staedler automation AG – Czujniki monitorują przemysłowe systemy gotowania
Raport dot. zastosowań
System gotowania typu Staedler CK1600, wyprodukowany przez Staedler Automation AG. System ten będzie używany do gotowania szpecli.
Szpecle „al dente”
Ugotuj ciasto w gorącej wodzie, odcedź i odśwież zimną wodą, gotowe. Kuchenka do szpecli firmy staedler wykorzystuje tę samą metodę, którą wszyscy znamy z domu, ale na skalę przemysłową, dokładnie kontrolowaną za pomocą czujników firmy ifm – aby zapewnić, że jakość produktu pozostaje na wysokim poziomie.
staedler automation AG znajduje się w Henau w Szwajcarii i ma ponad 10-letnie doświadczenie w produkcji systemów do automatyzacji procesów. Dla przemysłu spożywczego produkuje również w pełni zautomatyzowane systemy gotowania. Przedstawiony tutaj system jest przeznaczony dla klienta, który produkuje spaetzle, specjalny makaron z południowych Niemiec. Lukas Staedler, dyrektor generalny Staedler Automation AG, wyjaśnia działanie systemu: „Musisz wyobrazić sobie rondel, który jest w ciągłym ruchu. Oznacza to, że świeże ciasto jest ładowane na początku linii gotowania i przepuszczane przez określony czas, tak aby na końcu otrzymać produkt, który jest ugotowany w odpowiednim stopniu. Dzięki określonemu czasowi gotowania zapewniamy stałą jakość produktu”.
Gotowany produkt spożywczy jest przenoszony do gorącej wody za pomocą łopatki. Ponieważ podczas procesu gotowania nie ma prawie żadnego mechanicznego kontaktu między maszyną a produktem, minimalizuje to wszelkie uszkodzenia produktu. Po zakończeniu procesu gotowania produkt jest szybko przenoszony nad krawędzią wodospadu do strefy chłodzenia. Blanszowanie zimną wodą zapobiega dalszemu gotowaniu produktu.
„Zasadniczo systemy takie jak ten mogą gotować wszystko, co pływa” – podkreśla Lukas Staedler. „W tej konkretnej linii przetwarzamy świeże makarony, takie jak ravioli, tortellini lub w tym przypadku szpecle. Ale mogą to być również wędliny lub warzywa. System ten osiąga wydajność 2,5 tony produktu na godzinę”.
Utrzymywanie dokładnej temperatury
Kiedy gotujemy w domu i widzimy, że woda zaczyna wrzeć, wiemy, że jest to właściwa temperatura, jednak w przemysłowych procesach gotowania stosowane temperatury muszą być bardziej dokładne. Tylko w ten sposób możliwe jest zapewnienie stałej jakości produktu wymaganej przez klienta.
W tym systemie temperatura jest mierzona w dwóch punktach zapewniających najważniejsze wartości procesowe, znane również jako Krytyczne Punkty Kontroli, w skrócie KPK (ang. CCP). Jednym z nich jest temperatura wody, która jest prawie wrząca. W tym przypadku musi ona wynosić dokładnie 95°C. Druga to temperatura kąpieli chłodzącej, w której proces gotowania zostaje zatrzymany. Dwa czujniki temperatury kontrolują wymiennik ciepła, zapewniając dokładną temperaturę.
Zdjęcie 1: Czujniki temperatury typu TA monitorują wymagane wartości temperatury w kuchence oraz w kąpieli chłodzącej. Zdjęcie 2: Będzie używany w przyszłości przez firmę Staedler: Czujnik temperatury TCC posiada funkcję samokontroli, co oznacza możliwość wydłużenia interwałów kalibracji. Odchylenia w dokładności są rozpoznawane automatycznie i sygnalizowane za pomocą sygnału przełączającego i diody LED.
W tych krytycznych punktach firma staedler polega na czujnikach temperatury typu TA2502 firmy ifm. Czujniki te mają bardzo dokładny, szybko reagujący element pomiarowy Pt1000 obejmujący szeroki zakres temperatur -50 ... 200°C. Czujniki charakteryzują się również wysoką powtarzalnością i stabilnością przez długi czas, co jest warunkiem wstępnym optymalnej i stabilnej jakości produktu.
