(57)【要約】      （修正有）【課題】充填用容器へ流入する充填物の流量を充填中に変化させ、発泡性を抑制するとともに正確な充填終了を容易にし、充填効率を向上させる。【解決手段】目標流量１が特定され、無段階で開かれうる充填バルブと実流量２を決定する装置によって容器を充填物で充填する方法に関し、目標流量の特定の値について、予備記憶された開位置３２、３２’をとるように充填バルブが制御され、予備記憶された開位置は、目標流量の特定の値についての先の制御プロセスによって決定される。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
目標流量（１）が特定され、無段階で開かれうる充填バルブと実流量（２）を決定する装置によって容器を充填物で充填する方法であって、
目標流量の特定の値（１２）について、予備記憶された開位置（３２、３２’）をとるように前記充填バルブが制御され、
前記予備記憶された開位置（３２、３２’）は、前記目標流量の特定の値（１２）についての先の制御プロセスによって決定される、
方法。
【請求項２】
前記目標流量（１）の値が変わる前に、好ましくは変わる直前に、前記予備記憶された開位置（３２、３２’）として前記先の制御プロセスにおいて到達した開位置（３）が記憶される、
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記予備記憶された開位置（３２、３２’）は、特定された前記目標流量（１）に対する開位置（３）の平均値として決定される、
請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記平均値は、特定の時間における前記目標流量（１）について算出される、
請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記予備記憶された開位置（３２、３２’）は、後続する制御プロセスの開始点として設定される、
請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記制御プロセスは、前記予備記憶された開位置（３２、３２’）に到達した直後に開始される、
請求項５に記載の方法。
【請求項７】
開位置（３）は、充填プロセスごとに、前記予備記憶された開位置（３２、３２’）に基づいて制御される、
請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
開位置（３）は、選択された充填プロセスのみにおいて、好ましくは二回に一度、三回に一度、十回に一度、五十回に一度の充填プロセスにおいて、前記予備記憶された開位置（３２、３２’）に基づいて制御される、
請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記充填バルブは、ランプ関数（１４）を介して前記予備記憶された開位置（３２、３２’）をとる、
請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
飲料充填プラントにおける各充填バルブは、独立して制御される、
請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
容器を充填物で充填する装置であって、
無段階で調節されうる充填バルブと、
実流量（２）を決定する装置と、
特定された目標流量（１）と前記実流量（２）に基づいて前記充填バルブの開位置（３）を制御するコントローラと、
請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法を遂行するように構成されている制御装置と、
を備えている、
装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、実流量を決定する装置と協働して無段階に開かれうる充填バルブにより容器を充填物で充填する方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から知られている容器を充填物で充填する方法に、充填エレメントにより充填物が充填用容器に導入されるものがある。そして、充填用容器へ流入する充填物の流量を充填中に変化させることが知られている。充填用容器内へ落下を要する高さと当該容器の底に衝突することに起因する充填物の初期発泡性を抑制するために、充填プロセスの開始時には低流量で充填することが知られている。この充填プロセスにおいては、充填用容器を出来るだけ迅速に完了するために、続いて流量が最大にされる。特定の充填高さに達してから、あるいは特定の充填時間の経過後に、発泡性を抑制するとともに正確な充填終了を容易にするために、容器に導入される充填物の流量が再び低減される。その後、用いられる充填法に応じて、充填用容器内の特定の充填高さに達したり、特定の充填重量に達したり、特定の充填時間が経過したり、特定の充填量に達したりすると、充填プロセスは終了する。この目的を達成するための遮断機構が知られている。
