用于填充机的填充单元的改进的控制模块及相应填充机的制作方法

本发明涉及一种用于填充机的填充单元的改进的控制模块，以及相应的填充机。

背景技术：

已知的填充机用于填充容器，例如由热塑性材料(pet)或玻璃制成的瓶，其装有液体产品，例如用作食品的饮料。

图1示意性地示出了旋转转盘类型的填充机1的已知示例，填充机1用于填充容器2，在该示例中，容器2是瓶。

填充机1包括转子或转盘4，转子或转盘4围绕相应的中心旋转轴线a旋转；它接收容器2，该容器2由星形轮类型的输入输送单元5填充，该输入输送单元围绕相应的旋转轴线b旋转，并且当容器2被填充时，将容器2供应到也是星形轮类型的输出输送单元8，输出输送单元8围绕相应的旋转轴线c旋转。

待填充的容器2可以通过相同加工厂的吹塑机供应给填充机1，而经填充的容器2可以在输出处供应到容器加工厂的贴标机或封盖机。

填充机1的转盘4沿其周边载有多个填充单元10，每个填充单元10能够根据给定的填充过程执行填充相应容器2的操作，同时将所述容器2沿着旋转路径p从输入输送单元5输送到输出输送单元8。填充过程定义了例如要执行的操作步骤(例如加压步骤、引入液体步骤和减压步骤)的顺序和所述操作步骤的持续时间。

在所示实施方式中，每个填充单元10耦合到其自己的电子控制模块10'(示意性地示出)，电子控制模块10'可以控制填充单元10的操作，并且特别地，可以提供合适的控制信号以致动电磁阀和/或其他电致动器，以执行填充过程的步骤；电子控制模块10'还能够从耦合到所述填充单元的监控传感器(该监控传感器包括例如压力传感器、流量传感器和温度传感器)接收反馈信号，在此基础上，其执行控制操作，以执行填充过程。

填充机1还配备有控制单元12，控制单元12包括例如能够监督所述填充机1的整体操作的工业plc(可编程逻辑控制器)，其与填充单元10的电子控制模块10'通信耦合，以提供关于待执行的填充过程的指令。

进而，以这里未示出的方式，填充机1的控制单元12可以与容器处理设备的中央监督单元耦合，中央监督单元能够监控所述设备的总体操作；控制单元12还可以耦合到hmi(人机界面)以与填充机1的操作者交互。

更详细地，另外参考图2，每个填充单元10包括主体14，主体14具有下部14a，下部14a限定用于接收相应容器2的部分，该部分构造成特别地耦合到所述容器2的嘴端(被称为颈部)2'。

主体14以未示出的方式在其自身内形成至少一个流体导管，该流体导管能够选择性地耦合到由容器2的颈部2'形成的开口，以便流体地耦合到所述容器2的内部。

填充单元10的主体14还具有上部14b，上部14b耦合到壳体内，壳体内容纳有所述填充单元10的电子控制模块10'(示意性地示出)，该模块能够控制所述填充单元10的操作。

特别地，电子控制模块10'包括基于单个微处理器的pcb(印刷电路板)，其耦合到非易失性存储器，其中永久存储关于要遵循的填充过程的数据。

本申请人已经认识到，用于控制填充机1的填充单元10的已知解决方案具有许多限制。

特别地，用于控制填充操作的微处理器具有严格规定的处理资源(具体取决于微处理器的型号)，例如指定数量的控制输出端，其用于例如控制相应的电磁阀或一般的致动器，以用于执行填充步骤；指定数量的输入端，其用于例如接收来自监控传感器的反馈信号；以及指定类型的通信接口，其用于例如与填充机1的控制单元12通信。

因此，到目前为止，由于所述填充单元10的控制模块10'的固有限制，难以对填充单元10进行修改，例如难以进行与待控制的致动器的数量和类型或监控传感器的数量和类型与填充单元10相关的修改；换句话说，对填充单元10的功能和/或结构进行的所期望的任何修改或改进必须考虑到在相应控制模块10'中所使用的微处理器的资源方面的特性和可能的限制。

关于例如控制输入端和输出端方面的即使能由微处理器的物理特性(硬件)实现的任何添加的新功能总是会造成微处理器处理资源的使用增加，导致更长的计算时间，这会使得不能以准确和可靠的方式控制填充操作。

