Proceswaterbehandelingsinstallaties voor zuiver en ultrapuur water
Niet alleen schoon, maar zuiver
In principe levert water, zoals het uit de kraan komt, geen grote uitdagingen op voor processensorsystemen. Maar bij de behandeling van ultrapuur water is dat een ander verhaal. De sensoren die in dergelijke processen worden gebruikt, moeten wat meer kunnen – en doorstaan.
Ieder kent het uit het dagelijks leven: bij het reinigen met leidingwater blijven vaak lelijke vlekken achter op de oppervlakken. Wat echter op ramen of drinkglazen als puur esthetisch gebrek nog aanvaardbaar is, kan in industriële processen een ernstige invloed op de productkwaliteit hebben. Bijvoorbeeld wanneer behandeld water wordt gebruikt bij het naspoelen van onderdelen om oliën en koelsmeermiddelen van verwerkte metalen te verwijderen en ze voor te bereiden op het volgende proces, bijvoorbeeld coaten of galvaniseren. Ook de optische industrie en de medische technologie hebben water nodig voor spoelprocessen die geen resten achterlaten na het drogen.
De oplossing: zogenaamd puur water. Dit is vrij van opgeloste mineralen, zouten en bacteriën. Afhankelijk van de mate van behandeling spreekt men van zuiver of ultrapuur water.
Installaties voor de productie van ultrapuur water
De onderneming EnviroFALK, gevestigd in Westerburg, heeft zich hierin gespecialiseerd. Opgericht in 1989 is de onderneming tegenwoordig marktleider op het gebied van behandelingsinstallaties voor ultrapuur water. Medeoprichter en directeur Peter Leyendecker: "Wij ontwikkelen concepten op basis van de meest uiteenlopende waterbehandelingstechnieken die op de markt beschikbaar zijn: systemen voor omgekeerde osmose, ultrafiltratie, nanofiltratie of ionenuitwisseling. Vaak is het een combinatie van de meest uiteenlopende technieken die in een installatie worden toegepast. We bieden daarvoor complete concepten voor waterreductie, voor recirculatie en met name waterbehandeling voor onze klanten."
Maximilian Meurer, technicus meet- en regeltechniek bij EnviroFALK, legt uit hoe zo'n installatie werkt: "In deze proceswaterbehandelingsinstallaties gebruiken we normaal water, zoals het uit de kraan komt. In een eerste stap wordt het onthard. Met dit zogenaamde zachte water worden alle vaste stoffen eruit gefilterd door middel van omgekeerde osmose.
In de volgende reinigingsstap gaat het water door een ionenuitwisselingscartridge. Deze is gevuld met een speciaal granulaat of mengbedhars, dat alle mineralen uit het water verwijdert. We controleren de kwaliteit van dit volledig gedemineraliseerde water tevens met de geleidbaarheidssensoren van ifm. Aan de hand van deze proceswaarde herkennen we ook direct een toename in geleidbaarheid zodra het cartridge “uitgeput” is en vervangen moet worden.
Het zuivere water wordt in een tank gepompt voor tussenopslag en deels ook verwarmd, zodat de klant het op elk moment eenvoudig kan gebruiken voor verschillende toepassingen. Voor een hoge reinheidsgraad wordt dit gedemineraliseerde water bovendien belicht met UV-licht, zodat het water kiemvrij blijft."
Proceswaterbehandelingsinstallatie met verschillende reinheidsniveaus.
Sensoren en eisen
Tal aan sensoren van de automatiseringsspecialist ifm bewaken het veeleisende behandelingsproces om de kwaliteit van het ultrapure water permanent te garanderen. Zelfs de kleinste verontreinigingen of remineralisatie kunnen dit verminderen en moeten daarom absoluut worden vermeden. Daarom gebruikt EnviroFALK vlakverzonken sensoren in de leidingen en tanks.
Het voordeel: er ontstaan geen dode ruimtes waarin het water niet voldoende circuleert en zich dus onbedoeld weer kan remineraliseren. Een andere uitdaging is het gedrag van gedemineraliseerd water. Dat probeert voortdurend de onnatuurlijke, gedemineraliseerde toestand te compenseren door mineralen uit de omringende materialen op te lossen. Met conventionele RVS-wanden zou het water hierin slagen en na verloop van tijd putcorrosie vormen.
