Neue IP69K-Sensoroptionen für Lebensmittel-, Getränke- und pharmazeutische Verarbeitungsprozesse

Hygiene ist bei der Verarbeitung von Lebensmitteln, Getränken und Arzneimitteln obligatorisch. Wie alle Industrie-4.0-Prozesse erfordern auch diese Verarbeitungslinien einen hohen Automatisierungsgrad, der durch zahlreiche Sensoren unterstützt wird.

Das bedeutet, dass umweltverträgliche Sensoren mit der Schutzart IP69K verwendet werden, die Hochdruckspülungen und routinemäßigen CIP-Reinigungsverfahren standhalten, um eine hygienische Betriebsumgebung aufrechtzuerhalten und gleichzeitig einen effizienten Betrieb zu gewährleisten.

Zusätzlich zur Schutzart IP69K müssen die Sensoren in diesen Anwendungen häufig aus Materialien bestehen, die den Anforderungen der Food and Drug Administration (FDA) entsprechen, wie z. B. die Edelstahllegierung SAE 360 L, die äußerst korrosionsbeständig ist und den routinemäßigen CIP-Verfahren standhält. Für andere Anwendungen ist ein Gehäuse aus FDA-konformem Kunststoff geeignet.

Dieser Artikel beginnt mit einem Überblick über die Anforderungen der Schutzart IP69K, wie sie in der DIN 40050-9 definiert sind, gibt einen Überblick über die Leistungsfähigkeit verschiedener nichtrostender Stähle der FDA, einschließlich der Serien SAE 200, 300 und 400, und geht auf die verfügbaren Kunststoffe in FDA-Qualität ein und erläutert, wann sie verwendet werden können.

Anschließend werden mehrere neue Sensoren von Banner Engineering vorgestellt, die sich für den Einsatz in Lebensmittel-, Getränke- und pharmazeutischen Verarbeitungslinien eignen, sowie einige Anwendungs- und Installationsvorschläge. Abschließend wird eine Anwendung zum Verschließen von Flaschen betrachtet, für die ein Sensor der Schutzart IP69K erforderlich ist, aber kein Gehäuse aus einem FDA-zugelassenen Material.

Erfüllen IP69K-Sensoren auch IP68?

Ein Sensor kann so konstruiert werden, dass er beide Normen erfüllt. Die „6“ in diesen IP-Einstufungen bedeutet, dass diese Geräte staubdicht sind.

Die Erfüllung der Schutzart IP69K bedeutet jedoch nicht automatisch, dass der Sensor die Schutzart IP68 erfüllt. Die Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC) 40050-9 basiert auf einer deutschen Norm, die das IP-Bewertungssystem der IEC 60529 um IP69K für Hochdruck- und Hochtemperaturanwendungen erweitert, die etwas von den anderen IP-Bewertungen abweichen.

Der Schutz vor eindringendem Wasser von IP68 basiert auf IP67. Die Schutzart IP67 erfordert den Schutz gegen vorübergehendes Eintauchen in Wasser bis zu einer Tiefe von einem Meter für mindestens 30 Minuten. IP68 beinhaltet ebenfalls das Eintauchen in Wasser, wobei die Testbedingungen in Absprache zwischen dem Gerätehersteller und dem Benutzer festgelegt werden, und muss strenger sein als IP67. Die IP68-zertifizierten Sensoren von Banner Engineering können zum Beispiel mindestens 24 Stunden lang ununterbrochen in zwei Meter tiefes Wasser eingetaucht werden.

IP69K erfordert keinen Schutz gegen das Eintauchen in Wasser. Die Prüfung für IP69K umfasst drei Elemente:

• Fähigkeit, das Gerät mit +80°C warmem Wasser bei einer Durchflussmenge von 14 bis 16 Litern pro Minute (L/min) und einem Druck von 10 MPa (1500 pounds per square inch, psi) zu besprühen
• Die Sprühdüse ist 10 bis 15 cm vom Gerät entfernt jeweils 30 Sekunden lang in den Winkeln 0°, +30°, +60° und +90° zu halten, insgesamt 120 Sekunden lang
• Das Gerät wird alle 12 Sekunden auf einer Drehscheibe gedreht

Die IP69K-zertifizierten Sensoren von Banner Engineering werden zusätzlich auf eine Eintauchtiefe von mindestens einem Meter in Wasser getestet, eine Anforderung, die über die Standard-IP69K-Tests hinausgeht (Abbildung 1). Nach der Prüfung wird der Sensor daraufhin untersucht, ob sich Wasser in seinem Inneren befindet. Im Inneren darf sich kein Wasser befinden, und der Sensor muss weiterhin normal funktionieren, um den Test zu bestehen.

