酱等，以由多层复合包装材料制成的复合包装形式分销和销售。
一个典型示例是用于可倾倒食品的平行六面体形状的包装，称为利乐砖无菌TM(Tetra Brik AsepticTM)，其是通过密封和折叠层压带状包装材料制成的。该包装材料具有多层结构，包括纸盒和/或纸基层，其两侧覆盖有热密封塑料材料层，例如聚乙烯。在用于长期储存产品的无菌包装的情况下，包装材料还包括一氧气阻隔材料层，例如铝箔，其叠加在一热密封塑料材料层上，又覆盖有另一热密封塑料材料层，该另一热密封塑料材料层形成最终接触食品的包装内面。
通常在全自动填充(或也称为包装)设备内生产这种类型的复合包装，这些设备至少从多层复合包装材料卷材(从卷轴卷绕)开始形成复合包装并用可倾倒食品填充复合包装。
一种典型的包装设备至少包括填充机器，其由多层复合包装材料形成复合包装并用可倾倒食品填充复合包装。另外，包装设备还可以包括下游处理装置，从填充机器接收复合包装并对复合包装进行额外的处理；下游处理装置可以例如包括一个或多个用于临时缓冲复合包装的缓冲单元；施加单位，其用于在复合包装上施加例如吸管；分组单元，例如托盘堆垛机单元，其用于将多个复合包装一起分组到储存单元(例如托盘)中。
在已知的填充机器中，特别是用于将液体或可倾倒食品填充到多层复合包装中的卷筒进给式填充机器中，液体食品经由管道被进给到管中，由该管形成包装；调节阀用于调节通过管道、到达管并填充包装的液体食品的流量。
填充机器包括控制单元，该控制单元可操作地耦合到调节阀并且被配置为向同一调节阀提供控制信号以调节其打开/关闭，从而调节通过管道并进入管的液体的流量。
根据已知的解决方案，控制单元被配置为实现流量比例积分微分(PID)模块，在其输入处接收流量设定点和从流量计传感器接收的入口产品流量测量值。流量PID模块的输出表示基于借助于流量计测量的实际流量与由流量设定点表示的期望流量之间的差值的第一控制校正动作。
控制单元还被配置为实现流量前馈(FF)模块，在其输入处接收流量设定点。流量前馈模块使用流体动态图在其输出处生成第二控制校正动作，该第二控制校正动作作为流量设定点和具有设计固定值的标称入口压力的函数；该流体动态图映射相对于流量设定点和压力值的阀位置。
流量比例积分微分(PID)模块和流量前馈模块(均指示调节阀的受控位置)的输出在控制单元中组合，以生成针对调节阀的控制信号，该信号因此被调整为组合控制动作的函数。
以本申请人的名义于2021年6月18日提交的欧洲专利申请号21180243公开了用于控制调节阀的有利且有效的解决方案。
根据该解决方案，填充机器还包括用于确定从加工线朝向管道进给的液体食品的入口压力测量值的压力传感器，该压力传感器相对于液体食品朝向管道流动方向布置在调节阀的上游。
入口压力测量值被提供给控制单元作为另一控制参数，特别是作为流量前馈模块的输入。
如上述专利申请号21180243中所公开的，使用入口压力测量值作为流量前馈控制模块的输入是特别有利的，因为它允许还基于来自加工线的实时压力测量值来调整调节阀，使得调节阀能快速适应同一加工线上的压力变化和波动。例如，在由于产品线干扰而导致加工线压力下降的情况下，可以调整调节阀来补偿该压力下降。
在这方面，图1示出了与流体动态图相关的示例性曲线图，该流体动态图在流量前馈控制模块中实现以确定对流量调节阀的受控位置的相应贡献。曲线图绘制了流量(在y轴上)与阀位置(在x轴上)的相对关系，每个曲线图指的是不同的压力值(在示例中，用P1-P11表示)。
特别是，给定流量设定点的值，图1显示了使用压力传感器提供的入口压力测量值而不是标称入口压力值(设计值)来确定流量调节阀位置的优点，因为压力测量值允许确定实际阀工作点。
本申请人已经认识到，虽然有利，但替代解决方案在某些情况下可能是优选的。
