Der Schweizer Maschinenhersteller Bühler spielt eine entscheidende Rolle in der Erfüllung der Grundbedürfnisse an Lebensmitteln und Mobilität von 2 Milliarden Menschen. Denn ein Großteil der Maschinen, die in der Lebensmittelproduktion und im Druckguss eingesetzt werden, stammt von Bühler. Das international agierende Familienunternehmen verfügt über 17.000 Mitarbeiter an über 140 Standorten weltweit.
Für die Industrie 4.0 rüstet Bühler seit 2014 mit OPC UA und den darauf aufbauenden Automatisierungslösungen zur Prozess- und Anlagensteuerung ‚Pluto‘ und ‚Mercury MES‘ um. Konnektivität wird mit der Digitalisierungsplattform Bühler Insights hergestellt. Bedeutende Industriekunden haben mit den OPC UA-basierten Lösungen von Bühler die Effizienz ihrer Produktion erhöht und den Energie- und Wasserverbrauch gesenkt.
Maschinen von Bühler
Anfänge im Maschinenbau
Im Jahr 1860 eröffnete Adolf Bühler Sr. eine Eisengießerei in Gupfen in Uzwil im Kanton St. Gallen. Er verlagerte die Produktion von Walzen für die Mühlenindustrie schnell auf die Herstellung kompletter Walzenstuhl und regulärer Mühlen. Bis 1900 eröffnete er Niederlassungen in Spanien und Frankreich. Heute ist Bühler in über 140 Ländern weltweit vertreten. Der größte Geschäftsbereich der Bühler Group, Grains & Food, entwickelte sich 2022 solide, trotz Störungen in den Lieferketten sowie auf den Getreide- und Energiemärkten. Der Auftragseingang lag bei 1.663 Millionen CHF, ein Rückgang um 6,5 Prozent, während der Umsatz um 2,6 Prozent auf 1.696 Millionen CHF stieg. Der Nettogewinn der Bühler Group verbesserte sich deutlich um 35,7 Prozent auf 170 Millionen US-Dollar (Vorjahr: 125 Millionen US-Dollar).
Maschinen in der Mehlproduktion
65 Prozent des weltweit verarbeiteten Getreides laufen über Bühler-Maschinen. Dafür sind zahlreiche Spezialmaschinen notwendig, da der Weg vom Rohstoff bis zum Endprodukt mehrere Stufen umfasst. Nach einer ersten Laboranalyse des Rohstoffs werden die Getreidekörner vorgereinigt.
Nach der vollständigen Reinigung, die das Aussortieren von Steinen sowie eine KI-gestützte Farberkennung zur Identifizierung von Mutterkorn umfasst, wird das Getreide konditioniert. Dabei werden die Körner mit Wasser besprüht, um den Feuchtigkeitsgehalt auf 15 bis 18 Prozent zu erhöhen, damit die gewünschte Mehlfeuchtigkeit und konstante Mahleigenschaften erreicht werden. Etwa 24 Stunden später beginnt die Vermahlung. Das Korn wird in der Walzenmühle in mehreren Schritten zerkleinert. Die Schale wird abgetrennt und ausgesiebt. Das gewonnene Mehl wird abschließend einer Qualitätskontrolle unterzogen und anschließend in 25 bis 50 Kilogramm-Säcke für Bäckereien verpackt.
Nachhaltigkeit durch Digitalisierung
Die Bühler Group hat sich verpflichtet, bis 2025 Lösungen bereitzustellen, die Energie, Abfall und Wasser in den Wertschöpfungsketten ihrer Kunden um 50 Prozent reduzieren. Konnektivität in den Anlagen, Automatisierung und intelligente Steuerung über die Mercury-MES-Software (Manufacturing Execution System) sind die wichtigsten Mittel dafür. OPC UA spielt dabei eine zentrale Rolle als Kommunikationsstandard.
