Sensoren spielen als Quelle zahlreicher Informationen eine wichtige Rolle bei der Umsetzung von Industrie 4.0. Für die Smart Foodfactory, die aktuell an der Technischen Hochschule Ostwestfalen-Lippe (TH OWL) entsteht, sollen alle für den Bereich Industrie 4.0 relevanten Technologien im Bereich der Lebensmittelproduktion erprobt werden. Hierzu zählen neben anderen auch OPC-UA und IO-Link.

Die Digitalisierung eröffnet Unternehmen der Lebensmittelindustrie zahlreiche neue Möglichkeiten. Diese reichen von der verbesserten Erfassung und Analyse der Rohstoffqualitäten über optimierte Produktionstechnologien und individualisierte Lebensmittel bis hin zu einer durchgehenden Information des Verbrauchers. Die TH OWL schafft am Standort Lemgo mit der Smart Foodfactory eine Forschungsplattform, an der zwei Institute der Hochschule zusammenarbeiten: Das „Institut für Lebensmitteltechnologie.NRW“ und das „Institut für industrielle Informationstechnik“. Gefördert wird die Smart Foodfactory durch die Europäische Union. Ausgangspunkt für Kooperationen und Basis für bereits laufende Forschungsprojekte ist unter anderem das Forschungs- und Firmennetzwerk „Smartfoodtechnology OWL“, eine vom BMBF und dem Land NRW geförderte Partnerschaftsinitiative mit über 50 Unternehmen aus der Region Ostwestfalen-Lippe.

Die Zukunft der Lebensmittelproduktion
In der Smart Foodfactory wird eine Technikumshalle mit einer Gesamtfläche von rund 600 m² eingerichtet werden, die gesamte Einrichtung fasst etwa 1.600 m². Platz findet die Smart Foodfactory auf dem gerade entstehenden Innovation Campus in Lemgo, wo Firmen und Forschung auf Augenhöhe zusammenkommen. Den Initiatoren ist ein interdisziplinärer Ansatz wichtig, da nur so Lebensmitteltechnologie und die neuesten Entwicklung im Bereich der Automatisierung zusammengebracht werden können. „Wir schaffen hier die Möglichkeit, die Lebensmittelproduktion mit den neuesten informationstechnologischen Fortschritten weiter zu entwickeln“, erläutert Professor Dr. Stefan Witte, Vizepräsident für Forschung und Transfer, das Konzept: „Und die Bedingungen sollen dabei so nah wie möglich an der realen Umgebung eines Betriebs der Lebensmittelindustrie sein.“ Machine Learning, Künstliche Intelligenz, Big Data und das Internet der Dinge bilden die Grundlagen für die Innovationen. Das Ziel sind schonendere Produktionsmethoden, Echtzeitqualitätssicherung, die Optimierung etablierter Prozesse zur Verringerung von Ressourcenverbrauch sowie die Herstellung von individualisierten Lebensmitteln. Es sind schon zahlreiche interdisziplinäre Forschungsideen vorhanden, die in den Bereichen Lebensmittelsicherheit, Verpackung, Logistik, Prozessanalyse, Re- und Upcycling sowie Sensorik durchgeführt werden sollen.

Neben der Technikumshalle wird die Smart Foodfactory auch Projekträume bereitstellen, in denen Industriepartner forschen können. Werkstätten und Laboratorien werden Ausstattung und Know-how zur wissenschaftlich-technischen Unterstützung der Projekteliefern. Seminar-, Schulungs- und Begegnungsflächen, die den kreativen Austausch der Forscher fördern sollen, runden das Angebot ab.

Sensorvernetzung als Schlüssel für Industrie 4.0
Die Integration einer flexiblen IT-Infrastruktur in Prozesse der Lebensmittelindustrie bildet die Forschungsgrundlage einer Lebensmittelindustrie 4.0. Wichtig ist dabei, Sensordaten und Maschinendaten aus verschiedenen Quellen zusammenzubringen und bis in die Cloud zur Verfügung zu stellen. Technologien wie IO-Link auf Sensor-Aktor-Ebene oder auch OPC-UA auf Maschinenebene spielen bei der einfachen und flexiblen Vernetzung eine entscheidende Rolle. Nur wenn Sensordaten und Maschinendaten für alle übergelagerten Systeme zur Verfügung stehen, lassen sich die Konzepte von Industrie 4.0 optimal umsetzen. Sensoren bilden in einem cyber-physikalischen System die entscheidende Schnittstelle zum Produkt und sind daher unverzichtbar. Relevante Messgrößen sind physikalische Parameter, wie Druck, Temperatur, Füllstand usw. Darüber hinaus wird die Nutzung von hochdatenintensiver Messtechnik wie inline Spektrometer oder künstlicher Zungen/Nasen immer wichtiger.
Im Rahmen eines an der TH OWL laufenden Forschungsprojektes im Bereich der Lebensmittelproduktion 4.0 ist bereits eine Demonstrationsanlage für die SFF entstanden. Hierbei konnte die Firma Ifm die Forschungsarbeit durch die Bereitstellung von IO-Link-Sensoren unterstützen.

Vorteile digitaler Sensortechnik
Schon bei der Kommunikation zwischen Sensor und Steuerung bietet die digitale Kommunika­tion zahlreiche Vorteile. So können Messwerte im Vergleich zu der analogen Übertragung durch Störungen auf der Messleitung nicht verfälscht werden. Eine spezielle Abschirmung der Messleitung, um Störungen zu verhindern, wird dadurch unnötig. Da IO-Link mehr als eine Kommunikation in einer Richtung – vom Sensor zur Steuerung – zulässt, ergeben sich weitere Vorteile: Konfigurationen oder Parametrierungen lassen sich sehr einfach vom IO-Link-Master auf den einzelnen Sensor übertragen. Muss ein Sensor einmal ausgetauscht werden, kann das umständliche Parametrieren direkt am Sensor entfallen. Die gespeicherte Parametrierung des alten Sensors wird einfach auf den neuen übertragen; die Produktion kann nach einer kurzen Unterbrechung weiterlaufen. Gerade bei Anwendungen, in denen der Einbauort des Sensors nur umständlich zu erreichen ist, bietet diese Vorgehensweise eine große Erleichterung. Auch Diagnosedaten der Sensoren lassen sich über IO-Link übertragen. Sollte ein Sensor eine Störung aufweisen, ist er so schnell zu identifizieren. Ein Drahtbruch oder ein Kurzschluss werden sofort erkannt und an den IO-Link-Master gemeldet. Der Aufwand für Wartung und Reparatur kann dadurch in vielen Fällen deutlich verringert werden.

Viele Forschungsprojekte warten auf Umsetzung
Die Smart Foodfactory ist aktuell noch in der Planungsphase. Zahlreiche Forschungsprojekte befinden sich bereits in einer intensiven Vorbereitung. „Die Ideen sind sehr vielfältig und reichen von einem kontinuierlichen Brauprozess für Bier über eine flexible Backlinie bis hin zu Lösungen für die smarte Desinfektion“, berichtet Prof. Dr. Stefan Witte. Als internationales Kompetenzzentrum sollen ab 2022 unter dem Motto „Where Food meets IT“ gemeinsam mit Partnerunternehmen neue Technologien, Produkte und Produktionsprozesse in der SFF erforscht, erprobt und evaluiert werden. Alle angestrebten Innovationen zielen auf die grundlegende Verbesserung von Qualität und Sicherheit der Lebensmittel, auf Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit der Produktionsprozesse, sowie auf Verbraucherkomfort und -information durch Digitalisierung und Industrie 4.0.