EP4565373A1 - Verfahren und vorrichtung zur überwachung einer zentrifuge - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur überwachung einer zentrifuge

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Publication number
EP4565373A1
EP4565373A1 EP23786495.4A EP23786495A EP4565373A1 EP 4565373 A1 EP4565373 A1 EP 4565373A1 EP 23786495 A EP23786495 A EP 23786495A EP 4565373 A1 EP4565373 A1 EP 4565373A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
centrifuge
drum
speed
determined
filling
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23786495.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ansgar Kursawe
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP4565373A1 publication Critical patent/EP4565373A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04B—CENTRIFUGES
    • B04B11/00—Feeding, charging, or discharging bowls
    • B04B11/04—Periodical feeding or discharging; Control arrangements therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04B—CENTRIFUGES
    • B04B3/00—Centrifuges with rotary bowls in which solid particles or bodies become separated by centrifugal force and simultaneous sifting or filtering

Definitions

  • the invention relates to a method and a corresponding device for monitoring a centrifuge for solid-liquid separation of a suspension.
  • the invention further relates to a corresponding computer program product.
  • Centrifuges are technical devices that are used to separate substances. The way centrifuges work is based on the centrifugal force, which occurs due to the uniform circular movement of the material to be centrifuged. Particles or media with higher density migrate outwards due to higher inertia. In doing so, they displace the components with lower density, which then reach the center.
  • Centrifuges such as peeler centrifuges are often used in the pharmaceutical industry or the food industry (e.g. in sugar production) for the solid-liquid separation of a suspension.
  • centrifuges are operated according to a fixed time program: suspension is fed from a boiler into the centrifuge via a time-controlled valve, with the time being limited based on experience due to the risk of overfilling.
  • the centrifuge has a centrifuge drum, which is filled with the suspension as filling material at the beginning of each work step, the centrifuge initially rotating at a first speed (filling speed DZI, cf. Fig. 2). The centrifuge drum is then accelerated to a second speed (spin speed DZ2, Fig.
  • centrifuge drum is then slowed down to a peeling speed (DZ3, Fig. 2) and cleaned with a clearing device or peeling device. direction the filling material is removed from the centrifuge drum. After a certain number of runs of this type, the filtration resistance is reduced by adding a filter cloth or a non-removable base layer is usually so high that basic cleaning is necessary.
  • This type of centrifuge (sieve centrifuge, peeling centrifuge) is generally used for batch production of substances in the pharmaceutical industry.
  • the throughput of a centrifuge depends on the filtration resistance, which in turn depends on the particle size distribution. Small fluctuations in particle diameter lead to significantly different separation times. A time control must therefore be parameterized very precisely.
  • the parameters necessary for optimal centrifuge operation such as the mass supplied for material separation and the speed used, are usually set manually for each batch by centrifuge operating personnel based on empirical values.
  • Conventional condition monitoring in which the technical condition of the unit is recorded regularly or permanently using sensors and the resulting sensor data is analyzed for further use, is difficult with centrifuges because attaching a sensor in the separation space within the centrifuge drum is just as difficult is . In addition, conventional sensors are always exposed to large amounts of contamination from the suspension.
  • Some peeling centrifuges have a type of "paddle” that slides on the rotating liquid or the filter cake separated from it using a displacement sensor, thus allowing an estimate of the filling level of the centrifuge.
  • these mechanical transducers can transmit incorrect values due to the suspension caking e.g. clamping. Exact monitoring of the separation process or the condition of the centrifuge is therefore not possible.
  • Non-contact optical sensors using lasers or ultrasound are also susceptible to failure due to contamination with a high solids content and are difficult to use.
  • centrifugal sensors - Joint operation can be monitored contactlessly and yet precisely in order to ensure a smooth, error-free separation process, without installing complicated sensors on the centrifuge itself or without unnecessarily short filling times or Setting spin times that are too long and thus restricting the throughput of the centrifuge.
  • the object of the invention is to provide an improved method for monitoring centrifuges and the separation process to be carried out, in which no sensors have to be attached in or on the centrifuge.
  • the core idea of the invention is to evaluate existing variables and parameters of the drive of the centrifuge for controlling and regulating the centrifuge in such a way that they can be used to monitor the separation process.
  • These can be physical variables such as current, voltage, speed (angular velocity) or torque, or variables derived from them with the corresponding parameters such as the rotational moment of inertia, the angular momentum of the centrifugal drum or the mass inflow.
  • the method according to the invention is therefore based both on simple data accessible by measurement technology, such as current or voltage, as well as on data determined by calculation.
  • What is therefore proposed is a method for monitoring a centrifuge for the solid-liquid separation of a suspension, with a centrifuge drum, which is connected to at least one frequency-controlled drive for generating a rotation of the centrifuge drum, with a large number during operation of the centrifuge of the variables and parameters of the drive are determined as a function of time over the course of the separation process, and from the relationships between the variables and parameters.
  • Parameters of the drive operating modes of a cycle of centrifuge operation are derived and, depending on the derived operating mode, information about the separation process is automatically determined.
  • the advantage of the method according to the invention is that monitoring of both the separation process and the centrifuge itself can be provided based on already existing sizes and parameters of the drive, without the need for additional sensors.
  • the invention therefore does not require any special additional measuring instruments, but rather makes do with the instrumentation usually found in frequency converters.
  • the method can advantageously be implemented in software or firmware at the control level or in a cloud environment and can therefore be flexibly adapted.
  • any type of centrifuge can be equipped with “smart” monitoring software based on the method according to the invention.
  • the method is particularly suitable for peeling centrifuges or sieving centrifuges with batch Operational management in which different operating modes can be derived within an operating cycle.
  • the filling level of the centrifuge drum can advantageously be determined or the mass contained therein can be determined.
  • the centrifuge is monitored in such a way that, in order to derive a filling mode, the speed of the drum rotation and at least the drive energy required to maintain a speed of the drum rotation are recorded as a function of time and an increase in the rotational moment of inertia of the drum due to the filling is derived from this.
  • the (rotating) mass of the filling of the centrifuge drum can be easily determined from this.
  • This design variant is particularly suitable for the operating mode in which the centrifuge drum rotates at the filling speed.
  • the centrifuge consumes when empty at a constant speed, and from this the rotational moment of inertia of the empty drum can be derived.
  • the centrifuge is then filled (the valve for the mass inflow of the suspension is opened). If the drum is filled, the incoming mass flow must be accelerated to its angular velocity and the additional energy required to accelerate an additional (inflowing) mass must be recorded via the power consumed by the frequency converter (at a constant angular velocity). This additional energy is used to determine the mass of the drum being filled.
  • the feed valve is then closed.
  • the power consumption of the frequency converter therefore increases significantly during the filling process.
  • the integral of the current consumption above the idle current consumption at this speed is therefore a measure of the mass filled.
  • the moment of inertia of the centrifuge drum can therefore be easily determined from the electrical energy required by the drive, assuming a known speed.
  • the centrifuge drum can always be considered a hollow cylinder, since the radius of the centrifuge is usually very large compared to the almost negligible layer thickness of the filling material in the drum.
  • the advantage of this design variant is that the degree of filling of the centrifuge can be determined very easily and yet quite precisely. Based on the current or electrical power trends, the energy required to accelerate the rotating mass can be precisely measured and is characteristic of a filling process. The virtual increase in mass during the filling process is characteristic of the process.
  • the idle moment or rotational moment of inertia of the current mel when empty
  • the drum's own weight is essential.
