staedler automation AG – givare övervakar industriella matlagningssystem
Applikationsrapport
Matlagningssystem av typen staedler CK1600, tillverkat av staedler automation AG. Detta system kommer att användas för att laga spätzle.
Spätzle "al dente"
Koka degen i varmt vatten, låt rinna av och spola med kallt vatten, klart. Spätzlekokaren från staedler använder samma metod som vi alla känner till hemifrån, men i industriella dimensioner, exakt styrd med givare från ifm – för att säkerställa att produktkvaliteten förblir på en hög nivå.
staedler automation AG ligger i Henau i Schweiz och har över tio års erfarenhet av att tillverka system för processautomation. För livsmedelsindustrin tillverkar de också helautomatiska matlagningssystem. Det system som illustreras här är för en kund som gör spätzle, en speciell pasta från södra Tyskland. Lukas Staedler, vd för staedler automation AG, förklarar hur systemet fungerar: "Man måste föreställa sig en kastrull som hela tiden är igång. Det innebär att den färska degen läggs i början av tillagningslinjen och passerar under en definierad period så att du i slutet har en produkt som är tillagad till rätt temperatur grad. Med en definierad tillagningstid säkerställer vi en konstant produktkvalitet."
Livsmedlet som tillagas överförs till hett vatten med hjälp av en spade. Eftersom det knappast förekommer några mekaniska kontakter mellan maskinen och produkten under tillagningsprocessen minimeras eventuella skador på produkten. I slutet av tillagningsprocessen överförs produkten snabbt över en vattenfallskant till kylzonen. Blanchering med kallt vatten förhindrar att produkten tillagas ytterligare.
"I princip kan system som detta laga allt som flyter", betonar Lukas Staedler. "I den här specifika linjen bearbetar vi färsk pasta som ravioli, tortellini eller i det här fallet spätzle. Men det kan också vara kallt kött eller grönsaker. Detta system producerar 2,5 ton per timme".
Bibehållande av exakt temperatur
När vi lagar mat hemma och ser att vattnet börjar koka vet vi att det är rätt temperatur, men i industriella matlagningsprocesser måste de temperaturer som används vara mer exakta. Endast på detta sätt är det möjligt att tillhandahålla den konstanta produktkvalitet som kunden kräver.
I detta system mäts temperaturen vid två punkter som ger de viktigaste processvärdena, även kända som kritiska kontrollpunkter, förkortat CCP. Den ena är temperaturen på vatten som nästan kokar. I detta fall måste den vara exakt 95°C. Den andra är temperaturen i kylbadet där tillagningsprocessen stoppas. Två temperaturgivare styr värmeväxlaren och säkerställer exakta temperaturer.
Bild 1: Temperaturgivare av typen TA övervakar de nödvändiga temperaturvärdena i kokaren och i kylbadet. Bild 2: Kommer att användas i framtiden av staedler: Temperaturgivaren TCC är självövervakande vilket innebär att kalibreringsintervallen kan förlängas. Avvikelser i noggrannheten identifieras automatiskt och signaleras med en kopplingssignal och LED.
För dessa kritiska punkter använder staedler temperaturgivare av typen TA2502 från ifm. Dessa givare har ett mycket noggrant Pt1000-mätelement med snabb respons som täcker ett brett temperaturområde på -50–200 °C.Givarna har också hög repeterbarhet och långtidsstabilitet, vilket är en förutsättning för optimal och stabil produktkvalitet.
I framtiden planerar staedler att använda de självövervakande temperaturgivarna av typen TCC från ifm för att övervaka dessa punkter. Det speciella med denna enhet: Den har två oberoende mätelement med motsatttemperaturkarakteristik som motverkar varandra. Avvikelser i noggrannheten upptäcks därmed omedelbart och signaleras med larmkopplingssignaler. De visualiseras också tydligt via en lysdiod direkt på enheten. Detta förenklar den tillförlitliga produktkvaliteten enormt, eftersom temperaturen mellan kalibreringsintervallen alltid är säker så länge givaren inte upptäcker en avdrift som den sedan signalerar. Med andra industriella temperaturgivare kan avvikelser i temperaturen eller en avdrift uppstå redan en dag efter att kalibreringen har ägt rum. De identifieras inte utan upptäcks först vid nästa kalibrering. I värsta fall skulle en dyr produktåterkallelse kunna få negativa konsekvenser för tillverkarens rykte.
Övervakning av CIP-rengöringsprocessen med konduktivitet
Efter varje produktionsladdning genomgår systemet en CIP-rengöringsprocess. En separat pump används för att skölja produktlinjerna med alkaliska och sura rengöringsmedel. Därefter sköljs de med rent vatten innan produktionen återupptas. Under denna process spelar ifm-konduktivitetsgivaren LDL200 en viktig roll. Baserat på exakt konduktivitetsmätning är det möjligt att bekräfta om ledningen innehåller ett rengöringsmedel och i vilken koncentration. Utifrån mätvärdena känner styrsystemet t.ex. av om ytterligare rengöringsmedel ska tillsättas eller om för-, mellan- och slutsköljningen har ägt rum. Det sista steget i rengöringsprocessen är sköljning med rent vatten. Först när den exakta konduktiviteten för det slutliga sköljvattnet har uppnåtts frigörs systemet för produktion. Detta säkerställer en tydlig fasseparation under CIP-processen.
