Welche Vorteile bringt Industrie 4.0 der Lebensmittelindustrie?

Die Digitalisierung kann helfen, den Aufwand für die Produktionsüberwachung zu reduzieren

  • Abb.: Smarte Sensoren sind der Schlüssel zur Digitalisierung: Durchflusssensoren der Proline 300/500-Familie besitzen einen integrierten Webserver und WLAN sowie Selbstdiagnosesysteme. Abb.: Smarte Sensoren sind der Schlüssel zur Digitalisierung: Durchflusssensoren der Proline 300/500-Familie besitzen einen integrierten Webserver und WLAN sowie Selbstdiagnosesysteme.
  • Abb.: Smarte Sensoren sind der Schlüssel zur Digitalisierung: Durchflusssensoren der Proline 300/500-Familie besitzen einen integrierten Webserver und WLAN sowie Selbstdiagnosesysteme.
  • Tim Schrodt,  Branchenmanager  Lebensmittel bei ­Endress + Hauser Messtechnik

Im Mai 2019 veranstaltete Endress + Hauser gemeinsam mit dem TÜV Süd zum zweiten Mal das Fachforum Food Safety. Mit Fokus auf den Produktionsprozess wurde das Thema Lebensmittelsicherheit aus verschiedenen Perspektiven beleuchtet. Für die Digitalisierung lässt sich das Fazit ziehen, dass sie der Lebensmittelindustrie helfen kann, den Aufwand für die Optimierung von Prozessen, für die Produktionsüberwachung und für die Instandhaltung zu reduzieren.

In den letzten sechs Jahren hat sich die Zahl der Lebensmittelrückrufe verdoppelt. Am häufigsten sind Produkte wegen mikrobiologischer Verunreinigungen sowie enthaltenen Fremdkörpern zurückgerufen worden. Ein Grund zur Sorge bestehe nicht, die Qualität der Produkte sei nicht schlechter geworden, viel mehr habe die Zahl der vorsorglichen Rückrufe zugenommen und die Hersteller reagieren sensibler, so meldete es die Lebensmittel Zeitung am 8. April 2019.

Der DLG-Trendmonitor 2018 zu Investitionen und Trends zeigt auf, dass 65 % der über 140 befragten Unternehmen der Lebensmittelsicherheit eine sehr wichtige Bedeutung beim Investieren einräumen. Hingegen wird der Digitalisierung nur von 15% der Befragten diese Wichtigkeit zugesprochen.
Auch bei der Nutzung der Daten, die Feldgeräte im Herstellungsprozess bereits heute erfassen, ist aus Sicht von Endress + Hauser festzustellen, dass 97 % dieser Daten nicht genutzt werden. Die Ursachen dafür sind die fehlende Konnektivität, um die Daten aus den Geräten herauszubekommen und der hohe Engineeringaufwand, den es bedarf, um diese Daten zu interpretieren.

Was hat unsere Lebensmittel bisher sicher gemacht?
Schon vor dreißig Jahren machten Hochschuldozenten ihren Studenten zu Beginn eines Studiums, das zum Berufsfeld der Lebensmittel- und Getränkeindustrie gehört, zuerst bewusst, dass sie zur damaligen Zeit über Nahrungsmittel verfügten, die so sicher wie noch nie in der Menschheitsgeschichte waren.

Dieses hohe Niveau verdanken wir auch heute noch drei tragenden Säulen: dem wissenschaftlichen Fortschritt, den Gesetzen und Standards sowie den Qualitätsmanagement-Konzepten. Die erste Säule umfasst die Erkenntnisse der Mikrobiologie und der Haltbarmachung, sichere Verpackungen, die Industrialisierung der Lebensmittelproduktion sowie die Untersuchungs- und Kontrollmethoden. Die zweite Säule steht für das, was erlaubt ist und was nicht. Zudem hat man erkannt, dass im Lebensmittelgesetz die gesamte Kette, angefangen beim Futtermittel, mitberücksichtigt werden muss. Mit der dritten Säule sind Management-Konzepte wie bspw. HACCP und ISO9001 gemeint, die beschreiben, wie man etwas richtig macht.
Wenn alle drei Säulen bereits tragen, kann dann durch Industrie 4.0 und Digitalisierung die Lebensmittelsicherheit weiter erhöht werden?

