Use Case

Höhere Bierqualität durch Brauprozess mit Ultraschallsensoren, KI- und Cloud-Lösung

Ultraschallsensoren, die die Stoffausbreitung in Medien, wie z. B. Bierflaschen, kontaktlos und in Echtzeit erfassen, innovieren und revolutionieren den Bierbrauprozess. In Kombination mit einer IoT- und Cloud-Lösung wird die Effizienz der Prozesse angehoben und so eine höhere Bier- und Hygienequalität erreicht. SONEM – Sensorhersteller in der Prozessindustrie – setzt dabei auf Azure IoT Edge von Microsoft.

Die Herausforderung: Lokale und manuelle Prozesse benötigen viel Zeit und Energie

Das Optimum an Sicherheit, Ökonomie und Ökologie zu erzielen, stellt Bierbrauereien immer wieder vor neue Herausforderungen. Um beispielsweise eine gleichbleibend hohe Qualität ihrer Biere zu gewährleisten, gehen viele Brauereien auf Nummer sicher: Sie geben ihren Bieren in verschiedenen Prozessschritten zusätzliche Entwicklungszeit. Das führt zu längeren Durchlaufzeiten und höheren Energieverbräuchen. Im Umkehrschluss bedeutet das zu viel Co2-Emission pro Produkt bzw. Biereinheit. Vielen Brauereien mangelt es daher prozessbedingt an Energieeffizienz – ein Umstand, der neue, zukunftsorientierte Lösungen fordert. Auch die die Langlebigkeit der Brauereien verlangt mehr denn je nach technischen Konzepten, die zukunftssicher und flexibel an Veränderungen und neue Herausforderungen angepasst werden können. Getrieben werden die Brauereien auch von wachsenden Produktpaletten und immer individuelleren Kundenwünschen, wie kleineren Behältern oder schnelleren Lieferzeiten. Viele Prozessschritte, die diesen Individualanforderungen gerecht werden sollen, werden heutzutage noch manuell erledigt, was zu Lasten der angestrebten Parameter „Ökonomie“ und „Sicherheit“ fällt. Denn auch die funktionale Sicherheit beim Betrieb von Hochgeschwindigkeitsmaschinen und -anlagen ist ein relevantes Thema und hat höchste Priorität auf der Steuerungs- und Feldebene der Brauereien.

 

Wie so häufig liegt die Lösung in den Daten sowie neuer Technologien und IT-Funktionen. Zunächst geht es um den tatsächlichen Gewinn der Daten. Diese im Anschluss mithilfe vernetzter Produktionssysteme zu veredeln und von der Feldebene in die Cloud zu bringen, ist der Schlüssel, um das Spannungsfeld aus Sicherheit, Ökonomie und Ökologie erfolgreich ins Gleichgewicht zu bringen: 

 

  • Mehr Transparenz und Informationsgewinn zur effizienten Ableitung autonomer oder manueller Entscheidungen 
  • Optimierung der gesteuerten Produktion – insbesondere im Hinblick auf die Reduzierung des ökologischen Fußabdrucks sowie Ressourcenschonung in Energie- und Stoffströmen 
  • Sicherheit für Mitarbeiter an den Maschinen durch Monitoring und Automatisierung 

Die Lösung: Automatisierung und vernetzte Technik mit smarter Ultraschallsensorik

SONEM entwickelt und baut ultraschallbasierte Sensorik für die Prozessindustrie, die die intelligente Vernetzung und Digitalisierung von Prozessen in der Produktionsumgebung möglich macht. Die Besonderheit der Lösung: Die Technologie basiert auf der stoffcharakteristischen Ausbreitung des Ultraschallsignals im jeweiligen Medium – in diesem Use Case von Bierflaschen. In Kooperation mit einer mittelständischen deutschen Brauerei wurde die Lösung erprobt und im Brauprozess mehrere Ultraschallsensoren installiert und über Ethernet an IPCs angeschlossen. Der sogenannte SONEM Liquid Analyzer erfasst und verarbeitet die Daten der Stoffausbreitung, die mittels eines KI-basierten Auswertealgorithmus‘ im Anschluss ausgewertet werden. Mithilfe einer cloudbasierten Plattformlösung auf der Datenanalysten gemeinsam mit Prozesstechnikern arbeiten können, wird das Machine-Learning-Modell der Auswertungssoftware kontinuierlich trainiert und intelligenter gemacht. Smarte Sensoren sind ebenfalls wichtige ergänzende Datenquellen für künstliche Intelligenz.

