Hidden Champion Bühler automatisiert Lebensmittelproduktion mit OPC UA

Bühler ist der weltweit führende Produzent von Maschinen für die Herstellung von Mehl, Reis, Teigwaren, Schokolade, Kaffee und Bier.

Bühler automatisiert die Lebensmittelproduktion mit OPC UA

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13. Oktober 2023
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Lebensmittelherstellung mit OPC UA

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

1860 eröffnete Adolf Bühler sen. eine Eisengießerei in Hombrechtikon im Kanton Zürich. Aus eigenem Interesse verlagerte er die Produktion von Walzen für die Müllerei schnell auf die Herstellung kompletter Walzstühle und Mühlen. Bis 1900 hatte er eine Tocherfirma in Paris und eine in Mailand gegründet. Heute ist Bühler in über 140 Ländern der Welt vertreten.

Der grösste Geschäftsbereich der Bühler Gruppe, Grains & Food, war besonders von den Folgen der Corona-Pandemie betroffen. Das Segment verzeichnete im Jahr 2022 einen Auftragsrückgang von 6,5 Prozent, verbuchte aber dennoch ein Umsatzplus von 2,6 Prozent auf 1.876 Millionen US-Dollar.

Der Reingewinn der Bühler Gruppe 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 vermahlenen Weizens werden in Mühlen von Bühler verarbeitet. Dafür sind eine Reihe von Spezialanlagen notwendig, denn der Prozess vom Rohstoff bis zum fertigen Produkt umfasst mehrere Stufen. Nach einer vorausgehenden Laboranalyse des Rohstoffs werden die Getreidekörner vorgereinigt.

Nach der vollständigen Reinigung, zu der die Aussortierung von Steinen und die KI-gesteuerte Farberkennung zum Aufspüren des giftigen Mutterkorns gehören, erfolgt die Konditionierung des Getreides. Dabei werden die Körner mit Wasser besprüht, um den Feuchtigkeitsgehalt so zu erhöhen (auf 15–18 Prozent), dass die gewünschte Mehlfeuchte und konstante Vermahlungseigenschaften erreicht werden.

Circa 24 Stunden später beginnt die Vermahlung. In mehreren Schritten wird das Getreide im Walzenstuhl zerkleinert. Die Getreideschale wird hierbei abgetrennt und ausgesiebt. Das nun vorliegende Mehl durchläuft abschließende Qualitätskontrollen und wird dann in 25–50 Kilogramm Säcken für Backbetriebe abgepackt.

65 Prozent des Weizenmehls werden auf Maschinen von Bühler gemahlen.

65 Prozent des Weizenmehls werden auf Maschinen von Bühler gemahlen.

Nachhaltigkeit durch Digitalisierung

Die Bühler Gruppe verfolgt das Ziel, bis 2025 den Wasserverbrauch, Stromverbrauch und die Lebensmittelverschwendung an den eigenen Standorten um 50 Prozent zu reduzieren.

Konnektivität in den Anlagen, Automatisierung und smarte Steuerung per MES-Software sind die vorrangigen Mittel dazu. Um diese Ziele zu erreichen, spielt OPC UA als Kommunikations-Enabler eine tragende Rolle bei Bühler.

Maschinenkommunikation

Komplizierte Maschinenkommunikation

Die Notwendigkeit, die Maschinenkommunikation zu verbessern, wurde für Bühler 2013 immer dringender. Weil die Anlagen in unterschiedlichen „Sprachen“ kommunizierten, mussten sie speziell für jede Anwendung programmiert werden.

Jede Installation besaß demzufolge eine ganz eigene Struktur, die in anderen Installationen nicht repliziert wurde. Der Integrationsaufwand für jede einzelne Installation war und blieb enorm hoch.

Bühler: Die verschiedenen Ebenen einer Automationspyramide

Die verschiedenen Ebenen der Automatisierungspyramide.

Beispiel: Drehzahl erfassen

Wollte ein Bediener beispielsweise vom ERP-System aus einen Maschinenzustandsparameter wie eine Motorendrehzahl von einem Sensor erfragen, dann mussten alle fünf Ebenen der automatisierten Prozesssteuerung „durchquert“ werden.

Dieser Prozess konnte aufgrund des proprietären Datenaustausches zeit- und kostenaufwendig sein.

„Die Daten, die wir benötigen, liegen in der speicherprogrammierbaren Steuerung (Programmable logic controller, PLC)“, erklärt Samuel Ochsner, Senior Software Architect & Product Owner IIoT bei der Bühler Group.

