Waffeln begegnen uns in vielerlei Formen und Endprodukten, z. B. als Eiswaffeln. Aber auch Süßigkeiten und Snacks nutzen die knusprigen und schmackhaften Backprodukte als Basis. Damit die große Nachfrage gedeckt werden kann, erfolgt die Waffelproduktion industriell im großen Stil und hochautomatisiert. Durch den Einsatz eines optimal auf die Produktionsbedingungen abgestimmten und FDA-konformen Leitsystems konnte die Produktivität eines Waffelherstellers erhöht werden.

Waffelfabrik Meyer zu Venne

Waffeln sind Bestandteil vieler Lebensmittel und längst ist die Nachfrage so hoch, dass nicht mehr der Bäcker von nebenan sie bedienen kann, sondern hochtechnisierte Waffelproduzenten den Markt beliefern. Die größte Waffelproduktionsstätte Deutschlands ist die Firma Waffel-Meyer, offiziell Waffelfabrik Meyer zu Venne GmbH und Co. KG, in Venne bei Osnabrück. In dritter Generation werden hier etwa drei Mrd. Waffelprodukte pro Jahr gebacken, verpackt und weltweit versandt. Je nach Saison produzieren 180 Mitarbeiter rund um die Uhr an sieben Tagen in der Woche. Zu Beginn der Sommersaison, wenn sowohl die industriellen Eisproduzenten und Süßwarenhersteller als auch die Großhändler zahlreiche Waffelprodukte ordern, werden z. B. die bekannten konus-förmigen Eishörnchen sowie Flachwaffeln für die Süßwarenindustrie produziert. In den Produktionshallen bei Waffel-Meyer stehen 40 Öfen, 33 davon backen Eishörnchen, die übrigen sieben Öfen Flachwaffeln.

Bessere Produktqualität dank Automatisierung

Der Teig für Flachwaffeln wird in fünf automatisierten Mischern produziert – in der Hochsaison pro Mischer eine Tonne Teig pro Stunde. Die Hauptkomponenten – Mehl aus dem Lagersilo und Wasser – werden dabei automatisch gramm- bzw. millilitergenau zugeführt. Der fertige Teig wird in eines von zwei Zwischenlagern gepumpt, von wo aus er zu den Vorratsbehältern an den Öfen geleitet wird. Sensoren in den Zwischenlagern und Vorratsbehälter melden den Füllstand an eine Steuerung. So werden die Vorratsbehälter automatisch aufgefüllt und das Bedienpersonal bekommt eine Meldung, wenn die Zwischenlager leer werden, damit die Nachproduktion des Waffelteiges rechtzeitig gestartet werden kann. Aus dem Vorratsbehälter wird der Teig direkt auf die Waffeleisen gespritzt und gebacken. Die fertigen Waffeln werden mit Druckluft aus den Waffeleisen gelöst, kühlen kurz ab und werden anschließend mittels Kamera optisch auf ihren Bräunungsgrad und ihre Form kontrolliert. Gebrochene, zu dunkle oder zu helle Waffeln werden automatisch aussortiert. Im Anschluss werden die Waffeln je nach Kundenwunsch und Anforderung in befeuchteter Luft weiter gekühlt und schließlich in Kartons verpackt. Der gesamt Prozess ist hochautomatisiert und kommt fast ohne manuelle Eingriffe aus.

Automatisierungstechnik von Hellebusch Elektrotechnik

Zuständig für die Automatisierungstechnik bei Waffel-Meyer ist der Systemintegrator Hellebusch Elektrotechnik GmbH mit Sitz in Steinfeld. Seit 1996 ist das Unternehmen im Bereich der Prozessautomatisierung tätig. Mit 15 Mitarbeitern werden Automatisierungslösungen für die Nahrungsmittelindustrie, die Kunststoff- und die Kosmetikindustrie realisiert. In enger Kooperation mit dem im selben Ort ansässigen Sondermaschinenbauer Sprematec GmbH wurden u. a. hochmoderne Mischer für die Waffelfabrik entwickelt. Während früher alle Komponenten manuell abgewogen und in den Mischer geschüttet wurden, erfolgt die Dosierung der Hauptkomponenten heutzutage automatisch.

Steuerung und Visualisierung von Siemens

Zur Steuerung und Visualisierung kommen Komponenten aus dem Automatisierungsspektrum von Siemens zum Einsatz. Durch eine speicherprogrammierbare Steuerung Simatic S7-300 CPU 315-2PN/DP werden drei Mischer gesteuert, sodass bei Waffel-Meyer aktuell zwei dieser Steuerungen im Einsatz sind und noch Kapazität für einen weiteren Mischer vorhanden ist. Für jeden Mischer wird durch ein an die Steuerungen angeschlossenes Siwarex-Wägemodul das Gewicht der Zutaten und des Teiges direkt vor Ort bestimmt. Dadurch wird wesentlich genauer gemessen als mit den manuellen, analogen Waagen, die früher im Einsatz waren, was zu Einsparungen im Rohstoffeinsatz führt.

