Trendbericht: Industrie 4.0

Schritt für Schritt sorgen smarte Sensoren und Cloud-Dienste für mehr Wertschöpfung in der Lebensmittelindustrie

Der Einfluss der zunehmenden Digitalisierung auf die Lebensmittelproduktion ist vom 20. bis 23. März 2018 eines der zentralen Themen auf der Anuga FoodTec in Köln. In praktisch allen Branchen der Lebensmittelindustrie sollen Smart Factorys entstehen, in denen Maschinen und Produkte sich selbst organisieren, steuern und kontrollieren. Ob Greenfield oder Brownfield: Der Weg in Richtung Industrie 4.0 ist eingeschlagen – jetzt gilt es, die Herausforderungen bei der Vernetzung zu lösen. Smarte Sensoren sind dabei die Wegbegleiter.

Der unverkennbare Duft, der das Nestlé-Werk in Schwerin durchströmt, macht neugierig – kein Wunder, denn die Herstellung von Kaffee zu erleben, ist etwas Besonderes. Sieben Produktions- und Verpackungslinien vor Ort sind rund um die Uhr in Betrieb, zwölf sollen es werden. In der geplanten Endausbaustufe produzieren sie zwei Milliarden Dolce Gusto-Kapseln pro Jahr in rund einem Dutzend Geschmacksrichtungen. 210 Millionen Euro hat der Schweizer Konzern investiert und den Standort in Mecklenburg-Vorpommern mit modernster Technologie ausgerüstet. Jede der Linien stellt bis zu 1.000 Kapseln pro Minute her. Für die hohe Füllleistung sorgt Sensor- und Wägetechnologie modernster Ausprägung.

M2M-Kommunikation in der Datenwolke

Dass die Prozess- und Diagnosedaten aus der Feldebene bis in die Leitebene durchgereicht werden, ist an sich nicht neu. Schon heute sind die Maschinen miteinander verbunden, um die lückenlose Rückverfolgbarkeit über die gesamte Prozesskette sicherzustellen. Der nächste Schritt ist die direkte Kommunikation der einzelnen Anlagenmodule in Echtzeit – die M2M-Kommunikation. Statische IT-Lösungen stoßen hier schnell an ihre Grenzen, denn die intelligente Fabrik besteht aus dezentralen Produktionsumgebungen mit unterschiedlichen Komponenten mit jeweils eigenen Datenquellen. Ohne Cloud-Computing lassen sich die wachsenden Datenmengen nicht mehr verarbeiten und ad-hoc auswerten. Künftig soll die Datenwolke nicht nur auf der Managementebene zum Einsatz kommen, sondern auch im Maschinenraum. Die zentrale Herausforderung dabei: die Produktion virtuell abzubilden und die "echte" Produktion mit dem Abbild zu synchronisieren. Selbst moderne Greenfield-Werke wie das von Nestlé entsprechen unter diesem Aspekt noch nicht dem Verständnis von Industrie 4.0.

Die Anuga FoodTec zeigt, wie real die Smart Factory ist und welche Herausforderungen mit der Umsetzung der Vision verbunden sind.

Auch im Bereich der Wartung, etwa für das Predictive Maintenance, müssen die Maschinen selbstständig Informationen über ihren Betriebszustand an den Instandhalter zurückmelden. Intelligente Sensorsysteme übernehmen eine Schlüsselrolle. Die künstlichen "Sinnesorgane" erfassen neben Größen wie Druck, Volumen und Temperatur auch Schwingungen und Vibrationen. Auf Basis dieser Zustandsdaten soll sich die Produktion weitgehend selbst überwachen. Doch das allein reicht nicht. Industrie 4.0-taugliche Sensoren, wie sie auf der Anuga FoodTec zu sehen sind, verfügen neben den Ausgängen für die Anlagensteuerung über eine weitere Schnittstelle. Mit ihr stehen sie in Verbindung mit Cloud-Diensten.

Starre Anlagenkonzepte auflösen

Das interdisziplinäre Forschungsprojekt Robofill 4.0 zeigt den Weg an, den die Branche einschlägt. Ziel der Wissenschaftler von der Technischen Universität München und des Fraunhofer-Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik ist ein flexibles Automatisierungskonzept, mit dem sich Getränke bis zur Losgröße eins abfüllen lassen. Projektpartner sind die Unternehmen Beckhoff, Krones, Proleit, Yaskawa, Siemens, Till und Zimmer sowie die Staatsbrauerei Weihenstephan. Die direkte Einbindung des Verbrauchers erfolgt über ein Onlineportal, welches das Zusammenstellen der Getränke und die Auswahl der Behälter ermöglicht. Für die individuelle Gestaltung der Flaschen ist eine direkte Tintenstrahlbedruckung vorgesehen. Stephan Birle koordiniert das Projekt an der TU München. Im Fokus steht für ihn ein dezentrales Steuerungskonzept, welches die Koordination der Module in der Anlage übernimmt. „Derzeit existiert kein dynamisches Abfüllkonzept für mittelständische Unternehmen, welches eine format- und losgrößenflexible Produktion mit wenigen Flaschen bis hin zum Unikat erlauben würde“, meint Birle.

Genau hier setzt Robofill 4.0 an – mit der Entwicklung eines Füllsystems, in dem alle Komponenten als cyberphysische Systeme mittels Cloud-Technologien untereinander und mit der überlagerten Produktionsplanung kommunizieren. Der Clou: Das Produkt selbst besitzt einen virtuellen Repräsentanten, welcher mit den einzelnen Modulen in Kontakt tritt, so dass sich die Flaschen selbstständig durch den Abfüllvorgang steuern.


Maschinen und Prozesse, die mit künstlicher Intelligenz ausgestattet sind, schaffen die Voraussetzung für mehr Flexibilität in der Produktion. Bei einem idealtypischen Greenfield-Projekt, wie im Falle des Schweriner Kaffeekapselwerks, lassen sich von Beginn an moderne Sensoren aufsetzen. Bei der Vielzahl von Brownfield-Werken, die den hochproduktiven Greenfields in der Lebensmittelindustrie gegenüberstehen, sieht die Realität anders aus. Ihre Maschinen befinden sich zum Teil seit über 15 Jahren im Einsatz und setzen auf eine komplett andere Infrastruktur, als sie in der Smart Factory verlangt wird. Damit diese künftig wettbewerbsfähig produzieren können, müssen sie nach Industrie 4.0-Gesichtspunkten optimiert werden. Die Einbindung bestehender Maschinen mittels moderner Sensoren und Aktoren in smarte Prozesse spielt folglich eine zentrale Rolle auf der Anuga FoodTec.

Wie real die Smart Factory ist und welche Herausforderungen mit der Umsetzung der Vision verbunden sind, können die Besucher auf der weltweit wichtigsten Zuliefermesse der Lebensmittel- und Getränkeindustrie sehen. Die Aussteller stellen vom 20. bis 23. März auf dem Kölner Messegelände Lösungspakete für Greenfield- und Brownfield-Anlagen vor, mit denen sich die Prozesse im Sinne von Industrie 4.0 digitalisieren lassen.

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