特别是，对于某些填充机器，可能(例如由于客户约束、硬件和/或软件限制或任何其他原因)无法沿加工线安装压力传感器，使得上文提到的专利申请号21180243中公开的控制解决方案无法被实现并且无法达到相关的优点。例如，该机器中或许存在物理约束，可能使得压力传感器的引入在物理上不切实际。附加地或替代地，由于经济原因，例如，由于组件损坏的话则需要维护和/或更换，某些客户便可能希望避免引入压力传感器。
因此，需要一种用于控制流量调节阀的解决方案，该解决方案允许改善对产品线干扰的反应，同时保持填充机器的当前布局(即，无需沿着加工线安装压力传感器)。
发明内容
因此，本解决方案的目的是提供一种用于控制流量调节阀的改进的系统和方法，其允许至少部分地满足上述需要。
根据本解决方案，因此提供了如所附权利要求中所限定的控制方法和系统。
附图说明
将参考附图通过示例的方式描述本发明的非限制性实施方案，其中：
-图1显示了根据已知的用于控制流量调节阀的解决方案，与填充机器的控制单元的操作相关的量图。
-图2是带有相应控制单元的填充机器的示意图；
-图3是根据一个可能的实施方案的填充机器的控制单元的示意框图；
-图4显示了与图3的控制单元的操作相关的量图；以及
-图5是根据一个或多个实施方案的填充机器的控制单元的示意性框图。
具体实施方式
图2以示例的方式显示了填充机器1，有时也称为包装机，其中可以实施本控制解决方案；在该示例中，填充机器1是用于将液体或可倾倒食品填充到多层复合包装2中的卷筒进给式填充机器。
多层复合包装材料可以包括至少一个纤维材料层，例如纸或纸板层，以及至少两个热密封塑料材料层，例如聚乙烯，在彼此之间插入该纤维材料层。这两个热密封塑料材料层中的一个限定复合包装2的内面，该内面最终接触包装在同一复合包装2内的可倾倒食品。
多层复合包装材料还可以包括气体和光阻隔材料层，例如铝箔或乙烯乙烯醇(EVOH)膜，特别是其布置在热密封塑料材料层之一和纤维材料层之间。优选地，多层复合包装材料还可以包括插在气体和光阻挡材料层与纤维材料层之间的另一热密封塑料材料层。
特别地，多层复合包装材料以卷材的形式提供，特别是卷绕在包装材料卷轴3上，从包装材料卷轴3沿卷材进给方向A将该多层复合包装材料进给通过填充机器1；在填充机器1中通过产生纵向密封而由卷材形成管4。
液体食品经由管道5被进给到管4中，并且调节阀6用于调节穿过管道5到达管4并填充包装2的液体食品的流量。特别地，调节阀6将管道5耦合到加工线7，该加工线7被配置为加工(以任何已知的方式)液体食品然后对其进行包装(加工线7还耦合到罐或类似的储存元件7')。
管4的下端部8被进给到折叠设备9中，在其中产生横向密封，根据折叠线(也称为弱化线)将管4折叠然后切断，使得形成填充有液体食品的复合包装2。
如同一图2所示，填充机器1还可以包括灭菌设备S，例如过氧化氢浴或LVEB(低压电子束)站，其用于确保在形成管4之前卷材不含不想要的微生物。
填充机器1还包括控制单元10，该控制单元10(除了此处未讨论的用于管理填充机器1的一般操作的其他功能之外)可操作地耦合到调节阀6并且被配置为向同一调节阀6提供控制信号Sc以调节其位置(从关闭位置到打开位置)，从而调节通过管道5并进入管4的液体的流量。
控制单元10例如包含PLC(可编程逻辑控制器)或任何合适的处理和计算单元，其被配置为执行被设计为生成用于调节阀6的上述控制信号Sc的计算机程序。
填充机器1还包括流量计16和液位检测器18。
流量计16确定从加工线7供给到填充机器1的液体食品的入口产品流量值FIN；并且液位检测器18确定从管道5供给到管4中用于填充包装2的液体食品的产品液位测量值LM。
所确定的产品流量和液位测量值FIN、LM以有线或无线方式提供给控制单元10作为控制参数。
