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Prozesse dezentral steuern

Bild 1. Die Anlage bei Novartis

Bild 2. Mit einer flexiblen dezentralen Prozesssteuerung lassen sich Prozessschritte automatisieren und gleichzeitig manuelle Aufwände für die regulatorischen Anforderungen reduzieren

Bild 3. „Der Einsatz einer dezentralen Prozesssteuerung mit dem IPC am Wago-I/O-System ist kostengünstig, skalierbar und besonders flexibel“, berichtet Jürgen Sütterle, Geschäftsführer der pac GmbH, aus dem Projekt bei Novartis.

Bild 4. Aufbau der Automatisierung-sarchitektur

Ein zentrales Prozessleitsystem ist für viele Unternehmen zu unflexibel oder zu teuer. Hier setzt das Ingenieurbüro für Prozessautomation/-Control, die Pac GmbH, mit Steuerungen von Wago an. In einem Projekt der Biotechnologie bei Novartis musste sich ein dezentrales System als Steuerung von Prozessanlagen in Verbindung mit einer zentralen Überwachung bewähren.

Novartis betreibt im Bereich Biotechnologie viele Mehrzweck-Anlagen, die nicht auf die Massenproduktion mit festen Produktionsabläufen ausgerichtet sind. Produktion und Abläufe ändern sich regelmäßig, deshalb ist ein zentrales Prozessleitsystem zu unflexibel.
Gemäß den Anforderungen von ERES (Electronic Records – Electronic Signatures) bzw. FDA (Food and Drug Administration), 21CFR Part11 müssen Daten und Benutzereingriffe wie Einstellungen und Parametrierungen allerdings während der Produktion erfasst und geschützt abgelegt werden. Diese Protokollierung war bisher mit hohem manuellen Aufwand verbunden.
Die Anforderung von Novartis richtete sich daher an eine flexible, dezentrale Prozesssteuerung, um die Prozessschritte zu automatisieren und gleichzeitig die manuellen Aufwände für die Protokollierung reduzieren zu können. Mit der Prozesssteuerung sollte die manuelle Bedienung von in sich abgeschlossenen Grundfunktionen (z. B. Befüllen, Rühren, Transfers) teilautomatisiert und außerdem automatisierte, feste Funktionen wie Reinigungsabläufe (Cleaning in Place, CIP) gelenkt werden.

Autarke Automatisierungslösung
Als Alternative zu einem zentralen Prozessleitsystem entschied sich Novartis für die Einrichtung dezentraler Prozesscontroller durch die Pac GmbH mit der Technik von Wago. Industrie-PC steuern die einzelnen Anlagen (Bild 1 und 2). Die Bedienpanels befinden sich vor Ort. Die Steuerungen sind per Ethernet vernetzt. An den IPC lassen sich die zu erfassenden Sensoren und Aktoren über IO-Klemmen aufschalten. Darüber hinaus steuert der IPC die Festo-Ventilinseln über Profibus an. Ein zentraler Protokollserver erfasst die Prozessdaten und protokolliert sämtliche Alarme, Störungen und Benutzereingaben gemäß 21CFR Part11.
„Der Wago-IPC ist durch drei besondere Eigenschaften für den Einsatz als dezentrale Prozesssteuerung prädestiniert“, erläutert Jürgen Sütterle, Geschäftsführer der Pac GmbH. Aus seiner Sicht könnte der IPC auch IO-PC heißen, weil er auf 24-V-Ebene auf der Hutschiene montierbar ist und IO-Module direkt angereiht werden können. „Zweitens verfügt er über die Eigenschaften einer klassischen speicherprogrammierbaren Steuerung: robust, klein und wie eine SPS gemäß IEC 61131-3 programmierbar. Schließlich integriert er als IPC die offenen Standards der PC-Welt.“ (Bild 3)

Flexible und modulare Steuerung
„In der Prozessautomation benötigen wir oft eine Alternative zu großen und komplexen Steuerungen. Diese einfach anwendbare SPS muss aber trotzdem den höchsten Qualitätsansprüchen gerecht werden. Hier hat sich das Wago-System positioniert und in der Praxis bewährt. Es verwendet Standard-Hardware, Standardprotokolle sowie Standard-Interface. Dadurch können wir unterschiedliche Lieferanten für die Peripherie wählen. Wenn mal eine Klemme ausfällt, müssen wir nur diese ersetzen und nicht die gesamte Baugruppe. Auch die Programmierung über Standardtools wie Codesys oder MS-SQL-Server macht die Lösung deutlich kostengünstiger“, ergänzt der Geschäftsführer des Ingenieurbüros. Er schätzt besonders die Flexibilität bei der Einbindung von Sensor- und Aktorsignalen. Weil das IO-System bereits seit Jahren sehr erfolgreich in der Automatisierungstechnik eingesetzt wird, stehen durch die vielfältigen industriellen Anforderungen über 400 verschiedene IO-Module für die unterschiedlichen analogen oder digitalen Ein- und Ausgänge zur Verfügung. Die Module sind in vielen Fällen nur 12 mm breit und je nach Bedarf hinzuzufügen (Bild 4).

