Modulare Prozessautomatisierung F&B

In der Getränke- und Lebensmittelindustrie (F&B) spielt Prozessautomatisierung eine zentrale Rolle. In einer globalisierten Welt, in der Effizienz, Qualität und Sicherheit entscheidend sind, bietet die Automatisierung Lösungen, um diesen Herausforderungen zu begegnen. Die zunehmende Digitalisierung macht es möglich, Produktionsprozesse nicht nur effizienter, sondern auch flexibler und nachhaltiger zu gestalten.

Unternehmen stehen vor der Aufgabe, sich an sich schnell verändernde Marktbedingungen und strenge Vorschriften anzupassen. Durch den Einsatz moderner Automatisierungstechnologien können sie ihre Wettbewerbsfähigkeit steigern und den wachsenden Anforderungen gerecht werden. Den gesamten Prozessablauf zu digitalisieren und automatisieren, birgt jedoch verschiedene Hindernisse.

Food & Beverage Industry Management

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Einige der größten Herausforderungen sind

Kleineren Lebensmittel- und Getränkeherstellern fehlt teilweise das Know-how für eigene Automatisierungslösungen. Sie setzen daher auf externe Integratoren oder Maschinenbauer, die fertige Lösungen liefern. Außerdem wird in der Lebensmittelindustrie z. B. mit Lebendkulturen gearbeitet, was zu schwankenden Prozessen führt, auf die individuell reagiert werden muss.
Trotz schneller Amortisation erfordert die Prozessautomatisierung in der Getränkeindustrie und Lebensmittelindustrie erhebliche Investitionen in Mannstunden, Hard- und Software. Diese initialen Kosten, können den Beginn der Digitalisierung erschweren. Hinzu kommen Opportunitätskosten durch Produktionsausfälle bei Systemumstellungen.
Während der Implementierung neuer Module ist der Softwarepart entscheidend, besonders wenn in Bestandsysteme integriert werden muss. Einzelne Geräte auf Feld- und I/O-Level agieren vielleicht autonom, müssen aber zukünftig auf andere Maschinen abgestimmt werden. Neue Maschinen müssen für eine umfassende Automatisierung mit bestehenden Anlagen kommunizieren können, was bei unterschiedlichen Herstellern oft problematisch ist.
Bei der Prozessautomatisierung in der Lebensmittelindustrie und Getränkeindustrie auf Leitsystemebene ist Datensicherheit zentral. In geschlossenen Systemen liegt der Fokus auf dem Schutz von Produktionsdaten, oft durch redundante Systeme. Bei externen Schnittstellen, wie der Datenanalyse in der Cloud, entsteht eine neue potenzielle Gefahrenquelle für Datendiebstahl.
Der Automatisierungsumfang entwickelt sich schrittweise über den gesamten Projektlebenszyklus, oft auch noch während der Inbetriebnahme. Viele Betriebsanforderungen werden erst bei Tests und durch Bediener ersichtlich. Zudem gibt es oftmals eine Diskrepanz zwischen den Anforderungen der Verfahrenstechnik und den Bedürfnissen der Prozessautomation, was gute interne Kommunikation bei den Lösungsanbietern erfordert.
Neben technischen Anforderungen ist auch die Akzeptanz des Personals entscheidend. Selbst die beste Automatisierung bringt wenig, wenn Bediener und Angestellte nicht überzeugt sind. Sie müssen die Bedienoberflächen verstehen und die Pflege auf IT/OT-Ebene beherrschen. Daher ist es wichtig, die Akzeptanz aller Beteiligten zu fördern.

Modulare Prozessautomation

Prozessautomatisierung bezeichnet die Nutzung von Technologien zur automatischen Steuerung und Überwachung von Produktionsprozessen. Sie zielt darauf ab, Effizienz, Konsistenz und Qualität durch die Automatisierung zeitkritischer oder komplexer Aufgaben zu verbessern. Traditionell erfolgt dies oft in einem monolithischen Ansatz, bei dem komplette Systeme in einem Schritt entwickelt und implementiert werden. Änderungen oder Erweiterungen können dabei aufwendig und kostenintensiv sein.

