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今天,傳感器無處不在。您的智能手機中有接近傳感器、加速度計、陀螺儀、磁力計、生物識別設(shè)備、紅外和溫度傳感器、濕度設(shè)備甚至血氧計(盡管您可能不想依賴基于智能手機的血氧計的準(zhǔn)確性)
除了用于提供了解工業(yè)過程的窗口的基本四種(流量、液位、壓力和溫度)傳感器之外,您還可以在日常產(chǎn)品中找到無數(shù)其他傳感設(shè)備——從玩具到洗碗機再到汽車。如果您的食品或飲料業(yè)務(wù)沒有廣泛使用傳感器來監(jiān)控您的過程,您就不能指望長期保持競爭力——因為正如他們所說,“您無法控制您不測量的東西”,并且如果沒有它們,您就無法從流程中獲得可操作的數(shù)據(jù)。
有了一些巧妙的工程和正確的傳感設(shè)備,沒有理由不控制您的過程。如果您沒有員工的工程幫助,那么您的系統(tǒng)集成商就可以獲得幫助。正如 CHL Systems 的工程師 Mark Leer 所說:“我們不是傳感器制造商,而是在我們的設(shè)計/建造項目中使用傳感器的集成商。” 而且,憑借集成商從他們所做的如此多的項目中獲得的經(jīng)驗,他們通常能夠提出新穎的解決方案——比如讓一個傳感器完成多個傳感器的工作?!拔覀兡軌蚴褂眉す饩嚯x傳感器檢測未填充的面團袋,并在 [進(jìn)入] 包裝機械之前相應(yīng)地剔除多條產(chǎn)品線,”Leer 說。
用于每一個嚴(yán)格目的的傳感和控制傳感器和控制器制造商擁有用于嚴(yán)格食品/飲料應(yīng)用的設(shè)備。Brooks Instrument 制造流量和壓力儀表,并擁有例如質(zhì)量流量控制器 (MFC) 來獲取這些數(shù)據(jù)并使過程保持目標(biāo)?!拔覀兊?MFC 專注于食品和飲料制造應(yīng)用,包括冰淇淋、奶酪、黃油、酸奶、基于細(xì)胞的肉類以及啤酒和葡萄酒的發(fā)酵,”工業(yè)流程專家 Al Harvey 說。他補充說,每個應(yīng)用程序都需要可測量的、連續(xù)數(shù)量的空氣、二氧化碳或其他氣體來完成配方。
Endress+Hauser 提供為我們的行業(yè)量身定制的全面測量儀器系列,食品和飲料高級行業(yè)經(jīng)理 Ola Wesstrom 說。這包括用于衛(wèi)生過程應(yīng)用以及用于食品加工廠的水、空氣、氣體、電力和蒸汽公用事業(yè)的簡單傳感器到高級分析儀。
食品和包裝銷售工程師 Sebastian Balos 表示,有些人可能不會認(rèn)為 Festo 是一家傳感器公司。但是,F(xiàn)esto 提供范圍廣泛的傳感器,包括接近傳感器、流量傳感器、光學(xué)傳感器和復(fù)雜的機器視覺系統(tǒng)。Festo 的傳感器系列涵蓋了廣泛的應(yīng)用,從監(jiān)控過程設(shè)備的流量和壓力到感測執(zhí)行器和產(chǎn)品在灌裝和包裝設(shè)備中的位置、跟蹤產(chǎn)品和包裝代碼以及識別產(chǎn)品和包裝缺陷。
Rheonics 有限公司/應(yīng)用工程和市場開發(fā)的開發(fā)工程師 Manpreet Dash 說,Rheonics 開發(fā)、制造和銷售密度和粘度傳感器以及自動化解決方案,這些傳感器用于從食品加工到石化的廣泛應(yīng)用?!拔覀兊膫鞲衅饔糜谑称芳庸さ母鱾€階段,例如涉及牛頓和非牛頓流體的運輸、混合和涂層?!?/p>
Rheonics 的密度和粘度計被機器制造商和制造商廣泛用于監(jiān)測面糊混合和涂層、巧克力精煉和威化涂層、奶油、牛奶、酸奶、蛋黃醬、醬汁制造、動物食品的腸溶涂層、監(jiān)測酒精和糖葡萄酒和飲料中的含量,以及自動化廢水流。
思考具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用
如果你有一臺相對較新的洗碗機,它有一個濁度傳感器——如果水是清澈的,它實際上可以減少不必要的沖洗,從而節(jié)省水和能源?,F(xiàn)在在工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用相同的原理,節(jié)省是真實的。
“蒸餾的主要成本之一是冷卻水,”ProMach 品牌 Allpax 的軟件工程師 David Cohen 說。植物被充電一次以使用水并再次將其送入下水道?!拔覀兊目蛻粢恢痹趯ふ乙环N無需昂貴的過濾系統(tǒng)即可回收直接接觸冷卻水的方法,”Cohen 說?!拔覀儗岫扔嫾傻轿覀兊乃厥障到y(tǒng)中。這些儀表能夠檢測水的清潔度,因此我們可以在過程開始時排放臟水,并在過程中間和結(jié)束時重新捕獲干凈的水。這使工廠的用水量減少了多達(dá) 50%,從而節(jié)省了大量資金?!?/p>
Brooks Instrument 的 Harvey 說,使用傳統(tǒng)傳感器的一個具有挑戰(zhàn)性的食品應(yīng)用是制作冰淇淋的過程?!拔覀兊?MFC 將可測量和可重復(fù)的空氣量注入奶油中,使其達(dá)到特定的重量以及光滑和奶油般的外觀和質(zhì)地。結(jié)合其他設(shè)備,當(dāng)奶油被注入蛋糕時,我們的 MFC 允許在過程中保持一致性,因此每個蛋糕都有相同數(shù)量的奶油?!?/p>
當(dāng)您有意或無意地將空氣注入產(chǎn)品中時,測量其質(zhì)量流量一直存在問題。Endress+Hauser 的 Wesstrom 解釋說:“由于牛奶、攪打產(chǎn)品或粘性液體等許多食品中夾帶空氣,科里奧利質(zhì)量流技術(shù)過去一直難以提供準(zhǔn)確的測量。通過一種新方法,Endress+Hauser 在 Promass Q 科里奧利流量計中使用多頻技術(shù)解決了這個問題,以至于它被用于[用于]確定攪打產(chǎn)品中的氣體空隙率(溢出測量)?!?/p>
為什么不盡可能簡化流程?Festo 的 Balos 解釋說: 最近,一位客戶尋求 Festo 的幫助,為一種的應(yīng)用設(shè)計工藝解決方案,在這種應(yīng)用中,水被用來沿著“懶惰的河流”般的環(huán)路輕輕地移動水果。在返回回路起點的過程中,需要通過管道對水流進(jìn)行監(jiān)測和控制。需要顯著平衡流量和壓力以保持系統(tǒng)正常流動。
“應(yīng)用團隊使用流量傳感器和壓力傳感器進(jìn)行監(jiān)控,”Balos 說。這些信號被發(fā)送到 Festo Motion Terminal (VTEM),它在一個單元中包含一個 Festo PLC。VTEM 的智能閥門功能以及傳感器為管道中閥門的模擬控制創(chuàng)造了一種新的簡單方法,而不是傳統(tǒng)使用的開關(guān)過程閥門。這種設(shè)置消除了對八個過程閥傳感器的需要,并將傳統(tǒng)上八個并排的比例壓力調(diào)節(jié)器減少到少于四個?!坝捎诮M件數(shù)量的減少,我們實現(xiàn)了面板空間節(jié)省以及明顯的成本節(jié)省,”Balos 說。
假設(shè)您有一個容器放置在一個帶有稱重傳感器的平臺上,用于在向容器中添加或“定量”添加成分時監(jiān)控容器的重量,并且您想知道何時停止添加成分。非常簡單——只需在容器中的成分達(dá)到其皮重時關(guān)閉閥門即可?,F(xiàn)在,要添加另一種成分,您必須將重量“歸零”以獲得新的皮重,并對添加的每種成分再次連續(xù)執(zhí)行相同的程序。顯然,您可以獲得準(zhǔn)確劑量的成分,但這需要時間。
控制系統(tǒng)集成商協(xié)會 (CSIA) 認(rèn)證成員 ECS Solutions 的流程專家 John Parraga 認(rèn)為必須有更好的方法來計量成分——不是按順序——但同時使用相同的儀器已經(jīng)就位. 他提出了這樣一個新穎的想法,題為“并行饋送的系統(tǒng)和方法”(7,660,680)。有關(guān)更多信息,請參閱Parraga 的更詳細(xì)的說明。另請參閱 FE 文章“如何使用單個累加器同時計量多種成分”。
超越具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用
當(dāng)今的應(yīng)用需要復(fù)雜且更奇特的傳感器來實現(xiàn)包裝和工藝相關(guān)功能。例如,CHL 的 Leer 描述了使用 3D 智能傳感器動態(tài)捕獲糖果托盤輪廓,以每分鐘 20 個托盤的速度將位置數(shù)據(jù)反饋給真空拾取機器人。
Allpax 的許多客戶加工商使用易碎容器(袋子、杯子、碗)向客戶銷售產(chǎn)品。Cohen 說,容器需要精確的壓力控制,以確保它們在滅菌過程中不會破裂。過去,處理器必須將測試容器發(fā)送到第三方測試設(shè)施才能映射壓力曲線。每當(dāng)容器或成分發(fā)生變化時,他們都必須發(fā)送新的包裹進(jìn)行測試和映射。這可能是一個昂貴且耗時的過程。
Cohen 說,通過集成壓力剖面儀系統(tǒng),處理器現(xiàn)在可以執(zhí)行這些測試并創(chuàng)建自己的壓力剖面圖,從而節(jié)省時間和金錢。輪廓儀傳感器連接到容器并放置在脫水缸中。隨著蒸餾器加熱,容器開始由于增加的內(nèi)部壓力而偏轉(zhuǎn)。壓力分析儀系統(tǒng)檢測偏轉(zhuǎn)并相應(yīng)地自動增加內(nèi)部蒸餾壓力以補償和減少偏轉(zhuǎn)。撓度測量和蒸餾壓力補償在整個滅菌過程中持續(xù)進(jìn)行,為容器創(chuàng)造的壓力曲線。
Balos 說,在酸奶杯灌裝應(yīng)用中,處理器需要能夠滿足 IP69K 沖洗等級環(huán)境的智能 IO-Link 距離傳感器。Festo 的 SOOE 光屏障傳感器系列能夠滿足這些要求。IP69K 要求是食品行業(yè)的一個增長趨勢,這反映在對 Festo 的 IP69K 等級閥門的需求上。通過耐受惡劣環(huán)境,從不銹鋼 NEMA 4x 型外殼中取出傳統(tǒng)組件也被證明是非常具有成本效益的,并且具有提高效率的積極副作用,因為組件或系統(tǒng)現(xiàn)在更接近應(yīng)用,這可以提高機器性能.
FESTO工藝應(yīng)用要求更高
Brooks Instrument 的 Harvey 表示,在流程方面,使用更復(fù)雜傳感器的具有挑戰(zhàn)性的食品和飲料應(yīng)用包括基于細(xì)胞的肉類的生產(chǎn)以及啤酒和葡萄酒的發(fā)酵。對于基于細(xì)胞的肉類,MFC 提供精確數(shù)量的空氣、氧氣、氮氣和二氧化碳,用于閉環(huán)控制生物反應(yīng)器中的 pH 值和溶解氧,以便細(xì)胞生長。比容和流量對這一過程至關(guān)重要。如果氣體控制出現(xiàn)不利情況,可能會導(dǎo)致批次損壞、資金浪費和生產(chǎn)損失。
為了加快啤酒和葡萄酒的發(fā)酵過程,MFC 允許通過受控和自動化的過程來激活酵母,以制作更多配方并限度地提高產(chǎn)量。氧氣傳感器用于向 MFC 提供反饋,以控制峰值水平的氧氣流量。
對于釀造過程,Rahr Eagle Brewery 希望更好地控制其發(fā)酵過程。該啤酒廠一直在使用可變面積流量計來測量機械壓縮空氣噴射,以增加氧氣含量。然而,啤酒廠想要使用純氧來激活酵母——在這種情況下,需要精確的傳感和控制。該啤酒廠在 William E. Young 公司的幫助下安裝了帶有 NMA4X/IP66 外殼的 Brooks Instrument SLAMf 質(zhì)量流量控制器,以精確控制和自動化純氧水平。
Endress+Hauser 的 Wesstrom 說,粘度是一個常見的質(zhì)量控制參數(shù),主要在實驗室離線進(jìn)行,隨之而來的延遲和成本。通過使用帶有粘度輸出的 Promass I 科里奧利質(zhì)量流量計,可以進(jìn)行在線粘度測量,大大減少與質(zhì)量檢查步驟相關(guān)的生產(chǎn)停機時間,并在某些情況下實現(xiàn)閉環(huán)控制。
說到粘度,Rheonics 的一位瑞士客戶需要制造的巧克力威化棒,然而,瓶頸在于巧克力和奶油層的一致性,需要以準(zhǔn)確的厚度涂抹以確保正確的最終厚度Dash 說,為他們的客戶提供的脆餅。
巧克力制造商在其生產(chǎn)線上安裝了 Rheonics 在線粘度計 SRV,以監(jiān)控巧克力和奶油混合物,以確保將混合物的粘度控制在嚴(yán)格的限制范圍內(nèi),以保證涂層的一致性。巧克力-奶油-堅果混合物是一種帶有空氣的復(fù)雜流體,在使用 SRV 之前,客戶沒有找到任何能夠提供可靠和可重復(fù)測量的儀器。
未來的FESTO傳感器
“我們相信視覺系統(tǒng)和傳感器將變得更便宜、更易于使用,并且可能會被用于比現(xiàn)在更多的應(yīng)用,”Festo 的 Balos 說。視覺、X 射線和金屬檢測形式的傳感將提供捕獲大量數(shù)據(jù)的能力,這將使加工商能夠以減少召回和更安全食品的方式對其進(jìn)行處理。Balos 補充說,這是成功實施跟蹤和追蹤所必需的數(shù)據(jù)庫信息類型。關(guān)于食品安全,Balos 表示,我們將在不久的將來看到對有害食物病原體的快速感知。
“我們將看到顏色、濁度等光學(xué)技術(shù)的發(fā)展——但最重要的進(jìn)步將是拉曼光譜適用于蛋白質(zhì)、脂肪、糖類型和其他參數(shù)的在線或在線測量,”韋斯特羅姆說. 其他較新的技術(shù)包括用于濃度測量的表面聲學(xué)和用于固體水分測量的微波。
“由于生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步和大規(guī)模生產(chǎn)傳感器的采用(例如,想想汽車中用于自動巡航控制的雷達(dá)),我們將看到更簡單的傳感器涌入不太關(guān)鍵的應(yīng)用程序,支持?jǐn)?shù)字化轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略,”補充道韋斯特羅姆。應(yīng)該記住,許多這些簡單的傳感器不適合也不會適用于泡沫、蒸汽、攪拌等非常動態(tài)的應(yīng)用,因此將來會出現(xiàn)簡單和更的測量儀器的組合。
Dash 說,粘度是一種在分子水平上受到影響的特性,并且具有關(guān)于該過程的大量信息,但很難用現(xiàn)有儀器進(jìn)行可靠的量化。粘度提供了對食品中最重要的特性(質(zhì)地和稠度)的見解。這些特性會影響消費者對口味、香氣、風(fēng)味和口感以及產(chǎn)品成敗的接受程度。
在食品工業(yè)中采用粘度計的主要制約因素有兩個:首先,缺乏穩(wěn)健、在線、可重復(fù)的粘度計,其次,缺乏能夠在整體控制策略中充分利用粘度信息的集成工廠控制系統(tǒng). 人們一直認(rèn)為,盡管食品流變學(xué)很重要,但它是一個難以可靠監(jiān)測的課題。
軟件在FESTO傳感器中的未來角色
毫無疑問——軟件在當(dāng)今的傳感系統(tǒng)中扮演著重要的角色,它的應(yīng)用將以不同的方式應(yīng)用?!拔艺J(rèn)為我們會看到混合;一些儀器仍然需要復(fù)雜的軟件才能工作,而對于某些儀器來說,獲取原始信號就足夠了,”韋斯特羅姆說。作為僅提供原始信號的示例,Endress+Hauser 現(xiàn)在提供“發(fā)射器”,它是傳感器電纜的一部分。“我們已經(jīng)開始研究 pH、電導(dǎo)率和其他一些液體分析產(chǎn)品——但 CM82 變送器可以用于其他測量參數(shù),以降低儀器成本,”Wesstrom 說。
Wesstrom 說,基于云的資產(chǎn)健康監(jiān)控和可追溯性能驗證服務(wù)正在迅速被食品行業(yè)采用,這對性能和安全記錄有更大的需求。這方面的一個例子是 Endress+Hauser 的心跳技術(shù),它結(jié)合了用于過程優(yōu)化的診斷、驗證和監(jiān)控功能。
Harvey 說,軟件已經(jīng)在用于預(yù)測性維護(hù)的更高級診斷功能中發(fā)揮作用,維護(hù)工程師可以使用軟件來執(zhí)行系統(tǒng)檢查。例如,Brooks Instrument 在其“智能”設(shè)備上的板載高級診斷有助于預(yù)測性維護(hù)和故障排除。一種診斷可確保正確連續(xù)流向生物反應(yīng)器。如果入口壓力受限于 MFC,則會向操作員發(fā)送受限流量警報。另一種診斷是回流警報,當(dāng)生物過程液體或氣體意外回流到 MFC 時,它會通知操作員。第二個功能是 Brooks BEST 軟件,它允許客戶在現(xiàn)場對 MFC 進(jìn)行故障排除和校準(zhǔn)?!傲硪粋€輔助功能是我們的門戶網(wǎng)站,它允許客戶查看 MFC 設(shè)置、控制設(shè)備、
軟件將在FESTO傳感器的未來發(fā)揮關(guān)鍵作用,它將在獲取和分析過程數(shù)據(jù)、檢測需要干預(yù)的事件、優(yōu)化過程和收集有關(guān)工廠過程的見解方面為工廠工程師提供無限的可能性。 Rheonics 的 Dash 表示,短期和長期影響都有。
Dash 說,食品行業(yè)有一系列應(yīng)用,重要的是要了解每個應(yīng)用在過程目標(biāo)、規(guī)范和法規(guī)、產(chǎn)品轉(zhuǎn)換和工廠工程師的經(jīng)驗、常見的工廠車間實踐和專業(yè)知識方面都是不錯的的。 .
工廠內(nèi)的用戶與傳感器數(shù)據(jù)交互的方式將在很大程度上取決于軟件和部署的數(shù)據(jù)處理算法如何地滿足該應(yīng)用程序的需求。因此,與傳感器捆綁在一起的軟件需要根據(jù)特定應(yīng)用/行業(yè)從測量變量中監(jiān)控計算出的過程變量。這得到了智能傳感器的支持,例如來自 Rheonics 的傳感器,它結(jié)合使用邊緣和云技術(shù)來實現(xiàn)傳統(tǒng)傳感器無法實現(xiàn)的深度過程知識。
Dash 補充說,直觀的軟件可確保工廠經(jīng)理、操作員和工程師更輕松地學(xué)習(xí)曲線,以便與軟件順利交互并獲得工業(yè) 4.0 和自動化技術(shù)的全部好處。
人工智能將有助于簡化軟件
“軟件將繼續(xù)簡化,”Festo 的 Balos 說。人工智能和機器學(xué)習(xí)將迅速發(fā)展,并使處理器更容易為復(fù)雜任務(wù)設(shè)置設(shè)備。此外,人工智能和機器學(xué)習(xí)依賴于傳感器獲取的大數(shù)據(jù)。例如,在水果行業(yè),需要檢查軟水果上是否有瘀傷。瘀傷可以是各種形狀和顏色。人工智能將有能力學(xué)習(xí)(基于視覺傳感器數(shù)據(jù))要尋找什么。人工智能系統(tǒng)將自學(xué)尋找損壞產(chǎn)品的模式。而且,這一切都始于傳感器和傳感器數(shù)據(jù)的采集。
但我問巴洛斯,想要一些“不好”的組合來創(chuàng)造“手工制作”的外觀怎么樣?例如,您不希望巧克力曲奇餅干始終在中心和 12 點鐘、3 點鐘、6 點鐘和 9 點鐘位置顯示薯片,對嗎?
“如果制造商需要,視覺和人工智能肯定會讓他們擁有這種選擇,”巴洛斯說?!八鼘⒃试S傳球的不同窗口,并且無法擴展、學(xué)習(xí)和適應(yīng)千篇一律的模式。聽起來這項技術(shù)在食品制造領(lǐng)域有點遙不可及,但事實是,這項技術(shù)比人們想象的要普遍。
“想想你的智能手機和 Face ID,”Balos 補充道?!懊看文榭粗悄苁謾C時,都會執(zhí)行通過或失敗以允許您訪問。您的發(fā)型和顏色、面部毛發(fā)、化妝、太陽鏡的開啟或關(guān)閉等的變化最初從未預(yù)先編程過;它們是通過手機上的傳感器和人工智能技術(shù)學(xué)習(xí)和適應(yīng)的。無論我長什么樣,我仍然是可以訪問我的手機的人。將其應(yīng)用于食品制造當(dāng)然是可行的。也許目前缺少的只是一些實施創(chuàng)意?!?/p>
由于它們在您能想象到的幾乎任何應(yīng)用(消費、醫(yī)療或工業(yè))中無處不在,因此傳感器的成本比以前低;總的來說,它們變得更小,無線功能提供了一些以前不可用的用例。借助 AI 軟件和內(nèi)置資產(chǎn)檢查功能,如今的傳感器對于加工廠而言變得更容易安裝和使用;運營商和管理層能夠從他們的流程中獲取關(guān)鍵數(shù)據(jù),讓他們在競爭中脫穎而出。問題不是“你能負(fù)擔(dān)得起安裝傳感器”,而是“你能負(fù)擔(dān)得起不使用它們以及它們可以提供的可操作數(shù)據(jù)嗎?”
無線選項:擴展FESTO傳感器的范圍
無線傳感器已經(jīng)存在一段時間了,但您是否應(yīng)該為關(guān)鍵應(yīng)用部署它們?“無線選項取決于應(yīng)用,”Brooks Instrument 的 Harvey 說。在食品實驗室或其他研發(fā)應(yīng)用中,無線很可能是未來的發(fā)展方向。如果無線信號出現(xiàn)故障,實驗室不會因為測試環(huán)境中使用的體積小而損失數(shù)萬美元。然而,在工廠生產(chǎn)環(huán)境中,硬連線是 PLC 與 MFC 實時有效通信以獲得更高可靠性的必要條件。
“隨著 5G 等技術(shù)的上線,傳感器和設(shè)備的通信將變得越來越無線,”Balos 說?!叭欢?,在工廠中以無線方式為組件供電仍然是一個需要解決的問題?!?/p>
Wesstrom 說,功率清除技術(shù)(振動、光等)已經(jīng)在使用中,隨著電池技術(shù)的快速改進(jìn),以及更快、更可靠的無線網(wǎng)絡(luò),許多測量都在朝著這個方向發(fā)展。無線今天主要用于緩慢的過程,并作為遠(yuǎn)程配置和故障排除的工具。展望未來,我們將看到更多采用資產(chǎn)健康監(jiān)控作為預(yù)測性維護(hù)和流程優(yōu)化的推動因素。
Dash 說,根據(jù)應(yīng)用,從振動、熱量、流動或太陽能中獲取動力可能是可行的選擇。迄今為止,能量收集技術(shù)更廣泛使用的瓶頸是收集器的低功率輸出和傳感器的高功率要求。目前正在開發(fā)的低功率傳感器正在從和中汲取專業(yè)知識,以減少它們的功率預(yù)算,這使得自供電成為中期的可能性。
Dash 表示,無線和自供電傳感器的一項主要優(yōu)勢是顯著降低了傳感器的安裝成本。今天,傳感器項目預(yù)算的 70-80% 用于安裝,因此拔掉電線可以顯著減少這種情況,并成為行業(yè)需要采用普適傳感的游戲規(guī)則改變者。