Abbildung 1: Sensoren mit der Schutzart IP69K, wie dieser hier, können Hochdruck- und Hochtemperaturreinigungen standhalten. (Bildquelle: Banner Engineering)

Auch Korrosion spielt eine Rolle

Das IP-Schutzsystem gibt an, wie gut ein Gehäuse gegen das Eindringen von festen Partikeln und Flüssigkeiten geschützt ist. Sie berücksichtigt nicht den Betrieb in einer korrosiven Umgebung. Die FDA-Anforderungen decken dies ab.

Die FDA reguliert die Gehäusematerialien, um sicherzustellen, dass sie für die Verwendung mit Lebensmitteln und Arzneimitteln sicher sind. So muss beispielsweise nichtrostender Stahl in Lebensmittelqualität die folgenden Anforderungen erfüllen:

• Er muss einen Mindestchromgehalt von 16 % aufweisen. Eine Chromoxidschicht, die sich in Gegenwart von Sauerstoff selbst heilt, macht rostfreien Stahl korrosionsbeständig.
• Er muss aus einer der Serien SAE 200, 300 oder 400 nichtrostender Stähle stammen, die Chrom-Nickel-Mangan-Legierungen, Chrom-Nickel-Legierungen bzw. Chrom-Legierungen umfassen.
• Er muss eine glatte, leicht zu reinigende Oberfläche haben.
• Er muss widerstandsfähig gegen Lochfraß, Abplatzungen, Risse, Kratzer und Riefen sein und eine ausreichende Dicke aufweisen, um wiederholten Hochdruck- und Hochtemperaturwaschvorgängen standzuhalten.
• Er darf den Lebensmitteln weder Geruch noch Geschmack oder Farbe verleihen.

Für eine leichtere Lösung wird eloxiertes Aluminium von der FDA als „allgemein als sicher anerkannt“ eingestuft. Bei der Verwendung von Aluminium ist eine sachgemäße Handhabung und Verarbeitung erforderlich.

Es gibt auch eine Reihe von FDA-zugelassenen Kunststoffen. Zu den gemeinsamen Merkmalen gehören eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen Verschleiß, Biegung und Maßänderungen. Einige Beispiele sind:

• Polycarbonat ist ein leichtes, transparentes und außergewöhnlich starkes Material.
• Polybutylenterephthalat (PBT-Polyester) hat eine hohe Festigkeit, Steifigkeit und Dimensionsstabilität. Es ist beständig gegen Chemikalien, Oxidation und Wasser und hitzebeständig bis zu 150 °C.
• Acryl ist ein ungiftiger, transparenter Kunststoff, der für die Materialhandhabung zugelassen ist. Außerdem ist es hitzebeständig und für den Einsatz in rauen Umgebungen geeignet.
• Nylon hat außergewöhnliche Sauerstoff- und Feuchtigkeitsbarriereeigenschaften. Es wird verwendet, um Teile vor der äußeren Umgebung zu schützen.

Photoelektrische Sensoren aus Edelstahl in FDA-Qualität

Die fotoelektrischen Sensoren der Serie Q4X von Banner Engineering bieten einen Erfassungsbereich von 25 bis 610 mm, je nach Modell. Das Modell Q4XFKLAF310-Q8 hat zum Beispiel einen Erfassungsbereich von 35 bis 310 mm.

Das Gehäuse besteht aus Edelstahl 316 L in FDA-Qualität und hat die Schutzart IP68 nach IEC60529 und IP69K nach DIN 40050-9. Es ist mit sauren oder ätzenden Reinigungs- und Desinfektionsmitteln kompatibel, die üblicherweise bei der Reinigung und Desinfektion von Geräten verwendet werden, und ist ECOLAB-zertifiziert.