Scada-Software Simatic WinCC V7

Mit der Automatisierung der Teigzubereitung wurde auch die Einführung eines Scada-Systems zur Verwaltung der Rezepturen erforderlich. Alle Produktionsdaten werden gesammelt, analysiert, dokumentiert und visualisiert. Außerdem muss eine lückenlos zurückzuverfolgende Bedienung ermöglicht werden. Entschieden hat sich Josef Hellebusch, Geschäftsführer des Systemintegrators, für die Scada-Software Simatic WinCC V7. Er sagt: „Auf Grund seiner Zuverlässigkeit und internationalen Verfügbarkeit ist WinCC V7 unsere erste Wahl.“

Die Mischer werden aus dem Serverraum der Waffelfabrik durch ein redundantes Serverpaar überwacht und gesteuert. Über insgesamt sechs Bedienplätze (Clients) kann direkt in der Produktion auf das System zugegriffen werden. Produktionsschritte können gestartet, kontrolliert und gegebenenfalls korrigiert werden. Als an die Produktionsumgebung angepasste PC-Hardware werden dazu Simatic Panel PCs eingesetzt, da diese durch ihren erweiterten Temperaturbereich und die erhöhte Schwing- und Schockbelastbarkeit optimal für den Alltag in einem industriellen Betrieb geeignet sind.

Chargenorientierte Produktion und Datenerfassung 

Neben dem Bedienen und Beobachten muss das Leitsystem zusätzlich noch eine wichtige Aufgabe erfüllen: die chargenbasierte Datenerfassung und -auswertung der Produktionsprozesse. WinCC V7 verfügt bereits in der Basisversion über umfangreiche Möglichkeiten, den Produktionsprozess detailliert abzubilden, zu steuern oder Produktionsdaten mittels Tabellen und Kurven aufzubereiten und übersichtlich darzustellen. Diese Basisfunktionalität wird durch ergänzende Add-Ons um branchenspezifische Funktionalitäten erweitert. Die Premium-Add-Ons „PM-Control“ und „PM-Quality“ sind nahtlos in das Basissystem integriert und werden in chargenbezogenen Produktionsprozessen eingesetzt. Mit PM-Control wurde die Produktionssteuerung der Waffelproduktion und die Rezepturverwaltung implementiert, PM-Quality ist für die Auswertung und Speicherung der erfassten Daten zuständig. Jeder Kunde hat individuelle Anforderungen bezüglich Teigzusammensetzung, Aussehen und Geschmack des Endprodukts, also der Waffeln. Daraus leitet sich eine unterschiedliche Dauer des Mischvorgangs, der Verweildauer in den Zwischenbehältern und auch der Back- und Abkühlzeit ab.

Es ergibt sich eine Vielzahl an Rezepturen, die an einem zentralen Rechner verwaltet werden. Damit ist die Rezepturverwaltung eine Kernkomponente des Leitsystems. Bei Bedarf können die Rezepte auch kurzfristig an den Bedienstationen angepasst werden, z. B. wenn durch die Eigenschaften der natürlichen Rohstoffe Änderungen notwendig werden. Die Bedienberechtigung dazu wird vom Leitsystem geprüft und die manuellen Änderungen gemäß FDA-Anforderungen protokolliert.

Qualitätsberichte auf Basis realer Produktionsdaten

Es werden alle relevanten Daten des hergestellten Teiges erfasst und gespeichert. Darunter sind u.a. die Mengen der eingesetzten Rohstoffe, die Verarbeitungsdauer im Mischer und die Verweildauer im Zwischenlager. Christian Meyer zu Venne, Geschäftsführer der Waffelfabrik Meyer zu Venne erläutert: „Mit den detaillierten Auswertungen können wir den Rohstoffeinsatz und den Produktionsprozess für jede einzelne Waffel erfassen und nachweisen – nicht aus errechneten Werten oder Vorgaben, sondern auf der Basis realer Produktionsdaten. Das hilft uns, die Qualität unserer Waffelprodukte detailliert zu dokumentieren und unseren Endkunden gegenüber nachzuweisen.“ Auch aus Gründen der gesetzlich geforderten Rückverfolgbarkeit müssen alle Daten revisionssicher gespeichert werden und auf Verlangen vorzeigbar sein. Vor der Einführung des Scada-Systems mussten dazu Ausdrucke umständlich verwaltet, archiviert und aus Ordnerbergen herausgesucht werden. Heute sind die benötigten Daten auf Knopfdruck verfügbar – in der Produktion und in der Verwaltung. Die Produktions- und Verbrauchsdaten werden ebenfalls an das Warenwirtschaftssystem der Waffelfabrik übergeben, in dem die Beschaffung und Verwaltung der Rohstoffe abgewickelt wird, sodass hier nochmal ein Abgleich zwischen Lagerhaltung und Produktion stattfindet.

