DE102013100702A1

DE102013100702A1 - Steuermodul für eine Abfüllanlage

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Publication number: DE102013100702A1
Application number: DE201310100702
Authority: DE
Inventors: Hartmut Breithaupt; Stefan Gampp; Richard Heyne; Manfred Mast
Original assignee: Endress and Hauser Process Solutions AG
Current assignee: Endress and Hauser Process Solutions AG
Priority date: 2013-01-24
Filing date: 2013-01-24
Publication date: 2014-07-24

Abstract

Es wird ein Steuermodul zum Steuern von mindestens einer Füllstelle in einer Abfüllanlage beschrieben, wobei die Abfüllanlage einen Vorlagebehälter aufweist, der ein fließfähiges Medium enthält, sowie eine Mehrzahl von Füllstellen aufweist, die über eine zentrale Zuführleitung an den Vorlagebehälter angeschlossen sind. Jede der Füllstellen umfasst ein Durchflussmessgerät zur Bestimmung des Durchflusses durch die Füllstelle sowie ein Abfüllventil zum dosierten Abfüllen des fließfähigen Mediums. Das Steuermodul ist dazu ausgelegt, für mindestens eine Füllstelle einen Verlauf des Durchflusses durch die jeweilige Füllstelle während eines Abfüllzyklus als Funktion der Zeit in Echtzeit zu erfassen, in Abhängigkeit vom Verlauf des Durchflusses Steuersignale zum Öffnen und Schließen von Abfüllventilen der mindestens einen Füllstelle zu erzeugen, den Verlauf des Durchflusses während des Abfüllzyklus in Echtzeit zu überprüfen und Anomalien im Verlauf des Durchflusses während des Abfüllzyklus zu erkennen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Steuermodul zum Steuern von mindestens einer Füllstelle in einer Abfüllanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Abfüllanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 17. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum dosierten Abfüllen eines fließfähigen Mediums gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 19, sowie ein Verfahren zur Bestimmung der Viskosität eines fließfähigen Mediums gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 20.
Eine Abfüllanlage zum dosierten Abfüllen eines fließfähigen Mediums in Behälter (beispielsweise Flaschen) umfasst in der Regel einen Vorlagebehälter, der das fließfähige Medium enthält, sowie eine Mehrzahl von Abfüllstellen, die über eine zentrale Zuführleitung mit dem Vorlagebehälter in Verbindung stehen. Zur automatisierten Steuerung des Abfüllvorgangs werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Beispiele für derartige Feldgeräte sind Füllstandsmessgeräte, Massedurchflussmessgeräte, Druck- und Temperaturmessgeräte etc., die als Sensoren die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand, Durchfluss, Druck bzw. Temperatur erfassen.
Als Feldgeräte werden im Prinzip alle Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten.
Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der Firma Endress+Hauser hergestellt und vertrieben.
Der Abfüllvorgang in einer Abfüllmaschine sollte nur kurze Zeit in Anspruch nehmen, damit ein hoher Durchsatz erzielt werden kann. Dennoch sollte die Abfüllmenge, die in jeden Behälter gefüllt wird, möglichst genau stimmen. Dabei kommt es insbesondere darauf an, eine vorgegebene Abfüllmenge mit guter Reproduzierbarkeit abzufüllen, wobei über eine Charge hinweg lediglich geringe Abweichungen von der Sollmenge auftreten sollen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Steuermodul zum Steuern einer oder mehrerer Füllstellen in einer Abfüllanlage zur Verfügung zu stellen, welches in der Lage ist, die Reproduzierbarkeit des Abfüllvorgangs zu verbessern.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die in den Ansprüchen 1, 17, 19 und 20 angegebenen Merkmale.
Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Ein Steuermodul entsprechend den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dient zum Steuern von mindestens einer Füllstelle in einer Abfüllanlage, wobei die Abfüllanlage einen Vorlagebehälter aufweist, der ein fließfähiges Medium enthält, sowie eine Mehrzahl von Füllstellen aufweist, die über eine zentrale Zuführleitung an den Vorlagebehälter angeschlossen sind. Jede der Füllstellen umfasst ein Durchflussmessgerät zur Bestimmung des Durchflusses durch die Füllstelle sowie ein Abfüllventil zum dosierten Abfüllen des fließfähigen Mediums. Das Steuermodul ist dazu ausgelegt, für mindestens eine Füllstelle einen Verlauf des Durchflusses durch die jeweilige Füllstelle während eines Abfüllzyklus als Funktion der Zeit in Echtzeit zu erfassen, in Abhängigkeit vom Verlauf des Durchflusses Steuersignale zum Öffnen und Schließen von Abfüllventilen der mindestens einen Füllstelle zu erzeugen, den Verlauf des Durchflusses während des Abfüllzyklus in Echtzeit zu überprüfen und Anomalien im Verlauf des Durchflusses während des Abfüllzyklus zu erkennen.
Bei dem Steuermodul entsprechend den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird der Verlauf des Durchflusses während eines Abfüllzyklus in Echtzeit erfasst. In Abhängigkeit von dem erfassten Durchfluss erzeugt das Steuermodul die Steuersignale zum Öffnen und Schließen von Abfüllventilen. Darüber hinaus kann der in Echtzeit erfasste Durchfluss während des Abfüllzyklus daraufhin überprüft werden, ob er einem vordefinierten gewünschten Verlauf entspricht oder nicht. Hierzu kann der erfasste Verlauf des Durchflusses beispielsweise mit einem vordefinierten Sollverlauf verglichen werden. Oder aber es wird ermittelt, ob der erfasste Verlauf des Durchflusses innerhalb eines vordefinierten Toleranzbands liegt oder nicht. Durch eine derartige Überwachung des Durchflussverlaufs ist es möglich, Abweichungen des Durchflusses vom gewünschten Sollverhalten frühzeitig zu erkennen und darauf zu reagieren, beispielsweise durch eine Anpassung der Abfüllparameter oder schlimmstenfalls durch einen vorzeitigen Abbruch der Abfüllung. Durch die Echtzeitüberwachung des Durchflussverlaufs während eines Abfüllzyklus wird die Verlässlichkeit und Reproduzierbarkeit des Abfüllvorgangs gesteigert. Darüber hinaus erhält man diagnostische Informationen über den Zustand der Abfüllanlage.
Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Abfüllanlage mindestens ein Druckmessgerät zum Erfassen des Drucks im fließfähigen Medium auf, und das Steuermodul ist dazu ausgelegt, für mindestens eine Füllstelle einen Verlauf des Drucks im fließfähigen Medium während eines Abfüllzyklus als Funktion der Zeit zu erfassen.
Das Steuermodul erfasst also zusätzlich zum Verlauf des Durchflusses als Funktion der Zeit gleichzeitig auch den Verlauf des Drucks im fließfähigen Medium. Das Steuermodul erfasst den Verlauf des Durchflusses durch eine Füllstelle als Funktion der Zeit und zeitgleich parallel dazu den zeitlichen Verlauf des zugehörigen Drucks des fließfähigen Mediums. Erst aus der Zusammenschau des zeitlichen Verlaufs des Durchflusses und des zeitlichen Verlaufs des Drucks im Medium ergibt sich ein vollständiges Bild des Abfüllvorgangs in der jeweiligen Füllstelle. Wenn man sowohl den zeitlichen Verlauf des Durchflusses als auch den zeitlichen Verlauf des Drucks als Eingangsgrößen für die Erzeugung von Steuersignalen für die Abfüllventile heranzieht, verbessert sich die Genauigkeit und insbesondere auch die Reproduzierbarkeit des Abfüllvorgangs.
Darüber hinaus ergibt sich aus der Zusammenschau der zeitlichen Verläufe von Durchfluss und Druck ein ziemlich weitreichendes Bild von den Vorgängen an einer Füllstelle. Anhand der erfassten Kurven von Durchfluss und Druck können Anomalien im Verlauf von Durchfluss und Druck während des Abfüllzyklus erkannt werden.
