PC-alapú vezérlés a folyadékgyártásban
Teljes mértékben integrált folyamat- és épületautomatizálás
2023. január 19., csütörtök, 06:00
Címkék: Beckhoff Automation EtherCAT folyamat folyamatirányítás folyamatvezérlés gyógyszer gyógyszergyártás gyógyszeripar HMI ipari PC TwinCAT
Az Engelhard Arzneimittel a vény nélkül kapható gyógyszerek egyik vezető gyártója. Közismert termékei – például a Prospan köhögéscsillapító – világszerte több mint száz országban kaphatóak. Egy folyadékgyártást szolgáló új gyártóüzem és egyéb termelési létesítmények felépítésével a gyógyszeripari vállalat lefektette a fenntartható termelés alapjait, amiben a PC-alapú automatizálás és a Beckhoff vállalat applikációs mérnökökből álló csapata is sokat segített.
A 150 éve, 1872-ben Frankfurt am Mainban alapított Engelhard Arzneimittel mindmáig családi vállalkozás, amely a tulajdonosok ötödik generációjának irányítása alatt működik. A Frankfurt melletti Niederdorfeldenben működő telephelyen mintegy 450 ember dolgozik, közülük körülbelül 100-an a gyártásban. Az Engelhard 2019-ben egy új adminisztrációs épület és egy termelőüzem felállításával reagált a hatalmas keresletnövekedésre. A hatékonyság és a fenntarthatóság az épületek tervezésénél is meghatározó szempont volt: a 2020 nyarára elkészült, mintegy 10 000 m² alapterületű gyártóépület nemcsak energiamérlegében teljesíti túl az energiahatékony épületekre vonatkozó KfW 55 német szabvány előírásait, hanem a folyadékgyártó üzem teljes energiaigényét is zöldáram biztosítja. A vállalat saját napelemes rendszert üzemeltet, amely a szükséges villamos energia mintegy 20%-át fedezi.
Az Engelhard Arzneimittel vállalat niederdorfeldeni folyadékgyártó telephelyén PC-alapú vezérlésre és a Beckhoff rendszertervezési szakértelmére támaszkodnak (Forrás: Beckhoff)
Rüdiger John, az Engelhard Arzneimittel főmérnöke felel a teljes automatizálási projektért, a folyadékgyártás megtervezésétől a megvalósításig és az üzembe helyezésig. Munkájában a Beckhoff Csoport rendszertervezési üzletága (Beckhoff Systems Engineering) támogatja. „A PC-alapú vezérlés rugalmassága már akkor meggyőzött, amikor 2014-ben először vezettünk be Beckhoff technológiát a régi gyárunkban” – hangsúlyozta Rüdiger John, aki nagyra értékelte a Beckhoff rendszertervezési szakembereivel – Stefan Maßmannal, Andreas Wienersszel és Jürgen Boltéval – való együttműködést.
A niederdorfeldeni gyártóüzemben állítják elő az összes folyékony gyógyszert. „Itt gyártjuk többek között a Prospan köhögés elleni szirupot és más, kis tasakokba töltött folyadékokat, továbbá a köhögés elleni cseppeket is” – vázolta fel Rüdiger John a gyárban készülő termékek palettáját. Az Engelhard termékkínálatában megtalálhatók a fogorvosoknak kínált szájöblítő oldatok, például a klórhexidin, vagy a csecsemőknek szánt szuszpenziók, például a Velgastin is. „Jelenleg vizsgáljuk, hogy észszerű lenne-e ezeket a termékeket is ebben az üzemben gyártani” – nyilatkozta a főmérnök. Minden termékváltáskor átfogó tisztítási műveletek mennek végbe, és itt máris megmutatkozik az üzem első különlegessége. „A különféle tisztítási ciklusokat a folyadékgyártás receptjeihez hasonlóan a TwinCAT rendszerben definiáltuk, és a TwinCAT HMI keretein belül megvalósított receptvezérlésen keresztül hajtjuk végre” – fejtette ki Stefan Maßmann, aki Andreas Wienersszel és Jürgen Boltéval együtt a tervezés kezdetétől fogva irányítja az automatizálási projektet.
„A Beckhoff termékeivel minden problémamentesen működik: a technológia, a rugalmasság, a szakértelem és az emberi tényezők mind összeállnak” – összegezte Rüdiger John (középen), az Engelhard Arzneimittel főmérnöke, a képen a Beckhoff rendszertervezési szakterületének (Beckhoff Systems Engineering) két munkatársával, Stefan Maßmannal (balra) és Andreas Wienersszel (jobbra) (Forrás: Beckhoff)
Köhögés elleni szirup, cseppek és folyadékok
Az Engelhard a teljes világpiacra gyárt és csomagol gyógyszereket Niederdorfeldenben. Az új gyártóüzem raktározási és termelési kapacitását ennek megfelelően tervezték meg: az öt előkészítő tartály közül kettő 10 000 literes és három 5 000 literes. Ezenkívül további tartályok is vannak az alapanyagok számára, illetve átmeneti tároláshoz. Ezen a termelési területen főként IP67 védelmi besorolású EtherCAT modulokkal gyűjtenek be különféle jeleket az érzékelőktől és beavatkozó szervektől.
