M12-Verkabelung für die Lebensmittel-Industrie

Die Anforderungen an Maschinen und Anlagen in der Lebensmittel-Industrie gehen weit über den Standard des klassischen Maschinenbaus hinaus. Alle Oberflächen müssen eben sowie ohne Spalten oder Zwischenräume gestaltet sein. Sogenannte Schmutznester sind zu vermeiden, um ein Anhaften von Lebensmitteln zu verhindern. Gesäubert werden die Anlagen oft mit Hochdruck- und Dampfreinigern, die mit aggressiven Reinigungsmitteln auf saurer oder alkalischer Basis arbeiten (Bild 2). Lebensmittel und deren Verpackungen dürfen generell nicht durch den Kontakt mit Anlagen- und Maschinenteilen verunreinigt werden. Unterschieden werden bei der Produktion drei Zonen: Produktkontaktzone, Spritzzone und produktfreie Zone. Jede Zone stellt spezifische Anforderungen an die Sensorik und Aktorik – und an die jeweiligen Kabel und Steckverbinder. Die Produktkontaktzone Jedes Bauteil einer Anlage kann mit dem zu verarbeitenden Lebensmittel in Berührung kommen, und das Lebensmittel selbst kann danach zurück in den Verarbeitungsprozess gelangen. In dieser Zone sind die Hygiene-Anforderungen besonders hoch. Steckverbinder und andere Bauteile dürfen keine Schmutznester aufweisen. Eine Lösung bieten die M12-Steckverbinder von Phoenix Contact im Hygienic Design (HD). Die Entwicklung des Designs erfolgte in Anlehnung an die Design-Vorgaben der European Hygienic Engineering & Design Group (EHEDG) (Bild 3). Die für den Einsatz in der Lebensmittel-Industrie konzipierten Varianten des M12-Steckverbinders haben besonders glatte Oberflächen und bestehen aus FDA-konformen Materialien: V4A-Edelstahl (1.4404) für die Metallteile (Schraube, Mutter und Schirmhülse) sowie PP(Polypropylen)-basierte Umspritz-Kunststoffe und Leitungsmaterialien. Auch die Dichtungsmaterialien der O-Ringe sind FDA-konform. Weil PP als Grundmaterial für die Umspritzung und für den Leitungsmantel verwendet wird, ist die Medienbeständigkeit hoch. Die Nachteile PVC-basierter Lösungen spielen keine Rolle mehr. Mit PP gibt es kein Verhärten und Verfärben des Materials, alle dichtenden und optischen Eigenschaften bleiben langfristig erhalten. Mit den Schutzklassen IP65, IP68 (2m/24h) und IP69K erfüllen die M12-HD-Steckverbinder auch die Reinigungsanforderungen. Um die Anforderungen der EHEDG und gleichzeitig die Dichtigkeitsanforderungen zu erfüllen, wurde für das Hygienic Design ein neuartiges Dichtkonzept umgesetzt. Die Steckverbinder bilden mit ihrem Gegenstück eine geschlossene und glatte Oberfläche, die leicht zu reinigen ist. Für eine fliegende Kupplung im Feld wurde eine Profildichtung geschaffen, die Stecker und Buchse ebenfalls bündig abdichtet. Schmutznester gehören somit der Vergangenheit an. Die Beschriftung der Leitungen per Laser ermöglicht eine dauerhaft beständige Nachverfolgung. Außerdem werden keine Additive benötigt, um die Beschriftung durchzuführen. Die Spritzzone Auch in der Spritzzone können Bauteile mit dem Lebensmittel in Kontakt kommen. Anders als in der Produktkontaktzone gelangt das Lebensmittel nach dem Kontakt mit den Bauteilen jedoch nicht mehr zurück in den Prozess. Daher müssen auch die Steckverbindungen nicht den Richtlinien des Hygienic Design genügen. Die Steckverbinder, die Phoenix Contact im sogenannten Wash-Down-Design anbietet, wurden für die Applikation Spritzzone konzipiert: ebenfalls glatte Konturen am Griffkörper reduzieren Lebensmittelanhaftungen am Steckverbinder. Bei der Auswahl der Materialien wurde wiederum auf PP-basierte Kunststoffe zurückgegriffen, die sowohl für die Umspritzung als auch für die Verschraubung des Steckverbinders eingesetzt werden. Die genannten Vorteile hinsichtlich der Medienbeständigkeit gelten somit auch für die Wash-Down-Varianten. Die für eine Hochdruck-Reinigung erforderlichen Schutzarten IP65/68/69k werden ebenfalls erfüllt. Andere marktübliche Wash-Down-Steckverbinder setzen größtenteils auf Edelstahl – V2A oder V4A – als Verschraubungsmaterial. Durch den Verzicht auf Edelstahl im Wash-Down-Design von Phoenix Contact bekommt der Anlagenbauer einen Steckverbinder, der die Anforderungen der Lebensmittel- und Getränke-Industrie für die Spritzzone erfüllt – und der preislich im Bereich eines Standard-M12-Steckverbinders liegt. Die produktfreie Zone Die Bezeichnung \’produktfreie Zone\‘ ruft häufig Irritationen hervor. In dieser Zone sind die Produkte nicht verschwunden, sondern meist schon verpackt und nicht mehr direkten Berührungen durch