针对这些限制的可行的解决方案可能是将一个或多个附加微处理器引入填充单元10的控制模块10'中，以便增加硬件和软件资源；然而，显然，这样的解决方案将导致填充机1的生产和控制成本的显著增加。

本质上，本申请人已经发现用于控制填充机的填充单元的现有解决方案受到有关相对可配置性、模块化以及使用新功能进行更新和扩展的可能性方面的限制。

技术实现要素：

本发明的总体性目的是克服上述问题。

本发明的目的是通过如下条款中限定的控制模块和相应的填充机来实现的。

1.能够与填充机(1)的至少一个填充单元(10)相关联的控制模块(20)，所述填充机(1)被配置为根据填充过程执行填充相应容器(2)的操作，

所述控制模块(20)包括电子可编程逻辑电路(31)，其被编程以便定义：

微处理器(40)，其被编程用于控制所述填充过程所需的操作的执行；和

在操作上与所述微处理器(40)不同并且独立于所述微处理器(40)的至少一个控制块(42)，所述至少一个控制块(42)被编程以用于控制所述填充单元(10)的相应元件或相应功能。

2.根据条款1所述的模块，其中所述控制块(42)和所述微处理器(40)被编程以便使用相应的操作资源并行操作。

3.根据条款1或2所述的模块，其包括在操作上与所述微处理器(40)不同并且独立于所述微处理器(40)的另外的控制块(42)，所述另外的控制块(42)包括以下项中的一项或多项：

第一控制块(42a)，其被编程用于控制所述填充单元(10)的至少一个流量计；

第二控制块(42b)，其被编程用于控制相应填充单元(10)的至少一个流量阀；

第三控制块(42c)，其被编程用于控制所述填充单元(10)的至少一个电动机；

第四控制块(42d)，其被编程用于控制由所述填充单元(10)实现的至少一个数据通信协议；

第五控制块(42e)，其被编程用于控制与所述控制模块(20)相关的显示器(55)；

第六控制块(42f)，其被编程用于控制与所述控制模块(20)相关的至少一个内部时钟。

4.根据前述条款中任一项所述的模块，其中，所述电子可编程逻辑电路(31)形成所述填充机(1)的控制单元(12)与所述至少一个填充单元(10)之间的接口。

5.根据前述条款中任一项所述的模块，其中所述电子可编程逻辑电路(31)中的所述微处理器(40)是能重新配置和能重新编程的。

6.根据前述条款中任一项所述的模块，其中，所述电子可编程逻辑电路(31)被配置以便向所述填充单元(10)的致动器元件(22)提供控制信号以执行所述填充过程所需的操作，以及，以便从耦合到所述填充单元(10)的监控传感器(24)接收反馈信号。

7.根据前述条款中任一项所述的模块，其包括：印刷电路板(30)，所述印刷电路板(30)包括所述电子可编程逻辑电路(31)，以及至少一个另外的电路板(50)，所述电路板(50)耦合到所述印刷电路(30)并由所述电子可编程逻辑电路(31)的相应控制块(42)控制，以用于驱动所述填充单元(10)的至少一个致动器元件(22)。

8.根据前述条款中任一项所述的模块，其中所述电子可编程逻辑电路(31)包括在印刷电路板(30)中，所述印刷电路板(30)容纳在耦合到所述填充单元(10)的主体(14)的壳体(52)中。

9.根据前述条款中任一项所述的模块，其被配置用于控制所述填充机(1)的多个填充单元(10)。

10.根据前述条款中任一项所述的模块，其中所述电子可编程逻辑电路(31)使用fpga(现场可编程门阵列)形成。

11.填充机(1)，其包括至少一个填充单元(10)以及至少一个根据前述条款中任何一项所述的控制模块(20)，所述填充单元(10)配置成根据填充过程执行填充相应容器(2)的操作。

12.根据条款11所述的填充机，其包括耦合到旋转转盘(4)的多个控制模块(20)和多个填充单元(10)，每个填充单元(10)能够在所述控制模块(20)的控制下执行填充相应容器(2)的操作。

