Uusia IP69K-anturivaihtoehtoja elintarvikkeiden, juomien ja lääkkeiden käsittelylinjoille

Sanitaatio on välttämätöntä elintarvikkeiden, juomien ja lääkkeiden käsittelyssä. Kuten kaikki Teollisuus 4.0 -prosessit, myös nämä käsittelylinjat vaativat korkeaa automaatioastetta ja lukuisia antureita.

Tämä tarkoittaa ympäristötekijöiltä suojattujen (IP) 69K-luokiteltujen antureiden käyttöä, jotka kestävät korkeapainepesuja ja rutiininomaista paikallaan puhdistamista (Clean-in-Place, CIP) hygieenisen toimintaympäristön ylläpitämiseksi ja samalla tehokkaan toiminnan varmistamiseksi.

IP69K-luokituksen lisäksi näissä sovelluksissa käytettävien antureiden täytyy usein olla valmistettuja materiaaleista, jotka täyttävät Yhdysvaltain elintarvike- ja lääkeviraston (FDA) vaatimukset. Esimerkki sellaisesta on ruostumattomasta teräksestä valmistettu SAE 360 L -seos, joka on erittäin korroosionkestävää ja joka kestää CIP-rutiinimenettelyt. Toisissa sovelluksissa voidaan käyttää FDA-tasoisesta muovista valmistettua koteloa.

Tämä artikkeli käsittelee aluksi DIN 40050-9 -standardin määrittelemiä IP69K-vaatimuksia. Se tarkastelee sitten FDA:n hyväksymien erilaisten ruostumattomien teräslaatujen, kuten SAE 200-, 300- ja 400-sarjan, suorituskykyä sekä tarkastelee saatavilla olevia FDA-tasoisia muoveja ja sitä, milloin niitä voidaan käyttää.

Se esittelee sen jälkeen useita Banner Engineeringin uusia antureita, jotka soveltuvat käytettäväksi elintarvikkeiden, juomien ja lääkkeiden käsittelylinjoilla, sekä joitakin sovellus- ja asennusehdotuksia. Artikkeli tarkastelee lopuksi pullojen korkitussovellusta, jossa tarvitaan IP69K-anturin suorituskykyä, mutta ei FDA:n hyväksymästä materiaalista valmistettua koteloa.

Täyttävätkö IP69K-anturit myös IP68-luokan vaatimukset?

Anturi voidaan suunnitella täyttämään molemmat standardit. ”6” tarkoittaa näissä IP-luokituksissa, että kyseiset laitteet ovat pölytiiviitä eikä pölyä pääse niiden sisään.

IP69K-luokan noudattaminen ei kuitenkaan tarkoita automaattisesti sitä, että anturi täyttää IP68-luokan vaatimukset. Kansainvälisen sähköteknisen komission (IEC) 40050-9 perustuu saksalaiseen standardiin, joka laajentaa IEC 60529 -standardin IP-luokitusjärjestelmää lisäämällä IP69K-luokan korkean paineen ja lämpötilan pesusovelluksille, jotka poikkeavat hieman muista IP-luokituksista.

IP68-luokan vesitiiviyssuojaus perustuu IP67-luokkaan. IP67 edellyttää hetkellistä upottamista yhden metrin syvyiseen veteen vähintään 30 minuutin ajaksi. Myös IP68 edellyttää upottamista veteen laitteen valmistajan ja käyttäjän välisellä sopimuksella määritellyissä testiolosuhteissa, ja sen täytyy olla tiukempi kuin IP67. Esimerkiksi Banner Engineeringin IP68-luokitellut anturit kestävät vähintään 24 tunnin yhtäjaksoisen upottamisen veteen kahden metrin syvyyteen.

IP69K ei edellytä upottamista veteen. IP69K-testaukseen kuuluu kolme elementtiä:

• mahdollisuus suihkuttaa laitteeseen vettä, jonka lämpötila on +80 °C, virtausnopeudella 14–16 litraa minuutissa (L/min) ja paineella 10 MPa (1500 paunaa neliötuumaa kohti, psi)
• suihkusuutinta on pidettävä 10–15 cm:n päässä laitteesta 30 sekunnin ajan kussakin kulmassa 0°, +30°, +60° ja +90° eli yhteensä 120 sekunnin ajan
• laite pyörii kääntöpöydällä kerran aina 12 sekunnissa.

Banner Engineeringin IP69K-luokitellut anturit on testattu lisäksi vedessä upottamalla ne vähintään metrin syvyyteen, mikä ylittää yleisen IP69K-testausvaatimuksen (kuva 1). Testin jälkeen tarkistetaan, onko anturin sisällä vettä. Sen sisällä ei saa olla vettä, ja anturin täytyy edelleen toimia normaalisti, jotta se voisi läpäistä testin.