Vor OPC UA
Komplizierte Maschinenkommunikation
Beispiel: Erfassung der Drehzahl
Wenn ein Bediener zum Beispiel einen Maschinenzustandsparameter wie die Drehzahl eines Motors aus einem Sensor über das ERP-System abfragen wollte, mussten alle fünf Ebenen des Automatisierungspyramide „durchlaufen“ werden. Dieser Prozess war zeitaufwendig und teuer, da der Datenaustausch proprietär erfolgte. „Die Daten, die wir in diesem Fall benötigen, befinden sich in der speicherprogrammierbaren Steuerung (PLC)“, erklärt Samuel Ochsner, Senior Software Architect & Product Owner IIoT bei der Bühler Group. „Wir konnten jedoch nicht direkt darauf zugreifen, da die Protokolle und Schnittstellen heterogen waren.“ Für jede Ebene waren Programmierkenntnisse notwendig. Die Fehlerrate bei der Interpretation der Sensordaten durch die verschiedenen Schichten lag bei 40 Prozent. Ralph Häuselmann, Senior Project Manager R&D Corporate Technology bei Bühler, fasste Ende 2013 zusammen: „Es bestand die Notwendigkeit zu einer Lösung, bei der die schlussendlich übertragene Information korrekt ist, das ERP System auf der obersten ebene direkt auf die Sensordaten zugreifen kann und nur eine Sprache gesprochen wird.“ Aufgrund heterogener Protokolle und Schnittstellen konnten wir jedoch nicht direkt darauf zugreifen.
OPC UA Integration
Die Anfänge über Software Toolbox
Der erste Schritt in Richtung OPC UA-Integration erfolgte 2014 über die US-amerikanische Firma Software Toolbox, die Softwaretools für die industrielle Automatisierung anbietet. Mit den OPC UA-Servern von Software Toolbox sowie IBH stellte sich sofort Erfolg ein. „Auf einfache Art und Weise erhielten wir plötzlich real time Daten aus jedem Level der Automationspyramide“, erinnert sich Ralph Häuselmann. „Nach dieser ersten Adoption wurden OPC UA in vielen weiteren Bereichen integriert.“
Retrofitting
Neuere Anlagen und solche, die nachträglich mit Konnektivität ausgestattet wurden, können bereits über OPC UA kommunizieren. Insgesamt wurden rund 20 Prozent aller in den letzten 20 Jahren verkauften Mühlen nachgerüstet. 1.500 Mühlen sollen mit dem umfassenden Mercury-Anlagenleitsystem für vollautomatisierte Prozesse ausgestattet werden.
Aktueller Stand
90 Prozent aller neuen Installationen und Modernisierungen sind über OPC UA verbunden. „Alle großen Hardware-Hersteller haben OPC UA bereits integriert“, erklärt Samuel Ochsner. „Die PLCs verfügen bereits über integriertes OPC UA. Deshalb ist der Aufwand, eine neue Maschine in die Struktur einzubinden, heute vergleichsweise gering.“ Die Abteilung Druckguss nimmt an einer Companion-Specification-Arbeitsgruppe teil, während andere Spezifikationen bereits genutzt werden. Interne Standards werden entwickelt, um die Integration von Anlagen mit OPC UA zu erleichtern.
Automatisierung mit OPC UA
Konnektivität mit Bühler Insights
Bühler vernetzt Industrieanlagen über die Plattform Bühler Insights. Maschinen werden über ein IoT-Gateway mit der Plattform verbunden und zu vernetzten Geräten. Anlagenbetreiber und Bühler-Produktteams nutzen die Daten von Sensoren, Maschinen und Steuerungen, um die Effizienz ihrer Anlagen zu optimieren und den Aufwand für Wartung, Energieverbrauch und Verschleiß zu reduzieren.
