Vom Brownfield zur Smart Factory

Nestlé hat es sich zum Ziel gesetzt, seine Bestandsanlagen nach aktuellen Industrie-4.0-­Gesichtspunkten aufzurüsten. Dabei sollen Aufwand und Invest möglichst gering gehalten werden. In einem Pilotprojekt im Werk in Osthofen kommt nun eine Lösung von B&R zum Einsatz, welche die gestellten Anforderungen erfüllt. Im Mittelpunkt dabei: Mapp Technology und Scalability+. Damit lassen sich Brownfield-Werke in Richtung Smart Factory umrüsten.

Mapp based Factory Automation by B&R

Nestlé gehört zu den größten Lebensmittelherstellern weltweit. Das Unternehmen verfügt über ca. 430 Produktionsstandorte in 86 Ländern. Die rund 330.000 Mitarbeitenden erwirtschaften jährlich ca. 95 Mrd. CHF (knapp 87 Mrd. €). In Deutschland beschäftigt das Unternehmen rund 13 000 Menschen und produziert in 19 Fertigungsstätten. Dabei variiert die Zahl der Mitarbeiter an den einzelnen Standorten von 50 bis 1.800.

Der Nestlé-Konzern errichtet jährlich ein bis zwei Greenfield-Werke. Ein Beispiel in Deutschland ist das 2014 in Schwerin in Betrieb genommene Werk, in dem jährlich hunderte Millionen Kaffeekapseln produziert werden. Das Investment lag bei 220 Mio. €. Um den Kaffee nach höchsten Qualitätsstandards zu produzieren, kommen hier modernste Technologien zum Einsatz. „Man muss allerdings beachten, dass derzeitige Greenfields zwar mit hoch moderner Technologie ausgerüstet werden, diese allerdings noch nicht dem standardisierten Indus­trie-4.0-Verständnis entsprechen. Hier ist noch Einiges an Standardisierungsarbeit zu leisten“, stellt Ralf Hagen, MES, E&A Engineering Manager bei der Nestlé Deutschland AG, heraus.

Den ein bis zwei hoch produktiven Greenfields pro Jahr stehen auf der anderen Seite die 430 Brownfield-Werke gegenüber. „Auch mit diesen müssen wir wettbewerbsfähig produzieren können. Demnach gilt es, sie nach aktuellen Industrie-4.0-­Gesichtspunkten zu optimieren“, sagt R. Hagen. Um die He­rausforderung dabei deutlich zu machen, verweist er darauf, dass sich die Maschinen bei Nestlé im Durchschnitt 15 bis 20 Jahre im Einsatz befinden – einige auch bis zu 50 Jahre. „Damals war die Netzwerkinfrastruktur eine komplett andere, als wir sie heute mit Blick auf die Smart Factory kennen. In Neuanlagen ist eine durchgängige Kommunikation gewährleistet; Daten werden in Echtzeit an das ERP-System übergeben“, nennt der Experte einen Aspekt. Mit Blick auf die aktuelle Situation in seinen Bestandsanlagen erklärt er: „Datenaufzeichnungen erfolgen heute noch vielfach von Hand, es gibt eine Vielzahl von Kommunika­tionsschnittstellen – teilweise sind diese nicht für die aktuellen Anforderungen ausgelegt. In einigen Fällen sind die Daten, mit denen wir beispielsweise Condition Monitoring betreiben könnten, zwar vorhanden, wir nutzen sie aktuell aber nicht.“   

Die Herausforderung

Zur Lösung der Herausforderungen trat Nestlé an verschiedene Automatisierungsexperten heran, unter anderem an B&R. Karl-Heinz Mayer, Leiter des technischen Büros Mitte, B&R Bad Homburg, zeigte mehrere Möglichkeiten auf, wie mit intelligenter Automatisierung Optimierungspotenzial in Bestandsanlagen gehoben werden können. Geht es darum, die Fertigungskosten zu reduzieren, ist die Verbesserung der OEE-Kennzahl (Overall Equipment Effectiveness = Gesamtanlageneffektivität) die richtige Wahl. „Durch die Verbesserung der OEE-Kennzahl lassen sich Einsparungen bei den Fertigungskosten um 10 % bis 20 % erreichen“, nennt K. H. Mayer als konkreten Wert. Dabei errechnet sich die OEE-Kennzahl wie folgt:

OEE = Verfügbarkeitsfaktor × Leistungsfaktor × Qualitätsfaktor.

