staedler automation AG – sensoren bewaken industriële kookinstallatie
Applicatiebericht
Kookinstallatie van het type staedler CK1600, gebouwd door de firma staedler automation AG. In deze installatie wordt later spätzle in een waterbad gekookt.
Spätzle “al dente”
Pastadeeg in heet water, laten koken, afspoelen en klaar is kees. Zoals het thuis gebeurt, zo doet de staedler spätzle-kookinstallatie dat ook, maar dan op industriële schaal en nauwkeurig geregeld met ifm-sensoren – voor een constant hoge productkwaliteit.
Het bedrijf staedler automation AG uit Henau in Zwitserland produceert al meer dan 10 jaar installaties voor de procesautomatisering. Het bedrijf bouwt onder andere volledig geautomatiseerde kookinstallaties voor de levensmiddelenindustrie. De hier getoonde installatie zal later door de klant gebruikt worden om spätzle, een speciale pastasoort, te koken. Lukas Staedler, algemeen directeur van staedler automation AG, legt uit hoe het werkt: "U moet het zich voorstellen als een kookpan waarin het product continu doorloopt. Dat wil zeggen dat het rauwe deeg aan het begin van de kookinstallatie wordt toegevoegd en in een bepaalde tijd door de installatie wordt gevoerd, zodat er aan het einde een perfect gegaard product uit komt. Dankzij een gedefinieerde kooktijd bereiken we een gelijkblijvende productkwaliteit."
Het kookvoedsel wordt met behulp van peddels door het heetwaterbad getransporteerd. Omdat er tijdens het kookproces vrijwel geen mechanisch contact is tussen machine en product, wordt schade aan het product ook tot een minimum beperkt. Aan het einde wordt het te bereiden voedsel via een watervalrand overgebracht naar de koelzone. Dat blussen met koud water voorkomt dat het product blijft nakoken.
"In principe kunnen dit soort installaties alles koken wat drijft", benadrukt Lukas Staedler. "In deze specifieke installatie zijn dat verse pastaproducten zoals ravioli, tortellini of spätzle. Maar het kunnen ook worstjes of groenten zijn. In totaal bereikt deze installatie een productiecapaciteit van 2,5 ton per uur.
Temperaturen exact handhaven
Terwijl het borrelen van het water in de kookpan thuis volstaat om de temperatuur min of meer te bepalen, moet de temperatuur in het industriële kookproces veel nauwkeuriger worden aangehouden. Dat is de enige manier om de nauwkeurige, gelijkblijvende productkwaliteit te bereiken die door de klant wordt geëist.
Voor deze installatie levert de temperatuurmeting op twee punten daarom de belangrijkste proceswaarden, dat staat ook bekend als het Critical Control Point, kortweg CCP. Enerzijds is dat de temperatuur van het bijna kokende water, die in dit geval exact 95 °C moet zijn. Anderzijds is dat de temperatuur in het koelbad, waar het kookproces onmiddellijk moet worden gestopt. Twee temperatuursensoren zorgen voor de exacte temperatuursensoren door de warmtewisselaar te regelen.
Afbeelding 1: Temperatuursensoren uit de serie TA bewaken de exact te handhaven temperatuurwaarden in zowel het kookbad als het koelbad. Afbeelding 2: Binnenkort in gebruik bij staedler: de temperatuursensor TCC controleert zichzelf en zorgt op die manier voor langere kalibratie-intervallen. Afwijkingen in de nauwkeurigheid worden automatisch herkend en gesignaleerd door een schakelsignaal en LED weergave.
staedler vertrouwt voor deze productkritische punten op ifm-temperatuursensoren van het type TA2502. Deze maken gebruik van een zeer nauwkeurig en snel reagerend Pt1000-meetelement voor een breed temperatuurbereik van -50 tot 200 °C. Bovendien worden deze sensoren ook gekenmerkt door een hoge herhaalnauwkeurigheid en stabiliteit op de lange termijn, wat een voorwaarde is voor een optimale en gelijkblijvende productkwaliteit.