  • the additional energy required to increase the rotational moment of inertia is determined for the centrifugal drum in the empty state during the transition from a first speed (preferably the peeling speed) to a second speed (preferably the filling speed). From this we draw conclusions about the (rotating) mass of the empty drum. This is particularly important if the degree of filling of the filled centrifuge drum is not determined solely by an increase in energy. In this way, the dead weight of often very heavy and large centrifuge drums, such as those found in the sugar industry, can be determined very easily.
  • the degree of filling of the centrifuge can also be determined easily and precisely in a further, advantageous embodiment variant.
  • This embodiment is particularly suitable for high speeds, i.e. H . for speeds of the operating mode in which the centrifuge drum rotates at the centrifugal speed.
  • the “dry spin” operating mode is first determined from the relationships between the recorded variables and parameters of the drive and then the speed of the drum rotation is varied cyclically over time and the change in angular velocity over time is measured. This becomes the energy for acceleration and braking of the drum and the rotational moment of inertia of the drum is calculated. If the zero mass is known (which results from the rotational moment of inertia of the centrifuge when empty), the degree of filling of the centrifuge drum can be determined using the rotational moment of inertia of the rotating mass.
  • the advantage of this embodiment variant is that the small variation in speed has no effect on the cutting process, while the change in energy caused by the acceleration and deceleration of the drum can be easily measured by the change in angular velocity over time.
  • the energy change is used to the moment of inertia of the drum and then to the degree of filling
  • a residual moisture of a filter cake is determined at the high speed by comparing the rotating masses of at least two cycles of speed variations.
  • a first variation of the speed is made at the spin-off speed of the centrifugal drum, the rotating mass is determined and then the process is repeated at least once. If the mass determined in this way no longer changes, the filter cake in question is no longer sufficiently moist to spin off.
  • the specific mass is constant with complete dehumidification. In this way, the residual moisture of the filter cake can be removed very efficiently, without intervening in the separation process. B. be determined by sampling. Furthermore, there are no additional operating costs for the centrifuge.
  • the determination of the residual moisture according to this embodiment is advantageously integrated into the current operating mode of the centrifuge, and on the other hand, the spin-off process can be ended when the filter cake has reached a certain degree of dryness.
  • the operating costs of the centrifuge can actually be reduced using this design variant if the spinning process is ended earlier than originally specified based on experience.
  • the energy required to maintain or change the rotation of the centrifugal drum is determined by means of integrators in the frequency-dependent converter. Additional sensors are not necessary. The existing measurement setup is therefore optimally utilized.
  • All versions of the method according to the invention lead to improved monitoring of centrifuges, since the evaluation of already existing variables provides greater accuracy and can be completely automated.
  • the method according to the invention can be provided as a stand-alone application in a process plant or can be provided in a local or remote computer system (“cloud”), for example by a service provider as “Software as a Service”.
  • the invention and/or each further development described can also be implemented by a computer program product, in particular a software application, which has a storage medium on which a computer program is stored which carries out the invention and/or the further development.
  • the computer program product can advantageously be transferred to a working memory of a computing unit and executed from there with the aid of at least one CPU.
  • the computer program product can advantageously be stored on a data storage device such as a USB stick, a hard disk or a CD-ROM/DVD-ROM and from there can be called up or installed on the computing unit.
  • FIG. 1 a block diagram of a horizontal centrifuge and a device for monitoring the centrifuge
  • FIG. 2 a curve diagram with different time profiles of variables for monitoring a centrifuge over a cycle of centrifuge operation Connection with the various embodiments of the present invention
  • FIG. 3 shows a time course of the inflow rate and the required motor current in the operating mode of determining the filling level of a centrifuge drum according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 4 a time course of a speed of a centrifuge according to a further embodiment of the invention
  • FIG. 1 shows, by way of example and in a simplified representation, a block diagram of a horizontal centrifuge Z for the solid-liquid separation of a suspension SUS.
  • the centrifuge Z has a centrifuge drum T, into which the suspension SUS is fed via a pipe that can be closed by a valve V.
  • the central joint drum T has an axis of rotation A, which coincides with the axis of symmetry of the central joint drum and is shown in FIG. 1 is arranged horizontally.
  • the centrifuge has at least one bearing per point for storage at any two points on the axis of rotation.
  • the suspension SUS is introduced into the interior of the centrifuge drum T via a so-called filling bar.
  • the filling material rests more or less evenly against the cylindrical wall of the drum due to centrifugal forces.
  • the horizontal centrifuge accelerates to force the liquid through the so-called filter cake.
  • the spinning continues until the desired residual moisture content of the filter cake is reached.
  • a peeling knife SM swings into the filter cake and, in this embodiment, peels the product P vertically downwards via a discharge device.
  • the centrifuge Z To operate the centrifuge Z, it is connected to a frequency-controlled drive to generate rotation of the centrifuge drum T.
  • the frequency-controlled drive contains at least one frequency converter FU, which generates a suitable alternating voltage for a motor from an alternating voltage supply.
  • the frequency converter FU is connected on the one hand to a three-phase motor M and on the other hand to a programmable logic controller (PLC) for controlling the motor operation.
  • PLC programmable logic controller
  • the frequency converter has a speed control D, so that any speed of the rotation axis (physically: angular speeds w) of the centrifugal drum can be set.
  • a device VO according to the invention for monitoring the centrifuge shown as an example in FIG .
  • the device VO can also have a single interface, which is designed to receive any signals and/or data.
  • the device VO comprises an evaluation device AS, which is designed to carry out the method according to the invention and, based on the signals supplied, to record a large number of variables and parameters of the drive as a function of time over the course of the separation process during operation of the centrifuge Z, and to derive operating modes of the centrifuge from the relationships between the variables and parameters and to automatically determine information about the separation process and / or a centrifuge state depending on the derived operating mode.
  • the evaluation device AS further comprises at least one processor unit P, at least one memory or an archive Sp for storing the received signals, and at least one memory R in which a program PR with instructions is stored, when executed by means of the processor unit P one of the The procedure described above is carried out.
  • the invention implemented as a computer program PR can, for example, be kept in the main memory R or loaded into it and can be executed from there with the help of the at least one processor P.
  • the device can also have a display unit or be connected to one, which is designed so that the centrifuge of a process engineering system can be monitored on a user interface GUI.
  • a user can interact as desired with the evaluation device AS of the device VO via the graphical user interface.
  • Figure 2 shows a curve diagram with different time profiles of variables for monitoring a centrifuge over a cycle of centrifuge operation in connection with the various embodiments of the present invention.
  • the time t in ms is plotted on the abscissa.
  • Different variables in connection with an operating cycle of a peeling centrifuge for batch operation are plotted on the ordinate as an example, for which separate axes with the corresponding scales are given.
  • the bottom curve is the measured speed UMi st of the centrifugal drum. This is given in number n per minute (rpm revolutions per minute) and is proportional to the physical size of the angular velocity a. Superimposed on this is the specified setpoint of the revolutions of the centrifuge drum UM so n in the same unit.
  • the diagram also shows the progression over time Motor current I M in A, which is required to drive the centrifuge drum T, and the required electrical power P ei in kW.
  • Motor current I M in A which is required to drive the centrifuge drum T
  • P ei in kW the required electrical power
  • the time course of the torque of the drum M T in Nm is compared with the courses of the other variables.
  • a large number of variables and parameters of the drive can be determined and analyzed over time over the course of the separation process.
  • the centrifuge In operating mode I, the centrifuge is filled.
  • the empty drum initially rotates at a speed of DZ3, which often corresponds to the peeling speed from the previous operating cycle.
  • the empty drum At the start of the filling mode, the empty drum is accelerated from around 50 to around 175 rpm in this exemplary embodiment. The latter is the filling speed DZ I.
  • the measured actual value of the speed of the centrifuge drum UMi st follows the setpoint value UM so n with a time delay.
