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10 Auslegung und Entwurf

Abb. 10.1
Prinzipielles Vorgehen beim
konzipieren und entwerfen

[DUB-97]

Für die weitere Vorgehensweise bei der Entwicklung ist die VDI- Richtlinie 2221 hilfreich. In Abb. 10.1 wird die Struktur des Entwicklungsprozesses mit den iterativen Vorgehensweisen anschaulich dargestellt. Bei der Planung ist entsprechend vorgegangen worden. Bei der Suche nach Lösungsprinzipien führen intuitive Methoden, wie das Brainstorming, oftmals schnell zum Lösungsvorschlag für ein Teilproblem. Hilfsmittel für die systematische Suche sind auch Kataloge und die Beratung durch Spezialisten. Ordnungsschemata wie morphologische Kästen bieten Vorteile, wenn sehr viele Lösungsvorschläge vorliegen. Oftmals ist jedoch der Entscheidungsfreiraum durch Vorschriften, Vorgaben oder Kostenüberlegungen stark begrenzt.

10.1 Verfahrensentwicklung

Die Verfahrensentwicklung wird durch das Ziel bestimmt eine Versuchsanlage zu konzipieren. Als spezielle Anforderung ist ein Mehraufwand an Meßtechnik gegenüber einer reinen Produktionsanlage einzuplanen. Damit bei der Verwendung der Anlage für die Ingenieurausbildung die verschiedenen Betriebsweisen dargestellt werden können, ist die Leitungsführung durch Absperrorgane veränderbar zu gestalten. Die Massendurchsätze werden so ausgelegt, daß innerhalb einer Laborveranstaltung meßbare Ergebnisse zu erzielen sind. Als Ergebnis der Verfahrensentwicklung sind das Fließschema und die Darstellung der einstellbaren Betriebsweisen entstanden sowie die Auswahl der Verfahrenstechnischen Ausrüstungen getroffen worden. Zur Kontrolle wird eine Druckverlustberechnung durchgeführt und eine Massen- und Energiebilanz erstellt.

10.1.1 Grundfließbild

Im Grundfließbild (Abb. 10.2) sind die Grundoperationen des Verfahrens darzustellen. Die Ein- und Ausgangsstoffe werden benannt und die Fließrichtung der Hauptstoffe eingetragen.

Abb. 10.2
Grundfließbild der
Mikrofiltrationsanlage

CAD- Grafik
JM 18.10.2000


10.1.2 Fließschema

Das Fließschema (Abb. 10.3) enthält nach DIN 28004 die Darstellung aller für das Verfahren erforderlichen Apparate, Maschinen, und Rohrleitungen. [BER-84] Es werden außerdem die Ein- und Ausgangsstoffe und die Durchflußmengen benannt. Charakteristische Betriebsbedingungen, wie Druck und Temperatur gehören weiterhin zu den Grundinformationen. Als Zusatzinformation sind die einzelnen Funktionsgruppen mit einer Beschreibung versehen. Die verwendeten graphischen Symbole sind den Normen DIN 2429 für die Rohrleitungen, Apparate, Behälter und Maschinen sowie DIN 19227 für die Meßeinrichtungen entsprechend gestaltet. [WAG-88]


Abb. 10.3
Fließbild der Mikrofiltrationsanlage.
CAD- Grafik: JM 22.10.2000

10.1.3 Einstellung der Betriebsweisen

Durch Änderung von Ventil- und Absperrschieberstellungen kann die Anlage in unterschiedlichen Betriebsweisen gefahren werden. Die im Text verwendeten Bezeichnungen für die einzelnen Absperrorgane finden sich in Abb. 10.4 wieder. Die endgültige Numerierung der Armaturen wird im Rohrleitungs- und Instrumentenfließbild festgelegt.



Abb. 10.4
Fließrichtungen und Schieberstellungen für den Betrieb
wahlweise mit Reihen- oder Parallelschaltung
der Filtermodule.
CAD- Grafik: JM 23.10.2000

10.2 Verfahrenstechnische Ausrüstungen

Für die Festlegung der verfahrenstechnischen Ausrüstungen, also die Auswahl der Komponenten, die eingebaut werden sollen, muß jeweils sorgfältig geprüft werden, ob die Komponente die geforderte Funktion erfüllt, die Anschlüsse stimmen, die Abmessungen untergebracht werden können und nicht zuletzt, ob die Komponente verfügbar und bezahlbar ist. Der enge finanzielle Rahmen erzwingt dabei des öfteren Kompromisse bei der Gestaltung. Besonders die Verwendung von Teilen der Altanlage oder aus den Beständen der Fachhochschullabors zur Kosteneinsparung erfordert die Prüfung auf eine Eignung im neuen Konzept. Darunter leidet natürlich die Durchgängigkeit von Systemlösungen z. B. der Rohrleitungsverbindungen. Dies erfordert eine Anpassung der Teile oder es sind Adapter zu konzipieren.

Eine weitere Einschränkung ergibt sich durch die Nutzung der gebrauchten Teile für die Neuanlage. Weil die Altanlage in der Vergangenheit mit Rohabwässern aus einer kommunalen Kläranlage betrieben wurde [GÜN-99], ist trotz einer gründlichen Reinigung eine Kontamination mit gesundheitsgefährdenden Stoffen nicht auszuschließen. Bei der Demontage wurden in Totwasserzonen, also Bereichen mit geringen Strömungsgeschwindigkeiten, Ablagerungen gefunden. Neben Dichtungsspalten an Rohr- und Schlauchverbindungen war vor allem der Membranraum der Manometer stark verschmutzt (Abb. 10.5). Vor dem Wiedereinbau sind die Ablagerungen natürlich gründlich entfernt worden, die Behandlung von Lebensmitteln mit der neuen Anlage ist trotzdem nicht empfehlenswert.

Abb. 10.5:
Ablagerungen im
Membranraum des
Manometers

Digitalfoto: JM 14.11.2000


Die Spezifikationen der verfahrenstechnischen Ausrüstungen sollen in Formblättern als Auslegungsvorschriften für den Einkäufer und die Konstruktion eingetragen werden. Sind endgültige Entscheidungen getroffen worden, wird die Beschaffung in die Wege geleitet. Fehlende Daten der Ausrüstungen sind stets nachzutragen. Abschließend wird die Komponente mit allen bekannten Daten und den Hauptabmessungen und Anschlußmaßen in einer Leitzeichnung dargestellt die als Unterlage für die Detailkonstruktion dient und später für Ersatzteilbeschaffung oder bei Änderungen hilfreich ist. Leitzeichnungen der im Folgenden beschriebenen verfahrenstechnischen Ausrüstungen, sind im Anhang zu finden.

