Digitalisierung von Prozessanlagen

Lebensmittelhersteller stehen heute nicht mehr vor der Frage, ob sie ihre Prozesse digitalisieren und die Konzepte von Industrie 4.0 realisieren sollen, sondern mit welchem Technologiepartner und wie sie die neuen Ansätze reibungslos integrieren können. Diese Entwicklung spiegelt sich alle drei Jahre auf dem Kölner Messegelände im Rahmen der Anuga FoodTec wider. „Die Aussteller haben in den vergangenen Jahren viel darangesetzt, die Nutzung der Daten, die über Sensoren gewonnen werden, deutlich zu vereinfachen“, bestätigt Roland Thiemann, Director der Anuga FoodTec. Viele Sensorlösungen seien entstanden, die „es ermöglichen, den Betrieb von Anlagen und Prozessen noch effizienter zu gestalten“, so Thiemann, der seit Anfang 2025 in dieser Funktion für die Koelnmesse GmbH tätig ist.

Auf der vergangenen Anuga FoodTec hat sich gezeigt: Bei Digitalisierungskonzepten wie Industrie 4.0 oder Industrial IoT kommt der Integration von Sensoren eine Schlüsselrolle zu. In erster Linie geht es darum, Daten und deren Austausch über alle Systemgrenzen hinweg bis in die Cloud zu standardisieren. Ein Großteil der Daten wird mit Hilfe von Sensoren generiert, deren Aufgabe es ist, Prozessgrößen zu erfassen und diese über Schnittstellen an die übergelagerten Automationssysteme zu übertragen. Diese Daten für Anlagenkomponenten digital und jederzeit verfügbar zu machen – das ist die Grundidee des Cloud-Computing. Ziel ist es, die Sensoren der Feldebene, die etwa die Temperatur oder den Druck innerhalb eines Prozesses erfassen oder die Vibrationen und die Stromaufnahme einer Anlage überwachen, als Grundlage für Big-Data-Algorithmen an die virtuelle Auswerteplattform – die Cloud – anzubinden. Hierfür braucht es eine leistungsfähige, sichere und flexible Kommunikationsarchitektur.

Doch die Konnektivität an die Cloud ist in der Praxis mit einigen Herausforderungen verbunden. So sind viele Sensoren auch heute nicht ethernetfähig, sondern transportieren die Messwerte über Stromschleifen (4...20 Milliampere) analog an eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS). Anders dagegen der Kommunikationsstandard IO-Link, der sich zunehmend in der Lebensmittelindustrie etabliert. Mit ihm beginnt die Digitalisierung im direkten Maschinenumfeld. Experten sehen in der feldbusunabhängigen Technologie einen essenziellen Baustein für die Smart Factory. „Neben dem eigentlichen Messwert können Sensoren mit IO-Link auch wertvolle Diagnosedaten liefern, was den Anwendern hilft, vorausschauend zu warten und so die Lebensdauer ihrer Anlagen zu verlängern“, sagt Alexander Hof, Produktmanager bei Jumo in Fulda. Hintergrund ist, dass IO-Link parallel zum eigentlichen Messwert den Zugriff auf diese Zusatzwerte durch übergeordnete Systeme zulässt. Dank seiner Fähigkeit zur bidirektionalen Kommunikation ermöglicht IO-Link detaillierte Diagnosen und Echtzeit-Feedback von Sensoren und Aktuatoren, was für eine umfassende Konnektivität und präzise Machine-to-Machine-(M2M-) Kommunikation unerlässlich ist.

Wie der IO-Link-Standard die Automatisierung maßgeblich treibt, zeigt sich am Beispiel von Danone, einem der weltweit führenden Anbieter von Molkereiprodukten. Die stetig wachsende Nachfrage der Verbraucher nach Getränken auf pflanzlicher Basis veranlasste das Unternehmen dazu, eines seiner größten Werke in Frankreich auf die Herstellung von Hafer-Drinks umzurüsten. Thierry Pasquet, Direktor des Danone-Werks in Villecomtal-sur-Arros, zu den Gründen: „80 Prozent unserer Kunden sagen, dass sie ihre Ernährung von tierischen auf pflanzliche Proteine umstellen möchten. Dem möchten wir mit einer höheren Kapazität zur Produktion von Haferdrinks natürlich Rechnung tragen. Zudem trägt die Entscheidung auch zu den globalen Unternehmenszielen von Danone bei, den CO2-Ausstoß und den Wasserbedarf um 80 Prozent zu senken.“

