Staedler automation AG - 센서를 통한 산업용 조리 시스템 모니터링
staedler automation AG에서 제조한 조리 시스템 타입 staedler CK1600. 해당 시스템은 스패츨 (spaetzle) 음식 요리에 사용됩니다.
Spaetzle „al dente“
반죽을 뜨거운 물에 익히고 건진 후 찬물에 헹구어 준비합니다. staedler의 스패츨 조리기는 가정에서 사용하는 것과 동일한 방법을 사용하지만, 산업용 차원에서는 ifm의 센서를 통한 정확한 제어를 통해 제품의 품질을 높은 수준으로 유지합니다.
staedler Automation AG는 스위스 Henau에 소재하며, 10년 이상의 프로세스 자동화 시스템 제조 경험을 가지고 있습니다. 해당 기업은 식품 산업용으로 완전 자동화된 조리 시스템도 생산하고 있습니다. 이곳에 설명된 시스템은 남부 독일식 파스타인 스패츨을 요리하는 고객을 위한 것입니다. staedler Automation AG의 CEO Lukas Staedler는 시스템의 작동 방식을 다음과 같이 설명합니다. “끊임없이 요리에 사용되는 냄비를 상상해 보십시오. 즉, 조리 라인의 시작 부분에 신선한 반죽을 넣고 정해진 시간 동안 통과시켜 마지막에 적절한 온도로 완성된 제품을 얻을 수 있습니다. 정해진 조리 시간을 통해 일정한 제품 품질을 보장할 수 있습니다.”
조리 중인 식품은 주걱을 사용하여 뜨거운 물로 옮겨집니다. 조리 과정에서 기계 및 식품 간의 기계적 접촉이 거의 없으므로 제품 손상이 최소화됩니다. 조리 과정이 종료되면 해당 식품은 워터폴 에지를 통해서 냉각 구역으로 신속하게 옮겨집니다. 찬물에 담겨지면 식품은 더 이상 익지 않습니다.
"이론적으로, 이와 같은 시스템은 물에 뜨는 모든 것을 조리할 수 있습니다."라고 Lukas Staedler는 강조합니다. “이 라인에서는 라비올리, 토르텔리니 또는 이 경우에는 스패츨과 같은 신선한 파스타를 가공합니다. 차가운 고기나 야채를 조리할 수도 있습니다. 이 시스템은 시간당 2.5톤의 제품을 생산할 수 있습니다”.
정확한 온도 유지
가정에서 요리 시에는 물이 끓으면 요리하는 데에 적당한 온도라는 것을 알 수 있지만, 산업계 조리 프로세스에서는 사용하는 온도가 더 정확해야 합니다. 그렇게 하는 경우에만 고객이 필요로 하는 일정한 품질의 제품을 제공할 수 있게 됩니다.
이 시스템에서는 두 지점에서 온도를 측정하여 주요 컨트롤 포인트인 CCP (Critical Control Points)라고 불리는 가장 중요한 프로세스 값을 제공합니다. 첫번째는 물이 거의 끓는 온도입니다. 이 경우, 물의 온도는 정확히 95°C여야 합니다. 두번째는 조리 과정이 중단되는 냉각 수조의 온도입니다. 두 개의 온도 센서가 열교환기를 제어하므로 정확한 온도가 보장됩니다.
그림 1: TA 타입 온도 센서는 조리기와 냉각 수조에서 요구되는 온도 값을 모니터링합니다. 그림 2: staedler에서 차후 사용할 예정: 온도 센서 TCC는 자체 모니터링이 가능하기 때문에 캘리브레이션 간격을 늘릴 수 있습니다. 정확도의 편차가 자동으로 인식되고, 스위칭 시그널 및 LED를 통해 신호가 전송됩니다.
이러한 주요 프로세스를 위해 staedler는 ifm의 TA2502 타입 온도 센서를 사용합니다. 이 센서에는 -50 … 200 °C의 광범위한 온도 범위를 다룰 수 있는 매우 정확하고 신속하게 반응하는 Pt1000 측정 부품이 장착되어 있습니다. 또한 해당 센서에는 안정적인 최상의 제품 품질 전제조건인 높은 반복성과 장시간 안정성이 있습니다.
향후 staedler는 이러한 주요 포인트 모니터링용으로 ifm의 자체 모니터링 온도 센서 TCC 타입을 사용할 예정입니다. 이 디바이스의 특수 기능: 디바이스는 서로 다른 온도 특성을 가진 두 개의 독립적인 측정 부품을 가집니다. 따라서 정확도의 편차를 즉시 인식되고 경보 스위칭 시그널로 신호가 전송됩니다. 또한 해당 신호는 디바이스의 LED를 통해 명확하게 시각화됩니다. 캘리브레이션 간격 사이에 센서가 드리프트를 감지하여 신호를 보내지 않는 한, 온도가 항상 안전하므로 제품 품질에 대한 신뢰성이 크게 향상됩니다. 다른 산업용 온도 센서는 캘리브레이션 후 하루만 지나도 온도의 차이 또는 유동이 발생할 가능성이 있습니다. 이 차이는 인식되지 않으며, 다음 캘리브레이션에서 비로소 감지됩니다. 최악의 경우, 제조사의 평판에 부정적인 영향을 주는 비용이 많이 드는 제품 리콜을 유발할 수 있습니다.
전도도를 사용한 CIP 세척 프로세스 모니터링
각 생산 이후에 시스템은 CIP 세척 프로세스를 거치게 됩니다. 별도의 펌프를 사용하여 알칼리성 및 산성 세척제를 사용하여 제품 라인을 헹굽니다. 그 후 생산을 다시 시작하기 전에 라인을 깨끗한 물로 헹굽니다. 이러한 절차에서 ifm 전도도 센서 LDL200이 중요한 역할을 합니다. 정밀한 전도도 측정을 바탕으로 해당 라인에 세정제가 포함되어 있는지, 그 농도가 얼마인지를 확인할 수 있습니다. 측정된 수치에 따라 제어 시스템은 세척제를 추가해야 하는지 또는 사전, 중간 및 최종 헹굼이 실시되었는지 파악할 수 있습니다. 세척 절차의 최종 단계는 깨끗한 물로 헹구는 것입니다. 최종 헹굼에 사용되는 물이 정확한 전도도에 도달했을 때에만 시스템을 생산에 투입할 수 있습니다. 이를 통해 CIP 프로세스 시 명확한 단계 분리가 보장됩니다.
전도도와 동시에 LDL200을 통해 매체 온도를 측정하고, 통신 프로토콜 IO-Link를 사용하여 값을 컨트롤 시스템으로 전송합니다. 이는 또한 열 교환기를 제어해 끓는 물 온도를 조절하기에 충분한 에너지가 항상 있는 지 여부를 확인하는 데에도 사용됩니다.
레벨 확인
해당 시스템에는 두 개의 큰 물탱크가 있습니다: 프로세스 마지막에 위치한 뜨거운 물이 담긴 수조 및 냉각 수조입니다. 압력 센서가 각 탱크의 바닥에 설치됩니다. 이 센서를 사용해 정수압을 측정합니다. 사용되는 ifm 센서의 이상적인 압력 범위는 100mbar에서 2.5bar입니다. 이러한 감지범위는 정확한 레벨을 결정하고 조절하는 데에 사용됩니다. 이를 통해 물을 다시 채울 때 탱크에 물이 넘치는 것을 막을 수 있습니다.
물 공급 감지
조리 과정에서는 물이 항상 손실됩니다. 한 가지 이유는 제품 자체 (이 경우 스패츨)에서 물을 흡수하기 때문이고, 다른 하나는 조리 과정에서 물이 증기 형태로 빠져나가기 때문입니다. 따라서 물이 지속적으로 추가 공급되어야 합니다.
Lukas Staedler: “우리는 물의 추가 공급을 조절하기 위하여 ifm의 전자식 유량계 SM2100을 사용합니다. SM2100 전자식 유량계는 조리 과정에서 지속적으로 유량을 측정합니다.
이 측정은 레벨 센서와 함께 이루어집니다. 레벨 센서가 물의 수위가 낮아지고 있다는 신호를 보낼 경우, 깨끗한 물이 추가되고 유량계는 제품으로 흡수되거나 증기로 빠져나가 손실된 물의 양을 계산합니다.
잔류 슬러지를 제거하는 경우에도 물이 손실됩니다. 사용된 물은 배수되고 깨끗한 물이 유입됩니다. 이는 레시피마다 다른 시간 요소 도중에 발생합니다. 이러한 경우에, 추가되어야 하는 물 양의 정확한 측정을 위하여 SM 센서가 사용됩니다.”
유량계는 헹굼에 사용되는 담수의 양을 모니터링하므로 세척 과정에서도 핵심적인 역할을 합니다. 이를 통해 전체 조리 과정에 투명성을 제공할 수 있습니다.
