Lebensmittelverarbeitung

Wie läuft ein Projekt zur OT-Integration in der Lebensmittelindustrie ab?

Bei der OT-Integration in der Lebensmittelindustrie bauen wir die Ebene unter einer Lebensmittel- oder Getränkelinie, vom Zugriff auf die Instrumente bis zum Datenstrom für die Rückverfolgbarkeit.

Sie reicht von den Instrumenten an der Linie bis in MES und ERP: die Zugriffsschnittstellen für die Protokolle, das Rezept- und Chargenmodell darüber und die Chargenbeziehungen hinter beidem. Unsere Kunden sind MES-Anbieter, Maschinenbauer und Integratoren, die in ein Werk liefern. Produkt und Werksbeziehung bleiben bei Ihnen; wir übernehmen die Teile, die dauerhaftes Spezialwissen brauchen:

• Zugriffsschnittstellen zu Instrumenten am Wareneingang und im Prozess über POWERLINK, PROFINET, CANopen, Modbus RTU und TCP und serielle Verbindungen
• OPC UA aus Automatisierungsanwendung und SPS sowie das Gateway, das mehrere Maschinen zu einer abonnierbaren Sicht zusammenführt
• eigene Knoten und Gateways, wo kein Standardteil passt
• Rezeptlogik und Logik für Produktwechsel, aus dem SPS-Code in ein Chargenmodell nach ISA-88 verlagert
• Los- und Chargenerfassung an der Station, mit dem Modell der Chargenbeziehungen dahinter
• Inline-Inspektion, die den Zustand in Echtzeit an die Aktoren zurückmeldet
• Schulung Ihrer Ingenieure, gemeinsamer Aufbau der ersten Implementierung und danach Third-Level-Support, während Ihr Team den First-Level-Support leistet

Die Seite zur Zusammenarbeit beschreibt die Formen der Zusammenarbeit und wie sie abgerechnet werden.

Warum braucht die Ebene unter einem MES eigene Entwicklungsarbeit?

Es sind zwei verschiedene Aufgaben: Dem MES gehört das Datenmodell, der Ebene darunter der Zugriff auf die Instrumente.

Das Produkt eines MES-Anbieters ist das Datenmodell und das, was das Werk damit macht, und danach werden wir an einer Lebensmittellinie am häufigsten gefragt. Unseres ist alles darunter: überhaupt an die Instrumente und Steuerungen heranzukommen, über das, was sie tatsächlich sprechen, und nach oben einen zusammengeführten, vertrauenswürdigen Datenstrom zu liefern. Dem Maschinenbauer gehören die Maschine und ihre hygienegerechte mechanische Konstruktion; der Integrator verantwortet Lieferung und Inbetriebnahme im Werk.

Bei welchen Teilen der Arbeit können Sie unterstützen?

Bei jeder der Ebenen unter dem MES: Zugriff auf Instrumente, zusammengeführte Sicht, Rezeptlogik, Rückverfolgbarkeit, Inline-Inspektion.

• Ein Instrument, das niemand lesen kann. Ein Wäge-, Dosier-, Temperatur-, Feuchte- oder Inspektionsgerät mit einem Protokoll, das der Rest des Systems nicht spricht, und das nach oben als gewöhnliche Daten erscheinen muss.
• Eine zusammengeführte Sicht über Maschinen. Ein Gateway, über das ein entferntes System Live-Daten einer Gruppe von Maschinen anfragen, abonnieren und empfangen kann, ohne jede einzeln abzufragen.
• Ein Gerät, das gebaut werden muss. Ein eigener Knoten oder ein eigenes Gateway, aufgebaut von der Portierung des Stacks und der Inbetriebnahme der Baugruppe an.
• Rezeptlogik, die ihrer SPS entwachsen ist. Fest einprogrammierte Logik für Produktwechsel und Trennung, Produktfamilie für Produktfamilie in ein Chargenmodell nach ISA-88 migriert.
• Rückverfolgbarkeit für einen Rückruf. Chargenerfassung an der Station und das Modell der Chargenbeziehungen, das eine Zutatencharge vorwärts bis zu jeder Palette auflöst.
• Inline-Inspektion an der Station. Kamera- oder Sensorsysteme, die den Zustand schnell genug an die Aktoren zurückmelden, um das Stück an Ort und Stelle auszuschleusen oder zu korrigieren.
• Aufbau Ihres Teams. Ihre eigenen Ingenieure werden eingearbeitet: Schulung, dann gemeinsamer Aufbau der ersten Implementierung, danach Third-Level-Support hinter Ihrem Team.

Was umfasst die Instrumenten- und Protokollebene?

Sie umfasst alles, was die Linie schon spricht, und in einer echten Halle sind das vier oder fünf Protokolle gleichzeitig.

Wäge- und Dosierinstrumente am Wareneingang, Temperatur- und Feuchtemessung im Prozess und Inspektionssysteme kommen über POWERLINK, PROFINET, CANopen, Modbus RTU oder TCP oder eine einfache serielle Verbindung, und die Automatisierungsanwendung mit ihrer SPS sitzt darüber auf OPC UA.

