식품, 음료 및 제약 공정 라인을 위한 새로운 IP69K 센서 옵션 소개

식품, 음료 및 의약품 공정에서는 철저한 위생 관리가 필수입니다. 모든 인더스트리 4.0 운영과 마찬가지로, 이러한 공정 라인에는 수많은 센서가 지원하는 높은 수준의 자동화가 필요합니다.

즉, 고압 세척 및 일상적인 CIP(Clean in place, 정치 세정) 절차를 견딜 수 있는 환경적으로 강화된 IP(침입 방지) 69K 등급 센서를 사용하여, 위생적인 운영 환경을 유지하는 동시에 효율적인 운영도 보장해야 합니다.

이러한 응용 제품의 센서는 IP69K 등급 외에도 부식에 강하고 일상적인 CIP 절차를 견딜 수 있는 SAE 360 L 스테인리스강 합금과 같이 식품의약국(FDA)의 요구 사항을 충족하는 재료를 사용하여 제작해야 하는 경우가 많이 있습니다. 다른 응용 제품의 경우에는 FDA 등급 플라스틱으로 제작된 하우징이 적합합니다.

이 기사에서는 먼저 DIN 40050-9에 정의된 IP69K의 요구 사항 개요를 설명한 다음, SAE 200, 300, 400 계열을 비롯한 다양한 FDA 스테인리스강의 성능을 검토하고, 사용 가능한 FDA 등급 플라스틱 및 사용 가능한 경우를 살펴봅니다.

그런 다음, 식품, 음료 및 제약 공정 라인에서 사용하기에 적합한 Banner Engineering의 새로운 센서와 응용 제품 몇 가지 그리고 설치 가이드를 소개합니다. 마지막으로 IP69K 센서 성능이 필요하지만 FDA 승인 재료로 제작된 하우징을 갖추지 않은 병마개 응용 제품에 대해 알아봅니다.

IP69K 센서는 IP68도 충족하나요?

센서는 두 가지 표준을 모두 충족하도록 설계될 수 있습니다. IP 등급에서 '6'은 해당 장치가 방진 기능을 갖추어 먼지의 유입이 없음을 의미합니다.

그러나 센서가 IP69K를 충족한다고 해서 자동으로 IP68도 충족하는 것은 아닙니다. 국제 전자기술 위원회(IEC) 40050-9는 독일 표준을 기반으로 하는데, 이는 IEC 60529 IP 등급 시스템을 확장하여 고압, 고온 세척용 응용 제품을 위한 IP69K를 추가했으며 다른 IP 등급과 다소 차이가 있습니다.

IP68의 방수 보호 등급은 IP67을 기반으로 합니다. IP67은 장치가 최대 1미터 깊이의 물에 30분 이상 잠기도록 요구합니다. IP68도 장치 제조업체와 사용자가 합의하여 설정한 테스트 조건으로 물에 담그는 것이 포함되며, IP67보다 더 가혹한 조건이어야 합니다. 예를 들어, Banner Engineering의 IP68 등급 센서는 2미터 수심에서 최소 24시간의 연속 침수를 견딜 수 있습니다.

IP69K는 장치를 물에 담글 필요가 없습니다. IP69K 테스트에는 다음 세 가지 요소가 포함됩니다.

• 분당 14리터 ~ 16리터(L/min)의 유속과 10MPa(평방인치당 1500파운드, psi)의 압력으로 +80°C의 물을 장치에 분사할 수 있습니다.
• 스프레이 노즐은 0°, +30°, +60°, +90° 각도에서 각각 30초씩, 총 120초 동안 장치에서 10cm ~ 15cm 떨어진 곳에 위치해야 합니다.
• 장치는 12초에 한 번씩 턴테이블에서 회전합니다.

Banner Engineering IP69K 등급 센서는 최소 1m 수중 침수 테스트를 추가로 거치게 되는데, 이는 표준 IP69K 테스트를 초과하는 요구 사항입니다(그림 1). 테스트 후, 센서 내부에 물이 있는지를 검사하게 됩니다. 센서 내부에 물이 없어야 하며, 센서가 계속 정상적으로 작동해야 테스트를 통과할 수 있습니다.

