基于西门子PLC在线清洗系统设计

摘 要:介绍精细化工行业全自动CIP系统的设计,控制系统由西门子S7-300 PLC控制器、OP37触摸屏、及温度、流量、液位仪表及执行阀门等构成,可以实现生产设备及管道的自动在线清洗、工艺参数的设定和工艺过程的监控。

关键词:CIP系统;PLC;控制;触摸屏

中图分类号:TP

文献标识码:A

文章编号:1672-3198(2010)05-0310-03

就地清洗(Clean In Place),简称CIP,是用水和清洗液对设备管道在原位进行循环冲洗,而无需拆开设备的一种清洗技术。随着近几年精细化工行业的高速发展,生产线自动化程度不断提高,对设备的要求越来越高,相对于传统的手动、半自动CIP系统相比,基于PLC控制的全自动CIP系统以其高效、清洗质量可靠等特点逐渐被越来越多的厂家所认识和接受,大有取代旧式手动CIP系统之势。本文对基于PLC控制的全自动CIP系统的基本设计进行了阐述。

食品及精细化工中的主要原料富含有机营养成分,所以在生产品种切换时或到达一定的生产周期后(如三个工作日),必须对所有的生产设备清洗消毒。传统的清洗消毒方式主要为含化学试剂(如次氯酸钠、甲醛等)的清洗液浸泡。这种方式有许多缺陷:①费时,一般为4小时才能对所有的生产设备清洗完毕。②费水及化学试剂,由于采用浸泡的方式,对清洗液的需求量大。③操作人员工作量大,由于手动操作,清洗时阀门切换频繁,一般要求两个操作工才能完成整个清洗消毒工作。④安全性差,清洗时一般采用85度的高温水,容易导致人员烫伤。

基于PLC的自动在线清洗系统是一个用于设备清洗的系统。其主要功能是为被清洗的工艺设备提供具有合适的温度、流量、压力及浓度的清洗液,并对清洗液回收。它的主体设备为一个集成的在线清洗站(CIP SKID)。它可以方便地安装在工艺生产系统附近,在机械方面通过管道与生产工艺相连,在控制方面通过现场总线与工艺系统的PLC通讯对现场设备进行高效、自动的清洗消毒。

由于每种被清洗的工艺设备结构不一样,同类设备大小也不一样,所以在线清洗时清洗液必须要有不同的流量、压力、温度。由于灭菌的需要,消毒通常采用高温消毒或化学消毒剂消毒。针对不同的产品,消毒剂的种类及剂量也不同。并且每道清洗步骤的时间需根据设备和工艺要求而调整。所以在线清洗系统的特点是清洗站设备相对简单,但是被清洗设备变量多,操作步骤多。可编程逻辑控制器PLC由于它可靠、方便、通用、价廉的特点,在工业领域内得到了广泛的应用,同样PLC也可以使在线清洗系统CIP系统的操作安全方便,提高清洗消毒效率。

1 CIP系统介绍

在线清洗(CIP)是对生产设备所有接触料体的内表面通过水及化学试剂进行清洗消毒以达到规定的卫生要求。所有工艺设备的清洗及消毒由CIP站控制,消毒剂也经CIP站加到清洗液中。操作人员可以通过操作面板来启动、停止或调整在线清洗工作。清洗液由板式换热器来加热。清洗过程中要求针对不同的目标设备对清洗液温度、流量及浓度进行控制。

1.1 在线清洗站主要工艺设备

集成的在线清洗站(CIP SKID)的流程图如图1所示,其主要设备为:

图1

在线自动清洗站工艺流程图

进水罐Balance Tank(兼做平衡坦克),容积为300L的立式不锈钢储罐

清洗泵CIP Pump,流量为45m3/h的离心泵

板片式换热器(Plate Heating Exchanger)

清洗液回流泵CIP Return Pump,流量为45m3/hr的液环泵

清洗液回收坦克CIP Return Tank,容积为2000L的立式不锈钢储罐

消毒剂配给泵Chemical Dosing Pump

1.2 清洗步骤

对于不同的清洗对象,CIP站的设定需根据清洗对象的大小、形状等特性进行调整。其基本原则是:所有的清洗控制由CIP站的PLC发出。管道类设备(如管道、阀门、泵、在线均质机等)与罐类设备(如搅拌器、储罐、灌装机等)的清洗方式应区分。不同尺寸管道内的清洗流量必须大于1.5m/s。喷淋球的压力必须在3bar左右。基于以上原则,我们将CIP清洗程序分为以下几个大块:

(1)主搅拌/反应釜清洗;

(2)预混合搅拌/反应釜;

(3)主循环管道清洗;

(4)储料罐清洗;

(5)灌装机清洗。

1.3 基本工序

(1)每台设备的在线清洗按工艺分为三个基本工序。

①初步去污。

②冲刷并消毒。

③最后冲淋。

(2)对于CIP站每个基本工序又分为两步。

①系统加热。

②清洗设备,回收或排放清洗液。

1.4 典型的CIP站工艺流程

典型的CIP站工艺流程分为以下几步:

(1) 补充清洗液,经CIP站循环加热清洗液直至整个循环管道中CIP液体达到初步去污所需的温度要求。温度可由工艺人员设定,一般为50度。

(2) 初步去污,清洗液在CIP泵的作用下以45m3/hr及3bar的压力通过喷淋球对设备内表面冲刷清洗45秒,去除表面附着的料体,清洗液经CIP回流泵排空。

(3) 补充清洗液,经CIP站循环加热清洗液直至整个循环管道中CIP液体达到消毒所需的温度要求。温度可由工艺人员设定,根据巴氏消毒原理一般为85度。

(4) 冲刷并消毒,清洗液在CIP泵的作用下以45m3/hr及3bar的压力通过喷淋球对设备内表面冲刷清洗并消毒,清洗液将由CIP回收泵收回平衡罐并在系统中循环,此段工序将持续3分钟,板片式换热器控制从CIP站中送出的液体温度为85度。最后,清洗消毒液经CIP回流泵排空。

(5) 补充工艺水,经CIP站循环加热清洗液直至整个循环管道中CIP液体达到最后冲淋所需的温度要求。温度可由工艺人员设定,一般为50度。

(6) 最后冲淋,清洗液在CIP泵的作用下以45m3/hr及3bar的压力通过喷淋球对设备内表面冲刷清洗30秒,去除表面残存的消毒液,清洗液经CIP回流泵收到回收罐内做为下一次清洗的补充水。

1.5 在线清洗工艺控制要求

一般情况为三步进行CIP,具体步骤如下:

第一步:预冲洗,以热水冲洗

第二步:清洗,以热水+清洁剂+消毒剂清洗。

第三步:最终冲洗,以热水冲洗。

三步均可设定CIP温度和喷淋时间。

以上每个步骤中均包括预热,喷淋,排空三个小的步骤。排空以流量开关动作为准。

CIP坦克水位控制。

(1)CIP坦克水位控制在低液位开关和高液位开关之间。

(2)当水位低于低液位开关时,打开进水阀。

(3)当水位高于高液位开关时,关闭进水阀。

CIP水温控制。

(1)蒸汽调节阀根据出口温度进行闭环PID调节,具有手动和自动功能。

(2)当温度开关动作时,关闭蒸汽入口阀。

CIP泵出口管道压力保护。

当CIP泵出口管道压力开关动作时,停止清洗泵。

当清洗每个目标结束时,画面需提示操作工是否打开排水阀排放CIP管道的水,操作工在OP37上按“是”打开排水阀进行排放,当排放时间到操作结束,按“否”不排放。排水阀打开的时间可以在OP37上设定。

(1)当CIP启动时,首先打开相关的阀门,然后启动泵。

(2)当CIP停止时,首先停止泵,然后关闭相关的阀门。

(3)当CIP启动前,首先打开被清洗设备的清洗水进口阀。

1.6 在线清洗站控制流程框图

在线清洗站控制流程框图如下所示:

图2

2 控制系统硬件构成

系统在控制上采用Siemens_S7_PLC作为现场控制站主控制器,以西门子信号模块(如AI、AO、DI、DO模块)作为和现场设备的接口,以Siemens_OP作为现场控制面板,并配有一个SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition)工作站作为上位处理平台。系统结构见图2。操作面板用于对在线清洗状态参数的显示,清洗消毒的操作控制。SCADA Station用于状态监视,连接数据库和原料用量的统计,报表输出等。PROFIBUS-DP现场总线用于实现PLC与现场I/O站数据通讯。