In de toekomst is staedler van plan om op deze punten zelfcontrolerende temperatuursensoren van ifm, type TCC, te gebruiken. De bijzondere eigenschap van dit apparaat: het beschikt over twee meetelementen met tegenovergestelde karakteristieken. Daarmee worden afwijkingen in de nauwkeurigheid onmiddellijk herkend en gemeld via zowel een alarmschakelsignaal als een LED op het apparaat die van grote afstand duidelijk zichtbaar is. Op die manier wordt het waarborgen van de productkwaliteit veel eenvoudiger, omdat de temperatuurzekerheid tussen kalibratie-intervallen altijd gegarandeerd i,s zolang de sensor geen drift herkent en een overeenkomstig waarschuwingssignaal afgeeft.
Met conventionele sensoren daarentegen kan al een dag na de kalibratie een niet-herkende temperatuurafwijking of drift optreden, die pas tijdens de volgende kalibratie zou worden ontdekt. In het ergste geval zijn er dure terugroepacties nodig en wordt de reputatie van de fabrikant geschaad.
CIP-reiniging bewaken op basis van de geleidbaarheidswaarde
Na elke productierun wordt de installatie gereinigd met behulp van het CIP-proces. Een aparte pomp spoelt alkalische en zure reinigingsmiddelen door de leidingen. Dit wordt gevolgd door naspoelen met schoon water voordat de productie weer kan worden hervat.
Tijdens dit proces speelt de ifm-geleidbaarheidssensor LDL200 een doorslaggevende rol: met behulp van een nauwkeurige geleidbaarheidsmeting kan duidelijk worden vastgesteld of er zich op dat moment een reinigingsmiddel in de leiding bevindt en in welke concentratie. Op basis van de meetwaarde weet de besturing bijvoorbeeld of er reinigingsconcentraat moet worden toegevoegd of dat de voor-, tussen- of naspoeling is voltooid. Aan het einde van de reiniging wordt nagespoeld met schoon water. Pas wanneer de exacte geleidbaarheidswaarde van het naspoelwater is bereikt, wordt de installatie weer vrijgegeven voor productie. Op die manier is een zuivere fasescheiding in het CIP-proces gegarandeerd.
Naast geleidbaarheid meet de LDL200 ook de temperatuur van het medium en stuurt deze via het communicatieprotocol IO-Link door naar de besturing. De warmtewisselaar wordt ook op basis daarvan bestuurd, zodat deze altijd over voldoende energie beschikt voor de temperatuurregeling van het kookwater.
Niveaus in één oogopslag
De installatie beschikt over twee grote waterreservoirs: de kuip met het hete kookwater en het koelbad aan het einde van het proces. In de bodem van beide kuipen zijn druksensoren ingebouwd die de hydrostatische druk meten. De gebruikte ifm-sensoren beschikken over een ideaal drukbereik van 100 mbar tot 2,5 bar. Hierdoor kan de vulhoogte nauwkeurig worden gemeten en geregeld. Zo wordt op betrouwbare wijze voorkomen dat tank overstroomt tijdens het bijvullen met water.
Watertoevoer meten
Tijdens het kookproces gaat er water verloren. Enerzijds doordat het product zelf, in dit geval de spätzle, water absorbeert, anderzijds doordat er tijdens het koken water ontsnapt in de vorm van stoom. Daarom moet er continu water worden toegevoerd.
Lukas Staedler: "We gebruiken de magnetisch-inductieve flowsensor SM2100 van ifm in het watertoevoersysteem. Die meet continu de doorstroming tijdens het kookproces. Dit gebeurt in combinatie met de niveausensoren. Als deze melden dat het waterniveau daalt, wordt er vers water aangevoerd en bepaalt de flowsensor hoeveel vers water er via het gekookte product en de stoom verloren is gegaan.
Een ander deel van het water gaat verloren tijdens het zogeheten afslibben. Tijdens dit proces wordt gebruikt water afgetapt en vers water aangevoerd. Dit gebeurt via de tijdfactor, die via het recept is vastgelegd. Ook hier meet de SM hoeveel water er wordt aangevoerd."
Tijdens het reinigingsproces speelt de doorstromingssensor ook een belangrijke rol, omdat deze de hoeveelheid vers water bewaakt die wordt aangevoerd. Zo zorgt deze sensor grotendeels voor transparantie tijdens het hele kookproces.