Anlagenteile ausgesetzt. In dieser Zone sind die Anforderungen mit denen im klassischen Industrieumfeld vergleichbar. Die Reinigung der Verpackungsanlagen erfordert keine aggressiven Reiniger und erfolgt meist nicht mit Hochdruckgeräten. Jedoch können Kartonagen und Umverpackungen sowie eventuell austretende trockene Lebensmittel die Umgebungsluft mit Staub belasten. Damit die Steckverbinder staubdicht sind, ist hier ebenfalls eine hohe IP-Schutzart erforderlich. In dieser Umgebung sind Standard-M12-Steckverbinder sinnvoll – Phoenix Contact bietet hierfür geschirmte und ungeschirmte Steckverbinder und Leitungen. Der Anlagenbauer kann je nach Anwendungsfall etwa zwischen Robotor- oder Schleppketten-tauglichen Leitungen von Phoenix Contact wählen und bewegliche Anlagenteile, wie Robotergreifarme oder Förderstrecken, anwendungsgerecht verkabeln. Als Standardleitung setzt der Hersteller im Bereich der Sensor-/Aktor-Verkabelung auf halogenfreie Leitungen aus Polyurethan (PUR). Diese Leitung eignet sich für Einsatzbereiche in Verpackungsanlagen der produktfreien Zone – bedingt durch gute Schleppkettenwerte, gute Öl- und Hydrolyse-Beständigkeit, Halogenfreiheit sowie eine Flammwidrigkeit nach UL FT2. Produkte für F&B-Bereiche Zum Anschluss von Sensoren und Aktoren in der Lebensmittel- und Getränke-Industrie (F&B, Food & Beverage) bietet Phoenix Contact ein durchgängiges System an. Neben den erwähnten konfektionierten Leitungen im Hygienic- und Wash-Down-Design enthält es auch konfektionierbare Steckverbinder, Wanddurchführungen und passive Verteiler-Boxen im Wash-Down-Design. Die gesamte Steckverbinder-Familie wurde für die Reinigungsabläufe in diesen Applikationen konzipiert und ist gegen handelsübliche Reinigungsmittel beständig. Das bestätigen Zertifikate unabhängiger Prüfeinrichtungen – wie Ecolab und Diversey. Die Beständigkeit über alle Komponenten des Systems wird durch eine abgestimmte Werkstoffauswahl erreicht. V4A-Edelstahl sowie optimierte Dichtmaterialien und Kunststoffe ermöglichen den Einsatz der Komponenten in der Lebensmittel-Industrie. Außerdem sind die Einzelkomponenten des Gesamtsystems aufeinander abgestimmt. Beim Design-In der Komponenten wird der Anlagenplaner durch die Engineering-Software Eplan unterstützt. Fazit Die Einteilung in drei Kontaktzonen mit unterschiedlichen Anforderungen hilft bei der Auswahl geeigneter Steckverbinder und Leitungen. Durch die Abgrenzung der Anforderungen von Produktkontaktzone und Spritzzone wird auch das Design der Steckverbinder bestimmt. Mithilfe des skalierbaren Systems kann für jeden Bereich der richtige Steckverbinder ausgewählt werden. Nur so lassen sich – auch unter Kostengesichtspunkten – optimale Anlagen errichten. Phoenix Contact bietet ein Steckverbinder-System im Hygienic Design, das in der kritischen Produktkontaktzone eingesetzt werden kann. Zusätzlich ermöglicht das über alle Zonen durchgängige Verkabelungskonzept eine optimale Abstimmung der Sensor-/Aktor-Verkabelung auf die Anforderungen der Lebensmittel- und Getränke-Industrie. Kasten: Schließen sich FDA-Konformität und UL-Zulassung aus? Die Food and Drug Administration (FDA) schreibt für Steckverbinder und Leitungen im Lebensmittelbereich besondere Eigenschaften für die Kunststoffe vor. Die Standard-Materialien der industriellen Steckverbindertechnik erfüllen die Eigenschaften nur eingeschränkt oder gar nicht. Die von der FDA geforderten Eigenschaften – wie Verzicht auf schädliche Inhaltsstoffe (Flammhemmer oder weitere Additive) – stehen einer UL-Zulassung der F&B-Produkte im Weg. Der zugrunde liegende Standard der FDA [CFR-Titel 21, Volume 3, Part 177, Section 177.2600] beschreibt dabei die zulässigen Kunststoff-Materialien für den wiederholten oder dauerhaften Einsatz im Lebensmittelbereich. Wird dieser Standard während der Planung und Entwicklung der Steckverbinder angewandt, um die FDA-Konformität zu wahren, muss meistens auf eine Zulassung nach UL-Vorgaben verzichtet werden. Mit FDA-konformen Materialien wie PP ist eine UL-Zulassung fast unmöglich, da die geforderten Brandeigenschaften der Leitungen und Steckverbinder nach UL94-V0 nur schwer zu erreichen sind. Der Verzicht auf Additive wie Flammhemmer macht es für PP-Materialien nahezu unmöglich, Brandtests nach UL-Vorgaben gemäß UL94-V0 zu bestehen. Eine Lösung dieses Widerspruchs bieten nur teure Spezialkunststoffe, die derzeit nicht wirtschaftlich eingesetzt werden können. SPS IPC Drives: Halle 10, Stand 320