一：簡介

    CIP為Clean In Place的英文首字母縮寫，即在位清洗，不改變設備位置的前提下清洗設備。簡單來說就是一種清洗方式。CIP清洗不僅能清洗設備，而且還能控制微生物，廣泛應用于食品、飲料及制藥等企業。與CIP對應的清洗方式為COP即Clean Out of Place，即將設備拆下來之后進行清洗。

二：清洗原理

    向被清洗物的表面污物施加熱能、機械能、化學能，通過溶解作用、熱作用、機械作用、界面活性作用和化學作用等機制的相互作用，在一定時間內實現被清洗設備的有效清洗。

清洗理論模型-TACT模型，也即清洗效果四要素模型（公式表達）：

CR=Ti+A+C+Tc

CR：清洗效果，%為100%；

Ti：時間，%，主要是與被清洗表面接觸、作用的時間；

A：機械作用，%，一般占到50%以上，主要是壓力、流速等；

C：化學作用，%，主要是清洗劑類型與濃度等；

Tc：溫度作用，%；主要是清洗劑的溫度，跟污物的類型與粘度有關。

TACT四個因素相互影響又互為補充，當一個要素不足時，需要通過其它要素來補充。

下面分別介紹清洗效果四要素：

1：時間Ti

一般來說，清洗的時間越長，效果則越好。但在工業化生產中必須保證生產的速率，通常清洗時間為2～3倍的完全覆蓋時間。整個在位清洗流程的每一步，都以清洗時間為運行時間。

2：機械作用A

機械作用占據整個清洗效果的50%以上，故需要重點對待，一般從以下幾個方面來著手，從而保證清洗清洗效果：

（1）  流速：

對于設備罐體需要采用噴淋球，管道閥門等需要保證流體處于湍流狀態。

一般保證清洗流速1.5m/s左右，不要超過3m/s。1.5m/s基本上屬于流體的經濟流速，優先采用。

推薦的雷諾數范圍：

管道管件清洗：Re＞30000

容器內壁清洗，沿壁流下的清洗液：Re＞200

矩形缸體，清洗液：Re＞7500

注：流體的流動狀態：

層流（Re＜2000）

過渡流（2000≤Re≤4000）

湍流（Re＞4000）

（2）  壓力

極易清洗罐體：1~3bar

較易清洗罐體：2~6bar

較難清洗罐體：6~10bar

極難清洗罐體：＞10bar

（3）  流量

罐內表面積計算法：0.24~0.72m3/(m2*h)

罐體周長計算法：1.5~3.5m3/（h.m）

矩形缸體，清洗液：Re＞7500

3：化學作用C

常用化學清洗劑有：酸性、堿性、中性。

根據污物的不同有如下幾種選擇原則

（1）油脂類

表面活性劑（滲透與乳化）

 堿液（分散作用）

強堿（皂化作用）

（2）糖類碳水化合物

高溫水溶解作用

（3）蛋白質類

堿液溶解作用

酸液溶解作用

（4）淀粉類碳水化合物

堿液溶解作用

酸液溶解作用

淀粉酶的分解作用

化學劑性能對比

 4：溫度Tc

在一定溫度范圍內溫度每升高10℃，化學反應速度提高1.5-2倍，清洗速度、溶解速度都會隨著提高，如果溫度過高，殘留的蛋白質成分發生變性，導致設備更難清洗。所以并不是溫度越高越好。

一般情況下：當溫度達到80℃后，溫度再升高，清洗時間基本無變化，所以清洗液溫度一般控制在60~80℃

三：CIP工藝計算

CIP工藝計算主要涉及到：清洗工藝、CIP罐、輸送泵、換熱器、清洗管徑等設備的選型與計算。

3.1  清洗工藝

(1)三步法

(2)五步法

(3)七步法

選擇清洗工藝的原則：

?一般工藝都是采用3步法清洗（水沖洗-堿洗-終淋）

?無菌配液工藝采用5步法清洗（水沖洗-堿洗-水沖洗-酸洗-終淋）

?水沖洗采用飲用水或回收回來的終淋水，水溫根據不同殘留物可調節，一般控制水的溫度在60~80℃。

?堿洗采用2%NAOH溶液，在不存在交叉污染的前提下堿洗回收液可循環利用

?酸洗采用2%硝酸

?終淋采用純化水，無菌配液采用注射水

CIP系統清洗時間表

3.2  輸送泵大小確定

有兩種計算方法：被清洗罐體周長法與被清洗罐體內表面積法，下面以一個具體的例子來介紹這兩種計算方法。

實例：已知被清洗罐的直徑為1500mm，筒體高度為1500mm，試確定所需CIP清洗系統的輸送泵大小。

(1) 按周長法

經驗值為：1.5~3.5m3/（h.m）

q=π*D*η

q：泵的清洗流量m3/h

D:待清洗容器的直徑m

η：經驗值，1.5~3.5m3/(h.m)，小直徑為1.5大直徑為3.5

q=3.14*(1500/100)*1.5≈7m3/h

(2) 按內表面積法

經驗值為：0.24~0.72m3/(m2*h)