10.2.1 Filtermedien und Suspensionen

Der zu planenden Anlage liegt kein konkretes Filtrationsproblem zugrunde. Die Auswahl der Filtermedien und der Suspension für Versuchszwecke muß daher nach anderen Kriterien vorgenommen werden. Da Membranmodule recht teuer sind liegt es nahe, die vorhandenen Module weiterzubenutzen. Für die Anlagenauslegung hat dies außerdem den Vorteil, daß auf vorhandene Messungen zurückgegriffen werden kann. Neben den beiden, in der Altanlage eingebauten Modulen, fand sich noch ein weiteres, gleicher Bauart, im Labor. Da der Durchflußmengenmesser für den Filtratstrom beibehalten werden soll, ist eine Vergrößerung der Filterfläche sinnvoll. Der dadurch höhere Permeatstrom soll eine hinreichend genaue Messung ermöglichen. Damit eine Umschaltbarkeit zwischen Parallel- und Reihenbetrieb mit symmetrischer Anordnung möglich wird, ist der Zukauf eines vierten Filtermoduls erforderlich. Eine Angebotsanfrage beim Hersteller Microdyn© ergab einen Preis von 640,-DM zuzgl. Mehrwertsteuer. Dies entspricht etwa 15% des Gesamtbudgets und liegt damit im Kostenrahmen. Damit verdoppelt sich, im Vergleich zur Altanlage, die eingesetzte Filterfläche und ein ausreichender Permeatstrom ist zu erwarten.

Hinsichtlich der Trenngrenze liegen die Module bei einer Porengröße von 0,2µm im mittleren Bereich der Mikrofiltration. Diese Porengröße wird typischerweise für die Sterilfiltration verwandt, da Bakterien die Membran aufgrund ihrer Größe nicht durchdringen können.

Als Suspension ist eine Verwendung von Partikeln mit definierter Korngrößenverteilung und möglichst globularer Form und als fluide Phase Wasser zu empfehlen. Spezielle Testpartikel z.B. AC test dust [1] oder Syton W 30 [2] weisen diese Eigenschaften auf. Alternativ kann eine Suspension aus Wasser mit gelöschtem Kalk, Quarzpuder oder Kieselerde verwendet werden. Auf jeden Fall sollte für studentische Versuche ein harmloses, das heißt ungiftiges, nicht ätzendes Gemisch ohne korrosive Eigenschaften gewählt werden. Damit die Leistungsfähigkeit der Membranen über einen langen Zeitraum gewährleistet ist, sind klebrige, schleimige und verderbliche Substanzen zu vermeiden.

10.2.2 Pumpen

Neben der Kolbenmembranpumpe des alten Versuchstands stehen Kreiselpumpen mit offenen Schaufelrädern und Edelstahlgehäuse zur Verfügung. Die Kolbenmembranpumpe hatte im alten Versuchstand Probleme durch Druckschwankungen hervorgerufen. Es war in der Vergangenheit außerdem zu unzulässigen Druckerhöhungen bei Verstopfungen in der Rohrleitung gekommen. Ein weiterer Nachteil ist, daß der Hersteller den Einbau eines Druckschlauches von mindestens 1,4m Länge nach dem Druckstutzen fordert und die Leistung nur manuell am Reibradgetriebe eingestellt werden kann. Die Kolbenmembranpumpe wird daher nicht wieder verwendet. Die gewählten Kreiselpumpen mit 0,55kW von Stamp© als Speisepumpe und mit 1,1kW von Tuchenhagen© als Kreislaufpumpe bauen in Reihe geschaltet einen Druck von etwa 2bar auf. Damit ist eine ausreichende transmembrane Druckdifferenz in den Modulen erreichbar. Leider war nur für die Pumpe von Tuchenhagen eine Pumpenkennlinie des Herstellers zu bekommen. Die Firma Stamp GmbH ist nicht mehr am Markt vertreten. Da die Laufräder jedoch geometrisch ähnlich sind, konnte mit Hilfe der Kennlinien für Tuchenhagenpumpen verschiedener Leistungen eine Kennlinie für die Speisepumpe abgeschätzt werden. Die Eignung der Pumpen hinsichtlich des Druckaufbaus konnte damit in der Druckverlustberechnung überprüft werden. Herstellerangaben zu den erforderlichen NPSH- Werten lagen nicht vor. Die Anordnung mit Zulauf durch den Vorlagebehälter ist im Hinblick auf mögliche Kavitationserscheinungen jedoch als unkritisch einzuschätzen. Der Absperrhahn des Vorlagebehälters wird gegen verschließen gesichert. Eine Nachrüstung der Saugleitung mit einem Druckschalter als Vakuumwächter kann allerdings empfohlen werden. Bei Kreiselpumpen liegt keine Zwangsförderung vor, daher sind unzulässige Druckerhöhungen in der Kreislaufleitung nicht zu befürchten. Die Pumpen werden mit Gummipuffern auf Streben des Rahmengestells befestigt. Die Gummipuffer sollen eine Übertragung von Schwingungen auf das Rahmengestell vermindern.

10.2.3 Armaturen

Absperrarmaturen

Als Absperrarmaturen sind Schieber mit einem keilförmigen Stellkörper gut geeignet. Sie weisen einen geringen Druckverlust in Offenstellung und eine sichere Absperrung hinsichtlich der Dichtheit im geschlossenen Zustand auf. Diese Spindelarmaturen werden für die Umschaltung zwischen Parallel- und Reihenbetrieb der Module gewählt. Die Schieber werden von Hand betätigt, da der Aufwand für eine ferngesteuerte Umschaltung hier nicht zu rechtfertigen ist.

Eine fernsteuerbare Absperrarmatur muß dagegen für die Permeatleitung vorgesehen werden. Bei den automatisch ablaufenden Rückspülvorgängen ist der Auslauf der Permeatleitung jeweils kurz zu schließen. Für diese Aufgabe sind Spindelarmaturen zu träge, der Rückspülvorgang soll innerhalb weniger Sekunden ablaufen. Daher wird hier ein elektromagnetisch betätigtes Ventil eingesetzt, das in stromlosen Zustand in der Offenstellung verbleibt. Ein derartiges Magnetventil mit der Nennweite DN 15 war in der Altanlage eingebaut und wird hier wieder verwendet. Für das Bodenventil des Permeatbehälters wird ein weiteres Magnetventil aus der Altanlage eingesetzt. In Verbindung mit einer Grenzpegelerfassung kann bei entsprechender Ansteuerung ein Überlaufschutz realisiert werden.

Die Absperrung des Vorlagebehälterablaufs für den Transport wird durch einen Kugelhahn vorgenommen. Mit einer Bohrung, die den vollen Durchmesser der Nennweite aufweist, hat diese Armatur einen sehr geringen Druckverlust. Das Absperren erfolgt durch Drehen eines Hebels. Damit der Hahn während des Betriebs nicht geschlossen werden kann, ist dieser Hebel mit einer geeigneten Sperre zu versehen. Auch der Spülanschluß wird durch einen Kugelhahn abgesperrt. Damit ist eine bequeme Handhabung bei der Reinigung der Anlage gewährleistet.

Wege-Ventile

Für die Probeentnahme soll der Hauptstrom von Permeat und Retentat angezapft werden. Die Probemenge soll dabei gut zu dosieren sein. Es wurden 3-Wege-Kugelhähne ausgewählt die eine T-förmige Bohrung aufweisen. Die Probenahme erfolgt damit durch einen kurzen Schwenk des Stellhebels. Mit diesen Armaturen kann der Strom auch völlig umgeleitet werden, so das die Anlage auch mit externen Behältern für die Produkte betrieben werden kann.

