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24-V-Stromversorgung in der Pharmaproduktion Damit in der Pharmaproduktion die Lichter nicht ausgehen

Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Peter Hager* / Anke Geipel-Kern

Zuverlässige Komponenten und individuelle Konzepte für die 24-V-Stromversorgung in der Pharmaproduktion: Eine sichere Stromversorgung ist das A&O in der pharmazeutischen Produktion. Das gilt für die Automatisierung genauso wie für den Betrieb von Teilanlagen. Da jeder Pharmabetrieb anders ist, braucht der Betreiber maßgeschneiderte Konzepte, die eine hohe Verfügbarkeit sichern.

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Das Sitop-Portfolio von Siemens ermöglicht maßgeschneiderte 24-Volt-Stromversorgungskonzepte mit skalierbarer Verfügbarkeit bis zum Rundumschutz. Zur Einbindung in die digitale Fabrik eignet sich das modulare Stromversorgungssystem Sitop PSU8600 mit integrierter Ethernet-Schnittstelle und Profinet sowie OPC UA.
Das Sitop-Portfolio von Siemens ermöglicht maßgeschneiderte 24-Volt-Stromversorgungskonzepte mit skalierbarer Verfügbarkeit bis zum Rundumschutz. Zur Einbindung in die digitale Fabrik eignet sich das modulare Stromversorgungssystem Sitop PSU8600 mit integrierter Ethernet-Schnittstelle und Profinet sowie OPC UA.
(Bild: Tilman Weishart 2014)

Ob im Labor- oder im Produktionsmaßstab, ob Batch-Prozess, kontinuierliche oder diskrete Fertigung. Die oft langen Prozessketten in der Pharmaproduktion setzen bei jedem Teilschritt zuverlässig funktionierende Geräte, Maschinen und Anlagen voraus. Essenziell dafür ist deren dauerhaft zuverlässige Versorgung mit Strom – in der Automatisierungswelt auf der 24-V-Ebene. Denn mit der Zuverlässigkeit der 24-V-Versorgung steht und fällt die Verfügbarkeit der Automatisierungsgeräte, der Scada- bzw. Prozessleitsysteme, der Sensorik und Aktorik.

Im Pharmaumfeld hinzu kommt die Herausforderung der Good Manufacturing Practice (GMP). Danach müssen alle qualitätsrelevanten Produktionsschritte den Vorschriften der Food and Drug Administration (FDA) bzw. der European Medicines Agency (EMA) folgend lückenlos nachverfolgt und dokumentiert werden. Damit ist eine zuverlässige, ausfallsichere Gleichstromversorgung für die Automatisierungskomponenten mehr oder weniger eine Grundvoraussetzung.

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Komponenten und Konzepte für alle Versorgungsaufgaben

Siemens bietet mit Sitop ein umfassendes Geräteportfolio für fein skalierbare, zuverlässige Lösungen für alle 24-V-Versorgungsaufgaben in der Pharmaproduktion. Vom Standardnetzteil über die redundante Versorgung mit redundanter DC-USV oder Varianten mit selektiver Überwachung mehrerer 24-V-Zweige. Das Spektrum reicht bis zum offenen und voll integrierten Stromversorgungssystem für die digitale Fabrik.

Für alle Netze und Anforderungen

Schon die geregelten Netzgeräte erfüllen mit hohen Mean-Time-Between-Failure- Zeiten (MTBF) von bis zu einer Million Stunden bei 40 °C Umgebungstemperatur im Dauerbetrieb höchste Anforderungen in puncto Zuverlässigkeit. Mit Varianten für den Ein-, Zwei- oder Dreiphasenanschluss für nahezu jedes Stromnetz der Welt, sind die kompakten Stromversorgungen in unterschiedlichsten Prozessen und Anlagen zu finden.