  • the required electrical power P ei and the torque of the drum M T occur, which result from the fact that the empty centrifugal drum is accelerated from a first speed requires energy to reach a second speed becomes .
  • the area of the first maximum of operating mode I the area below the curve of the electrical. Power can be determined as a function of time using an integrator. From this (from the electrical energy to increase the rotational energy of the centrifuge drum) the rotational moment of inertia of the centrifuge drum in the empty state, the idle moment, can be determined.
  • the filling valve V is then opened and the suspension enters the drum. If the drum is filled, the incoming mass flow must be accelerated to its angular velocity, so the power consumption of the centrifuge increases significantly during the filling process. At the end of area I is therefore in Fig. 2 to recognize a second pronounced maximum of the motor current I M , as well as maxima of the required electrical power P ei and the torque of the drum M T.
  • the integral of the current consumption above the idle current consumption at this speed is therefore a measure of the energy that is required to accelerate the incoming mass flow to the angular velocity until the centrifuge is finally sufficiently filled.
  • the filling of the centrifuge drum the filling valve is closed and the speed is "ramped up" to the spin-off speed DZ2.
  • a setpoint Usoii of 1000 rpm is specified for the spin-off speed.
  • the "spin-off mode" can be in can be divided into two phases.
  • the centrifuge needs a lot of energy to reach the target speed U so ii, which is shown in Fig. 2 can be seen from the increasing course of the required electrical power.
  • the filling material loses mass as the liquid in the suspension is thrown off.
  • the actual speed UM increases linearly, until the majority of the liquid has been separated.
  • a setpoint value UM so n of 50 ppm is set in this exemplary embodiment. This is the peeling speed DZ3 for peeling off the filter cake. Even in this operating mode IV, the measured actual value of the speed of the centrifuge drum Ui S t follows the setpoint value UM with a time delay until it finally remains at the initial level at the peeling speed DZ3. After this operating mode, a new cycle of centrifuge operation begins.
  • FIG. 3 shows an example of the time course of the inflow rate dm/dt of a centrifuge and the required motor current I M in the operating mode of filling (see area I from FIG. 2) of a centrifuge drum according to a first embodiment of the invention.
  • the motor current I M does not change because the drum is driven at a constant speed against a constant frictional resistance.
  • the rotational moment of inertia Jieer of the drum of the centrifuge in the empty state can (as already noted in the description of Fig.
  • a software application in which the specified method is implemented would provide the information about the degree of filling to a user when a function “determination of the degree of filling” is called up, without a special sensor having to be installed in the centrifuge drum.
  • FIG 4 shows a time course of a speed UM of a centrifuge according to a further embodiment of the invention.
  • RDM high speed
  • This can be, for example, a sine wave or a sawtooth. This takes place in particular in the dry spin area (see operating mode III in Fig. 2).
  • the change in angular velocity is measured.
  • the motor has to generate energy. This can be derived from the current required by the motor.
  • the drum brakes the motor acts like a generator and converts the machine's mechanical energy back into electrical energy.
  • the converter then has to “get rid of” the energy, which can be measured by the voltage drop across the resistors in the converter.
  • the rotational moment of inertia of the drum can be determined using the energy balances.
  • the centrifuge cycles with a defined acceleration or braking energy Driven between two speeds, the rotational moment of inertia can be measured periodically.
  • a cyclic query of the frequency converter power or an electricity meter is necessary. To implement this query, it would have to be implemented in the system control system.
  • a small variation of z plays a role in the separation process in relation to the number of revolutions of 1500 rpm. B. +/-50 rpm doesn't matter.
  • the acceleration energy of the rising ramp or The braking torque of the falling ramp can be used to determine the moment of inertia during the drying process.
  • an easily measurable energy must be used for acceleration or Controlled braking energy can be used and the temporal change in angular velocity dw/dt can be recorded.
  • a change in energy over time can be caused by either accelerating the drum with a constant force or is braked and the change in angular velocity is used to calculate the rotational moment of inertia or the change in angular velocity is specified as a function of time and the power required for this is determined.
  • the invention and the developments described are preferably implemented in software as well as in firmware or in a microchip, for example using a special electrical circuit, or implemented in a combination of software and hardware, such as a software module, which is integrated into the control of the Frequency inverter can be read.

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  • Centrifugal Separators (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung (VO) zur Überwachung einer Zentrifuge (Z) zur Fest-Flüssig-Trennung einer Suspension (SUS), mit einer Zentrifugentrommel (T), die mit mindestens einem frequenzgesteuerten Antrieb zur Erzeugung einer Rotation der Zentrifugentrommel (T) verbunden ist, wobei während des Betriebs der Zentrifuge eine Vielzahl von Größen und Parameter des Antriebs zeitabhängig über den Verlauf des Trennprozesses ermittelt werden, und aus den Zusammenhängen der Größen und Parameter des Antriebs Betriebsmodi (I, II, III, IV) eines Zyklus des Zentrifugenbetriebs abgeleitet werden und in Abhängigkeit des abgeleiteten Betriebsmodus Informationen über den Trennprozess automatisch ermittelt werden.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung einer Zentrifuge
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Überwachung einer Zentrifuge zur Fest- Flüssig-Trennung einer Suspension. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein entsprechendes Computerprogrammprodukt.
Zentrifugen sind technische Geräte, die zur Stof f trennung genutzt werden. Die Funktionsweise von Zentrifugen beruht auf der Zentrifugalkraft, die aufgrund einer gleichförmigen Kreisbewegung des zu zentrifugierenden Gutes zustande kommt. Partikel oder Medien mit höherer Dichte wandern aufgrund der höheren Trägheit nach außen. Dabei verdrängen sie die Bestandteile mit niedrigerer Dichte, die hierdurch zur Mitte gelangen .
Zentrifugen wie z.B. Schälzentrifugen kommen häufig in der pharmazeutischen Industrie oder der Nahrungsmittelindustrie (z.B. bei der Zuckergewinnung) zur Fest-Flüssig-Trennung einer Suspension zum Einsatz. In der Regel werden solche Zentrifugen nach einem fest voreingestellten Zeitprogramm betrieben: Über ein zeitgesteuertes Ventil wird Suspension aus einem Kessel in die Zentrifuge geleitet, wobei die Zeit basierend auf Erfahrungswerten durch die Gefahr einer Überfüllung limitiert wird. Die Zentrifuge weist eine Zentrifugentrommel auf, die zu Beginn eines jeden Arbeitsschritts mit der Suspension als Füllgut befüllt wird, wobei die Zentrifuge zunächst mit einer ersten Drehzahl (Fülldrehzahl DZI, vgl . Fig. 2) rotiert. Die Zentrifugentrommel wird dann auf eine zweite Drehzahl (Abschleuderdrehzahl DZ2, Fig. 2) beschleunigt, die deutlich höher als die erste Drehzahl ist. Diese Drehzahl wird so lange aufrechterhalten, bis in dem Füllgut ein gewünschter Trocknungsfortschritt erzielt ist. Der so genannte Filterkuchen bleibt auf dem Filtertuch zurück. Danach wird die Zentrifugentrommel auf eine Abschäldrehzahl (DZ3, Fig. 2) abgebremst und mit einer Ausräumeinrichtung oder Abschälvor- richtung wird das Füllgut aus der Zentri fugentrommel entfernt . Nach einer bestimmten Anzahl von Durchläufen dieser Art ist der Filtrationswiderstand durch ein zugesetztes Filtertuch bzw . eine nicht entfernbare Grundschicht in der Regel so hoch, dass eine Grundreinigung notwendig ist . Diese Art von Zentri fugen ( Siebzentri fugen, Schäl zentri fugen) werden in der Regel für chargenweise Produktionen von Stof fen in der pharmazeutischen Industrie eingesetzt .