Kuva 1: Tämän kaltaiset IP69K-luokitellut anturit kestävät pesuja korkeassa paineessa ja lämpötilassa. (Kuvan lähde: Banner Engineering)

Myös korroosiolla on merkitystä

IP-luokitusjärjestelmä ilmaisee, kuinka hyvin kotelo suojaa kiinteitä hiukkasia ja nesteitä vastaan. Se ei ota huomioon käyttöä syövyttävässä ympäristössä. FDA-vaatimukset kattavat myös tämän alueen.

FDA-säädökset käsittelevät myös koteloiden materiaaleja, jotta varmistetaan niiden turvallinen käyttö elintarvike- ja lääketeollisuudessa. Esimerkiksi elintarvikekäyttöön tarkoitetun ruostumattoman teräksen on täytettävä seuraavat vaatimukset:

• Sen kromipitoisuuden täytyy olla vähintään 16 prosenttia. Kromi-oksidikalvo, joka korjaa itsensä hapen vaikutuksesta, tekee ruostumattomasta teräksestä korroosionkestävää.
• Sen täytyy olla SAE 200-sarjan (sisältää kromi-nikkeli-mangaaniseosta), 300-sarjan (sisältää kromi-nikkeliseosta) tai 400-sarjan (sisältää kromiseosta) ruostumattomasta teräksestä.
• Sen pinnan on oltava sileä ja helposti puhdistettava.
• Sen täytyy kestää pistesyöpymistä, lohkeilua, halkeilua, naarmuuntumista ja uurteiden syntymistä, ja sen on oltava riittävän paksua, jotta se kestäisi toistuvia pesuja korkealla paineella ja korkeassa lämpötilassa.
• Siitä ei saa päästä elintarvikkeisiin hajuja, makuja eikä värejä.

FDA pitää anodisoitua alumiinia ”yleisesti turvalliseksi tunnustettuna” kevyempiä ratkaisuja varten. Oikeanlainen käsittely ja työstö ovat tarpeen alumiinia käytettäessä.

Saatavana on myös useita FDA:n hyväksymiä muoveja. Yleisiin ominaisuuksiin kuuluvat hyvä kestävyys kulumista, taipumista ja mittamuutoksia vastaan. Muutamia esimerkkejä:

• Polykarbonaatti on kevyttä, läpinäkyvää ja poikkeuksellisen vahvaa materiaalia.
• Polybutyleenitereftalaatti (PBT-polyesteri) on erittäin lujaa, jäykkää ja mittastabiilia. Se kestää kemikaaleja, hapettumista, vettä ja kuumuutta lämpötilaan 150 °C asti.
• Akryyli on myrkytöntä, läpinäkyvää muovia, joka on hyväksytty materiaalien käsittelyyn. Se myös kestää kuumuutta ja soveltuu vaativiin ympäristöihin.
• Nailonilla on poikkeukselliset happi- ja kosteussulkuominaisuudet. Sitä käytetään suojaamaan osia ulkoympäristöltä.

Valosähköiset anturit FDA-tasoisesta ruostumattomasta teräksestä

Banner Engineeringin Q4X-sarjan valosähköisten antureiden mittausalue on mallista riippuen 25–610 mm. Esimerkiksi mallin Q4XFKLAF310-Q8 mittausalue on 35–310 mm.

Kotelo on valmistettu FDA-tasoisesta ruostumattomasta 316 L -teräksestä, ja sen suojausluokka on IP68 IEC 60529 -standardin ja IP69K DIN 40050-9 -standardin mukaan Se on yhteensopiva sekä happamien että syövyttävien puhdistus- ja desinfiointikemikaalien kanssa, joita käytetään yleisesti laitteiden puhdistuksessa ja sanitaatiossa. Lisäksi sillä on ECOLAB-sertifiointi.