„Aber wir konnten ohne OPC UA nicht direkt auf sie zugreifen.“ Zum Ansprechen jeder Ebene wurden Programmierskills benötigt. Die Fehlerquote in der Interpretation der Sensordaten durch die verschiedenen Ebenen lag bei 40 Prozent.

Ralph Häuselmann, Senior Project Manager R&D Corporate Technology bei der Bühler Group, fasst die Situation Ende 2013 so 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.“

Bühler forderte eine vereinfachte Struktur der Maschinenkommunikation, die mit OPC UA transparent gelöst wurde.

Mit OPC UA erhoffte sich Bühler 2014 eine unkomplizierte Kommunikationsstruktur dieser Art.

OPC UA Integration

Anfänge über Software Toolbox

Der erste Schritt auf OPC erfolgte 2014 über das amerikanische Unternehmen Software Toolbox, das industrielle Automatisierungssoftware- Tools anbietet. Bühler nutzte eine Installation mit OPC-Server, die sofort erfolgreich war.

„Auf einfache Art und Weise erhielten wir plötzlich real time Daten aus jedem Level der Automationspyramide. Nach dieser ersten Adoption wurden OPC UA in vielen weiteren Bereichen integriert.“

Ralph Häuselmann,

bei Bühler

Retrofitting

Neuere Anlagen und die, an denen Konnektivität nachträglich hergestellt wurde, sind heute schon mit OPC UA ansprechbar. Generell sind circa 20 Prozent aller Mühlen der letzten 20 Jahre umgerüstet.

1.500 Mühlen sollen mit der umfassenden Anlagensteuerung WinCos für vollautomatische Prozesse ausgestattet werden.

Derzeitiger Status

Neunzig Prozent aller Neuinstallationen und Upgrades werden über OPC UA angebunden. „Alle großen Hardwarehersteller integrieren OPC UA schon“, erklärt Samuel Ochsner. „Die PLCs haben OPC UA bereits integriert. Deswegen ist der Aufwand, eine neue Maschine zur Struktur hinzuzufügen, heute vergleichsweise klein.“

Die Abteilung „Druckguss“ beteiligt sich an einer Begleitspezifikations-Arbeitsgruppe und weitere Begleitspezifikationen sind im Entstehen. Intern wird an einer Standardisierung gearbeitet, um das Onboarding von Geräten mit OPC UA zu erleichtern.

Die Hälfte der Geräte bei Bühler kommuniziert bereits über OPC UA.

Die Hälfte des Equipments bei Bühler kommuniziert jetzt schon mit OPC UA.

Automation mit OPC UA

Konnektivität mit Bühler Insights

Die Vernetzung der Industrieanlagen nimmt Bühler mit der Plattform Bühler Insights vor. Die Umwandlung der Maschinen in vernetzte Geräte erfolgt über ein IoT Gateway, das mit der Plattform verbunden ist. Anlagenbetreiber nutzen die Daten von Sensoren, Maschinen und Maschinensteuerungsgeräten, um die Effizienz ihrer Anlagen zu optimieren und den Instandhaltungsaufwand, Energieverbrauch und Verschleiß zu reduzieren.

Die Softwareplattform ‚Pluto‘

Pluto ist eine komplett OPC UA-basierte Automatisierungssoftware für Industrie 4.0. Sie ist webbasiert und erzeugt eine graphische Benutzeroberfläche zur einfachen Bedienung. Lösungen generiert Pluto automatisch und in Echtzeit auf der Grundlage der akkumulierten Daten. Pluto reduziert somit die Komplexität der Anlagenautomatisierung. Die Kommunikation mit dem Gateway Bühler Insights läuft über OPC UA Server. Die hauptsächlichen Einsatzbereiche bisher sind Weizenmühlen, Reismühlen und Siloumschlag.

Der Installationsaufwand wird durch Pluto ebenfalls verringert, denn die Software nutzt vorprogrammierte Objekte und erstellt mit ihnen automatisch die Software für PLCs. Die reibungsfreie Maschinenkommunikation ist somit ab Installation garantiert. Insofern benötigt Pluto OPC UA nicht nur zum Datenaustausch, sondern für die digitale Transformation an sich.

Die zentrale Digitalisierungsplattform Bühler Insights ist die Basis für die Software-Plattformen Pluto und Mercury MES.

Die zentrale Digitalisierungsplattform Bühler Insights ist die Grundlage für die Softwareplattform ‚Pluto‘ und ‚Mercury MES‘.