Daarom worden in deze installatie kunststof leidingen of roestvast staal van een bijzonder hoge kwaliteit gebruikt. Hetzelfde geldt voor de sensoren die in contact komen met de media. ifm biedt hiervoor sensoren speciaal voor toepassingen met ultrapuur water. Deze sensoren zijn op de punten waar het sensoroppervlak in contact komt met het medium, voorzien van bijzonder hoogwaardig roestvast staal of andere materialen waaraan het ultrapuur water geen moleculen kan onttrekken.
Afbeelding 1: Geschakelde, geïsoleerde tanks voor verwarming en opslag van zuiver water. Afbeelding 2: De geleidbaarheidssensor LDL101 van ifm bewaakt de zuiverheid van het water door middel van een geleidbaarheidsmeting en signaleert tijdig wanneer de ionenuitwisselaars vervangen moeten worden.
Centrale meetwaarde: de geleidbaarheidswaarde
De geleidbaarheidssensor LDL101 is altijd de juiste keuze waar exacte naleving van de reinheid van het water cruciaal is voor de productkwaliteit of de procesveiligheid. De geleidbaarheidswaarde is de omgekeerde waarde van de elektrische weerstandswaarde van water. Hoe zuiverder het water, hoe hoger de weerstand en hoe lager de geleidbaarheidswaarde.
Maximilian Meurer, technicus meet- en regeltechniek bij EnviroFALK: "Wij gebruiken de IO-Link-sensor LDL101 voor de geleidbaarheidsmeting. Die is allesbepalend voor de kwaliteitscontrole van ultrapuur water. De geleidbaarheid geeft de ionenconcentratie in het water weer. Hoe kleiner het aantal vrije ionen, hoe lager de geleidbaarheid. De geleidbaarheidssensor LDL101 maakte indruk op ons omdat deze een zeer groot meetbereik heeft van 0,04 tot 1000 microsiemens per centimeter. Dit is voor ons perfect, omdat we zo alle waterniveaus van onze installatie, van normaal 'stadswater' bij de inlaat tot ultrapuur water bij de uitlaat, kunnen afdekken met één sensortype. Door slechts één sensortype te gebruiken, kunnen we onze voorraadbeheerkosten verlagen. Ook voor de servicemonteurs neemt de complexiteit af, omdat ze minder verschillende sensoren in het veld nodig hebben. Daarnaast wist de compacte constructie van de sensor ons te overtuigen. We kunnen de sensor aansluiten met standaard M12-aansluittechniek en hebben geen dure datakabel of externe verwerkingseenheid in de kast nodig, wat ons tijd, ruimte en kosten bespaart."
De hoge resolutie en de conversievrije digitale overdracht van de meetwaarden via IO-Link dargen bij aan een permanente nauwkeurige analyse van de waterkwaliteit ten gunste van foutloze processen. Als de waarde van de geleidbaarheid toeneemt tijdens het productieproces van ultrapuur water, duidt dit bijvoorbeeld op componenten die onderhoud nodig hebben.
Zuivere drukmeting
De druk in de leidingen moet op veel punten in de installatie worden gecontroleerd. In de toekomst zal de druksensor PL15 met succes worden gebruikt voor verschillende taken in een complexe behandelingsinstallatie. Enerzijds gebruiken we de PL15 voor de besturing van onze pompen. Dankzij IO-Link biedt de sensor een optimale resolutie over het gehele drukbereik van 0 tot 10 bar. Via IO-Link kunnen we de meetwaarden direct digitaal en dus zonder conversieverliezen uitlezen, waardoor de nauwkeurigheid nog verder toeneemt. Bovendien hoeven we bij de sensor zelf niets meer af te stellen, wat het gebruik ervan voor ons heel gemakkelijk maakt."
Een ander toepassingsgebied is de tank, waar de druksensor zijn andere sterke punten kan laten zien. "De PL15 is ook zeer goed geschikt voor de niveaubewaking. Zijn vlakverzonken vorm voorkomt dat er dode ruimtes ontstaan waar het water onvoldoende circuleert en zich dan onbedoeld weer kan remineraliseren. Een ander pluspunt van de druksensor is dat deze ook de mediumtemperatuur als aanvullende proceswaarde doorgeeft, wat de transparantie en regelbaarheid van de processtappen nog verder vergroot," aldus Maximilian Meurer.
