Quali sono le nuove opzioni di sensori IP69K per le linee di trasformazione di alimenti, bevande e prodotti farmaceutici?

La sanificazione è obbligatoria nella trasformazione di alimenti, bevande e prodotti farmaceutici. Come tutte le operazioni per l'Impresa 4.0, queste linee di trasformazione richiedono alti livelli di automazione supportati da numerosi sensori.

Ciò significa utilizzare sensori con grado di protezione ambientale IP69K in grado di resistere ai lavaggi ad alta pressione e alle procedure di pulizia sul posto (CIP) di routine finalizzate a mantenere un ambiente operativo igienico e a garantire al contempo un funzionamento efficiente.

Oltre al grado di protezione IP69K, i sensori per queste applicazioni devono spesso essere costruiti con materiali conformi ai requisiti della Food and Drug Administration (FDA) statunitense, come la lega di acciaio inox SAE 360 L, altamente resistente alla corrosione e in grado di sopportare le procedure CIP di routine. In altre applicazioni, è idoneo un alloggiamento in plastica di grado FDA.

Questo articolo inizia con una panoramica dei requisiti IP69K come definiti nella norma DIN 40050-9, esamina le prestazioni dei vari acciai inox FDA, comprese le serie SAE 200, 300 e 400, e infine passa in rassegna le materie plastiche di grado FDA disponibili e le applicazioni per le quali possono essere utilizzate.

Presenta poi alcuni nuovi sensori di Banner Engineering adatti all'uso nelle linee di trasformazione di alimenti, bevande e prodotti farmaceutici, insieme ad alcuni suggerimenti per l'applicazione e l'installazione. L'articolo si conclude con l'analisi di un'applicazione di tappatura di bottiglie che richiede sensori con prestazioni di grado IP69K ma non un alloggiamento realizzato in materiale approvato dalla FDA.

I sensori IP69K soddisfano anche il grado di protezione IP68?

Un sensore può essere progettato per soddisfare entrambi gli standard. Il numero "6" in queste classificazioni IP sta a significare che questi dispositivi sono a tenuta di polvere e che quindi non vi sono infiltrazioni di polvere.

Tuttavia, la conformità a IP69K non significa automaticamente che il sensore soddisfi i requisiti di IP68. Lo standard IEC 40050-9 si basa su uno standard tedesco che estende il sistema di classificazione IP IEC 60529 aggiungendo il grado IP69K per le applicazioni di lavaggio ad alta pressione e alta temperatura che si discostano in qualche misura dagli altri gradi IP.

Il grado di protezione dalle infiltrazioni di acqua IP68 si basa sul grado IP67. IP67 richiede l'immersione temporanea in acqua fino a un metro di profondità per almeno 30 minuti. Anche IP68 prevede l'immersione in acqua con condizioni di test stabilite di comune accordo tra il produttore del dispositivo e l'utente, e deve essere più severo del grado di protezione IP67. Ad esempio, i sensori di Banner Engineering con grado di protezione IP68 possono sopportare almeno 24 ore di immersione continua in due metri d'acqua.

IP69K non richiede l'immersione in acqua. I test per IP69K comprendono tre elementi:

• Resistenza del dispositivo agli spruzzi con acqua a +80°C a una portata di 14-16 litri al minuto (L/min) e a una pressione di 10 MPa
• L'ugello deve essere tenuto a 10-15 cm di distanza dal dispositivo con angoli di 0°, +30°, +60° e +90° per 30 secondi ciascuno, per un totale di 120 secondi
• Il dispositivo viene fatto ruotare su una piattaforma girevole una volta ogni 12 secondi

I sensori di grado IP69K di Banner Engineering sono inoltre testati per l'immersione in almeno un metro di acqua, un requisito che supera il test IP69K standard (Figura 1). Dopo il test, il sensore viene ispezionato per verificare la presenza di acqua all'interno. Non deve esserci acqua all'interno e il sensore deve continuare a funzionare normalmente per dichiarare il superamento del test.