Rückflußverhinderer

In Kreislaufrückführung ist ein Rückflußverhinderer einzubauen, der sicherstellt das die vorgesehene Strömungsrichtung eingehalten wird. Damit ist ausgeschlossen das die Suspension die Filtermodule durch die Kreislaufrückführung umgeht. Da weder besondere Anforderungen hinsichtlich der Schließgeschwindigkeit oder der Dichtheit gefordert sind wird eine einfache Rückschlagklappe einem federbelasteten Ventil vorgezogen. Rückschlagklappen verursachen im allgemeinen auch geringere Strömungsverluste als Ventile.

Stellarmaturen

Der Volumenstrom, der durch die Retentatleitung abfließt, hat starken Einfluß auf die Konzentrationsverhältnisse. Die Durchflußmenge muß daher mit einer geeigneten Armatur eingestellt werden können. Das vorhandene Membranventil mit der Nennweite DN 15 ist eine geeignete Stellarmatur für diese Aufgabe. Durch den elektrischen Stellantrieb, der über eine Elektronik mit einem Signal von 4 -20 mA angesteuert wird und einer Istwert-Ausgabe kann dieses Ventil auch in einem Regelkreis als Stellglied benutzt werden.

10.2.4Rohrleitungen und Schlauchverbindungen

Der Wunsch ein durchgängiges Rohrsystem einzusetzen scheitert daran, daß die vorhandenen Armaturen unterschiedliche Anschlußarten aufweisen. Es sind folgende Rohre und Rohrverbindungen zu berücksichtigen:

Wahl des Rohrleitungssystems

Für die Rohrleitungen ist das System mit Whitworth-Rohrgewindeverbindungen und entsprechenden Formstücken gewählt worden. Ausnahme ist die Verbindung zwischen den Pumpen, mit dem Anschluß für den Rücklauf des inneren Kreislaufs, die als Lebensmittelrohr mit Milchrohrverschraubungen ausgeführt wird.

Werkstoffe

Als Werkstoff für die Rohrleitungen wird gemäß der Anforderungsliste Edelstahl gewählt. Dabei wird die Qualität 1.4301 als ausreichend erachtet. Die Schläuche sind gewebeverstärkt und bestehen aus PVC. Da nur kurze Stücke benötigt werden, können diese aus den Schlauchverbindungen der alten Anlage zugeschnitten werden.

Nennweiten

Die Nennweite der Verbindungsleitung zwischen den Pumpen entspricht mit DN 40 der Größe des Druckstutzens der Speisepumpe. Mit einem vorhandenen Bogen der von DN 40 auf DN 50 springt, erfolgt der Anschluß an die Kreislaufpumpe. Zwischen dem Druckstutzen der Kreislaufpumpe und dem Wärmetauscher wird eine Reduzierung von DN 50 nach DN 40 mit Milchrohrverschraubungen angefertigt. Nach dem Wärmetauscher erfolgt der Übergang auf Gewinderohrverbindungen. Für die Kreislaufleitung wurde Nennweite DN 25 ausgewählt. Der Durchflußmengenmesser bildet allerdings mit der Nennweite DN 20 eine Engstelle. Die Kreislaufleitung teilt sich in vier Stränge, die jeweils mit der Nennweite DN 20 ausgeführt sind. In diese Stränge sind die Filtermodule eingebaut. Die Abflußleitung für das Retentat ist mit Nennweite DN15, dem Membranventil entsprechend, gewählt. Auch hier ist der Durchflußmengenmesser mit der Nennweite DN10 der Engpaß. Die Permeatleitung ist mit DN 15 großzügig bemessen. Die starke Verengung auf die Nennweite DN4 des Durchfluß­mengenmessers ist hier allerdings unproblematisch, da keine Verstopfungen befürchtet werden müssen. Die Rohrleitungen sind somit größer ausgeführt, als in der alten Anlage. Damit wird die vergrößerte Filterfläche berücksichtigt und der Verstopfungsgefahr auf der Konzentratseite entgegengewirkt.

Rohraufhängungen

Die Abstützung und Aufhängung der Rohre erfolgt mit Rohrschellen. Durch eine Gummieinlage wird die Übertragung von Schwingungen vom Rohrsystem auf das Rahmengestell gedämpft.

Trennstellen

Die Rohrleitungen werden an geeigneten Stellen durch Verschraubungen trennbar gestaltet. Damit wird die Montage erleichtert. Bei Verstopfungen sind die betroffenen Rohrleitungsabschnitte über diese Trennstellen erreichbar.

10.2.5 Stahlbau und Behälter

Es sind ein Vorlagebehälter für die Suspension und ein Permeatbehälter in die Anlage zu integrieren. Da der Versuchsstand mobil auf Rollen gelagert werden soll, sind das Rahmengestell und die Rollen so zu dimensionieren, daß die Gewichte der Behälter, Rohrleitungen und Ausrüstungen in befülltem Zustand sicher getragen werden.

Rahmengestell

Das Rahmengestell wird eine Schweißkonstruktion aus Rechteckrohr. Als Werkstoff ist Baustahl vorgesehen. Die Abmessungen werden nach dem Vorliegen des Rohrleitungsplans festgelegt. Als Trägergerüst ist ein rechteckiger Rohrrahmen vorgesehen an dem die Apparaterollen zu befestigen sind. In diesen Rahmen wird eine Grundplatte aus verrottungsbeständigem Material eingelassen, die auf Stützstreben aufliegt. Der Aufbau des Rahmengestells ist modular ausgeführt. Die Konsolen für die Rohrleitungen, den Permeatbehälter und den Schaltschrank werden mit lösbaren Verschraubungen verbunden. Diese Bauweise erleichtert spätere Änderungen. Es muß dann jeweils nur die betreffende Konsole angepaßt oder ersetzt werden. In die Konsole für den Schaltschrank wird eine weitere Platte eingelassen, die den Schaltschrank räumlich vom Rohrleitungs- und Behälterteil trennt. Diese Platte bietet außerdem Platz für ein Anlagenschema und weitere Informationstafeln.

