Jakie są nowe opcje czujników IP69K dla linii przetwórstwa żywności, napojów i farmaceutyków?

Zachowanie warunków sanitarnych w przetwórstwie żywności, napojów i farmaceutyków jest bezwzględnie konieczne. Podobnie jak wszystkie operacje Przemysłu 4.0, linie technologiczne do wymienionych zastosowań wymagają wysokiego poziomu automatyki wykorzystującej liczne czujniki.

Oznacza to stosowanie przyjaznych dla środowiska czujników o stopniu ochrony przed wnikaniem IP69K, które wytrzymują spłukiwanie wodą pod wysokim ciśnieniem i procedury rutynowego czyszczenia na miejscu (CIP), w celu utrzymania higienicznego środowiska pracy przy jednoczesnym zapewnieniu jej sprawności.

Oprócz tego, że czujniki w tych zastosowaniach wymagają stopnia ochrony IP69K, często muszą być wykonane z materiałów spełniających wymogi amerykańskiej Agencji ds. Żywności i Leków (FDA). Jest to na przykład stop stali nierdzewnej SAE 360L, który jest wysoce odporny na korozję i wytrzymuje rutynowe procedury czyszczenia na miejscu (CIP). W przypadku innych zastosowań odpowiednia jest obudowa wykonana z tworzywa sztucznego spełniającego wymogi amerykańskiej Agencji ds. Żywności i Leków (FDA).

Niniejszy artykuł rozpoczyna się od przeglądu wymagań stopnia ochrony IP69K zgodnie z normą DIN 40050-9, omawia parametry różnych stali nierdzewnych spełniających wymagania amerykańskiej Agencji ds. Żywności i Leków (FDA), w tym serii SAE 200, 300 i 400, a także omawia dostępne tworzywa spełniające wymagania amerykańskiej Agencji ds. Żywności i Leków (FDA) oraz ich potencjalne zastosowania.

W dalszej części artykułu przedstawiono kilka nowych czujników firmy Banner Engineering, które są odpowiednie do użycia w liniach przetwórstwa żywności, napojów i farmaceutyków, wraz z sugestiami dotyczącymi zastosowań i instalacji. Artykuł kończy się przykładem rozwiązania do kapslowania butelek, które wymaga czujnika o parametrach IP69K, ale nie wymaga obudowy wykonanej z materiału zatwierdzonego przez amerykańską Agencję ds. Żywności i Leków (FDA).

Czy czujniki IP69K spełniają również wymagania IP68?

Czujnik może być zaprojektowany tak, aby był zgodny z obydwoma standardami. Cyfra „6” w stopniu IP oznacza, że dane urządzenia są pyłoszczelne i nie wnikają do nich pyły.

Jednak stopień IP69K nie oznacza automatycznie, że czujnik posiada też stopień IP68. Norma 40050-9 Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej (IEC) bazuje na normie niemieckiej, która rozszerza system ochrony IP wg normy IEC 60529 o stopień IP69K dla zastosowań wymagających mycia pod wysokim ciśnieniem i w wysokiej temperaturze, które odbiegają nieco od innych stopni ochrony IP.

Stopień ochrony IP68 przed wnikaniem wody bazuje na stopniu ochrony IP67. Stopień ochrony IP67 wytrzymuje tymczasowe zanurzenie w wodzie o głębokości do jednego metra przez co najmniej 30 minut. Stopień ochrony IP68 obejmuje również zanurzenie w wodzie w warunkach badania ustalonych w drodze porozumienia między producentem urządzenia a użytkownikiem i spełnia bardziej rygorystyczne wymagania niż stopień IP67. Na przykład czujniki firmy Banner Engineering o stopniu ochrony IP68 wytrzymują ciągłe zanurzenie przez co najmniej 24 godziny w wodzie na głębokości dwóch metrów.

Stopień ochrony IP69K nie zapewnia odporności na zanurzanie w wodzie. Próby stopnia IP69K obejmują trzy elementy:

• Rozpylanie na urządzenie wody o temperaturze +80°C z natężeniem przepływu od 14 do 16l/min i pod ciśnieniem 10MPa (1500psi)
• Dyszę rozpylającą należy trzymać w odległości 10-15cm od urządzenia pod kątem 0°, +30°, +60° i +90° przez 30 sekund, co łącznie daje 120 sekund
• Urządzenie obraca się na stole obrotowym co 12 sekund

Czujniki firmy Banner Engineering o stopniu ochrony IP69K są dodatkowo poddawane próbie zanurzeniowej w wodzie na głębokości co najmniej jednego metra, co wykracza poza standardowe wymogi prób stopnia IP69K (ilustracja 1). Po próbie wnętrze czujnika jest sprawdzane pod kątem obecności wody. W środku nie powinna znajdować się woda, a czujnik musi nadal działać normalnie, aby przejść próbę pomyślnie.

