Nahrungsmittel- und Getränkefertigung, Bild: Molex

Extreme Bedingungen können ein Grund dafür sein, dass Industrial Ethernet in der Nahrungsmittel- und Getränkefertigung nur zögerlich Einzug hält. Ein Verbindungssystem aus rostfreiem Stahl mit in Schutzart IP67 oder höher ausgelegten Komponenten kann den Umstieg für Hersteller sicherer gestalten. Bild: Molex

Fortschritte in der automatischen Prozesssteuerung und Robotik, Sensoren für eine automatisierte Qualitäts- und Sicherheitskontrolle und die Entwicklung von Bildverarbeitungssystemen weisen den Weg in eine nachhaltigere Nahrungsmittelindustrie. Es bleibt aber noch viel zu tun – in der Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie besteht ein großer Nachholbedarf bei den Vernetzungstechnologien auf Fertigungsebene.

Mehrere Faktoren haben dazu geführt, dass Hersteller und Verarbeiter in der Vergangenheit zurückhaltend waren, wenn es um eine Modernisierung ihrer Automatisierungssysteme ging. Viele haben mehr als 20 Jahre das gleiche Produkt verwendet und zögern den Upgrade so lange hinaus, bis die vorhandene Ausrüstung nicht mehr einsatzfähig ist. Der Wettbewerb in der Branche ist zwar hart, aber gleichzeitig leidet sie weniger stark an den Auswirkungen der weltweiten wirtschaftlichen Rezession als andere Bereiche. Die Motivation, etwas zu ändern, ist deshalb deutlich geringer. Außerdem stellen sich in der Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie ganz besondere Herausforderungen, die die Einführung neuer Systeme erschweren.

Zu diesen gehören etwa die Vermeidung einer Produktkontamination, die Gewährleistung der Sicherheit für Mitarbeiter und Verbraucher, Umgebungsbedingungen – die durch hohe Temperaturen, Feuchtigkeit, Nässe und Schwingungen gekennzeichnet sind – sowie raue Reinigungsverfahren, Abspritzen mit Wasser und die Einhaltung gesetzlicher Regelungen und Vorschriften. Die Notwendigkeit, die Effizienz der Betriebsabläufe und Betriebsergebnisse zu verbessern, macht jedoch den Einsatz moderner Vernetzungstechnologien in der Fertigung unumgänglich.

Vernetzung ist entscheidend

BradCommunications von Molex

Hersteller können einfach Platz im Schaltschrank sparen, wenn sie die Ethernet-Switche auf Geräte in der Produktionshalle verlagern.

Zentrale Elemente solcher Automatisierungssysteme sind Kabel, Steckverbinder und Kommunikationssysteme, die alle Komponenten miteinander verbinden. In Fertigungseinrichtungen wird eine Festverdrahtung bevorzugt, weil sie kostengünstig ist. Da dieses Verfahren aber sehr arbeitsaufwendig ist, muss das Verbindungssystem einfach zu installieren, zuverlässig und sicher sein.

Vorverdrahtete Verteilerkästen senken den Zeitaufwand und vermeiden eine fehlerhafte Verdrahtung bei Anwendungen mit vielen Ein- und Ausgangsverbindungen. In beiden Fällen ist eine robuste Bauweise wichtig, damit die Komponenten den in der Lebensmittel- und Getränkeproduktion gegebenen Umgebungsbedingungen standhalten können. Elektrische Kurzschlüsse aufgrund von eindringender Feuchtigkeit sind in diesem Bereich das häufigste Problem.

Ethernet und seine Vorteile

Gleichermaßen erfordern Kommunikationssysteme wie DeviceNet, Profibus oder Modbus gewisse Kabel, Stecker und Buchsen, die flexibel und zuverlässig sind sowie Signalintegrität in rauen Umgebungen garantieren. Bei DeviceNet handelt es sich um ein offenes, geräte-basiertes Vernetzungssystem zur Steuerung und zum Informationsaustausch für industrielle Geräte; während Profibus ein globales, standardisiertes, offenes Netzwerkkommunikationssystem ist und Modbus ein häufig verwendetes industrielles Kommunikationsprotokoll.

Ursprünglich wurde Ethernet für Büroumgebungen konzipiert. In neuerer Zeit hat es sich aber auch in der Fertigung durchgesetzt, weil immer mehr Unternehmen Daten in Echtzeit erfassen und an die übergeordneten Rechnersysteme des Unternehmens zurückmelden.

Besonders wichtig ist das in der Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie, da hier Produktionsprozesse kontinuierlich überwacht werden müssen, um Anlagenlaufzeiten zu maximieren und gesetzliche Vorschriften zu erfüllen. Für Unternehmen, die sich einen Wettbewerbsvorteil verschaffen wollen, bietet Industrial Ethernet aufgrund der Möglichkeit, Produktionsanlagen an das Fertigungsnetzwerk des Unternehmens anzuschließen, folgende Vorteile:

  • höhere Verfügbarkeit von Informationen durch unternehmensweiten Zugriff auf Daten
  • schnelleren Informationsfluss durch höhere Datenübertragungsgeschwindigkeiten
  • Kostensenkungen durch höhere Energieeffizienz und besseres Ressourcenmanagement
  • Senkung von Ausfallzeiten durch höhere Leistungsfähigkeit der Anlagen
  • verbesserte Anlagenperformance durch koordinierte Überwachung und Steuerung.

