Cyfrowe czujniki monitorują przemysłowe systemy gotowania

Uniknięcie kontaktu produktów z urządzeniami, minimalizacja uszkodzeń przygotowywanych dań czy gwarancja niezmiennie perfekcyjnej jakości potraw. To główne zalety wykorzystywania sensorów monitorujących przemysłowe systemy gotowania w zakładach produkcyjnych i fabrykach. Europejskie nowinki technologiczne coraz częściej są instalowane w polskich przedsiębiorstwach. To daje krajowym producentom artykułów spożywczych większe możliwości konkurowania i rozwoju.

Kiedy przyrządzamy potrawy w domu i widzimy, że woda zaczyna się gotować, wiemy, że jest to właściwa temperatura, jednak, w przemysłowych procesach gotowania, temperatury muszą być dokładniejsze. Tylko w ten sposób można zapewnić stałą jakość produktu, jakiej wymaga klient. Aby utrzymać najwyższy poziom na szeroką skalę, poszczególne etapy muszą być dokładnie kontrolowane. Właściciele zachodnich fabryk w tym celu od lat stosują sprawdzone metody smart manufacturing z gamy Industry 4.0. Polscy przedsiębiorcy też mają już swobodny dostęp do tych innowacji.

Pełna automatyzacja

Jednym z wzorcowych projektów jest instalacja przeznaczona dla klienta wytwarzającego tak zwane szpecle. To niewielkie kluseczki przygotowywane z mąki i jajek, specjalny rodzaj makaronu, niezwykle popularny w kuchni szwajcarskiej, tyrolskiej i na południu Niemiec. Kluczem w jego właściwej produkcji jest utrzymywanie dokładnej temperatury w systemie, który posiada dwa duże zbiorniki na wodę: kąpiel z gorącą wodą oraz kąpiel chłodzącą na końcu procesu.

W czasach cyfryzacji i robotyki jest to możliwe dzięki wykorzystywaniu technologicznych innowacji. Te wdrożyła na swoim terenie między innymi firma staedler automation AG, która znajduje się w Henau w Szwajcarii i ma ponad 10 lat doświadczenia w wykorzystaniu systemów do automatyzacji procesów gotowania dla przemysłu spożywczego.

– Pracujemy na olbrzymim rondlu, szybkowarze, który jest w ciągłym ruchu. Świeże ciasto jest ładowane na początku linii gotowania i przechodzi przez określone fazy, dzięki czemu na końcu powstaje idealnie ugotowany we właściwym stopniu produkt. Gotowany artykuł spożywczy jest przenoszony do gorącej wody za pomocą łopatki. Ponieważ podczas procesu gotowania prawie nie ma żadnych mechanicznych kontaktów między urządzeniem, a produktem, minimalizuje to uszkodzenia. Stosując zdefiniowany czas gotowania zapewniamy też stałą, najwyższą jakość produktu – zapewnia Lukas Staedler, dyrektor generalny firmy staedler automation AG.

Precyzyjna samokontrola

W tym systemie temperatura jest mierzona w dwóch punktach, dostarczając wartości procesu, znane również jako krytyczne punkty kontroli. Jednym z nich jest temperatura wody, która prawie się gotuje. W tym przypadku musi to być dokładnie 95 stopni Celsjusza. Druga to temperatura kąpieli chłodzącej, w której proces gotowania zostaje zatrzymany.

W przypadku tych krytycznych punktów firma staedler korzysta z czujników temperatury typu TA2502 ifm, które mają bardzo dokładny, szybko reagujący element pomiarowy, obejmujący szeroki zakres temperatur od -50 do 200 stopni Celsjusza. Ponadto czujniki charakteryzują się wysoką powtarzalnością i długotrwałą stabilnością, co jest podstawą optymalnej i wzorcowej jakości produktu.

Firma planuje również wykorzystać do monitorowania punktów samokontrolujące się czujniki temperatury typu TCC. Urządzenie posiada dwa niezależne elementy pomiarowe o przeciwnych charakterystykach temperaturowych, które wzajemnie się diagnozują. Odchylenia w dokładności są natychmiast rozpoznawane i sygnalizowane przez alarm lub diody LED umieszczone bezpośrednio na urządzeniu. O ile sensor nie wykrywa dryftu, który od razu komunikuje, to kalibracja temperatury jest możliwa cały czas nawet pomiędzy interwałami. Taki system całkowicie zapobiega kosztownym wycofywaniem z rynku niespełniających norm produktów i równolegle chroni reputację producenta.

Bezstratna regulacja

Podczas gotowania traci się wodę, między innymi w fazie przenoszenia produktów za pomocą szpatułki czy ulatniania się jej w postaci pary lub usuwania resztek. Aby uniknąć tego problemu, specjaliści korzystają z przepływomierzu elektromagnetycznego. Woda musi być stale dozowana, aby zbiorniki mogły być odpowiednio wypełnione i pracowały optymalnie. Do regulacji uzupełniania świeżej wody można użyć miernika elektromagnetycznego SM2100 ifm, który stale mierzy przepływ i jego prędkość podczas procesu gotowania.

