Дигитализация при измервателните средства

Специален брой: Хранително-вкусова промишленост в България • 06.08.2020

 Много от хранителните продукти са със сложен химичен състав и физическа структура, която понякога обединява газова, течна и твърда фаза. Възможно е всяка от тези фази да включва редица химични съединения, една фаза да бъде фино диспергирана в друга или фазите да бъдат силно нехомогенни и дори разделени една от друга до голяма степен. Мазнините и водата в течната фаза могат да се комбинират в единична или двойна емулсия. Водата може да е в свободна форма или в свързано състояние – кристализирала, свързана към белтъчни или нишестени молекули, инкорпорирана в биополимерни мрежи или абсорбирана върху твърдите повърхности на порьозни частици прахообразен хранителен продукт. В тъканите на прясното месо, плодовете и зеленчуците, както и в клетките на микробната флора, могат да се съдържат и активни ензими. Сезонът, регионът на произход, условията на прибиране и съхранение на земеделската продукция, както и етапите на преработка, също оказват въздействие върху свойствата на суровинните материали. В индустрията се внедряват нови технологии за преработка, предоставящи възможност за още по-широк диапазон от хранителни продукти, които често трябва да се адаптират към изменящите се пазарни структури и предпочитания на потребителите. Всички тези фактори обуславят изключително разнообразния и променлив характер на анализираните проби в хранително-вкусовата промишленост.

Стойността на pH в ХВП варира в широки граници – ниска за оцет или сокове от цитрусови плодове и висока за често използваните по линиите почистващи разтвори с основен характер. Широк диапазон от стойности на pH се среща и при мониторинга на отпадъчните потоци, например от процесите на промиване на суровинните материали или почистване на повърхностите на технологичните съдове.

Температурите се изменят в зависимост от процесите – от условия на замразяване (-50°C или по-малко) до условия на термична обработка (понякога над 250-320°C). Същото важи и за налягането – опаковането понякога се извършва под вакуум, а за термичната обработка и консервирането се изисква повишено налягане. Муфелните пещи обикновено работят при налягания между 60 и 600 kPa (0,6-6 bar). Особено тежки са условията в екструдерите с термична обработка, за които са характерни както високи налягания над 10 MPa (100 bar), така и температури около 200°C. В допълнение вътрешната повърхност на барабана е в контакт с шнека на екструдера, което ограничава достъпа до суровинната смес, която, от своя страна, също може да е с висока степен на абразивност в началния етап на процеса. Тези условия представляват предизвикателство дори при проектирането на измервателни сонди за налягане и температура. Независимо от това за тази тежка среда се разработват сензори за измерване на влажност и други променливи.

Като цяло условията на работната среда в хранително-вкусовата индустрия са по-благоприятни, отколкото тези в екструдерите с термична обработка. Сред най-големите предизвикателства за сензорите са процесите на почистване на място (CIP), прилагани в много от производствените инсталации в сектора. Тези процедури обикновено включват промиване с горещи разтвори на натриева основа, което може да доведе до корозия на повърхността на измервателните сонди. Почистването с пара е друг ефективен CIP процес, който оказва въздействие върху механичната и топлинната стабилност на сензорната глава.

Съгласно строгите хигиенни стандарти в хранително-вкусовата индустрия повърхността на сензорите, използвани на производствените линии и влизащи в контакт с продуктите, трябва да бъде напълно гладка, като това се отнася както за сензорната глава, така и за зоната на фланеца за монтаж. При процеси на стерилизация всички повърхности на сензора, имащи контакт с продукта, трябва да бъдат устойчиви на CIP процедури. В допълнение трябва да бъде елиминиран всеки риск от замърсяване на хранителните продукти с химични реагенти или със слабо разтворими компоненти от сензорите. Необходимо е да се предотврати и възможността от попадане на чужди тела в продукцията при повреда на сензора, особено на стъклени или метални фрагменти.

Прахообразните хранителни продукти с много ниско влагосъдържание могат да натрупват големи електростатични заряди, поради което сензорите, встъпващи в контакт с такива прахове (на основата на нишесте), трябва да бъдат проектирани по начин, свеждащ до минимум риска от прахова експлозия. Електронните компоненти трябва да могат да издържат на експозиция на вода, пара или прах. Сензорите в контакт с хранителни продукти често се замърсяват с частици белтъчини, мазнини или нишесте.

За индустриалните микровълнови фурни и някои съоръжения за директно нагряване са характерни и електромагнитни смущения, които могат да нарушат нормалното функциониране на измервателните уреди в ХВП. Допълнително предизвикателство е наличието на вибрации, причинени от помпи и друго производствено оборудване. Въртящите се елементи на съоръжения, като миксери например, могат да възпрепятстват излъчването на сигнал от датчиците или да ограничат възможностите за монтаж на измервателните сонди.

По-интелигентно оборудване за инспекция

Днес производителите от ХВП сектора трябва да инспектират всеки обект от линиите си. В миналото протоколът може да е изисквал единствено потвърждение за правилното поставяне на етикета на продуктите, но сега решенията за инспекция предоставят много по-цялостна информация.

Инвестирането в ново оборудване за инспекция, способно да идентифицира множество аномалии с по-висока точност и скорост, е свързано с възможности за пестене на разходи. На първо място, тези технологии позволяват да се редуцират количествата бракуван продукт. Второ, те минимизират престоите, произтичащи от спирания на производствения процес и дейности по поддръжка, което води до максимално увеличаване на възвръщаемостта на инвестицията. Не на последно място, компаниите избягват рисковете от нужда от изтегляне на продукцията от търговската мрежа и пагубно накърняване на репутацията на брандовете.

Интелигентният дизайн не се ограничава само до механиката на съвременното оборудване за визуална инспекция. Подобрения има и при човеко-машинния интерфейс (HMI), който предлага възможност за все по-интуитивна работа с оператора. Технологията не изисква продължително обучение на висококвалифициран персонал, което води до увеличаване на производителността. Например операторите с по-ниска степен на обучение могат да работят с машини и да осъществяват прехода между различни състави на продуктите или опаковъчни формати. Стойността на HMI не се свежда единствено до видимите резултати, а се проявява и в повторяемите и навременни процеси по събиране и анализ на данни, които в много случаи позволяват интегрирането и на информация от по-старо оборудване в рамките на същата производствена линия.

Рентгеновата технология претърпява огромно развитие от разработването си с цел откриване на чужди материали в продуктите, като стъкло, метал и пластмаса. Днес тя осигурява детайлна информация за продуктите, а производителите предлагат детектори с все по-висока чувствителност. В миналото необходимата мощност за работа с такова оборудване налага необходимостта от охлаждане по време на експлоатация. Съвременните решения не само не изискват охлаждане, но и здравните рискове, свързани с работата с тях, са значително по-ниски. Високата чувствителност на детекторите позволява събирането на много по-големи количества данни, които могат да подпомогнат компаниите в изготвянето на протоколи за подобряване на ефективността на дейностите им.

Измерване на цвят

Първоначалната преценка за качеството на храната в повечето случаи се определя от различните аспекти на външния й вид, като цвят, повърхностна структура и форма. В хранително-вкусовата индустрия измерването на цвят се използва по няколко причини, обединени от стремежа за редуциране на непостоянството вследствие на субективен анализ и за предоставяне на числени спецификации. Измерването на цвят се прилага и при разработването на нови храни или подобрени варианти на съществуващи продукти, когато цветът е един от най-важните показатели за качество. Благодарение на последните достижения в областта на измервателната техника приложението на измерването на цвят с цел качествен контрол и оптимизация на процесите се разширява.

Опростени оценки от типа “Да/Не” могат да се извършват както по време на производство, така и по отношение на самия краен продукт. Задаването на допустими граници на отклонение, съчетано със сензорни измервания, позволява постигането на по-добър контрол и еднородност на продукцията от различни партиди и дори от няколко производствени площадки. В допълнение чрез внимателна интерпретация на резултатите от измерването на цвят може да се провежда и мониторинг на различни процеси. Например ако кетчупът от една партида е с по-жълт цвят от целевия, това може да е показател, че е претърпял по-продължителна термична обработка от необходимата.

При измерването на цвят се използват два принципа – колориметрия и спектрофотометрия. Колориметрията количествено определя цвета чрез измерване на три основни цветни компонента на светлината, които са видими за човешкото око, т.е. червено, зелено и синьо. Вторични и третични цветове като жълто и оранжево не се определят поотделно. При спектрофотометрията се измерва спектралният коефициент на отражение или пропускливост на продукта в рамките на спектъра на видимата светлина (400-700 nm). Спектрофотометрите се използват при качествения контрол на готови хранителни продукти, при проучването и разработката на нови продукти и т.н.

Повечето измервания на цвят се извършват в лаборатории чрез последно поколение спектрофотометри. Все повече компании обаче инвестират в технологии за автоматизирано измерване на цвят (colour process automation technologies, cPAT), които придобиват популярност заради възможността за проектиране и изработка на компактни инструменти, заемащи по-малко място на производствената линия. В допълнение тези решения не се нуждаят от специални прегради за ограничаване на светлината от околното пространство, предоставят разширена функционалност и са по-рентабилни от измервателната техника отпреди 10, 20 и 30 години. Ползите от cPAT включват повишена производствена ефективност, редуциране на оперативните грешки и разходи, както и понижаване на загубите, свързани с бракуван продукт.

Съвременните инструменти за измерване на цвят използват технологии като Wi-Fi и Bluetooth за отдалечен пренос на данни и позволяват безпроблемно интегриране в дигиталната среда на потребителите, свързвайки ги със система за ресурсно планиране (ERP), SCADA или лабораторна информационна система (LIMS). По този начин се осигурява възможност за използване на модерни платформи за достъп до информацията във всеки един момент от всяка точка на света.