Vorlagebehälter

Die Speisepumpe fördert zwischen 10 l/h und 1,0 m3/h aus dem Vorlagebehälter. Es muß außerdem ein Restvolumen von 30- 50 l einkalkuliert werden. Dieses Restvolumen ergibt sich aus der Tatsache, daß die Suspension nur bis zu einem bestimmten Grad aufkonzentriert werden kann. Der Ansaugstutzen der Pumpe am Behälterboden muß außerdem so weit mit Flüssigkeit bedeckt bleiben, daß die Pumpe keine Luft ansaugt. Das Gesamtvolumen des Vorlagebehälters sollte daher mindestens 100 Litern betragen. Im Labor ist ein Faß mit einem Füllvolumen von 130 Litern aus Polyethylen vorhanden. Es hat einen Abflußhahn der mit einem R¾ Gewinde eingeschraubt ist. Dieses Faß kann durch geringe Umbauten als Vorlagebehälter verwendet werden. Der vorhandene Abflußhahn wird durch einen Kugelhahn ersetzt. Damit ist es möglich, das Faß aus der Anlage zu entnehmen und als Transportbehälter für die Anlieferung von Suspensionen zu nutzen. Mit einem kurzen Saugschlauch und der passenden Rohrverschraubung ausgestattet kann der Behälter direkt an die Speisepumpe angeschlossen werden. Das Faß hat einen abnehmbaren Deckel, der mit einem Spannring befestigt wird. Damit der vorgesehene Grenzwertsensor sicher befestigt werden kann muß der Deckel mit einem Blech verstärkt werden. Das Verstärkungsblech ist mit dem Anschlußstutzen für den Sensor und mit Öffnungen für die Retentatrückführung und den Permeatrücklauf versehen. Er weist außerdem eine Durchführung für den Rührer auf. Für den Transport wird der verstärkte Deckel gegen einen unbearbeiteten ausgetauscht, der keine Öffnungen und Anschlüsse hat, also dicht ist. Der Behälter steht direkt auf der Grundplatte des Versuchstands. Das Rahmengestell, auf dem die Platte aufliegt, ist an dieser Stelle verstärkt damit das Gewicht des gefüllten Behälters sicher abgefangen wird.

Zur Homogenisierung der Suspension muß ein Rührwerk in den Vorlagebehälter eingesetzt werden. Für ein vorhandenes Laborrührgerät mit einer Motorleistung von 350 W ist ein geeignetes Stativ neben dem Vorlagebehälter einzuplanen, das den Rührerantrieb und das Steuergerät aufnimmt.

Permeatbehälter

Der Permeatbehälter muß über dem Vorlagebehälter angeordnet werden damit das Permeat am Ende des Versuchs oder für die Darstellung der kontinuierlichen Betriebsweise durch ein Bodenventil in den Vorlagebehälter zurücklaufen kann. Der Permeatbehälters muß die Differenz vom Füllvolumen des Vorlagebehälters zwischen Beginn und Ende der Filtration aufnehmen können. Ein Volumen von 50 Litern kann dabei als ausreichend erachtet werden. Als Behälter wurde ein weiteres Faß mit entsprechendem Volumen ausgewählt, das auf einer Konsole steht, die am Rahmengestell angeschraubt wird. Auch hier wird der Deckel mit einem Spannring befestigt. Die für den Vorlagebehälter beschriebene Verstärkung des Deckels für die Aufnahme eines Grenzwertsensors wird für diesen Deckel entsprechend ausgeführt. Der Behälter ist durch die hineinragende Permeatleitung und das Rahmengestell als Stütze ausreichend gegen Umkippen gesichert. Als Anschlußstutzen für das Bodenventil wird ein Doppelnippel in den Behälterboden eingelassen und mit einer halben Muffe verschraubt. Um eine sichere Abdichtung zu gewährleisten, werden flache Gummidichtungen mit Stützscheiben vorgesehen, die mit einen anaeroben Kleber eingesetzt werden. Damit Trübungen im Permeat erkannt werden können, empfiehlt sich für eine spätere Umrüstung die Verwendung eines Glas- oder Acrylatbehälters.

Anschlüsse und Reinigung

Die Anlage kann als geschlossener Kreislauf betrieben werden. Das bedeutet, daß die für den Betrieb notwendige Suspension in der Anlage verbleiben kann. Für die Entleerung der Anlage ist ein Anschlußstutzen in der Kreislaufleitung vorgesehen. Dieser Anschluß hat eine Schnellkupplung System GEKA® mit der ein Schlauch, der als Zubehör zur Anlage gehört, angeschlossen wird. Dieser Anschluß wird auch zum Spülen der Rohrleitungen vor einer längeren Außerbetriebnahme genutzt. Für eine Grundreinigung, die mit einem Wechsel der Suspension nötig wird, muß außerdem die Verbindungsleitung zwischen den Pumpen ausgebaut werden. Die Pumpen können so restlos entleert werden. Die Befüllung der Anlage erfolgt über den Vorlagebehälter. Als weitere Anschlüsse sind die Probeentnahmestutzen zu nennen. Durch die 3-Wege-Ventile können Retentat und Permeat in diese Stutzen umgeleitet werden. Den Auslauf der Probeentnahmestutzen bildet eine Schlauchtülle. Damit ist, durch Anschluß eines Schlauches, die Möglichkeit gegeben, die Produkte der Anlage in externe Behälter abzufüllen.

10.2.7 Rückspülung

Die Anlage wird mit einer Rückspüleinrichtung ausgestattet, die den effektiven Permeatstrom durch Abbau der Deckschicht in den Membranmodulen erhöhen soll. Die Probleme der Rückspülung mit Druckgas bei der Altanlage sollen durch den Einbau eines Kolbensystems vermieden werden. Die im Allgemeinen Teil beschriebene Anordnung wird dahingehend modifiziert, daß der doppeltwirkende Kolben gegen zwei einzelne Kolben ersetzt wird. Damit soll vermieden werden, daß Undichtigkeiten der Kolbenmanschette zu einer Verunreinigung des Permeats führen. Der Antrieb wird in der Mitte zwischen den beiden Zylindern plaziert. Die Verwendung eines Pneumatikzylinders ist verworfen worden. Durch Verwendung eines Elektro- Getriebemotors kann die bisher notwendige Versorgung mit Druckluft entfallen. Die Umsetzung der kreisförmigen Bewegung in eine lineare wird mit einem Kurbeltrieb vorgenommen. Mit einer Änderung der Kurbelarmlänge kann das Rückspülvolumen angepaßt werden. Mit einer halben Kurbelumdrehung wird bei Verwendung eines Zylinders von 40 mm Innendurchmesser und einem Hub von 80 mm ein Volumen von 100 ml in den Kreislauf zurückgeschoben. Dies entspricht einem spezifischen Rückspülvolumen von 0,7 l/m2 und ist damit im mittleren Bereich der von Ripperger [RIP-92] empfohlenen Werte.

Kühlung

Ein Anstieg der Betriebstemperatur in der Kreislaufströmung kann Auftreten, wenn die Anlage im kontinuierlichen Betrieb mit einer hohen Zirkulationszahl betrieben wird, also eine starke Aufkonzentration gefordert ist. Die durch die Pumpen eingebrachte Energie kann dabei unter Umständen nicht mehr über die Rohroberfläche und die ablaufenden Produktströme abgeführt werden. Für temperaturempfindliche Medien oder bei Überschreiten der maximalen Betriebstemperatur der Module von 60°C kann der integrierte Wärmetauscher in Betrieb genommen werden. Dazu ist der Anschluß eines Kühlwasserkreislauf nötig. Da in den meisten Fällen auf eine Kühlung verzichtet werden kann, wird dieser Kühlwasseranschluß nicht installiert. Eine Nachrüstung ist jedoch leicht durchzuführen. Der Temperatursensor in der Kreislaufleitung kann dabei für eine Regelung der Kühlwasserzufuhr genutzt werden.