Die führenden Industrial-Ethernet-Lösungen sind EtherNet/IP, ein System, das in der Fabrikautomation, Prozesssteuerung und Robotik eingesetzt und von der ODVA (Open Device Vendor Association) verwaltet wird. Profinet, ein offenes Industrial-Ethernet-Protokoll für komplexe Fertigungs- und Automationsanwendungen, und Modbus TCP/IP, eine Erweiterung des verbreiteten Modbus-Protokolls, das in der industriellen Fertigung häufig zum Einsatz kommt.

In allen Fällen muss die zugrunde liegende Infrastruktur, also Kabel, Kabelsätze, Schalter, Protokoll-Stacks, Schnittstellenkarten sowie E/A-Module, extrem robust sein, damit ein erfolgreiches Industrial-Ethernet-Netzwerk erstellt werden kann. Die Verlagerung aus dem Schaltschrank in die Fertigung bedeutet, dass diese kritischen Komponenten extrem rauen Umgebungsbedingungen ausgesetzt werden, für die in einer Büroumgebung eingesetzte Produkte ungeeignet sind.

Richtiges Material für raue Umgebungen

Industrial-Ethernet Ultra-Lock von Molex

Mit der Push-to-Lock-Technologie bieten Steckverbinder eine sichere Verbindung mit Schraubgewinde. Die mechanische Verriegelung verhindert Signal-Aussetzer auch unter den rauesten Umgebungsbedingungen.

Die in der Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie vorherrschenden extremen Bedingungen war einer der wesentlichen Gründe dafür, dass sich Ethernet außerhalb der Büroumgebung in der Nahrungsmittel- und Getränkeproduktion nur sehr zögerlich durchgesetzt hat.

Eines der größten Probleme war die Reinigung durch Abspritzen, die generell Verunreinigungen im Produkt verhindern. Extrem hohe Wassertemperaturen, ätzende Reinigungsmittel und Desinfektionsmittel können dabei zu erheblichen Schäden an der empfindlichen Elektronik führen.

Ein weiteres Problem ist die Gefahr von Rost und Korrosion, die zu einer Störung des Fertigungsprozesses oder Verunreinigung des Produkts führen können. Darüber hinaus können extreme Temperaturen, Feuchtigkeit und Schwingungen auch die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit der Kommunikationsinfrastruktur beeinträchtigen.

Durch Auswahl der richtigen Produkte kann der Umstieg auf Industrial Ethernet für Nahrungsmittel- und Getränkehersteller sicherer gestaltet werden. Die folgenden Merkmale sollten bei der Auswahl der verschiedenen Komponenten unbedingt berücksichtigt werden:

  • Schutzart (IP): Die IP-Schutzart ist eine international gebräuchliche Klassifizierung, bei der die erste Ziffer den Schutz gegen das Eindringen von Festkörpern (wie etwa Staubpartikel) und die zweite Ziffer den Schutz vor Flüssigkeiten klassifiziert. In vielen Bereichen der Nahrungsmittel- oder Getränkeproduktion ist die Schutzart IP67 ausreichend, die besagt, dass das Produkt staubdicht und gegen kurzzeitiges Eintauchen in Wasser geschützt ist. Die Schutzart IP69K, die einen Schutz vor dem Eindringen von Staub und vor Wasser mit hoher Temperatur und hohem Druck beinhaltet, ist jedoch in Umgebungen ratsam, in denen die Ausrüstung hygienisch gereinigt werden muss.
  • Herstellung aus rostfreiem Stahl: Ein Verbindungssystem aus rostfreiem Stahl der Sorte 316 mit glatter Oberfläche trägt zur Vermeidung von Bakterienwachstum bei, indem es die Flächen, an denen sich Verunreinigungen ansammeln können, reduziert und es ist widerstandsfähig gegenüber aggressiven Chemikalien und hohen Wassertemperaturen, ohne zu rosten. Robuste Umspritzungen und Kabelmäntel, die auch extreme Temperaturen aushalten, bieten Schutz.
  • Push-to-Lock-Technologie: Steckverbinder, die eine mechanische Verriegelung aufweisen, bieten eine sicherere Verbindung als Kabelkonfektionen mit Schraubgewinde. Diese integrierte Zuverlässigkeit vermeidet durch den Stecker verursachte Aussetzer des Signals auch unter den rauesten Umgebungsbedingungen. Dadurch werden Ausfallzeiten vermieden und die Produktivität steigt.
  • Montage auf DIN-Schiene/Maschinenmontage: Durch die Verlagerung der Ethernet-Switche auf die Geräte in der Produktionshalle können Hersteller Platz im Schaltschrank sparen, Verkabelungskosten senken und die Installation vereinfachen. Robuste Gehäuse bieten Schutz vor Wasser und Temperaturschwankungen und sind daher für raue industrielle Anwendungen optimal.

Mithilfe einer gut durchdachten Strategie für den Umstieg auf Industrial Ethernet können Unternehmen in der Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie noch funktionsfähige Systeme beibehalten und gleichzeitig die Vorzüge innovativer Anwendungen nutzen, die ein künftiges Wachstum des Unternehmens unterstützen.