  • Verfügbarkeitsfaktor = Laufzeit/(Laufzeit + (geplanter + ungeplanter Stillstand));
  • Leistungsfaktor = Istleistung/Sollleistung;
  • Qualitätsfaktor = (produzierte Produkte – Ausschuss)/produzierte Produkte.

Nestlé entschied sich, diesen Weg mitzugehen. „Um die OEE-Kennzahl zu steigern, müssen wir die Zahl der ungeplanten Stillstände signifikant reduzieren“, sagt R. Hagen. Deshalb lautet für ihn der Anspruch: „Wir müssen die Produktionsdaten von allen Fertigungslinien in den einzelnen Standorten digital und in Echtzeit zur Verfügung haben. Dabei muss dies sowohl bei den alten, wenig automatisierten Anlagen als auch bei den modernen, voll inte­grierten möglich sein. Ferner ist eine direkte oder indirekte Anbindung an das ERP-System wichtig. Darüber hinaus muss die Lösung den Nestlé-Sicherheitsstandards entsprechen“. Weitere konkrete Anforderungen waren:

  • einfachste Inbetriebnahme nur durch Parametrieren,  
  • keine Programmänderung und Eingriffe in die Maschinen- und Anlagensoftware,  
  • Updates mit APP-Store-ähnlicher Technologie,
  • Web-Bedienung und -Visualisierung sowie  
  • weitere I4.0-Prinzipien müssen „nachladbar“ sein.

„Unsere Anforderungen leiten sich auch daraus ab, dass es in Zukunft immer weniger qualifiziertes Fachpersonal geben wird. Deshalb wollten wir eine Lösung, die dem Apple-Prinzip ähnelt: anschauen, draufdrücken, funktioniert“, sagt R. Hagen. „Zudem soll sie uns über die nächsten drei bis fünf Jahre als gute Zwischenlösung dienen, bis eine optimale Cloud-Lösung gefunden ist.“

Weitere Herausforderungen ergeben sich daraus, dass in den einzelnen Werken Steuerungen verschiedener Hersteller und Generationen eingesetzt werden und unterschiedliches Automatisierungs-Know-how vorhanden ist.

Der Lösungsansatz

Nach den genannten Vorgaben entwickelte B&R eine Lösung, die hardwareseitige auf ihrem Scalability+ und softwareseitig auf ihrer Mapp Technology basiert. In Anlehnung an die typische Black Box kommt sie als „Orange Box“ (Bild links) im Nestlé-Werk in Osthofen zum Einsatz. „Durch die auf die Kundenanforderung zugeschnittene, optimale Kombination unseres modularen Hardwareangebots, bestehend aus Steue­rung, Visualisierung und Mapp Technology erhält der Kunde mit der Orange Box eine Plattform für Industrie 4.0-Prinzipien“, verdeutlicht K. H. Mayer. Dabei kann er zwischen zwei unterschiedlichen Möglichkeiten der Anbindung an Maschinen und Anlagen wählen: Zum einen das Abgreifen von Signalen auf IO-Modulen an 3rd-Party-Steue­rungen und zum andern direkt über ISO on TCP bzw. TCP/IP.

Mit dieser Lösung sind die B&R-Spezialisten vor allem auch mit ihrer Mapp Technology sehr nah an die Kundenanforderungen herangekommen. „Unsere Mapp Technology bringt von Haus aus eine Reihe Basisfunktionen bereits mit, zum Beispiel die OEE-Berechnung, das Multi-User-Prinzip, PackML, Data Aquisition – all das sind Mapp-Komponenten, die bereits vordefiniert sind und nach dem allgemeinen App-Verständnis nur noch ,geladen‘ werden müssen“, erklärt K. H. Mayer. Dabei wird ein anderes Konzept verfolgt, als man es von herkömmlichen Funk­tionsbausteinen kennt. „Die Mapp-Komponenten arbeiten interaktiv. Das heißt, die einzelnen Komponenten lassen sich miteinander verknüpfen und tauschen untereinander Daten aus“, informiert der Experte. Als Beispiel führt er die Aufnahme von Energiedaten aus einzelnen Mapp-Komponenten und die Auswertung im Energiemonitoring-Modul an.

