staedler automation AG – センサを使った大型調理機の監視
staedler automation AGの食品調理機CK1600。シュペッツレ（ドイツ風パスタ）の調理に使われます。
アルデンテのパスタ
熱湯で茹でて水を切り、冷水で絞めて調理完了。staedlerのシュペッツレ（ドイツ風パスタ）調理機は、工場向けの大型調理機をifmのセンサを使って正確に制御し、家庭と同様の高い調理品質を実現しています。
staedler automation AGは、スイスのヘナウを拠点とするプロセス自動システムの製造で10年以上の実績があります。 同社は食品産業向けの完全自動調理機も製造しています。これからお話しするのは、ドイツ南部名物のパスタ、シュペッツレ調理用の機械を製造しているメーカーの事例です。staedler automation AGのCEOであるLukas Staedler氏は、この調理機のしくみについて次のように説明します。「一連の調理の工程を1つの鍋で行うと考えてください。最初に新鮮な材料を調理ラインに投入し、決められた時間で調理工程を通過することで、最後に正しく調理された製品が出来上がります。調理時間を規定することにより、安定した製品品質を維持します。」
へらを使って調理する材料を熱湯に入れます。調理工程中に機械と製品が機械的に接触することがほとんどなく、製品へのダメージを最小限に抑えられます。調理工程の最後はウォーターフォール式エッジから冷却ゾーンまで製品が素早く搬送されます。このように冷水にくぐらせて製品を加熱しすぎないようにします。
「基本的にこのような機械は、水に浮くあらゆる食材を調理できます」と、Lukas Staedler氏は強調します。「この特殊なラインで、ラビオリやトルテッリーニ、また今回のシュペッツレのような新鮮なパスタを調理します。また、チルド食品や野菜の調理も可能です。この機械の製造量は、毎時最大2.5トンに達します。」
正確な温度の維持
家庭で調理する場合、水が沸騰し始める様子を見て茹でるのに適温だと分かります。しかし、工場の調理工程は温度をさらに精密に管理する必要があります。 こうしなければ、求められる安定した製品品質を実現できません。
このシステムでは、重要管理点（CCP）と呼ばれるプロセス値の中でも最も重要な工程の温度を2か所で測定しています。そのうちの1つは、沸騰直前の水の温度です。これは、正確に95°Cにする必要があります。もう1つは、調理工程を終える冷却槽の温度です。2つの温度センサを使って熱交換器を制御し、温度を正確に維持します。
写真1（左）：TAタイプの温度センサは調理機と冷却槽内部の温度が規定値を維持しているか監視します。写真2（右）：staedlerが導入予定のセンサ：TCC温度センサは自己監視機能を備え、適格な校正タイミングを知らせます。自動的に測定精度を確認してスイッチング信号とLED出力で警告します。
staedlerは、この重要管理点にifmの温度センサTA2502を使用しています。センサは、高い精度と速い応答を可能にするPt1000測温抵抗体を内蔵し、-50～200℃の広い範囲の温度測定に対応します。また、高い製品品質の維持に求められる、繰返し精度と長期安定性に優れます。
今後staedlerは、ifmの自己監視機能付き温度センサTCCを重要管理点の監視に導入する予定です。センサの特長: センサは温度特性の違う2種類の測定素子を内蔵しています。精度にずれが生じると、直ちに検出してスイッチング信号を出力し警告します。また、センサ本体のLEDの点灯により視覚的にも通知します。この機能により温度測定の精度の信頼性が確保され、センサが警告しない限り校正が不要と判断できるため、確実な品質管理を手軽に行うことができます。精密な工業用温度センサは、校正直後でも1日経つと温度測定にずれが生じる場合があります。このような精度誤差は認識されないまま、次回の校正時に検証するまで放置されます。最悪の場合はこれが製品リコールを招き、多額の損失コストの発生やブランドイメージの低下につながります。
CIPプロセスを監視する導電率センサ
各製造工程が終了すると、システムはCIP（定置洗浄）プロセスを実施します。別々のポンプでアルカリ洗浄と酸洗浄を行って製造ラインをすすぎます。その後、最後に製造ラインを水で洗い流して製造を再開します。このプロセスはifmの導電率センサLDL200が重要な役割を果たします。正確に導電率を測定することにより、製造ラインに洗剤が残っているか、その残液の濃度が確認できます。制御システム側はこの測定値から、例えば洗剤の追加の必要性や、予洗いや中間洗浄、最終洗浄が完了したかを確認できます。洗浄プロセスの最後は水を使用して洗浄します。最終のすすぎ水が正しい導電率に達してから、製造再開が許可されます。これにより、CIPプロセス中は界面検出を確実に行うことができます。
LDL200は、導電率以外に媒体の温度も同時に測定でき、IO-Link通信により測定値を制御システムに伝送します。 このため、熱交換器の熱湯の温度を常時適切に制御できます。