【０００３】
例えば飲料充填プラントにおいて容器を充填物で充填するために、充填エレメントを用いることが知られている。充填エレメントは、充填用容器の上方に配置されることが一般的であり、一機能として充填物バルブにより容器へ流入する充填物の流量を制御する。充填エレメントに収容されうる充填物バルブは、弁座に対して変位可能な弁体を備えることが一般的である。弁体は、弁座内に緊密に収容されると充填物の流れを遮断し、弁座から離されると弁体の上方への充填物の流出を許容する。
【０００４】
弁体の弁座に対する動きは、空気圧制御されることが一般的である。知られている空気圧駆動は、二つのスイッチング位置のみ（すなわち、全開位置と全閉位置）を許容する。したがって、容器への充填物の流れは、オンオフのみでありうる。充填用容器への充填物の充填中に流量を変えることは、例えば、実充填バルブの上流に位置する絞りバルブによりなされうる。この上流に位置する絞りバルブによって、切替点における流量が所望の流量に対応するように増減されうる。
【０００５】
流量を変えるために、ほぼ無段階に開かれうる充填バルブを設けることも知られている。この手法では、充填用容器へ流入する充填物の流量を変えることが、充填バルブ自身の開度の無段階変化によりなされうる。このように無段階に開かれうる充填バルブは、特に流量計と組み合わされることにより、流量の比例制御を可能にする。流量計により、実流量が測定され、無段階に開かれうる充填バルブの制御を通じて、充填物の流量が特定の目標値に対応するように調節される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記に鑑み、本発明は、プラスチック容器を製造し、充填物で充填する方法および装置であって、充填効率が向上したものを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的は、請求項１に記載の特徴を有する方法により達成される。さらなる有利な構成は、従属請求項に記載の特徴により得られる。
【０００８】
すなわち、ここに提案される方法は、目標流量が特定され、無段階で開かれうる充填バルブと実流量を決定する装置によって容器を充填物で充填する方法であって、目標流量の特定の値について、予備記憶された開位置をとるように前記充填バルブが制御され、前記予備記憶された開位置は、前記目標流量の特定の値についての先の制御プロセスによって決定される。
【０００９】
特定された目標流量の値について予備記憶された開位置への制御された動きにより、実流量は、無段階に調節可能なバルブに過剰なオーバーシュートを生ずることなく、当該目標流量へより迅速に到達できる。特に、制御プロセス単体の場合に生じうるオーバーシュートが、予備記憶された開位置への制御された動きにより、抑制あるいは防止されうる。当該予備記憶された開位置は、先の制御プロセスにおいて特定の充填バルブと背景環境条件について決定されたものであるため、充填バルブは目標流量に関連付けられた開位置へ迅速に動かされうる。
【００１０】
これにより、少なくとも一度の後続する充填プロセスにおいて、実流量を決定する装置を備える制御システムによって先の充填プロセスにおいて予備記憶された開位置として設定されていた開位置をとるように、充填バルブの制御が可能である。したがって、充填バルブは、先の充填プロセスにおいて決定された開位置へ直ちに動きうる。当該開位置は、目標流量に最も密接に対応する開位置である。これにより、目標流量に対応する一定の流量に素早く到達できる。後続する制御プロセスにおいても同様の結果が得られる。
【００１１】
好ましくは、上記の予備記憶された開位置として記憶される開位置は、先の制御プロセスにおいて目標流量の値が変わる直前に記憶される。これにより、制御プロセスの振動が可及的速やかに鎮静することを可能にする。したがって、上記の予備記憶された開位置は、特定された目標流量に最大限対応する。