q=A*η

q：泵的清洗流量m3/h

A：容器內表面積

η：經驗值，0.24~0.72m3/(m2*h)，小直徑為0.24大直徑為0.72

本例中A=12.2m2

q=12.2*0.5≈6.1 m3/h

取以上兩種計算方法的大值，q=7m3/h，圓整到泵的常用規格則q=10m3/h

3.3  泵的揚程確定

H=(h1+h2+h3)*100

H：清洗泵揚程m

h1：清洗球所需壓力Mpa

h2：待清洗罐高度造成的壓力損失Mpa

h3：管道壓力損失Mpa

一般清洗球所需壓力為0.25Mpa

H=(0.25+0.1*1500/10000+0.05)*100=31.5m

3.4  清洗罐大小確定

根據清洗罐的數量可分為單罐CIP，雙罐CIP，三罐CIP，四罐CIP等，可根據實際需要進行配置。通常根據經驗：所配置的CIP罐容積要保證清洗時有10分鐘清洗的量，以此來確定CIP罐的大小。

V=q*10/60

q：泵的流量m3

V=7/6=1.2m3

取一定的富裕量，這里取CIP罐大小為 1500L。

3.5  換熱器換熱面積確定

分為兩部分計算，一是將CIP罐內的溶液加熱到工藝溫度；二是循環過程中因溫度下降而需要重新加熱。

(1)   加熱罐內溶液

按從常溫25℃加熱到高80℃計算，一般加熱時間為半個小時到一個小時左右，這里以半個小時來計算。

換熱器熱負荷，假定采用水循環清洗。

Q1=cmΔt

c：比熱容，Kj/(kg·K)，這里為4.2

m：被加熱介質的質量，kg

Q1=1500*4.2*(80-25)/(30/60)= 693000Kj/h

m1=Q1/(k*Δt)

m1：換熱面積m2

K：換熱系數，一般為板式換熱器，這里取1500 W/(m2?℃)

Δt：平均傳熱溫差℃

假設加熱蒸汽壓力0.3Mpa則對應的溫度143℃，則平均傳熱溫差為87.6℃（按逆流計算）。

則需要的換熱面積

m1= Q1/(k*Δt)=693000/(1500*87.6)/3.6≈1.5m2

取安全系數1.2，

則換熱面積為1.5*1.2≈1.8m2

(2)   循環過程加熱

假定循環回水溫度73℃，按循環時間10分鐘來計算所需換熱面積m2，平均傳熱溫差為66.4℃。

Q2=cmΔt=10000*4.2*(80-73)/(10/60)≈1764000 Kj/h

M2=Q2/(k*Δt)= 1764000/(1500*66.4)/3.6≈4.9m2

取安全系數1.2，則實際需要的換熱面積m2=1.2*4.9≈5.9m2

綜合取m1與m2中的大值，則所需換熱面積為5.9m2

3.6  清洗管道管徑計算

d=sqrt(4*q/(π*a*3600))*1000

sqrt:開平方根

d：清洗管道管徑mm

q：泵的流量m3

a：流速m/s，一般取1.5

d= sqrt(4*7/(π*1.5*3600))*1000≈40mm

四：CIP管路設計

CIP清洗過程中，清洗液主要通過管道將清洗液輸送至需要的清洗設備。因此，需要確保走物料的管路和走清洗劑的管路要保證隔離，避免因泄漏而發生交叉污染現象。當清洗完畢后，需要將管道中的殘余清水排凈，管道需要有一個合適的傾斜度，一般來說小跨度3mm/m，大跨度5mm/m。在管路連接中，應采用合適的接頭形式，盡量避免盲端和盡量減少支路，“死角”既不能朝上，也不能朝下，要水平，L≤1.5D，如下圖所示：

此外，隨著食品及醫藥行業的發展，為了確保走物料的管路和走清洗劑的管路要保證隔離，管路系統的設計更多地關注減少清洗死角，可采用兩類管路轉換方式，即轉接盤和閥陣。在管道功能上，兩者是完全等價的。

目前，國外CIP清洗系統流行采用閥陣系統，其由若干的雙座防混閥組成，每個閥的開啟由計算機自動控制，管路及閥門均可借助CIP程序進行獨立清洗，可大限度地減少清洗死角。此外，閥陣系統還具有如下優點：

