Digitale Wägetechnik in der Lebensmittelindustrie

Digitale DMS-basierte Wägezellen sind robuster, langlebiger und günstiger als Wägezellen auf Basis elektromagnetischer Kraftkompensation und sorgen bei nahezu jedem Abfüllprozess in der Lebensmittelindustrie für mehr Produktivität.

Mit der Digitalisierung von Herstellungsprozessen kann Industrie 4.0 den Bereichen Lebensmittel und Verpackungen große Effizienz- und Produktivitätssteigerungen verschaffen. Besonders die digitale Wägetechnik bietet enormes Potenzial, um Füllmengen schnell und präzise zu ermitteln, was zu hohen Einsparungen bis zu mehreren Millionen Euro jährlich führen kann, wie das Beispiel eines Kokosmilchherstellers in Shanghai zeigt. Dabei lässt sich auch bisher analoge Wägetechnik einfach und sicher über eine Aufnehmerelektronik digitalisieren und auf einer einzigen Plattform einbinden.

FIT7
FIT7A – Digitale DMS-Wägezelle optimiert für den Checkweigher.

Unternehmen aus den Bereichen Lebensmittel und Verpackungen müssen gemäß EU-Fertigpackungs­richtlinie 76/211/EWG hohe gesetzliche Bestimmungen erfüllen. Die deutsche Fertigpackungsverordnung (§ 22 FPackV) enthält dazu klare Vorgaben: Im Mittel darf die angegebene Nennfüllmenge nicht unterschritten werden. Praktisch heißt das, dass die Hersteller natürlich immer überfüllen dürfen, weniger als die angegebene Menge einzufüllen ist aber kritisch. Beispiel Schokoladentafeln mit 100 g: Nur 2 % der Schokoladentafeln dürfen leichter als
95,5 g sein und keine leichter als 91 g. Konsequenz aus dieser strikten Verordnung ist, dass eine große Anzahl von Lebensmittelproduzenten mit teuren Überfüllungen arbeiten. Das kann vor allem bei hochwertigen Produkten wie beispielsweise Olivenöl, Eiscreme oder Kos­metika kumuliert zu hohen zusätzlichen Kosten führen. Zudem werden zu gering befüllte Produkte aussortiert, was ebenfalls mehr Aufwand, zusätzliche Prozesse und damit einhergehend weitere Kosten bedeutet. Diese Ungenauigkeiten lassen sich mit einer präziseren, zuverlässigen Wägetechnik schon beim Füllen und Dosieren, spätestens aber in den Checkweighern (Kontrollwaagen) am Ende der Produktionslinie vermeiden.

Industrie 4.0 fordert digitale Wägetechnik

Gerade für die Bereiche Lebensmittel und Verpackungen bietet Industrie 4.0 mit entsprechender digitaler Wägetechnik erhebliche Potenziale für Effizienz- und Produktivitätssteigerungen. Denn je exakter die Wägetechnik arbeitet, desto höher ist die Produktivität der Füllprozesse und desto geringer ist die Überfüllung. Die Wägezelle ist dabei eine entscheidende Komponente in leistungsstarken Verpackungsmaschinen. Sie ist das Herzstück der dynamischen Verwiege- und Verpackungsvorgänge.

Bislang setzten die Hersteller von Checkweighern dabei auf Wägezellen, die nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation (EMK) arbeiten. Sie punkteten bisher gegenüber Wägezellen, die auf der Dehnungsmessstreifen (DMS)-Technologie basieren, mit hoher Präzision. Gleichzeitig sind sie jedoch teuer, anfällig und sehr komplex in der Inbetriebnahme. HBM hat deshalb seine DMS-basierten Wägezellen kontinuierlich weiterentwickelt: Die neueste Generation wie die FIT7A gewährleistet Präzision und hohe Geschwindigkeit in der Verarbeitung von Messdaten sowie eine einfache Bedienung – verbunden mit einer deutlichen Kostenersparnis im Vergleich zu EMK-Wägezellen.

Die Wägezelle FIT7A wurde für das Checkweighing optimiert. Sie verfügt über eine sehr hohe Eigenresonanz, damit ist ihre Einschwingzeit sehr schnell. Zudem ist das Einlaufverhalten nach dem Einschalten vernachlässigbar und die Wägezelle liefert mit dem 24-Bit-A/D-Wandler und der HBM-typischen Trägerfrequenzmessung rauscharme und hochauflösende Messwerte. Dank der integrierten Filter und Verfahren zur Ermittlung der dynamischen Messwerte enthält sie alles, was für eine dynamische Verwiegung nötig ist – und kommt dabei ganz ohne zusätzliche SPS und Wägeelektronik aus. So kann ein Checkweigher mit der Wägezelle FIT7A beispielsweise eine Standardabweichung von nur 0,1 g bei 10 kg Nenngewicht erreichen. Je nach Checkweigherkonstruktion und Nenngewicht sind auch 100 bis 400 Messungen pro Minute realisierbar.