Bijzonder compacte druksensoren uit de serie PL15 zonder dode ruimte, die vrij parametreerbaar zijn via IO-Link en daardoor flexibel toepasbaar zijn.
Nauwkeurige debietmeting bij ultrapuur water
Een relevante parameter voor de klant is de beschikbare hoeveelheid zuiver water aan het einde van het behandelingsproces. Dit komt omdat omgekeerde osmose uit het aangevoerde stadswater enerzijds zuiver water produceert, ook wel permeaat genoemd, en daarnaast het concentraat, dat de deeltjes bevat. Uit de vergelijking van beide hoeveelheden kan de exploitant van de installatie afleiden of de filters onderhoud nodig hebben of dat het geleverde stadswater van meet af aan te sterk vervuild is met vreemde stoffen. Voor het bepalen van een exact resultaat is een nauwkeurige debietmeting nodig op verschillende punten in de installatie.
Hiervoor biedt de sensorspecialist ifm de ultrasone stromingssensor van het type SU, ontwikkeld voor toepassingen met ultrapuur water. Deze detecteert met hoge precisie doorstroomhoeveelheden tot 1000 l/min. Dankzij de ultrasone technologie geldt dit ook voor ultrapuur water met een lage geleidbaarheid, zoals dat in de installaties van EnviroFALK wordt geproduceerd. In combinatie met de geleidbaarheidssensoren uit de LDL-familie kan een betrouwbare kwaliteits- en kwantiteitscontrole in het filtratieproces worden ingesteld. De meetbuis van de stromingssensor is gemaakt van een hogere kwaliteit roestvast staal en is vrij van meetelementen, afdichtingen en bewegende delen.
Dit betekent dat verstoringen door afzettingen, schade, lekken of verstoppingen, die zich kunnen voordoen in mechanische systemen zoals waaiers of turbines, van meet af aan zijn uitgesloten, evenals de drukval als gevolg van het ontwerp bij andere meetprocessen. Dankzij de zuivere roestvaststalen meetbuis zijn er ook geen testen nodig voor de materiaalcompatibiliteit van de elektroden of afdichtingen en is een eenvoudige, volledige reiniging zonder resten op elk moment mogelijk.
De LED die de signaalsterkte kan aangeven, dient als extra visuele indicator voor een stabiel proces. Als de signaalsterkte afneemt, kan dit duiden op deeltjes, luchtbellen of afzettingen op de binnenwand van de leiding.
Afbeelding 1: De meetbuis van de ifm ultrasone stromingssensor is vrij van meetelementen of bewegende delen en daarom ideaal voor toepassingen voor ultrapuur water. Afbeelding 2: De radarniveausensor LW2120 is buiten het tankdeksel van de puurwatertank gemonteerd en komt dus niet in contact met het medium.
Contactloze radarmeting bij de tank
De IO-Link-compatibele radarniveausensor LW2120 is uitstekend geschikt voor contactloze niveaubewaking in tanks. Hij kan niveaus tot 10 m hoog detecteren zonder dode hoeken, met een resolutie die tot op de millimeter nauwkeurig is. De gebruikte 80GHz-frequentie zorgt voor stabiele en nauwkeurige meetresultaten, zelfs onder de krapste inbouwomstandigheden. Met de antenne-verlengstuk als toebehoren kan de sensor ook buitengesloten metalen tanks worden gebruikt, bijvoorbeeld bij open tanks of kunststof vaten.
“In bepaalde applicaties gebruiken wij ook de radarsensor in plaats van de hydrostatische niveaumeting. Dit is bijvoorbeeld ook gewenst door de eindklant in het ultrapuur bereik. Want hier vormt elke schroefverbinding en elk meetpunt een gevarenbron voor ziektekiemen. Hier biedt de niveaumeting door een radarsensor het voordeel dat de sensor buiten de tankdeksel is gemonteerd en niet in contact komt met het medium”, licht Maximilian Meurer toe.