Der Durchsatz einer Zentri fuge hängt vom Filtrationswiderstand ab und dieser wiederum hängt von der Korngrößenverteilung ab . Kleine Schwankungen im Partikeldurchmesser führen zu deutlich unterschiedlichen Trennzeiten . Eine Zeitsteuerung muss daher sehr genau parametriert sein . Die Einstellung der für den optimalen Zentri fugenbetrieb notwendigen Parameter, wie die zugeführte Masse zur Stof f trennung und die verwendete Drehzahl , erfolgt für j ede Charge herkömmlich manuell durch Bedienpersonal der Zentri fuge anhand von Erfahrungswerten . Eine herkömmliche Zustandsüberwachung, bei der der technische Zustand des Aggregats regelmäßig oder permanent mithil fe von Sensoren erfasst wird und die anfallenden Sensordaten zur weiteren Verwendung analysiert werden, gestaltet sich bei Zentri fugen schwierig, da ein Anbringen eines Sensors im Trennraum innerhalb der Zentri fugentrommel ebenso schwierig ist . Außerdem ist eine herkömmliche Sensorik stets großen Verschmutzungen durch die Suspension ausgesetzt .
Einige Schäl zentri fugen verfügen über eine Art „Paddel" , das mittels eines Wegaufnehmers auf der rotierenden Flüssigkeit bzw . dem daraus abgeschiedenen Filterkuchen gleitet und somit eine Abschätzung des Füllstands der Zentri fuge erlaubt . Leider können diese mechanischen Aufnehmer durch anbackende Suspension falsche Werte übermitteln und z . B . klemmen . Eine exakte Überwachung des Trennvorgangs oder des Zentri fugenzustands ist somit nicht möglich . Berührungs freie optische Sensoren mittels Laser oder Ultraschall sind durch Verschmutzungen mit hohem Feststof f anteil ebenfalls störanfällig und schlecht einsetzbar . Es besteht daher ein Bedarf , den Zentri- fugenbetrieb kontaktlos und trotzdem genau zu überwachen, um einen reibungslosen, fehlerfreien Trennungsprozess zu gewährleisten, ohne eine kompli zierte Sensorik an der Zentri fuge selbst zu installieren oder unnötig kurze Füll zeiten bzw . zu lange Schleuderzeiten einzustellen und damit den Durchsatz der Zentri fuge zu drosseln .
Aufgabe der Erfindung ist es , ein verbessertes Verfahren zur Überwachung von Zentri fugen und dem durchzuführenden Trennprozess anzugeben, bei dem keine Sensorik in oder an der Zentri fuge angebracht werden muss .
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst . In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung, in Anspruch 9 ein Computerprogrammprodukt beschrieben .
Der Kerngedanke der Erfindung besteht darin, bereits zur Steuerung und Regelung der Zentri fuge vorhandene Größen und Parameter des Antriebs der Zentri fuge derart aus zuwerten, dass sie für eine Überwachung des Trennprozesses eingesetzt werden können . Dabei kann es sich um physikalische Größen wie Strom, Spannung, Drehzahl (Winkelgeschwindigkeit ) oder Drehmoment handeln oder um daraus abgeleitete Größen mit den entsprechenden Parametern wie das Rotationsträgheitsmoment , den Drehimpuls der Zentri fugentrommel oder den Massenzufluss . Das erfindungsgemäße Verfahren basiert demnach sowohl auf einfachen messtechnisch zugänglichen Daten wie Strom oder einer Spannung, als auch auf rechnerisch ermittelten Daten .
Vorgeschlagen wird demnach ein Verfahren zur Überwachung einer Zentri fuge zur Fest-Flüssig-Trennung einer Suspension, mit einer Zentri fugentrommel , die mit mindestens einem frequenzgesteuerten Antrieb zur Erzeugung einer Rotation der Zentri fugentrommel verbunden ist , wobei während des Betriebs der Zentri fuge eine Viel zahl von Größen und Parameter des Antriebs zeitabhängig über den Verlauf des Trennprozesses ermittelt werden, und aus den Zusammenhängen der Größen und Pa- rameter des Antriebs Betriebsmodi eines Zyklus des Zentri fugenbetriebs abgeleitet werden und in Abhängigkeit des abgeleiteten Betriebsmodus Informationen über den Trennprozess automatisch ermittelt werden .
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass eine Überwachung sowohl des Trennprozesses , als auch der Zentri fuge selbst aufgrund bereits vorhandener Größen und Parameter des Antriebs bereitgestellt werden kann, ohne dass eine zusätzliche Sensorik notwendig ist . Die Erfindung erfordert demnach keine speziellen zusätzlichen Messinstrumente , sondern kommt mit der üblicherweise bei Frequenzumrichtern vorhandenen Instrumentierung aus .
Das Verfahren kann vorteilhaft in einer Software oder Firmware auf der Steuerungsebene oder in einer Cloudumgebung implementiert werden und ist damit flexibel anpassbar . Es kann grundsätzlich j ede Art von Zentri fugen mit einer auf dem erfindungsgemäßen Verfahren basierenden „smarten" Überwachungssoftware ausgestattet werden . Es muss lediglich ein geeignetes Softwaremodul zur Auswertung vorhanden sein . Das Verfahren eignet sich j edoch insbesondere für Schäl zentri fugen oder Siebzentri fugen mit chargenweiser Betriebs führung, bei welchen sich innerhalb eines Betriebs zyklus unterschiedliche Betriebsmodi ableiten lassen .
In einer ersten Aus führungsvariante kann vorteilhaft der Füllgrad der Zentri fugentrommel ermittelt oder die darin enthaltene Masse bestimmt werden . Die Überwachung der Zentri fuge ist in dieser Aus führung derart ausgestaltet , dass zur Ableitung eines Befüllmodus Drehzahlen der Trommelrotation und mindestens die zur Beibehaltung einer Drehzahl der Trommelrotation notwendige Energie des Antriebs zeitabhängig erfasst werden und daraus eine Zunahme eines Rotationsträgheitsmo- ments der Trommel durch die Befüllung abgeleitet wird . Daraus kann einfach die ( rotierende ) Masse der Befüllung der Zentrifugentrommel bestimmt werden . Diese Aus führungsvariante eignet sich insbesondere für den Betriebsmodus , bei dem die Zentri fugentrommel mit der Befüll- drehzahl rotiert . Zunächst wird ermittelt , wieviel Leistung die Zentri fuge im Leerzustand bei konstanter Drehzahl verbraucht und daraus kann das Rotationsträgheitsmoment der leeren Trommel abgeleitet werden . Anschließend wird die Zentrifuge befüllt ( das Ventil für den Massenzufluss der Suspension wird geöf fnet ) . Wird die Trommel befüllt , muss der eintretende Massenstrom auf deren Winkelgeschwindigkeit beschleunigt werden und die zur Beschleunigung einer zusätzlichen ( einströmenden) Masse notwendige zusätzliche Energie über die aufgenommene Leistung des Frequenzumrichters (bei konstanter Winkelgeschwindigkeit ) erfasst werden . Diese zusätzliche Energie wird zur Massenermittlung der Befüllung der Trommel genutzt . Das Aufgabeventil wird anschließend geschlossen . Somit steigt die Leistungsaufnahme des Frequenzumrichters während des Füllvorgangs deutlich an . Das Integral der Stromaufnahme oberhalb der Leerlauf Stromaufnahme bei dieser Drehzahl ist demnach ein Maß der eingefüllten Masse . Aus der benötigten elektrischen Energie des Antriebs kann somit bei bekannter Drehzahl einfach auf das Trägheitsmoment der Zentri fugentrommel geschlossen werden . Bei der Bestimmung des Rotationsträgheitsmoments kann die Zentri fugentrommel stets als Hohlzylinder betrachtet werden, da der Radius der Zentri fuge in der Regel sehr groß gegenüber der fast vernachlässigbaren Schichtdicke des Füllguts in der Trommel ist .
Der Vorteil dieser Aus führungsvariante liegt darin, dass der Füllgrad der Zentri fuge sehr einfach und dennoch recht präzise bestimmt werden kann . Anhand der Trends des Stroms oder der elektrischen Leistung ist die benötigte Energie zur Beschleunigung der rotierenden Masse präzise messbar und charakteristisch für einen Füllvorgang . Der virtuelle Massenzuwachs beim Befüllvorgang ist charakteristisch für den Prozess .
Für weiterführende Auswertungen unerlässlich ist die Ermittlung des Leermoments ( oder Rotationsträgheitsmoment der Trom- mel im Leerzustand) oder des Eigengewichts der Trommel unerlässlich . Hierbei wird für die Zentri fugentrommel im Leerzustand beim Übergang von einer ersten Drehzahl (bevorzugt die Abschäldrehzahl ) zu einer zweiten Drehzahl (bevorzugt die Be- fülldrehzahl ) die zur Erhöhung des Rotationsträgheitsmomentes zusätzlich erforderliche Energie ermittelt . Daraus wird nun auf die ( rotierende ) Masse der leeren Trommel geschlossen . Dies ist insbesondere wichtig, wenn der Füllgrad der befüll- ten Zentri fugentrommel nicht durch eine Energiezunahme allein bestimmt wird . Auf diese Weise kann sehr einfach das Eigengewicht von häufig sehr schweren und großen Zentri fugentrommeln, wie sie beispielsweise in der Zuckerindustrie vorkommen, bestimmt werden .
Auch in einer weiteren, vorteilhaften Aus führungsvariante kann der Füllgrad der Zentri fuge einfach und präzise bestimmt werden . Diese Aus führungsvariante ist insbesondere für hohe Drehzahlen geeignet , d . h . für Drehzahlen des Betriebsmodus , bei dem die Zentri fugentrommel mit der Abschleuderdrehzahl rotiert . Dabei wird aus den Zusammenhängen der erfassten Größen und Parameter des Antriebs zunächst der Betriebsmodus „Trockenschleudern" ermittelt und anschließend die Drehzahl der Trommelrotation zyklisch über die Zeit variiert , und die zeitliche Änderung der Winkelgeschwindigkeit wird gemessen . Aus dieser wird die Energie für die Beschleunigung und Abbremsung der Trommel abgeleitet und das Rotationsträgheitsmo- ment der Trommel berechnet . Bei Kenntnis der Nullmasse (welche aus dem Rotationsträgheitsmoment der Zentri fuge im Leerzustand resultiert ) kann mittels des Rotationsträgheitsmo- ments der rotierende Masse der Füllgrad der Zentri fugentrommel bestimmt werden .
Der Vorteil dieser Aus führungsvariante besteht darin, dass die kleine Variation der Drehzahl auf den Trennvorgang keine Auswirkung hat , während die Energieänderung bedingt durch die Beschleunigung und Abbremsung der Trommel durch die zeitliche Änderung der Winkelgeschwindigkeit gut messbar ist . Wie in der ersten Aus führungsvariante wird über die Energieänderung auf das Trägheitsmoment der Trommel und anschließend auf den Füllgrad geschlossen
In einer weiteren, vorteilhaften Aus führungsvariante wird bei der hohen Drehzahl eine Restfeuchte eines Filterkuchens durch Vergleich der rotierenden Massen von mindestens zwei Zyklen der Drehzahlvariationen bestimmt . In dieser Aus führungsvariante wird bei der Abschleuderdrehzahl der Zentri fugentrommel eine erste Variation der Drehzahl vorgenommen, die rotierende Masse bestimmt und anschließend wird der Vorgang mindestens einmal wiederholt . Ändert sich die auf diese Weise bestimmte Masse nicht mehr, ist im betrachteten Filterkuchen keine Recht feuchte zum Abschleudern mehr vorhanden . Die bestimmte Masse ist bei vollständiger Entfeuchtung konstant . Auf diese Weise kann die Restfeuchte des Filterkuchens sehr ef fi zient , ohne Eingri f f in den Trennvorgang z . B . durch eine Probeentnahme bestimmt werden . Ferner fallen auch keine zusätzlichen Betriebskosten der Zentri fuge an . Zum einen ist die Bestimmung der Restfeuchte gemäß dieser Aus führung vorteilhafterweise in den aktuellen Betriebsmodus der Zentri fuge integriert , zum anderen kann der Abschleudervorgang bei Erreichen eines gewissen Trocknungsgrades des Filterkuchens beendet werden . Die Betriebskosten der Zentri fuge können mittels dieser Aus führungsvariante schließlich sogar gesenkt werden, wenn der Schleudervorgang früher beendet wird, als ursprünglich aufgrund von Erfahrungswerten vorgegeben .
Die zur Beibehaltung oder Änderung der Rotation der Zentri fugentrommel notwendige Energie wird in einer besonders vorteilhaften Variante der Erfindung mittels Integratoren im frequenzabhängigen Umrichter ermittelt . Eine zusätzliche Sensorik ist nicht notwendig . Der vorhandene Messaufbau wird somit optimal ausgenutzt .
Alle Aus führungen des erfindungsgemäßen Verfahrens führen zu einer verbesserten Überwachung von Zentri fugen, da die Auswertung bereits vorhandener Größen eine höhere Genauigkeit liefert und vollkommen automatisiert ablaufen kann . Das er- findungsgemäße Verfahren kann als stand-alone-Anwendung in einer Prozessanlage bereitgestellt werden oder in einem lokalen oder entfernten Rechnersystem ( „Cloud" ) bereitgestellt werden, z . B . von einem Service-Anbieter als „Software as a Service" .
Die beschriebenen Weiterbildungen beziehen sich sowohl auf das erfindungsgemäße Verfahren als auch auf die Vorrichtung .
Auch können die Erfindung und/oder j ede beschriebene Weiterbildung durch ein Computerprogrammprodukt insbesondere einer Software-Applikation realisiert sein, welches ein Speichermedium aufweist , auf welchem ein Computerprogramm gespeichert ist , welches die Erfindung und/oder die Weiterbildung ausführt .
Das Computerprogrammprodukt ist vorteilhaft in einen Arbeitsspeicher einer Recheneinheit überführbar und von dort aus mit Hil fe zumindest einer CPU aus führbar . Das Computerprogrammprodukt ist vorteilhaft auf einem Datenspeicher wie einem USB-Stick, einer Festplatte oder einer CD-ROM / DVD-ROM speicherbar und von dort aus auf der Recheneinheit abrufbar oder installierbar .
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Aus führungsbeispiele näher beschrieben und erläutert .
Darin zeigen, j eweils in vereinfachter schematischer Darstellung :
FIG . 1 ein Blockschaltbild einer hori zontalen Zentri fuge und einer Vorrichtung zur Überwachung der Zentri fuge
FIG . 2 ein Kurvendiagramm mit verschiedenen zeitlichen Verläufen von Größen zur Überwachung einer Zentri fuge über einen Zyklus des Zentri fugenbetriebs hinweg im Zusammenhang mit den verschiedenen Aus führungs formen der vorliegenden Erfindung
FIG . 3 einen zeitlichen Verlauf der Zuflussrate und des benötigten Motorstroms im Betriebsmodus der Füllgradermittlung einer Zentri fugentrommel gemäß einer ersten Aus führung der Erfindung
FIG . 4 einen zeitlichen Verlauf einer Drehzahl einer Zentrifuge gemäß einer weiteren Aus führung der Erfindung
FIG . 1 zeigt beispielhaft und in vereinfachter Darstellung ein Blockschaltbild einer hori zontalen Zentri fuge Z zur Fest- Flüssig-Trennung einer Suspension SUS . Die Zentri fuge Z weist eine Zentri fugentrommel T auf , in welche die Suspension SUS über ein durch ein Ventil V verschließbares Rohr zugeführt wird . Die Zentri fugentrommel T weist eine Drehachse A, die mit der Symmetrieachse der Zentri fugentrommel zusammenfällt und in der Fig . 1 hori zontal verlaufend angeordnet ist . Die Zentri fuge weist an zwei beliebigen Punkten der Drehachse zur Lagerung wenigstens ein Lager pro Punkt auf .