13.根据条款12所述的机器，其中，所述控制模块(20)中的至少一个被配置用于控制所述填充机(1)的多个所述填充单元(10)。

附图说明

现在将参考附图描述本发明，附图示出了本发明的实施方式的非限制性示例，其中：

-图1是已知类型的容器处理设备中的填充机的示意图；

-图2示意性地示出了在图1的填充机中的耦合到待填充的容器的填充单元；

-图3是根据本解决方案的一方面的填充机的控制结构的框图；

-图4示意性地示出了图3的填充机的填充单元的控制模块的电子可编程逻辑电路的可编程配置；

-图5是根据本解决方案的一个方面的电子可编程逻辑电路的框图；

-图6示意性地示出了容纳在耦合到填充机的相应填充单元的壳体中的控制模块。

具体实施方式

如下面详细描述的，本解决方案的一个方面通常提供用基于可编程逻辑电子器件的电路装备填充单元的控制模块，使得可以对微处理器(称为“软处理器”)通过软件进行编程，并且在相同的电子系统中，对用于相应的填充单元的特定部件和功能的一个或多个控制块进行编程。

该可编程逻辑解决方案在控制模块的编程可能性、可配置性、模块性和可扩展性方面提供了重要的优点。

参考图3，首先将简要描述填充机的控制架构，填充机再次作为整体以1表示，并且例如如参考图1所述构造；也就是说，它具有转盘，使该转盘绕其自身的轴线转动并载有多个填充单元10，每个填充单元10能够耦合到相应的容器2以执行填充过程。

在所示的实施方式中，每个填充单元10具有相应的控制模块，控制模块在此用20表示，其可以控制填充单元10的操作，并且特别是可以向相应的致动器元件22(例如电磁阀、电动机或其他类型的电动致动器)提供合适的控制信号，以执行填充过程的步骤，并且其可以从合适的监控传感器24接收反馈信号，监控传感器24如：能够检测容器2内的压力的压力传感器，能够检测填充液体的流量的流量计，以及能够检测所述填充液体的温度的温度传感器。

控制模块20通过数字通信总线25与填充机1的控制单元12耦合以进行通信，以便在执行填充操作期间从所述控制单元12接收控制信号，并将反馈信号提供给所述控制单元12。数字通信总线25例如是用于实时通信的以太网总线，例如powerlink总线。

填充机1的控制单元12还通过电缆或无线连接与容器处理设备的中央监督单元26耦合以进行通信，中央监督单元26包括相应的plc或其他数字处理单元，其例如相对于填充机1放置在远程位置；该中央监督单元26能够监督容器处理设备的整体操作并向所述设备的各种加工机器提供指令，各种加工机器例如除了填充机1之外还包括：用于从预成型件形成容器的吹塑机，用于将标签贴到容器上的贴标机，用于将盖施加到填充容器上的封盖机等。

另外，填充机1的控制单元12，以及必要时中央监督单元26，连接到hmi用户界面单元28，用户界面单元28为所述填充机1的操作者提供用户界面28'，例如为了以下目的：输入数据和参数以定义填充过程，以及输入命令以执行所述填充过程并且接收有关执行填充过程的信息；有利地，hmi单元28实现触摸屏显示。

如上所述，根据本解决方案的特定方面，填充单元10的控制模块20包括印刷电路板(在上述图3示意性地示出并且由30表示)，其包括电子可编程逻辑电路31(后面的图4和5中所示)，特别是基于fpga(现场可编程逻辑阵列)的电子可编程逻辑电路31。显然，可以实现各种型号的fpga。

印刷电路板30还可以包括非易失性存储器和其他电路元件，例如adc(模数转换器)或其他模拟或数字电路。

以已知的方式，并且如图4中示意性所示，fpga具有多个逻辑元件或单元32(其可以通过互连资源33进行扩展和选择性互连)和多个输入/输出(i/o)单元34。可以通过提供合适的逻辑电路，经由软件完全编程逻辑单元32及其通过互连资源33进行的互连；类似地，输入/输出单元34可以被适当地编程以定义fpga与外部设备的接口。