A folyamatok fennakadásmentes lefolyásának biztosítása érdekében Rüdiger John a Beckhoff PC-alapú vezérléstechnikájára támaszkodik, nem utolsósorban a gyártócsarnok építésekor szerzett tapasztalatai alapján. Ennek során ugyanis a Beckhoff Csoport egyik tagja, az Elektro Beckhoff végezte az elektromos tervezés és telepítés nagy részét, „ami jelentősen leegyszerűsítette a munkánkat, amikor össze kellett integrálnunk az épületgépészeti berendezéseket a folyamatautomatizálási rendszerünkkel” – magyarázta Andreas Wieners.
Az üzemben összesen 16 vezérlőpanelt és egykártyás PC-t telepítettek a folyamatvezérléshez, közülük egyet a csoportvezetői irodában (Forrás: Beckhoff)
Példaként elmondta, hogy a köhögés elleni szirup gyártásához fűtési és hűtési folyamat kell. Az ehhez szükséges egységek a tetőn vagy az alagsorban vannak, és hőcserélőkön keresztül kapcsolódnak az üzemhez. Természetesen magukban a gyártócsarnokokban és az irodákban is ezek biztosítják a légkondicionálást, amit nem könnyű megoldani. „A szabályozástechnikai tervezésnél és optimalizálásnál előnyös volt és ma is kedvező hatású, hogy a különféle területeket PC-alapú vezérléssel, többek között TwinCAT rendszerrel automatizáltuk” – fejtette ki Andreas Wieners. Mint Rüdiger John hozzátette: „Néhány kisebb alkatrésztől és részegységtől eltekintve a gyártás teljes vezérléstechnikája a Beckhoff vállalattól származik, beleértve a szoftvereket és a mérnöki munkát is.”
Ez a tömör összefoglaló valójában jelentős mennyiségű eszközt és egységet takar. A folyamatautomatizálási rendszer méreteit érzékelteti a megvalósításához felhasznált 335 hajtás (szelepek, pneumatikus beavatkozó szervek), 17 szivattyú és keverő, valamint mintegy 240 mérőpont (nyomás- és hőmérsékletmérők, tömegáramlás-mérők, ultrahangos áramlásmérők, szintérzékelők stb.) és 13 nyomvonalfűtő rendszer. A technológiába be vannak építve olyan alrendszerek is, mint a tisztavíz-ellátás, négy dugattyús terméktovábbító mechanizmus, a szennyvízkezelés, a központi légelszívás, a nitrogén- és argonellátás, valamint az etanoltárolás. Ez utóbbi a köhögés elleni alkoholalapú cseppek előállításához szükséges. Az üzemnek ezen a területén a robbanásvédelmi megoldásokba számos ELX-sorozatú EtherCAT terminál került, számos folyamatváltozót lefedve. A teljes vezérléstechnika EtherCAT protokollal, számos különféle vezérlőszekrény és IP67 védelmi besorolású EtherCAT modul között elosztott be/ki meneti terminálokon keresztül hálózatba van szervezve. Az Engelhard vállalatnál összesen mintegy 460 darab EtherCAT slave-eszköz van telepítve, köztük számos IO-Link mastereszköz RF azonosító rendszerek író/olvasó fejeinek csatlakoztatásához.
A veszélyes területeken használt érzékelők és beavatkozó szervek ELX-terminálokon keresztül vannak rendszerbe kötve (Forrás: Beckhoff)
Folyamatbiztonság és termékminőség mindenekfelett
Rüdiger John az egyik különlegességként a tartályokba integrált videófelügyeleti rendszert emelte ki: „Ezzel kinyitás nélkül is figyelemmel kísérhetjük a tartályon belüli habképződést és a megfelelő töltöttségi állapotokat.” Ezzel elkerülhető a gyógyszerek esetleges szennyeződése. Az üzem TwinCAT HMI-alapú megjelenítő rendszerébe összesen 16 kamera van integrálva a megvilágítással együtt. Szükség esetén bármely kezelő élő képeket tekinthet meg az üzem egész területén elosztottan telepített 16 Beckhoff gyártmányú kezelőpanel és egykártyás PC valamelyikén. Rüdiger John egy CP3716-1076 típusú vezérlőpanelt közvetlenül a csoportvezetői irodába telepíttetett. „Ez teljes hozzáférést biztosít az irodában dolgozó vezetőknek anélkül, hogy az irodai informatikai rendszert csatlakoztatni kellene a termelési hálózathoz” – magyarázta a főmérnök.