In der gezeigten Aus führung wird die Suspension SUS über ein so genanntes Füllschwert in das Innere der Zentri fugentrommel T eingeleitet . Im Schleuderbetrieb liegt das Füllgut aufgrund von Fliehkräften mehr oder weniger gleichdick an der zylindrischen Wand der Trommel an . Die hori zontale Zentri fuge beschleunigt , um die Flüssigkeit durch den so genannten Filterkuchen durchzupressen . Das Schleudern erfolgt so lange , bis eine gewünschte Restfeuchte des Filterkuchens erreicht ist . Bei reduzierter Drehzahl schwenkt ein Schälmesser SM in den Filterkuchen ein und schält in dieser Aus führungsvariante das Produkt P über eine Austragsvorrichtung vertikal nach unten aus .
Zum Betrieb der Zentri fuge Z ist diese mit einem frequenzgesteuerten Antrieb zur Erzeugung einer Rotation der Zentri fugentrommel T verbunden . Der frequenzgesteuerte Antrieb um- fasst mindestens einen Frequenzumrichter FU, der aus einer speisenden Wechselspannung eine passende Wechselspannung für einen Motor erzeugt . Der Frequenzumrichter FU ist einerseits mit einem Drehstrommotor M verbunden, andererseits mit einer speicherprogrammierbaren Steuerung SPS zur Steuerung des Motorbetriebs . Der Frequenzumrichter verfügt über eine Drehzahlregelung D, sodass beliebige Drehzahlen der Drehachse (physikalisch : Winkelgeschwindigkeiten w ) der Zentri fugentrommel einstellbar sind .
Eine in FIG 1 beispielhaft gezeigte erfindungsgemäße Vorrichtung VO zur Überwachung der Zentri fuge umfasst mindestens eine Schnittstelle ( S I , S2 , S3 ) zum Empfang und Austausch von Signalen von mindestens einem der Aggregate des Motors M, des Frequenzumrichters FU und/oder der speicherprogrammierbaren Steuerung SPS . Die Vorrichtung VO kann alternativ auch eine einzige Schnittstelle aufweisen, welche dazu ausgebildet ist , beliebige Signale und/oder Daten zu empfangen .
Ferner umfasst die Vorrichtung VO eine Auswerteeinrichtung AS , die dazu ausgebildet ist , das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen und auf Basis der zugeführten Signale während des Betriebs der Zentri fuge Z eine Viel zahl von Größen und Parameter des Antriebs zeitabhängig über den Verlauf des Trennprozesses auf zunehmen, und aus den Zusammenhängen der Größen und Parameter untereinander Betriebsmodi der Zentri fuge abzuleiten und in Abhängigkeit des abgeleiteten Betriebsmodus Informationen über den Trennprozess und/oder einen Zentri fugenzustand automatisch zu ermitteln . Die Auswerteeinrichtung fungiert so als Uberwachungseinrichtung und kann durch Verbindung mit einer Anzeigevorrichtung einem Anwender die zuvor ermittelten Informationen anzeigen . Dabei kann es sich gemäß der vorliegenden Erfindung um den Füllgrad der Zentri fuge oder um die Restfeuchte des Filterkuchens handeln . Grundsätzlich (hier nicht weiter ausgeführt ) kann es sich auch um Informationen über den Verschleiß von Teilen der Zentri fuge handeln, wie der Lagerung der Zentri fugentrommel oder einer vorhandenen Unwucht (= eine bei rotierenden Körpern nicht rotationssymmetrische Verteilung der Masse ) .
Die Auswerteeinrichtung AS umfasst hierzu ferner zumindest eine Prozessoreinheit P, zumindest einen Speicher oder ein Archiv Sp zur Abspeicherung der empfangenen Signale , und zumindest einen Speicher R, in dem ein Programm PR mit Anweisungen gespeichert ist , bei deren Aus führung mittels der Prozessoreinheit P eines der vorstehend beschriebenen Verfahren ausgeführt wird . Die als Computerprogramm PR implementierte Erfindung kann beispielsweise im Arbeitsspeicher R vorgehalten werden oder in diesen geladen werden, und von dort aus mit Hil fe des zumindest einen Prozessors P ausgeführt werden .
Die Vorrichtung kann ferner eine Anzeigeeinheit aufweisen oder mit einer solchen verbunden sein, die dazu ausgebildet ist , dass auf einer Benutzeroberfläche GUI die Zentri fuge einer verfahrenstechnischen Anlage überwacht werden kann . Uber die graphische Benutzeroberfläche kann ein Anwender beliebig mit der Auswerteeinrichtung AS der Vorrichtung VO interagieren .
Figur 2 zeigt ein Kurvendiagramm mit verschiedenen zeitlichen Verläufen von Größen zur Überwachung einer Zentri fuge über einen Zyklus des Zentri fugenbetriebs hinweg im Zusammenhang mit den verschiedenen Aus führungs formen der vorliegenden Erfindung . Auf der Abs zisse ist die Zeit t in ms aufgetragen . Auf der Ordinate sind unterschiedliche Größen im Zusammenhang mit einem Betriebs zyklus einer Schäl zentri fuge für einen chargenweisen Betrieb beispielhaft aufgetragen, für die j eweils eigene Achsen mit den entsprechenden Skalen angegeben sind . Bei der untersten Kurve handelt es sich um die gemessene Drehzahl UMist der Zentri fugentrommel . Diese wird in Anzahl n pro Minute ( engl . rpm revolutions per minute ) angegeben und ist proportional zu der physikalischen Größe der Winkelgeschwindigkeit a . Dieser überlagert ist der vorgegebene Sollwert der Umdrehungen der Zentri fugentrommel UMson in gleicher Einheit . Ferner zeigt das Diagramm den zeitlichen Verlauf des Motorstroms IM in A, welcher zum Antrieb der Zentri fugentrommel T benötigt wird, und der benötigten elektrischen Leistung Pei in kW . Zum weiteren Verständnis des Zentri fugenbetriebs ist ferner der zeitliche Verlauf des Drehmoments der Trommel MT in Nm den Verläufen der anderen Größen gegenübergestellt . Während des Betriebs der Zentri fuge lassen sich demnach eine Viel zahl von Größen und auch Parameter des Antriebs zeitabhängig über den Verlauf des Trennprozesses ermitteln und analysieren .