„Jede Funktion im PLC, jede Boolean Logik, jeder Timer ist ein OPC UA-Tag. Eine Mühle mit 60 Maschinen generiert also automatisch 10.000 Nodes in OPC UA.“

Samuel Ochsner,

bei Bühler

Keine Datenautobahn

Dennoch ist das vorrangige Ziel von Pluto, Anlagenbetreibern einen möglichst schnellen und möglichst unkomplizierten selektiven Zugriff auf relevante Daten zu ermöglichen. „Eine große Datenmenge zu produzieren und dann erst nach wichtigen KPI (Key Performance Indicators) zu durchsuchen, ist nicht der richtige Ansatz“, meint Samuel Ochsner.

„In den meisten Installationen werden sorgfältig ausgewählte Daten abgefragt. Die Auswahl hängt dabei von der digitalen Zielsetzung ab.“ In anderen Fällen, wie beispielsweise bei Bühler Insights Replay, möchte der Kunde eine Zeitwiedergabe seines MES-Systems sehen, so dass alle Daten hochgeladen werden müssen. In allen Fällen kann die Datenselektion mit OPC UA auf die Zielsetzung der Kunden abgestimmt werden.

Komplettlösung für alle Anlagen

Pluto ist ein Anlagenkontrollsystem und dient der Prozessteuerung. Es wird in kleineren Anlagen bis maximal 150 Maschinen eingesetzt. Größere Anlagen mit über 150 Maschinen werden mit der OPC UA-basierten Produktionsplanungs- und Steuerungssoftware Mercury MES ausgerüstet. Sobald Rezepte benötigt werden, wird ebenfalls Mercury MES benutzt.

KÄGI in der Schweiz

Schweizer Schokoladenwaffeln von Kägi

Die Kägi Söhne AG ist ein Traditionsunternehmen, das seit 1934 einen Waffelriegel mit Schokoladenüberzug, den Kägi Fret, herstellt. Um unter allen Bedingungen weiterhin hochwertige Riegel herstellen zu können, entschied sich die Geschäftsführung, Produktionsdaten messbar zu machen und dadurch Prozesse zu optimieren. 2019 führten Kägi und das Bühler Serviceteam einen Performance Assessment Workshop durch, um herauszufinden, wie Verbesserungen im Produktionsprozess möglich sind.

„Durch die Verknüpfung und Visualisierung der Daten in Bühler Insights erwartet Kägi eine Steigerung der Overall Equipment Effectiveness zwischen 5 und 8 Prozent.“

Samuel Ochsner,

bei Bühler

Digitalisierung der Produktion

Alle für die Produktion relevanten Faktoren wurden analysiert und in eine detaillierte Prozessanalyse umgesetzt. Darauf aufbauend identifizierte das Team Verbesserungspotenziale und erstellte individuelle Aktionspläne, die die Grundlage für die Produktionsoptimierung bildeten.

Der Workshop ergab auch, dass gelegentliche Qualitätsschwankungen darauf zurückzuführen sind, dass die Entscheidungen in der Produktion häufig auf Erfahrung und Intuition der Mitarbeiter beruhen. Statt dessen sollten sie in Zukunft datenbasiert getroffen werden.

Bühler Insights bei Kägi

Die Anbindung von Kägi an die Bühler Insights Plattform schafft eine Transparenz über Prozess- und Maschinendaten im laufenden Betrieb. Von den Rohstoffen über das Backen und Füllen der Waffelblätter bis hin zum Schokoladenüberzug werden die Daten nun jederzeit erfasst, analysiert und interpretiert. In jeder Maschine sind durchschnittlich 25 bis 30 Datenpunkte angeschlossen.

Alle prozessrelevanten Daten und KPIs für jeden Produktionsschritt werden über Dashboards visualisiert. So kann jeder Bediener sehen, wie gut der jeweilige Teilprozess läuft und diesen direkt beeinflussen. Das alles wurde mit OPC UA realisiert.

Das vollautomatische Inline-Inspektionssystem WIS-EAGLE von Bühler ist mit 25-30 Messstellen ausgestattet.

Bühlers vollautomatisiertes Inline-Prüfsystem WIS-EAGLE ist mit 25–30 Messpunkten versehen. Zu sehen sind Sensoren über einem Waffelblatt.

Application and Training Centers in Indien und Smart Mill in Grossbritannien

Application & Training Centers

Die Bühler Gruppe unterhält weltweit ein Netz an Application and Training Centers (ATC), in denen Kunden neue Produkte oder Rezepte in kleinen Chargen testen oder sich weiterbilden können. Die ATC sind mit hochmodernen Maschinen ausgerüstet und komplett digitalisiert.