Erweiter- und skalierbares Leitsystem

Ein weiterer wichtiger Punkt für die Entscheidung, WinCC als Leitsystem einzusetzen, ist dessen einfache Erweiterbarkeit und Skalierbarkeit. In den letzten Jahren konnte die Produktion der Waffelfabrik kontinuierlich gesteigert werden – fast jedes Jahr wurde eine neue Produktionslinie in Betrieb genommen oder eine bestehende modernisiert. Auf diese, sich ständig ändernden Umgebungsbedingungen reagieren zu können, war eine der Kernanforderungen. WinCC lässt sich leicht erweitern – es erlaubt Mengengerüste mit bis zu 256.000 Variablen. Im aktuellen Ausbauzustand kommt in der Waffelfabrik eine Lizenz mit 64.000 Datenpunkten (Variablen) zum Einsatz. Über eigene Bibliotheken lassen sich einmal erstellte Bildobjekte einfach in bestehende oder neue Projekte einbinden. Gerade für Systemintegratoren vereinfacht dies die Erweiterungen bestehender Anlagen, da Design und Farbgestaltung nicht nochmal diskutiert und abgestimmt werden müssen. Auch weitere Bedienstationen können jederzeit angebunden werden – bis zu 32 Clients je WinCC Server.

Einfache Systemintegration

Sowohl ältere, bestehende Anlagenteile, als auch neue Anlagen lassen sich einfach integrieren. Bei Hinzufügen eines weiteren Anlagenteils können dessen Bedienplätze einfach in das bestehende System eingebunden werden, z. B. als Industrie-PC, bei denen das Scada-Projekt lokal läuft und nur Daten mit dem Server synchronisiert werden. Eine andere Möglichkeit ist es, durch Thin Clients das komplette Projekt auf dem WinCC-Server abzulegen. In diesem Fall greift der Client nur über Remote Access auf den Server zu. Bei diesem Konzept ist clientseitig weniger leistungsfähige Hardware erforderlich. Auch die Umgebung hat einen großen Einfluss, sodass die gewählte Hardware teilweise besonders anspruchsvollen Umgebungsbedingungen gerecht werden muss, beispielweise bei einer Installation zur Hygiene und Reinigung mittels chemischer Substanzen.

Neben den Schnittstellen für Automatisierungsprodukte aus dem Siemens-TIA-Produktspektrum werden zahlreiche Fremdprodukte von WinCC unterstützt. Mit OPC verfügt WinCC über einen herstellerübergreifenden Standard, der im Automatisierungsumfeld weit verbreitet ist. „Die Scada-Software von Siemens ist ein Standardprodukt, trotzdem ist sie offen und kann jederzeit an unsere Anlagenkonzepte angepasst werden. Dies und die langfristige Verfügbarkeit der Software, bedeuten für mich als Systemintegrator und für meine Kunden Sicherheit bei der Planung und beim Betrieb einer Anlage“, sagt Josef Hellebusch.

Fazit  

Genauere Dosierung der Rohstoffe, Einhaltung des Produktionsprozesses und Nachweisbarkeit sind drei wesentliche Vorteile für die Waffelfabrik Meyer zu Venne, die sich mit der Einführung des Scada-Systems durch Hellebusch Elektrotechnik ergeben haben. Bei den riesigen Produktionsmengen der Waffelfabrik führen selbst minimale Rohstoffeinsparungen pro Charge zu signifikanten Einsparungen im Einkauf. Die Produktqualität wurde durch den automatisierten Produktionsprozess gesteigert und so z. B. Fehldosierungen verhindert. Die zentrale Speicherung der Produktionsdaten ermöglicht die Optimierung des Produktionsprozesses und das einfache Abrufen von Analysen als Qualitätsnachweis und zur Rückverfolgbarkeit. Ein weiterer Vorteil liegt in der Zukunftssicherheit: Simatic WinCC ist anpassbar und offen für Änderungen in den Produktionsabläufen, Modernisierungen und künftige Produktionserweiterungen.