Von Lagertanks über Rohrleitungen, Ventilinseln und CIP-Anlagen: Alles wurde von Milch auf Hafer umgestellt – und das binnen zwölf Monaten. „In dieser Zeit mussten alle alten Anlagen demontiert werden, um sie an anderen Standorten wieder aufzubauen“, erläutert Sébastien Peres, der für die Automatisierung im Werk zuständig ist. Gleichzeitig wurden Schritt für Schritt die Anlagenteile für die Hafer-Drink-Produktion samt Automatisierungstechnik neu aufgebaut. Bei der Digitalisierung setzte das Team von Peres, das vom Integrator Boccard unterstützt wurde, auf zwei Technologien der ifm electronic GmbH: AS-Interface (AS-i) und IO-Link. Charakteristisch für AS-i ist das gelbe, zweiadrige Flachkabel, das über Distanzen von bis zu 1.000 Metern verlegt werden kann. Durch Hinzunahme von Lichtwellenleitern lassen sich Entfernungen bis zu 3.000 Metern überwinden. Sensoren und Aktuatoren können mit AS-i Modulen einfach an beliebiger Stelle angebunden werden. Optional lassen sich Aktuatoren mit höherem Strombedarf über eine zusätzliche 24-Volt-Flachkabelleitung, die parallel zum Datenkabel und ebenfalls durch die Module verläuft, mit zusätzlicher Energie versorgen. Spezielle feldtaugliche IO-Link-Master bündeln die digitalen Signale der Sensoren und leiten diese an die AS-i Ebene weiter. „Die IO-Link-Sensoren bieten uns viel mehr Diagnosemöglichkeiten als herkömmliche Automatisierungssysteme, das schafft eine hohe Prozesstransparenz“, betont Peres.

Viele der verbauten IO-Link-Sensoren übermitteln neben dem eigentlichen Messwert zusätzliche Daten. Ein Drucksensor kann beispielsweise zusätzlich die Temperatur an der Messstelle erfassen. Durchflusssensoren übermitteln neben der aktuellen Durchflussmenge, den Druck, die Temperatur des Mediums und den Gesamtdurchfluss als digitale Messwerte. Eine weitere hilfreiche Eigenschaft von IO-Link ist die Option, die Parameter eines Sensors auf dem IO-Link-Master zu speichern, an dem der Sensor angeschlossen ist. Dies macht es sehr einfach, im Falle eines Defektes den Sensor auszutauschen. Mittlerweile ist die Produktion der Getränke auf Haferbasis in Villecomtal-sur-Arros angelaufen. Sämtliche Informationen können an zentraler Stelle in Echtzeit überwacht werden. „Dank der Digitalisierung sind wir über sämtliche Prozesse und Kennwerte informiert. So können wir auf Abweichungen schnell reagieren“, so Sébastien Peres.

Die Vorteile von IO-Link liegen also auf der Hand. Insbesondere Anbieter von Maschinen oder ganzen Prozesseinheiten (Skids) für die Lebensmittelproduktion tendieren dazu, IO-Link-fähige Sensoren und Aktoren einzubinden. Ein Großteil der IO-Link Sensoren kann durch eine einfache Änderung der Gerätekonfiguration optional im Analogmodus betrieben werden. So können Arbeitsabläufe in der Produktion zunächst im Rahmen von Retrofit-Projekten bestehen bleiben. Werden neben dem eigentlichen Prozessparameter später dann Zusatzinformationen wie Diagnose- und Servicedaten benötigt, lässt sich ein installiertes IO-Link-fähiges Gerät einfach auf ein digitales Signal umstellen. Exemplarisch dafür stehen die FLOWave-Durchflussmesser von Bürkert Fluid Control Systems, die seit kurzem neben einer 4…20 Milliampere Schnittstelle und Ethernet auch mit IO-Link verfügbar sind.

Selbst wenn IO-Link nicht der leistungsstärkste Kommunikationsstandard für die Verfahrenstechnik ist, so ermöglicht er eine einfache Integration in etablierte Feldbussysteme und damit die Kommunikation in die unterste Feldebene, wodurch sich zusätzliche Prozess- und Diagnosedaten aus dem Sensor gewinnen lassen. Gleichwohl ist IO-Link kein Feldbus, sondern basiert auf einer Punkt-zu-Punkt-Verbindung zwischen IO-Link-Master als Feldgerät und dem jeweiligen Sensor beziehungsweise Aktor. Das heißt: Selbst moderne Sensoren mit IO-Link-Schnittstelle sind nicht per se cloudfähig. Benötigt wird ein Master-Modul, das über Ethernet oder andere Automatisierungsprotokolle wie Profinet mit der übergeordneten SPS kommuniziert. Dieses kann dann die Daten via Gateway über Protokolle wie OPC UA oder MQTT an die Cloud weiterleiten. Das Gateway stellt die eigentliche Brücke zwischen IO-Link und der Cloud dar. Es erhält Daten vom IO-Link-Master und konvertiert diese in ein Cloud-kompatibles Format. Optimiert für das IIoT, das Industrial Internet of Things, bietet die Technologie alles, was für flexible Cloud-Anwendungen benötigt wird. So lassen sich Industrie-4.0-Anwendungen einfach per Retrofit realisieren, ohne dass die Steuerung ersetzt oder in das Steuerungssystem eingegriffen werden muss.