 

Doch so sah die Lösung nicht von Beginn an aus. Die gesammelten Sensorikdaten und Analyseergebnisse sind anfangs lokal abgespeichert worden. Außerdem war ein händischer Datentransfer über eine mobile Workstation notwendig. Die Lösung innerhalb der Lösung: ein einfacheres Datenmanagement mit regelmäßigen Modellupdates und einer Zustandsüberwachung der gesamten Sensorik. Für diesen Entwicklungsschritt wurden zwei langjährige offizielle Microsoft-Partner ins Boot geholt, und mit dem Industrial IoT-Experten, der AIT GmbH, und die MOXA Europe GmbH, einem Spezialisten für industrielle Kommunikationsgeräte, Ende 2019 eine Case Study gestartet.  

 

Primäre Fragestellung der Case Study: Wie lassen sich mithilfe des Smart Edge Baukastens von AIT auf Basis von Azure IoT Edge (Microsoft) und der passenden Hardware der MOXA Europe die erfassten Daten auf der Edge-Seite vorverarbeiten und in der Cloud detailliert analysieren und visualisieren? 

 

Eine Ebene technischer funktioniert das Zusammenspiel der Partner wie folgt:  

 

  1. SONEM: Der Sensor verfügt über einen Microcontroller zur Datenerfassung. Die Daten werden an ein IoT-Gateway übertragen, in dem sie aggregiert, analysiert und anderweitig aufbereitet werden können – und das bereits vor der Übertragung in die Cloud.
  2. AIT: Mittels des AIT-Baukastens werden die erfassten Daten an die Cloud gesendet.
  3. MOXA Europe: stellt die Hardware, die die Sensoren mit der Cloud verbindet, bereit.
  4. Microsofts Azure Cloud: ermöglicht SONEM die Daten von allen Sensoren abzurufen und weiterzuverarbeiten.

Darüber hinaus können die Ergebnisse mithilfe der sogenannten IoT Central für den Endkunden visualisiert werden. Der Smart Edge Baukasten von AIT stellt nicht nur die Basisinfrastruktur zum Erfassen und Weiterleiten aller Daten bereit, auch alle Auswertungsmodelle können mithilfe der Cloud verwaltet, verteilt und konfiguriert werden. Zusätzlich kann die Verwaltung und Wartung des Gateways durch die Integration des Edge-Moduls von MOXA erfolgen. 

Das Ergebnis: Plattformlösung mit optimierten und skalierbaren Prozessen für den Anwender

Die SONEM-Ultraschallsensoren helfen mittelständischen und großen Brauereien ihren Brauprozess effizienter zu gestalten und sind klassischer, bildgebender Ultraschalltechnik überlegen. Die autarken Sensoren sammeln über das Industrial Internet of Things (IIoT) während des gesamten Produktionsprozesses kontinuierlich relevante Daten ein. Anhand verschiedener Ultraschalleigenschaften und im Abgleich mit einer Referenzmessung kann die Qualität eines Mediums erfasst sowie überwacht, und die Bierqualität sichergestellt werden. Das Ganze erfolgt kontaktlos und in Echtzeit. Das kontaktlose Messverfahren stellt dabei vor allem für hygienisch sensible Produktionsprozesse wie den Brauprozess einen echten Vorteil und Mehrwert dar. Anhand der neu gewonnenen Daten können Optimierungspotentiale im Brauprozess außerdem erkannt und ausgebaut werden. 

 

Einen elementaren Beitrag an diesem Ergebnis hat der AIT Smart Edge Baukasten auf Basis von Azure IoT Edge. Dank Microsoft und der Verwaltung von Software und Geräten aus der Cloud kann die Datensicherheit jederzeit gewährleistet sowie eine hohe Skalierbarkeit erreicht werden. Außerdem ermöglicht die Lösung durch das Abrufen aller Sensordaten die Optimierung verschiedener Modelle, die wiederum lokal beim Kunden zum Einsatz kommen kann. Die MOXA-Hardware bietet zudem weitere Vorteile gegenüber alten Industrie-PCs: Sie ist kostengünstiger, kleiner und temperaturbeständiger

 

Die Case Study und die starke Zusammenarbeit mit den Partnern AIT, MOXA und Microsoft Azure hat für SONEM dazu geführt, das Ziel einer Plattformlösung schneller zu erreichen. Und die Lösung ist übertragbar: SONEM plant, die Technik zukünftig in weiteren Branchen der Prozessindustrie mit ähnlichen Bedarfen auszurollen. 

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SONEM ist ein Hersteller ultraschallbasierter Sensorik für die Prozessindustrie. Anders als klassische, bildgebende Ultraschalltechnik beruht die SONEM-Technologie auf der stoffcharakteristischen Ausbreitung des Ultraschallsignals im jeweiligen Medium. Dies ermöglicht die smarte Vernetzung und Digitalisierung von Prozessen in der Produktionsumgebung.

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