Dabei ist es insbesondere von Vorteil, wenn das Steuermodul dazu ausgelegt ist, anhand des Verlaufs von Durchfluss und Druck eine Anzahl von vordefinierten Fehlerbildern zu erkennen. Es hat sich herausgestellt, dass einige der in einer Abfüllanlage typischerweise auftretenden Störungen den zeitlichen Verlauf von Durchfluss und Druck in einer für die jeweilige Störung charakteristischen Art und Weise beeinflussen. Insofern ist es möglich, anhand des zeitlichen Verlaufs von Durchfluss und Druck vordefinierte Fehlerbilder zu erkennen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform können aus dem Verlauf des Durchflusses und des Drucks während eines Abfüllzyklus diagnostische Informationen über den Zustand der jeweiligen Füllstelle abgeleitet werden.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Abfüllanlage;
2 eine schematische Darstellung einer Abfüllanlage, welche einen Umwälzkreislauf umfasst;
3 eine Darstellung einer Abfüllanlage, die durch eine Mehrzahl von Steuermodulen gesteuert wird;
4 ein Diagramm, das für einen Abfüllzyklus den Durchfluss sowie den Druck im Medium als Funktion der Zeit angibt;
5 ein Diagramm, das die bei einem Abfüllvorgang auftretende Nachlaufmenge veranschaulicht;
6A, 6B verschiedene Möglichkeiten zum Überprüfen der Füllkennlinie in Echtzeit;
7 eine Füllkennlinie sowie einen Druckverlauf, die für einen Druckabfall im Medium charakteristisch sind;
8 das Verfolgen der Viskosität des fließfähigen Mediums anhand des Verlaufs von Durchfluss und Druck; und
9 eine Füllkennlinie sowie einen Druckverlauf, die für ein defektes Membranventil charakteristisch sind.
1 zeigt eine Abfüllanlage, die dazu ausgelegt ist, ein fließfähiges Medium in Behälter abzufüllen, beispielsweise in Flaschen. Die Abfüllanlage umfasst einen Vorlagebehälter 100, der das fließfähige Medium 101 enthält. Das fließfähige Medium kann über eine Zuführleitung 102 in den Vorlagebehälter 100 eingefüllt werden, wobei der Zustrom von fließfähigem Medium über das Regelventil 103 eingestellt wird. Zur Messung des Füllstands im Vorlagebehälter 100 kann ein Füllstandsmessgerät 104 vorgesehen sein, das den Füllstand im Vorlagebehälter 100 beispielsweise kapazitiv oder mittels Radar bestimmt. Die Zufuhr von fließfähigem Medium kann mittels des Regelventils 103 in Abhängigkeit vom Füllstand gesteuert werden.
Damit das fließfähige Medium schnell und präzise abgefüllt werden kann, wird das Medium mit einem Druck beaufschlagt. Hierzu ist der Vorlagebehälter 100 mit einer Druckluftleitung 105 verbunden, die dazu dient, den Vorlagebehälter 100 mit einem Druck zu beaufschlagen. Dabei kann der Druck mittels des Druckregelventils 106 eingestellt werden. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass das fließfähige Medium 101 während des Abfüllvorgangs unter einem vorgegebenen Druck steht.
Der Vorlagebehälter 100 ist über eine Rohrleitung 107 mit einer zentralen Zuführleitung 108 verbunden, und an die zentrale Zuführleitung 108 ist eine Anzahl n von Füllstellen angeschlossen. Den angeschlossenen Füllstellen wird das fließfähige Medium über die zentrale Zuführleitung 108 zugeführt.
Jede der Füllstellen umfasst einen Durchflussmesser 109-1 bis 109-n sowie ein Abfüllventil 110-1 bis 110-n. Jedem Abfüllventil 110-1 bis 110-n wird ein Steuersignal 111-1 bis 111-n zugeführt, welches das Öffnen und Schließen des jeweiligen Abfüllventils 110-1 bis 110-n steuert. Während eines Abfüllzyklus werden die unter den Füllstellen positionierten Flaschen 112-1 bis 112-n mit dem fließfähigen Medium befüllt und anschließend weitertransportiert. Das Befüllen der Flaschen 112-1 bis 112-n erfolgt in kurzer Zeit; vorzugsweise dauert ein Abfüllzyklus weniger als 1 Sekunde. Während des Abfüllzyklus erfasst das jeweilige Durchflussmessgerät 109-1 bis 109-n die Menge des fließfähigen Mediums, die durch das jeweilige Durchflussmessgerät 109-1 bis 109-n hindurch fließt. Durch die Durchflussmessung kann gewährleistet werden, dass die Flaschen 112-1 bis 112-n mit der gewünschten Menge von fließfähigem Medium befüllt werden.
Am Vorlagebehälter 100, an der Rohrleitung 107 oder an der zentralen Zuführleitung 108 ist ein Druckmessgerät 113 zur Bestimmung des Drucks des fließfähigen Mediums angeordnet. In Abhängigkeit von dem so bestimmten Druck im Medium kann das Druckregelventil 106 für die Druckluftzufuhr so geregelt werden, dass der Druck des fließfähigen Mediums auf einen vorbestimmter Wert eingestellt wird.
In 2 ist eine alternative Ausführungsform einer Abfüllanlage gezeigt, die zum dosierten Abfüllen eines fließfähigen Mediums eingesetzt wird. Die in 2 gezeigte Abfüllanlage umfasst einen Vorlagebehälter 200, der zumindest teilweise mit einem fließfähigen Medium 201 gefüllt ist. Über eine Zuleitung 202 kann fließfähiges Medium in den Vorlagebehälter 200 eingefüllt werden, wobei der Zufluss von fließfähigem Medium über das Regelventil 203 gesteuert wird.
Zur Erfassung des Füllstands im Vorlagebehälter 200 kann ein Füllstandsmessgerät 204 vorgesehen sein.
Der Vorlagebehälter 200 ist über eine Rohrleitung 205 mit einem Umwälzkreislauf 206 verbunden. Der Umwälzkreislauf 206 umfasst eine Umwälzpumpe 207, die das fließfähige Medium ständig durch den Umwälzkreislauf pumpt, wie durch den Pfeil 208 veranschaulicht ist. Durch das Umwälzen des fließfähigen Mediums im Medium ein Druck erzeugt, der durch die Pumpgeschwindigkeit der Umwälzpumpe 207 bestimmt wird. Der Umwälzkreislauf 206 umfasst ein Druckmessgerät 209, das den Druck des Mediums erfasst. Die Pumpgeschwindigkeit der Umwälzpumpe 207 kann dann in Abhängigkeit von gemessenem Druck so eingeregelt werden, dass ein gewünschter Druck des Mediums erreicht wird.
Der Umwälzkreislauf 206 ist über eine Rohrleitung 210 mit einer zentralen Zuführleitung 211 verbunden, und an die zentrale Zuführleitung 211 sind eine Anzahl n von Füllstellen angeschlossen. Jede der n Füllstellen umfasst ein Durchflussmessgerät 212-1 bis 212-n sowie ein Abfüllventil 213-1 bis 213-n, das durch ein zugehöriges Steuersignal 214-1 bis 214-n gesteuert wird. Durch das Steuersignal 214-1 bis 214-n wird das Öffnen und Schließen des Abfüllventils 213-1 bis 213-n gesteuert. Unterhalb der Füllstellen befinden sich die zu befüllenden Flaschen 215-1 bis 215-n. Die Flaschen 215-1 bis 215-n werden innerhalb eines Abfüllzyklus befüllt und anschließend weitertransportiert.
In 3 ist veranschaulicht, wie der Abfüllvorgang durch eine Mehrzahl von Steuermodulen entsprechend den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gesteuert wird. Hierzu ist in 3 eine Abfüllanlage gezeigt, bei der der zur Abfüllung erforderliche Druck im Medium durch eine Beaufschlagung mit Druckluft erzeugt wird, wie dies anhand von 1 gezeigt worden war. Die in 3 gezeigte Abfüllanlage umfasst einen Vorlagebehälter 300, der zumindest teilweise mit einem fließfähigen Medium 301 gefüllt ist. Über eine Zuleitung 302, die durch ein Regelventil 303 gesteuert wird, kann der Vorlagebehälter 300 mit fließfähigem Medium befüllt werden. Der Füllstand im Vorlagebehälter 300 wird durch ein Füllstandsmessgerät 304 gemessen. Das fließfähige Medium 301 wird über eine Druckluftleitung 305 mit Druckluft beaufschlagt, wobei der Druck im Medium über das Druckregelventil 306 eingestellt wird. Es ist eine Druckregelung vorgesehen, die über das Druckregelventil 306 die Druckluftzufuhr so regelt, dass sich im Vorlagebehälter 300 ein gewünschter Druck ergibt. Um die in dieser Anmeldung beschriebenen diagnostischen Möglichkeiten ausschöpfen zu können, ist es jedoch häufig von Vorteil, die Drucknachregelung bei der Erfassung von Durchfluss und Druck für diagnostische Zwecke kurzfristig auszuschalten.
Der Vorlagebehälter 300 ist über eine Rohrleitung 307 mit einer zentralen Zuführleitung 308 verbunden. Die Rohrleitung 307 umfasst ein Druckmessgerät 309, das den Druck des fließfähigen Mediums ermittelt. An die zentrale Zuführleitung 308 sind n Füllstellen angeschlossen, wobei jede der n Füllstellen jeweils ein Durchflussmessgerät 310-1 bis 310-n und ein Abfüllventil 311-1 bis 311-n aufweist.