Hygienische digitale Wägezellen mit hoher Schutzart sind ideal für Wash-Down-Anwendungen.

Weitere Vorteile digitaler Wägezellen gegenüber den EMK-Wägezellen:

  • Mit ihrer mittlerweile ähnlich hohen Präzision steigern sie den Output und reduzieren Überfüllungen in Anwendungen, für die EMK-Wägezellen zu teuer sind
  • Interne Filter und Ein-/Ausgänge machen eine zusätzliche SPS obsolet
  • Das robuste Design führt zu weniger Ausfällen
  • Stecker ermöglichen einfachen und schnellen Austausch
  • Integrierter Überlastschutz gegen physische Kräfte, die die Wägezelle schädigen können
  • Hygienisch aufgrund glatter Edelstahlflächen
  • Aktive Temperaturkompensation, die weniger Temperaturdrift und ein vernachlässigbares Einlaufverhalten nach dem Einschalten ermöglicht

Gravimetrisches Füllprinzip im Vorteil

Digitale Wägezellen ermöglichen Lebensmittelproduzenten zudem den Einsatz des gravimetrischen Füllprinzips. Es führt im Gegensatz zum volumetrischen Ansatz (Durchflussmessung) oder dem Füllen nach Füllhöhe zu deutlich exakteren Füllergebnissen. Besonders wenn es auf eine hohe Genauigkeit ankommt oder wenn es sich um mikrobiologisch empfindliche Produkte handelt, überzeugt das gravimetrische Füllprinzip. Denn Volumentoleranzen des Behältnisses, unterschiedliche physikalische Eigenschaften des Produkts (Anteil von Stücken, Viskosität, Leitfähigkeit, Zahl der Gasbläschen) gehen nicht in das Füllergebnis ein. Das Füllen über Gewichtsermittlung bietet optimale hygienische Voraussetzungen und reduziert Fremdpartikel, weil der Sensor nicht mit dem Füllprodukt in Berührung kommt.

Eine digitale Plattform für alle Wägezellen

Um nun digitale, aber auch analoge Wägezellen nach dem gravimetrischen Füllprinzip möglichst optimal und bedienerfreundlich in die Maschinen und Prozesse zu integrieren, hat HBM die Software PanelX als digitale Plattform entwickelt. Über PanelX kann der Nutzer Wägesysteme wie Kontrollwaagen, Dosiersysteme und Mehrkopf-Kombinationswaagen schnell in Betrieb nehmen. Verschiedenste DMS-basierte Wägezellen lassen sich einfach über einheitliche Befehlssätze konfigurieren, was Aufwand, Kosten und Fehleranfälligkeit erheblich reduziert. Zudem ist mit PanelX und den digitalen Ein-/Ausgängen der Wägezellen und Wägeelektroniken keine SPS mehr notwendig. Soll dennoch eine solche Steuerung verwendet werden, können die PanelX-Befehlssätze auf die SPS übertragen werden.

Weitere Vorteile dieser digitalen Plattform sind die visuelle Darstellung der Mess- und Steuersignale sowie umfangreiche Auswertungsfunktionen beispielsweise zur Frequenzanalyse. Auch bei Wartung und Service sind die Analysefunktionen hilfreich, um im Fall einer Störung sogar Fehler zu finden, die nicht von der Wägezelle selbst hervorgerufen, jedoch in ihrem Messsignal sichtbar werden. In der Software bereits integriert sind umfassende Online-Hilfen via Webbrowser zu Funktionen, Schnittstellen und Befehlssätzen; die Oberfläche von PanelX ist intuitiv zu bedienen. Damit spart PanelX Zeit und Kosten. Gleichzeitig schöpft die Software das Optimierungspotenzial der wägetechnischen Anwendungen aus und erhöht damit ihre Gesamtperformance.

PanelX – Einheitliche Software für alle digitalen Wägezellen und Wägeelektroniken zur Konfiguration von Füllern, Dosieranlagen und Kontrollwaagen.

Analoge Wägezellen digitalisieren

Eine Wägezelle für höchste hygienische Ansprüche – die PW27 von HBM.
Digitale Wägeelektronik PAD – macht jeden analogen Aufnehmer zur smarten digitalen Wägezelle.

Die Anzahl der Wägezellen, die über PanelX konfiguriert und überwacht werden können, ist groß. Mit PanelX können für nahezu jede Anwendung passende digitale und analoge DMS-basierte Wägezellen konfiguriert und überwacht werden. Dazu gehört beispielsweise auch die analoge, nach der European Hygienic Engineering & Design Group (EHEDG) zertifizierte Wägezelle PW27. Sie ist speziell für den Einsatz in Wägesystemen für die Getränke-, Lebensmittel-, Pharma- und Bioindustrie konzipiert. Als hermetisch abgeschlossene Wägezelle (IP68/IP69K) aus lebensmittelverträglichem Edelstahl ist sie unempfindlich gegenüber den in der Nahrungsindustrie eingesetzten Reinigungsmethoden und so konstruiert, dass keine Waschmittelrückstände auf beziehungsweise in dem Messkörper verbleiben.