Cyber-physische Systeme
Die virtuelle Nachbildung von Produktionseinheiten oder -prozessen mit Unterstützung eines Abstraktionslayers und dessen Verknüpfung mit realen Produktionsanlagen hilft, Prozesse effektiver und effizienter zu betreiben. Dieses Layer kann eine cloudbasierte Datenbank sein, die sowohl das Produkt als auch den Prozess virtuell beschreibt. So arbeitet die Technische Hochschule Ostwestfalen-Lippe mit Unterstützung von Endress + Hauser an einem Projekt, welches eine Kurzzeiterhitzungsanlage (KZE) für Getränke als cyber-physisches System betreibt. In der heutigen Praxis wird der Erhitzungsprozess mit einem stark idealisierten Steuerungsmodell und hohen Sicherheitszuschlägen gefahren, was zulasten von Ressourcen (Zeit, Energie) und Produktqualität geschieht. Als Lösungsansatz für eine optimierte KZE-Steuerung wird während der Produktion das Produkt mittels Online-Analysenmesstechnik vor und nach der Erhitzung charakterisiert und die Heißhaltetemperatur und -zeit individuell an das Produkt angepasst. So ist sichergestellt, dass das Produkt die maximale mikrobiologische Sicherheit bei minimaler thermischer Belastung erhält.

Smarte Sensoren mit permanenter Selbst- und Prozessdiagnose
Ein modernes Massedurchflussmesssystem wie die Proline Promass-Familie misst neben dem Massefluss auch die Dichte und Konzentration des Mediums. Bisher kaum genutzt sind Kenngrößen wie Erregerstrom, Schwingfrequenz und -amplitude sowie weitere 700 Parameter, die ein solches Sensorsystem erfasst. Aus ihnen können weitere Rückschlüsse auf den Prozess gezogen werden: sind bspw. Gasblasen im Medium oder bilden sich Beläge im Prozess? Füllstandssensoren wie der Levelflex und Micropilot können durch Auswertung solcher Daten unerwartete Schaumbildung erkennen. Die Messgeräte nutzten die Daten auch zur permanenten Selbstüberwachung. So ist eine Verifikation ohne Prozessunterbrechung möglich. Als dokumentierte Prüfung kann sie auch herangezogen werden, um Prozesse zu triggern, für die die exakte Zudosierung von Rezepturbestandteilen und somit essenziell für die Produktsicherheit ist. Die Herstellung von Säuglingsnahrung ist ein Anwendungsgebiet dafür. Die Produktion läuft erst weiter, wenn das Gerät sich vorab verifiziert hat. Endress + Hauser fasst diese neuen Möglichkeiten unter dem Konzept Heartbeat Technology zusammen.

Data Mining und selbstlernende Systeme
Durch das Sammeln von Messdaten und dem Vergleich von aktuellen zu historischen Messwerten können Anlagenbetreiber in der Lebensmittelindustrie frühzeitig Qualitäts- oder Prozessprobleme erkennen. Das Fraunhofer Institut in Dresden testet neue Wege zur intelligenten Tankreinigung. Stand der Technik sind überdimensionierte und ineffiziente Reinigungssysteme, die am Worst-Case der Verschmutzung ausgerichtet sind. Zudem sind die Möglichkeiten des Inline-Reinigungsmonitorings und zur automatisierten Dokumentation des Reinigungserfolgs begrenzt. Als Ziel hat sich das Institut eine bedarfsgerechte Tankreinigung gesetzt. Diese kann durch Nutzung eines optischen Verschmutzungssensors, der einen um zwei Achsen drehbaren adaptiven Jet Cleaner dirigiert und einer selbstlernenden Prozesssteuerung erreicht werden. So können stark verschmutzte Stellen wie Stutzen und Füllstandskranz intensiver als die restliche Tankinnenfläche gereinigt werden. Die Kosteneinsparungen bestehen in der Reduzierung von Reinigungsmittel und -zeit.