W przyszłości firma Staedler planuje wykorzystać samokontrolujące czujniki temperatury typu TCC firmy ifm do monitorowania tych punktów. Cecha szczególna tego urządzenia: Posiada dwa niezależne elementy pomiarowe o przeciwnych charakterystykach temperaturowych, które wzajemnie się równoważą. Dzięki temu odchylenia w dokładności są natychmiast rozpoznawane i sygnalizowane za pomocą alarmowych sygnałów przełączających. Są one również wyraźnie wizualizowane za pomocą diody LED bezpośrednio na urządzeniu. To znacznie upraszcza niezawodną jakość produktu, ponieważ między okresami kalibracji temperatura jest bezpieczna przez cały czas, o ile czujnik nie wykryje dryftu, który następnie zasygnalizuje. W przypadku innych przemysłowych czujników temperatury odchylenia temperatury lub dryft mogą wystąpić nawet dzień po przeprowadzeniu kalibracji. Nie są one rozpoznawane i są wykrywane dopiero podczas następnej kalibracji. Najgorszym przypadkiem byłoby kosztowne wycofanie produktu z rynku, co miałoby negatywny wpływ na reputację producenta.
Monitorowanie procesu czyszczenia CIP za pomocą przewodności
Po każdym wsadzie produkcyjnym system przechodzi proces czyszczenia CIP. Oddzielna pompa służy do płukania linii produktów alkalicznymi i kwaśnymi środkami czyszczącymi. Następnie są one płukane czystą wodą przed ponownym uruchomieniem produkcji. Podczas tego procesu czujnik przewodności ifm LDL200 odgrywa ważną rolę. Na podstawie precyzyjnego pomiaru przewodności można potwierdzić, czy linia zawiera środek czyszczący i w jakim stężeniu. Na podstawie wartości pomiarowych system sterowania rozpoznaje na przykład, czy należy dodać kolejne środki czyszczące lub czy miało miejsce płukanie wstępne, pośrednie i końcowe. Ostatnim etapem procesu czyszczenia jest płukanie czystą wodą. Dopiero po osiągnięciu dokładnej przewodności końcowej wody płuczącej, system jest dopuszczany do produkcji. Zapewnia to wyraźną separację faz podczas procesu CIP.
Równolegle z przewodnością, LDL200 mierzy temperaturę medium i przesyła wartości za pomocą protokołu komunikacyjnego IO-Link do systemu sterowania. Jest to również wykorzystywane do sterowania wymiennikiem ciepła, aby zapewnić, że zawsze ma wystarczającą ilość energii do regulacji temperatury wrzącej wody.
Poziom w skrócie
System posiada dwa duże zbiorniki na wodę: Wanna z gorącą wodą i wanna chłodząca na końcu procesu. Czujniki ciśnienia są zainstalowane na dnie każdego zbiornika. Służą one do pomiaru ciśnienia hydrostatycznego. Stosowane czujniki ifm mają idealny zakres ciśnienia 100 mbar ... 2,5 bar. Określają one dokładny poziom i służą do jego regulacji. Dzięki temu możliwe jest uniknięcie przepełnienia zbiornika po uzupełnieniu go wodą.
Wykrywanie dopływu wody
Woda jest tracona podczas procesu gotowania. Jednym z powodów jest to, że sam produkt, w tym przypadku szpecle, pochłania wodę, a także woda ucieka w postaci pary podczas procesu gotowania. Z tych powodów woda musi być stale dodawana.
Lukas Staedler: „Używamy magmetru SM2100 firmy ifm do regulacji uzupełniania świeżej wody. Stale mierzy on przepływ podczas procesu gotowania.
Odbywa się to we współpracy z czujnikami poziomu. Gdy czujniki poziomu sygnalizują, że poziom wody spada, dodawana jest świeża woda, a przepływomierz określa, ile wody zostało utracone, po wchłonięciu przez produkt lub w postaci pary.
Woda jest również tracona podczas usuwania pozostałości szlamu. Zużyta woda jest odprowadzana i dodawana jest świeża woda. Odbywa się to w czasie określonym przez recepturę. Również w tym przypadku SM służy do pomiaru ilości wody, która ma zostać dodana”.
Przepływomierz odgrywa również ważną rolę podczas procesu czyszczenia, ponieważ monitoruje ilość świeżej wody używanej do płukania. W ten sposób zapewnia przejrzystość całego procesu gotowania.