그림 1: 이 센서와 같은 IP69K 등급 센서는 고압, 고온의 세척을 견딜 수 있습니다. (이미지 출처: Banner Engineering)

부식도 중요한 사안입니다.

IP 등급 시스템은 인클로저가 고체 입자 및 액체 유입으로부터 보호하는 정도를 나타냅니다. 부식성 환경에서의 작동은 감안하지 않으며, FDA 요구 사항이 이에 적용됩니다.

FDA는 식품 및 의약품에 사용하기에 안전한지 확인하기 위해 인클로저 하우징 재료를 규제합니다. 예를 들어 식품 등급의 스테인리스강은 다음 요구 사항을 충족해야 합니다.

• 크롬 함량이 최소 16%여야 합니다. 산화크롬 박막은 산소가 있으면 자가 복원되므로, 스테인리스강을 부식에 강하게 만듭니다.
• 각각 크롬-니켈-망간 합금, 크롬-니켈 합금, 크롬 합금을 포함하는 SAE 200, 300 또는 400 계열 스테인리스강이어야 합니다.
• 표면이 매끄럽고 세척이 용이해야 합니다.
• 구멍, 깨짐, 갈라짐, 긁힘, 흠집에 강해야 하며, 반복적인 고압, 고온 세척을 견딜 수 있을 만큼 충분히 두꺼워야 합니다.
• 음식에 냄새, 맛 또는 색을 전이시키면 안 됩니다.

더 가벼운 솔루션으로는, 양극 산화 처리 알루미늄이 FDA에서 '일반적으로 안전하다고 인정되는' 것으로 간주됩니다. 알루미늄을 사용할 때는 적절한 처리와 가공이 필요합니다.

FDA 승인을 받은 플라스틱은 다양합니다. 일반적인 특성으로는 마모, 구부러짐, 치수 변화에 대한 높은 내성을 들 수 있습니다. 몇 가지 예는 다음과 같습니다.

• 폴리카보네이트는 가볍고 투명하며 대단히 튼튼한 재료입니다.
• 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT 폴리에스테르 )는 강도, 경도 및 치수 안정성이 높습니다. 화학 물질, 산화, 물에 강하며, 최대 150°C의 내열성을 갖추고 있습니다.
• 아크릴은 재료 처리용으로 승인된 무독성 투명 플라스틱입니다. 또한 내열성이 뛰어나 열악한 환경에서 사용하기에 적합합니다.
• 나일론은 탁월한 산소 및 수분 차단 특성을 갖추고 있어, 외부 환경으로부터 부품을 보호하는 데 사용됩니다.

FDA 등급 스테인리스강 소재의 광전 센서

Banner Engineering의 Q4X 계열 광전 센서는 모델에 따라 25mm ~ 610mm의 감지 범위를 제공합니다. 예를 들어 Q4XFKLAF310-Q8 모델의 감지 범위는 35mm ~ 310mm입니다.

하우징은 316L FDA 등급 스테인리스 강으로 제작되었으며, IEC60529 기준으로는 IP68, DIN 40050-9 기준으로는 IP69K 등급입니다. 장비 세척 및 소독에 일반적으로 사용되는 산성 또는 부식성 세척 및 살균용 화학 물질과 호환 가능하며, ECOLAB 인증을 받았습니다.

센서가 실행 모드이면, 4자리 7세그먼트 디스플레이에 현재 측정 판독값 또는 해당 아날로그 출력 값이 표시됩니다(그림 2). 추가적인 특징은 다음과 같습니다.

• 개별, 아날로그(0V ~ 10V 또는 4mA ~ 20mA), 투명한 물체 및 IO-Link 모델
• 아날로그 출력과 더 높은 초과 이득을 갖춘 고해상도 모델로 더 까다로운 응용 제품에 사용 가능
• 거리에 따라 다양한 대상 색상, 재질 및 표면을 감지
• 오류 방지 응용 제품에 사용 가능하며 역반사체가 필요 없는 투명한 물체를 감지하는 이중 TEACH 모드(강도 + 거리)

그림 2: 이 IP69K 및 IP68 등급 광센서는 FDA 등급 스테인리스강으로 포장되어 있습니다. (이미지 출처: Banner Engineering)

구성 및 전환 가속화

선택 사항인 RSD1QP 원격 센서 디스플레이(RSD)는 구성 및 모니터링을 위해 Q4X 계열 및 Banner의 다른 센서 제품군과 함께 사용할 수 있습니다(그림 3). Industry 4.0 공장에서 제품 전환 속도를 높이며, 구성이 완료된 후에도 연결 상태를 유지하거나 제거할 수 있습니다. 또한 접근하기 어려운 위치에 있는 센서의 모니터링을 간소화합니다. RSD의 기타 용도는 다음과 같습니다.

• 센서 간 설정 복사
• 신속한 센서 교체 지원
• RSD는 서로 다른 작업에 대해 최대 6개의 구성을 저장할 수 있습니다.

그림 3: RSD1은 Banner의 Q4X 계열과 같은 센서의 원격 구성 및 모니터링에 사용할 수 있습니다. (이미지 출처: Banner Engineering)

플라스틱 하우징의 광센서

T18-2VPRL-2M(T18-2) 세척 센서는 식품 생산 라인, 가금류 가공, 박스 감지, 계량 스테이션 작동 트리거 등 열악한 환경에서 사용하도록 설계된 독립형 광전 센서입니다.

케이스는 검은색과 노란색 PBT 폴리에스테르로, 표시등 파이프와 창은 반투명 흰색 아크릴로 제작되었습니다. 플라스틱 케이스는 초음파로 용접되어 완벽한 밀폐를 보장하며, 전자 장치는 IP69K 등급의 에폭시로 캡슐화되어 이중 밀폐를 제공합니다(그림 4). 이 센서도 IP68 등급입니다.

그림 4: 이 IP69K 및 IP68 등급 광센서는 FDA 승인 플라스틱으로 포장되어 있습니다. (이미지 출처: Banner Engineering)

알루미늄으로 제작된 IP69K 레이더 센서

Q90R 계열과 같은 레이더 센서는 기계로부터의 사람 보호, 협동 로봇(코봇) 작업, 식품, 음료 및 제약 공정 라인의 탱크 레벨 측정과 같은 응용 분야에서 유용하게 사용할 수 있습니다. IP69K 등급의 알루미늄 하우징은 튼튼하고 가볍습니다. 이 센서의 작동 온도 범위는 -40°C ~ +65°C로, 습하거나 안개가 낀 곳과 같은 까다로운 환경에서 사용하기에 적합합니다.

예를 들어 Q90R-4040-6KDQ 모델의 범위는 150mm ~ 20m이며, 출력은 두 개(IO-Link 커뮤니케이션이 제공되는 PNP/NPN 및 1 PNP/NPN)입니다. 모든 Q90R 센서는 창 모양 및 목표 설정값과 같은 감지 파라미터를 사용자 지정할 수 있습니다. IO-Link는 실시간 데이터 전송을 지원할 수 있습니다.

물체 감지는 센서에 대한 거리, 속도 및 각위치를 기반으로 할 수 있으며, 구성 가능한 다차원 성능을 제공합니다. 두 개의 독립된 영역에서 여러 대상을 동시에 감지하고 측정할 수 있습니다(그림 5).

그림 5: 이 알루미늄 하우징 레이더 센서는 식품, 음료 및 제약 공정 라인의 탱크 레벨 모니터링에 사용할 수 있습니다. (이미지 출처: DigiKey)

비전 시스템을 위한 조명

품질 관리 및 검사 응용 제품을 위한 비전 시스템은 최적의 작동을 위해 양질의 조명이 필요합니다. Banner의 BL60 밀폐형 LED 바 조명은 밝고 집중된 조명을 제공합니다. 4개의 고강도 가시광선 파장과 적외선(IR) 및 2개의 자외선(UV) 파장을 생성하는 모델이 제공됩니다. 가장 적합한 조명 옵션을 선택하면 비전 시스템의 성능을 더욱 향상시킬 수 있습니다.