Zur Steuerung des Abfüllvorgangs sind m verschiedene Steuermodule 312-1 bis 312-m vorgesehen, wobei jedes der Steuermodule für die Steuerung des Abfüllvorgangs in zwei benachbarten Füllstellen ausgelegt ist. Das erste Steuermodul 312-1 ist dazu ausgelegt, den Abfüllvorgang in der ersten und zweiten Füllstelle zu steuern, das zweite Steuermodul 312-2 ist dazu ausgelegt, den Abfüllvorgang in der dritten und vierten Füllstelle zu steuern, etc. Das m-te Steuermodul 312-m ist dazu ausgelegt, den Abfüllvorgang in der vorletzten und letzten Füllstelle zu steuern. Jedes der m Steuermodule 312-1 bis 312-m ist mit der erforderlichen Hardware und Software ausgestattet, um den Abfüllvorgang selbsttätig steuern zu können. Die Steuermodule 312-1 bis 312-m sind also als eigenständige Steuermodule konzipiert, in denen die zur Steuerung des Abfüllvorgangs benötigten Routinen gespeichert sind.
Die Steuermodule 312-1 bis 312-m können für eine Mehrzahl von unterschiedlichen Betriebsmodi ausgelegt sein, wobei in Abhängigkeit von den jeweiligen Erfordernissen der Steuerung ein passender Betriebsmodus ausgewählt werden kann.
Entsprechend einem ersten Betriebsmodus wird die Steuerung des Abfüllvorgangs in Abhängigkeit von Durchfluss und Druck durchgeführt. Dies soll im Folgenden am Beispiel des ersten Steuermoduls 312-1 erläutert werden. Als Eingangsgröße wird dem ersten Steuermodul 312-1 der vom Durchflussmessgerät 310-1 erfasste Durchfluss in der ersten Füllstelle zugeführt. Außerdem wird dem ersten Steuermodul 310-1 der vom Durchflussmessgerät 310-2 ermittelte Durchfluss in der zweiten Füllstelle zugeführt. Als weitere Eingangsgröße wird dem ersten Steuermodul 312-1 über die Signalleitung 313 der vom Druckmessgerät 309 erfasste Druck des fließfähigen Mediums zugeführt.
Als Eingangsgrößen stehen dem Steuermodul 312-1 also der Durchfluss als Funktion der Zeit für jede der beiden Füllstellen sowie der Druck als Funktion der Zeit in Echtzeit zur Verfügung. Die Kurve von Durchfluss versus Zeit wird auch als "Füllkennlinie" bezeichnet. Ausgehend vom Durchfluss als Funktion der Zeit und vom Druck als Funktion der Zeit erzeugt das Steuermodul 312-1 für jedes der beiden Abfüllventile 311-1, 311-2 ein geeignetes Steuersignal, welches das Öffnen und Schließen des jeweiligen Abfüllventils während eines Abfüllzyklus steuert. Die vom Steuermodul 312-1 erzeugten Steuersignale werden zu den beiden Abfüllventilen 311-1 und 311-2 übermittelt.
Bei der Erzeugung der Steuersignale kann zusätzlich eine empirisch ermittelte Nachlaufmengenkorrektur vorgesehen werden. Mittels der Nachlaufmengenkorrektur wird diejenige Menge an fließfähigem Medium erfasst, die nach dem Befehl zum Schließen des Ventils noch aus der Füllstelle herausläuft.
Durch Analyse der Eingangsgrößen ist das Steuermodul 312-1 auch in der Lage, Abweichungen vom Sollverhalten beim Abfüllvorgang zu erkennen. Dadurch kann das Steuermodul 312-1 anhand der Eingangsgrößen, insbesondere anhand des Verlaufs von Durchfluss und Druck, typische Fehlerbilder und Störungen erkennen.
In 3 ist darüber hinaus eine Betriebsspannungsversorgungsleitung 314 mit eingezeichnet, welche die Steuermodule 312-1 bis 312-m mit der benötigten Betriebsspannung versorgt. Zur Anbindung an einen gemeinsamen Feldbus sind die Steuermodule 312-1 bis 312-m jeweils mit einer Feldbusschnittstelle ausgestattet. Über diese Feldbusschnittstelle sind die Steuermodule 312-1 bis 312-m an einen gemeinsamen Feldbus 315 angeschlossen, beispielsweise an einen Feldbus gemäß einem der Standards Profibus, Field Bus Foundation, HART, etc. An den Feldbus 315 kann darüber hinaus ein Steuerrechner 316 angeschlossen sein, der als Master fungiert. Die Daten und Kurven zu den verschiedenen Abfüllvorgängen werden von den Steuermodulen 312-1 bis 312-m zum Steuerrechner 316 übermittelt. Umgekehrt kann vom Steuerrechner 316 aus eine Parametrierung und Konfigurierung der Steuermodule 312-1 bis 312-m durchgeführt werden, damit die Parametrierung und Konfigurierung der Steuermodule 312-1 bis 312-m an den jeweiligen Abfüllvorgang und das jeweilige fließfähige Medium angepasst werden kann.
In dem in 4 gezeigten Diagramm sind sowohl eine Füllkennlinie 400 als auch ein Druckverlauf 401 für einen Abfüllzyklus gezeigt. Die Füllkennlinie 400 zeigt den vom Durchflussmessgerät der jeweiligen Füllstelle erfassten Durchfluss als Funktion der Zeit. Dabei wird der Durchfluss des fließfähigen Mediums als Volumen pro Zeiteinheit angegeben. Der Druckverlauf 401 zeigt den Drucks des fließfähigen Mediums als Funktion der Zeit. Auf der Hochachse des in 4 gezeigten Diagramms sind der Druck bzw. der Durchfluss aufgetragen, wohingegen auf der Rechtsachse die Zeit aufgetragen ist.
Der Abfüllvorgang beginnt zum Zeitpunkt 403 mit dem Befehl zum Öffnen des Abfüllventils. Bei dem Abfüllventil handelt es sich in der Regel um ein Membranventil. Das Öffnen des Abfüllventils nimmt eine gewisse Zeitspanne 404 in Anspruch, so dass das Abfüllventil erst zum Zeitpunkt 405 vollständig geöffnet ist. Durch das Öffnen des Abfüllventils kommt es zuerst zu einer Druckverringerung 406 im fließfähigen Medium. Außerdem beginnt sich das in den Rohrleitungen befindliche fließfähige Medium in Bewegung zu setzen. Daher ist etwas phasenversetzt zur Druckverringerung 406 ein Anstieg 407 im Durchfluss zu erkennen, und das in der Füllleitung enthaltene fließfähige Medium beginnt zu fließen.
Ab dem Zeitpunkt 405 wird das fließfähige Medium mit einem im Wesentlichen konstanten Durchfluss 408 in den jeweiligen Behälter abgefüllt. Während des Abfüllvorgangs ist der Druck im fließfähigen Medium etwas niedriger als vor dem Öffnen des Abfüllventils.
Der Befehl zum Schließen des Abfüllventils erfolgt zum Zeitpunkt 409. Nach dem Befehl zum Schließen des Abfüllventils dauert es eine gewisse Zeitspanne 410, bis das Abfüllventil tatsächlich geschlossen ist. Erst zum Zeitpunkt 411 ist das Abfüllventil dann vollständig geschlossen. Durch das Schließen des Abfüllventils kommt es zuerst zu einem Durchflussabfall 412; der Durchfluss des fließfähigen Mediums durch das Abfüllventil wird gestoppt. Etwas phasenverzögert zum Durchflussabfall 412 steigt der Druck im fließfähigen Medium wieder an, es kommt es zu einem Druckanstieg 413.
Allerdings treten auch nach dem Schließen des Abfüllventils während der Zeitspanne 414 noch Schwankungen 415 im Durchfluss sowie entsprechende Schwankungen 416 im Druck auf, die durch ein Nachschwingen des fließfähigen Mediums hervorgerufen werden. Erst zum Zeitpunkt 417 ist der Durchfluss wirklich gleich Null.
Anhand von 4 ist erkennbar, dass der Durchfluss und der Druckverlauf während eines Abfüllzyklus stark miteinander korreliert sind. Entsprechend den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden der Verlauf des Durchflusses und der Verlauf des Drucks im Medium zusammen in Echtzeit erfasst und gemeinsam ausgewertet. Dabei kann zunächst bestimmt werden, ob sich die Füllkennlinie 400 und der Druckverlauf 401 im Rahmen des zu erwartenden Verhaltens bewegen oder ob die Abweichungen der Füllkennlinie 400 und des Druckverlaufs 401 von der Sollkennlinie bzw. dem Solldruckverlauf zu stark sind. Es wird also ermittelt, ob sich die Füllkennlinie 400 sowie der Druckverlauf 401 im Rahmen eines vorgegebenen Toleranzbereichs bewegen.
