CIP系统的控制设计

就地清洗(CIP)技术可以清洗适当设计的工艺设备和互连管道，而无需拆卸或重新配置。CIP方法和设备是在20世纪50年代为乳制品厂工艺开发的，它的实施大大减少了人工干预和清洁工艺设备所需的时间，同时提高了质量并延长了产品的保质期。

CIP技术已应用于许多食品、饮料、制药和生物技术工艺，以去除工艺土壤，减少生物负担，消除过敏原，并确保不同工艺的批次间分离。由于同样的原因，较大的化学加工业也广泛采用了它。

基本概念

CIP技术使用化学清洗溶液从工厂加工设备中去除产品土壤。成功的CIP操作需要仔细控制这些清洗溶液，使用时间，温度，化学浓度和机械作用，以在可重复的基础上达到满意的性能。一个功能可清洁的过程使用CIP单元，通常是滑动设备，用于完成清洗溶液的配制和输送。滑块通常包括仪表、PLC、人机界面和辅助设备，以确保对清洁过程进行适当的控制、监测和记录。这可以与资产管理程序接口。

该图显示了工艺设备和CIP系统的最基本配置。隔离跳线有两个功能，它们将待清洗的工艺容器和管道连接到CIP系统，同时将其与其他工艺设备隔离。

大多数应用程序在CIP单元和工艺设备之间使用多通道再循环清洗解决方案，以最大限度地提高效率并减少浪费。单道清洗仅适用于低容量设备上易于去除的土壤，或当特定的交叉污染或颗粒受到关注时。完成后，将溶液排出。

“CIP的系统要点”说明了一个简单的CIP流程图，其中包括可清洁的工艺设备，CIP单元以及用于分配和返回清洁溶液的管道。任何中等复杂程度的设施通常都需要多个CIP电路，因为任何超出最简单的过程通常都需要分段清洗。一次清洗大型甚至中等规模的工艺通常是不切实际的。覆盖每个部分的清洗回路将包括工艺容器、生产设备、泵和管道组件的预定义组合。成功取决于这些电路的正确设计，在项目的早期对这些电路进行分析和布局是至关重要的。

工艺设计期间的其他关键考虑因素包括CIP可清洁设备的适当规格和选择，以及卫生和/或卫生管道安装实践的实施。成功的CIP始于良好的工艺设计实践，这在3-A卫生设计标准和ASME BPE-2005生物加工设备设计标准。这些文件描述了无“死角”的自排水管道的设计和安装指南，并提供了可清洁设备选择标准的指导。

“基本CIP单元管道和仪表”说明了一个简单的再循环CIP单元，包括典型的机械部件和仪表控制和监测。在实践中，有许多CIP装置的设计变化，和滑选择的应用程序是由工艺清洗要求。图中的CIP单元包括提供冲洗和洗涤溶液所需的基本组件，同时提供关键参数的控制和监测，包括流速，温度和化学浓度。该CIP装置包括一个提供喘振量的冲洗/再循环罐，一个用于输送溶液的离心泵，一个调温清洁溶液的热交换器，化学原料设备，以及确保系统功能所需的相关控制阀。

仪表与控制

如前所述，CIP需要控制清洗溶液的“物理作用”，这主要是通过控制流量来实现的，以保持通过所有CIP电路子路径所需的溶液速度。基本的CIP模型包括一个流量计来控制输送量和监测流量。流量计与流量控制阀和相关PID回路相结合，用于控制CIP供应流量以匹配清洗电路设定值。

这个简单的CIP系统是紧凑和独立的，但提供所有必要的仪器和控制要求。

一个关键参数是污染的工艺设备暴露于冲洗、洗涤和漂洗溶液的物理作用的时间。一般来说，在主动流动阶段的暴露时间可以通过体积监测来控制。在流不活跃的序列中，例如漏出步骤，这些阶段通常通过软件控制定时器来控制。

清洗液温度通过电源侧电阻温度检测器(RTD)监测，带有温度控制阀和控制回路。该控制器可以实现并保持CIP溶液输送温度到特定设定值。返回侧RTD确认清洗电路已达到指定的最低温度设定值，这成为电路性能的质量检查。