Ilustracja 1: czujniki o stopniu ochrony IP69K, takie jak ten, są w stanie wytrzymać płukanie wodą pod wysokim ciśnieniem i o wysokiej temperaturze. (Źródło ilustracji: Banner Engineering)

Korozja również ma znaczenie

System stopni ochrony IP wskazuje, jak dobrze obudowa chroni przed wnikaniem cząstek stałych i cieczy. Nie uwzględniono w nim pracy w środowisku korozyjnym. Określają to wymagania amerykańskiej Agencji ds. Żywności i Leków (FDA).

Amerykańska Agencja ds. Żywności i Leków (FDA) definiuje regulacje dotyczące materiałów obudów, aby zapewnić ich bezpieczeństwo w kontakcie z żywnością i farmaceutykami. Na przykład stal nierdzewna do zastosowań spożywczych musi spełniać następujące wymagania:

• Musi mieć minimalną zawartość chromu wynoszącą 16%. Dzięki warstwie tlenku chromu, która samoczynnie się naprawia w obecności tlenu, stal nierdzewna jest odporna na korozję.
• Musi pochodzić z serii stali nierdzewnych SAE 200, 300 lub 400, które obejmują odpowiednio stopy chromowo-niklowo-manganowe, stopy chromowo-niklowe i stopy chromu.
• Musi mieć gładką, łatwą do czyszczenia powierzchnię.
• Musi być odporna na wżery, odpryski, pęknięcia, zarysowania i nacięcia, a także musi być wystarczająco gruba, aby wytrzymać wielokrotne spłukiwanie wodą pod wysokim ciśnieniem i o wysokiej temperaturze.
• Nie może wpływać na zapach, smak ani kolor żywności.

Aby opracować lżejsze rozwiązanie, można sięgnąć po aluminium anodowane, które zostało uznane przez amerykańską Agencję ds. Żywności i Leków (FDA) „za ogólnie bezpieczne”. Użycie aluminium wymaga odpowiedniego traktowania i obróbki.

Istnieje wiele tworzyw sztucznych z aprobatą amerykańskiej Agencji ds. Żywności i Leków (FDA). Jedną z ich typowych cech jest wysoka odporność na zużycie, zginanie i zmiany wymiarów. Oto kilka przykładów:

• Poliwęglan jest lekkim, przezroczystym i wyjątkowo wytrzymałym materiałem.
• Poli(tereftalan butylenu) (poliester PBT) charakteryzuje się wysoką wytrzymałością, sztywnością i stabilnością wymiarową. Jest odporny na działanie chemikaliów, utlenianie i wodę oraz termoodporny do 150°C.
• Akryl jest nietoksycznym, przezroczystym tworzywem sztucznym dopuszczonym do transportu bliskiego materiałów. Jest również odporny na wysokie temperatury i może być używany w trudnych warunkach środowiskowych.
• Nylon posiada wyjątkowe właściwości barierowe dla tlenu i wilgoci. Służy do ochrony części przed wpływem środowiska zewnętrznego.

Czujniki fotoelektryczne ze stali nierdzewnej spełniające wymagania amerykańskiej Agencji ds. Żywności i Leków (FDA)

Czujniki fotoelektryczne z serii Q4X firmy Banner Engineering charakteryzują się zasięgiem od 25 do 610mm, w zależności od modelu. Na przykład model Q4XFKLAF310-Q8 ma zasięg wykrywania od 35 do 310mm.

Obudowa została wykonana ze stali nierdzewnej 316L spełniającej wymagania amerykańskiej Agencji ds. Żywności i Leków (FDA) i posiada stopień ochrony IP68 według normy IEC60529 oraz IP69K według normy DIN 40050-9. Jest ona kompatybilna z kwasowymi i żrącymi środkami chemicznymi do czyszczenia i dezynfekcji powszechnie stosowanymi w czyszczeniu i urządzeniach sanitarnych, a także posiada certyfikat ECOLAB.

