多变量自动交叉流过滤器控制制造技术

本发明专利技术提供一种用于自动控制交叉流过滤系统的控制系统和控制方法以及相应的交叉流过滤系统。控制系统包括：测量值处理单元，其配置为接收来自交叉流过滤系统的多个传感器的多个传感器信号；以及基于多个传感器信号确定限定交叉流过滤系统的操作状态的多个过程参数；控制模式选择单元，其配置为基于用户输入确定作为控制参数集合的过程参数的子集；以及为控制参数集合中的每个控制参数确定相应的设定值；以及控制单元，包括多个控制回路模块，每个控制回路模块均配置为从控制参数集合中接收至少一个控制参数；确定接收到的控制参数与对应的设定值的控制偏差；以及向交叉流过滤系统的专用致动器提供致动信号，致动信号适于改变交叉流过滤系统的操作状态，以便减小所确定的控制偏差。

Multivariable automatic cross flow filter control

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】多变量自动交叉流过滤器控制
本专利技术涉及改进的交叉流过滤(CFF)控制。更具体地，提供了一种用于交叉流过滤的多变量、多模式控制的系统和方法，其允许改进对压力和流量的自动控制的改进的灵活性。特别可改善防过压。
技术介绍
交叉流过滤是常用的过滤过程，其中供给基本上平行于膜表面流动，从而防止在膜上积聚。在交叉流过滤过程中不会发生形成通常用于终端过滤的滤饼。供给的部分通过膜，称为渗透物。不通过膜的部分称为渗余物。在交叉流过滤过程中，渗余物进行再循环，即再次被引导通过膜表面。期望的最终产物可包含在渗透物和/或渗余物中。交叉流过滤技术可非常广泛地应用到过程中，例如，流体、乳液、悬浮液、饮料，诸如水、果汁、啤酒、葡萄酒、乳清、牛奶、污水和溶液，例如用于生物技术、药物、生物药物、生物成因、医学、化学、化妆品和实验室应用。交叉流过滤器内部的流速和压力的手动控制缺乏精确性和可重复性。某些可能有益的控制模式是不可能的，或需要人工控制的不合理的人员参与。现有的诸如安全阀的防过压解决方案会导致材料的损失，并可能对系统部件和操作者造成损害。因此，本专利技术的一个目的是提供一种能够实现多变量自动控制系统的交叉流过滤系统。上述目的通过独立权利要求的主题来实现。在从属权利要求中限定了优选实施方式。
技术实现思路
根据本专利技术的一方面，提供了一种用于自动控制交叉流过滤(CFF)系统的控制系统，该控制系统包括：测量值处理单元，其配置为：接收来自交叉流过滤系统的多个传感器的多个传感器信号；以及基于该多个传感器信号确定限定交叉流过滤系统的操作状态的多个过程参数；控制模式选择单元，其配置为：基于用户输入确定作为控制参数集合的过程参数的子集；以及为该控制参数集合中的每个控制参数确定相应的设定值(目标值)；以及控制单元，包括多个控制回路模块，每个控制回路模块均配置为：从该控制参数集合中接收至少一个控制参数；确定接收到的控制参数与对应的设定值的控制偏差；以及向交叉流过滤系统的专用致动器提供致动信号，该致动信号适于改变交叉流过滤系统的操作状态，以便减小所确定的控制偏差。该控制参数集合可限定控制模式。因而，控制模式可由控制参数集合限定，其中，每个控制参数均为从测量值处理单元接收的过程参数。控制模式选择单元可具有存储在相应存储器中的多个预定控制模式，以便用户从多个预定控制模式中选择一个。在一方面，用户可选择控制模式而不选择单独的过程参数。替代地或附加地，用户可单独地选择期望的过程参数，从而确定要应用的控制模式。无论如何选择/确定控制模式，控制单元配置成以选择/确定的控制模式来操作。控制系统可应用于任何CFF系统，例如设计用于微滤、超滤、纳滤、全蒸发和/或反渗透应用的CFF系统。控制系统可进一步控制用于过滤固体和/或气体材料的CFF系统。在本专利技术的上下文中，CFF系统包括CFF过程中涉及的所有构件。这种CFF系统的设计不受限制，特别是对于构件的类型、数量和布置、以及通过将构件流体联接至CFF系统而建立的流动回路。示例性CFF系统可包括：例如过滤模块(也称为过滤器)，其包括诸如金属、陶瓷和/或聚合物膜的一种或多种过滤介质；至少一个供给入口；至少一个渗透物出口；至少一个渗余物出口；渗余物容器，其包括至少一个入口和至少一个出口。流动回路由示例性CFF系统的流体联接元件制成。具体地，供给入口通过供给导管流体联接至渗余物容器的出口。渗余物出口通过渗余物导管流体联接至渗余物容器的入口。换言之，管道在过滤模块的入口与出口之间提供流体连通，从而形成循环回路。示例性CFF系统可包括多于一个的循环回路，其中，每个回路均可包括储存器。可设置另外的导管，以便将渗透物返回至循环回路中和/或将缓冲溶液添加至流动回路中。附加的排出导管可在任意位置流体地联接至一个或多个循环回路，以便能够排出在循环回路内流动的介质。