Durch die Gegenüberstellung der für den Zentri fugenbetrieb relevanten Größen werden die Zusammenhänge der Größen und Parameter of fengelegt , woraus sich die einzelnen Betriebsmodi eines Zyklus des Zentri fugenbetriebs ableiten lassen . Diese sind in Fig . 2 mit römischen Zi f fern I bis IV gekennzeichnet . Für j eden dieser Betriebsmodi lassen sich nun Informationen über den Trennprozess automatisch ermitteln, indem beispielsweise die entsprechenden Signale des Motors und Frequenzumrichters ausgewertet werden . Dabei sind die Verläufe der Zeitreihen der Antriebsgrößen und -parameter im Verhältnis zueinander für j eden Betriebsmodus charakteristisch , (vgl . Unterschiede der Kurvenverläufe der Betriebsmodi „Abschleudern" I I und „Troschenschleudern" I I I . )
Im Betriebsmodus I wird die Zentri fuge befüllt . Die leere Trommel rotiert zu Beginn mit einer Drehzahl DZ3 , welche häufig noch der Abschäldrehzahl aus dem vorherigen Betriebs zyklus entspricht . Die leere Trommel wird zu Beginn des Befüll- modus in diesem Aus führungsbeispiel von zirka 50 auf zirka 175 rpm beschleunigt . Bei letzterer handelt es sich um die Fülldrehzahl DZ I . Der gemessene I stwert der Drehzahl der Zentri fugentrommel UMist folgt dem Sollwert UMson zeitverzögert . Insbesondere ist deutlich zu erkennen, dass unmittelbar nach der Signalrampe des Sollwerts ausgeprägte Maxima des Motorstroms IM, der benötigten elektrischen Leistung Pei und des Drehmoments der Trommel MT auftreten, die daraus resultieren, dass zur Beschleunigung der leeren Zentri fugentrommel von einer ersten Drehzahl auf eine zweite Drehzahl Energie benötigt wird . Erfindungsgemäß kann in dem Bereich des ersten Maximums von Betriebsmodus I die Fläche unterhalb des Kurvenverlaufs der elektr . Leistung als Funktion der Zeit mittels eines Integrators bestimmt werden . Daraus ( aus der elektrischen Energie zur Erhöhung der Rotationsenergie der Zentri fugentrommel ) lässt sich das Rotationsträgheitsmoment der Trommel der Zentri fuge im Leerzustand, das Leermoment , ermitteln .
Anschließend wird das Befüllventil V geöf fnet und die Suspension tritt in die Trommel ein . Wird die Trommel befüllt , muss der eintretende Massenstrom auf deren Winkelgeschwindigkeit beschleunigt werden, somit steigt die Leistungsaufnahme der Zentri fuge während des Füllvorgangs deutlich an . Am Ende des Bereichs I ist daher in Fig . 2 ein zweites ausgeprägtes Maximum des Motorstroms IM zu erkennen, genauso wie Maxima der benötigten elektrischen Leistung Pei und des Drehmoments der Trommel MT . Das Integral der Stromaufnahme oberhalb der Leerlaufstromaufnahme bei dieser Drehzahl ist somit ein Maß der Energie , die benötigt wird, um den eintretenden Massenstrom auf die Winkelgeschwindigkeit zu beschleunigen, bis die Zentri fuge endgültig ausreichend befüllt ist . Das zeitliche Integral über den eintretenden Massenstrom (= Masse ) ist proportional zu dem Integral der Leistungsaufnahme der Zentri fugentrommel (= elektrische Arbeit ) . Über diese Energiebilanz kann somit das Rotationsträgheitsmoment und daraus die Masse der Befüllung ( rotierende Masse ) der nun befüllten Trommel ermittelt werden .
Am Ende des Betriebsmodus I , der Befüllung der Zentri fugentrommel , wird das Befüllventil geschlossen und die Drehzahl wird auf die Abschleuderdrehzahl DZ2 „hochgefahren" . In diesem Aus führungsbeispiel wird für die Abschleuderdrehzahl ein Sollwert Usoii von 1000 rpm vorgegeben . Der „Abschleudermodus" kann in zwei Phasen eingeteilt werden . Im Betriebsmodus I I braucht die Zentri fuge viel Energie , um die Solldrehzahl Usoii zu erreichen, was in Fig . 2 am ansteigenden Verlauf der benötigten elektrischen Leistung erkennbar ist . Das Füllgut verliert zugleich an Masse , da die Flüssigkeit der Suspension abgeschleudert wird . Die I stdrehzahl UMist steigt linear an, bis der überwiegende Teil der Flüssigkeit abgetrennt wurde . Sobald die I stdrehzahl UMist die Solldrehzahl UMson erreicht hat , wird keine zusätzliche Energie zur Rotation der Trommel benötigt und der Motorstrom IM, die elektrische Leistung Pei und das Drehmoment der Trommel MT fallen abrupt ab . Der Betriebsmodus „Abschleudern" ist damit beendet .
Im Betriebsmodus I I I schließlich wird das Füllgut bei konstanten 1000 rpm trockengeschleudert . Hier bietet sich die Möglichkeit , durch eine leichte Variation der Rotationsgeschwindigkeit die Restfeuchte zu ermitteln . Sobald aus dem Filterkuchen keine Feuchtigkeit mehr austritt , strebt das Rotationsträgheitsmoment der Trommel einem unteren Grenzwert entgegen und das Ende des Vorgangs „Trockenschleudern" kann somit erkannt werden . Einzelheiten hierzu sind der Figurenbeschreibung zu Fig . 4 zu entnehmen .
Nach dem Betriebsmodus I I I ( Trockenschleudern) wird in diesem Aus führungsbeispiel ein Sollwert UMson von 50 ppm eingestellt . Es handelt sich dabei um die Abschäldrehzahl DZ3 zum Abschälen des Filterkuchens . Auch in diesem Betriebsmodus IV folgt der gemessene I stwert der Drehzahl der Zentri fugentrommel UiSt dem Sollwert UMson zeitverzögert , bis er sich schließlich auf dem Anfangsniveau bei der Abschäldrehzahl DZ3 verbleibt . Nach diesem Betriebsmodus beginnt ein neuer Zyklus des Zentri fugenbetriebs .
Figur 3 zeigt beispielhaft den zeitlichen Verlauf der Zuflussrate dm/dt einer Zentri fuge und des benötigten Motorstroms IM im Betriebsmodus der Befüllung (vgl . Bereich I aus Fig . 2 ) einer Zentri fugentrommel gemäß einer ersten Aus führung der Erfindung . Im Bereich I ' von Fig . 3 ist die Zentrifugentrommel leer (Massenzuflussrate dm/dt = 0 ) . Der Motorstrom IM ändert sich nicht , da die Trommel mit einer konstanten Drehzahl gegen einen konstanten Reibwiderstand angetrieben wird . Das Rotationsträgheitsmoment Jieer der Trommel der Zentri fuge im Leerzustand kann (wie in der Beschreibung von Fig . 2 bereits angemerkt ) aus einem Drehzahlsprung durch Be- schleunigung der Trommel aus der Abschäldrehzahl auf die Drehzahl bei Befüllung ermittelt werden (J = 2*Erot/a2 mit Erot = Rotationsenergie = elektrischer Energie (U*IM*t) und a = Winkelgeschwindigkeit) . Im Bereich I' ' von Fig. 3 wird die Zentrifugentrommel befüllt (dm/dt > 0) . Um die Drehzahl konstant zu halten, benötigt die Zentrifuge zur Beschleunigung des eintretenden Massenstroms auf die jeweilige Winkelgeschwindigkeit der Trommel zusätzlichen Strom. Im Bereich I ' ' ' in Fig. 3 wird keine weitere Masse mehr der Trommel zugeführt. Die zusätzliche aufzubringende Energie ist proportional zur Fläche des Integrals aus der Leistungsaufnahme über die Zeit. Diese kann z.B. mittels eines Integrators im Frequenzumrichter des Antriebs ermittelt werden (vgl. Fig. 2) . Gemäß dieser Aus führungs form würde eine Software-Applikation, in der das angegebene Verfahren implementiert ist, bei Aufrufen einer Funktion „Ermittlung des Füllgrads" die Information über den Füllgrad einem Anwender bereitstellen, ohne dass ein spezieller Sensor in der Zentrifugentrommel angebracht werden müsste .