Die Pluto-Softwareplattform
Pluto ist eine vollständig OPC UA-basierte Automatisierungssoftware für Industrie 4.0. Sie ist webbasiert und erzeugt eine grafische Benutzeroberfläche für eine einfache Bedienung. Pluto generiert Lösungen automatisch und in Echtzeit auf der Grundlage der gesammelten Daten. Damit reduziert Pluto die Komplexität der Anlagenautomatisierung. Das Bühler Insights Gateway sammelt Daten von OPC UA-Servern. Die bisherigen Hauptanwendungsbereiche sind Weizenmühlen, Reismühlen und Siloumschlag. Auch der Installationsaufwand wird durch Pluto verringert, da vorprogrammierte Objekte genutzt werden, mit denen die Software für PLCs automatisch erstellt wird. Eine reibungslose Maschinenkommunikation ist somit von Beginn an gewährleistet. In dieser Hinsicht benötigt Pluto OPC UA nicht nur für den Datenaustausch, sondern für die digitale Transformation selbst. „Jede Funktion in der PLC, jede boolesche Logik, jeder Timer ist ein OPC UA-Tag“, erklärt Ralph Häuselmann, Senior Project Manager R&D Corporate Technology bei der Bühler Group. „So erzeugt eine Mühle mit 60 Maschinen automatisch 10.000 OPC UA-Knoten.“
Keine Datenautobahn
Dennoch besteht Plutos Hauptziel darin, Anlagenbetreibern selektiven Zugriff auf relevante Daten so schnell und unkompliziert wie möglich zu ermöglichen. „Eine große Menge an Daten zu erzeugen und anschließend nur nach wichtigen KPIs (Key Performance Indicators) zu durchsuchen, ist wahrscheinlich nicht der richtige Ansatz“, sagt Samuel Ochsner. „In den meisten Anlagen werden sorgfältig ausgewählte Daten abgefragt. Die Auswahl hängt hier vom digitalen Ziel ab.“ In anderen Fällen, wie bei Bühler Insights Replay, möchte der Kunde einen zeitlichen Ablauf des MES-Systems wiedergeben können, was bedeutet, dass sämtliche Daten hochgeladen werden müssen. In allen Fällen lässt sich die Datenauswahl mit OPC UA am Ziel des Kunden ausrichten.
Eine Komplettlösung für alle Anlagen
Pluto ist ein Anlagenleitsystem und wird zur Prozesssteuerung eingesetzt. Es kommt in kleineren Anlagen mit bis zu maximal 150 Maschinen zum Einsatz. Größere Anlagen mit mehr als 150 Maschinen werden mit der Pluto-basierten Produktionsplanungs- und Steuerungssoftware Mercury MES ausgestattet. Sobald Rezepte benötigt werden, kommt auch Mercury MES zum Einsatz.
KÄGI in der Schweiz
Schweizer Schokoladenwaffeln von Kägi
Die Kägi Söhne AG ist ein Traditionsunternehmen, das seit 1934 den mit Schokolade überzogenen Waffelriegel Kägi Fret herstellt. Um auch unter allen Bedingungen hochwertige Riegel produzieren zu können, entschied sich die Geschäftsleitung, Produktionsdaten messbar zu machen und damit Prozesse zu optimieren. 2019 führten Kägi und das Bühler Service-Team einen Performance-Assessment-Workshop durch, um Verbesserungen im Produktionsprozess zu erarbeiten.
Digitalisierung der Produktion
Alle für die Produktion relevanten Faktoren wurden analysiert und in eine detaillierte Prozessanalyse übersetzt. Auf dieser Grundlage identifizierte das Team Verbesserungspotenziale und entwickelte individuelle Aktionspläne, die die Basis für die Produktionsoptimierung bildeten. Der Workshop zeigte außerdem, dass gelegentliche Qualitätsschwankungen darauf zurückzuführen waren, dass Produktionsentscheidungen oft auf der Erfahrung und Intuition der Mitarbeitenden basierten. Künftig sollten Entscheidungen jedoch auf Daten gestützt werden.