可使用多个泵，以便能够在内部容积内以特定的流速输送流体，即示例性CFF系统的导管。阀可设置在流动回路中，以选择性地调节过滤系统的内部容积内的流体流。阀也可定位成使得流体可添加到示例性CFF系统的内部体积中或从示例性CFF系统的内部体积中提取。具体地，用于调节渗余物流和渗透物流的阀可布置在示例性CFF系统中。可利用传感器来测量诸如系统压力和/或内部容积内的不同位置处的流速之类的量。控制系统包括测量值处理单元，其可电联接至CFF系统的多个传感器，以便从每个传感器接收传感器信号。测量值处理单元优选地通过模数转换接收每个传感器信号。换言之，可通过对作为测量值处理单元的部分的一个或多个模数转换器进行离散化和量化来对每个模拟传感器信号进行数字化。测量值处理单元能够提供优选地从多个传感器信号推导出的多个处理参数。多个过程参数可包括作为直接过程参数的原始信号和/或滤波的传感器信号、和/或从两个或多个直接过程参数导出的导出过程参数。通过用一种或多种数据滤波方法，诸如低通、高通、带通、带止、带阻和/或陷波滤波，处理原始传感器信号，获得滤波后的传感器信号。可应用数据滤波，以便以预定方式操纵所接收的传感器信号，例如由于噪声降低的原因。多个过程参数限定CFF系统的操作状态。操作状态的特征在于，每个过程参数均由特定的量值限定。控制系统可连续地向用户通知操作状态，具体是在一个或多个过程参数超过临界值的情况下。控制模式选择单元能够确定控制模式。通过从测量值处理单元接收的控制参数集合来限定控制模式。控制模式的确定需要用户输入。优选地，控制参数包括用于供给泵控制回路的至少一个控制参数和/或用于渗余物阀控制回路的至少一个控制参数和/或用于渗透物阀控制回路的至少一个控制参数。根据选择哪个控制参数，控制模式改变。控制模式选择单元基于控制模式确定接收要控制的各个过程参数。换言之，控制参数是要基于用户的选择来控制的过程参数。用户可选择控制参数来限定控制模式，或替代地，用户选择预定义的控制模式，从而选择预定义的控制参数集合。对于每个控制参数，优选地通过用户输入来确定设定值。设定值也可在控制系统中预先定义为默认值。该控制系统还包括控制单元，该控制单元配置成在所确定的控制模式下操作。控制单元包括能够将一个控制参数控制到对应的设定值的多个主控制回路。例如，控制参数的瞬时值与其相应的设定值之间的任何偏差可通过相应的主控制回路减小到零。为了实现期望的设定值，每个主控制回路均能够向致动器提供控制输入信号，该致动器可维持和/或改变受控CFF系统的操作状态。控制输入信号可导致引起特定演员理由的控制动作。例如，如果致动器是泵，则控制动作可影响泵送速率，或者如果致动器是阀，则控制动作可影响通过CFF系统的内部容积的流速。控制动作可直接或间接地影响操作状态，即，CFF系统内的压力和流速可通过控制动作来保持和/或改变。每个主控制回路优选地是闭合控制回路，其控制输入信号取决于来自控制参数的反馈，即，将由相应的主控制回路控制的过程参数。测量值处理单元和/或控制模式选择单元和/或控制单元可为要在一个或多个中央处本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于自动控制交叉流过滤系统的控制系统，包括：/n测量值处理单元，其配置为：/n接收来自所述交叉流过滤系统的多个传感器的多个传感器信号；以及/n基于所述多个传感器信号确定限定所述交叉流过滤系统的操作状态的多个过程参数；/n控制模式选择单元，其配置为：/n基于用户输入确定作为控制参数集合的过程参数的子集；以及/n为所述控制参数集合中的每个控制参数确定相应的设定值；以及/n控制单元，包括多个控制回路模块，每个控制回路模块均配置为：/n从所述控制参数集合中接收至少一个控制参数；/n确定接收到的控制参数与所述对应的设定值的控制偏差；以及/n向所述交叉流过滤系统的专用致动器提供致动信号，所述致动信号适于改变所述交叉流过滤系统的操作状态，以便减小所确定的控制偏差。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171006 EP 17001648.91.用于自动控制交叉流过滤系统的控制系统，包括：
测量值处理单元，其配置为：
接收来自所述交叉流过滤系统的多个传感器的多个传感器信号；以及
基于所述多个传感器信号确定限定所述交叉流过滤系统的操作状态的多个过程参数；
控制模式选择单元，其配置为：
基于用户输入确定作为控制参数集合的过程参数的子集；以及
为所述控制参数集合中的每个控制参数确定相应的设定值；以及
控制单元，包括多个控制回路模块，每个控制回路模块均配置为：
从所述控制参数集合中接收至少一个控制参数；
确定接收到的控制参数与所述对应的设定值的控制偏差；以及
向所述交叉流过滤系统的专用致动器提供致动信号，所述致动信号适于改变所述交叉流过滤系统的操作状态，以便减小所确定的控制偏差。