Zusätzlich dazu können anhand der Füllkennlinie 400 und des Druckverlaufs 401 aber auch typische Fehlerbilder beim Abfüllvorgang erkannt werden, wie sie typischerweise während der Abfüllung eines fließfähigen Mediums auftreten können. Anhand charakteristischer Abweichungen zwischen dem gemessenen und dem idealen Verlauf von Durchfluss und Druck kann auf die Art des zugrunde liegenden Fehlers zurückgeschlossen werden. Darüber hinaus sind bestimmte Fehler, beispielsweise ein Verschleiß des Membranventils, bereits zu einem sehr frühen Zeitpunkt aus dem Verlauf der Füllkennlinie 400 und des Druckverlaufs 401 herauslesbar. Insofern können die Füllkennlinie 400 und der Druckverlauf 401 auch zu einer Frühdiagnose von Fehlern und Verschleiß herangezogen werden, die erst in Zukunft zu signifikanten Störungen führen würden.
In 5 ist die bei einem Abfüllvorgang auftretende Nachlaufmenge veranschaulicht. 5 zeigt eine Füllkennlinie 500 während eines Abfüllzyklus. Auf der Hochachse ist Durchfluss aufgetragen, und auf der Rechtsachse ist die Zeit aufgetragen. Der Befehl zum Öffnen des Abfüllventils erfolgt zum Zeitpunkt 501, und zum Zeitpunkt 502 ist das Abfüllventil vollständig geöffnet. Zum Zeitpunkt 503 wird der Befehl zum Schließen des Abfüllventils gegeben. Zum Zeitpunkt 504 ist das Abfüllventil vollständig geschlossen, und die Füllkennlinie 500 hat ihren Nulldurchgang.
Nach dem Nulldurchgang der Füllkennlinie 500 sind noch einige Nachschwingungen 505 des fließfähigen Mediums in der Füllleitung zu beobachten. Damit diese Nachschwingungen 505 den ermittelten Durchfluss nicht beeinflussen, wird zum Zeitpunkt 504 eine Druckstoßunterdrückung 506 gestartet, die sich bis zum Zeitpunkt 507 erstreckt. Mit der Druckstoßunterdrückung 506 wird erreicht, dass das Durchflussmessgerät den von den Nachschwingungen 505 verursachten Durchfluss nicht mehr erfasst.
Im Diagramm von 5 ist zusätzlich die Nachlaufmenge 508 mit eingezeichnet. Als Nachlaufmenge wird die Menge von fließfähigem Medium bezeichnet, die nach dem Befehl zum Schließen des Abfüllventils noch abfließt. Die Nachlaufmenge 508 entspricht daher der Fläche unterhalb der Füllkennlinie 500 zwischen dem Zeitpunkt 503, zu dem der Befehl zum Schließen des Abfüllventils gegeben wird, und dem Zeitpunkt 504, in dem die Füllkennlinie 500 ihren Nulldurchgang hat. Die Nachlaufmenge 508 kann insofern anhand der Füllkennlinie 500 ermittelt werden.
Zur Kompensation der Nachlaufmenge 508 kann eine sogenannte Nachlaufmengenkorrektur vorgesehen werden. Dazu wird der Befehl zum Schließen des Abfüllventils zeitlich so weit vorverlagert, dass sich unter Berücksichtigung der nach dem Schließbefehl noch zu erwartenden Nachlaufmenge eine korrekte Abfüllmenge ergibt.
Die Nachlaufmenge 508 sollte sich innerhalb eines vorgegebenen Erwartungsbereichs bewegen. Beispielsweise könnte eine zwischen den Zeitpunkten 503 und 504 auftretende Druckänderung im fließfähigen Medium einen unerwünschten Einfluss auf die Nachlaufmenge haben. Eine derartige Druckänderung würde nicht nur die Nachlaufmenge, sondern auch die in den darauffolgenden Abfüllzyklen wirkende Nachlaufmengenkorrektur verfälschen, weil die Nachlaufmengenkorrektur an die geänderte Nachlaufmenge angepasst wird. Einer derartige Fehlerfortpflanzung bei der Nachlaufmengenkorrektur kann nur dann rechtzeitig entgegengewirkt werden, wenn zusätzlich zum Durchflussverlauf auch der Druck im fließfähigen Medium überwacht wird.
In 6A und 6B sind zwei verschiedene Möglichkeiten gezeigt, wie die vom Durchflussmessgerät erfasste Füllkennlinie während des Abfüllvorgangs in Echtzeit überprüft werden kann.
6A zeigt die erfasste Füllkennlinie 600, die den Durchfluss als Funktion der Zeit angibt. Entlang der Hochachse ist der Durchfluss aufgetragen, und entlang der Rechtsachse ist die Zeit aufgetragen. Der Abfüllvorgang beginnt zum Zeitpunkt 601 mit dem Befehl zum Öffnen des Abfüllventils, und zum Zeitpunkt 602 ist das Abfüllventil vollständig geöffnet. Zum Zeitpunkt 603 erfolgt der Befehl zum Schließen des Abfüllventils, und zum Zeitpunkt 604 ist das Abfüllventil vollständig geschlossen.
Zur Überprüfung des Verlaufs der Füllkennlinie 600 wird in 6A ein vorgegebener Sollverlauf 605 verwendet. Durch Vergleichen der Füllkennlinie 600 mit dem Sollverlauf 605 wird ermittelt, ob die Füllkennlinie 600 dem gewünschten Sollverlauf 605 entspricht oder ob es signifikante Abweichungen vom Sollverlauf 605 gibt. Falls es zu signifikanten Abweichungen zwischen der Füllkennlinie 600 und dem Sollverlauf 605 kommt, liegt eine Anomalie vor, die beispielsweise durch eine Störung verursacht sein kann.
Der Sollverlauf 605 wird vorgegeben. Als Sollverlauf 605 kann beispielsweise ein Referenzverlauf verwendet werden, der vorab im Rahmen einer Referenzmessung für die jeweilige Füllstelle gemessen wird und dann abgespeichert wird. Der Referenzverlauf gibt die Form der Füllkennlinie an, die sich bei normalem Betrieb der Abfüllanlage ergibt, also wenn keine Störungen vorliegen.
Zur Überprüfung der aktuell ermittelten Füllkennlinie 600 wird die Füllkennlinie 600 mit dem Sollverlauf 605 verglichen. Entsprechend den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird der Durchfluss durch die Füllstelle in kurzen Zeitabständen in Echtzeit erfasst. Beispielsweise wird der Durchfluss durch eine Füllstelle jeweils im Abstand von 0,5 Millisekunden bis 5 Millisekunden erfasst. Für jeden Durchfluss-Messwert wird die Differenz zwischen dem erfasstem Durchfluss-Messwert und dem zugehörigen Durchflusswert des Sollverlaufs 605 bestimmt. Anschließend kann beispielsweise geprüft werden, ob diese Differenz einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet oder nicht. Solange die Differenz unterhalb des Schwellwerts liegt, gibt es keine signifikante Abweichung zwischen dem aktuell gemessenen Durchflussverlauf und dem Sollverlauf 605.
Beispielsweise wird zum Zeitpunkt 606 die Differenz zwischen dem in Echtzeit erfassten Durchfluss-Messwert 607 und dem zugehörigen Durchflusswert 608 des Sollverlaufs 605 ermittelt, und es wird geprüft, ob diese Differenz unterhalb eines vorgegebenen Schwellwerts liegt. Ebenso wird zum Zeitpunkt 609 die Differenz zwischen dem in Echtzeit erfassten Durchfluss-Messwert 610 und dem zugehörigen Durchflusswert 611 des Sollverlaufs 605 ermittelt. Wieder wird geprüft, ob diese Differenz unterhalb eines vorgegebenen Schwellwerts liegt. Auf diese Weise kann in Echtzeit überprüft werden, ob die aktuelle Füllkennlinie 600 hinreichend nah am vorgegebenen Sollverlauf 605 liegt oder nicht.
Bei der in 6B gezeigten Ausführungsform geht es ebenfalls darum, zu überprüfen, ob eine aktuell erfasste Füllkennlinie 612 einem Sollverlauf entspricht oder nicht. 6B zeigt die erfasste Füllkennlinie 612, die den Durchfluss als Funktion der Zeit angibt. Entlang der Hochachse ist der Durchfluss aufgetragen, und entlang der Rechtsachse ist die Zeit aufgetragen. Der Abfüllvorgang beginnt zum Zeitpunkt 613 mit dem Befehl zum Öffnen des Abfüllventils, und zum Zeitpunkt 614 ist das Abfüllventil vollständig geöffnet. Zum Zeitpunkt 615 erfolgt der Befehl zum Schließen des Abfüllventils, und zum Zeitpunkt 616 ist das Abfüllventil vollständig geschlossen.