Ausgelegt für Lastströme bis 40 A und bis zu 1,5-fache Überlastfähigkeit bieten sie Leistungsreserven für die dynamischen Lastzustände in den Anlagen wie auch für eventuelle Erweiterungen. Ein breites Temperaturfenster von -25 bis +70 °C und vielfach geforderte Zertifizierungen wie UL, CSA, Atex oder IECEx ermöglichen universelle und weltweite Einsätze. So lassen sich unkritische Prozesse und Anlagenbereiche mit diskreter Fertigung mit Sitop-Netzgeräten zuverlässig versorgen. Dank hoher Wirkungsgrade von bis zu 94 % immer auch sehr energieeffizient.

Ausfallsicher automatisieren und versorgen

Wie Automatisierungssysteme (AS) oder dezentrale Prozessperipherie kann auch deren Gleichstromversorgung redundant ausgeführt werden. In solchen Installationen entkoppelt ein Redundanzmodul zwei baugleiche Netzgeräte. So wird zuverlässig verhindert, dass selbst ein Kurzschluss in einer defekten Stromversorgung einen Einfluss auf die 24-V-Versorgung hat. Das Redundanzmodul überwacht hierzu kontinuierlich die einspeisenden Netzgeräte und beim Ausfall eines Gerätes übernimmt automatisch das andere die Versorgung.

Zusätzlich werden die Gerätestati über Meldekontakte signalisiert. DC-USV-Module überbrücken Netzausfälle mit verschiedenen Kommunikationsschnittstellen. Dazu gehören digitale Ein-/Ausgänge, USB oder Ethernet/Profinet – sowie verschiedene Energiespeicher wie Kondensatoren, Blei- oder Li­thium-Akkus mit unterschiedlichen Pufferkapazitäten.

Batteriegestützte Lösungen können einen Netzausfall bis in den Stundenbereich hinein überbrücken. Deren intelligentes Batteriemanagement sorgt für optimales Laden und fortlaufende Überwachung der Energiespeicher. Damit kann bei einem Netzausfall der Betrieb hinreichend lange aufrechterhalten werden, um beispielsweise das Wägen, Dosieren oder Vermischen teurer Wirkstoffe/Ingredienzen oder sensible chemische Reaktionsprozesse nicht unkontrolliert zu unterbrechen.

Ebenso können PC-Systeme und darauf laufende Anwendungen weiter betrieben und nach individuellen Strategien kontrolliert heruntergefahren werden. So ist es möglich, dokumentationspflichtige Prozess- und Qualitätsdaten weiter lückenlos zu erfassen, im Automatisierungssystem zu speichern oder an überlagerte Ebenen zu transferieren, wie es die GMP-Regularien vorschreiben.

Dezentrale Einheiten selektiv überwachen

Über die eigenständigen Selektivitätsmodule Sitop PSE200U lässt sich die 24-V-Versorgung auf mehrere Verbraucherabzweige aufteilen, wobei ein Modul bis zu vier Abzweige überwacht. Damit lassen sich z.B. einzelne dezentrale Peripheriesysteme wie ET 200M und ET 200SP oder Scalance-Kommunikationskomponenten individuell überwachen. Das ermöglicht ein selektives Abschalten eines durch einen Kurzschluss – auch „schleichende Kurzschlüsse“ werden zuverlässig erkannt – oder durch Überlast gestörten 24-V-Kreises, während die übrigen Kreise und Verbraucher unterbrechungsfrei weiter versorgt werden. Der Meldekontakt der Module ist über mehrere Module durchschleifbar und kann als Summenmeldung ausgewertet werden. Eine kanalgranulare Fehlermeldung ist ebenfalls möglich und erlaubt eine exakte Eingrenzung des fehlerhaften 24-V-Abzweiges.

Eine Kombination aus Netzgerät und selektiver Überwachung ist das Stromversorgungssystem PSU8600 mit integrierter Ethernet-/Profinet-Schnittstelle. Die Einbindung in Kommunikationsnetze, aufgebaut als Linien- oder Ringstruktur, erfolgt über die beiden integrierten Profinet-Ports. Die Medienredundanz (MRP) bedeutet zudem besonders hohe Verfügbarkeit der Netzwerkkommunikation in Ringstrukturen.

