Elektronisch geregelt

Beim Abfüllen flüssiger Produkte aus Tanks in kleine Transportbehälter und Flaschen wird hauptsächlich die Schwerkraft ausgenutzt. Dieser Vorgang kann als gravimetrisch-zeitabhängiger Füllprozess bezeichnet werden, der durch die Konstanten Gravität und prozessbedingte Füllzeit festgelegt ist.

Als kritische Variable in diesem System muss der hydrostatische Druck des Vorratstanks berücksichtigt werden, der in Abhängigkeit des Füllstands zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert schwankt. Durch die Entnahme aus dem Tank fällt der hydrostatische Druck ab, was einen direkten proportionalen Einfluss auf das Füllvolumen der Transportbehälter bzw. Flaschen hat.

Ein solcher Füllprozess ermöglicht die Abgabe der gewünschten Füllmenge nur im Mittelwert, das tatsächlich benötigte Füllvolumen wird nur bei halbvollem Tank erreicht. Der Vorgang kann als offener Regelkreis (Steuerung) betrachtet werden, da der aktuelle Füllstand im Tank zu keiner Korrektur des hydrostatischen Drucks führt.

Die konventionelle gravimetrische Abfüllmethode ist hinsichtlich Installationsaufwand und Betriebskosten relativ preiswert zu realisieren. Man sollte jedoch auch die Nachteile bedenken. So führen überfüllte Flaschen zu direkten Gewinnverlusten. Wird die Flasche zu stark überfüllt, kommt es zudem zur Verschmutzung auf der Außenseite sowie in Anlagenteilen, wodurch eine kostenintensive Reinigung nötig wird. Ähnlich verhält es sich mit unterfüllten Flaschen, die beim Unterschreiten der Mindestfüllmarke aussortiert werden müssen. Unterliegt der Flüssigkeitsstand im Tank wesentlichen Schwankungen, so sind Variationen des Füllstandes um mehr als 20 % möglich.

Eine Variante der gravimetrisch-zeitabhängigen Abfüllung ist die Gasüberlagerung und Druckbeaufschlagung des Tanks. Als Medium wird gewöhnlich Stickstoff verwendet, der mit einem federbelasteten Druckminderer geregelt und in den Tank eingeleitet wird. Der federbelastete Druckminderer hält einen geringen Überdruck oberhalb des Flüssigkeitsstandes im Tank aufrecht. Dieser Überdruck addiert sich zum hydrostatischen Druck der Flüssigkeit und reduziert die Schwankung des Füllvolumens durch unterschiedliche Flüssigkeitsstände im Tank. Durch diese Variante wird eine Verbesserung gegenüber der rein gravimetrischen Methode erreicht, es handelt sich jedoch immer noch um eine Steuerung, da Schwankungen im Versorgungsdruck und im hydrostatischen Druck vom federbelasteten Druckminderer nicht komplett ausgeglichen werden.

Bild 1 zeigt eine grafische Darstellung der Füllstandschwankungen in Abhängigkeit vom hydrostatischen Mediendruck. In diesem Beispiel beträgt die Schwankung des Füllvolumens 12 %. Zur Optimierung dieser Füllvariante durch die beschriebene Stickstoffbeaufschlagung werden ein federbelasteter Druckminderer und die entsprechende Gasversorgung benötigt.

Moderne elektronische Regelgeräte ermöglichen Druckeinstellungen mit einer Genauigkeit von 1 mbar. So kann der Druck bei der Stickstoffbeaufschlagung mit dem digitalen Druckregler ER3000 (Bild 2)von Tescom hochpräzise konstant gehalten werden.

Die Abfüllanlage in Bild 3 zeigt einen geschlossenen Regelkreis. Der Stickstoffdruck im Medientank wird mit Hilfe eines ER3000 kontrolliert. Zur Druckregelung wird zusätzlich ein mechanischer Druckminderer der DH-Serie eingesetzt. Dieser wird vom ER3000 mit pneumatischem Steuerdruck versorgt und regelt den Stickstoffdruck auf der Medienseite. Durch diese Konfiguration wird der Anwendungsbereich im Hinblick auf Drücke und Durchflüsse erweitert, da der ER3000 mit kleinen Ventilquerschnitten im Druckbereich bis maximal 7 bar operiert. Der Messwert (Feedbacksignal) wird von einem Drucksensor mit analogem Ausgangssignal, der im Bereich der Abfüllköpfe angeordnet ist, aufgenommen und an den ER3000 geleitet. Dieser lässt das Sensorsignal (Regelgröße) permanent in seinen Regelkreis einfließen und vergleicht es mit dem Sollwert (Führungsgröße). Regelabweichungen oder Regeldifferenzen werden durch den digitalen Algorithmus ausgeglichen, wodurch an den Abfüllköpfen der Druck konstant gehalten wird.

Durch die exakte Druckregelung treten keine Abweichungen mehr auf. Für den Betreiber der Anlage fallen die unprofitablen Über- und Unterfüllungen weg, die den Erlös schmälern und zu erhöhtem Entsorgungsaufwand führen.

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Der elektronische Druckregler ER3000 kann Drcke bis 7 bar direkt und bis 1400 bar in Kombination mit speziellen Druckminderern regeln. Die PID-Regelung ermöglicht durch eine individuelle Anpassung an die Regelstrecke immer die bestmögliche regelungstechnische Lösung. Je nach Aufgabenstellung lassen sich Überschwingweite und Ausregelzeit durch die Abstimmung der Proportional-, Integral- und Differentialanteile optimieren.

Die Vorgabe der Führungsgröße kann entweder analog oder digital erfolgen. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, den Regler mit Hilfe der Software so einzustellen, dass er nach einem Startsignal ein zuvor geladenes, frei wählbares Druckprofil als Führungsgröße liest. Besteht nach einmaligem Einstellen des Reglers keine Notwendigkeit zur Änderung der im Regler abgelegten Werte, kann dieser auch völlig autark, ohne PC, betrieben werden. Die Kommunikation zwischen Regler und PC wird über eine zweiadrige RS485-Datenleitung realisiert. Ohne zusätzliche Spannungsversorgung sind hiermit Leitungslängen bis zu 1200 m möglich.