10.2.8 Meßinstrumente

Durchflußmengenmessung

Die Meßinstrumente des alten Versuchsstands sind zum Teil hochwertig. Dies gilt vor allem für die beiden Durchflußmengenmesser. Ein weiteres Gerät gleicher Bauart war noch im Labor vorhanden. Damit stehen drei Sensoren mit den Nennweiten DN 4, DN 10 und DN 20 zur Verfügung. Diese sollen im inneren Kreislauf (DN 20), in der Retentatleitung (DN 10) und im Permeatabfluß (DN 4) eingebaut werden. Damit lassen sich alle Volumenströme bestimmen, die für die Beschreibung der Anlagencharakteristik von Interesse sind. Die Durchflußmengenmesser bestehen aus einem Meßwertaufnehmer und einem fest montierten Meßwertumformer, der eine lokale Anzeige hat und einen zusätzlichen Analogausgang aufweist. Vor und hinter dem Meßwertaufnehmer müssen Ein- und Auslaufstrecken mit dem Innendurchmesser des Meßwertaufnehmers eingebaut werden. Die Einlaufstrecke muß mindestens eine Länge aufweisen, die dem fünffachem des Nenndurchmessers entspricht. Die Auslaufstrecke muß die zweifache Länge des Nenndurchmessers haben. Die jeweils günstigsten Meßbereiche wurden mit den kalkulierten Volumenströme verglichen. Da diese gut übereinstimmen, kann mit relativ genauen Messungen gerechnet werden.

Druckmessung

Für den Neubau können Druckaufnehmer verwendet werden, die von Firma Wega gestellt wurden. Diese hochwertigen Drucksensoren sind mit einer Koppelelektronik ausgestattet, die einen direkten Anschluß an ein Feldbussystem ermöglichen. Die Sensoren werden vor und hinter den Filtermodulen eingebaut. Damit kann die transtubulare Druckdifferenz ermittelt werden. Ein weiterer Druckaufnehmer wird in der Permeatleitung eingesetzt. Dieser dient dazu, die Rückspüldrücke festzustellen. Der Meßbereich liegt zwischen 0 bar und 5 bar über dem Atmosphärendruck.

Für die schnelle Kontrolle der Betriebsdrücke werden zusätzlich die beiden vorhandenen Manometer wieder integriert. Damit ist auch eine lokale Anzeige der Betriebsdrücke gegeben.

Temperaturmessung

Da die Filtermodule auf eine maximale Betriebstemperatur von 60°C beschränkt sind, wird die Temperatur im inneren Kreislauf mit einem Wiederstandsthermometer vom Typ PT100 kontrolliert. Der Sensor war im Labor vorhanden und weist einen Meßbereich von -20°C bis 250°C auf.

Konzentrationsmessungen

Sensoren welche die Konzentration einer Suspension kontinuierlich ermitteln, sprengen zum gegenwärtigen Zeitpunkt den Rahmen des Budgets. Eine Konzentrationsbestimmung kann daher nur durch Volumen- oder Gewichtsbestimmung einer Probe und der, durch eindampfen separierten, festen Bestandteile vorgenommen werden. Dazu sind in der Retentat- und Permeatleitung Probeentnahmemöglichkeiten vorgesehen.

Füllstandskontrolle

Auf eine Füllstandsmessung durch Sensoren wird verzichtet. Der Vorlagebehälter ist transparent, das Füllvolumen kann an einer außen anzubringenden Skala abgelesen werden.

Damit die Pumpen keine Luft ansaugen, darf der Füllstand im Vorlagebehälter einen unteren Grenzwert nicht unterschreiten. Dieser minimale Pegel wird mit einem Vibrationsgrenzschalter überwacht, der von der Firma Wega zur Verfügung gestellt wird. Um einen Überlauf des Permeats zu verhindern, erfaßt ein weiterer Grenzschalter gleichen Typs das Erreichen des maximalen Flüssigkeitsspiegels im Permeatbehälter. Die Vibrationsgrenzschalter haben eine Schwinggabel die piezoelektrisch mit einer Frequenz von ca. 400Hz angeregt wird. Wenn die Schwinggabel in die Flüssigkeit eintaucht, ändert sich die Frequenz. Diese Änderung wird von der integrierten Elektronik erfaßt und in einen Schaltbefehl umgewandelt.

10.3 Druckverlustberechnung

Die Druckverlustberechnung für das vermaschte Rohrsystem wurde nach dem Berechnungsverfahren von Cross durchgeführt [ROB-80]. Die Analogie zu elektrischen Netzen (Kirchhoffsche Regeln) wird bezüglich der verwendeten Gleichungen für Maschen (Gl. 10-1), Knoten (Gl. 10-2) und Widerstände (Gl. 10-3) deutlich. Für die Stranggleichung (Gl. 10-3b) ist, abweichend vom elektrischen Widerstandsgesetz, eine quadratische Abhängigkeit des Rohrwiderstands zu beachten.

Maschengleichung



Knotengleichung


Stranggleichung


Rohrnetzplan

Im Netzplan sind die konzentratseitigen Rohrleitungen schematisch dargestellt. Die Rohrleitung ist in Abschnitte aufgeteilt, die mit den Stranggleichungen beschrieben werden. Die T-Stücke in der Rohrleitung bei denen eine Aufteilung oder Zusammenführung von Volumenströmen stattfindet, bilden im Rohrnetzplan die Knoten. Die Maschen entstehen aus der parallelen Anordnung der Filterelemente und dem inneren Kreislauf. Zur Kennzeichnung werden der Numerierung die jeweiligen Anfangsbuchstaben der Elemente (S, K, M) vorangestellt. Dadurch ist eine eindeutige Identifizierung jedes Elements sichergestellt. Der Rohrnetzplan ist in Abb. 10.6 dargestellt.

Nach der Vorgehensweise von Cross sind nun die Strangbeiwerte R der einzelnen Rohrleitungsabschnitte zu bestimmen. Danach sind die Durchsätze für jeden Strang zu schätzen, wobei die Knotengleichungen (Gl. 10-2) insgesamt erfüllt werden müssen. Es schließt sich die Druckverlustberechnung für jeden Strang, sowie die Kontrolle der Maschengleichungen an. Wird die Maschengleichung (Gl. 10-1)nicht erfüllt, sind die angenommenen Volumenströme zu korrigieren.

Abb. 10.6
Rohrnetzplan der
Mikrofiltrationsanlage

CAD- Grafik:
JM 08.01.2001

Lösungsstrategie

Bei dem vorliegenden recht umfangreichen Netz wird der Rechenaufwand für die beschriebene iterative Vorgehensweise sehr hoch. Die Berechnung wurde daher mit Hilfe einer Tabellenkalkulations- Software durchgeführt. Damit konnten zudem die Abhängigkeiten der Strangbeiwerte R vom Volumenstrom unter Berücksichtigung der Strömungsform (Rohrreibungszahl λ in Abhängigkeit von der Reynoldszahl Re) bei Rohrelementen einbezogen werden. Eine weitere Beeinflussung der Strangbeiwerte R ergibt sich durch die unterschiedliche Aufteilung der Volumenströme in den Knoten bei der Simulation verschiedener Szenarien. Die Widerstandszahlen von Abzweigstücken ändern sich dabei in Abhängigkeit vom Verhältnis des abzweigenden Volumenstrom zum Gesamtstroms in einer Abzweigung. (Abb. 10.7) Eine Berücksichtigung dieser Abhängigkeit konnte ebenfalls automatisiert werden.