Um auch bei analogen Wägezellen die Vorteile der Digitalisierung zu nutzen, hat HBM die digitale Aufnehmerelektronik PAD entwickelt. Ihr Funktionsumfang ist nahezu identisch mit dem der digitalen Wägezellen FIT5A sowie FIT7A. PAD kann mit allen analogen Wägezellen verbunden werden. So lassen sich beispielsweise die hygienische Wägezelle PW25 oder die hermetisch versiegelte Hochlastwägezelle PW29 mit der PAD digitalisieren und anschließend mit PanelX konfigurieren. Ein kompaktes Edelstahlgehäuse schützt PAD gegen Flüssigkeiten und widrige Umgebungsbedingungen bis zur Schutzart IP68/IP69K. Mit einer Messwertauflösung für 2 mV/V von bis zu 5.120.000 Digits sowie einer kompletten Messsignalverarbeitung mit wählbaren oder automatischen Filtern arbeitet PAD auch bei Störungen durch Vibrationen präzise. Über die Schnittstellen RS485 und CANopen lässt sich die Aufnehmerelektronik komfortabel in verschiedene Systemumgebungen einbinden.

Analoge Wägezellen erhalten mit PAD und der damit möglichen Einbindung in die Plattform PanelX alle Vorteile der Digitalisierung. Somit können auch dynamische Abfüll- und Dosieranwendungen in rauen Umgebungen schnell visualisiert, analysiert und bei Bedarf sofort während des Prozesses nachreguliert werden. PAD ist der Plug&Play-Anschluss für analoge Kraftaufnehmer und Wägezellen an Industrie 4.0.

Digitalisierte Wägetechnik in der Praxis

Zwei Beispiele aus der Lebensmittelbranche in Frankreich und China zeigen, wie effizient und produktiv digitale Wägetechnik funktioniert und erhebliche Kosten spart.

Der chinesische Maschinenhersteller Best Crown bestückte für seinen Kunden Shanghai Dairy Milk einen Rotationsfüller für Kokosmilch mit der digitalen Wägezelle FIT5A. Über die deutlich gestiegene Präzision des gravimetrischen Füllens konnte die Sicherheits­überfüllung um einige Gramm pro Flasche reduziert werden. Bei einer Produktionsmenge von rund 100.000 Flaschen am Tag spart der Kokosmilchhersteller Shanghai Dairy Milk damit mehrere Millionen Euro im Jahr.

Der französische Dosierspezialist MCPI und der Experte für Nahrungsmittelmaschinen Jean Marc Dumont gründeten zusammen das Unternehmen Fine-Spect, um einen besonders leistungsfähigen Checkweigher zu entwickeln. Ausgestattet mit der DMS-basierten Wägezelle FIT7A erfüllt er die speziellen Bedingungen der Lebensmittelbranche, wie zum Beispiel komplett eingeschäumt oder per kräftigem Wasserstrahl gereinigt zu werden. Die FIT7A bietet mit ihrer Schutzart IP66 und den wasserdichten, hygienischen Steckern damit die optimalen Voraussetzungen.

Digitale Wägetechnik ist der Schlüssel zu mehr Produktivität

Unternehmen aus den Bereichen Lebensmittel und Verpackungen können von Industrie 4.0 und der damit einhergehenden Digitalisierung der Wägetechnik überproportional profitieren, wie Beispiele aus der Praxis zeigen. Digitale DMS-basierte Wägezellen sind in der Präzision inzwischen gleichwertig mit EMK-Wägezellen und dabei günstiger, robuster, leichter zu installieren sowie langlebiger.

Eine einheitliche, intuitiv bedienbare digitale Plattform vereinfacht nicht nur die Konfiguration der digitalen Wägezellen, sondern ermöglicht über eine Aufnehmer­elektronik auch die Digitalisierung von analogen Wägezellen, wie sie etwa für sensible hygienische Bereiche benötigt werden.

Damit kann digitale Wägetechnik für nahezu jede Anwendung in der Lebensmittelindustrie innerhalb oder am Ende des Abfüllprozesses zum Einsatz kommen und bei Bedarf den Füllprozess nachjustieren. Die digitale DMS-basierte Wägetechnik bietet gegenüber der EMK-Technik eine deutlich höhere Effizienz und Produktivität bei signifikant niedrigeren Kosten.

"Zeit, Aufwand und richtig Geld sparen"

Thomas Langer

So robust, hygienisch und präzise wie die digitale DMS-basierte Wägetechnik mittlerweile ist, ist sie nicht nur eine Alternative für EMK-Wägezellen, sondern ihnen in vielen Anwendungsfällen bereits deutlich voraus. Ganz klar: Mit digitaler DMS-basierter Wägetechnik sparen Unternehmen Zeit, Aufwand und richtig Geld.

Thomas Langer, Internationaler Produktmanager für Wägetechnik und OEM-Sensoren, HBM