Prozess 4.0 - Interview zur wandlungsfähigen Produktion

Herr Dr. Voigt, besonders in der Prozessindustrie ist die wandlungsfähige Produktion ein großes Thema. Wie sieht das konkret im Bereich der Lebensmittelproduktion und -verpackung aus?

Industrielle Lebensmittelherstellung und -verpackung erfolgen in großen Mengen und mit Hochleistungsanlagen. Allerdings nimmt die Artikelvielfalt in den letzten Jahren stark und immer schneller zu. Dies erfordert für kleinere Chargengrößen und höhere Flexibilität bei Verpackungsanlagen. Um bei den deutlich häufiger erforderlichen Umrüst- und Umstellvorgängen weiter wirtschaftlich produzieren zu können, kommen Automatisierung und Vernetzung verschiedener Abteilungen zunehmende Bedeutung zu.

Was genau verbirgt sich hinter den Weihenstephaner Standards?

Die Weihenstephaner Standards spezifizieren die Kommunikation von Nahrungsmittel- und Verpackungsmaschinen und übergeordneten IT Systemen. Möchte ein Lebensmittelhersteller oder -verpacker seine Produktion übergreifend überwachen, müssen die Produktionseinrichtungen die hierfür relevanten Daten bereitstellen. Zudem müssen seine Maschinen und die Produktions-IT die gleiche Sprache sprechen. In den Weihenstephaner Standards sind deshalb die Daten mit Inhalt und Format genau definiert, die Maschinen für ein Effizienz-Monitoring, die Qualitätssicherung oder das Sicherstellen der innerbetrieblichen Rückverfolgbarkeit liefern müssen. Zudem ist festgelegt, wie die Kommunikation technisch erfolgen soll und wie die Daten ausgewertet werden können.

Möchte ein Lebensmittelhersteller oder -verpacker seine Produktion übergreifend überwachen, müssen die Produktionseinrichtungen die hierfür relevanten Daten bereitstellen.

Dr. Tobias Voigt, Technische Universität München

Die Weihenstephaner Standards sind vor über 15 Jahren aus einem Forschungsprojekt hervorgegangen. Welche Entwicklungen konnten Sie seitdem feststellen?

Im Bereich der Getränkeabfüllung und auch der Lebensmittelverpackung haben Sie schnell Einzug gehalten. Auf Basis des Feedbacks aus der Industrie haben wir sie auch kontinuierlich weiterentwickelt. In der Fleischindustrie (WS Food) ist die Resonanz noch immer verhalten, hier wird häufig noch gar nicht oder nur in proprietären Inseln vernetzt. Wie sich WS bake entwickeln wird, müssen die nächsten Jahre zeigen. Erste Neuanlagenprojekte mit Spezifikation von WS Bake sind aber bereits in Planung. Neue Aufgabestellungen haben sich aus dem Bereich der Batch Produktion in Brauereien und der IT Security ergeben. Für erstere haben wir Anfang dieses Jahres das Projekt WS Brew gestartet. In der Initiative „WS goes OPC UA“ definieren wir gerade, wie WS Daten anstelle über das unverschlüsselte WS Protokoll sicherer über den sich zunehmend etablierenden OPC UA Standard übertragen werden können.

Beschränkt sich das Konzept Weihenstephaner Standards ausschließlich auf Deutschland oder ist auch der internationale Einsatz für Sie relevant

Bei den Weihenstephaner Standards denken wir ganz klar international. Da sie sowohl von internationalen Lebensmittel- und Getränkekonzernen als auch von vielen den Weltmarkt bedienenden Maschinenbauern eingesetzt werden, könnten auf Deutschland beschränkte Vorgaben nie „Standard“ werden. Im Verpackungsbereich arbeiten wir deshalb auch mit der eher US-amerikanisch geprägten OMAC Packaging Workgroup zusammen. Unsere Standardsprache für Dokumente und Definitionen ist Englisch. Um aber gerade auch dem deutschen Mittelstand Nutzung und Mitarbeit möglichst einfach machen, wird es die Weihenstephaner Standards auch immer auf Deutsch geben.