2.根据权利要求1所述的控制系统，其中：
所述测量值处理单元配置为：
接收至少一个压力信号(Pf；Pr；PP)，其指示所述交叉流过滤系统的流体流中的压力，优选地接收供给压力信号(Pf)和/或渗余物压力信号(Pr)和/或渗透物压力信号(PP)；
从至少一个接收的压力信号，优选地所述供给压力信号(Pf)和/或所述渗透物压力信号与所述渗余物压力信号之间的压力差，确定至少一个防过压信号；以及
确定所述至少一个防过压信号中的局部最大值，
所述控制模式选择单元配置为：
确定所述交叉流过滤系统的所述供给压力信号(Pf)和/或所述供给压力信号(Pf)与所述渗余物压力信号(Pr)之间的压力差(ΔP)和/或跨膜压力(TMP)作为主控制参数；
将所述至少一个防过压信号中的局部最大值确定为至少一个次级控制参数；以及
分别为所述主控制参数和所述次级控制参数确定主设定值和至少一个次级设定值，以及
所述控制单元包括供给泵控制回路模块，其包括：
主供给泵控制回路，其配置为：
接收所述主控制参数；
确定所述主设定值与所接收的主控制参数之间的主控制偏差；以及
提供主供给泵致动信号，所述主供给泵致动信号适于供给泵致动器改变所述交叉流过滤系统的供给泵的操作，从而减小所确定的主控制偏差；
至少一个次级供给泵控制回路，其配置为：
接收所述至少一个次级控制参数；
确定所接收的至少一个次级控制参数与至少一个次级设定值的至少一个次级控制偏差；以及
提供至少一个次级供给泵致动信号，所述次级供给泵致动信号适于所述供给泵致动器改变所述交叉流过滤系统的供给泵的操作，从而减小所确定的至少一个次级控制偏差，以及
防过压单元，配置成根据与较低或最低供给流量相对应的信号，选择性地将所述主供给泵致动信号或所述至少一个次级供给泵致动信号供给至所述供给泵致动器。


3.根据权利要求2所述的控制系统，其中，所述主供给泵控制回路和所述至少一个次级供给泵控制回路均包括PID控制器，所述PID控制器均具有相同的PID参数。


4.根据权利要求2或3所述的控制系统，其适于自动控制多通道交叉流过滤系统，其中，所述控制模式选择单元配置成接收所述多通道交叉流过滤系统的前流道过滤通道中的过压条件，并确定所述多通道交叉流过滤系统的跟随过滤通道的所述至少一个次级设定值。


5.根据前述权利要求中任一项所述的控制系统，其中，所述多个传感器信号包括：
供给压力信号(Pf)，指示所述交叉流过滤系统的供给流中的压力；和/或
渗余物压力信号(Pr)，指示所述交叉流过滤系统的渗余物流中的压力；和/或
渗透物压力信号(PP)，指示所述交叉流过滤系统的渗透物流中的压力；和/或
重量信号(Mr)，指示所述交叉流过滤系统的渗余物容器的质量；和/或
所述交叉流过滤系统的供给流的流量信号。


6.根据前述权利要求中任一项所述的控制系统，其中，所述多个过程参数包括：
传感器信号；和/或
所述交叉流过滤系统的跨膜压力(TMP)；和/或
指示所述交叉流过滤系统的供给流中的压力的供给压力(Pf)与指示所述交叉流过滤系统的渗余物流中的压力的渗余物压力(Pr)之间的压力差(ΔP)；和/或
渗透物流速(F)，指示通过所述交叉流过滤系统的过滤器膜的流速，
其中，所述渗透物流速F优选地根据以下等式来确定：



具有测量的渗余物质量M随时间t的变化、渗余物密度ρ、以及添加至所述交叉流过滤系统的所述渗余物的渗滤缓冲物的流速L。


7.根据前述权利要求中任一项所述的控制系统，其中，所述多个控制回路模块包括供给泵控制回路，所述供给泵控制回路配置成为所述交叉流过滤系统的供给泵致动器提供供给泵致动信号，
其中，所述控制模式选择单元优选地配置为选择性地将以下所列作为控制参数提供给所述供给泵控制回路：
指示所述交叉流过滤系统的供给流中的压力的供给压力信号(Pf)；和/或
指示所述交叉流过滤系统的供给流中的压力的供给压力(Pf)与指示...

【专利技术属性】
技术研发人员：萨拉瓦特·马加佐夫，马丁·鲁瑟尔德，
申请(专利权)人：自动化合作关系剑桥有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB