Sensorik überwacht Käse-Produktion Automatisierung aus Liebe zum Handwerk

Von Silvano Böni

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Auch in Zeiten vollautomatischer Lebensmittelproduktion wird in der Käserei Wildberg in den entscheidenden Entstehungsphasen der Produktion noch mit viel Expertenwissen und handwerklichem Geschick in den Fertigungsprozess eingewirkt. Der Schlüssel zum Erfolg ist aber eine ausgeklügelte Automatisierung im Hintergrund: Verschiedenste Sensoren helfen, die zahlreichen Prozessparameter genauestens einzuhalten.

Magnetisch-induktive Durchflusssensoren in der Permeat-Stufe der Umkehrosmoseanlage überwachen und regeln die Aufkonzentration der Molke.
Magnetisch-induktive Durchflusssensoren in der Permeat-Stufe der Umkehrosmoseanlage überwachen und regeln die Aufkonzentration der Molke.
(Bild: ifm )

Dass die Mitarbeiter der Wildberger Käse­manufaktur ihr Handwerk verstehen, merkt man sehr schnell, wenn man mit Geschäftsführer Roland Rüegg die neuen Produktionshallen betritt: Jeder hier kennt seine Aufgabe und beherrscht sein Metier, alles greift ineinander wie ein Zahnrad ins andere. In den Käsekellern offenbart sich die enorme Spannweite der Produkte beziehungsweise Rezepturen: Von beliebten Spezialitäten wie dem Emmentaler AOP über den Mozzarella bis hin zur eigenen Erfindung, dem Cheebab, einem Käse­döner, reicht das Portfolio. Letzterer erfreut sich seit den ersten Verkostungstests am hauseigenen Verkaufsstand grosser Beliebtheit bei Kunden aus nah und fern. Das Rezept des Erfolges: höchste Qualität.

Seit Frühjahr 2021 läuft die Produktion im Neubau: Prozesstechnisch ist die Käserei auf modernstem Stand, ausgestattet von der Firma Staedler Automation AG. Der Automationsspezialist ist nur wenige Kilometer weit entfernt beheimatet – und setzt bei der sensorischen Überwachung seiner Anlagen auf Produkte und Lösungen des Automatisierungsspezialisten ifm.

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Käse und Sensoren

Doch was hat traditionelle Käsemanufaktur mit den Sensoren zu tun? Sehr viel, denn die Produktionsmaschinen in der Käserei können nur dann in der für die Qualität erforderlichen Präzision gesteuert werden, wenn die Steuerung selbst konstant exakte Prozessparameter geliefert bekommt. So müssen zum Beispiel vom Zulauf der Milch in den Separator über den Wärmetauscher bis hin zum Käsefertiger Temperatur und Druck exakt eingehalten werden, um die Milch entsprechend zu behandeln. Die Sensorik steht dabei bereits früh im Produktionsprozess im Fokus: In der Milch­annahme stehen Lagertanks, in denen die frisch angelieferte Milch herunter­gekühlt und gerührt wird. Hier überwachen Füllstand- und Temperatursensoren die ordnungsgemässe Lagerung der Milch. Auch die CIP-Anlage, mithilfe derer die Verrohrungen und Tanks regelmässig gereinigt werden, wird sensorisch überwacht: Zum Beispiel kontrollieren Durchflusssensoren die Wassermengen während der Spülprozesse.

In der sogenannten Thermisierung können insbesondere Temperatursensoren ihre Stärken ausspielen. Abhängig von der gewünschten Käsesorte wird in einem Platten-Wärmetauscher eine präzise und zeitlich exakt definierte Erwärmung der Rohmilch durchgeführt. Paarweise zusammenwirkende Temperatursensoren vom Typ TA2502 stellen in jedem der drei Segmente des Wärmetauschers die Ein- und Austrittstemperatur fest, um der Steuerung die Möglichkeit zur präzisen und unmittelbaren Nachregelung in den jeweils nachgeschalteten Wärmetauscher-­Segmenten zu geben.

Die zweifelsfrei verantwortungsvollste Funktion im gesamten Prozess übernimmt der Temperatursensor vom Typ TCC501 an der Heisshaltestrecke des Wärmetauschers, wo durch die Temperaturhaltung über die Zeit die Milch auf den weiteren Prozess hin mikrobiologisch optimiert beziehungsweise abgesichert wird.

Permanenter Status-Check

Die Besonderheit des TCC: Der Temperatursensor misst nicht nur sehr genau, er bietet Anlagenbetreibern auch die Möglichkeit, ereignisbezogen – und nicht erst beim nächsten geplanten Kalibrierintervall – auf Driftverhalten reagieren zu können. Dank der Calibra­tion Check Technology erkennt der TCC sein eigenes Driftverhalten. Dazu gleicht der Sensor den Temperaturwert mit einem zeitgleich gemessenen Referenzwert ab. Liegt die Abweichung ausserhalb des Toleranzwertes, der von 0,5 bis 3 K eingestellt werden kann, zeigt der TCC dies optisch an und gibt per IO-Link sowie per Diagnoseausgang eine Meldung an die zentrale Steuerung. Gleiches gilt auch im Falle einer gravierenden Störung. Somit mindert der TCC das Risiko, insbesondere bei Frischeprodukten ganze Produktionschargen aufgrund fehlerhafter Fertigungstemperaturen zu verlieren.

Gerade bei Fertigungsprozessen, wo exakte Temperaturwerte für die Qualität der Produkte entscheidend sind, ist es wichtig, sich auf die Genauigkeit der Messwerte verlassen zu können. Dank des Inline-Kalibrierprozesses erzielt der Temperatursensor eine Genauigkeit von ± 0,2 K entlang des gesamten Messbereichs. Damit ist er ideal geeignet für den Einsatz in diesen temperatursensiblen Prozessen. Das mikrobiologische Geschehen der Frischprodukte ist damit zu jedem Zeitpunkt sicher überwacht. Ob visuell oder digital: Der TCC kommuniziert den aktuellen Status auf jedem Wege transparent und unmissverständlich: Am Sensor selbst signalisiert grünes Licht eine fehlerfreie Funktion. Blau weist auf eine Temperaturabweichung ausserhalb des Toleranzbereichs hin. Rot meldet eine gravierende Fehlfunktion, etwa den Ausfall des Hauptmesselements.

Transparente Sensorkommunikation

Darüber hinaus hinterlegt der Sensor per IO-Link automatisch alle für eine einwandfreie Dokumentation relevanten Daten: Einbau­datum, Betriebsstunden, Temperaturhistogramm sowie Log­bücher zu Ereignismeldungen (Betriebsstunden und Eventnummer) und zum Kalibrierprüfstatus (Betriebsstunden, Temperaturwert, Driftwert, Limit und Status).

Mittels Software kann der Wert definiert werden, ab dem der Temperatursensor eine Meldung ausgibt. Im Simulationsmodus, in dem beispielsweise die Prozesstemperatur und Referenztemperatur des Sensors frei gewählt werden können, lässt sich vorab prüfen, ob der Sensor korrekt in die Steuerung eingebunden wurde.

Diese Prozesssimulation rundet den hohen Schutzfaktor ab, den der TCC bietet. Ein vollverschweisstes und abgedichtetes Gehäuse sowie ein neues Messspitzendesign machen den Sensor dauerhaft resistent
gegen externe Einflüsse wie Feuchtigkeit, thermi­sche und mechanische Schocks und Vibratio­nen.

Wartungsfrei und robust

Ein weiterer, wichtiger Sensor für die Käserei Wildberg ist der Drucksensor vom Typ PM15. Er überwacht die Druckverhältnisse im Wärme­tauscher mit dem Ziel, die Drücke in der bereits thermisierten, also erhitzten keimfreien Milch stets höher zu halten als an der gegenüberliegenden Seite der Wärmetauscherplatte, wo entweder Frischmilch oder Heisswasser anliegt. Bei möglichen Rissen in der Wärmetauscherplatte kann durch den Überdruck ausschliesslich die Milch entweichen. Andersherum können aber keine Fremdmedien in den hochsensiblen Produktionsprozess gelangen.

Insofern sich Ablagerungen an der Wärme­tauscher­platte bilden und damit der Druck bei sonst konstanter Strömungs­geschwindigkeit ansteigt, kann der Drucksensor diesen Umstand für die Steuerung transparent machen, so dass entsprechend nachgeregelt oder ein Wartungsintervall eingeleitet wird.

Der Drucksensor PM15 verfügt über ein einzigartiges frontbündiges Dichtsystem mit Teflon und PEEK. Dieses erlaubt erstmals die hygienegerechte Integration kleiner keramisch-kapazitiver Messzellen in kleine Rohrleitungen ab DN25. Dank des minimierten G½-Gewindes kann der Einbau ohne grossbauende und teure Adapter erfolgen. Die somit totraumfreie, hygienezertifizierte Adaption verhindert Ablagerungen und gewährleistet eine optimale Reinigbarkeit während des CIP-Prozesses.

Der Sensor ist somit prozessseitig ohne Elastomerdichtung konstruiert und damit wartungsfrei. Die frontbündige, robuste Keramikmesszelle ist langzeitstabil und hält Druck und Vakuumschlägen ebenso stand wie Einwirkungen durch abrasive Stoffe. Es handelt sich dabei um ein sogenanntes «trockenes Messprinzip», da keine Druckmittlerflüssigkeit zum Einsatz kommt und somit das Risiko der Freigabe von kritischen Flüssigkeiten in das Medium ausgeschlossen ist. Der Sensor ist damit praktisch verschleissfrei. Er hält Mediumtemperaturen von bis zu 150 °C stand, was eine Dampfreinigung ermöglichen würde. Das EHEDG-Zertifikat, FDA-Zulassung und 3A-Standard bestätigen seine Eignung für hygienische Prozesse.

Leistungs-Plus dank IO-Link

Wie nahezu alle ifm-Sensoren verfügt auch der PM15 über IO-Link. Neben dem klassischen Analogsignal (4 bis 20 mA) lässt sich der Prozesswert verlustfrei digital übertragen. Aber IO-Link bietet hier noch mehr: Der Sensor besitzt auch einen Temperaturfühler, dessen Wert der Anwender über IO-Link abrufen kann. Vorteil: Bei unkritischen Anwendungen kann auf diese nicht-invasive Temperaturmessung zurückgriffen werden, um «so ganz nebenbei» mehr Transparenz und Sicherheit in die Anlage zu bekommen – das spart Ma­terial- und Montagekosten. Weitere Komfortmerkmale von IO-Link sind die Nullpunkt­kalibrierung und die Skalierung von Mess­bereichen. Nicht trotz, sondern wegen der automatischen Prozessüberwachung ist es der Käserei Wildberg möglich, sich auf die Herstellung individueller Käsespezialitäten zu konzentrieren, während die dafür notwendigen Anlagen zuverlässig und präzise ihre Aufgabe erfüllen. Passgenaue, durchdachte Sensorik sorgt auch an Stellen mit besonderen Herausforderungen für eine einfache und sichere Überwachung der Produktion.

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