내유성, 내화학성, 내방수성 알루미늄 하우징은 IP69K 등급이며 340mm 및 640mm 길이로 제공됩니다. 투명 또는 확산 폴리카보네이트와 붕규산 유리의 세 가지 창 옵션이 있습니다. 1V ~ 10V 조광 컨트롤과 조정 가능한 펄스 폭 변조(PWM) 섬광등 기능이 있습니다. 340mm LED 바 조명에 사용할 수 있는 조명색의 예는 다음과 같습니다.

• 일광 흰색(5000K), BL60W340L14ASQ
• 빨간색, BL60R340L14ASQ
• 녹색, BL60G340L14ASQ
• 파란색, BL60B340L14ASQ
• 적외선, BL60I340L14ASQ.
• 365nm 자외선, BL60UV365-340GL30ASQ
• 395nm 자외선, BL60UV395-340L30ASQ

병마개용 IP69K 니켈 도금 아연 레이저 센서

식품, 음료 및 제약 공정 라인의 모든 센서 응용 제품에 FDA 승인 하우징 재료가 필요한 것은 아닙니다. 병마개가 그 좋은 예입니다.

병마개는 대량으로 배송되는 경우가 많으며, 필링 라인에서 사용하기 전에 분류가 필요합니다. 마개가 잘못 정렬되는 경우(예: 마개가 뒤집힌 경우), 마개가 없는 병이 생산되거나 캡퍼 기계가 멈추어 생산성이 저하될 수 있습니다. Q3XTBLD-Q8(Q3X)과 같은 레이저 센서는 마개가 마개 전달 시스템에 도달하기 전에 마개가 잘못된 방향을 향하고 있는지 여부를 빠르게 식별할 수 있습니다.

Q3X는 100mm 배경 억제 기능이 있어 방향 감지 응용 제품에 매우 적합합니다. 고정 배경 억제 기능을 사용하면 Q3X 센서가 특정 거리를 인식하며, 해당 설정값을 벗어나는 범위는 무시하도록 설정할 수 있습니다.

병마개 분류 응용 제품에서, Q3X는 병마개 윗면이 센서 쪽을 향할 때 이를 감지하도록 설정할 수 있습니다. 마개가 반대쪽을 향하고 있으면 무시됩니다. 마개가 센서 쪽을 향하고 있으면 실패한 출력값이 전송되고 마개가 거부되며, 이러한 마개는 마개 분류기로 재활용되고 다시 시도되게 됩니다.

Q3X의 빠른 감지 속도는 고속 필링 라인에서 중요합니다. 이 센서는 단 250µs 만에 부품을 감지하고 초당 최대 2,000개의 이벤트를 캡처할 수 있습니다. 각형 3자리 디스플레이는 사용자 피드백을 제공하며, 설정 및 커미셔닝 속도를 높입니다. 니켈 도금 아연 하우징은 IP67 및 IP69K 등급으로, 습한 환경에 적합합니다(그림 6).

그림 6: 이 IP69K 등급 레이저 센서는 병마개 공정에 적합한 니켈 도금 아연 패키지에 들어 있습니다. (이미지 출처: Banner Engineering)

결론

식품, 음료 및 제약 공정 라인에서는 IP69K를 충족하고 고압 및 고온 CIP 작업을 견딜 수 있는 견고한 센서가 필요합니다. 이러한 센서 중 상당수는 물속에 담글 수 있다는 IP68 요구 사항을 충족하도록 설계되었습니다. 대부분의 경우 FDA 승인 재료로 패키지되어야 하지만, 병마개 작업의 경우와 같은 예외가 있습니다.