特别是，流量计16相对于液体食品进入填充机器1的流动方向布置在调节阀6的上游；并且液位检测器18以任何合适的方式布置(例如靠近管4)，以便检测同一管4内的流体液位(例如以非接触方式，经由电磁式测量)。
值得注意的是，在所提出的解决方案中，填充机器1不需要压力传感器来确定从加工线7朝向管道5进给的液体食品的入口压力测量值；换句话说，压力测量值不是控制单元10用来调整调节阀6位置的控制参数。
图3显示了根据本解决方案的一个或多个实施方案的控制单元10的示意性框图，其被配置为从流量计16接收入口产品流量测量值FIN，以及流量设定点FSP。
控制单元10包括流量前馈(FF)控制模块20和流量反馈(FB)控制模块22，两者都在各自的输入处接收流量设定点FSP。
流量设定点FSP表示通过调节阀16并进入管道5朝向管4的产品的目标流量。流量设定点FSP可以被确定为起始流量百分比、标称流量百分比、机器速度流量百分比、液位设定点和/或产品液位(如液位检测器18所测量)中的一项或多项的函数。
流量反馈控制模块22还在其输入处接收来自流量计16的入口产品流量测量值FIN。
在可能的实施方案中，流量反馈控制模块22由比例积分微分(PID)控制器实现，该控制器根据比例、积分和微分控制动作(以任何已知的方式，这里不详细讨论)，基于流量设定点FSP(表示期望的流量)与借助于流量计16测量的入口产品流量测量值FIN(表示实际的流量)之间的差值，在其输出处生成反馈控制贡献CFB。换句话说，上述差值表示由流量设定点FSP表示的预期流量与借助于流量计16测量的产品的实际流量之间的差值。
如图3所示，流量设定点FSP和入口产品流量测量值FIN之间的上述差值在第一求和块23中执行，其输出被输入到流量反馈控制模块22。
根据本解决方案的特定方面，流量前馈控制模块20在其输入处接收虚拟压力Pv，该虚拟压力Pv基于在流量反馈控制模块22的输出处生成的反馈控制贡献CFB。
流量前馈控制模块20基于流量设定点FSP和上述虚拟压力Pv，使用流体动态图在其输出处生成前馈控制贡献CFF，该流体动态图提供基于流量设定点Fsp和虚拟压力Pv的值，调节阀6的受控位置值。
特别是，根据本解决方案的一个方面，由流量前馈控制模块20生成的前馈控制贡献CFF直接(以排他且独立的方式)定义控制信号Sc，其用于填充机器1的流量调节阀6、用于调节其打开/关闭(阀的位置范围从关闭位置到全打开位置)并由此调节穿过其进入管道5然后进入管4以形成填充的包装12的液体食品的流量。
在这方面，图4显示了流体动态图的示例性曲线图，该流体动态图在流量前馈控制模块20中实现，以确定前馈控制贡献CFF(即，调节阀6的位置)。特别是，曲线图绘制了受控阀位置(在y轴上)与压力下降(在x轴上)的相对关系，每个曲线图指的是不同的流量设定点(在示例中，用F1-F4表示)。
特别是，给定流量设定点FSP的值，虚拟压力Pv的值允许确定相关曲线图上的调节阀6的实际工作点以及同一流量调节阀6的相应受控位置(确定控制信号Sc)。
特别地，虚拟压力Pv被确定为在流量反馈控制模块22的输出处生成的反馈控制贡献CFB和参考压力值Pref的函数。
更详细地，虚拟压力Pv的值被确定为参考压力值Pref与反馈控制贡献CFB之间的差值，其在第二求和块24中实现。例如，反馈控制贡献CFB的量度单位可以与参考压力值Pref相同。
根据一种可能的实施方案，参考压力值Pref对应于在填充机器1的操作期间从加工线7朝向管道5进给时液体食品能够达到的最大压力值。最大压力值可以特定于应用和/或可以相对于该应用而变化。
因此，控制单元10的操作通过计算作为流量反馈控制回路的函数的产品压力(虚拟压力Pv)的估计值来利用填充流体产品中的流量和压力变化之间的直接比例关系。