Im Gegensatz dazu verfolgt die modulare Prozessautomatisierung einen flexibleren Ansatz. Hier wird der gesamte Automatisierungsprozess in kleinere, unabhängige Module unterteilt, die separat entwickelt, getestet und integriert werden können. Dieser modulare Ansatz ermöglicht eine schrittweise und skalierbare Implementierung, da Module leicht hinzugefügt, entfernt oder ersetzt werden können, ohne das gesamte System neu gestalten zu müssen.

Vorteile des modularen Ansatzes:

Flexibilität und Skalierbarkeit: Module können problemlos angepasst oder ersetzt werden, was eine schnelle Reaktion auf neue Anforderungen oder Technologien erlaubt.
Kosteneffizienz: Durch die Wiederverwendung von Standardmodulen sinken die Entwicklungskosten und der Integrationsaufwand. Dies führt zu einer höheren Kosteneffizienz.
Geringerer Integrationsaufwand: Standardisierte Schnittstellen erleichtern die Integration neuer Module, selbst von verschiedenen Herstellern, und reduzieren den Integrationsaufwand.
Kürzere Time-to-Market Phase für Produkte durch Low-Code/ No-Code-Projektierung und dadurch höhere Flexibilität.
Weniger Fehleranfälligkeit: Die Verwendung standardisierter Module reduziert die Komplexität und damit die Wahrscheinlichkeit von Integrationsfehlern.
Erhöhte Wartungsfreundlichkeit: Einzelne Module können unabhängig gewartet oder ersetzt werden, was die Systemverfügbarkeit erhöht und Ausfallzeiten minimiert.
Bessere Unterstützung von Innovationen: Neue Technologien können als separate Module integriert werden, was kontinuierliche Verbesserungen und Anpassungen an technologische Fortschritte erleichtert.

Zusammengefasst bietet die modulare Prozessautomatisierung eine flexible, skalierbare und kosteneffiziente Lösung im Vergleich zur traditionellen Prozessautomatisierung. Sie ist besonders vorteilhaft in dynamischen Produktionsumgebungen, wo schnelle Anpassungen und Innovationsfähigkeit gefragt sind.

Der gesamte automatisierte Herstellungsprozess wird modular

Equipment-Module, Produktionsanlagen, Rezeptverwaltung oder Bedienoberflächen. Standards wie Profinet, OPC UA oder der Module-Type-Package-Standard (MTP) sind dafür essenziell. Der modulare Ansatz reduziert Programmieraufwand und Fehleranfälligkeit, erhöht die Effizienz und senkt die Engineering-Kosten. Zudem erleichtert eine gut gepflegte Baustein-Bibliothek die Wiederverwendung erprobter Lösungen. Dieser Ansatz bietet je nach Perspektive unterschiedliche Vorteile.

Die modulare Herangehensweise bietet Lebensmittelproduzenten höhere Flexibilität und Hardwareunabhängigkeit durch standardisierte Schnittstellen. Equipment kann leichter ausgetauscht, unabhängig vom Hersteller. Dies ermöglicht maßgeschneiderte, kostengünstige Lösungen und schnellere Anpassungen an neue Märkte. Zudem erleichtern modulare Anlagen die Produktion unterschiedlicher Batchgrößen, beispielsweise für kleinere Labor- oder Versuchsgrößen.
OEMs profitieren von neuen Möglichkeiten, wie einfacherer Integration in Brownfield-Projekte und geringeren Automatisierungskosten. Anlagenbauer können durch den reduzierten Automatisierungsaufwand entscheiden, ob sie diese Arbeit zukünftig selbst übernehmen oder vergeben/outsourcen, wobei die das modulare Engineering auch hier erheblich Vorteile liefert.
Systemintegratoren, die sich bisher auf bestimmte Software und Hardware spezialisieren, können durch hardwareunabhängige, modulare Lösungen künftig systemübergreifende Projekte leichter umsetzen. Dies erweitert ihren Kundenkreis und steigert die Qualität und Interdisziplinarität. Darüber hinaus kann durch effizienteres Projektieren auch dem Fachkräftemangel entgegengewirkt werden.

Modulare Prozessautomation mit zenon

Die Softwareplattform zenon ist selbst aus verschiedenen Bausteinen zusammengesetzt. Je nach Aufgabenstellung können unterschiedliche Module der Software verwendet und miteinander ergänzt werden. Auf höchster Modularitätsebene stehen die zenon Projekte, bestehend aus Variablen, Bildern, Funktionen, Treibern.