Im Unterschied zu 6A wird bei der in 6B gezeigten Ausführungsform mittels eines vorgegebenen Toleranzbands 617 überprüft, ob die aktuell erfasste Füllkennlinie 612 dem Sollverlauf entspricht oder nicht. Solange die Füllkennlinie 612 innerhalb des Toleranzbandes 617 verläuft, entspricht der Abfüllvorgang dem Sollverlauf. Sobald die Füllkennlinie aus dem Toleranzband 617 ausbricht, liegt eine Anomalie vor.
Das Toleranzband 617 kann sich beispielweise über das gesamte Zeitintervall zwischen dem Zeitpunkt 613 und dem Zeitpunkt 616 erstrecken, das Toleranzband 617 kann sich aber auch nur über einen Teilabschnitt dieses Zeitintervalls erstrecken, beispielsweise nur den Durchflussabfall zwischen den Zeitpunkten 615 und 616 abdecken. Das Toleranzband 617 wird vorab vorgegeben. Beispielsweise kann das Toleranzband 617 aus einem Referenzverlauf abgeleitet werden, der vorab mittels einer Referenzmessung für die jeweilige Füllstelle gemessen wird.
Zur Überprüfung der aktuell ermittelten Füllkennlinie 612 wird ermittelt, ob die Füllkennlinie 612 innerhalb des Toleranzbandes 617 liegt. Der Durchfluss durch eine Füllstelle wird jeweils im Abstand von 0,5 Millisekunden bis 5 Millisekunden erfasst. Für jeden so erhaltenen Durchfluss-Messwert wird überprüft, ob er unterhalb der Obergrenze 618 des Toleranzbands 617 liegt und zugleich oberhalb der Untergrenze 619 des Toleranzbands 617 liegt. Diese Überprüfung wird in Echtzeit vorgenommen.
Beispielsweise wird zum Zeitpunkt 620 ermittelt, ob der Durchfluss-Messwert 621 kleiner ist als der zugehörige Durchflusswert 622 an der Obergrenze 618 des Toleranzbands 617 und ob der Durchfluss-Messwert 621 größer ist als der zugehörige Durchflusswert 623 an der Untergrenze 619 des Toleranzbandes 617. Die gleiche Überprüfung wird für den zum Zeitpunkt 624 ermittelten Durchfluss-Messwert 625 durchgeführt. Auf diese Weise kann in Echtzeit überprüft werden, ob die aktuell erfasste Füllkennlinie 612 innerhalb des Toleranzbandes 617 liegt oder nicht.
Anhand der Füllkennlinie und des Druckverlaufs können typische Fehlerbilder beim Abfüllvorgang erkannt werden, wie sie typischerweise während der Abfüllung eines fließfähigen Mediums auftreten können. Anhand charakteristischer Abweichungen zwischen dem gemessenen und dem idealen Verlauf von Durchfluss und Druck kann auf die Art des zugrunde liegenden Fehlers zurückgeschlossen werden. Darüber hinaus sind bestimmte Fehler, beispielsweise ein Verschleiß des Membranventils, bereits zu einem sehr frühen Zeitpunkt aus dem Verlauf der Füllkennlinie und des Druckverlaufs herauslesbar. Insofern können die Füllkennlinie und der Druckverlauf auch zu einer Frühdiagnose von Fehlern und Verschleiß herangezogen werden, die erst in Zukunft zu signifikanten Störungen führen würden.
Zu den typischen Fehlerbildern, die in einer Abfüllanlage auftreten können und die anhand der Füllkennlinie und des Druckverlaufs frühzeitig erkannt werden können, gehören beispielsweise eine unzureichende Befüllung des Vorlagebehälters mit fließfähigem Medium, ein Leck im Vorlagebehälter, ein Leck in der Zuführleitung oder ein Leck an den Füllstellen, ein Druckabfall bzw. Druckschwankungen im fließfähigen Medium, ein defektes bzw. nicht gut schließendes Abfüllventil sowie andere Funktionsstörungen des Abfüllventils. Zu den möglichen Störungen gehören außerdem eine Änderung oder Schwankung der Viskosität des fließfähigen Mediums, eine Schwingung des fließfähigen Mediums im Rohrleitungssystem, das Entstehen von Luftblasen, Gasblasen oder Schaum im fließfähigen Medium. Zu den möglichen Störungen gehören außerdem ein Anstieg der Nachlaufmenge über einen Grenzwert. Im Fall einer Abfüllanlage des in 2 gezeigten Typs, welche einen Umwälzkreislauf mit einer Umwälzpumpe umfasst, können außerdem Störungen beim Betrieb der Umwälzpumpe auftreten, beispielsweise Kavitationen, die die Ursache für Anomalien im Verlauf von Durchfluss und Druck sein können.
Im Folgenden sollen anhand von 7, 8 und 9 einige dieser typischen Fehlerbilder genauer diskutiert werden.
7 zeigt ein Diagramm für einen Abfüllvorgang, der durch einen unerwünschten Druckabfall des Mediums gekennzeichnet ist. Ein derartiger Druckabfall kann beispielsweise durch eine unzureichende Befüllung des Vorlagebehälters, durch ein Leck im Vorlagebehälter, durch ein Leck in der Zuführleitung oder ein Leck an den Füllstellen entstehen. Für den Fall, dass die Abfüllanlage einen Umwälzkreislauf mit einer Umwälzpumpe umfasst, kann der unerwünschte Druckabfall auch durch Störungen beim Betrieb der Umwälzpumpe verursacht sein, beispielsweise durch Kavitationen.
In 7 ist der tatsächlich gemessene Druckverlauf 700 als durchgezogene Linie eingezeichnet. Zusätzlich ist auch der Solldruckverlauf 701 als gestrichelte Linie eingezeichnet. Entlang der Zeitachse von 7 sind die Zeitpunkte 702, 703, 704 und 705 angegeben. Der Zeitpunkt 702 entspricht dem Befehl zum Öffnen des Abfüllventils, während der Zeitpunkt 703 anzeigt, wann das Abfüllventil tatsächlich geöffnet ist. Zum Zeitpunkt 704 erfolgt der Befehl zum Schließen des Abfüllventils. Zum Zeitpunkt 705 sind die nach dem Schließen des Abfüllventils auftretenden Oszillationen im Durchfluss vollständig abgeklungen.
Anhand von 7 ist zu erkennen, dass der tatsächlich gemessene Druckverlauf deutlich unterhalb des Solldruckverlaufs 701 liegt. Der schraffierte Bereich 706 zeigt die Differenz zwischen dem Solldruckverlauf 701 und dem tatsächlichen Druckverlauf 700. Es ist zu erkennen, dass zusätzlich zu der normalen Druckverringerung, der während des Abfüllvorgangs stets auftritt, ein zusätzlicher weiterer Druckabfall vorhanden ist, der durch eine Störung hervorgerufen ist.
In 7 ist außerdem die Füllkennlinie 707 als durchgezogene Linie eingezeichnet. Die Fülllinie 707 zeigt den tatsächlich gemessenen Durchfluss als Funktion der Zeit. Zusätzlich zur Füllkennlinie 707 ist auch der zu erwartende Solldurchfluss 708 als gestrichelte Linie eingezeichnet. Es ist zu erkennen, dass die Füllkennlinie 707, die den Istdurchfluss angibt, im Zeitbereich zwischen dem Öffnen und dem Schließen des Abfüllventils deutlich unterhalb des zu erwartenden Solldurchflusses 708 liegt. Auch die schraffiert eingezeichnete Nachlaufmenge 709 verläuft anders als eigentlich zu erwarten wäre.
Das in 7 skizzierte Fehlerbild ist also dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Druck im Medium als auch die Füllkennlinie gegenüber dem zu erwartenden Sollverlauf eine signifikante Verringerung zeigen.
Wie bereits weiter oben dargestellt, kann die in 7 gezeigte Verringerung des Durchflusses sowie des Drucks im fließfähigen Medium während des Abfüllvorgangs eine Reihe von unterschiedlichen Ursachen haben. Eine Möglichkeit ist, dass der Vorlagebehälter nicht ausreichend mit fließfähigem Medium befüllt ist, oder dass im Zuleitungssystem oder in der Füllstelle selbst ein Leck aufgetreten ist. Für den Fall, dass die Abfüllanlage einen Umwälzkreislauf für das fließfähige Medium umfasst, kämen als weitere Ursachen Störungen bei der Umwälzpumpe in Frage. Die zusammenschauende Analyse von Durchfluss und Druck ermöglicht die Schlussfolgerung, dass eine der genannten Störungen vorliegt.
