Jaké jsou nové možnosti senzorů s krytím IP69K navržených pro linky na zpracování potravin, nápojů a farmaceutických výrobků?

Asanace je povinným opatřením při zpracování potravin, nápojů a farmaceutických výrobků. Stejně jako všechny provozy koncepce Industry 4.0 vyžadují také tyto zpracovatelské linky vysokou úroveň automatizace podporovanou řadou senzorů.

Znamená to používání senzorů s ochranou proti vniknutí (IP) 69K, které jsou odolné proti vlivům okolního prostředí, vysokotlakému mytí a běžným operacím čištění bez demontáže (CIP) pro zachování hygienického provozního prostředí při současném zajištění efektivního provozu.

Kromě krytí IP69K je u senzorů v těchto aplikacích často vyžadováno, aby byly vyrobeny z materiálů splňujících požadavky Úřadu pro kontrolu potravin a léčiv (FDA), například ze slitiny nerezové oceli SAE 360 L, která je vysoce odolná vůči korozi a odolává běžným operacím čištění bez demontáže (CIP). Pro jiné aplikace je vhodné pouzdro vyrobené z plastu třídy FDA.

Tento článek začíná přehledem požadavků krytí IP69K, jak je definováno v normě DIN 40050-9, zabývá se vlastnostmi různých nerezových ocelí třídy FDA včetně řad SAE 200, 300 a 400, a posuzuje dostupné plasty třídy FDA a případy, kdy je lze využít.

Dále představuje několik nových senzorů od společnosti Banner Engineering, které jsou vhodné pro použití v potravinářských, nápojových a farmaceutických výrobních linkách, společně s některými návrhy aplikací a instalací. Článek zakončuje pohledem na aplikaci uzavírání láhví, která vyžaduje kvalitu snímače IP69K, nikoli však pouzdro vyrobené z materiálu schváleného úřadem FDA.

Splňují senzory s krytím IP69K také třídu krytí IP68?

Senzor může být navržen tak, aby splňoval obě normy. Číslo „6“ v těchto klasifikacích IP znamená, že tato zařízení jsou prachotěsná a nevniká do nich prach.

Splnění klasifikace IP69K však automaticky neznamená, že senzor splňuje také klasifikaci IP68. Mezinárodní elektrotechnická komise (IEC) 40050-9 je založena na německé normě, která rozšiřuje klasifikační systém IP IEC 60529 přidáním stupně IP69K pro aplikace vysokotlakého a vysokoteplotního mytí, který se však poněkud liší od ostatních klasifikací IP.

Ochrana proti vniknutí vody IP68 je založena na stupni IP67. Stupeň IP67 vyžaduje dočasné ponoření do vody do hloubky jednoho metru po dobu alespoň 30 minut. Stupeň IP68 rovněž zahrnuje ponoření do vody za zkušebních podmínek stanovených dohodou mezi výrobcem zařízení a uživatelem, musí však být přísnější než stupeň IP67. Například senzory s klasifikací IP68 od společnosti Banner Engineering odolávají nepřetržitému ponoření do vody v hloubce dvou metrů po dobu minimálně 24 hodin.

Klasifikace IP69K nevyžaduje ponoření do vody. Testování na klasifikaci IP69K zahrnuje tři prvky:

• Schopnost postřikovat zařízení vodou +80 °C o průtoku 14 až 16 litrů za minutu (l/min) a tlaku 10 MPa (1500 liber na čtvereční palec, psi)
• Postřikovací tryska musí být držena ve vzdálenosti 10 až 15 cm od zařízení pod úhlem 0°, +30°, +60° a +90°, vždy po dobu 30 sekund, celkem tedy 120 sekund.
• Zařízení se otáčí na karuselu jednou za 12 sekund.

Senzory s krytím IP69K od společnosti Banner Engineering jsou dodatečně testovány na ponoření do vody v hloubce alespoň jednoho metru, což je požadavek převyšující standardní testování IP69K (obrázek 1). Po testování je senzor zkontrolován na vnitřní přítomnost vody. Uvnitř by neměla být přítomna žádná voda a senzor musí nadále vykazovat normální funkci, aby vyhověl testu.