Bisher werden die Weihenstephaner Standards hauptsächlich in der Getränke- und Lebensmittelindustrie angewendet. Sie unterscheiden mittlerweile die Systeme WS Bake, WS Food und WS Pack. Wo liegen die Unterschiede?

Bei Protokoll (WS Protokoll) und dem prinzipiellen Ansatz unterscheiden sich WS Pack, Food oder Bake nicht. Die Diversifizierung fand in den speziell für die jeweiligen Anwendungen erforderlichen Auswerte- und MES-Funktionsbeschreibungen sowie den dafür festgelegten Datenpunkten fest. In WS Pack finden Sie beispielsweise spezielle Datenprofile für Getränkefüllmaschinen, in WS Food andere für Vakuumfüllmaschinen. Diese überscheiden sich aber bei grundlegenden Daten (z. B. Maschinenzustand oder Produktionszähler).

Lebensmittelbetriebe stehen unter hohem Kostendruck und müssen effizient, ressourcenschonend, flexibel und möglichst verlustfrei arbeiten.

Dr. Andreas Voigt, Technische Universität München

Welche Vorteile hätte z. B. die Lebensmittel-Industrie von den Weihenstephaner Standards?

Lebensmittelbetriebe stehen unter hohem Kostendruck und müssen effizient, ressourcenschonend, flexibel und möglichst verlustfrei arbeiten. Um dies zu erreichen, verfolgen sie Ihre Produkte im Produktionsverlauf genau. Sie werden hierzu vermehrt IT-Systeme mit Schnittstellen zur Produktion einsetzen. Müssen diese Schnittstellen individuell auf die unterschiedlichen "Sprachen" und Inhalte der Maschinen und Systeme verschiedener Hersteller angepasst werden, gestaltet sich Vernetzung aufwendig und teuer. Fordert der Fleischverarbeitungsbetrieb aber bei der Projektierung neuer Produktionsanlagen die Einhaltung der Weihenstephaner Standards, wird die Verfügbarkeit der relevanten Daten sichergestellt, der individuelle Aufwand der Schnittstellenprogrammierung reduziert und ein erheblicher Anteil der Systemimplementierungskosten eingespart.

Wäre es theoretisch möglich, die Weihenstephaner Standards auch für andere Industrien zu öffnen oder lassen sie sich ausschließlich im Lebensmittelbreich nutzen?

Das ist möglich. Wir wissen, dass sich auch schon Schuhcreme- oder Gesichtscremeverpacker sowie Pharmaunternehmen an den Weihenstephaner Standards orientiert haben. Von diesen konnten die grundlegenden Datenprofile genauso genutzt werden. Allerdings musste projektspezifisch mehr ergänzt werden.

Gibt es einen bestimmten Automatisierungsgrad, den eine Produktion erreicht haben muss, um die Weihenstephaner Standards implementieren zu können?

Theoretisch könnten alle Weihenstephaner Daten auch über Handeingabeterminals erfasst und IT-Vorgaben manuell umgesetzt werden. Hierfür wurden die Standards aber nicht entwickelt. Eine Anwendung ist sicher erst sinnvoll, wenn automatisierte Produktionseinrichtungen angebunden und weitestgehend Daten online ausgetauscht werden sollen.

Bei den Weihenstephaner Standards denken wir ganz klar international.

Dr. Andreas Voigt, Technische Universität München

Die Vorteile der Standardisierung werden oft unterstrichen. Ganz ehrlich, gibt es auch Nachteile?