유도형 센서를 사용한 위치 모니터링
위치 감지용 유도형 센서 또한 설치되어 있습니다. 센서는 조리 과정을 위해 필수는 아니지만 중요한 모니터링 기능을 담당합니다. 제품이 냉각 수조로 들어가거나 냉각 수조에서 이송되는 냉각 밴드는 리프트를 사용해 수조에서 들어올려져 손으로 세척됩니다. 두 개의 유도형 센서는 상/하단 위치를 비접촉방식으로 감지하는 데 사용됩니다. 또한 센서는 밴드가 정확하게 낮은 위치에 있는 경우에만 시스템이 재가동될 수 있도록 합니다.
세 번째 유도형 센서는 슬롯 스크린에 장착됩니다. 슬롯 스크린 또한 수동 세척을 위해 분리됩니다. 센서는 생산이 재가동되기 전에 슬롯 스크린이 정확하게 장착되었는지 검사합니다.
그림 1: 냉각 밴드는 풀리를 사용해 세척을 목적으로 들어올려 집니다. 유도형 센서는 관련된 상단 및 하단 위치를 감지하는 데 사용됩니다. 그림 2: 슬롯 스크린을 수동으로 세척하고 제자리에 장착된 후, 유도형 센서에 의하여 해제된 경우에만 생산이 재가동됩니다.
IO-Link를 통한 센서 통신
모든 센서는 IO-Link를 통해 컨트롤 시스템에 연결됩니다. 이 디지털 통신 프로토콜은 측정값을 디지털 형식으로 제어 시스템에 전송합니다. 이는 즉 변환 손실 때문에 발생한 측정 오류를 확실하게 방지할 수 있음을 의미합니다. 한편, IO-Link는 더 많은 작업을 수행할 수 있습니다.
Lukas Staedler: “CCP 센서인 각각의 센서는 매년 또는 6개월 단위로 점검을 실시해야 합니다. 온도 센서를 기준 온도 액체에 넣어 캘리브레이션합니다. 우리는 IO-Link를 사용하여 온도 센서를 캘리브레이션합니다.”
전도도 센서 LDL을 사용하면 전선 하나로 프로세스 값, 온도 및 전도도를 모두 감지할 수 있습니다. 유량계 SM은 IO-Link를 통하여 하나의 출력으로 카운터 값 및 현재 속도를 컨트롤 시스템에 전송합니다.
IO-Link가 자동화를 단순화하는지에 관한 질문에 대해 Lukas Staedler는 명확한 의견을 말합니다: “기본적으로 자동화에는 더 많은 노력이 필요하지만 IO-Link는 확실한 부가가치를 제공합니다. 하나의 전선으로 여러 신호값을 전송할 수 있습니다. 이를 통해 마운팅 비용이 절감됩니다. 또는 온도 센서의 경우: 캘리브레이션이 이전 방식과는 달리, 컨트롤 시스템에서 캘리브레이션 값을 사용하지 않고 센서에서 직접 수행됩니다. 이는 컨트롤 프로그래밍을 단순화합니다. IO-Link가 가진 장점이 현재로서는 전반적으로 훨씬 더 큽니다.”
전도도 센서인 LDL200은 라인에 있는 것이 깨끗한 물인지 아니면 CIP 프로세스의 세척제인지 정확하게 인식합니다. 동시에 이 센서는 온도를 측정하고 IO-Link로 두 측정값 모두를 컨트롤 시스템으로 전송합니다.
PM 타입 압력 센서는 정수압을 사용하여 조리기 및 냉각 수조의 레벨을 감지합니다.
전자식 유량계 SM2100은 현재의 유속 및 급수된 총 공급량의 감지에 사용됩니다. 두 수치 모두 IO-Link를 통해 컨트롤 시스템으로 전송됩니다.
결론
staedler는 ifm이 제공하는 자동화 솔루션에 확신을 갖고 있습니다. Lukas Staedler는 다음과 같이 요약합니다: “우리는 ifm에 매우 만족하고 있습니다. 이전 프로젝트에서도 ifm 제품을 사용했습니다. 그 이유는 ifm이 유도형 센서, 전자식 유량계, 온도 센서, 압력 센서부터 전도도 측정에 이르기까지 종합적인 센서를 갖추고 있기 때문입니다. 간단히 말해서: ifm 센서를 통해 시스템에 필요한 모든 것이 충족되기 때문입니다. 또 다른 이유는 가성비가 훌륭합니다. 해당 센서들은 이 타입의 시스템에 적합하며 가격도 저렴합니다. 우리는 향후의 프로젝트에도 ifm의 제품을 사용할 것입니다.”