Obrázek 1: senzory se stupněm krytí IP69K, jako je tento, odolávají vysokotlakému mytí při vysokých teplotách. (Zdroj obrázku: Banner Engineering)

Důležitá je také koroze

Systém klasifikace IP udává, do jaké míry kryt chrání před vnikáním pevných částic a tekutin. Nezohledňuje provoz v korozivním prostředí. Takový provoz pokrývají požadavky úřadu FDA.

Úřad FDA vydává předpisy ohledně materiálů krytu, aby bylo zajištěno jejich bezpečné použití s potravinami a léčivy. Například potravinářská nerezová ocel musí splňovat následující požadavky:

• Musí mít minimální obsah chrómu 16 %. Díky chrom-oxidovému filmu, který se samoregeneruje v přítomnosti kyslíku, se nerezová ocel stává odolnou vůči korozi.
• Materiál musí být z nerezových ocelí řady SAE 200, 300 resp. 400, které zahrnují slitiny chrom-nikl-mangan, chrom-nikl, resp. slitiny chromu.
• Materiál musí mít hladký, snadno čistitelný povrch.
• Musí být odolný proti důlkům, štěpení, praskání, poškrábání a rýhování a musí být dostatečně silný, aby vydržel opakované vysokotlaké mytí při vysokých teplotách.
• Materiál nesmí na potraviny přenášet pachy, chutě nebo barvy.

Pro řešení s nižší hmotností je eloxovaný hliník podle FDA považován za „obecně uznávaný jako bezpečný“. Při použití hliníku je nutná správná manipulace a zpracování.

Existuje celá řada plastů schválených úřadem FDA. Běžné vlastnosti zahrnují vysokou odolnost proti opotřebení, ohybu a rozměrovým změnám. Několik příkladů:

• Polykarbonát je lehký, průhledný a výjimečně pevný materiál.
• Polybutylentereftalát (PBT polyester) má vysokou pevnost, tuhost a rozměrovou stálost. Je odolný vůči chemikáliím, oxidaci, vodě a teplotám do 150 °C.
• Akryl je netoxický, průhledný plast schválený pro manipulaci s materiály. Je také tepelně odolný a vhodný pro použití v náročných prostředích.
• Nylon má výjimečné vlastnosti jako bariéra proti kyslíku a vlhkosti. Používá se k ochraně součástí proti vlivům okolního prostředí.

Fotoelektrické senzory z nerezové oceli třídy FDA

Fotoelektrické senzory řady Q4X od společnosti Banner Engineering nabízejí v závislosti na modelu rozsah snímání 25 až 610 mm. Například model Q4XFKLAF310-Q8 má detekční rozsah 35 až 310 mm.

Tento senzor, jehož těleso je vyrobeno z nerezové oceli 316L třídy FDA, používá krytí IP68 podle normy IEC60529 a IP69K podle normy DIN 40050-9. Senzor kompatibilní s kyselými nebo žíravými čisticími a dezinfekčními chemikáliemi běžně používanými při čištění a asanaci zařízení a má certifikaci ECOLAB.

Během provozu snímače se na 4místném, 7segmentovém displeji zobrazuje aktuální naměřená hodnota nebo odpovídající hodnota analogového výstupu (obrázek 2). Další vlastnosti zahrnují:

• Diskrétní analogové modely (0 V až 10 V nebo 4 mA až 20 mA), modely s detekcí průsvitných objektů a IO-Link modely
• Modely s vysokým rozlišením, analogovým výstupem a vyšším přebytkovým zesílením pro náročnější aplikace
• Detekce různých cílových barev, materiálů a povrchů podle vzdálenosti
• Režim Dual-teach (intenzita + vzdálenost), který lze používat v aplikacích s ochranou proti chybám, umožňuje detekci průsvitných objektů bez nutnosti zpětného odrazu