根据系统控制要求,考虑系统先进性、可靠性以及以后扩展系统的要求,选用SIEMENS S7-300系列PLC,该系列控制器功能强大,性能稳定。硬件配置如下:(1)电源模块:PS307/10A,(2)中央处理模块:CPU315-2DP(可满足以后利用PROFIBUS-DP总线远程监控要求),(3)数字量输入模块:SM321 DI 32×24V,(4)数字量输出模块:SM322 DO 32×24V/0.5A,(5)模拟量输入模块:SM331 AI8×12BIT,(6)模拟量输出模块:SM332 AO 4×12BIT,(7)触摸屏:OP37。

3 系统软件设计

(1)系统通讯。S7-300 PLC自带MPI(Multi Point Interface)接口,MPI允许主-主通讯,主-从通讯,无需其他通讯模板,本系统触摸屏(HMI)与PLC之间要求相互之间有信息交流,所以采用MPI协议通讯,通讯速率为1875kbps。使用STEP-7编程软件对系统硬件进行配置和参数设置。使用Siemens Profibus-DP实现在线清洗PLC与分布式I/O(ET200)及分散的现场设备之间的高速通信。

(2)PLC程序设计。采用基于WINDOWS环境的SIMATIC Manager-STEP7 V5.2+SP1编程软件进编程。系统操作分手动、自动两种方式。手动方式主要为了系统调试和检修时使用,或者有自动化仪表失灵时应急使用。自动方式则根据输入要求自动完成整个清洗过程。自动操作连联锁条件多,控制参数包括温度、液位、流量等都需要根据加工顺序段不断改变,控制程序为典型的时间顺序控制程序。

根据系统控制特点采用模块化结构编程,这种编程方法结构简单、清晰、可读性强,便于程序编程和调试。整个CIP程序由主程序和六个子程序组成。主程序主要完成系统初始化,执行各事件中断处理程序及根据系统功能调用子程序。对子程序的调用在各控制段调用相应的控制参数,控制子程序的运行。

温度控制程序,温度控制是系统控制的重点,对温度的控制采用控制蒸汽调节阀开度的方法来实现,温度信号为4-20mA的电流信号,通过A/D、D/A转换,采用PID控制。在S7-300中集成了PID功能,通过设置PID算法的回路参数表,很容易实现过程量的闭环控制。参数设定程序,对温度、时间等参数,通过编程使其可以根据工艺的需要在触摸屏上进行修改,使用方便灵活,PID参数同样也可在触摸屏上设定,以方便调试。故障报警程序,对检测到的超出设定范围的参数,通过触摸屏提示和闪光灯报警,对比较严重的报警,会暂停程序运行,直到故障排除方可继续运行。

(3)触摸屏画面设计。采用SIMATIC ProTool/Pr0 V6.0 SP2软件进行组态,画面由主菜单、子菜单、下一级菜单组成,各子画面可由“主菜单”画面切入。通过触摸屏组态设计可以达到以下功能:系统操作、系统运行状态监控、工艺参数适时显示,故障报警信息及故障诊断记录显示、工艺参数历史数据查询、工艺参数设定,参数设定采用口令保护,只有持有口令的相关人员才能进入此画面。CIP系统的控制,由于PLC和HMI的引入,其自动化程度显著提高,系统性能更加稳定、操作更加简单。全自动CIP清洗系统的投入使用可以降低生产过程中的清洗成本,保证清洗的彻底和安全。

4 结束语

在设计和调试过程中,我们体会到了Profibus现场总线的优点。通过Profibus DP实现工艺生产线PLC与清洗站PLC的通讯,使清洗站可以被2个以上的工艺线共享。另外,通过PROFIBUS实现PLC与Festo公司提供的电磁阀岛、Spasax的智能蒸汽调节阀等现场控制元件实现通讯,使设计及安装工作简化。PROFIBUS-DP确实实现了设备级的高速数据传送,以及中央控制器通过高速串行线同分散的现场设备(如I/O、驱动器、阀门等)进行通信的功能。

本控制系统已应用在精细化工生产工艺线上,取得了较好的实际使用效果。基于PLC的在线清洗控制系统提高了生产线自动化程度,清洗和消毒效果明显改善,离子水及蒸汽消耗比传统的方法减少20%左右。

参考文献

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