Figur 4 zeigt einen zeitlichen Verlauf einer Drehzahl UM einer Zentrifuge gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung. Die Trommelrotation wird hier bei hoher Drehzahl RDM (hier bei DZ2 = 1500 rpm) im Verhältnis zu dieser Drehzahl leicht zyklisch variiert. Dabei kann es sich zum Beispiel um eine Sinusschwingung oder einen Sägezahn handeln. Dies erfolgt insbesondere im Trockenschleuderbereich (vgl. Betriebsmodus III in Fig. 2) . Die Änderung der Winkelgeschwindigkeit wird gemessen. Beim Beschleunigen der Trommel muss der Motor Energie aufbringen. Diese kann aus dem benötigten Strom des Motors abgeleitet werden. Beim Abbremsen der Trommel wirkt der Motor wie ein Generator und wandelt die mechanische Energie der Maschine wieder in elektrische Energie um. Der Umrichter muss dann die Energie "loswerden", was am Spannungsabfall an den Widerständen im Umrichter messbar ist. Auch hier lässt sich mittels der Energiebilanzen das Rotationsträgheitsmoment der Trommel bestimmen. Wird wie in Fig. 4 die Zentrifuge mit einer definierten Beschleunigungs- bzw. Bremsenergie zyklisch zwischen zwei Drehzahlen gefahren, kann daraus periodisch das Rotationsträgheitsmoment gemessen werden . Hierzu ist eine zyklische Abfrage der Frequenzumrichterleistung bzw . eines Stromzählers notwendig . Zur Implementierung müsste diese Abfrage in der Anlagensteuerung implementiert werden . Für den Trennvorgang spielt eine im Verhältnis zur Umdrehungs zahl von 1500 rpm kleine Variation von z . B . +/-50 rpm keine Rolle . Mit dutzenden Kilo zusätzlichem Gewicht des abgeschiedenen Feststof fs einer Suspension und bei einigen tausend Umdrehungen kann die Beschleunigungsenergie der steigenden Rampe bzw . das Bremsmoment der fallenden Rampe zur Ermittlung des Trägheitsmoments beim Trocknungsvorgang genutzt werden . Erfindungsgemäß muss eine gut messbare Energie zur Beschleunigung bzw . kontrollierte Bremsenergie eingesetzt werden und die zeitliche Änderung der Winkelgeschwindigkeit dw/dt erfasst werden . Mittels der in Fig . 4 gezeigten Sägezahnkurve kann eine Energieänderung nach der Zeit bewirkt werden, indem die Trommel entweder mit einer konstanten Kraft beschleunigt bzw . abgebremst wird und die Änderung der Winkelgeschwindigkeit zur Berechnung des Rotationsträgheitsmoments verwendet wird oder die Änderung der Winkelgeschwindigkeit als Funktion der Zeit vorgegeben wird und die hierzu notwendige Leistung ermittelt wird . In dem in Fig . 4 gezeigten Aus führungsbeispiel sind zwei Zyklen oder Variationen der Drehzahl zu unterschiedlichen Zeiten dargestellt . Ein Vergleich der bei j edem Zyklus ermittelten rotierenden Masse ( Trägheitsmasse ) kann zur Bestimmung der Restfeuchte des Filterkuchens verwendet werden . Ist noch Restfeuchte vorhanden, nimmt die rotierende Masse mit der Zeit ab . Letztendlich wird die Restfeuchte mit der Zeit einem Grenzwert entgegenstreben, woraufhin der Abschleudervorgang ( ggfs . früher als ursprünglich eingestellt ) beendet und der Filterkuchen nach Erreichen der Abschäldrehzahl (DZ3 ) mechanisch entfernt werden kann . In der pharmazeutischen Anwendung und Feinchemie ist der entfeuchtete Feststof f das Wertprodukt ( das weiterverarbeitet wird) und die abgetrennte Flüssigkeit ist der Abfall . Dabei ist es das Ziel , die Restfeuchte , so gering wie gefordert , zu halten und daher sollte diese Restfeuchte überwacht werden . Die Erfindung und die beschriebenen Weiterbildungen wird bevorzugt in Software als auch in einer Firmware oder in einem Microchip, beispielsweise unter Verwendung einer speziellen elektrischen Schaltung, realisiert oder in einer Kombination aus Soft- und Hardware implementiert wie beispielsweise einer einem Softwaremodul , welches in die Steuerung des Frequenzumrichters eingelesen werden kann .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Überwachung einer Zentrifuge (Z) zur Fest- Flüssig-Trennung einer Suspension (SUS) , mit einer Zentrifugentrommel (T) , die mit mindestens einem frequenzgesteuerten Antrieb zur Erzeugung einer Rotation der Zentrifugentrommel
(T) verbunden ist, wobei während des Betriebs der Zentrifuge eine Vielzahl von Größen und Parameter des Antriebs zeitabhängig über den Verlauf des Trennprozesses ermittelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Zusammenhängen der Größen und Parameter des Antriebs Betriebsmodi (I, II, III, IV) eines Zyklus des Zentrifugenbetriebs abgeleitet werden und in Abhängigkeit des abgeleiteten Betriebsmodus Informationen über den Trennprozess automatisch ermittelt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ableitung eines Befüllmodus (I) Drehzahlen der Trommelrotation (DZ3, DZI) und mindestens die zu einer Beibehaltung einer Drehzahl (DZI) der Trommelrotation notwendige Energie des Antriebs (EU) zeitabhängig erfasst werden und daraus eine Zunahme eines Rotationsträgheitsmoments der Trommel durch die Befüllung abgeleitet und daraus die rotierende Masse der Befüllung der Zentrifugentrommel (T) und deren enthaltene Masse bestimmt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Zusammenhängen der erfassten Größen und Parameter des Antriebs der Betriebsmodus „Trockenschleudern" (III) ermittelt wird und bei einer hohen Drehzahl (DZ2) die Drehzahl der Trommelrotation zyklisch über die Zeit variiert wird, und die zeitliche Änderung der Winkelgeschwindigkeit gemessen wird, dass daraus die Energie für die Beschleunigung und Abbremsung der Trommel abgeleitet wird, und das Rotationsträgheitsmoment der Trommel berechnet wird und daraus die rotierende Masse und unter Berücksichtigung des Leermoments der Trommel der Füllgrad der Zentrifugentrommel bestimmt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei der hohen Drehzahl (DZ2) eine Restfeuchte eines Filterkuchens durch Vergleich der rotierenden Massen von mindestens zwei Zyklen der Drehzahlvariationen bestimmt wird, welche bei vollständiger Entfeuchtung konstant wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Beibehaltung oder Änderung der Rotation der Zentrifugentrommel notwendige Energie mittels Integratoren im frequenzabhängigen Umrichter ermittelt wird.
6. Vorrichtung (VO) zur Überwachung einer Zentrifuge (Z) zur Fest-Flüssig-Trennung einer Suspension (SUS) , mit einer Zentrifugentrommel (T) die mit mindestens einem frequenzgesteuerten Antrieb (FU) zur Erzeugung einer Rotation der Zentrifugentrommel (T) verbunden ist,
- mit mindestens einer Schnittstelle (SI, S2, S3) zum Empfang von Signalen des frequenzgesteuerten Antriebs, und
- mit einer Auswerteeinrichtung (AS) , die einen Datenspeicher (Sp) aufweist, der für ein Hinterlegen der von den Schnittstellen (SI, S2, S3) empfangenen Signale ausgebildet ist, wobei die Auswerteeinheit (AS) dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 durchzuführen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der die Auswerteeinheit (AS) und der Datenspeicher (SP) in einer cloudbasierten Umgebung realisiert sind.
8. Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 auszuführen .
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