– Odbywa się to we współpracy z czujnikami poziomu. Gdy stan wody spada, sensor dodaje świeżą wodę, a przepływomierz określa, ile wody zostało utracone, po wchłonięciu przez produkt lub w postaci pary czy utraty podczas usuwania osadów resztkowych. Zużyta woda jest spuszczana i w jej miejsce dodawana jest świeża woda. Odbywa się to w czasie określonym przez recepturę. Również w tym przypadku sensor służy do pomiaru ilości wody, która ma być dodana – tłumaczy Lukas Staedler.

Przepływomierz odgrywa również ważną rolę podczas procesu czyszczenia, ponieważ monitoruje ilość świeżej wody używanej do płukania. Przepływomierz elektromagnetyczny bada też całkowitą ilość dostarczanej wody zasilającej. W ten sposób zapewnia przejrzystość podczas całego procesu gotowania.

Czysty monitoring

Po każdym załadowaniu produkcyjnym system przechodzi proces czyszczenia CIP. Oddzielna pompa służy do płukania linii produktów środkami czyszczącymi, następnie, przed wznowieniem produkcji, są one spłukiwane czystą wodą. Podczas tego procesu ważną rolę odgrywa czujnik przewodności ifm LDL200, odpowiedzialny za monitoring.

– Na podstawie precyzyjnego pomiaru przewodności można przykładowo stwierdzić, czy linia zawiera środek myjący oraz w jakim dokładnie jest stężeniu. System sterowania rozpoznaje na przykład, czy należy dodać dalsze środki czyszczące lub czy miało miejsce płukanie wstępne, pośrednie i końcowe. Ostatnim etapem procesu czyszczenia jest spłukanie czystą wodą. Dopiero, gdy osiągnięta zostanie dokładna przewodność końcowej wody do płukania, system zostaje zwolniony do produkcji. Zapewnia to wyraźną separację faz podczas procesu CIP – wyjaśnia Jacek Łobodziec, inżynier ds. aplikacji w firmie ifm electronic, tworzącej innowacyjne technologie dla przemysłu spożywczego.

Równocześnie z przewodnością czujnik LDL200 mierzy temperaturę medium i przesyła wartości za pomocą systemu komunikacji IO-Link do układu sterowania. Takie zastosowania idealnie działa w przypadku sterowania wymiennikiem ciepła, w celu optymalizacji ilości energii niezbędnej do regulacji temperatury wrzącej wody.

Bezbłędny protokół

– Wszystkie czujniki są połączone z systemem sterowania przez IO-Link. Ten cyfrowy protokół komunikacyjny przekazuje wartości pomiarowe do systemu sterowania w postaci cyfrowej. Oznacza to, że w sposób niezawodny unika się błędów pomiarowych spowodowanych utratą konwersji. Jednak IO-Link może więcej – mówi Jacek Łobodziec.

Cyfrowy system komunikacyjny pomaga też choćby w monitorowaniu pozycji za pomocą czujników indukcyjnych do wykrywania położenia urządzeń zainstalowanych w szwajcarskiej fabryce. Mimo że te narzędzia nie są bezpośrednio częścią procesu gotowania, to pełnią ważną funkcję monitorowania w niektórych fazach czyszczenia. Są wykorzystywane na taśmie chłodzącej, za pomocą której produkt jest przenoszony do kąpieli chłodzącej. Dzięki sensorom, w razie potrzeby ich dodatkowego ręcznego oczyszczenia, można je wyciągnąć z kąpieli za pomocą podnośnika wspieranego przez czujnik do bezdotykowego wykrywania położenia górnego i dolnego.

Po oczyszczeniu system można ponownie uruchomić tylko wtedy, gdy opaska znajduje się we właściwej pozycji dolnej. Tutaj osobny czujnik indukcyjny sprawdza, czy element jest prawidłowo zamocowany, zanim będzie można wznowić całą produkcję.

Oszczędny montaż

IO-Link zapewnia określoną wartość dodaną. Możliwe jest przesyłanie kilku grup danych jednym przewodem. Oszczędza to koszty montażu. Zaś dla czujników temperatury, które są umieszczone w cieczy o temperaturze odniesienia, ich kalibracja odbywa się bezpośrednio na sensorze, a nie jak to miało miejsce wcześniej - przed zastosowaniem wartości korygujących w systemie sterowania.

Wartości liczników oraz aktualną prędkość można uzyskać poprzez jedno wyjście prowadzące do systemu sterowania. Upraszcza to programowanie poszczególnych elementów oraz całego systemu.

– Jesteśmy bardzo zadowoleni z produktów ifm. Używaliśmy ich również we wcześniejszych projektach. Firma dysponuje kompleksową koncepcją czujników, od sensorów indukcyjnych, magnetometrów, czujników temperatury, czujników ciśnienia po pomiar przewodności. Krótko mówiąc: dzięki czujnikom ifm możemy zaspokoić wszystkie nasze systemowe potrzeby przy odpowiednim stosunku ceny do wydajności. Już planujemy wykorzystanie kolejnych rozwiązań cyfrowych technologii w niedalekiej przyszłości – kończy Lukas Staedler.