Als weitere mögliche Störung könnte eine Veränderung in der Viskosität des abzufüllenden Mediums auftreten. Eine derartige Veränderung der Konsistenz des abzufüllenden Mediums kann beispielsweise durch eine Änderung der Temperatur oder anderer Umgebungsbedingungen hervorgerufen werden, kann aber auch auf eine Änderung der Zusammensetzung des fließfähigen Mediums zurückzuführen sein. Eine derartige Veränderung der Fließeigenschaften bzw. der Viskosität des abzufüllenden Mediums zeigt sich in der Füllkennlinie sowie im Druckverlauf auf charakteristische Weise.
In 8 ist gezeigt, wie die Viskosität des fließfähigen Mediums anhand der Füllkennlinie und des Druckverlaufs verfolgt und überwacht werden kann. Die Füllkennlinie 800 zeigt den Durchfluss als Funktion der Zeit, und der Druckverlauf 801 zeigt parallel den Druck im fließfähigen Medium als Funktion der Zeit. Entlang der Hochachse sind Durchfluss und Druck aufgetragen, und entlang der Rechtsachse ist die Zeit aufgetragen. Der Abfüllvorgang beginnt zum Zeitpunkt 802 mit dem Befehl zum Öffnen des Abfüllventils. Allerdings nimmt das Öffnen des Abfüllventils eine gewisse Zeitspanne 803 in Anspruch, daher ist das Abfüllventil erst zum Zeitpunkt 804 vollständig geöffnet. Beim Öffnen des Abfüllventils kommt es zuerst zu einer Druckverringerung 805, da sich der Druck, unter dem das fließfähige Mediums steht, durch das Öffnen des Abfüllventils verringert. Anschließend setzt sich das in der Abfüllleitung enthaltene fließfähige Medium in Bewegung und beginnt zu fließen. Daher ist in der Füllkennlinie 800 etwas phasenversetzt zur Druckverringerung 805 ein Durchflussanstieg 806 zu erkennen.
Die Phasenverschiebung 807 zwischen der Druckverringerung 805 und dem Durchflussanstieg 806 ist in 8 ebenfalls eingezeichnet. Diese Phasenverschiebung 807 hängt von der Viskosität des fließfähigen Mediums ab. Je viskoser bzw. dickflüssiger das fließfähige Medium ist, desto größer ist die Phasenverschiebung zwischen der Druckverringerung 805 und dem Durchflussanstieg 806. Dagegen beginnt ein niedrigviskoses bzw. dünnflüssiges Medium nach dem Öffnen des Abfüllventils sehr rasch zu fließen, und dementsprechend ist die Phasenverschiebung zwischen der Druckverringerung 805 und dem Durchflussanstieg 806 vergleichsweise gering. Über die Phasenverschiebung 807 kann also die Viskosität des fließfähigen Mediums abgeschätzt werden. Insbesondere können durch Verfolgen der Phasenverschiebung 807 Änderungen in der Viskosität des fließfähigen Mediums während des Abfüllvorgangs erkannt werden. Derartige Änderungen in der Viskosität des fließfähigen Mediums können beispielsweise durch veränderte Umgebungsbedingungen bedingt sein. Beispielsweise hängt die Viskosität eines fließfähigen Mediums in starkem Maß von der Temperatur ab, so dass bei der Überwachung der Viskosität immer auch die Temperatur des fließfähigen Mediums erfasst und bei der Auswertung berücksichtigt werden sollte. Allerdings kann eine Änderung der Viskosität des fließfähigen Mediums auch auf eine veränderte Zusammensetzung des fließfähigen Mediums zurückzuführen sein, das den einzelnen Füllstellen vom Vorlagebehälter aus zugeführt wird. Durch Verfolgen der Phasenverschiebung 807 können sowohl beabsichtigte als auch unbeabsichtigte Veränderungen in der Zusammensetzung des fließfähigen Mediums während des Abfüllvorgangs erkannt werden. Dies ermöglicht dann eine entsprechende Anpassung und Nachführung der Abfüllparameter.
Auch beim Schließen des Abfüllventils treten Effekte auf, die einen Rückschluss auf die Viskosität des fließfähigen Mediums erlauben. Der Befehlt zum Schließen des Abfüllventils erfolgt zum Zeitpunkt 808. Nach dem Befehl zum Schließen des Abfüllventils dauert es eine gewisse Zeitspanne 809, bis das Abfüllventil tatsächlich geschlossen ist. Zum Zeitpunkt 810 ist das Abfüllventil dann geschlossen. Durch das Schließen des Abfüllventils wird der Durchfluss des fließfähigen Mediums verringert, und daher kommt es zuerst zu einer Durchflussverringerung 811. Etwas phasenversetzt zu der Durchflussverringerung kommt es zu einem Druckanstieg 812 im fließfähigen Medium.
Die Phasenverschiebung 813 zwischen der Durchflussverringerung 811 und dem Druckanstieg 812, die in 8 mit eingezeichnet ist, ist ein Maß für die Viskosität des fließfähigen Mediums. Je größer die Phasenverschiebung 813 ist, desto viskoser ist das fließfähige Medium. Durch Verfolgen der Phasenverschiebung 813 kann können Änderungen in der Viskosität des fließfähigen Mediums erkannt werden.
Sowohl die Phasenverschiebung 807 beim Öffnen des Abfüllventils als auch die Phasenverschiebung 813 beim Schließen des Abfüllventils eignen sich als Maß für die Viskosität des fließfähigen Mediums. Zum Verfolgen der Viskosität ist es möglich, entweder nur die Phasenverschiebung 807 beim Öffnen des Abfüllventils zu verfolgen, oder nur die Phasenverschiebung 813 beim Schließen des Abfüllventils zu verfolgen, oder beide Phasenverschiebungen 807 und 813 zu verfolgen.
Ein weiteres typisches Störungsbild ist die Entstehung von Luftblasen bzw. Gasblasen im fließfähigen Medium. Durch eine derartige Schaumbildung verändert sich der vom Durchflussmessgerät erfasste Durchfluss. Wenn also in der Füllkennlinie während des Befüllens der gemessene Durchfluss signifikant von dem zu erwartenden Durchfluss abweicht, dann kann dies auf Schaumbildung zurückzuführen sein. Durch Analyse der Füllkennlinie lässt sich also die Entstehung von Gasblasen bzw. Luftblasen im fließfähigen Medium erkennen.
Das in 9 gezeigte Diagramm veranschaulicht ein durch ein defektes Membranventil verursachten Störungsbildes. Ein defektes Membranventil zeigt typischerweise vor dem völligen Versagen ein charakteristisches Flattern. In 9 ist eine Füllkennlinie 900 sowie der zugehörige Druckverlauf 901 eingezeichnet. Entlang der Hochachse sind Durchfluss und Druck aufgetragen, und entlang der Rechtsachse ist die Zeit aufgetragen. Der Befehl zum Öffnen des Abfüllventils erfolgt zum Zeitpunkt 902, und zum Zeitpunkt 903 ist das Abfüllventil geöffnet. Dementsprechend steigt der Durchfluss zwischen den Zeitpunkten 902 und 903 stark an. Zum Zeitpunkt 904 erfolgt der Befehl zum Schließen des Abfüllventils, und zum Zeitpunkt 905 ist das Abfüllventil vollständig geschlossen. Dementsprechend ist zwischen den Zeitpunkten 904 und 905 ein Abfall des Durchflusses in der Füllkennlinie 900 zu erkennen.
Zwischen den Zeitpunkten 903 und 904, also während des Abfüllvorgangs, wird während einer Zeitspanne 906 die Drucknachregelung ausgeschaltet. Solange die Druckregelung eingeschaltet ist, würden durch die Nachregelung des Luftdrucks im Vorlagebehälter die durch das Ventilflattern verursachten Effekte herausgeregelt werden. Das Ventilflattern ist erst dann erkennbar, wenn während der Zeitspanne 906 die Druckregelung ausgeschaltet wird. In der Füllkennlinie 900 treten während der Zeitspanne 906 Oszillationen 907 des Durchflusses auf, die für ein flatterndes Ventil charakteristisch sind. Im Druckverlauf 901 sind während der Zeitspanne 906 Oszillationen 908 des Drucks zu erkennen. Die Oszillationen 907 des Durchflusses und die Oszillationen 908 des Drucks werden durch das Flattern des Ventils verursacht. Dabei entspricht die Schwingungsperiode der Oszillationen 907 des Durchflusses der Schwingungsperiode der Oszillationen 908 des Drucks.
Die charakteristischen Oszillationen 907 und 908 treten ansatzweise und in geringem Umfang bereits zu einem Zeitpunkt auf, zu dem das Membranventil noch zuverlässig arbeitet. Insofern kann durch eine Analyse der Füllkennlinie 900 sowie des Druckverlaufs 901 ein defektes Ventil bereits zu einem frühen Zeitpunkt erkannt werden. Die Analyse der Füllkennlinie 900 und des Druckverlaufs 901 ermöglicht insofern eine Frühdiagnose bzw. Früherkennung von Störungen.