Application & Training Center in Indien
Application & Training Center
Die Bühler Group betreibt weltweit ein Netzwerk von Application & Training Centern (ATC), in denen Kunden neue Produkte oder Rezepturen in Kleinmengen testen oder Weiterbildungen absolvieren können. Die ATCs sind mit modernsten Maschinen ausgestattet und vollständig digitalisiert. Durch das Sammeln von Testdaten über die Plattform Bühler Insights und mit Unterstützung von Vor-Ort-Analyselaboren kann das Bühler-Team Tests gemeinsam mit seinen Kunden in Echtzeit planen und durchführen sowie Maschinen oder Prozesse anpassen.
ATC in Bengaluru, Indien
Die hier demonstrierten und getesteten Prozesse können automatisch, halbautomatisch oder manuell ablaufen. Kunden, die mit hochwertigen Rohstoffen wie Kaffee, Hülsenfrüchten oder Gewürzen kommen, können Produkttests durchführen, um unter Anleitung erfahrener Technologen mehr über den Prozess, die Technologie und die Leistungsfähigkeit der Maschinen zu erfahren, bevor sie eine Investitionsentscheidung treffen.
Schulung für die Reisindustrie
Indien ist der weltweit zweitgrößte Reisproduzent mit nahezu 160 Millionen Tonnen. Der weltweite Jahresertrag liegt bei 503 Millionen Tonnen. Bühler bietet Mühlenbetreibern Komplettlösungen, einschließlich der Lieferung ganzer Anlagen und Maschinen für Reinigung, Schälen, Polieren, Schleifen, Sortieren sowie für die Endmontage und Inbetriebnahme. Mühlenbesitzer, Mühlenleiter und Mühlenbediener können hier Schulungen besuchen, um ihre Kenntnisse zu erweitern und neue Betriebstechniken für eine rentable Mühlenführung, Wartung und Organisation zu erlernen.
Smarte Mühle im Vereinigten Königreich
Innovativer Mühlentyp Mill E3
Die „Mill E3“ ist eine durchgängig digitalisierte Mühle, die aus vorgefertigten Modulen aufgebaut und 2021 in Betrieb genommen wurde. Im Zentrum der Mill E3 stehen mehr als 15.000 Datenpunkte, die Informationen zu allen Schritten des Produktionsprozesses liefern. Der Name E3 bezieht sich auf die drei Vorteile, die dieser neue Mühlentyp bietet: geringerer Platzbedarf, kürzere Installationszeit und Energieeinsparungen.
Revolution in Design…
Bühler und Whitworth pflegen eine langjährige Geschäftspartnerschaft. Mit der Mill E3 hat Bühler erfolgreich ein Plug-and-Play-System für die Installation einer Mühle getestet, das den Installationsaufwand um 30 Prozent reduziert. Die Mühle zeichnet sich durch ein kompaktes Design mit nur drei Ebenen statt der üblichen fünf oder sechs aus. Auf jeder Ebene verlaufen Druckluftleitungen aus Edelstahl von der Decke bis zum Boden und ermöglichen jederzeit einen klaren Einblick in den Prozess, bei dem Weizen zu Mehl verarbeitet wird. Alle Anlagen sind unkompliziert zugänglich für Wartung und Prozesskontrolle. Der Energiebedarf der Mill E3 ist um bis zu 10 Prozent reduziert.
… und Prozesssteuerung
Bühler Insights stellt die Konnektivität der Anlagen in der Mill E3 sicher. Das Produktionsleitsystem Mercury MES erfasst die Betriebsdaten, speichert die Rezepte und übernimmt die Produktionsplanung. Sensoren und Integratoren bilden die Grundlage der Anlagenautomatisierung. Anschließend hat Bühler OPC UA integriert. Sämtliche Aspekte der Produktion, von der Anlieferung des Rohmaterials bis hin zum Versiegeln der mit Mehl beladenen LKWs und der Lieferung an die Kunden, werden in Mercury MES digital abgebildet und gesteuert. Für die gesamte Mühle ist nur ein einziger Bediener erforderlich.
Text aus dem Original übernommen und übersetzt – OPC Foundation