Die Mapp-Komponenten sind in die B&R-Entwicklungsumgebung Automation Studio integriert. Sie lassen sich einfach konfigurieren, ohne dass der Entwickler jedes einzelne Detail programmieren muss. Ein weiteres wichtiges Element innerhalb der Mapp-Welt ist Mapp View. „Mit Mapp View kann jeder Automatisierungstechniker einfach zu bedienende Visualisierungslösungen selbst erstellen. Kenntnisse von HTML5, CSS und Javascript sind nicht erforderlich“, erläutert K. H. Mayer. Die Visualisierung setzt zu 100 % auf Webstandards. Dadurch wird eine optimale Anzeige auf allen Ausgabegeräten erreicht. Via OPC UA sind auch Steuerungen anderer Hersteller einfach in die Visualisierung einbindbar.

„Durch die menügeführte Bedienung und eine Parame­trierung statt Programmierung haben wir dem Wunsch von Nestlé entsprochen: Eine Inbetriebnahme ist nun ohne Spezialisten möglich. Ferner ist eine zentrale Softwareverwaltung gegeben. Datenspeicherung, Inbetriebnahme und Updates können über das Netzwerk oder USB erfolgen“, stellt K. H. Mayer heraus. Die Kommunikation kann über unterschiedliche Kanäle, wie LAN oder WLAN, erfolgen. Auch bei den Protokollen wird auf Standards, wie OPC UA und ISO on TCP, gesetzt.

Die „Orange Box“ bietet eine freie Wahl der Hardwareplattform

Pilot Osthofen

Die „Orange Box“ findet ihre Pilotanwendung im Nestle-Werk in Osthofen. Rund 300 Mitarbeiter stellen dort für Nestlé Health Science (Deutschland) spezielle Trink- und Aufbaunahrung für Menschen mit besonderen Ernährungsbedürfnissen her. „Aufgrund ihrer Hard- und Softwareskalierbarkeit ist die ,Orange Box‘ kompatibel zu all unseren dort im Einsatz befindlichen Maschinen und Anlagen. In kommunikativer Hinsicht wird auf offenen Standards aufgesetzt und somit Offenheit für die Kopplung sowohl an das B&R-eigene Aprol als auch an andere Leitsysteme und MES, wie das existierende Wonderware etc., erreicht“, freut sich R. Hagen. Zudem müssen bei der Installation keinerlei Programmänderungen und Eingriffe in die Maschinen- und Anlagensoftware vorgenommen werden. „Dank der Einfachheit des Systems ist kein lokales Expertenwissen erforderlich; über die Menüführung ist eine intuitive Bedienung möglich“, stellt der Experte weiter heraus. Die Rohdaten der Maschinen können somit lokal und digitalisiert gesammelt werden. Dabei wird der Security-Aspekt entweder über Stand-alone- oder über die in Standard-IT-Techniken implementierten Sicherheitsprotokolle gewährleistet.
„Mit einer recht kleinen Investition wird mit der ,Orange Box‘ sofortige Transparenz erreicht und damit eine gezielte, effektive Optimierung möglich. Darüber hinaus ist das System modular und damit jederzeit erweiter- bzw. anpassbar. Alles so, wie wir uns das vorgestellt haben“, resümiert R. Hagen.

Weitere Möglichkeiten

B&R wird die auf Mapp-Komponenten basierte „Orange Box“ zukünftig auch als Dienstleistungspaket anbieten. Endkunden, Systemintegratoren und Maschinenbauer können nach dem B&R-Scalability+-Gedanken selbst auch Mapp-Komponenten mit unterschiedlicher B&R-Steuerungshardware als „Orange Box“ konfigurieren.

www.br-automation.com

 

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