Natürlich hat die Verwendung von Standards auch Nachteile. Sie sind ein Kompromiss, der im Falle der Weihenstephaner Standards mit vielen beteiligten Industriepartnern „ausgehandelt“ wurde. Insofern können Sie nie exakt die Wünsche eines Einzelnen erfüllen. Wer im speziellen Projekt genügend Zeit und Geld zur Verfügung hat, wird für die Integration von Produktionssystemen in eine IT Systemlandschaft sicher eine für diesen Einsatzfall bessere Lösung erreichen können. Zudem sind wettbewerblich arbeitende Lieferanten häufig nicht von Standards begeistert. Auch bei der IT Integration in der Lebensmittelbranche verdienen viele Unternehmen Geld mit firmenspezifischen Lösungen und binden gleichzeitig ihre Kunden an sich. Ein herstellerneutraler Standard ist für diese, zumindest kurzfristig, ein Nachteil

Welche Weiterentwicklungen können Sie sich für die Weihenstephaner Standards vorstellen – insbesondere mit Blick auf das Thema Industrie 4.0?

Wie bereits angesprochen arbeiten wir im Hinblick auf die zunehmende Vernetzung über das „offene“ Internet und mögliche IT-Systemanwendungen in der Cloud bereits an einer Alternative zum derzeitigen WS Protocol anhand von WS OPC UA. Neben IT Security Mechanismen (Verschlüsselung, Zugriffsschutz, ..) denken wir beim zukünftigen Informationsmodell und der Kommunikationsarchitektur auch immer weniger an die klassische Automatisierungspyramide. Die Schnittstelle zwischen IT und Produktionseinrichtungen wird zukünftig überall liegen können, z. B. in einer Sensorelektronik, einer SPS, einem IPC, einem Leitsystem oder einem mobilen Bediengerät. Einheitlichen Schnittstellendefinitionen und vor allen gleicher Semantik der Dateninhalte kommt hierbei noch größere Bedeutung zu. Deshalb lohnt es sich, die Weihenstephaner Standards als IoT-Schnittstelle für die Lebensmittelindustrie weiterzuentwickeln. In Forschungsprojekt RoboFill zur multiagentenbasierten und somit komplett virtualisierten Steuerung eines produktgeführten Getränkeabfüllprozesses haben wir hiermit bereits begonnen.

Herr Dr. Voigt, vielen Dank für das Interview.

Zur Person

Dr.-Ing. Tobias Voigt studierte Brauwesen und Getränketechnologie an der Technischen Universität München und promovierte am Lehrstuhl für Brauereianlagen und Lebensmittelverpackungstechnik. Anschließend baute er am Nachfolgelehrstuhl für Lebensmittelverpackungstechnik eine eigene Forschergruppe auf, die sich mit der Abfüll- und Verpackungstechnik, der nachhaltigen industriellen Lebensmittelproduktion sowie deren informationstechnischer Unterstützung beschäftigt. Seit Januar 2013 ist er zudem Geschäftsführer der Industrievereinigung für Lebensmitteltechnologie und Verpackung e. V. (IVLV).

Wie alles begann…

Die Basis der Weihenstephaner Standards bildete ein 1999 gestartetes Forschungsprojekt für Brauereien. Anforderungen an Datenerfassungssysteme im Getränkeabfüllbereich wurden damals in einem „Standard-Pflichtenheft“ festgelegt. Dieses fand in der Getränkeindustrie in den Folgejahren immer mehr Anwendung. Sowohl bei Abfüllbetrieben, als auch in Maschinenbauunternehmen und IT-Systemhäusern entstand der Wunsch nach weiterer Standardisierung. In den Jahren 2003 bis 2005 legte das Team um Dr. Tobias Voigt daraufhin Auswertefunktionen und vor allem die IT-Maschinenschnittstellen exakt im Standard fest. Dies lieferte die Basis für die seit 2007 verfügbaren WS Pack-Definitionen für Verpackungsmaschinen. Im Jahr 2010 wurden vergleichbare Definitionen am Beispiel der Wurstherstellung (WS Food) und 2015 für die Backwarenherstellung (WS Bake) fertiggestellt.

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