Durch Erfassung der Versuchsdaten, Einsatz der Plattform Bühler Insights und mithilfe von Analyselaboren vor Ort kann das Team von Bühler zusammen mit seinen Kunden Versuche in Echtzeit planen und durchführen und Maschinen beziehungsweise Prozesse anpassen.

Das ATC in Bengaluru ist in einer ehemaligen Reismühle untergebracht, die teilweise verglast ist, um einen Blick auf die Maschinen und den Betrieb im Inneren zu ermöglichen.

Das ATC in Bengaluru ist in einer ehemaligen Reismühle untergebracht, die teilverglast ist und den Blick auf Maschinen und Abläufe im Inneren frei gibt.

ATC in Bengaluru, Indien

Die Abläufe, die hier demonstriert und getestet werden, können automatisch, teilautomatisiert und manuell laufen.

Kunden, die mit wertvollen Waren wie Kaffee, Hülsenfrüchten und Gewürzen kommen, können Produkttests durchführen, um unter Anleitung erfahrener Technologen Prozess, Technologie und Leistung der Maschinen kennenzulernen, bevor sie eine Investitionsentscheidung treffen.

Training für die Reisindustrie

Indien ist mit fast 160 Millionen Tonnen der zweitgrößte Reisproduzent der Welt. Der weltweite Ernteertrag pro Jahr beläuft sich auf 503 Millionen Tonnen. Bühler bietet den Mühlenbetreibern Komplettlösungen an inklusive Lieferung von kompletten Anlagen und Ausrüstungen für Reinigung, Schälen, Aufhellen, Polieren und Sortieren und schlussendlicher Montage und Inbetriebnahme.

Mühlenbesitzer, Mühlenmanager und Mühlenbetreiber können hier Schulungen besuchen, um ihre Fähigkeiten zu verbessern und neue Betriebstechniken für einen rentablen Betrieb, Wartung und Verwaltung von Mühlen zu erlernen.

Innovativer Mühlentyp Mill E3

Die ‚Mill E3‘ ist eine durchgehend digitalisierte Mühle, die aus vorgefertigten Modulen errichtet und 2021 in Betrieb genommen wurde. Das Herzstück der Mill E3 bilden mehr als 15.000 Datenpunkte, die Informationen über alle Schritte im Produktionsprozess sammeln. Der Name E3 bezieht sich auf die drei Vorteile, die dieser neue Mühlentyp sie in Bezug auf Platzbedarf, Installationszeit und Energieeinsparung bietet.

Revolution in Design…

Bühler und Whitworth verbindet eine langjährige Geschäftspartnerschaft. Mit Mill E3 hat Bühler erfolgreich ein Plug-and- Play-System für die Errichtung einer Mühle erprobt, das den Installationsaufwand um 30 Prozent verringert. Die Mühle weist eine kompakte Bauweise mit nur drei statt der üblichen 5 oder 6 Stockwerke auf.

Auf jeder Ebene verlaufen Rinnen aus pneumatischen Edelstahlrohren von der Decke bis zum Boden, die immer wieder Einblicke in den Prozess der Umwandlung von Weizen zu Mehl gewähren. Es besteht ein unkomplizierter Zugang zu allen Anlagen für die Wartung und zur Überprüfung des nahtlosen Prozessablaufs. Der Energiebedarf von Mill E3 ist bis zu 10 Prozent reduziert.

… und Prozesssteuerung

Bühler Insights stellte die Konnektivität der Anlagen in Mill E3 her. Das Produktionsleitsystem Mercury MES erfasst die Betriebsdaten, speichert die Rezepturen und verwaltet die Produktionsplanung. Sensoren und Integratoren bilden die Grundlage der Automatisierung der Anlagen.

Bühler hat OPC UA nachträglich integriert. Für eine durchgängige und komplette Maschinenkommunikation werden 5 Gateways benötigt, die insgesamt 15.000 Datenpunkte erfassen. Alle Aspekte der Produktion von der Anlieferung des Rohmaterials über die Versiegelung der mit Mehl beladenen Lastwagen bis hin zur Auslieferung an die Kunden werden in Mercury MES digital abgebildet und gesteuert. Nur ein Bediener wird für die gesamte Mühle benötigt.

Die erste Mühle E3 befindet sich in Yorkshire im Norden Englands.

Die erste Mill E3 befindet sich in Yorkshire im Norden Englands und wird von Whitworth Bros. Ltd., dem größten Mehlproduzenten Großbritanniens, betrieben.

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