Informatisierung von Produktionsanlagen
Über den gesamten Lebenszyklus von Geräten und Produktionsanlagen werden bei Projektierung, Inbetriebnahme, Nutzung und Wartung Informationen generiert, die heute meist nur lokal beim Ersteller verfügbar sind. Das beginnt bei Daten zum Engineering und der Anschaffung, erstreckt sich weiter über die technische Dokumentation und Parametrierung und mündet in Ersatzteillisten, Prüfprotokollen und Materialzertifikaten.
Im Falle eines ungewollten Anlagenstillstandes oder eines Audits benötigen Anlagenbetreiber sofortigen Zugriff auf solche Informationen. So bietet Endress + Hauser über einen QR-Code auf den Geräten und der Operations-App Zugriff auf gerätespezifische Dokumente. Zusätzlich können über das Endress + Hauser IIoT-Ökosystem Netilion weitere Informationen, wie z. B. der aktuelle Gerätezustand der verbauten Prozessinstrumentierung, in Echtzeit geliefert werden. Um an diese Livedaten zu gelangen, muss die Anlage lediglich mit einem Edge Device verbunden sein, das seinerseits mit dem Internet verbunden ist. Vollständig automatisiert erhält man herstellerunabhängig eine Liste aller installierten Geräte, einzige Voraussetzung ist, dass diese über eine Profibus oder HART-Kommunikation verfügen.

Die Firma Krones hat in ihrem Steinecker Brew Center das weltweit modernste Brautechnikum errichtet. Hier finden sich ebenso QR-Codes auf allen Anlagenteilen und Komponenten. Sie sind die Pforten zu Share2Act, dem cloudbasierten Social Network für Produktionsanlagen und ermöglichen es dem Anlagenbediener, Fotos, Kommentare oder andere wichtige Informationen zu posten, die im Problemfall helfen, schnelle Lösungen zu finden. Damit wird das digitale Abbild der Anlage zum wertvollen Wissenspool. Will der Anwender diese Informationen direkt im Produktionsumfeld verfügbar haben, ist die Einrichtung eines Industrial WLANs unerlässlich. Smartphone und Tablet werden verstärkt ihren Einzug ins Arbeitsumfeld erhalten.

Wo steht die Lebensmittelindustrie heute?
Seit die Bundesregierung 2013 das Zukunftsprojekt Industrie 4.0 ins Leben gerufen hat, sind einzelne Ansätze von verschiedenen Unternehmen entwickelt worden. Als Insellösungen erschließen sie dem Anwender jedoch nur einen begrenzten Nutzen. Aus diesem Grund hat Anfang 2019 die KEX Knowledge Exchange AG als Informationsdienstleister ein Konsortialprojekt gestartet. In diesem haben sich neben Endress + Hauser namhafte Anlagen- und Komponentenhersteller, Lebensmittel- und Getränkeproduzenten sowie der Handel und Forschungseinrichtungen zusammengeschlossen, um aus den Insellösungen übergreifende Anwendungen zu entwickeln, die den Nutzen der Digitalisierung über die gesamte Wertschöpfungskette der Industrie entfalten.

Zusammenfassung
Durch die Digitalisierung wird die Produktsicherheit von Lebensmitteln während des Produktionsprozesses in erster Linie indirekt profitieren können. Der Aufwand, um ein hohes Sicherheitsniveau zu erhalten, kann durch Optimierung von Prozessen, Produktionsüberwachung und Instandhaltung reduziert werden. Die Industrie steht noch am Anfang, um aus den bereits existierenden Lösungen Ableitungen für Weiterentwicklungen zu generieren. Parallel zu diesen Anstrengungen müssen Herausforderungen zur IT-Sicherheit, Vereinheitlichung von Standards für Konnektivität und Hardware, rechtliche Aspekte des Datenschutzes und der qualifizierten Ausbildung der benötigten Fachkräfte gemeistert werden. Die Digitalisierung kann mithelfen, ein immer komplexer werdendes Industrieumfeld zu beherrschen, sie darf dabei allerdings nicht Teil der Komplexitätstreiber werden.

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