Az összes vezérlési és automatizálási technikát a Beckhoff Csoport rendszertervezési részlege (Beckhoff Systems Engineering) tervezte és programozta TwinCAT 3 környezetben (Forrás: Beckhoff)
Az összes kezelőállomáson található egy RF leolvasó, amelyen keresztül a dolgozóknak minden beavatkozás előtt be kell jelentkezniük. Utólagosan RMD ASIC áramkörökkel egészítették ki a kezelők RF azonosító chipjeit, amelyek így kompatibilisek az épület beléptetőrendszerével. „A dolgozók nemcsak a kezelői munkahelyeken jelentkezhetnek be RF azonosító eszközükkel és kaphatják meg jogosultságaikat, hanem ezzel léphetnek be a számukra engedélyezett épületrészekbe és termelési területekre is” – részletezte John.
Rüdiger John Stefan Maßmannal, Andreas Wienersszel és Jürgen Boltéval közösen összesen tíz felhasználói profilt definiált és valósított meg a TwinCAT HMI rendszerben, az egyes munkakörökhöz tartozó feladatoknak megfelelően. Ezek a profilok a csomagolóktól és kezelőktől kezdve egészen a rendszermérnökökig és a labortechnikusokig terjedően minden munkakört lefednek.
A tárolótartályoknál, a dugattyús terméktovábbítóknál és hasonló helyeken IP67 védelmi besorolású EtherCAT Box-modulok segítségével történik a jelek begyűjtése (Forrás: Beckhoff)
Vezérlőrendszerbe integrált kézi tömlőállomás
Ami a biztonságot illeti, Rüdiger John valami különlegeset talált ki az üzem egy neuralgikus területe, a tömlőállomás számára. Bár minden más szinte teljesen automatizált, itt a különböző tartályokat még mindig kézileg, tömlőcsatlakozókkal kötik be. A rosszul csatlakoztatott tömlők vagy hiányzó végzárók megbízható felismerése érdekében az automatizálási szakemberek itt is RF azonosító eszközöket használtak. Az egyes tömlőkön elhelyezett címkék és az aljzatokra erősített olvasók egyértelműen azonosítják az egyes rendszerelemeket és a folyamatban elfoglalt helyüket, biztosítva ezzel az egységes minőség- és folyamat-ellenőrzést.
„Már az új folyadékgyártó üzemünk tervezésének kezdeti fázisában megtetszett az a rugalmasság, amelyet a PC-alapú vezérlés, a TwinCAT 3 és a Beckhoff rendszertervezési részlege (Beckhoff Systems Engineering) nyújtott” – nyilatkozta Rüdiger John, az Engelhard Arzneimittel főmérnöke (Forrás: Beckhoff)
A megjelenítő- és vezérlőrendszer tárolja, hogy az alkalmazottaknak az egyes gyártási folyamatokhoz mely tömlő-összeköttetéseket kell kézileg biztosítaniuk, gyakorlatilag mint egy receptnél (például „kösd össze a 4-es és a 8-as fúvókát az 5-ös számú tömlőn keresztül”). A TwinCAT csak akkor engedélyezi a folyamat következő lépését (például egy tétel lepumpálását az egy emelettel lejjebb található töltő- és csomagolósorok tárolótartályaiba), ha minden tömlő (címke) a megfelelő fúvókához (RF leolvasóhoz) van csatlakoztatva. „A tömlők címkéi alapján azt is tudjuk ellenőrizni és biztosítani, hogy csak az adott közeghez való és előzetesen megtisztított tömlőket használjunk” – magyarázta Stefan Maßmann. Ha egy operátor véletlenül mégis hibázik az összekötéseknél, ezt a TwinCAT az érvénytelen címke alapján azonnal észleli, és felfüggeszti a folyamatlépést, amíg az operátor helyesen nem csatlakoztatja a tömlőt és nyugtázza azt.
A tervek szerint az 50 RF leolvasó közül néhány a tömlőállomásra kerül. „Ezt a közeljövőben szeretnénk megoldani” – magyarázta Rüdiger John a termelés bővítésének következő fázisai kapcsán. Fejlesztési tervei között szerepel többek között a gyártástervezés összekapcsolása a magasabb szintű vállalati erőforrás-tervező (ERP) rendszerből származó kampányokkal és kereslet-előrejelzésekkel. „Szeretnénk majd a recepteket a SAP rendszeren belül megvalósítani” – vázolta John az egyik jövőbeli bővítést. Véleménye szerint a nyitott és rugalmas PC-alapú vezérlőplatformmal ezt az integrálást is könnyedén meg lehet majd valósítani.