Der modulare Systembaukasten mit dem Verbindungssystem Clip Link ermöglicht die Zusammenstellung des Stromversorgungssystems ohne zusätzlichen Verdrahtungsaufwand. Ein Grundgerät mit einem oder vier selektiv überwachten DC-Ausgängen kann mit bis zu vier Erweiterungsmodulen (bis zu 16 zusätzliche DC-Ausgänge mit selektiver Überwachung) und maximal zwei Puffermodulen (bis zu 20 s Pufferzeit bei 40 A) ergänzt werden.

Über Profinet stehen umfassende Betriebsdaten wie Ausgangsströme und Spannungen sowie Diagnoseinformationen wie Überlast und Kurzschluss zur Verfügung. Und mit dem Profil Profienergy kann in Pausenzeiten jeder einzelne der 20 Ausgänge individuell ab- und wieder zugeschaltet werden.

Konzepte kombinieren – Versorgung optimieren

Die genannten Stromversorgungskonzepte sind miteinander kombinierbar, zum Beispiel Netzgeräte mit einer selektiven Überwachung oder redundante Netzgeräte mit einer DC-USV-Pufferung.Höchsten Ausfallschutz auf der Gleichstromseite bietet der Aufbau mit redundanten Netzgeräten, die selektive Absicherung der einzelnen 24-V-Verbraucher und unterbrechungsfreien Gleichstromversorgungen in redundanter Ausführung.

Integration macht transparenter und effizienter

Rückgrat einer digitalen Fabrik ist ein einfach realisierbarer, horizontal und vertikal durchgängiger Datenaustausch aller Automatisierungsteilnehmer einer Produktion, auch der 24-V-Versorgung.

Verschiedene Sitop-Komponenten unterstützen dies durch direkte Integration u.a. in das Prozessleitsystem Simatic PCS 7. Mit vorgefertigten Funktions- und Bildbausteinen (Faceplates) lässt sich eine Visualisierung dafür sehr schnell und komfortabel projektieren.

Die Funktionsbausteine versorgen die Faceplates in der Bedienoberfläche mit Betriebs- und Diagnosedaten. Sie generieren automatisch Meldungen und übergeben diese an das Maintenance-System. Das Leitsystem erhält so automatisch Informationen zu verschiedenen Betriebszuständen (wie Pufferbetrieb), Alarmen (z.B. Überlast in einem 24-V-Abzweig) oder Wartungsbedarf (etwa einem präventiv nötigen Wechsel von Batteriemodulen). Darüber hinaus liefern die Sitop-Komponenten zusätzliche aktuelle Informationen, wie die Ladezustände der Batterien oder Lastströme der einzelnen Abzweige. Das macht die 24-V-Versorgung transparenter denn je.

Engineering-Framework erleichtert Vernetzung

Sitop UPS1600 und PSU8600 sind außerdem in das Engineering Framework TIA Portal (ab V13) implementiert. Auswahl und Vernetzung der Geräte erfolgen komfortabel und schnell mit den bekannten Mitteln und Mechanismen des Engineering-Frameworks. Nach Anwahl im Hardware-Katalog erfolgt die Übernahme in die grafische Netzwerkdarstellung per Drag-and-Drop. Zur Einbindung in Profinet zieht man einfach mit der Maus Verbindungen zu den jeweiligen Netzwerkteilnehmern.

In der Geräteansicht wählt der Projekteur dann die gewünschten Erweiterungskomponenten aus und parametriert beispielsweise Spannung und Ausgangsschwellwert der einzelnen Ausgänge, die Zuschaltschwelle der Pufferspannung oder Betriebs- und Alarmmeldungen. Auch die Zugriffsrechte für das Monitoring via Webserver lassen sich komfortabel vergeben.

Zur Integration in Anwenderprogramme stellt Siemens auch für TIA-Portal- und Simatic Step 7-standardisierte Funktionsbausteine für seine Steuerungen sowie Faceplates für das Scada-System zur Verfügung.

* * Der Autor ist Leiter Marketing Management Industrie-Stromversorgungen Sitop, Siemens AG, Process Automation and Drives, Process Automation in Nürnberg-Moorenbrunn. Kontakt: Tel. +49-911-895-0

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