反馈控制贡献CFB表示由PID控制回路确定的校正，以使测量的流量(入口产品流量测量FIN)达到流量设定点FSP；因此，该相同的校正(由于直接比例关系)可以应用于参考压力Pref以确定虚拟压力Pv，其表示例如在调节阀6处填充产品压力的估计指示(从而避免使用专用压力传感器来实际测量产品压力)。
图5显示了控制单元10的另一实施方案。
在该实施方案中，控制单元10还包括液位反馈控制模块32，其由相应的比例积分微分(PID)控制器实现，该控制器根据比例、积分和微分控制动作(以任何已知的方式，这里不详细讨论)，基于从液位检测器18接收的产品液位测量值LM(表示实际的产品液位)和液位设定点LSP(表示期望的产品液位)之间的差值，在其输出处生成指示流量设定点FSP的另一控制贡献CSP。
如同一图5所示，产品液位测量LM和液位设定点LSP之间的上述差值在第三求和块33中执行，其输出表示液位反馈控制模块32的输入。
在这种情况下，控制单元10基于压力和液位测量值实现双PID控制回路，以便基于产品液位利用附加控制动作来调节通过调节阀6的流量(以便实现填充机器1的更加稳定的运行)。
上述进一步控制贡献CSP可以表示实际流量设定点FSP，其设置在流量反馈控制模块22的输入处。
在图5所示的实施方案中，另一控制贡献CSP经由第一开关33a选择性地提供给求和块34，该求和块34在输出处生成流量设定点Fsp并且进一步在输入处接收机器流量贡献CM。
特别是，该机器流量贡献CM由乘法器块36生成，该乘法器块36在其输入处接收：机器速度百分比；以及选择性地，标称流量百分比(经由第二开关33b)或起始流量百分比(经由斜坡发生器35和第三开关33c)。
以已知的方式，机器流量贡献CM可以表示对填充机器1启动时的流量设定点FSP的贡献。
从前面的描述中可以清楚地看出所讨论的解决方案的优点。
在任何情况下，要强调的是，由控制单元10实现的改进的控制动作允许通过补偿瞬时流量(和压力)波动和扰动来提供调节阀6的更准确的响应。
因此，可以实现填充机器1的更稳定的运行，使得已填充的包装中的产品的液位和流动更稳定，从而在存在产品线干扰的情况下减少产品和相同包装的浪费。
有利地，在沿产品加工线无需额外组件的情况下实现上述改进。特别地，不需要压力传感器来提供入口产品压力的测量，因为相同产品压力的指示是通过基于流量反馈控制回路的输出估算虚拟压力Pv来实现的。
然而，显然可以在不脱离所附权利要求中限定的保护范围的情况下对本文中所描述的内容进行改变。
特别地，要强调的是所讨论的解决方案可以应用于任何包装或填充机器以及任何种类的可倾倒食品。
Claims (15)
1.一种用于控制填充机器(1)的流量调节阀(6)的方法，所述填充机器(1)被配置为由多层复合包装材料形成复合包装(2)并且用可倾倒填充产品来填充所述复合包装(2)，其中所述调节阀(6)的位置调节填充所述包装(2)的所述产品的流量，所述方法包括：
实施流量反馈控制、从流量计(16)接收所述填充产品的流量设定点(FSP)和入口流量测量值(FIN)并基于所述入口流量测量值(FIN)和所述流量设定点(FSp)之间的差值生成反馈控制贡献(CFB)；
实施流量前馈控制，接收所述流量设定点(FSP)并使用流体动态图生成前馈控制贡献(CFF)，所述流体动态图映射所述调节阀(6)相对于所述填充产品的流量和压力的输出位置，
在所述流量反馈控制模块(22)的输出处，基于所述反馈控制贡献(CFB)生成虚拟压力(Pv)；
在所述流量前馈控制中接收所述虚拟压力(Pv)，并使用所述流体动态图基于所述流量设定点(FSp)和所述虚拟压力(Pv)在其输出处生成所述前馈控制贡献(CFF)；