Claims

Ein Steuermodul (312-1, 312-2, ... 312-m) zum Steuern von mindestens einer Füllstelle in einer Abfüllanlage, wobei die Abfüllanlage aufweist: einen Vorlagebehälter (300), der ein fließfähiges Medium (301) enthält; eine Mehrzahl von Füllstellen, die über eine zentrale Zuführleitung (308) an den Vorlagebehälter (300) angeschlossen sind, wobei jede der Füllstellen ein Durchflussmessgerät (310-1, 310-2, ... 310-n) zur Bestimmung des Durchflusses durch die Füllstelle sowie ein Abfüllventil (311-1, 311-2, ... 311-n) zum dosierten Abfüllen des fließfähigen Mediums umfasst; dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermodul (312-1, 312-2, ... 312-m) dazu ausgelegt ist, – für mindestens eine Füllstelle einen Verlauf des Durchflusses (400) durch die jeweilige Füllstelle während eines Abfüllzyklus als Funktion der Zeit in Echtzeit zu erfassen, – in Abhängigkeit vom Verlauf des Durchflusses (400) Steuersignale zum Öffnen und Schließen von Abfüllventilen (311-1, 311-2, ... 311-n) der mindestens einen Füllstelle zu erzeugen, – den Verlauf des Durchflusses (400) während des Abfüllzyklus in Echtzeit zu überprüfen und Anomalien im Verlauf des Durchflusses (400) während des Abfüllzyklus zu erkennen.
Steuermodul nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermodul für mindestens eines von folgenden ausgelegt ist: – den Verlauf des Durchflusses während des Abfüllzyklus mit einem vorgegebenen Sollverlauf zu vergleichen; – den Verlauf des Durchflusses während des Abfüllzyklus mit einem vorgegebenen Sollverlauf zu vergleichen, wobei der Vergleich in Echtzeit durchgeführt wird; – eine Anomalie bei einer Füllstelle festzustellen durch einen Vergleich des Verlaufs des Durchflusses durch die Füllstelle mit einem vorgebebenen Sollverlauf des Durchflusses.
Steuermodul nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermodul für mindestens eines von folgenden ausgelegt ist: – zumindest für einen Teilabschnitt des Abfüllzyklus vorab einen Referenzverlauf des Durchflusses durch eine Füllstelle als Funktion der Zeit aufzuzeichnen; – zumindest für einen Teilabschnitt des Abfüllzyklus den Verlauf des Durchflusses durch eine Füllstelle mit einem vorab aufgezeichneten Referenzverlauf zu vergleichen; – zumindest für einen Teilabschnitt des Abfüllzyklus den Verlauf des Durchflusses durch eine Füllstelle während eines Abfüllzyklus mit einem vorab aufgezeichneten Referenzverlauf zu vergleichen, wobei anhand von Abweichungen zwischen dem Verlauf des Durchflusses und dem Referenzverlauf eine Anomalie im Verlauf des Durchflusses erkannt wird.
Steuermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermodul für mindestens eines von folgenden ausgelegt ist: – ein Toleranzband für den Sollverlauf des Durchflusses festzulegen; – zumindest für einen Teilabschnitt des Abfüllzyklus ein Toleranzband um einen vorab aufgezeichneten Referenzverlauf des Durchflusses herum festzulegen; – um einen vorab aufgezeichneten Referenzverlauf des Durchflusses herum ein Toleranzband für den Verlauf des Durchflusses festzulegen; – zu überprüfen, ob sich der Verlauf des Durchflusses während des Abfüllzyklus innerhalb eines vorab festgelegten Toleranzbandes bewegt; – zu überprüfen, ob sich der Verlauf des Durchflusses während des Abfüllzyklus innerhalb eines vorab festgelegten Toleranzbandes bewegt, wobei für den Fall, dass der Verlauf des Durchflusses das Toleranzband verlässt, eine Anomalie im Verlauf des Durchflusses festgestellt wird; – ein Toleranzband für den Sollverlauf des Durchflusses festzulegen, wobei das Toleranzband durch eine obere Bandgrenze und eine untere Bandgrenze festzulegen, wobei die obere Bandgrenze oberhalb des Referenzverlaufs verläuft, und wobei die untere Bandgrenze unterhalb des Referenzverlaufs verläuft.
Steuermodul nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch mindestens eines von folgenden: – das Toleranzband beschreibt einen Sollverlauf des Durchflusses durch eine Füllstelle; – ein erwünschter Verlauf des Durchflusses bewegt sich innerhalb des Toleranzbandes; – das Toleranzband wird durch eine obere Bandgrenze und eine untere Bandgrenze festgelegt, wobei die obere Bandgrenze oberhalb des Referenzverlaufs verläuft, und wobei die untere Bandgrenze unterhalb des Referenzverlaufs verläuft.
Steuermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermodul für mindestens eines von folgenden ausgelegt ist: – den Verlauf des Durchflusses in Echtzeit zu erfassen, wobei Durchflusswerte jeweils in einem zeitlichen Abstand von ca. 0,5 ms bis 5 ms erfasst werden; – den Verlauf des Durchflusses in Echtzeit zu erfassen, wobei Durchflusswerte jeweils in einem zeitlichen Abstand von ca. 0,5 ms bis 5 ms erfasst werden, wobei für jeden der aufgezeichneten Durchflusswerte in Echtzeit überprüft wird, ob der Durchflusswert oberhalb einer unteren Bandgrenze eines vorher festgelegten Toleranzbands liegt; – den Verlauf des Durchflusses in Echtzeit zu erfassen, wobei Durchflusswerte jeweils in einem zeitlichen Abstand von ca. 0,5 ms bis 5 ms erfasst werden, wobei für jeden der aufgezeichneten Durchflusswerte in Echtzeit überprüft wird, ob der erfasste Durchflusswert unterhalb einer oberen Bandgrenze eines vorher festgelegten Toleranzbands liegt.
Steuermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abfüllanlage mindestens ein Druckmessgerät zum Erfassen des Drucks im fließfähigen Medium aufweist, und wobei das Steuermodul dazu ausgelegt ist, für mindestens eine Füllstelle einen Verlauf des Drucks im fließfähigen Medium während eines Abfüllzyklus als Funktion der Zeit zu erfassen.
Steuermodul nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermodul für mindestens eines von folgenden ausgelegt ist: – den Verlauf des Drucks im fließfähigen Medium mit einem vorgegebenen Solldruckverlauf zu vergleichen; – den Verlauf des Drucks im fließfähigen Medium mit einem vorab aufgezeichneten Referenzdruckverlauf zu vergleichen; – den Verlauf des Drucks im fließfähigen Medium mit einem vorab aufgezeichneten Referenzdruckverlauf zu vergleichen, wobei anhand von Abweichungen zwischen dem Verlauf des Drucks im fließfähigen Medium und dem Referenzdruckverlauf Anomalien im Verlauf des Drucks während des Abfüllzyklus erkannt werden.
Steuermodul nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermodul für mindestens eines von folgenden ausgelegt ist: – eine Anomalie bei einer Füllstelle festzustellen durch einen Vergleich des Verlaufs des Durchflusses durch die Füllstelle und des Drucks im fließfähigen Medium mit entsprechenden Sollverläufen; – anhand des Verlaufs von Durchfluss und Druck während eines Abfüllzyklus eine Anzahl von vordefinierten Fehlerbildern zu erkennen; – aus dem Verlauf des Durchflusses und des Drucks während eines Abfüllzyklus diagnostische Informationen über den Zustand der jeweiligen Füllstelle abzuleiten.
Steuermodul nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermodul dazu ausgelegt ist, anhand einer Zusammenschau des Verlaufs des Durchflusses durch eine Füllstelle und des Drucks im fließfähigen Medium eines oder mehrere von folgenden Fehlerbildern zu erkennen: – Druckschwankungen im fließfähigen Medium; – einen Druckabfall im fließfähigen Medium; – eine unzureichende Befüllung des Vorlagebehälters mit fließfähigem Medium; – ein Leck im Vorlagebehälter, ein Leck in der Zuführleitung oder ein Leck an den Füllstellen; – eine Funktionsstörung des Abfüllventils oder ein Flattern des Abfüllventils; – eine Änderung oder Schwankung der Viskosität des fließfähigen Mediums; – Schwingungen des fließfähigen Mediums im Rohrleitungssystem; – im Fall eines Rohrleitungskreislaufs mit Umwälzpumpe, Störungen oder Kavitationen beim Betrieb der Umwälzpumpe; – eine Entstehung von Luftblasen oder Gasblasen im fließfähigen Medium; – einen Anstieg einer aus dem Verlauf des Durchflusses ermittelten Vorlaufmenge über einen Sollwert; – einen Anstieg einer aus dem Verlauf des Durchflusses ermittelten Nachlaufmenge über einen Sollwert; – einen Anstieg einer aus dem Verlauf des Durchflusses ermittelten Schleichmenge über einen Sollwert.