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zenon ermöglicht mit seiner Projektstruktur und -architektur, diese Projekte sowohl Stand Alone als auch im Verbund zu verwenden. Große Anwendungen lassen sich somit leicht in kleinere unterteilen und verwalten. Beispielsweise können einzelne zenon Projekte für jede Maschine einer Abfüll- und Verpackungslinie erstellt werden, welche für sich genommen voll funktionsfähig vor Ort auf der Linie ausgeführt werden können, aber gleichzeitig als Subprojekt eines Linienmanagement-Projekts dienen. Dies reduziert den Engineering-Aufwand und erhöht gleichzeitig die Flexibilität.

Die zenon Projekte können selbst unterschiedliche modulare Bausteine enthalten. Beispielhaft dafür sind die zenon Symbole, welche – einmal als Template erstellt – für beliebig viele Instanzen verwendet werden können. Dank der Möglichkeit, bestimmte Eigenschaften des Symbols freizugeben, und somit konfigurierbar zu machen, besteht auch hier eine Flexibilität für jede Instanz.

Dieses Konzept der Symbole eine Stufe weiter gedacht, sind in zenon die sog. Smart Objects Templates (SOT). Diese Templates können neben Symbolen auch eigene Variablen, Bilder und Funktionen enthalten. Dadurch können Vorlagen erstellt werden, welche wieder auf Instanzebene angepasst werden können. Beispielsweise können Equipment Module wie Ventile einmalig als SOT erstellt werden und anschließend beliebig oft instanziiert werden, um ein PI&D-Bild ohne großen Aufwand nachzubauen. Diese Instanzen können dann samt Pop-Ups, Interlocking-Bedingungen, Alarmhandling etc. gestaltet werden. Dies verspricht eine deutlich verkürzte Zeit für Engineering und Testen.

Eine alternative zu SOTs um die Maschinen und Equipments einer Produktionsstätte nach ISA-95 zu strukturieren bietet das zenon Modul „Equipment Model“. Damit lassen sich Variablen, Funktionen, Symbole usw. einer hierarchischen Struktur zuordnen, welche der realen Produktionsstätte entspricht und Module gruppieren, um unter anderem Alarme, Messdaten etc. Equipment abhängig zu visualisieren oder auch archivieren.

Libraries

Da SOTs auch zenon-Logic-Bausteine enthalten können, bietet diese Kombination an zenon Technologien die Voraussetzung nicht nur Templates für eine SCADA- und HMI-Lösungen zu erstellen, sondern auch Bausteine für eine Prozessbauteilbibliothek anzulegen.

Eine Prozessbauteilbibliothek erlaubt es, Systemintegratoren und Analgenbauern unabhängig von Kontrollmodul-Herstellern eine zentrale Bibliothek aufzubauen, welche anschließend für Projekte überall in der Welt instanziiert werden können. Es verbindet somit die Vorteile der Hardwareunabhängigkeit von zenon mit der schnellen Implementierung.

Unsere Kunden

Modulare Produktion nach dem MTP-Standard

Der MTP-Standard (Module Type Package) teilt den Produktionsprozess in standardisierte Services auf, die flexibel kombiniert werden können ("Plug & Produce"). Eine einheitliche Beschreibung der Module ermöglicht die Integration in einen Process Orchestration Layer (POL), was den Engineering-Aufwand reduziert.

COPA-DATA bietet mit der zenon MTP-Suite alle notwendigen Tools für eine agile, modulare Fertigung. Im Orchestration Studio erstellen Sie modulare Projekte. Mit dem Validator können Sie Ihre MTP-Dateien auf Standardkonformität prüfen und PEAs können aus Vorlagen instanziiert werden, und das MTP-Gateway verbindet bestehendes Equipment mit der Orchestrierung.

Während zenon bei Themen wie der modularen Produktion voranschreitet und neue Ansätze vorantreibt und mitgestaltet, unterstützt es die modulare Prozessautomation in allen anderen Bereichen, allen Ebenen und das von Beginn an. Wenn Sie nun von Anfang an dabei sein wollen, wenden Sie sich noch heute an unser Food & Beverage Industry Team.

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