Gdy czujnik znajduje się w trybie pracy, 4-cyfrowy wyświetlacz 7-segmentowy pokazuje bieżący odczyt pomiaru lub odpowiednią wartość wyjścia analogowego (ilustracja 2). Cechy dodatkowe:

• Modele dyskretne, analogowe (0-10V lub 4-20mA), do przezroczystych obiektów i z technologią IO-Link
• Modele o wysokiej rozdzielczości z wyjściem analogowym i wyższym nadmiernym wzmocnieniem do bardziej wymagających zastosowań
• Wykrywanie różnych kolorów, materiałów i powierzchni docelowych w zależności od odległości
• Podwójny tryb uczenia (intensywność + odległość) może być używany do zabezpieczania przed błędami i umożliwia wykrywanie obiektów przezroczystych bez konieczności stosowania retroreflektorów

Ilustracja 2: fotoczujnik o stopniu ochrony IP69K oraz IP68 umieszczony w obudowie ze stali nierdzewnej, spełniającej wymagania amerykańskiej Agencji ds. Żywności i Leków (FDA). (Źródło ilustracji: Banner Engineering)

Przyspieszenie konfiguracji i wymiany

Opcjonalny zdalny wyświetlacz czujnika (RSD) RSD1QP może być używany w połączeniu z czujnikami serii Q4X i innymi grupami czujników firmy Banner do konfiguracji i monitorowania (ilustracja 3). Pozwala on przyspieszyć przezbrajanie w fabrykach Przemysłu 4.0, a po zakończonej konfiguracji można go odłączyć lub pozostawić podłączony. Upraszcza również monitorowanie czujników w trudno dostępnych miejscach. Inne zastosowania zdalnego wyświetlacza czujnika (RSD):

• Kopiowanie ustawień między czujnikami
• Możliwość szybkiej wymiany czujników
• Zdalny wyświetlacz czujnika (RSD) może przechowywać maksymalnie sześć konfiguracji dla różnych operacji

Ilustracja 3: urządzenie RSD1 można wykorzystywać do zdalnej konfiguracji i monitorowania czujników, takich jak np. czujniki serii Q4X firmy Banner. (Źródło ilustracji: Banner Engineering)

Fotoczujniki w obudowach z tworzywa sztucznego

Czujnik spłukiwalny (T18-2) T18-2VPRL-2M jest niezależnym czujnikiem fotoelektrycznym przeznaczonym do użytku w trudnych warunkach, takich jak linie produkcyjne żywności, przetwórstwo drobiu, wykrywanie pudełek oraz uruchamianie stanowiska kontrolnego ważenia.

Obudowa została wykonana z czarnego i żółtego poliestru w postaci poli(tereftalanu butylenu) (PBT), a światłowody i okienko z półprzezroczystego białego akrylu. Plastikowa obudowa jest zgrzewana ultradźwiękowo, aby zapewnić całkowite uszczelnienie, a elektronika jest zamknięta w żywicy epoksydowej o stopniu ochrony IP69K, zapewniającej uszczelnienie redundantne (ilustracja 4). Wspomniane czujniki mają również stopień ochrony IP68.

Ilustracja 4: fotoczujnik o stopniu ochrony IP69K oraz IP68 jest umieszczony w obudowie z tworzywa sztucznego zatwierdzonego przez amerykańską Agencję ds. Żywności i Leków (FDA). (Źródło ilustracji: Banner Engineering)

Czujniki radarowe IP69K w obudowach aluminiowych

Czujniki radarowe, takie jak czujniki serii Q90R mogą przynieść korzyści w zastosowaniach, takich jak ochrona ludzi przed maszynami, praca z robotami współpracującymi (kobotami) lub pomiary na poziomie zbiorników na liniach przetwórstwa żywności, napojów i farmaceutyków. Obudowa aluminiowa o stopniu ochrony IP69K jest wytrzymała i lekka. Omawiane czujniki posiadają zakres temperatur roboczych od -40°C do +65°C, dzięki czemu mogą być stosowane w wymagających środowiskach, takich jak obszary o dużej wilgotności i zamgleniu.

Na przykład model Q90R-4040-6KDQ ma zasięg od 150mm do 20m i posiada dwa wyjścia - jedno PNP/NPN z komunikacją IO-Link i jedno PNP/NPN. Wszystkie czujniki Q90R pozwalają na dostosowanie takich parametrów wykrywania, jak kształt okienka i docelowe wartości zadane. Technologia IO-Link obsługuje przesyłanie danych w czasie rzeczywistym.

Wykrywanie obiektów może opierać się na odległości, prędkości i położeniu kątowym względem czujnika, zapewniając wielowymiarowe działanie z możliwością konfiguracji. Dwie niezależne strefy mogą jednocześnie wykrywać i mierzyć wiele obiektów docelowych (ilustracja 5).