Wenn sich der Sensor im Betriebsmodus befindet, zeigt die 4-stellige 7-Segment-Anzeige den aktuellen Messwert oder den entsprechenden Analogausgangswert an (Abbildung 2). Zusätzliche Funktionen:

• Diskrete, analoge (0 V bis 10 V oder 4 mA bis 20 mA), durchsichtige Objekte und IO-Link-Modelle
• Hochauflösende Modelle mit Analogausgang und höherer Ausgangsverstärkung für anspruchsvollere Anwendungen
• Erkennt je nach Entfernung eine Vielzahl von Zielfarben, Materialien und Oberflächen
• Der Dual-Teach-Modus (Intensität + Entfernung) kann für fehlersichere Anwendungen verwendet werden und ermöglicht eine klare Objekterkennung ohne dass ein Retro-Reflektor erforderlich ist

Abbildung 2: Dieser IP69K- und IP68-zertifizierte Fotosensor ist in FDA-konformem Edelstahl gekapselt. (Bildquelle: Banner Engineering)

Schnellere Konfiguration und Umstellung

Das optionale Fernsensordisplay (Remote Sensor Display, RSD) RSD1QP kann mit der Q4X-Serie und anderen Sensorfamilien von Banner zur Konfiguration und Überwachung verwendet werden (Abbildung 3). Es kann die Produktumstellung in Industrie-4.0-Fabriken beschleunigen und nach Abschluss der Konfiguration angeschlossen bleiben oder entfernt werden. Es vereinfacht auch die Überwachung von Sensoren an schwer zugänglichen Stellen. Andere Verwendungszwecke für das RSD sind:

• Kopieren von Einstellungen zwischen Sensoren
• Unterstützt den schnellen Austausch von Sensoren
• RSD kann bis zu sechs Konfigurationen für verschiedene Operationen speichern

Abbildung 3: Das RSD1 kann für die Fernkonfiguration und -überwachung von Sensoren wie der Q4X-Serie von Banner verwendet werden. (Bildquelle: Banner Engineering)

Fotosensoren in Kunststoffgehäusen

Der abwaschbare Sensor T18-2VPRL-2M (T18-2) ist ein eigenständiger fotoelektrischer Sensor, der für den Einsatz in rauen Umgebungen entwickelt wurde, z. B. in Lebensmittelproduktionslinien, bei der Geflügelverarbeitung, bei der Erkennung von Kisten und beim Auslösen des Betriebs einer Kontrollwaage.

Das Gehäuse besteht aus schwarzem und gelbem PBT-Polyester, die Leuchtröhren und das Sichtfenster sind aus weißem, lichtdurchlässigem Acryl. Das Kunststoffgehäuse ist ultraschallverschweißt, um eine vollständige Abdichtung zu gewährleisten, und die Elektronik ist in einem Epoxidharz der Schutzart IP69K eingekapselt, was eine redundante Abdichtung gewährleistet (Abbildung 4). Diese Sensoren sind ebenfalls nach IP68 zertifiziert.

Abbildung 4: Dieser IP69K- und IP68-zertifizierte Fotosensor ist in FDA-zugelassenem Kunststoff verpackt. (Bildquelle: Banner Engineering)

IP69K-Radarsensoren aus Aluminium

Radarsensoren wie die Serie Q90R eignen sich für Anwendungen wie den Schutz von Menschen vor Maschinen, die Arbeit mit kollaborierenden Robotern (Cobots) oder für Tankfüllstandsmessungen in Lebensmittel-, Getränke- und pharmazeutischen Verarbeitungslinien. Das IP69K-zertifizierte Aluminiumgehäuse ist robust und leicht. Diese Sensoren haben einen Betriebstemperaturbereich von -40°C bis +65°C und eignen sich daher für den Einsatz in schwierigen Umgebungen wie feuchten und nebligen Gebieten.

Das Modell Q90R-4040-6KDQ beispielsweise reicht von 150 mm bis 20 m und hat zwei Ausgänge, einen PNP/NPN mit IO-Link-Kommunikation und einen einen PNP/NPN. Alle Q90R-Sensoren können Erfassungsparameter wie Fensterform und Zielsollwerte individuell anpassen. IO-Link kann Datenübertragungen in Echtzeit unterstützen.

Die Objekterkennung kann auf der Grundlage von Entfernung, Geschwindigkeit und Winkelposition relativ zum Sensor erfolgen, was eine konfigurierbare, mehrdimensionale Performance ermöglicht. Zwei unabhängige Zonen können mehrere Ziele gleichzeitig erkennen und vermessen (Abbildung 5).

Abbildung 5: Dieser Radarsensor im Aluminiumgehäuse kann zur Überwachung von Tankfüllständen in Lebensmittel-, Getränke- und pharmazeutischen Verarbeitungslinien eingesetzt werden. (Bildquelle: DigiKey)

Beleuchtung für Bildverarbeitungssysteme

Bildverarbeitungssysteme für Qualitätskontroll- und Inspektionsanwendungen benötigen für einen optimalen Betrieb eine gute Beleuchtung. Die gekapselten LED-Stableuchten BL60 von Banner bieten eine helle, fokussierte Ausleuchtung. Es sind Modelle erhältlich, die vier hochintensive sichtbare Wellenlängen sowie Infrarot (IR) und zwei ultraviolette (UV) Wellenlängen erzeugen. Durch die Auswahl der am besten geeigneten Beleuchtungsoption kann die Leistung des Bildverarbeitungssystems weiter verbessert werden.