Monitorowanie położenia za pomocą czujników indukcyjnych
Zainstalowano również czujniki indukcyjne do wykrywania położenia. Mimo że nie są one bezpośrednią częścią procesu gotowania, pełnią ważną funkcję monitorowania. Taśma chłodząca, za pomocą której produkt jest przenoszony do i z wanny chłodzącej, może być podnoszona z wanny za pomocą podnośnika w celu ręcznego czyszczenia. Dwa czujniki indukcyjne służą do bezdotykowego wykrywania górnej i dolnej pozycji. Zapewniają one również, że system można ponownie uruchomić tylko wtedy, gdy taśma znajduje się w prawidłowym dolnym położeniu.
Trzeci czujnik indukcyjny jest zamontowany na ekranie szczeliny. Jest on również zdejmowany w celu ręcznego czyszczenia. Przed wznowieniem produkcji czujnik sprawdza, czy taśma jest prawidłowo zamontowana.
Zdjęcie 1: Taśmę chłodzącą można podnieść do czyszczenia za pomocą koła pasowego. Czujniki indukcyjne służą do wykrywania odpowiedniej pozycji górnej i dolnej. Bild 2: Po ręcznym wyczyszczeniu ekranu szczelinowego i przywróceniu go na miejsce, produkcja może zostać wznowiona dopiero po zwolnieniu go przez czujnik indukcyjny.
Komunikacja z czujnikami za pomocą IO-Link
Wszystkie czujniki są podłączone do systemu sterowania za pośrednictwem IO-Link. Ten cyfrowy protokół komunikacyjny przesyła wartości pomiarowe do systemu sterowania w formie cyfrowej. Oznacza to, że można uniknąć błędów pomiarowych spowodowanych utratą konwersji. Jednak IO-Link może zrobić więcej.
Lukas Staedler: „Każdy czujnik będący czujnikiem CCP musi być sprawdzany co roku lub co pół roku. Czujniki temperatury są umieszczane w cieczy o temperaturze referencyjnej i kalibrowane. Kalibrujemy czujniki temperatury za pomocą IO-Link”.
W przypadku czujnika przewodności LDL wykorzystujemy obie wartości procesowe, temperaturę i przewodność na jednym przewodzie. Przepływomierz SM przesyła wartości licznika, a także aktualną prędkość przez jedno wyjście za pośrednictwem IO-Link do systemu sterowania”.
W odpowiedzi na pytanie, czy IO-Link upraszcza automatyzację, Lukas Staedler ma jasną opinię: „Zasadniczo automatyzacja oznacza większy wysiłek, ale IO-Link zapewnia zdecydowanie wartość dodaną. Możliwe jest przesyłanie kilku wartości sygnału jednym przewodem. Oszczędza to koszty montażu. Albo jeśli spojrzymy na czujniki temperatury: Kalibracja odbywa się bezpośrednio na czujniku, a nie jak wcześniej przy użyciu wartości korygujących w systemie sterowania. Upraszcza to programowanie sterowników. Podsumowując, zalety IO-Link są zdecydowanie większe”.
Czujnik przewodności LDL200 niezawodnie rozpoznaje, czy w przewodach znajduje się czysta woda lub detergenty czyszczące z procesu CIP. Jednocześnie mierzy również temperaturę i przesyła obie wartości pomiarowe za pomocą IO-Link do systemu sterowania.
Czujniki ciśnienia typu PM wykorzystują ciśnienie hydrostatyczne do wykrywania poziomu w kuchence i kąpieli chłodzącej.
Magmometr SM2100 służy do wykrywania bieżącej prędkości przepływu, a także całkowitej ilości dostarczanej wody zasilającej. Obie wartości są przesyłane za pomocą IO-Link do systemu sterowania.
Wniosek
Staedler jest przekonany do rozwiązań automatyzacji dostarczanych przez ifm. Lukas Staedler podsumowuje: „Jesteśmy bardzo zadowoleni z ifm. Korzystaliśmy z ifm również we wcześniejszych projektach. Powodem jest to, że ifm ma kompleksową koncepcję czujników, od czujników indukcyjnych, magmetrów, czujników temperatury, czujników ciśnienia po pomiar przewodności. Krótko mówiąc: Możemy zaspokoić wszystkie nasze potrzeby w systemie za pomocą czujników ifm. Kolejnym powodem jest odpowiedni stosunek ceny do wydajności. Czujniki mają sens dla tego typu systemu i są przystępne cenowo. Będziemy również korzystać z ifm w przyszłych projektach”.