Praxisgerechte dezentrale Lösung
Die dezentrale Prozesssteuerung hat sich bei Novartis bewährt. In einer Aufbereitungsanlage zur Extraktion eines Wirkstoffs werden in einer Apparategruppe zunächst unterschiedliche Medien angemischt und in einem weiteren Prozess in einer zweiten Apparategruppe zwischengelagert und konditioniert. Die Steuerung sorgt dabei über eine Ringleitung für die prozessgerechte Zuführung der gemeinsamen Ressourcen, wie Reinigungsmittel, Reindampf und Reinstwasser, und übernimmt Koordinationsaufgaben, wie die Abfüllung in mobile Behälter, den Transfer zwischen den Apparategruppen und die Steuerung von Ventilen. Die Produktionsdaten werden zentral gespeichert und ausgewertet. Über im Gebäude verteilte View-Stationen haben auch die Anlagenfahrer Zugriff auf aktuelle und historische Prozessdaten, mobile Abrufstationen über WLAN sind geplant. Als hilfreich für die Einbindung von Apparategruppen unterschiedlicher Lieferanten hat sich die standardisierte Schnittstelle des Protokolliersystems erwiesen. Über eine Profibus-Kopplung lässt sich zum Beispiel auch eine Siemens-Steuerung anbinden.

Der autarke Lösungsansatz ermöglichte außerdem, mehrere Apparategruppen zeitgleich in Betrieb zu nehmen. Da jede Apparategruppe über eine eigene Stromversorgung, Steuerung und Bedienung verfügt, gefährdet der Ausfall einer Komponente nicht die gesamte Produktion.
Mit dem dezentralen Ansatz ließen sich auch die Herausforderungen wechselnder Anlageneinsätze und sich ändernder Abläufe gut lösen. „Die Anlagensteuerung ist durch den modularen Aufbau kostengünstig und funktionell. Steuerungsfunktionen wie „Rühren“ sind in Grundfunktionen gemäß Namur-Empfehlungen aufgeteilt und lassen sich an anderer Stelle wiederverwenden. Durch diesen Kopiereffekt konnten wir den Testaufwand insgesamt und die Tests der einzelnen Module reduzieren“, berichtet J. Sütterle. Aus Sicht des Automatisierungsingenieurs habe das einfache und einheitliche Bedienkonzept auch an unterschiedlichen Apparategruppen wesentlich zur Akzeptanz durch die Mitarbeiter beigetragen. Dadurch wurde der Schulungsaufwand minimal gehalten.
„Der Einsatz einer dezentralen Prozesssteuerung mit dem IPC ist kostengünstig, skalierbar und besonders flexibel. In der Praxis hat sich der kompetente und schnelle Support als positiv erwiesen. Zu unserer Überraschung konnten wir immer direkt mit einem Experten sprechen und eine schnelle und kompetente Antwort erhalten“, fasst der Pac-Geschäftsführer seine Erfahrungen zusammen.

Produktionsdaten gemäß FDA 21CFRPart11
Gemäß den Anforderungen von ERES (Electronic Records – Electronic Signatures) bzw. FDA (Food and Drug Administration), 21CFR Part11 müssen die Daten und Benutzereingriffe aus der pharmazeutischen Produktion wie Einstellungen und Parametrierungen erfasst und vor unerlaubtem Zugriff geschützt abgelegt werden.
Ein zentraler Protokollserver (pacBPS) erfasst die Prozessdaten und protokolliert sämtliche Alarme, Störungen und Benutzereingaben der Apparategruppen (alle Ereignisse, Benutzerlogins, Alarme, Bedieneingriffe und Abläufe, Trendaufzeichnungen qualitäts- und prozessrelevanter Istwerte). Auch die Benutzerverwaltung der Apparategruppen ist zentralisiert. Der zentrale Protokollserver basiert auf einem Standard-Client-/Server-Visualisierungssystem (Inosoft VisiwinNET) und legt die Ereignisse in einer SQL-Datenbank ab. Es lassen sich beliebig viele View-Stationen anschließen.

Gebäudestörmeldesystem
Das” Wago-I/O-System”:http://www.wago.de/catalogue/catalogue.do?favOid=0000001e00027cc500010023&act=showIO&lang=de wurde ursprünglich für die Factory-Automation z. B. als zuverlässiges Störmeldesystem von Produktionsanlagen entwickelt. Inzwischen hat es sich als universelles und skalierbares Automatisierungssystem auch in anderen Einsatzbereichen bewährt. Auf Basis des Wago-IPC (758-870) und des Wago-Controllers (750-841) entwickelte die Pac GmbH ein Gebäudestörmeldesystem zur Benachrichtigung, Protokollierung und Behandlung (Workflow) von Störungen und ein Überwachungs- und Protokolliersystem für Infrastrukturanlagen (Lagerräume, Erzeuger Reinstdampf, Reinwasser, Kühlschränke). Beide Systeme werden bei Novartis unter GMP-Bedingungen (Good Manufacturing Practice) erfolgreich eingesetzt. Die Behandlung und Protokollierung von Alarmen sind per Workflow (nach FDA) hinterlegt.

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Autor: Martin Ortgies ist Fachjournalist für Technik-Themen in Königslutter.