【００１２】
より好ましい態様として、制御プロセスの終了時における振動を防止するために、上記の予備記憶された開位置は、特定された目標流量に対する開位置の平均値として決定されうる。さらに好ましくは、制御セグメントごとに重み付けを変えるために、当該平均値は、特定の時間における目標流量について算出される。このように予備記憶された開位置を決定することにより、特定された目標流量が再び変化することにより生じる過渡的な効果が均されうる。これにより、制御システムの振動が完全に鎮静化していなくても、次の充填プロセスにおいてより適切な予備記憶された充填バルブの開位置が提供される。
【００１３】
予備記憶された開位置は、後続する制御プロセスの開始点として設定されることが好ましい。これにより、充填バルブは、まず目標流量の値に対応する予備記憶された開位置をとるように制御される。そして、この開位置に基づいて、実測された流量を考慮した制御プロセスが再び遂行される。開位置へ直ちに動くことにより、初期オーバーシュートがまず回避されうる。そして、より適切な開始位置（すなわち予備記憶された開位置）に基づいて、後続する制御プロセスが実行されうる。当該制御プロセスは、条件変化（温度や充填レベルの変化）も織り込んだ開位置のさらなる改良を可能にしうる。
【００１４】
より好ましくは、当該制御プロセスは、予備記憶された開位置に到達した直後に開始される。よって、後続する制御プロセスは、システムのばね定数に応じた所定時間が経過してから開始できる。これにより、予備記憶された開位置において実流量がまず一定になり、切替プロセスによって振動が励起されたシステムが安定化する。一定とされた実流量に基づく制御プロセスが遂行されるのは、その後である。
【００１５】
好ましい別態様においては、開位置は、選択された充填プロセスのみにおいて、好ましくは二回に一度、三回に一度、十回に一度、五十回に一度の充填プロセスにおいて、予備記憶された開位置に基づいて制御される。これにより、充填プロセスごとに制御プロセスの更新が必要なくなり、特に効率的な方法が実現されうる。動作パラメータ（温度や充填物の充填レベルなど）に変化が生じる速度に応じて、制御プロセスの実行頻度を増減できる。
【００１６】
システムが充填プロセスごとに学習すれば、ある程度の回数の充填プロセスが行なわれると、予備記憶された開位置は、ほぼあるいは正確に、特定された目標流量に対応する。そして、後続する制御プロセスが付加されても、原則として調節は行なわれない。したがって、適用中の予備記憶された開位置をとるように無段階に開かれうる充填バルブを制御することによって、オーバーシュートがほぼ無い正確な充填プロセスが実現されうる。
【００１７】
充填バルブは、ランプ関数を介して予備記憶された開位置をとることが好ましい。これにより、過剰な調節動作やオーバーシュートを伴うことなく、特定された目標流量が最適に達成されうる。
【００１８】
提案される方法は、各充填バルブにおいて独立に行なわれることが好ましい。これにより、充填バルブにおける機械的公差を補償できるだけでなく、充填バルブごとに位置や流れ特性を変えられる。
【００１９】
また、上記の目的は、請求項１１に記載の特徴を有する装置によって達成される。
【００２０】
すなわち、提案される装置は、容器を充填物で充填する装置であって、
無段階で調節されうる充填バルブと、
実流量を決定する装置と、
特定された目標流量と前記実流量に基づいて前記充填バルブの開位置を制御するコントローラと、
上記の方法を遂行するように構成されている制御装置と、
を備えている。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
本発明のさらなる好適な実施形態と態様は、以下に列挙する図面と以降の記載を通じてより詳細に説明される。
【００２２】
【図１】従来の充填プロセスを模式的に示す図である。
【図２】図１の充填プロセスの一部を拡大して示す図である。
【図３】実施に係る充填プロセスを模式的に示す図である。
【図４】図３の充填プロセスの一部を拡大して示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図面の補助を得つつ、好適な実施形態の例が以下に記載される。各図においては、同一または同様の要素、あるいは同一の効果を奏する要素は、同一の参照符号により指示される。これらの要素について繰り返しとなる説明の一部は、冗長性を避けるために省略される。