Samtidigt med konduktiviteten mäter LDL200 medietemperaturen och överför värdena till styrsystemet med hjälp av kommunikationsprotokollet IO-Link. Den används också för att styra värmeväxlaren så att den alltid har tillräckligt med energi för att reglera temperaturen på det kokande vattnet.
Koll på nivån
Systemet har två stora vattentankar: Badet med det heta vattnet och kylbadet i slutet av processen. Tryckgivare är installerade i botten av varje tank. De används för att mäta det hydrostatiska trycket. De ifm-givare som används har ett idealt tryckområde på 100 mbar–2,5 bar. De bestämmer den exakta nivån och används för att reglera den. Det är därför möjligt att undvika att tanken svämmar över när den fylls på med vatten.
Kontroll över vattenförsörjningen
Vatten går förlorat under tillagningsprocessen. En anledning är att själva produkten, i det här fallet spätzle, absorberar vatten och att vatten dessutom avges i form av ånga under tillagningsprocessen. Av dessa skäl måste vatten kontinuerligt tillsättas.
Lukas Staedler: "Vi använder den magnetiska flödesmätaren SM2100 från ifm för att reglera påfyllningen av nytt vatten. Den mäter kontinuerligt flödet under tillagningsprocessen.
Detta sker i samarbete med nivågivare. När nivågivarna signalerar att vattennivån sjunker tillsätts nytt vatten och flödesmätaren fastställer hur mycket vatten som har gått förlorat, genom att ha absorberats av produkten eller som ånga.
Vatten förloras också under avlägsnandet av restslam. Förbrukat vatten dräneras bort och nytt vatten fylls på. Detta sker under en tidsbestämmande faktor som bestäms av receptet. Även i detta fall används SM för att mäta den mängd vatten som ska tillsättas."
Flödesmätaren spelar också en viktig roll under rengöringsprocessen eftersom den övervakar mängden färskvatten som används för sköljning. På så sätt skapas transparens genom hela matlagningsprocessen.
Positionsövervakning med induktiva givare
Induktiva givare för positionsavkänning är också installerade. Även om de inte är en direkt del av tillagningsprocessen har de en viktig övervakningsfunktion. Kylbandet med vilket produkten överförs till och från kylbadet kan lyftas ur badet med hjälp av en lyftanordning för att rengöras manuellt. Två induktiva givare används för beröringsfri detektering av den övre och undre positionen. De säkerställer också att systemet endast kan återstartas om bandet är i rätt nedre position.
En tredje induktiv givare är monterad på gallret. Denna tas också bort för manuell rengöring. Givaren kontrollerar om den är korrekt monterad innan produktionen kan återupptas.
Bild 1: Kylbandet kan lyftas ut för rengöring med hjälp av en talja. Induktiva givare används för att detektera den relevanta övre och nedre positionen. Bild 2: Efter manuell rengöring och återmontering av gallret kan produktionen återupptas först efter att det har frigjorts av den induktiva givaren.
Givarkommunikation med hjälp av IO-Link
Alla givare är anslutna till styrsystemet via IO-Link. Detta digitala kommunikationsprotokoll överför mätvärdena till styrsystemet i digital form. Detta innebär att mätfel som orsakas av omvandlingsförluster undviks på ett tillförlitligt sätt. Men IO-Link kan göra mer än så.
Lukas Staedler: "Varje givare som är en CCP-givare måste kontrolleras varje år eller halvår. Temperaturgivarna placeras i en vätska med referenstemperatur och kalibreras. Vi kalibrerar temperaturgivare med hjälp av IO-Link."
Med konduktivitetsgivaren LDL använder vi båda processvärdena, temperatur och konduktivitet, via en enda kabel. Flödesmätaren SM överför räknevärdena och den aktuella hastigheten via en utgång via IO-Link till styrsystemet."
Som svar på frågan om huruvida IO-Link förenklar automationen har Lukas Staedler en tydlig åsikt: "I grunden innebär automation mer arbete, men IO-Link ger ett tydligt mervärde. Det är möjligt att överföra flera signalvärden via en ledning. Det sparar monteringskostnader. Eller om vi tittar på temperaturgivarna: Kalibreringen sker direkt på givaren och inte som tidigare med hjälp av korrigeringsvärden i styrsystemet. Detta förenklar programmeringen av kontrollerna. Sammantaget är fördelarna med IO-Link överlägset störst."
Konduktivitetsgivaren LDL200 känner tillförlitligt av om det finns rent vatten eller rengöringsmedel från CIP-processen i ledningarna. Samtidigt mäter den även temperaturen och överför båda mätvärdena via IO-Link till styrsystemet.
Tryckgivare av typen PM använder det hydrostatiska trycket för att detektera nivån i kokaren och kylbadet.
Den magnetiska flödesmätaren SM2100 används för att detektera den aktuella flödeshastigheten samt den totala mängden matarvatten. Båda värdena överförs till styrsystemet via IO-Link.
Slutsats
staedler är övertygad av de automationslösningar som ifm erbjuder. Lukas Staedler sammanfattar: "Vi är mycket nöjda med ifm. Vi har även använt ifm i tidigare projekt. Anledningen är att ifm har ett omfattande givarkoncept, med allt från induktiva givare, magnetiska flödesmätare, temperaturgivare och tryckgivare till konduktivitetsmätning. Kort sagt: Vi kan tillgodose alla våra behov i systemet med ifm-givare. Ytterligare ett skäl är att förhållandet mellan pris och prestanda är rätt. Givarna är lämpliga för denna typ av system och dessutom prisvärda. Vi kommer att använda ifm även för framtida projekt."