Steuermodul nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass das Steuermodul – im Vergleich zu einem Solldruckverlauf eine Absenkung im Verlauf des Drucks während eines Abfüllzyklus erkennt, und – im Vergleich zu einem Solldurchfluss eine Absenkung des Durchflusses während des Abfüllzyklus erkennt, folgendes Fehlerbild erkannt wird: – eine Störung in der Zuführung von fließfähigem Medium zu den Füllstellen.
Steuermodul nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Störung in der Zuführung von fließfähigem Medium zu den Füllstellen verursacht sein kann durch mindestens eines von folgenden: – ein Druckverlust im fließfähigen Medium, – eine unzureichende Befüllung des Vorlagebehälters mit fließfähigem Medium, – ein Leck im Vorlagebehälter, ein Leck in der Zuführleitung oder ein Leck an der jeweiligen Füllstelle.
Steuermodul nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermodul für mindestens eines von folgenden ausgelegt ist: – beim Öffnen des Abfüllventils eine Phasenverzögerung zwischen einer Verringerung des Drucks im fließfähigen Medium und einem Anstieg des Durchflusses zu erfassen und aus der erfassten Phasenverzögerung einen für die Viskosität des fließfähigen Mediums repräsentativen Wert abzuleiten; – beim Öffnen des Abfüllventils eine Phasenverzögerung zwischen einer Verringerung des Drucks im fließfähigen Medium und einem Anstieg des Durchflusses zu erfassen und anhand der Phasenverzögerung zu überprüfen, ob die Viskosität des fließfähigen Mediums innerhalb eines vorgegebenen Erwartungsbereiches liegt; – beim Schließen des Abfüllventils eine Phasenverzögerung zwischen einem Abfall des Durchflusses und einem Anstieg des Drucks im fließfähigen Medium zu erfassen und aus der erfassten Phasenverzögerung einen für die Viskosität des fließfähigen Mediums repräsentativen Wert abzuleiten; – beim Schließen des Abfüllventils eine Phasenverzögerung zwischen einem Abfall des Durchflusses und einem Anstieg des Drucks im fließfähigen Medium zu erfassen und anhand der Phasenverzögerung zu überprüfen, ob die Viskosität des fließfähigen Mediums innerhalb eines vorgegebenen Erwartungsbereiches liegt.
Steuermodul nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermodul für mindestens eines von folgenden ausgelegt ist: zu erkennen, wenn eine aus dem Verlauf des Durchflusses ermittelte Nachlaufmenge einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet; eine Veränderung des Verlaufs des Durchflusses während eines Abfüllzyklus zu erkennen, die durch eine Entstehung von Luftblasen, Gasblasen, oder Schaum im fließfähigen Medium verursacht ist.
Steuermodul nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass das Steuermodul – Oszillationen im Verlauf des Drucks während eines Abfüllzyklus erkennt, und – Oszillationen im Verlauf des Durchflusses während des Abfüllzyklus erkennt, folgendes Fehlerbilder erkannt wird: – eine Funktionsstörung des Abfüllventils oder ein flatterndes Abfüllventil.
Steuermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch mindestens eines von folgenden: – das Steuermodul weist eine Schnittstelle zur Anbindung des Steuermoduls an einen Feldbus auf; – das Steuermodul ist über einen Feldbus mit einem Steuerrechner verbindbar; – das Steuermodul ist über einen Feldbus mit einem Steuerrechner verbindbar und dazu ausgelegt, den Verlauf des Durchflusses für eine oder mehrere der Füllstellen sowie den Verlauf des Drucks über den Feldbus an den Steuerrechner zu übertragen.
Eine Abfüllanlage, welche aufweist: einen Vorlagebehälter (300), der ein fließfähiges Medium (301) enthält; eine Mehrzahl von Füllstellen, die über eine zentrale Zuführleitung (308) an den Vorlagebehälter (300) angeschlossen sind; wobei jede Füllstelle ein Durchflussmessgerät (310-1, 310-2, ... 310-n) zur Bestimmung des Durchflusses durch die Füllstelle sowie ein Abfüllventil (311-1, 311-2, ... 311-n) zum dosierten Abfüllen des fließfähigen Mediums umfasst; mindestens ein Steuermodul (312-1, 312-2, ... 312-m) zum Steuern von mindestens einer Füllstelle in der Abfüllanlage, wobei das Steuermodul (312-1, 312-2, ... 312-m) dazu ausgelegt ist, – für mindestens eine Füllstelle einen Verlauf des Durchflusses (400) durch die jeweilige Füllstelle während eines Abfüllzyklus als Funktion der Zeit in Echtzeit zu erfassen, – in Abhängigkeit vom Verlauf des Durchflusses (400) Steuersignale zum Öffnen und Schließen von Abfüllventilen (311-1, 311-2, ... 311-n) der mindestens einen Füllstelle zu erzeugen, – den Verlauf des Durchflusses (400) während des Abfüllzyklus in Echtzeit zu überprüfen und Anomalien im Verlauf des Durchflusses (400) während des Abfüllzyklus zu erkennen.
Abfüllanlage nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch eines von folgenden: – an den Vorlagebehälter ist eine Druckluftleitung angeschlossen, die dazu ausgelegt ist, das im Vorlagebehälter enthaltene fließfähige Medium mit einem definierten Druck zu beaufschlagen; – die Abfüllanlage umfasst zusätzlich einen Umwälzkreislauf mit einer Umwälzpumpe, der über eine Rohrleitung mit dem Vorlagebehälter verbunden ist, wobei die Umwälzpumpe dazu ausgelegt ist, das fließfähige Medium im Umwälzkreislauf umzuwälzen, und wobei die Mehrzahl von Füllstellen über die zentrale Zuführleitung an den Umwälzkreislauf angeschlossen ist.
Verfahren zum dosierten Abfüllen eines fließfähigen Mediums in einer Abfüllanlage, wobei die Abfüllanlage aufweist einen Vorlagebehälter (300), der das fließfähige Medium (301) enthält; eine Mehrzahl von Füllstellen, die über eine zentrale Zuführleitung (308) an den Vorlagebehälter (300) angeschlossen sind, wobei jede Füllstelle ein Durchflussmessgerät (310-1, 310-2, ... 310-n) zur Bestimmung des Durchflusses durch die Füllstelle sowie ein Abfüllventil (311-1, 311-2, ... 311-n) zum dosierten Abfüllen des fließfähigen Mediums umfasst, und wobei das Verfahren folgende Schritte ausweist: – Erfassen eines Verlaufs des Durchflusses (400) durch eine Füllstelle während eines Abfüllzyklus als Funktion der Zeit in Echtzeit, – Erzeugen von Steuersignalen zum Öffnen und Schließen des Abfüllventils (311-1, 311-2, ... 311-n) der Füllstelle; und – Überprüfen des Verlaufs des Durchflusses (400) während des Abfüllzyklus in Echtzeit, und Erkennen von Anomalien im Verlauf des Durchflusses (400) während des Abfüllzyklus.
Verfahren zum Bestimmen der Viskosität eines fließfähigen Mediums in einer Abfüllanlage, wobei die Abfüllanlage aufweist einen Vorlagebehälter (300), der das fließfähige Medium (301) enthält; mindestens ein Druckmessgerät zum Erfassen des Drucks im fließfähigen Medium, eine Mehrzahl von Füllstellen, die über eine zentrale Zuführleitung (308) an den Vorlagebehälter (300) angeschlossen sind, wobei jede Füllstelle ein Durchflussmessgerät (310-1, 310-2, ... 310-n) zur Bestimmung des Durchflusses durch die Füllstelle sowie ein Abfüllventil (311-1, 311-2, ... 311-n) zum dosierten Abfüllen des fließfähigen Mediums umfasst, und wobei das Verfahren folgende Schritte ausweist: – Erfassen eines Verlaufs des Durchflusses (400) durch eine Füllstelle während eines Abfüllzyklus als Funktion der Zeit, – Erfassen eines Verlaufs des Drucks (401) im fließfähigen Medium während eines Abfüllzyklus als Funktion der Zeit, – Erfassen einer Phasenverzögerung (807) zwischen einer Verringerung (805) des Drucks im fließfähigen Medium und einem Anstieg (806) des Durchflusses beim Öffnen des Abfüllventils, und/oder – Erfassen einer Phasenverzögerung (813) zwischen einem Abfall (811) des Durchflusses und einem Anstieg (812) des Drucks im fließfähigen Medium beim Schließen des Abfüllventils, – Ableiten eines Maßes für die Viskosität des fließfähigen Mediums aus der erfassten Phasenverzögerung bzw. den erfassten Phasenverzögerungen (807, 813).