【００２４】
図１において、ｘ軸は充填プロセスの時間ｔを表しており、ｙ軸は様々なパラメータを表している。それらパラメータの時間変化曲線が模式的に示されている。
【００２５】
図１に模式的に示された実線は、充填プロセスにおいて用いられる充填物の目標流量１を表している。目標流量１は、プラントのオペレータにより設定される。目標流量１は、プラントのオペレータにより、充填物を劣化あるいは損傷させることなく、かつ効率的に充填を遂行するために、容器の種別や充填物の種別ごとに異なるように設定されることが一般的である。目標流量１の決定に際しては、充填物の発泡性が特に重要な要素となる。充填プロセスの終了に向かって発泡性が高まる場合、過剰な発泡とこれに伴う溢れ出しを回避するために、充填は早期の段階から低流量で行なわれる必要がある。
【００２６】
したがって、目標流量１としてまず高い値１０が設定される。容器を迅速に充填するためである。そして、充填プロセスの終了に向けて目標流量１がより低い値１２に下げられる。このとき、充填物バルブが急に閉じられないことに注意すべきである。特に流体力学の観点から、システム全体の不要な発振を回避するためである。したがって、目標流量１は、ランプ関数１４を介して高い値１０から低い値１２へ切り替えられる。
【００２７】
同図における破線は、充填バルブを通過する充填物の実測流量２を表している。実測流量２は、例えば、流量計などの測定方法により測定される。
【００２８】
目標流量１と実流量２を比較するコントローラにより、操作される変数が決定される。当該変数は、充填バルブの開位置３を調節するために使用される。
【００２９】
同図における点線の曲線は、充填バルブの開位置３を示している。同図に見られるように、開位置３は、実流量２と相関している。ある特定の開位置３に対し、過渡応答を経て実流量２が対応している。
【００３０】
一点鎖線の曲線は、充填プロセス全体を通じて容器に流入した充填物の総量４を示している。すなわち、充填物の総量４は、実流量２の時間積分値である。スイッチオフ時点４０において対象容器が所望の充填量に達し、充填バルブは閉位置とされる。充填バルブが閉じられると、充填プロセスは終了される。
【００３１】
無段階に開かれうる充填バルブにより容器を充填物で充填する従来の方法には、ＰＤコントローラまたはＰＩＤコントローラが用いられることが一般的である。このコントローラは、制御プロセスを遂行する。使用されるＰＤコントローラまたはＰＩＤコントローラは、全ての充填バルブについて同じようにパラメータ化されるため、最適な制御結果は得られない。各充填バルブあるいは充填ポイントは、僅かに相違しているからである。また、ここでは各充填バルブあるいは充填エレメントについて個別の調整は行なわれない。
【００３２】
この場合、例えば図２に見られるように、充填バルブの開位置３にオーバーシュートをもたらす。結果として、対応する実流量２にもオーバーシュート２０が生ずる。実流量２のオーバーシュート２０は、システムのばね定数にも依存し、充填バルブが切り替えられる度に振動が生ずる。
【００３３】
このようなオーバーシュート２０、３０は、例えば、充填プロセスの終了に向かって目標流量１が高い値１０から低い値１２へ低減されるときに生ずる。この場合、オーバーシュート２０、３０は、実流量２と開位置３の双方に影響を与える。
【００３４】
図１と図２に見られるように、目標流量１が低い値１２に下がった後は、スイッチオフ時点４０までに定常状態が得られない。開位置３が振動する結果として、対応する実流量２は低い値１２の周辺を振動する。流量の高い値１０から低い値１２への充填バルブの切替プロセスの間に生ずるオーバーシュート２０、３０、ならびに続いてスイッチオフ時点４０まで生ずる振動は、ＰＤコントローラのパラメータ化が最適でないことを一因としている。よって、低い目標流量値における充填バルブの開位置３を完全に安定制御された状態に到達させるための時間は短すぎる。実際にバルブを閉じる前のスイッチオフ時点４０において、充填バルブは開位置３２をとる。開位置３２は、充填プロセスごとに変更可能である。
【００３５】
図１と図２に示された実流量２と開位置３の曲線は、完全に制御されたものである。ここでは、ＰＤコントローラが目標流量１と実流量２についてのみ用いられ、そこから開位置３を調節するために操作される変数が決定されている。オーバーシュート２０、３０、ならびに後続する振動は、当該コントローラが使用される特定のタイミングについて最適にパラメータ化されていない事実を一因としている。