在化学洗涤开始时，通过电导率监测来确认清洗液浓度，并在整个洗涤过程中确认在可接受的范围内。

CIP供应压力变送器提供CIP回路性能数据，确认CIP回路液压平衡，CIP喷雾装置得到充分支持。正确设计和调试的CIP系统将显示流量，温度，电导率和压力曲线，通常在预先定义的验收标准内重复，一次又一次。与可接受范围的严重偏差表明性能问题，如果及早发现，可以在整体清洁质量受到损害之前加以纠正。

冲洗/再循环水箱通常配备有离散的液位传感探头或液位变送器。这控制冲洗水化妆和清洁解决方案，并监测溶液损失或泄漏在再循环。

CIP回流管路通常配备一个装置，以检测在CIP程序的初始步骤中返回到单元的漂洗水。如果没有检测到预期的冲洗水，程序将终止并触发警报，在程序成功运行之前提醒操作人员需要注意的问题。

CIP配电系统

即使是一个简单的CIP系统也必须具备基本的仪表和控制能力。更复杂的系统根据清洗协议的要求，增加了多种清洗和漂洗溶液的储罐。

CIP应用需要一个供应和返回系统，分配清洗解决方案到各种工艺设备清洗部门。在规划分配系统时，需要仔细绘制这些图，使用适当的堵塞和排放阀组合或转移面板，以确保扇区和相邻工艺设备之间的适当隔离。

第一种提供物理合断隔离的方法是通过传递面板或手动摆动连接。这种相对简单、低成本的方法是有效的，但需要人工来建立清洁边界。第二种方法包括四个阀门，形成双阻塞和排放安排，以确保任何通过阻塞阀泄漏的清洁溶液将被引导到打开的排放阀，将其他过程部门与清洁溶液隔离开来。这可以完全自动化地用于隔离控制和监视，但成本更高。

最后一种方法采用“防混合”或双座压缩式卫生级阀门，在单阀杆阀组中具有阻塞和排放保护。这种全自动系统不需要人工干预，但安装和维护成本较高。

CIP编程注意事项

典型的CIP程序是遵循过程控制系统顺序的一系列步骤或阶段。通常，阶段或步骤最初以矩阵或固定图表的形式进行记录，以便为用户和系统集成商定义程序。这个矩阵图是提供快速理解程序需求的主要工具。附加的支持性程序文档通常在系统功能需求规范和软件设计文档中详细说明。

有效的CIP系统HMI以清晰的布局为操作员显示所有操作功能和变量。

除了单位矩阵图外，还必须开发CIP配方，以使系统能够在设施中所有独特的清洗回路变化中高效地执行。在设计阶段对这些配方进行适当的规划和记录，将告知系统集成商所需的软件灵活性，以优化CIP程序和电路性能。关键的配方参数，如洗涤量，排水时间和流速是每个CIP电路唯一的，有时系统集成商试图硬编码这些参数，以简化程序编写。这通常会导致不令人满意的系统性能。CIP系统设计者、最终用户和系统集成商之间的软件设计评审确保了对系统需求的共同理解和正确执行。在安装和现场调试前，应尽可能对CIP应用程序进行模拟和测试。

控制平台要求

当将CIP技术应用于过程操作时，所选择的控制系统在清洗应用的成功中起着很大的作用。控制系统将执行一组复杂的离散序列，系统将需要一个强大的逻辑求解指令集。此外，自动化系统必须能够合理快速地执行程序，同时在这些非常动态的系统上提供快速调整的PID控制回路。许多顺序函数的持续时间相当短，有些只运行一到两秒，有些控制平台根本无法快速响应。如果在项目计划的早期没有考虑到这些问题，那么在过程调试和优化过程中可能会付出高昂的代价。

从工艺和控制系统设计的角度来看，在制造工艺设计项目的一开始就应该仔细考虑当前CIP技术的应用。在许多情况下，CIP方面的设计被低估，往往比生产过程本身更复杂。从概念设计到调试的适当规划可以确保可靠，可重复的CIP清洗应用。

作者信息

Barry J. Andersen是Seiberling Associates, Inc.的控制系统工程经理。打电话给他。barry.andersen@seiberling.com。

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