タンク内のレベルを一目で把握
このシステムには大型タンクが2基設置されています。湯が入った温水槽と工程最後の冷却槽です。各タンクの下部には圧力センサが取付けられています。圧力センサは、液面レベルを差圧測定します。この測定に最適な10 kPa～250 kPaの範囲に対応するifmの圧力センサを使用します。ifmのセンサでレベルを正確に検出してレベル調整を行います。そのため、補充時にタンクから水が溢れることはありません。
水の供給量を検出
調理工程中は水が減っていきます。 なぜなら、シュペッツレ等の製品自体が水分を吸収するためです。また、調理中に水が蒸発することも水の量が減少する原因です。こうした理由から、常に水を補充する必要があります。
Lukas Staedler氏は次のように述べます。「ifmの電磁誘導式流量センサSM2100を使用して、新たな水の補充量を調整します。センサが調理工程中の流量を連続測定します。
これにレベルセンサを連携させて測定を行います。 水量の低下を通知するレベルセンサを使って水の補充を行い、製品の水分吸収や調理中の蒸発で失われた水の量を流量センサで確認します。
また、水は溜まった沈殿物を除去する時にも減ります。使用した水を排水して新しい水を補充します。補充のタイミングは、レシピにより異なります。このため、SM流量センサを使って水の補充量も測定します。」
また、洗浄プロセスでも流量センサが重要な役割を果たし、使用する水の量を監視します。こうして、調理工程全体を把握することができます。
位置を監視する高周波誘導式近接センサ
高周波誘導式近接センサも設置して、位置検出を行います。このセンサは調理工程に直接関わっていませんが、重要な監視機能を担っています。製品を冷却槽から取り出して搬送する冷却コンベアは、上下リフト式のベルトを手作業で清掃できます。 上と下の位置を、2つの電磁誘導式センサを使用して非接触で検出します。これらのセンサによって、コンベアベルトが下げられて適切な位置にあるときだけ、システムを再稼働できるようになっています。
スロットスクリーンには3つ目のセンサが取付けられています。これも、清掃を手作業で行う時に取外すことができます。製造を再開する前に、正しくはめ込まれているかをセンサで確認します。
写真1（左）：清掃時は冷却ベルトがプーリ（滑車）で持ち上げられます。電磁誘導式センサが上下のどの位置にあるか検出します。写真2（右）：スロットスクリーンを手作業で清掃して所定の位置に戻した後は電磁誘導式センサで正しい位置を確認してから製造を再開します。
IO-Linkのセンサ通信
すべてのセンサをIO-Linkで制御システムに接続します。このデジタル通信は、測定値をデジタル式で制御システムに伝送します。そのため、アナログ・デジタル間の変換エラーがなく、測定値を正確に伝送します。他にも、IO-Linkにはさまざまな機能があります。
Lukas Staedler氏は次のように述べます。「CCPに設置した各センサは、1年または半年ごとに定期的に精度を確認する必要があります。通常、温度センサの校正は基準液に浸して行います。当社ではIO-Linkで温度センサを校正します。
導電率センサLDLは、1つの接続で温度と導電率両方のプロセス値を検出します。流量センサSMは、IO-Link機能により1点で流量の積算値と現在の流速を両方とも制御システムに伝送します。」
IO-Linkが自動化を簡素化するかという質問にLukas Staedler氏は次のように答えています。「自動化は基本的に労力を伴いますが、IO-Linkが確かな付加価値をもたらします。１本の接続でさまざまな信号の伝送が可能です。このため設置コストが節約できます。また、温度センサを考えてみましょう。従来は制御システムで値を補正していた校正作業も、センサ自身が直接行います。これにより制御のプログラミングが省略されます。全体的に考えると、IO-Linkがもたらすメリットが労力のデメリットをはるかに上回ります。」
導電率センサLDL200がCIPプロセス内を流れる水と洗剤を正しく区別します。温度も測定でき、IO-Link通信で両方の測定値を制御システムに伝送します。
PMタイプの圧力センサが調理機と冷却槽の中のレベルを差圧測定します。
電磁誘導式流量センサSM2100が現在の流速と水の総供給量を検出します。2つの値をIO-Link通信により制御システムに伝送します。
結論
staedlerは、ifmが提供する自動化ソリューションに納得しています。Lukas Staedler氏は次のようにまとめています。「ifmにはとても満足しています。ifmは過去にもプロジェクトで採用したことがあります。その理由は、ifmは高周波誘導式近接センサから、電磁誘導式流量センサ・温度センサ・圧力センサ、導電率測定まで総合的なラインナップを提供しているからです。つまり、ifmのセンサはシステムのあらゆるニーズに対応できます。また、コストパフォーマンスにも優れています。このようなシステムの設備投資に手頃な価格でセンサを提供しています。今後のプロジェクトでもifmを使用する予定です。」