【００３６】
定常状態への到達を促進するために、そしてこれにより実流量２と開位置３のオーバーシュートとこれに続く振動を抑制するために、図１と図２に示されたような制御プロセスにおいて、スイッチオフ時点４０における開位置３２が予備記憶される。当該開位置３２は、後続する充填処理のための低い目標流量１２に対応する。
【００３７】
後続する充填処理においては、例えば図３と図４に示されるように、特定の低い目標流量１２に直接対応する予備記憶された開位置３２を用いてバルブが制御される。これにより、図１と図２に示された実流量２と開位置３の過剰なオーバーシュート２０、３０が抑制されうる。バルブは、特定の低い目標流量１２用に予備記憶された開位置３２へ直接に動かされるからである。
【００３８】
制御プロセスは、予備記憶された開位置３２からそのまま継続される。開位置３は、流量計により検出される実流量２に基づいて、目標流量１を介して特定された低い目標流量１２に対応するように、再び制御される。
【００３９】
例えば図４に示されるように、開位置３は、スイッチオフ時点４０において、わずか二度の反復で準静的レベルに到達している。この開位置３は、次の充填プロセスのために新たな予備記憶された開位置３２’として記憶される。よって、図示された実施形態例においては、目標流量１を介して特定された低い目標流量１２に対応する準静的状態（すなわち、準静的な開位置３）にわずか二度目の反復で到達できる。
【００４０】
次の充填プロセスにおいては、特定された低い目標流量１２に到達するために、この新たな予備記憶された開位置３２’が最初に用いられる。環境条件（充填バルブ内の充填物の圧力など）が二つの充填プロセス間で変化しない場合、あるいは変化が顕著でない場合に、この第二の予備記憶された開位置３２’により、特定された低い目標流量１２に実流量２を直ちに到達させることができる。
【００４１】
上述の方法は、高い値１０から低い値１２への低減だけでなく、目標流量１のあらゆる変化に用いられうる。これを実現するために、当該変化に先立って現行の目標流量に対する現在の開位置が、コントローラにより記憶され、後続の充填プロセスにおいては、当該開位置が後続の制御プロセスの開始点とされる。
【００４２】
したがって、開位置３２’が記憶された後、環境条件が同じであれば、さらなる調整（少なくとも顕著な調整）が行なわれる必要はない。結果として、制御プロセスが迅速かつ簡潔となる。しかしながら、環境条件が変化すれば、次の充填プロセスにおいて再び最適な開始位置を採用できるように、予備記憶された開位置を用いて調節が再び行なわれる。
【００４３】
充填プロセスにおいて目標流量１が繰り返し同じ値をとる場合、先に当該値をとったときに記憶された開位置が、当該値を目指す次の機会における初期値として使用されうる。
【００４４】
図１と図２に示された例において、スイッチオフ時点４０または特定の目標流量が変化した際に到達する特定の目標流量１について予備記憶された開位置３２、３２’は、他の手法によっても決定されうる。
【００４５】
具体的には、開位置１の平均値が計算されうる。平均値は、特定の時間（例えば目標流量１が変化する前の最後の１秒間）にわたって、あるいは、目標流量１が変化した時点から次に目標流量１が変化するまでの時間にわたって計算されうる。平均値が計算される場合、振動あるいは減衰過程（特に図２において明確に見られる）を補償できる。これにより、この手法により予備記憶された開位置は、単にスイッチオフ時点４０への到達時をもって決定される開位置３２よりも、非常に正確に特定の目標流量１２に対応できる。
【００４６】
さらに、予備記憶された開位置３２、３２’への到達後の制御プロセスは、予備記憶された開位置への到達直後に、あるいはその後非常にわずかな遅れをもって開始されうる。システムのばね定数によっては、まず予備記憶された開位置３２に到達し、次いでシステムが安定するのを待ち、それからさらなる制御プロセスに進むことが得策である。この場合、例えば、予備記憶された開位置３２、３２’への到達後に、１００ミリ秒から５００ミリ秒の待ち時間が設定されうる。その後、ＰＤコントローラあるいはＰＩＤコントローラを用いる制御プロセスが再開する。
【００４７】