Kun anturi on toimintatilassa, 4-numeroinen 7-segmenttinen näyttö näyttää senhetkisen mittauslukeman tai vastaavan analogisen lähtöarvon (kuva 2). Muita ominaisuuksia:

• diskreetit, analogiset (0–10 V tai 4–20 mA), kirkkaille objekteille tarkoitetut ja IO-Link-mallit
• korkean resoluution mallit analogisella lähdöllä ja korkeammalla ylivahvistuksella haastavampia sovelluksia varten
• tunnistaa kohteen erilaisia värejä, materiaaleja ja pintoja etäisyydestä riippuen
• kaksoisopetustilaa (voimakkuus + etäisyys) voidaan käyttää virheentarkastussovelluksissa. Se mahdollistaa kohteen selkeän tunnistuksen ilman paluuheijastinta

Kuva 2: Tämä IP69K- ja IP68-luokiteltu valoanturi käyttää FDA-tasoista ruostumatonta teräskoteloa. (Kuvan lähde: Banner Engineering)

Konfiguroinnin ja muutosten nopeuttaminen

Lisävarusteena saatavaa RSD1QP-etäanturinäyttöä (RSD) voidaan käyttää Bannerin Q4X-sarjan ja muiden anturiperheiden kanssa konfigurointia ja valvontaa varten (kuva 3). Se voi nopeuttaa tuotteiden vaihtoja Teollisuus 4.0 -tehtaissa ja se voidaan jättää anturiin kiinni tai irrottaa anturista konfiguroinnin päätyttyä. Lisäksi se helpottaa antureiden valvontaa vaikeapääsyisissä paikoissa. Etäanturinäytön muihin käyttökohteisiin kuuluvat:

• asetusten kopiointi antureiden välillä
• antureiden nopean vaihtamisen helpottaminen
• RSD voi tallentaa jopa kuusi konfiguraatiota eri operaatioita varten.

Kuva 3: RSD1-etäanturinäyttöä voidaan käyttää Bannerin Q4X-sarjan kaltaisten antureiden etäkonfigurointiin ja -valvontaan. (Kuvan lähde: Banner Engineering)

Valoanturit muovikoteloissa

T18-2VPRL-2M (T18-2) -pesuanturi on itsenäisesti toimiva valosähköinen anturi, joka on suunniteltu käyttöön vaativissa ympäristöissä, kuten elintarvikkeiden tuotantolinjoilla, siipikarjan prosessoinnissa, laatikoiden tunnistuksessa ja tarkistusvaaka-aseman toiminnan aktivoinnissa.

Kotelo on valmistettu mustakeltaisesta PBT-polyesteristä, ja merkkivaloputket ja ikkuna on valmistettu läpikuultavasta valkoisesta akryylistä. Muovikotelo on ultraäänihitsattu täydellisen tiiviyden varmistamiseksi, ja elektroniikka on kapseloitu IP69K-luokitellulla epoksilla, joka tarjoaa varatiivisteen (kuva 4). Näillä antureilla on myös IP68-luokitus.

Kuva 4: Tämä IP69K- ja IP68-luokiteltu valoanturi on koteloitu FDA-hyväksyttyyn muoviin. (Kuvan lähde: Banner Engineering)

Alumiinista valmistetut IP69K-tutka-anturit

Q90R-sarjan kaltaisista tutka-antureista on hyötyä sellaisissa sovelluksissa kuten ihmisten suojaamisessa koneilta, yhteistyörobottien (cobottien) kanssa työskentelyssä tai säiliöiden pinnantason mittauksissa elintarvikkeiden, juomien ja lääkkeiden käsittelylinjoilla. IP69K-luokiteltu alumiinikotelo on lujatekoinen ja kevyt. Näiden antureiden käyttölämpötila-alue on −40 °C ... +65 °C, joten ne soveltuvat käytettäväksi myös vaativissa ympäristöissä, kuten kosteissa ja sumuisissa tiloissa.

Esimerkiksi mallin Q90R-4040-6KDQ mittausetäisyys on 150 mm – 20 m, ja se tarjoaa kaksi lähtöä, yhden PNP/NPN-muotoisen IO-Link-kommunikaatiolla ja yhden PNP/NPN-muotoisen. Kaikissa Q90R-antureissa on mahdollista säätää anturiparametreja, kuten ikkunan muotoa ja tavoiteasetusarvoja. IO-Link tukee reaaliaikaista tiedonsiirtoa.

Objektin tunnistus voi perustua etäisyyteen, nopeuteen ja kulma-asentoon anturiin nähden, mikä mahdollistaa konfiguroitavissa olevan moniulotteisen suorituskyvyn. Kaksi riippumatonta vyöhykettä voi havaita ja mitata useita kohteita samanaikaisesti (kuva 5).