Binnen enkele minuten is de sensor foutloos geïnstalleerd dankzij de standaard M12-aansluittechniek en kan via IO-Link gemakkelijk op afstand worden voorzien van de parameters en uit te lezen. Dankzij het intelligente algoritme in het apparaat wordt de parametrering via IO-Link een fluitje van een cent: alleen de referentiehoogte hoeft u eenmaal in te stellen en de sensor levert onmiddellijk het millimeternauwkeurige niveau via IO-Link.
Meerwaarde met IO-Link
Wat betreft IO-Link: bij EnviroFALK is men enthousiast over IO-Link en vertrouwt men op sensoren met dit digitale communicatieprotocol.
Maximilian Meurer legt de voordelen uit: “Met IO-Link heb ik via de HMI en de besturing volledige transparantie tot in elke afzonderlijke sensor. Bij afwijkend gedrag kunnen de diagnosegegevens van elke afzonderlijke sensor worden gebruikt om het probleem snel te lokaliseren en te verhelpen. Ook de integratie van de sensordata in de besturing is heel eenvoudig. Via de cyclische dataopvraging ontvang ik de meetwaarden rechtstreeks als een numerieke waarde. Dit was voorheen niet mogelijk via analoge meetwaarden. Verder kan ik via IO-Link ook andere gegevens opvragen en digitaliseren, zoals serienummers of kalibratiegegevens. Bovendien kan ik de eenheden selecteren waarin de meetwaarden worden doorgegeven, bijvoorbeeld in liters per minuut of kubieke meter per uur voor de stromingssensor. Verder kunnen met IO-Link meerdere meetwaarden van een sensor worden verzonden.
Voorbeelden hiervan zijn de geleidbaarheidssensor, maar ook de druksensoren bij de tanks en de pomp: enerzijds meten we daar de druk om het niveau in de tank te bepalen, maar tegelijkertijd lezen we ook de temperatuurwaarde uit die de sensor doorgeeft om te weten wat de mediumtemperatuur in de tank is. Daarmee besparen we extra temperatuursensoren en de bijbehorende sprocesverbindingen in de tank. Ook de stromingssensor van het type SU levert meerdere meetwaarden tegelijkertijd via één datakabel: naast de flow en de sensorstatus zijn ook het totale debiet en de temperatuur beschikbaar via IO-Link. Dankzij de dataopslagfunctie van IO-Link kunnen wij en de eindklant ook direct zien of de verkeerde sensor wordt gebruikt of dat er fouten in de bedrading zijn. Door deze functie en door de eenvoudige bekabeling van vooraf gemonteerde M12-aansluitkabels op zowel de master als het apparaat heb je niet per se een elektromonteur nodig om bijvoorbeeld een sensor te vervangen."
Via IO-Link kunnen sensoren uitgebreid worden geparametreerd. Uitgangsfuncties, meetbereiken, schakelpunten en andere parameters zijn vrijvast te leggen binnen de karakteristieke waarden van de sensor. Waar vroeger verschillende sensorvarianten nodig waren, volstaat tegenwoordig vaak één IO-Link-apparaat.
Maximilian Meurer: "De voordelen van IO-Link voor ons zijn dat we een veel kleinere verscheidenheid aan sensoren hebben, we konden onze voorraad verkleinen en de servicemonteurs hebben minder verschillende sensoren nodig om te vervangen. Dat bespaart tijd en kosten.”
Afbeelding 1: Via het communicatieprotocol IO-Link heeft de gebruiker rechtstreeks toegang tot de sensor. Dit biedt maximale transparantie en helpt bij het oplossen van storingen. Afbeelding 2: Decentrale IO-Link-masters besparen ruimte in de schakelkast en maken de aansluiting van sensoren en actuatoren mogelijk. De verbinding met de installatiebesturing verloopt via Profinet.
De compacte ifm-druksensoren PV zijn dankzij de G1/4-procesaansluiting ook geschikt voor kleine leidingen. Naast de druk geven ze via IO-Link ook de mediumtemperatuur door.
Conclusie
Bij de productie van zuiver en ultrapuur water maken sensoren van ifm een slanke en toch nauwkeurige procesbewaking mogelijk. IO-Link vermindert de voorraadbeheerkosten en montagewerkzaamheden, wat resulteert in aanzienlijke kostenbesparingen. Bovendien biedt het perfecte transparantie en inzicht in alle processtappen op weg naar het digitale tijdperk. Kortom: netjes opgelost met ifm!