Abb. 10.7
Verlustbeiwerte von
Abzweigstücken

[BOH-91]

Die Werte der Widerstandzahlen für die Rohreinbauten sind den Werken von Wagner [WAG-94] und Bohl [BOH-91] entnommen. Die Druckverluste der Filtermodule sind nach Gl.7-2 berechnet. Rechenunsicherheiten ergeben sich durch Annahmen bezüglich der Druckverluste des Membranventils in unterschiedlichen Stellungen. Die Fließeigenschaften der eingesetzten Suspension sind auch noch nicht bekannt. Es wird für die Berechnung eine Newtonsche Flüssigkeit mit einer Dichte von 1,3 kg/dm3 und einer kinematischen Viskosität von 1,2E-6 m2/s angenommen.

Ergebnisse der Druckverlustberechnung

Der Arbeitspunkt der Umwälzpumpe wurde durch die Anpassung des Kreislaufvolumenstroms iterativ ermittelt. Die Anlagenkennlinie (Abb. 10.8) entspricht den Druckverlusten der Masche M1 mit den Strängen und Maschen S3, M3, S12, S13 und S2. Die Verschiebung der Volumenströme in Masche M3 durch die Druckverluste der zusätzlichen Einbauten im Strang S5 wurde überprüft. Die Differenz der Druckverluste ist allerdings so gering, daß eine Anpassung der Volumenströme in der Berechnung nicht vorgenommen werden mußte. Die beiden Rohrmodulpaare werden bei paralellschaltung somit gleichmäßig durchströmt.

Die Volumenströme, die für den Zulauf und den Retentatablauf bei verschiedenen Stellungen des Membranventils erwartet werden, können mit der Druckverlustberechnung über die betreffenden Stränge und Maschen S0, S1, S2, S3, M3, S12, S14, aufgrund der oben beschriebenen Unsicherheiten, nur abgeschätzt werden. (Abb.10.9)

Eine Angabe zum erwarteten Druck am Moduleingang kann aus der Überlegung gewonnen werden das die Pumpen eine Reihenschaltung bilden. Die Speisepumpe erhöht dabei den Druck der Kreislaufströmung um den Druck in ihrem Arbeitspunkt. Unter Berücksichtigung der Druckverluste der Rohrleitung ergibt sich ein Arbeitsdruck von ca. 2 bar am Moduleintritt. Der Druckverlust über die Modullänge in Abhängigkeit von der Überströmgeschwindigkeit ist in Abb. 10.10 dargestellt.

Diagramme der Druckverlustberechnung

Abb. 10.8
Kennlinien von
Umwälzpumpe und
Kreislaufleitung zur
Ermittlung des
Betriebspunktes

JM 16.01.2001

Abb. 10.9
Kennlinien der Speise-
pumpe und derAnlage
über den Retentatstrang
bei verschiedenen
Membranventilstellungen.

JM 20.01.2001

Abb. 10.10
Druckabfall über die
Modullänge

JM 05.01.2001

10.4 Mengen- und Energiebilanz

Kreislaufvolumenstrom

Der Volumenstrom der Kreislaufströmung wurde in der Druckverlustberechnung durch Bestimmung des Arbeitspunktes der Umwälzpumpe iterativ bestimmt. Ein Wert von für die im inneren Kreislauf zirkulierende Flüssigkeit kann aus dem Diagramm (Abb. 10.8) abgelesen werden. Die mittlere Überströmgeschwindigkeit der Membranen beträgt damit:


Permeatvolumenstrom

Das im Filtrationsintervall anfallende Permeatvolumen kann mit Gleichung Gl. 7-9 berechnet werden. Wird das Integral der spez. Filtrationsgeschwindigkeit bis zum Zeitpunkt t durch die mittlere Fluxleistung ersetzt, erhält man den Permeatvolumenstrom. (Gl 10-5)Die Fluxleistungen der verwendeten Module waren bei Versuchen von Günter [GÜN-99] und Helten [Hel-92] mit verschiedenen Drücken und Überströmgeschwindigkeiten ausführlich untersucht worden. Aus den Ergebnissen für die entsprechenden Betriebsbedingungen kann bei vorsichtiger Schätzung eine mittlere Fluxleistung von vf=500 l/(m2h) erwartet werden. Der Permeatvolumenstrom beträgt damit:


Retentatvolumenstrom

Der Volumenstrom des Retentatablaufs ist ebenfalls in der Druckverlustberechnung untersucht worden. Die abfließende Menge hängt dabei von der Stellung des Membranventils ab. Wenn das Membranventil voll geöffnet ist (100%) fließen etwa VR=1,0m3ab. Mit einer sehr geringen Öffnung des Membranventils (1%) kann bei einem Retentatabfluß von etwa 10 l/h nach Gleichung Gl. 7-8 ein Konzentrationsfaktor von bei kontinuierlicher Betriebsweise erreicht werden. Wegen der Verstopfungsgefahr bei dieser geringen Öffnung des Membranventils ist dieser Wert allerdings nur bei einer geringen Anfangskonzentration zu erreichen.

Volumenstrom des Zulaufs

Der Volumenstrom des Zulaufs ergibt sich aus der Summe der ablaufenden Volumenströme. Für eine Membranventilstellung von 50% beträgt der Volumenstrom des Zulaufs:


Energiebilanz

Die von den Pumpen eingebrachte Leistung wird im wesentlichen von der aufzubringenden Druckenergie für die Überwindung der Reibungsverluste und Filtrationswiderstände bestimmt. Die spezifische Lagenenergie kann wegen der geringen Höhendifferenz zwischen Ein- und Auslauf vernachlässigt werden. Die Strömungsgeschwindigkeit am Auslauf ist nicht deutlich höher als im Einlauf, daher müssen auch keine Geschwindigkeitsenergien berücksichtigt werden. Für die Nutzleistung gilt:


Die Druckverlustberechnung zeigt, daß der größte Druckabfall in der Kreislaufströmung von den Filtermodulen verursacht wird. Die Verluste in der Kreislaufleitung werden von der Umwälzpumpe aufgebracht. Der größte Druckverlust der Anlage wird durch die Entspannung auf den Atmosphärendruck im Membranventil hervorgerufen. Es ist also energetisch günstig, daß die Flüssigkeit die Membranen mehrfach überströmt, bevor sie wieder auf den Atmosphärendruck entspannt wird. Nach Gleichung Gl.10-7 beträgt die erforderliche Leistung bei einem angenommenen optimalen Wirkungsgrad der Pumpen von η = 0,68 für die Umwälzpumpe PK = 105 W. Die Speisepumpe müßte PK = 22 W leisten. Daraus wird deutlich, daß die verwendeten Pumpen nicht die beste Lösung darstellen. Bei einer Neuauslegung sind Pumpen zu wählen, die ihren optimalen Arbeitspunkt bei den geforderten Volumenströmen und Drücken haben. Die Motorleistungen können damit unter Berücksichtigung einer Leistungsreserve deutlich niedriger gewählt werden als bisher. Dabei muß berücksichtigt werden, daß durch die Feststoffbeladung der geförderten Suspension besondere Anforderungen an die auszuwählenden Pumpen hinsichtlich der tribologischen Beanspruchung und zur Vermeidung von Verstopfungen gestellt werden.