(1)由座閥組合成的防混閥陣，可以實現安全、、衛生的物料操作；

(2)可避免管路系統的清洗死角，可通過座閥外接一股CIP液對交叉管路進行在線清洗；

(3)在流道交叉處對不可混合的介質進行防混分隔，在閥門關閉位置，兩個管路之間為雙密封，液體從一個管道泄漏到另一個管道的現象完全可以排除；

(4)需要頻繁切換物料通道的場合，座閥可以確保生產線的一部分處于在線清洗，另外部分可以照常工作，提高生產效率；

(5)當密封部分受損時，泄漏物可通過閥門的泄漏腔排出到外面，而不會污染另一路通道；

(6)用一個單獨的CIP連接，向隔離腔提供洗液，隔離腔的清洗與閥的位置無關。

五：CIP控制系統設計

按控制方式可分為手動、半自動、全自動。下面主要介紹全自動CIP的設計要點：

設計CIP控制系統首先需要明確的是控制的流程，即操作流程，然后根據操作流程來制定控制方案，編寫控制程序。

下圖為2000型帶PID的全自動CIP工藝流程圖：

帶PID的全自動CIP

5.1 控制系統組成

CIP控制系統由四部分構成：PLC、輸入檢測部分、輸出控制部分和現場工藝設備。輸入檢測設備包括各類智能儀表和狀態信號的檢測設備，輸出控制設備包括各類調節控制機構和接收各種狀態控制信號的控制設備?，F場工藝設備包括板式換熱器、離心泵、各種閥門等。

        1)PLC選用SIEMENS S7-300，中央處理器選用CPU315-2DP。

        2)輸入檢測設備指的是溫度、壓力、濃度、液位、流量等各類變送器和轉換器。輸入的狀態信號為模擬量輸入信號和數字量輸入信號。

        3)輸出控制設備主要包括電磁調節閥和蒸汽調節閥等，以及其他控制器。輸出的狀態信號為模擬量輸出信號和數字量輸出信號。

5.2  PLC模塊介紹

SIEMENS S7-300系列的PLC具有功能強、可靠性高、擴展靈活等優點，同時它擁有緊湊的、無槽位限制的模塊化結構。它主要組成部分有電源模塊(PS)、中央處理單元CPU模塊、接口模塊(IM)、信號模塊(SM)、功能模塊(FM)。SIEMENS S7-300系列的標準模塊化結構

圖如下圖所示：

(1)電源模塊

本系統選用的是PS307 (10A)電源模塊，具有以下特性：

●  輸入電壓：120V～230V

●  輸入電流：1A～2A

●  輸出電壓：24VDC

●  輸出電流：5A

●  防短路和開路保護

●  可靠地隔離

(2)中央處理單元CPU315-2DP

CPU315-2DP：具有中、大規模程序存儲容量和數據結構，同時具有

PROFIBUS DP主／從接口；對二進制和浮點數運算具有較高性能的處理性能；可

用于大規模的I/O配置或建立分布式I/O結構。

CPU315-2DP的元件配置包括如下幾部分：

●  微處理器；

微處理器處理1KB二進制指令的時間為0.3 ms，處理每個浮點運算的時間為4μs。

●     RAM空間大小達到128KB

用于存儲用戶實時輸入的數據和程序，為用戶程序提供了足夠的空間。外部裝載存儲器多可擴展到64MB。

●  自帶多點接口(MPI)

該系列的PLC集成的MPI接口多可以同時建立16個到S7-300的連接。

●  自帶PROFIBUS DP接口

帶有PROFIBUS DP主／從接口能夠容易、快速的進行分布式自動化組態

●  口令保護

口令能夠防止未經授權進入用戶程序，以保證程序不會隨便被篡改。

●  診斷緩沖區

能夠記錄運行過程中近100次出現的錯誤和中斷事件，并被保存在一個緩沖區中，供以后診斷參考使用。

●  免維護數據備份

如果電源發生故障，CPU會自動將保留的數據寫入微型存儲卡，這樣一旦電源再次被接通，數據依然能夠使用。

●狀態和出錯顯示

發光二極管能夠顯示硬件、程序設計或計時出錯等，以及顯示運行、停止等運行狀態。

●信息功能

用戶能夠獲得相關存儲容量和CPU工作狀態，以及工作存儲器和裝載存儲器的當前負荷。

(3)模擬量輸入模塊SM331;  AI 8x13bit

    本系統安裝有AI1 --AI4四個模擬量輸入模塊。其中兩塊為8x13bit，兩塊為8x12bit。模擬量輸入模塊SM331將從現場過程傳迭過來的模擬信號轉換成使S7-315內部能夠處理的數字信號，用于連接溫度、濃度、流量等變送器。