Figura 1: I sensori con grado di protezione IP69K come questo possono resistere a lavaggi ad alta pressione e alta temperatura. (Immagine per gentile concessione di Banner Engineering)

Anche la corrosione è importante

Il sistema di classificazione IP indica il grado di protezione di un involucro dall'ingresso di particelle solide e liquidi. Non considera il funzionamento in ambiente corrosivo. I requisiti della FDA coprono questo aspetto.

La FDA regolamenta i materiali degli involucri per garantirne la sicurezza per l'uso con alimenti e prodotti farmaceutici. Ad esempio, l'acciaio inox di grado alimentare deve soddisfare i seguenti requisiti:

• Deve avere un contenuto minimo di cromo del 16%. Una pellicola di ossido di cromo che si autorigenera in presenza di ossigeno rende l'acciaio inox resistente alla corrosione.
• Deve appartenere alle serie SAE 200, 300 o 400 di acciai inossidabili che comprendono rispettivamente leghe di cromo-nichel-manganese, leghe di cromo-nichel e leghe di cromo.
• Deve avere una superficie liscia e facile da pulire.
• Deve resistere a vaiolature, scheggiature, screpolature, graffi e rigature e deve avere uno spessore tale da resistere a ripetuti lavaggi ad alta pressione e alta temperatura.
• Non deve conferire odori, sapori o colori agli alimenti.

Per una soluzione più leggera, l'alluminio anodizzato è "generalmente riconosciuto come sicuro" dalla FDA. L'utilizzo dell'alluminio richiede una manipolazione e un trattamento adeguati.

Esiste una varietà di plastiche approvate dalla FDA. Le caratteristiche comuni includono alta resistenza all'usura, alla flessione e alle variazioni dimensionali. Alcuni esempi sono:

• Il policarbonato, un materiale leggero, trasparente ed eccezionalmente resistente.
• Il polibutilentereftalato (poliestere PBT), che offre resistenza, rigidità e stabilità dimensionale elevate. È resistente agli agenti chimici, all'ossidazione e all'acqua e resiste al calore fino a 150 °C.
• L'acrilico, una plastica trasparente e non tossica, approvata per la movimentazione dei materiali. È inoltre resistente al calore e adatto all'uso in ambienti difficili.
• Il nylon, che ha eccezionali proprietà di barriera all'ossigeno e all'umidità. Viene utilizzato per proteggere i componenti dall'ambiente esterno.

Sensori fotoelettrici in acciaio inox di grado FDA

I sensori fotoelettrici serie Q4X di Banner Engineering offrono un intervallo di rilevamento da 25 a 610 mm, a seconda del modello. Ad esempio, il modello Q4XFKLAF310-Q8 ha un intervallo di rilevamento da 35 a 310 mm.

L'alloggiamento è realizzato in acciaio inox 316 L di grado FDA con grado di protezione IP68 secondo IEC60529 e IP69K secondo DIN 40050-9. È compatibile con i prodotti chimici di pulizia e disinfezione acidi o caustici comunemente utilizzati per la pulizia e la sanificazione delle apparecchiature ed è certificato ECOLAB.

Quando il sensore è in modalità di funzionamento, il display a 4 cifre e 7 segmenti mostra la lettura della misurazione corrente o il valore dell'uscita analogica corrispondente (Figura 2). Le altre caratteristiche includono:

• Modelli discreti, analogici (da 0 V a 10 V o da 4 mA a 20 mA), per oggetti trasparenti e IO-Link
• Modelli ad alta risoluzione con uscita analogica e un guadagno in eccesso più elevato per le applicazioni più impegnative
• Rileva una varietà di colori, materiali e superfici dei bersagli a seconda della distanza
• La modalità dual-teach (intensità + distanza) può essere utilizzata per applicazioni a prova di errore e consente il rilevamento di oggetti trasparenti senza la necessità di catadiottri