Positiebewaking met inductieve sensoren
Verder zijn er in de installatie inductieve sensoren ingebouwd voor de positiebepaling. Hoewel deze niet rechtstreeks betrokken zijn bij het kookproces, vervullen ze een belangrijke bewakingsfunctie. De koelband, waarmee het product in het koelbad wordt opgepakt en uitgevoerd, kan met een takel uit de kuip worden verwijderd voor handmatige reiniging. Twee inductieve sensoren registreren contactloos de bovenste of onderste eindpositie. Ook kan ervoor worden gezorgd dat de installatie alleen kan starten als de band zich in de correcte onderste positie bevindt.
Een derde inductieve sensor is op de spleetzeef gemonteerd. Ook deze kan worden verwijderd voor een handmatige reiniging. De sensor controleert of de zeef weer correct is aangebracht voordat de productie kan worden gestart.
Afbeelding 1: De koelband kan met een hijskabel worden opgetild om te worden gereinigd. Inductieve sensoren bewaken de betreffende eindposities boven en onder. Afbeelding 2: Pas als de spleetzeef na de handmatige reiniging weer correct is aangebracht, geeft de inductieve sensor de herstart van de productie weer vrij.
Sensorcommunicatie via IO-Link
Alle sensoren zijn via IO-Link met de besturing verbonden. Dit digitale communicatieprotocol verstuurt de meetwaarden in digitale vorm naar de besturing. Meetfouten als gevolg van conversieverliezen worden zodoende op betrouwbare wijze voorkomen. Maar IO-Link kan nog meer.
Lukas Staedler: "Elke sensor die een CCP-sensor is, moet jaarlijks of halfjaarlijks worden gecontroleerd. De temperatuursensoren worden dan in een referentievloeistof met een gedefinieerde temperatuur gehouden en zo gekalibreerd. De kalibratie van de temperatuursensoren voeren wij uit via IO-Link."
Bij de geleidbaarheidssensor LDL gebruiken we één aansluitkabel voor het verzenden van beide proceswaarden: temperatuur en geleidbaarheid. De flowsensor SM verstuurt zowel de tellerwaarde als de actuele doorstroomhoeveelheid met IO-Link via een uitgang naar de besturing."
Op de vraag of IO-Link de automatisering vereenvoudigt, heeft Lukas Staedler een duidelijke mening: "In principe is de automatisering complexer, maar IO-Link biedt ook een aanzienlijke toegevoegde waarde. Enerzijds kunnen meerdere meetwaarden van een sensor via één aansluitkabel worden verzonden. Dit bespaart montagekosten. Of laten we eens kijken naar de temperatuursensoren: hier kalibreren we direct bij de sensor en niet meer zoals voorheen via correctiewaarden in de besturing. Dit vereenvoudigt het besturingsprogramma. Over het geheel genomen zijn de voordelen van IO-Link duidelijk groter dan de nadelen."
De geleidbaarheidssensor LDL200 herkent op betrouwbare wijze of er schoon water of reinigingsvloeistof van het CIP-proces in de leidingen aanwezig is. Tegelijkertijd meet hij ook de temperatuur en stuurt beide meetwaarden via IO-Link naar de installatiebesturing.
Druksensoren uit de serie PM bepalen aan de hand van de hydrostatische druk het niveau in zowel het kookbad als het afkoelbad.
Zowel de actuele doorstroomhoeveelheid als het totale volume van het aangevoerde water worden geregistreerd door de magnetisch-inductieve stromingssensor SM2100 en worden via IO-Link naar de besturing verzonden.
Conclusie
Bij staedler is men overtuigd door de automatiseringsoplossingen van ifm. Lukas Staedler vat samen: “We zijn erg tevreden over ifm. We hebben in eerdere projecten al vaker gebruikgemaakt van ifm. De redenen hiervoor is dat ifm een doorlopend sensorconcept aanbiedt, d.w.z. van inductieve sensoren via de magnetisch-inductieve doorstromingssensor, temperatuurmeting, druksensoren tot en met de geleidbaarheidsmeting. Kortom: we kunnen hier in de installatie alles bewaken met ifm-sensortechniek. Een andere reden is dat de prijs-prestatieverhouding klopt. De sensoren zijn voor dit type installaties zinvol en tegelijkertijd betaalbaar. Daarom zullen we ook voor toekomstige projecten opnieuw kiezen voor ifm.”