如图5所示，本解决方案的特定方面提供用于对控制模块20的电子可编程逻辑电路31内的以下元件的编程：

完全可编程类型的微处理器40，其被编程用于控制填充过程的系列步骤的执行；

一个或多个控制块42，其也是完全可配置的类型，被编程用于控制至少一个相应填充单元10的特定元件或功能。

在实施方式的示例中，嵌入到fpga中的微处理器40是32位处理器。

所述微处理器40还可以配置成控制由填充机1执行的操作的同步。

具体地，微处理器40和控制块42被配置成以完全独立的方式并行地使用各自的处理资源进行操作；换句话说，控制块42的操作不占用专用于微处理器40的资源。

在所示实施方式中，形成在微处理器40外但在所述电子可编程逻辑电路31内的控制块42包括：

第一控制块42a，其被编程用于控制相应的填充单元10的至少一个流量计，并且特别是用于控制相应的高频脉冲；

第二控制块42b，其被编程用于控制相应的填充单元10的至少一个流量阀；

第三控制块42c，其被编程用于控制相应的填充单元10的至少一个例如线性的电磁的无刷或“步进”类型的电动机；

第四控制块42d，其被编程用于控制由相应的填充单元10实现的至少一个通信协议，例如串行协议、powerlink协议、spi协议、i2c协议或其他任何合适类型的协议；

第五控制块42e，其被编程用于控制所述控制模块20的字母数字显示器，该字母数字显示器用于向操作者提供关于所执行操作的信息；

第六控制块42f，其被编程用于控制能够对所执行的操作进行定时的至少一个内部系统时钟。

通常，所述微处理器40外形成的控制块42控制所有功能，所有功能如果由所述微处理器40在内部控制，则将在资源方面引起所述微处理器40的过载，并且将使得不能实现期望的计算速度或不能执行用于执行所述控制过程的控制操作。

如图所示意性示出的，微处理器40通过通信信道44耦合控制块42以用于操作，用于发送控制信号到所述控制块42并从所述控制块42接收状态和反馈信息。

还指出，有利地，例如，如果电子可编程逻辑电路31中的微处理器40过时了并且不再适合于控制填充操作，则所述微处理器40可以通过软件完全擦除和重新编程，从而确保控制模块20和相应的印刷电路板30的长期使用。

因此，应指出，如图5所示，在本实施方式中的控制模块20形成完全可编程和可重新配置的被放置在填充机1的控制单元12和用于实现填充过程的填充单元10之间的电子接口。

特别是，由于控制模块20的上述创新特性，因此，在这种情况下，相同的电子可编程逻辑电路31可以被编程为控制多于一个的填充单元10，或者例如相应的致动器元件22，以便在每个填充单元10处执行用于填充相应的容器2的期望的过程。

这种特性可以节省资源并进一步简化填充机1的控制架构。

根据本解决方案的另一方面，控制模块20可以包括一个或多个附加电路板，附加电路板可以以合适的方式通过合适的接口连接器耦合到包含电子可编程逻辑电路31的印刷电路板30。

例如，如图6中所示意性示出的，由50表示的附加电路板可以在壳体52内部耦合到印刷电路板30，控制模块20被容纳在壳体52内(该壳体52将被耦合到填充单元10的主体14上，例如以类似于图2中所示的方式耦合)。

连接器元件54将印刷电路板30和附加电路板50电耦合。

附加电路板50包括电路部件，所述电路部件专用于实现填充单元10的特定功能，例如在控制模块20的适当控制下，并且特别是在相应的控制块42的适当控制下，驱动相应的电动机。

应该注意，图6还示出了控制模块20的这里用55表示的字母数字显示器，其由电子可编程逻辑电路31的第五控制块42e适当地驱动。

从前面的讨论中可以明显看出本发明所带来的优点。

在任何情况下，再次强调的是，根据本解决方案，改进的控制模块20有利地是可更新的、可配置的、可扩展的和模块化的，从而克服了与已知解决方案相关的问题。

控制模块20提供更短的处理时间，并且有利地，由于其可重新配置的特性，允许与当前已知的或将来可能开发的任何工业通信协议接口。

控制模块20还可以被有利地安装在预先存在的填充机1中，以(在所谓的改装操作中)替换相应的填充单元10的传统控制模块，从而以简单有效的方式为这些填充机1提供新的功能。

最后，显然可以修改或改变这里描述和说明的解决方案，而不会因此背离由所附权利要求所限定的保护范围。

特别地，再次强调的是，控制模块20的控制块42的数量和类型可以与上面描述的不同，具体取决于填充机1的特定的应用和具体的要求。

还应注意，所描述的解决方案可有利地用于各种类型的容器处理设备2，除了用于填充机1之外，还包括用于其他或不同类型的容器加工机器2。