該模塊還具有如下幾個特點：

●  4組8個輸入通道

●按組可設定被測量值的精度（取決于積分時間端的設定）

一9位+符號

一12位+符號

一14位+符號

●測量方法，按通道組可設定

一  電壓

一  電流

一溫度

一濃度

一流量

●  按通道組選擇任意測量范圍

●  可編程的診斷中斷

●  兩個帶限幅監視的通道

●  與CPU光電隔離

被測值的精度與所選定的模擬量輸入模塊通道積分時間是成正比關系，亦即模擬輸入端的積分時間越長，被測值的精度越高。

(4)模擬量輸出模塊SM332;  AO 8x12bit

本系統安裝有AO1～AO2兩個模擬量輸出模塊。模擬量輸出模塊SM332將來自CPU-315的數字信號轉換成能被現場設備處理的模擬信號，用于連接相應的執行機構。

該模塊具有以下幾個特點：

●4組4個通道

●  單個輸出通道輸出信號

一  電壓輸出

一  電流輸出

●被測量值精度為12位

●可編程的診斷中斷

●  可編程的限幅中斷

●  與CPU光電隔離

(5)數字量輸入模塊SM321;  DI 32xDC24V，

本系統安裝有DI1～DI5五個數字量輸入模塊。數字量輸入模塊把來自現場儀器設備發送過來的信號轉換成S7-315內部能夠處理的電平信號。適合于連接標準開關和雙線接近開關。

該模塊具有以下幾個特點：

●有16個輸入點，每組有8個，并且帶光電隔離

●額定輸入電壓為24V，直流

●  適合于標準開關和雙線接近開關

(6)數字量輸出模塊SM322;  DO 32xDC24V;  0.5A

本系統安裝有DO1—D03三個數字量輸出模塊。數字量輸出模塊是把

S7-315內部信號電平轉換成外部現場設備所要求的信號電平。適合于連接各種

電磁閥、接觸器以及指示燈等設備。

該模塊具有以下幾個特點：

●  有32個輸出點，每組8個，并且帶有光電隔離

●  輸出電流為0.5A

●  負載輸出額定電壓為DC24V

●  適合于各種電磁閥、接觸器及指示燈等

5.3  智能儀表

在現代化工業自動控制系統中，智能儀表在完成某一項自動控制任務中是不可或缺的一部分，也是衡量控制系統自動化程度高低一個指標。全自動CIP控制系統對智能儀表的依賴是很明顯的，其中包括對清洗液的濃度、溫度、液位及流量等相關數據的采集和控制。相關智能儀表工作原理這里就不一一介紹了，下面主要介紹在儀表設置上需要注意的地方。

　　1) 溫度控制元件：由于板式換熱器的加熱速度較快，在換熱器的出口管段上通常須安裝一溫度傳感器，以實時測量加熱后的水溫，并輸出信號控制蒸汽管道上的氣動調節閥，自動調節蒸汽流量，以控制加熱速度，并確保加熱后的水溫不超過設定的清洗溫度。

　　2) 濃度控制元件：濃堿液或濃酸液的添加可通過氣動隔膜泵來實現，由于添加量比較少，添加時間較短，這一過程可安排在清洗液循環加熱的過程中進行。在回流管段上安裝一電導率傳感器，可實時測量濃縮液添加過程中清洗液的濃度，并輸出信號控制氣動泵的啟停，從而確保清洗液的濃度達到設定的清洗濃度。

　　3) 液位控制元件：罐體上高、低液位通常須分別設置液位檢測裝置，用于控制罐體的高、低液位，防止管內水溢流及離心泵的空轉。一般可通過在高、低液位分別安裝一液位傳感器的形式來實現。若罐體容積較大、罐身較高，則可考慮增加一中間液位傳感器，用于在所需清洗液用量不大的情況，如在調配用于酸洗管道用的酸液時，若CIP用戶需直觀看到罐體內液位的情況，且需要隨意調節檢測液位的高度，則可選用磁浮子液位計的形式。

　　4) 氣動閥門開關檢測：全自動CIP系統中，由于氣動閥門數量較多，控制程序較為復雜，每個氣動閥門上須安裝開關檢測裝置，以實時監測閥門的開關情況，便于在出現閥門故障時及時停止相關程序的運行，同時可將出現故障的閥門指示在操作界面上，便于人員檢修。閥門開關檢測裝置可通過在閥門目視指針上安裝感應金屬片，在相應位置安裝接近開關的形式。

　　5) 連通檢測：清洗管道與灌裝機間的轉換板裝置，起著管路切換的作用。轉換板上連通位置的正確與否直接影響到程序的運行。在轉換板上安裝連通檢測裝置，可實時監測連通位置，以防止程序在人為連通錯誤在情況下運行。連通檢測裝置可通過在連通管上焊接一感應棒，在轉換板上對應位置安裝接近開關的形式來實現。

六：結語

以上簡單介紹了一下如何設計CIP清洗系統。同樣為了以后計算方便，可以編寫一個Excel計算表格，像下面這樣的：