Figura 2: Questo fotosensore con grado di protezione IP69K e IP68 è confezionato in acciaio inox di grado FDA. (Immagine per gentile concessione di Banner Engineering)

Configurazione e cambi più rapidi

Il display remoto del sensore (RDS) RSD1QP opzionale può essere utilizzato con la serie Q4X e altre famiglie di sensori di Banner per la configurazione e il monitoraggio (Figura 3). Può accelerare i cambi di prodotto nelle fabbriche di Impresa 4.0 ed essere lasciato collegato oppure essere rimosso al termine della configurazione. Inoltre, semplifica il monitoraggio dei sensori in luoghi di difficile accesso. Altri utilizzi dell'RSD sono:

• Copia delle impostazioni tra i sensori
• Supporto della sostituzione rapida dei sensori
• L'RSD può memorizzare fino a sei configurazioni per diverse operazioni

Figura 3: RSD1 può essere utilizzato per la configurazione e il monitoraggio a distanza di sensori come la serie Q4X di Banner. (Immagine per gentile concessione di Banner Engineering)

Fotosensori in alloggiamenti di plastica

Il sensore resistente al lavaggio T18-2VPRL-2M (T18-2) è un sensore fotoelettrico autonomo progettato per l'uso in ambienti difficili, come le linee di produzione alimentare, la lavorazione del pollame, il rilevamento di scatole e l'attivazione di una stazione di controllo del peso.

La custodia è realizzata in poliestere PBT nero e giallo, mentre la finestra e gli indicatori luminosi sono in acrilico bianco traslucido. La custodia di plastica è saldata a ultrasuoni per assicurare una tenuta completa e i componenti elettronici sono incapsulati in una resina epossidica con grado di protezione IP69K, che garantisce una tenuta ridondante (Figura 4). Questi sensori hanno anche un grado di protezione IP68.

Figura 4: Questo fotosensore con grado di protezione IP69K e IP68 è confezionato in plastica approvata dalla FDA. (Immagine per gentile concessione di Banner Engineering)

Sensori radar IP69K in alluminio

I sensori radar serie Q90R possono essere utilizzati in applicazioni quali la protezione delle persone dalle macchine, l'utilizzo di robot collaborativi (cobot) o la misurazione del livello dei serbatoi nelle linee di trasformazione di alimenti, bevande e prodotti farmaceutici. L'alloggiamento in alluminio con grado di protezione IP69K è robusto e leggero. Questi sensori hanno un intervallo di temperatura di funzionamento da -40 a +65 °C che li rende adatti all'uso in ambienti difficili, come le aree umide e nebbiose.

Ad esempio, il modello Q90R-4040-6KDQ ha una portata da 150 mm a 20 m e dispone di due uscite, una PNP/NPN con comunicazione IO-Link e una 1 PNP/NPN. Per tutti i sensori Q90R si possono personalizzare i parametri di rilevamento, come la forma della finestra e i setpoint del bersaglio. IO-Link può supportare trasferimenti di dati in tempo reale.

Il rilevamento degli oggetti può basarsi sulla distanza, sulla velocità e sulla posizione angolare rispetto al sensore, fornendo prestazioni multidimensionali configurabili. Due zone indipendenti possono rilevare e misurare più bersagli contemporaneamente (Figura 5).

Figura 5: Questo sensore radar con alloggiamento in alluminio può essere utilizzato per il monitoraggio del livello dei serbatoi nelle linee di trasformazione di alimenti, bevande e prodotti farmaceutici. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Illuminazione per sistemi di visione

I sistemi di visione per le applicazioni di controllo qualità e ispezione necessitano di una buona illuminazione per un funzionamento ottimale. Le barre luminose a LED sigillate BL60 di Banner forniscono un'illuminazione brillante e mirata. Sono disponibili modelli che producono quattro lunghezze d'onda visibili ad alta intensità, più infrarossi (IR) e due lunghezze d'onda degli ultravioletti (UV). Selezionando l'opzione di illuminazione più adatta, le prestazioni del sistema di visione possono essere ulteriormente migliorate.