Die öl-, chemikalien- und wasserbeständigen Aluminiumgehäuse entsprechen der Schutzart IP69K und sind in den Längen 340 und 640 mm erhältlich. Es gibt drei Fensteroptionen: klares oder diffuses Polycarbonat und Borosilikatglas. Sie verfügen über eine Dimmfunktion von 1 bis 10 V und eine per Pulsweitenmodulation (PWM) einstellbare Strobe-Funktion. Beispiele für verfügbare Lichtfarben für die 340mm-LED-Stableuchten sind:

• Tageslichtweiß (5000K), BL60W340L14ASQ
• Rot, BL60R340L14ASQ
• Grün, BL60G340L14ASQ
• Blau, BL60B340L14ASQ
• Infrarot, BL60I340L14ASQ.
• 365 nm Utraviolett, BL60UV365-340GL30ASQ
• 395 nm Utraviolett, BL60UV395-340L30ASQ

IP69K-Lasersensor für Flaschenverschlüsse mit Gehäuse aus vernickeltem Zink

Nicht jede Sensoranwendung in Lebensmittel-, Getränke- und pharmazeutischen Verarbeitungslinien erfordert ein FDA-zugelassenes Gehäusematerial. Das Verschließen von Flaschen ist ein gutes Beispiel.

Flaschenverschlüsse werden oft als Schüttgut angeliefert und müssen sortiert werden, bevor sie in der Abfüllanlage verwendet werden können. Falsch ausgerichtete Verschlüsse, z. B. umgedrehte Kappen, können zu unverschlossenen Flaschen führen oder die Verschließmaschine blockieren, was die Produktivität verringert. Ein Lasersensor wie der Q3XTBLD-Q8 (Q3X) kann schnell erkennen, ob Verschlüsse in die falsche Richtung zeigen, bevor sie das Verschlusssystem erreichen.

Der Q3X verfügt über eine 100mm-Hintergrundausblendung, wodurch er sich gut für Anwendungen zur Erkennung der Orientierung eignet. Mit der festen Hintergrundausblendung können die Q3X-Sensoren so eingestellt werden, dass sie Objekte in einem bestimmten Abstand erkennen und alles außerhalb des Sollwerts ignorieren.

In einer Anwendung zur Sortierung von Flaschenverschlüssen kann der Q3X so eingestellt werden, dass er erkennt, wenn die Oberseite eines Verschlusses auf den Sensor zeigt. Wenn die Kappe nach außen zeigt, wird sie akzeptiert. Wenn sie in Richtung des Sensors zeigt, wird eine Fehlermeldung gesendet und die Kappe wird zurückgewiesen. Sie kann für einen weiteren Versuch in die Kappensortiermaschine zurückgeführt werden.

Die schnelle Erkennungsrate des Q3X ist wichtig für Hochgeschwindigkeitsabfüllanlagen. Dieser Sensor kann ein Teil in nur 250 µs erkennen und bis zu 2000 Ereignisse pro Sekunde erfassen. Das angewinkelte 3-stellige Display gibt dem Benutzer Rückmeldung und beschleunigt die Einrichtung und Inbetriebnahme. Das Gehäuse aus vernickeltem Zink entspricht der Schutzart IP67 und IP69K und ist somit für feuchte Umgebungen geeignet (Abbildung 6).

Abbildung 6: Dieser IP69K-zertifizierte Lasersensor befindet sich in einem vernickelten Zinkgehäuse, das sich für Flaschenverschließprozesse eignet. (Bildquelle: Banner Engineering)

Fazit:

In Lebensmittel-, Getränke- und pharmazeutischen Verarbeitungslinien werden robuste Sensoren benötigt, die der Schutzart IP69K entsprechen und CIP-Vorgängen bei hohem Druck und hohen Temperaturen standhalten können. Viele dieser Sensoren erfüllen auch die Anforderungen der Schutzart IP68 für das Eintauchen in Wasser. In den meisten Fällen müssen sie in FDA-zugelassenen Materialien verkapselt werden, aber es gibt auch Ausnahmen, wie z. B. beim Verschließen von Flaschen.