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 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.

Digitalisierung der ­Wägetechnik

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. Sie ist das zentrale Element der dynamischen Verwiege- und Verpackungsvorgänge.

Die Wägezelle FIT7A erfüllt mit Schutzart IP66 und den wasserdichten, hygienischen Steckern die speziellen Bedingungen der Lebensmittelbranche – wie etwa komplett eingeschäumt oder per kräftigem Wasserstrahl gereinigt zu werden.

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Bislang setzten die Hersteller von Checkweighern dabei auf Wägezellen, die nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation (EMK) arbeiten. Sie punkteten bisher mit hoher Präzision gegenüber Wägezellen, die auf der Dehnungsmessstreifen-Technologie (DMS) basieren. Gleichzeitig sind sie jedoch teuer, anfällig und sehr komplex in der Inbetriebnahme. Daher hat die Firma HBM ihre DMS-basierten Wägezellen kontinuierlich weiterentwickelt: Die neueste Generation, wie etwa 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 von HBM wurde für das Checkweighing optimiert. Sie verfügt über eine hohe Eigenresonanzfrequenz, was zu einer schnellen Einschwingzeit führt. 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 alle Funktionen, die für eine dynamische Verwiegung nötig sind - und kommt dabei ganz ohne zusätzliche SPS und Wäge-Elektronik aus. So kann ein Checkweigher mit der Wägezelle FIT7A beispielsweise eine Standardabweichung von nur 0,1 g bei 1 kg Nenngewicht erreichen. Je nach Checkweigher-Konstruktion und Nenngewicht sind auch 100 bis 400 Messungen pro Minute realisierbar.

Digitale Wägezellen weisen gegenüber den EMK-Wägezellen weitere Vorteile auf:

- 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

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 Füll-Ergebnissen. 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 Füll-Ergebnis ein. Das Füllen über Gewichtsermittlung bietet optimale hygienische Voraussetzungen und reduziert Fremdpartikel, weil der Sensor nicht mit dem Füllprodukt in Berührung kommt.

Digitale Plattform als Basis

Um nun digitale, aber auch analoge Wägezellen nach dem gravimetrischen Füllprinzip möglichst optimal und bedienfreundlich in die Maschinen und Prozesse zu integrieren, hat HBM die Software PanelX als digitale Plattform entwickelt. Hierüber kann der Nutzer Wägesysteme wie Kontrollwaagen, Dosiersysteme und Mehrkopf-Kombinationswaagen schnell in Betrieb nehmen. Verschiedenste DMS-basierte Wägezellen lassen sich über einheit­liche Befehlssätze konfigurieren, was Aufwand, Kosten und Fehleranfälligkeit reduziert.

Digitale Wäge-Elektronik PAD – macht jeden analogen Auf­nehmer zur smarten digitalen Wägezelle.

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Zudem ist mit PanelX und den digitalen Ein-/Ausgängen der Wägezellen und Wäge-Elektroniken keine SPS mehr notwendig. Soll dennoch eine solche Steuerung verwendet werden, können die Befehlssätze der Plattform auf eine SPS übertragen werden. 

Weitere Vorteile dieser digitalen Plattform sind die visuelle Darstellung der Mess- und Steuersignale sowie 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. Zudem unterstützt die Plattform durch Analysetools bei Entwicklung, Planung, Konstruktion und Parametrierung von wägetechnischen Anwendungen. In der Software bereits integriert sind Online-Hilfen via Web-Browser zu Funktionen, Schnittstellen und Befehlssätzen; die Oberfläche 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.

Analoge Wägezellen ­digitalisieren

Die Bedienoberfläche der Software PanelX für alle digitalen Wägezellen und Wäge-­Elektroniken: Sie dient unter anderem zur Konfiguration von Füllern, Dosieranlagen und Kontrollwaagen.

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Um auch bei analogen Wägezellen die Vorteile der Digitalisierung zu nutzen, hat HBM die digitale Aufnehmer-Elek­tronik PAD entwickelt. Der Funktionsumfang ist nahezu identisch mit digitalen Wägezellen. PAD kann mit allen analogen Wägezellen verbunden werden, um diese zu digitalisieren und anschließend mit PanelX zu konfigurieren. Ein Edelstahlgehäuse schützt die Aufnehmer-Elektronik gegen Flüssigkeiten und widrige Umgebungsbedingungen bis zur Schutzart IP68/IP69K. Mit einer Messwert-Auflösung für 2 mV/V von bis zu 5.120.000 Digits sowie einer kompletten Messsignalverarbeitung mit wählbaren oder automatischen Filtern arbeitet PAD selbst bei Störungen durch Vibrationen präzise. Über die Schnittstellen RS485 und CANopen lässt sich die Aufnehmer-Elektronik 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 dynamische Abfüll- und Dosieranwendungen in rauen Umgebungen ebenso schnell visualisiert, analysiert und bei Bedarf sofort während des Prozesses nachreguliert werden. Diese Technologie ist der Plug&Play-Anschluss für analoge Kraftaufnehmer und Wägezellen an Industrie 4.0.

Wie digitale Wägetechnik in der ­Lebensmittelbranche funktionieren und erhebliche Kosten einsparen kann, zeigt der chinesische ­Maschinenhersteller Best Crown. Für seinen ­Kunden Shanghai Dairy Milk bestückte er einen Rotationsfüller für Kokosmilch mit der digitalen ­Wägezelle ­FIT5A von HBM.

Schlüssel zu mehr ­Produktivität

Über die 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.

Unternehmen aus den Bereichen ­Lebensmittel und Verpackungen können von der Digitalisierung der Wä­getechnik überproportional profitieren. Denn 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 Aufnehmer-Elektronik 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.

Autor: Thomas Langer ist Produktmanager bei Hottinger Baldwin Messtechnik.