先の開位置３から予備記憶された開位置３２、３２’までの移動速度は、目標流量１を介して特定されるランプ関数１４により定められることが好ましい。図２において模式的に示されるランプ関数１４は、高い目標流量１０から低い目標流量１２に対応する開位置３の変更についてのものであり、予備記憶された開位置３２への充填バルブの動きを特定するものとして用いられる。
【００４８】
このような手法によれば、ＰＤコントローラやＰＩＤコントローラについて予め定められたパラメータ群によらず、充填プラントにおける個々の充填バルブについて最適化された開位置を採用させることができる。
【００４９】
なお、図示されたオーバーシュート２０、３０は、図１と図２において明確に見られる急峻な目標流量１の低下が必要な場合に、従来のＰＩコントローラやＰＩＤコントローラについて生ずる。通常の充填動作においては、このような急峻な低下は、一時的な安定状態（目標流量１が一定値を保とうとする）の後に生ずることが一般的である。目標流量１の各安定期間の終了時に達する充填バルブの開位置３は、制御プロセスの開始時（すなわち、次の安定期間の開始時）に達しているべき最適位置である。したがって、安定期間の終了時に採用された開位置３が、あたかも「経験に基づく値」であるかのように、後続する充填プロセスのための予備記憶された開位置３２、３２’として使用されうる。
【００５０】
全ての目標流量１について変わる開位置３２、３２’がシステムにより取得されると、利用可能な予備記憶された開位置３２、３２’を採用するのみで、後続する制御プロセスなしに充填プロセス全体が遂行されうる。
【００５１】
また、後続する制御プロセスを充填プロセスごとに行なう必要はなく、二回に一度、三回に一度、十回に一度、五十回に一度の充填プロセスについてのみ行われうる。残りの充填プロセスについては、単に予備記憶された開位置３２、３２’を採用するのみでよい。
【００５２】
上述の方法を実行可能にするために、装置は無段階に開かれうる充填バルブを備え、当該充填バルブは適当なアクチュエータにより特定の開位置３へ動かされうることが好ましい。それ自身は公知であるコントローラ（例えばＰＩＤコントローラやＰＤコントローラ）および当該コントローラに接続された流量計を用いることによって、充填バルブの開位置３は、特定された目標流量１に応じて調節されうる。したがって、充填バルブの開位置３は、特定された目標流量１にできる限り迅速に到達するように調節される。
【００５３】
次回充填のために、あるいは先に取得された目標流量１の値に引き続き到達するために、特定された各目標流量１について充填バルブの開位置３２、３２’、を記憶するように構成された制御装置も設けられる。具体的には、充填バルブの開位置３２、３２’は、現在特定されている目標流量１に到達した後、できるだけ制御プロセスの状態が落ち着いてから記憶される。例えば特定された目標流量１の安定状態の終了時において、予備記憶された開位置３２、３２’は、制御プロセスおよび対応する開位置３から算出されうる。
【００５４】
次の充填プロセスにおいては、特定された各目標流量１に対応する予備記憶された開位置３２、３２’が制御装置によって変更されうる。これにより、当該予備記憶された開位置３２、３２’で充填プロセスが遂行される。あるいは、次の制御プロセスの開始点が提供される。
【００５５】
上記の制御装置は、第一に上記の方法を遂行できるように、第二に各充填バルブを独立して駆動できるように構成されることが好ましい。これにより、充填プラントにおける各充填バルブについて最適化された充填プロセスが提供されうる。
【００５６】
発明の範囲から逸脱することなく可能の範囲内において、各実施形態例について記載された各特徴は、組合せと交換の少なくとも一方が可能である。
【符号の説明】
【００５７】
１：目標流量、１０：高い目標流量値、１２：低い目標流量値、１４：ランプ関数、２：実流量、２０：オーバーシュート、３：開位置、３０：オーバーシュート、３２、３２’：予備記憶された開位置、４：充填物の体積、４０：スイッチオフ時点
【図１】
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【図２】
2016028967.tif 000004
【図３】
2016028967.tif 000005
【図４】
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【外国語明細書】
2016028967000001.pdf