Obrázek 2: tento fotosenzor s krytím IP69K a IP68 je umístěn v pouzdru nerezové oceli třídy FDA. (Zdroj obrázku: společnost Banner Engineering)

Konfigurace rychlosti a změny

Volitelný vzdálený displej senzoru (RSD) RSD1QP lze používat se senzory řady Q4X a dalšími skupinami senzorů od společnosti Banner ke konfiguraci a monitorování (obrázek 3). Může urychlit změny produktů v továrnách koncepce Industry 4.0 a po dokončení konfigurace setrvat v připojeném nebo odpojeném stavu. Displej také zjednodušuje sledování senzorů na obtížně přístupných místech. Další využití displejů RSD zahrnují:

• Kopírování nastavení mezi senzory
• Podpora rychlé výměny senzorů
• Displej RSD je schopný uložit až šest konfigurací pro různé operace

Obrázek 3: displej RSD1 lze používat pro vzdálenou konfiguraci a monitorování senzorů, například řady Q4X od společnosti Banner. (Zdroj obrázku: společnost Banner Engineering)

Fotosenzory v plastovém pouzdru

Snímač odolný proti tekutinám T18-2VPRL-2M (T18-2) je autonomní fotoelektrický senzor navržený pro použití v náročných prostředích, jako jsou potravinářské výrobní linky, drůbežářské závody, detekce boxů a spouštění provozu stanic kontrolního vážení.

Pouzdro je vyrobeno z černého a žlutého polyesteru PBT, přičemž trubice a okénko indikátoru jsou vyrobeny z průsvitného bílého akrylu. Plastové pouzdro je svařeno pomocí ultrazvuku, aby bylo zajištěno úplné utěsnění, a elektronika je zapouzdřena v epoxidu s krytím IP69K, který poskytuje přídavné utěsnění (obrázek 4). Tyto senzory rovněž používají krytí IP68.

Obrázek 4: tento fotosenzor s krytím IP69K a IP68 je umístěn v plastovém pouzdru se schválením FDA. (Zdroj obrázku: společnost Banner Engineering)

Radarové senzory v hliníku s krytím IP69K

Radarové senzory, například modely řady Q90R, mohou být přínosem pro aplikace, jako je ochrana osob před stroji, práce s kolaborativními roboty (coboty) nebo pro měření úrovně hladiny v nádržích u potravinářských, nápojových a farmaceutických výrobních linek. Hliníkový kryt IP69K je robustní a lehký. Tyto senzory mají rozsah provozních teplot -40 °C až +65 °C, čímž jsou vhodné pro použití v náročných prostředích, jako jsou vlhké a zamlžené oblasti.

Například model Q90R-4040-6KDQ s rozsahem 150 mm až 20 m používá dva výstupy, jeden typu PNP/NPN s komunikací přes rozhraní IO-Link a druhý typu 1 PNP/NPN. U všech senzorů Q90R lze přizpůsobit parametry snímání, jako je tvar okna a cílové nastavené hodnoty. Rozhraní IO-Link je schopné podporovat datové přenosy v reálném čase.

Detekce objektů může být založena na vzdálenosti, rychlosti a úhlové poloze vzhledem k senzoru, což poskytuje konfigurovatelnou, vícerozměrnou výkonnost. Dvě nezávislé zóny jsou schopné detekovat a měřit více cílů současně (obrázek 5).

Obrázek 5: tento radarový senzor umístěný v hliníkovém pouzdru lze používat k monitorování hladiny v nádrži u potravinářských, nápojových a farmaceutických výrobních linek. (Zdroj obrázku: společnost DigiKey)

Osvětlení pro systémy vidění

Systémy vidění pro aplikace kontroly kvality a inspekce vyžadují kvalitní osvětlení pro optimální provoz. Utěsněná světelná LED tyč BL60 od společnosti Banner poskytuje jasné a soustředěné osvětlení. K dispozici jsou modely produkující vysoce intenzivní viditelné světlo ve čtyřech vlnových délkách plus infračervené (IR) světlo a ultrafialové světlo (UV) ve dvou vlnových délkách. Výkon systému vidění lze dále zlepšit výběrem nejvhodnější možnosti osvětlení.