Автоматизиран мониторинг и контрол на температурата

Температурата е може би най-важната технологична променлива за производството на храни и напитки. Тя е не само ключов фактор за процесите на сушене и ферментация, но често е и показател от критично значение за осигуряване на безопасността на продуктите за консумация. Ако производителят не разполага с необходимите по закон записи, доказващи, че критичните стойности на температурата са постигнати във всеки един етап на дейността, то е възможно процесът да не се управлява правилно, което може да доведе до сериозни проблеми. Това може да бъде преодоляно с помощта на съвременни регистратори на данни, предоставящи възможност за непрекъснат запис на температурите по време и дата.

Днес уредите за измерване на температура предлагат по-високи нива на гъвкавост – от сензори за фиксиран монтаж до удобни преносими устройства с вътрешна памет или възможност за безжично свързване с външна памет на място или в облак. Дори сензорите за неподвижна инсталация могат да бъдат свързани безжично, когато местоположението им не осигурява необходимата практичност и рентабилност за опроводяване. Както устройствата за измерване на температура с директен контакт, така и безконтактните такива предлагат решения на сложни проблеми и могат да се използват съвместно за по-добър контрол на температурата при приложения, където температурите във вътрешността на продукта са от по-критично значение, отколкото тези на външните повърхности.

Съвременните преносими устройства могат да измерват температурата директно чрез съпротивителни температурни детектори или термодвойки. Някои разполагат и с допълнителна възможност за индиректно измерване чрез вграден инфрачервен термометър или дори система за обработка на инфрачервени изображения. В повечето случаи портативните измервателни уреди съхраняват записите във вътрешна памет до качването им на компютър, имат Wi-Fi интерфейси за директно прехвърляне на данните към заводската мрежа и поддържат работа със смартфона или таблета на потребителя чрез Bluetooth.

Мониторингът на температурата в хранително-вкусовата индустрия не приключва, когато продуктът напусне предприятието или склада. Прилагат се редица различни подходи за регистриране на данни – от устройства с неподвижен монтаж в товарните автомобили до преносими устройства и дори индикаторни ленти. Електронните регистратори на данни предлагат лесен начин за събиране на данните от измерването на температурата при транспортиране на продуктите. Това позволява впоследствие да се определи дали по време на транзита са възникнали температурни изменения, които могат да повлияят на качеството или безопасността на храните.

Новости при измерването на налягане

Измерванията на налягането при производството на храни и напитки обикновено се извършват с цел мониторинг и управление на стойностите му по производствените линии, проследяване на потоците и нивата на резервоари. Изброените три приложения определят налягането като един от основните технологични параметри в този индустриален сектор. Интелигентните трансмитери позволяват докладването не само на стойността на налягането, но и на много по-детайлна информация. Едно от най-значимите предимства на интелигентните трансмитери за налягане е свързано с областта на диагностиката.

Повечето смарт трансмитери за налягане предлагат базов набор от функции за диагностика, които дават възможност за уведомяване на оператора при повреда или нужда от обслужване на дадено устройство. Съвременните и интелигентни трансмитери предоставят допълнителна диагностична информация не само за състоянието на уреда, но и за електрическия контур и самия процес, позволявайки навременната намеса на оператора при проблем и избягване на непланирано прекъсване на производството.

Конвенционалните трансмитери за налягане изискват поддържаща инфраструктура, обхващаща опроводяване, кабелни канали, разпределителни кутии и редица входове и изходи, за да предадат сигнала към системата за управление. Тази инфраструктура понякога затруднява или оскъпява монтажа на трансмитери за налягане в определени локации.

Инсталирането и внедряването на безжични устройства може да отнеме до 75% по-малко време в сравнение с монтажа на конвенционалните трансмитери за налягане. В допълнение се елиминират разходите за опроводяване, благодарение на което могат да се реализират до 40% спестявания. Информацията, получена от повече на брой точки за мониторинг на налягането, може да допринесе за удължаване на експлоатационния живот на активите, което дава възможност за увеличаване на възвръщаемостта на инвестицията. Безжичните трансмитери за налягане с батерийно захранване могат да правят измервания и да предават получените резултати от тръбопроводи, резервоари или паропроводи, осигурявайки по-високо ниво на гъвкавост за широка гама от приложения.

Начинът, по който трансмитерът за налягане е свързан към процеса, може да повлияе в голяма степен на цялостната точност и надеждност на измерването. Често измервателният уред е свързан директно към работната среда, което е предпоставка за възникване на течове, запушвания, обледенявания и други проблеми. При по-сложни приложения може да са необходими множество компоненти, отвори в тръбопроводите и свързвания. По-новите трансмитери за налягане са компактни устройства с по-малко компоненти, които се инсталират по-лесно и имат по-ниски изисквания за поддръжка. Тези решения предлагат възможност за директно куплиране, което се смята за най-добра техника на монтаж, водеща до по-висока точност на измерванията.

 

ЕКСКЛУЗИВНО
Top