由所述前馈控制贡献(CFF)生成用于控制所述流量调节阀(6)的操作位置的控制信号(Sc)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述虚拟压力(Pv)是所述填充产品的所述压力的估计指示。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其包括将所述虚拟压力(Pv)确定为在所述流量反馈控制模块(22)的所述输出处的所述反馈控制贡献(CFB)和参考压力值(Pref)的函数。
4.根据权利要求3所述的方法，其包括将所述虚拟压力(Pv)确定为所述参考压力值(Pref)与所述反馈控制贡献(CFB)之间的差值。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其中，所述参考压力值(Pref)对应于在所述填充机器(1)的操作期间所述填充产品能够达到的最大压力值。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述流体动态图根据所述虚拟压力(Pv)和流量设定点(FSP)的值提供所述流量调节阀(6)的所述操作位置。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述流量设定点(FSP)指示穿过所述调节阀(6)的产品的目标流量，其被确定为以下中一项或多项的函数：起始流量百分比、标称流量百分比、机器速度流量百分比、液位设定点和由液位检测器(18)测量的产品液位。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述流量反馈控制由比例积分微分PID模块(22)来实现。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其还包括：
从液位检测器(18)接收产品液位测量值(LM)；
基于所述产品液位测量值(LM)和液位设定点(Lsp)之间的差值，通过比例积分微分控制确定进一步的控制贡献(CSP)；
其中所述流量设定点(FSP)是所述控制贡献(CSP)的函数。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述填充机器(1)被配置为由所述多层复合包装材料的卷材形成管(4)并且包括用于用所述填充产品填充所述管(4)的填充管道(5)；所述调节阀(6)被配置为将所述填充管道(5)耦合至产品加工线(7)。
11.一种用于控制填充机器(1)的调节阀(6)的流量的控制系统，所述填充机器(1)被配置为由多层复合包装材料形成复合包装(2)并且用可倾倒填充产品来填充所述复合包装(2)，其中所述调节阀(6)被配置为调节填充所述包装(2)的所述产品的所述流量，所述控制系统包括：
控制单元(10)，其被配置为确定用于控制所述流量调节阀(6)的操作位置的控制信号(Sc)，
其中所述控制单元(10)被配置为实施根据前述权利要求中任一项所述的方法。
12.一种填充机器(1)，其包括根据权利要求11所述的控制系统。
13.根据权利要求12所述的机器，其被配置为由所述多层复合包装材料的卷材形成管(4)并且包括用于用所述填充产品填充所述管(4)的填充管道(5)，
其中所述调节阀(6)被配置为将所述填充管道(5)耦合至产品加工线(7)。
14.根据权利要求13所述的机器，其中所述流量计(16)相对于所述填充产品从所述加工线(7)到所述填充管道(5)的流动方向被布置在所述调节阀(6)的上游。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的填充机器，其中所述控制单元(10)不接收产品压力测量值作为确定所述控制信号(Sc)的控制参数。
Applications Claiming Priority (3)
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