Hliníková pouzdra odolná vůči oleji, chemikáliím a vodě používají krytí IP69K a jsou k dispozici v délkách 340 a 640 mm. K dispozici jsou tři možnosti oken: čirý nebo difúzní polykarbonát a borosilikátové sklo. Světla používají ovládání stmívání v rozsahu 1 až 10 V a funkci stroboskopu s nastavitelnou pulzně-šířkovou modulací (PWM). Příklady dostupných barev světla pro 340mm světelné LED tyče:

• Denní bílá (5000K), BL60W340L14ASQ
• Červená, BL60R340L14ASQ
• Zelená, BL60G340L14ASQ
• Modrá, BL60B340L14ASQ
• Infračervená, BL60I340L14ASQ.
• 365 nm ultrafialová, BL60UV365-340GL30ASQ
• 395 nm ultrafialová, BL60UV395-340L30ASQ

Poniklovaný zinkový laserový senzor s krytím IP69K pro uzávěry lahví

Nikoli každá senzorová aplikace v potravinářských, nápojových a farmaceutických výrobních linkách vyžaduje materiál pouzdra schválený úřadem FDA. Dobrým příkladem je uzavírání láhví.

Uzávěry lahví jsou často dodávány jako volně ložené a před použitím na plnicí lince vyžadují třídění. Nesprávně zarovnané uzávěry, například orientované obráceně, mohou vést k otevírání lahví nebo k zaseknutí uzavíracího stroje, což snižuje produktivitu. Laserový senzor, například model Q3XTBLD-Q8 (Q3X), dokáže rychle identifikovat, zda jsou některé uzávěry chybně orientovány ještě před tím, než dorazí do uzavíracího systému.

Senzor Q3X používá 100mm potlačení pozadí, čímž se stává ideálním pro aplikace detekce orientace. Díky pevnému potlačení pozadí lze senzory Q3X nastavit tak, aby rozpoznávaly určitou vzdálenost a ignorovaly cokoli mimo nastavenou hodnotu.

V aplikaci pro třídění uzávěrů lahví lze senzor Q3X nastavit tak, aby detekoval směřování horní strany uzávěru k senzoru. Je-li uzávěr orientován obráceně, bude ignorován. Je-li uzávěr orientován směrem k senzoru, bude odeslána chyba na výstup a uzávěr bude zamítnut. Uzávěr pak může být recyklován do třídiče k provedení dalšího pokusu.

Rychlá detekční schopnost senzoru Q3X je důležitá u vysokorychlostních plnicích linek. Tento senzor dokáže detekovat součástku během pouhých 250 µs a zachycovat až 2000 událostí za sekundu. Šikmý 3místný displej poskytuje uživateli zpětnou vazbu a urychluje nastavení i uvedení do provozu. Poniklované zinkové pouzdro používá krytí IP67 a IP69K, čímž je vhodné do vlhkého prostředí (obrázek 6).

Obrázek 6: tento laserový senzor s krytím IP69K je umístěn v poniklovaném zinkovém pouzdru vhodném pro procesy uzavírání láhví. (Zdroj obrázku: společnost Banner Engineering)

Závěr

V potravinářských, nápojových a farmaceutických výrobních linkách jsou vyžadovány robustní senzory, které splňují stupeň krytí IP69K a jsou schopné odolávat vysokotlakým a vysokoteplotním operacím čištění bez demontáže (CIP). Mnohé z těchto senzorů jsou také navrženy tak, aby splňovaly požadavky krytí IP68 pro ponoření do vody. Ve většině případů musí být umístěny v pouzdrech se schválením FDA, existují však výjimky, jako jsou operace uzavírání lahví.