10.5 Elektrische Ausstattung

10.5.1 Netzanschluß

Die elektrischen Schalt- und Sicherheitseinrichtungen werden in einem Schaltschrank untergebracht. Es ist ein Drehstrom- Fünfleiter- System 400V (drei Außenleiter, ein Neutralleiter, ein Schutzleiter) vorzusehen. Durch eine Anschlußleitung mit einer CEE- Steckvorrichtung nach DIN 49462 kann die Anlage an das Versorgungsnetz angeschlossen werden. Die Ausführung entspricht einem TN-S Netz, bei dem ein Punkt direkt geerdet ist (Betriebserdung). Die Körper der elektrischen Anlage sind über einen Schutzleiter mit diesem Punkt verbunden. Neutralleiter und Schutzleiter sind im gesamten Anlagennetz getrennt geführt. Durch einen Hauptschalter auf der Frontseite kann die Anlage stromlos geschaltet werden.

10.5.2 Schutzeinrichtungen

Die elektrischen Komponenten der Anlage außerhalb des Schaltschrankes entsprechen der Schutzklasse I (Basisisolierung und Schutzleiteranschluß) oder III (Schutzkleinspannung). Als zusätzlichen Schutz gegen direktes oder indirektes Berühren werden Überstromschutzorgane und eine FI- Schutzeinrichtung vorgesehen. Überstromschutzorgan ist ein dreipoliger Sicherungsautomat als Hauptsicherung. Die Verbraucher sind auf einzelne Stromkreise verteilt, die jeweils separat mit einem einpoligem Sicherungsautomaten geschützt werden. Für die Pumpen wird diese Aufgabe durch Motorschutzschalter übernommen. Die Fehlerstrom (FI) Schutzschaltung sorgt beim Auftreten eines Fehlerstroms durch Abschalten innerhalb von 0,2 s dafür, daß keine zu hohe Berührungsspannung an Körpern bestehen bleibt [DUB-97]. Ein erdfreier örtlicher Potentialausgleich aller gleichzeitig berührbaren Körper und fremder leitfähiger Teile (Rohrleitung) verhindert ebenfalls zu hohe Berührungsspannungen. In Neuanlagen ist ein Notausschalter vorzusehen, der die Anlage bei Betätigung vom Netz trennt. Die Trennung erfolgt durch einen Schutzschalter. Wird der Notausschalter entriegelt, darf die Anlage nicht von alleine wieder anfahren. Der Schutzschalter wird daher in einer Selbsthaltung betrieben. Wird der Notausschalter betätigt, fällt die Selbsthaltung ab. Nachdem der Notausschalter entriegelt wurde, kann die Anlage nur durch die Betätigung eines Starttasters als Quittierung wieder in Betrieb genommen werden.

10.5.3 Schutzarten

Die Schutzarten von elektrischen Betriebsmitteln sind in DIN 40 050 genormt. Hierin ist der Schutz von Personen gegen Berühren unter Spannung stehender Teile, der Schutz vor Eindringen fester Körper und der Schutz gegen Eindringen von Wasser festgelegt. Die Norm teilt den Schutzumfang der Schutzarten in verschiedene Grade ein. Das Kurzzeichen zur Kennzeichnung der Schutzgrade besteht aus den Kennbuchstaben IP (Internal Protection) und zwei Kennziffern. Die erste Kennziffer ( 0 bis 6) bezieht sich dabei auf den Berührungs- und Fremdkörperschutz, die zweite Kennziffer (0 bis 8) auf den Wasserschutz. Die in der Anlage eingebauten elektrischen Komponenten weisen die Schutzart IP 64 oder höher auf. Damit ist ein Schutz gegen Staubeintritt, ein vollständiger Berührungsschutz und ein Schutz gegen Spritzwasser aus allen Richtungen gegeben.

10.5.4 Verbraucher

Als Hauptverbraucher sind die beiden Pumpen mit Leistungen von 1,1 kW und 0,55kW zu betrachten. Diese werden durch Schütze geschaltet, die von der Steuerung angesprochen werden können. Die Drehstrommotore der Pumpen sind in einer Sternschaltung anzuschließen. Weiterhin ist der Rührer, das Membranventil sowie die Durchflußmengenmesser von der Verteilung mit 230V Wechselspannung zu versorgen. Die Schaltspannung der Magnetventile und der Schütze für die Pumpen wird in die entsprechenden Module der Steuerung direkt eingespeist. Für das Ein- und Ausgabesystem der Steuerung wird zudem eine Spannungsversorgung von 24V Gleichstrom benötigt. Dafür ist ein geeignetes Netzteil vorzusehen, das im Schaltschrank untergebracht wird.

10.5.5 Kabel und Installation

Als elektrische Leitungen sind Kabel des Typs NYY -J 5 x 2,5 für die Pumpen und dreiadrige Kabel vom Typ NYY-J 3 x 1,5 für die weiteren Verbraucher zu verlegen. Für die Hauptanschlußleitung ist eine fünfadrige flexible Gummileitung zu verwenden. Die Sensoren mit Ausnahme der Druckaufnehmer werden mit geschirmten Steuerleitungen angeschlossen. Es werden dazu vorhandene Kabel mit 4 Aderpaaren und einem Aderquerschnitt von 0,2mm2 verwendet. Für die Druckaufnehmer ist ein spezielles Profibuskabel vorgesehen. Auch die Verbindung zum PC ist mit solch einem Kabel vorzunehmen. Alle anlageninternen Verbindungsleitungen werden in Kabelkanälen zum Schaltschrank geführt. Von den Anschlußkästen der Geräte bis zum Kabelkanal sind die Leitungen in einem Wellschlauch geschützt zu verlegen. Für die Grenzpegelsensoren sind hier Steckverbindungen vorzusehen, damit diese bei einem Behälterwechsel einfach von der Anlage zu trennen sind. Vom Kabelkanal aus werden die Leitungen geordnet und einzeln mit Kabelverschraubungen durch die untere Flanschplatte des Schaltschranks ins Innere geführt. Die Installation des Schaltschranks wird auf einer Montageplatte vorgenommen. Die Schaltgeräte und Sicherheitseinrichtungen werden auf genormte Hutschienen aufgeklemmt. Die Verdrahtung des Schaltschranks erfolgt mit Einzelleiterkabeln, die in Kabelkanälen mit lamellenförmigen Einschnitten verdeckt zu verlegen sind. Für die Anschlußleitungen wird eine Klemmenleiste auf der untersten Hutschiene vorgesehen. Die interne Verdrahtung erfolgt von diesen Schnittstellen aus. Der Anschluß der Meß- und Steuerleitungen kann direkt an die Ein- und Ausgabemodule der Steuerung vorgenommen werden.