An einer Linie für Kekse und Süßwaren haben wir die Zugriffsschnittstellen zu den Instrumenten am Wareneingang und im Prozess gebaut, und der MES-Anbieter hat die Prozessdaten darüber bezogen und verarbeitet. Daneben haben wir ein zentrales Gateway gebaut, über das ein entferntes ERP Live-Daten mehrerer Maschinen aus der Halle anfragen, abonnieren und empfangen konnte, zusammen mit den verarbeiteten MES-Daten, übertragen über OPC UA in einem VPN. Die Aufteilung war klar. Dem MES-Anbieter gehörte das Datenmodell, und wir haben alles darunter gemacht.

Dieses Projekt hat auch eine Protokollfrage entschieden. Der vorhandene MQTT-Strang des Kunden war veraltet und hatte nie ganz funktioniert, also hat OPC UA den Weg zum ERP übernommen. Das ist kein Urteil über die richtige Protokollwahl. Dasselbe lässt sich auch über MQTT umsetzen, in der nordamerikanischen Industrie meist als Sparkplug B, und das passt gut, wenn die Nutzlast Telemetrie und das Zielsystem ein Cloud-Dienst ist. An dieser Linie lagen Abonnementmodell und Adressraum schon in OPC UA, ein zweiter Weg hätte also keine Aufgabe gehabt.

Was bringt Inline-Inspektion?

Mit ihr handelt die Linie schon an der Station, nicht erst am Linienende.

Kamera- oder Sensorsysteme an der Station melden den Zustand an die Aktoren zurück, solange das Stück noch an seinem Platz ist. Ein Beispiel: An einer Linie für geformtes Speiseeis haben wir für einen MES-Anbieter ein System mit Zeilenkamera gebaut, das den Zustand der Ausbringung überwacht und in Echtzeit an Aktoren und Qualitätssysteme zurückmeldet: korrekt geformt, halb gefüllt, leer, Stiel fehlt. Eine solche Inspektion gehört dorthin, wo das Stück entsteht, denn ihr Wert liegt darin, es auszuschleusen oder zu korrigieren, bevor weitere Arbeit hineinfließt.

Wer spezifiziert, was die Nassreinigung überstehen muss?

Wir, soweit es die Ebene betrifft, die wir entwerfen.

Das heißt, die Schutzart für Gehäuse und Steckverbinder nach IEC 60529 und im Nassbereich IP69K nach ISO 20653 festzulegen, dazu Kabel, die für Reinigungschemie und Temperaturwechsel ausgelegt sind, anstelle von Standardteilen, und dann die elektrische und netzwerktechnische Ebene so zu entwerfen, dass sie das erfüllt. Steht die Technik in diesem Bereich, arbeiten wir nach den 3-A Sanitary Standards und den EHEDG-Leitlinien. Zwei Grenzen gelten dabei:

• Hygienegerechte mechanische Konstruktion umfasst Oberflächengüte, Ablaufwinkel und spaltfreie Konstruktion. Das ist die Disziplin des Maschinenbauers, und sie bleibt bei ihm.
• Installation und Inbetriebnahme vor Ort gehören dem Integrator. Wir liefern Spezifikation, Entwurf und Konformitätsnachweis, und sein Team baut es ein.

Unser eigener Beitrag ist die elektrische, netzwerktechnische und Embedded-Ebene, die dieselbe Umgebung und denselben Reinigungszyklus überstehen muss.

Wie stellt man eine Linie ohne Steuerungstausch auf rezeptgesteuerten Betrieb um?

Schrittweise, eine Produktfamilie nach der anderen.

Die meisten Linien haben nach Jahren von Änderungen bereits Rezeptlogik fest in ihre SPS-Programme eingebaut. Wir verlagern diese Logik schrittweise in ein Chargen- und Rezeptmodell nach ISA-88 und prüfen jede Produktfamilie an der laufenden Linie vor der Umstellung. Ein Austausch der Steuerung ist so nie Voraussetzung für datengesteuerte Rezepte.

Welches Datenmodell steht hinter der Rückverfolgung von der Zutat bis zur Palette?

Ein Modell der Chargenbeziehungen nach dem Eltern-Kind-Prinzip, so aufgebaut, dass es rückwärts protokolliert und auch vorwärts verfolgen kann.

Die Beziehungen führen von der eingehenden Zutatencharge über die Produktionscharge zur Palette. Sie liegen im Historian und sind so indiziert, dass sich eine einzelne Zutatencharge in Minuten allen Paletten zuordnen lässt, in die sie eingegangen ist. Ein Abgleich von Schichtprotokollen dauert einen Tag. Erfasst wird an jeder Station im Hintergrund des normalen Arbeitstakts. Deshalb bleibt die Arbeit beim Bediener weg und die Taktzeit der Linie unverändert.

Wir bauen die Erfassung und das Modell, das die Abfrage beantwortbar macht. Sie einem Bediener, einem Freigabeablauf der Qualitätssicherung oder einer Anwendung der Produktionssteuerung bereitzustellen, ist das Produkt des MES-Anbieters, nach derselben Aufteilung wie im Abschnitt zur Ebene unter dem MES weiter oben.