Kuva 5: Tätä alumiinikoteloon sijoitettua tutka-anturia voidaan käyttää säiliöiden pinnantason valvontaan elintarvikkeiden, juomien ja lääkkeiden käsittelylinjoilla. (Kuvan lähde: DigiKey)

Valaistus näköjärjestelmiä varten

Laadunvalvonta- ja tarkastussovelluksissa käytettävät näköjärjestelmät tarvitsevat hyvän valaistuksen toimiakseen optimaalisesti. Bannerin suljetut BL60-ledikiskovalaisimet tarjoavat kirkkaan, kohdennetun valaistuksen. Saatavilla on malleja, jotka tuottavat neljä erittäin voimakasta näkyvää aallonpituutta sekä infrapuna-aallonpituuden (IR) ja kaksi ultraviolettiaallonpituutta (UV). Näköjärjestelmän suorituskykyä voidaan parantaa entisestään valitsemalla sopivin valaistusvaihtoehto.

Öljyn-, kemikaalien- ja vedenkestävät alumiinikotelot ovat IP69K-luokiteltuja ja saatavana pituuksina 340 ja 640 mm. Ikkunavaihtoehtoja on kolme: kirkas tai himmeä polykarbonaatti sekä borosilikaattilasi. Niissä on 1–10 V:n himmennysohjaus ja pulssinleveysmodulaatiolla (PWM) säädettävä stroboskooppitoiminto. Esimerkkejä 340 mm:n ledikiskovalaisimiin saatavista valoväreistä:

• päivänvalon valkoinen (5000K), BL60W340L14ASQ
• punainen, BL60R340L14ASQ
• vihreä, BL60G340L14ASQ
• sininen, BL60B340L14ASQ
• infrapuna, BL60I340L14ASQ.
• 365 nm ultravioletti, BL60UV365-340GL30ASQ
• 395 nm ultravioletti, BL60UV395-340L30ASQ.

Nikkelöidystä sinkistä valmistettu IP69K-luokan laseranturi pullonkorkeille

Kaikki anturisovellukset elintarvikkeiden, juomien ja lääkkeiden käsittelylinjoilla eivät vaadi FDA:n hyväksymää kotelomateriaalia. Pullojen korkitus on hyvä esimerkki.

Pullonkorkit toimitetaan usein irtotavarana, ja ne on lajiteltava ennen niiden käyttöä täyttölinjalla. Väärin suunnatut korkit, kuten ylösalaisin olevat korkit, voivat johtaa siihen, että pullot jäävät ilman korkkia tai ne voivat tukkia korkituskoneen ja vähentävät tuottavuutta. Q3XTBLD-Q8:n (Q3X) kaltainen laseranturi voi tunnistaa nopeasti, jos jokin korkki on väärin päin ennen sen saapumista korkkien syöttöjärjestelmään.

Q3X tarjoaa 100 mm:n taustavaimennuksen, minkä ansiosta se soveltuu hyvin suuntaussovelluksiin. Kiinteän taustavaimennuksen ansiosta Q3X-anturit voidaan asettaa suorittamaan tunnistus halutulla etäisyydellä ja jättämään huomiotta kaikki asetusarvon ulkopuolella oleva.

Pullonkorkkien lajittelusovelluksessa Q3X-anturit voidaan asettaa tunnistamaan, kun korkin yläosa osoittaa kohti anturia. Jos korkki osoittaa poispäin, se ohitetaan. Jos se osoittaa kohti anturia, lähetetään virheilmoitus ja korkki hylätään. Se voidaan kierrättää korkkilajittelijaan uutta yritystä varten.

Q3X-anturin korkea tunnistusnopeus on tärkeää huippunopeilla täyttölinjoilla. Tämä anturi voi tunnistaa osan vain 250 mikrosekunnissa (µs) ja suorittaa jopa 2000 tapahtumaa sekunnissa. Kallistettu kolminumeronäyttö antaa palautetta käyttäjälle sekä nopeuttaa asennusta ja käyttöönottoa. Nikkelöity sinkkikotelo on IP67- ja IP69K-luokiteltu, joten se soveltuu kosteisiin ympäristöihin (kuva 6).

Kuva 6: Tämä IP69K-luokiteltu laseranturi sijaitsee nikkelöidyssä sinkkikotelossa, joka soveltuu pullojen korkitusprosesseihin. (Kuvan lähde: Banner Engineering)

Yhteenveto

Elintarvikkeiden, juomien ja lääkkeiden käsittelylinjoilla tarvitaan robusteja antureita, jotka täyttävät IP69K-luokan vaatimukset ja kestävät CIP-toimintoja korkealla paineella ja korkeassa lämpötilassa. Monet näistä antureista on suunniteltu täyttämään myös IP68-vaatimukset veteen upottamisesta. Useimmissa tapauksissa anturien on käytettävä FDA:n hyväksymistä materiaaleista valmistettuja koteloita, vaikka poikkeuksiakin on olemassa, kuten pullojen korkitustoiminnot.