Gli alloggiamenti in alluminio resistenti all'olio, alle sostanze chimiche e all'acqua sono classificati IP69K e sono disponibili nelle lunghezze di 340 e 640 mm. Sono disponibili tre opzioni di finestre: policarbonato trasparente o diffondente e vetro borosilicato. Hanno un controllo del dimmeraggio da 1 a 10 V e una funzione stroboscopica regolabile con modulazione della larghezza di impulso (PWM). Alcuni esempi di colori della luce disponibili per le barre luminose a LED da 340 mm:

• Bianco luce diurna (5000 K), BL60W340L14ASQ
• Rosso, BL60R340L14ASQ
• Verde, BL60G340L14ASQ
• Blu, BL60B340L14ASQ
• Infrarossi, BL60I340L14ASQ
• Ultravioletti 365 nm, BL60UV365-340GL30ASQ
• Ultravioletti 395 nm, BL60UV395-340L30ASQ

Sensore laser in zinco nichelato IP69K per tappi di bottiglia

Non tutte le applicazioni dei sensori nelle linee di trasformazione di alimenti, bevande e prodotti farmaceutici richiedono un alloggiamento in materiale approvato dalla FDA. La tappatura delle bottiglie è un buon esempio.

I tappi delle bottiglie vengono spesso consegnati sfusi e devono essere smistati prima di essere utilizzati sulla linea di riempimento. I tappi non allineati, come quelli capovolti, possono portare a bottiglie non tappate o inceppamenti della macchina tappatrice, riducendo la produttività. Un sensore laser come il modello Q3XTBLD-Q8 (Q3X) può rapidamente intercettare gli eventuali tappi rivolti nella direzione sbagliata prima che raggiungano il sistema di distribuzione dei tappi.

Q3X ha una soppressione dello sfondo di 100 mm, che lo rende adatto alle applicazioni di rilevamento dell'orientamento. Con la soppressione dello sfondo fissa, i sensori Q3X possono essere impostati in modo da riconoscere una distanza specifica e ignorare tutto ciò che si trova al di fuori del setpoint.

In un'applicazione di smistamento di tappi di bottiglia, Q3X può essere impostato per rilevare quando la parte superiore di un tappo è rivolta verso il sensore. Se il tappo è rivolto dall'altra parte, viene ignorato. Se è rivolto verso il sensore, viene inviato un output fallito e il tappo viene rifiutato. Può essere riciclato nel selezionatore di tappi per un altro tentativo.

La velocità di rilevamento del sensore Q3X è importante nelle linee di riempimento ad alta velocità. Questo sensore può rilevare un pezzo in soli 250 µs e acquisire fino a 2.000 eventi al secondo. Il display angolato a 3 cifre fornisce un feedback all'utente e velocizza l'impostazione e la messa in servizio. L'alloggiamento in zinco nichelato ha un grado di protezione IP67 e IP69K che lo rende adatto agli ambienti umidi (Figura 6).

Figura 6: Questo sensore laser con grado di protezione IP69K è contenuto in un involucro di zinco nichelato adatto ai processi di tappatura delle bottiglie. (Immagine per gentile concessione di Banner Engineering)

Conclusione

Nelle linee di trasformazione di alimenti, bevande e prodotti farmaceutici sono necessari sensori robusti che soddisfino il grado di protezione IP69K e siano in grado di sopportare operazioni CIP ad alta pressione e alta temperatura. Molti di questi sensori sono progettati per soddisfare i requisiti IP68 per l'immersione in acqua. Nella maggior parte dei casi, devono essere confezionati in materiali approvati dalla FDA, ma esistono eccezioni come le operazioni di tappatura delle bottiglie.