Ilustracja 5: czujnik radarowy w obudowie aluminiowej może być używany do monitorowania poziomu w zbiornikach w liniach przetwórstwa żywności, napojów i farmaceutyków. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Oświetlenie do systemów wizyjnych

Optymalne działanie systemów wizyjnych do kontroli jakości i zastosowań inspekcyjnych wymaga dobrego oświetlenia. Uszczelnione listwy świetlne LED BL60 firmy Banner zapewniają jasne, skupione oświetlenie. Dostępne są modele, które wytwarzają cztery długości fal widzialnych o wysokiej intensywności, fale podczerwone (IR) oraz dwie długości fal ultrafioletowych (UV). Parametry działania systemu wizyjnego można jeszcze bardziej poprawić, wybierając najodpowiedniejszą opcję oświetlenia.

Obudowy aluminiowe odporne na oleje, chemikalia i wodę posiadają stopień ochrony IP69K i są dostępne w długościach 340 oraz 640mm. Dostępne są trzy opcje okienek: z poliwęglanu przezroczystego lub rozpraszającego światło oraz ze szkła borokrzemianowego. Posiadają one regulację jasności w zakresie od 1 do 10V oraz funkcję stroboskopową z nastawną modulacją szerokości impulsu (PWM). Przykładowe barwy światła dostępne w listwach oświetleniowych LED 340mm:

• Białe dzienne (5000K), BL60W340L14ASQ
• Czerwone, BL60R340L14ASQ
• Zielone, BL60G340L14ASQ
• Niebieskie, BL60B340L14ASQ
• Podczerwone, BL60I340L14ASQ.
• Ultrafioletowe 365nm, BL60UV365-340GL30ASQ
• Ultrafioletowe 395nm, BL60UV395-340L30ASQ

Czujnik laserowy w obudowie z cynku niklowanego o stopniu ochrony IP69K do kapslowania butelek

Nie każde zastosowanie czujników w liniach przetwórstwa żywności, napojów i farmaceutyków wymaga materiału obudowy zatwierdzonego przez amerykańską Agencję ds. Żywności i Leków. Dobrym przykładem jest kapslowanie butelek.

Kapsle są często dostarczane luzem i wymagają posortowania przed użyciem na linii rozlewniczej. Nieprawidłowo ustawione, na przykład odwrócone, mogą skutkować niezakapslowaniem butelek lub zablokowaniem kapslownicy, obniżając wydajność produkcji. Czujnik laserowy, przykładowo Q3XTBLD-Q8 (Q3X) może szybko określić, czy kapsle są ustawione we właściwy sposób, zanim dotrą do układu podawania.

Czujnik Q3X posiada funkcję tłumienia tła 100mm, dzięki czemu dobrze sprawdza się w zastosowaniach wykrywania orientacji. Dzięki stałemu tłumieniu tła czujniki Q3X można skonfigurować tak, aby rozpoznawały określoną odległość i ignorowały wszystko, co wykracza poza wartość zadaną.

W zastosowaniu do sortowania kapsli czujnik Q3X można skonfigurować tak, aby wykrywał, kiedy górna część kapsla jest zwrócona w stronę czujnika. Jeśli kapsel jest odwrócony, jest ignorowany. Jeśli kapsel jest zwrócony w stronę czujnika, wysyłany jest wyjściowy sygnał błędu, a kapsel jest odrzucany. Można go ponownie przekierować do sortownika kapsli w celu podjęcia kolejnej próby.

Szybkie wykrywanie przez urządzenie Q3X jest ważne w liniach rozlewniczych o wysokiej prędkości. Czujnik ten jest w stanie wykryć część w ciągu zaledwie 250µs i rejestruje do 2000 zdarzeń na sekundę. Pochylony 3-cyfrowy wyświetlacz zapewnia informacje zwrotne dla użytkownika oraz przyspiesza konfigurację i przekazanie do użytkowania. Obudowa z cynku niklowanego posiada stopień ochrony IP67 oraz IP69K, dzięki czemu jest odpowiednia do wilgotnych środowisk (ilustracja 6).

Ilustracja 6: czujnik laserowy o stopniu ochrony IP69K zamknięty w obudowie z cynku niklowanego i przeznaczony do procesów kapslowania butelek. (Źródło ilustracji: Banner Engineering)

Podsumowanie

Linie przetwarzania produktów spożywczych, napojów i farmaceutyków wymagają solidnych czujników o stopniu ochrony IP69K, wytrzymujących wysokie ciśnienia i wysokie temperatury podczas operacji czyszczenia na miejscu (CIP). Wiele z tych czujników zaprojektowano również z myślą o spełnieniu wymagań stopnia ochrony IP68 pod względem zanurzania w wodzie. W większości przypadków muszą one posiadać obudowy z materiałów zatwierdzonych przez amerykańską Agencję ds. Żywności i Leków (FDA), jednak istnieją wyjątki, na przykład operacje kapslowania butelek.