10.6 Leit- und Meßtechnik

Mit der Einführung von Mikroprozessoren in der Regel- und Leittechnik hat eine stürmische Entwicklung eingesetzt. Moderne Verfahrenstechnische Anlagen sind mit einem Prozeßrechner ausgestattet, der die automatische Optimierung vermaschter Regelkreise erlaubt. Dabei können auch nichtlineare Zusammenhänge zwischen den Werten der einzelnen Führungsgrößen berücksichtigt werden. Für die Mikrofiltrationsanlage bietet es sich an, die Parameter der Rückspüleinrichtung und die Einstellung des Retentatablaufventils auf diese Weise zu optimieren.

10.6.1 Dezentrale Steuerung

Die neuesten Entwicklungen der Steuerungstechnik ermöglichen eine dezentrale Steuerung und Meßwerterfassung. Dazu werden Softwarebasierte Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) verwendet, die von einem Server-PC aus, über Feldbussysteme die Prozeßgrößen erfassen, steuern und regeln. Dieser Fortschritt erlaubt die Kontrolle von räumlich verteilten Prozessen. Durch die Verwendung der Programmiersprache JAVA® in Verbindung mit dem Seitenbeschreibungsprotokoll HTML kann eine Steuerung von jedem beliebigen PC mit Internetanschluß und einem Standardbrowser oder unter Verwendung des wireless-aplikation-protokoll (WAP) sogar von einem Mobiltelefon aus ermöglicht werden. Digitale Funkstrecken für kleine Distanzen nach dem Bluetooth-Standard könnten auch einen kabellosen Datentransfer vom Versuchstand zum Prozeßrechner ermöglichen.

10.6.2 Prozeßrechner

Der verwendete Prozeßrechner ist ein IBM-Kompatibler PC. Die Ausstattung mit einem Intel© PentiumPro® 200Mhz Prozessor und einem Arbeitsspeicher von 64Mb RAM entspricht der benötigten Leistungsfähigkeit. Als Betriebssystem wird Microsofts© WindowsNT4.0 Server® verwendet.Für die Anbindung des Feldbussystems ist eine Schnittstellenkarte in einen PCI-Steckplatz des Rechners eingebaut. Eine Netzwerkkarte sorgt für die Verbindung mit dem Hochschulnetzwerk und dem Internet.

Software

Als Programmumgebung für die Steuerung und Visualisierung sowie für die Programmierung und Datenbankanbindung ist das Software- System 4CONTROL® der Firma Softing© gewählt worden. Das 4CONTROL- System besteht aus folgenden Komponenten:

Feldbussysteme

Das Feldbussystem sorgt für die Verbindung zwischen dem Rechner und den Feldknoten. Ein Feldknoten besteht dabei aus einem Feldbuskoppler und den Funktionsklemmen für den Anschluß der einzelnen Ein- und Ausgabegeräte. Als Feldbusknoten wird das modular aufgebaute WAGO© I/O SYSTEM verwendet. Die Module gibt es wahlweise als analoge oder digitale Ein- oder Ausgangsbausteine.

Es gibt eine Vielzahl verschiedener Bussysteme, die jeweils für bestimmte Anwendungen konzipiert wurden. Für den, in der Industrie weit verbreiteten, PROFIBUS DP sind in der verwendeten Software optimierte Treiber vorhanden. Dieser Busstandard wurde daher für die Anlagensteuerung ausgewählt. Neuerdings wird auch die Einführung des PROFIBUS PA vorangetrieben. Für dieses Bussystem gibt es spezielle Sensoren, die den direkten Anschluß an die Busleitung ohne Verwendung von Feldbuskopplern ermöglichen. Die von der Firma WEGA© zur Verfügung gestellten Druckaufnehmer sind in dieser Weise ausgeführt. Die zusätzliche Verwendung dieses zweiten Bussystems ist problemlos realisierbar. Der PROFIBUS PA wird an einen Segmentkoppler angeschlossen. Der Segmentkoppler bildet dabei einen zweiten Feldknoten am PROFIBUS DP der von der Steuerung durch unterschiedliche Adressierung der Knoten erkannt wird. Abb.10.11 zeigt den Aufbau der Bussysteme und die Anbindung an Netzwerk und Internet.

Abb. 10.11
Struktur der Steuerung mit
den Feldbussystemen und der
Anbindung an Netzwerk
und Internet.

Grafik: JM, Alois Rolfes,
Daniela Alraun 06.01.2001

10.6.3 Lokale Steuerung

Für einfache Versuche und bei der Reinigung der Anlage ist eine lokale Steuerung vorteilhaft. Die Handsteuerung umfast die Schaltung der Pumpen und des Rührers, die manuelle Einstellung des Retentatablaufventils und die Möglichkeit das Bodenventil des Permeatbehälters zu öffnen und zu schließen. Mit einer lokalen Mini-SPS oder mit einer logischen Verknüpfung von Koppelrelais können Steuerbefehle von den Bedienelementen der Handsteuerung verarbeitet werden . Die Umschaltung zwischen der Handbedienung und der Automatischen Steuerung durch den PC wird mit einen Wahlschalter am Schaltschrank vorgenommen. Bei der Umschaltung wird jeweils eine Nullstellung durchlaufen, welche die Handsteuerung zurücksetzt, so daß ein Anlaufen der Pumpen ohne Steuerbefehl nach dem Umschalten verhindert wird. Wird der Wahlschalter auf „Hand“ gestellt wird die Verbindung zu den Ausgangsklemmen des WAGO I/O Systems unterbrochen und der Signalweg der Handsteuerung freigegeben. Die Stellung „Auto“ bewirkt ein Signal an einer Eingangsklemme des WAGO I/O Systems. Die dezentrale Steuerung wird dadurch Softwareseitig aktiviert.

10.6.4 Meßtechnik

Die verwendeten Meßwertaufnehmer geben Normsignale von 0- 20mA, 4- 20mA oder 0 -10V aus. Diese Signale werden in entsprechende Eingangsmodule des Wago-Feldbuskopplers eingespeist. Die Meßsignale werden hier in digitale Signale umgesetzt, die vom Prozeßrechner verarbeitet werden können. Die Meßwertausgabe erfolgt als Anzeige auf dem Bildschirm. Die Meßwerte können auch gespeichert und für die Auswertung an entsprechende Programme weitergegeben werden. Dies können z.B. Tabellenkalkulationen oder Datenbanken sein. Die Durchflußmengenmesser und die Drucksensoren haben zusätzlich eine lokale Anzeige für die Meßwertausgabe.



[1] Hersteller AC Spark Plug; Division of General Motors

[2] Anbieter: Monsanto Co.


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