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Condition Monitoring und Diagnose-Systeme Durchgängige Diagnose reduziert die „Cost of Goods“ in Anlagen für Biotechnologie und Pharma

| Autor / Redakteur: Christopher Haug / Anke Geipel-Kern

Die Anschaffungskosten gehören oft nur zu den kleineren Kostenblöcken im Lebenszyklus einer Anlage. Wesentlich höher schlagen in der Regel die Lebensdauer-Gesamtkosten zu Buche. Total-Cost-of-Ownership und Life-Cycle-Management heißen deshalb die „Zauberworte“.

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Hohe Anlagenverfügbarkeit: Das Festo Ventilinselkonzept CPX/MPA beinhaltet umfassende Diagnosefunktionen und reduziert damit die Total-Cost-of-Ownership im Anlagenbetrieb – hier in der Reinstwassererzeugung bei Steris Finn-Aqua.
Hohe Anlagenverfügbarkeit: Das Festo Ventilinselkonzept CPX/MPA beinhaltet umfassende Diagnosefunktionen und reduziert damit die Total-Cost-of-Ownership im Anlagenbetrieb – hier in der Reinstwassererzeugung bei Steris Finn-Aqua.
( Bild: Festo )

„Die Betrachtung der Total-Cost-of-Ownership (TCO) beschränkt sich bei Biogenerika und anderen Anlagen der Prozessindustrie nicht auf die hohen Investitionssummen und deren Einsparpotenziale“, betont Dr. Eckhard Roos, Leiter Business Center Prozessautomation bei Festo. „Mit der Inbetriebnahme kommt ein wesentlicher Faktor hinzu: die Erhöhung der Anlagenverfügbarkeit und damit die Steigerung der Produktionskapazität.“ Daher sorgen Condition Monitoring und Diagnose-Systeme von Festo für fast entspannten Anlagenbetrieb, beispielsweise in Anlagen zur Reinstwassererzeugung von Steris Finn-Aqua.

Ein durchgängiges Diagnosekonzept reduziert die „Cost of Goods“ in der Biotechnologie und Pharma-Industrie. Ohne solch ein funktionierendes Konzept lassen sich die aktuellen Forderungen der United States Food and Drug Administration (FDA) nach Process Analytical Technology (PAT) nur schwer umsetzen.

Zur automatisierten Prozessführung gehört ein verteiltes System aus elektronischen sowie pneumatischen Steuerketten. Die pneumatische Steuerkette umfasst Druckluftversorgung, Druckluftaufbereitung, pneumatische Schaltventile, Verschlauchung sowie pneumatische Prozessantriebe. Eine Fehlfunktion in der pneumatischen Steuerkette bedeutet in der Prozessautomatisierung häufig kein oder falscher Produktfluss, falsche Prozesszeiten, schlechte Produktionsperformance, vermeidbare Stillstände und unzureichende Produktqualität, bis hin zum Produktverlust.

Diagnoselevels

Mit einem durchgängigen Diagnosekonzept können Anwender ungeplante Stillstandszeiten der Produktionsprozesse reduzieren. Dabei lassen sich die möglichen Diagnosekonzepte in drei verschiedene Levels unterteilen:

  • Diagnoselevel 1: Einfache Monitoringfunktionen (Erkennen von Störungen);
  • Diagnoselevel 2: Systemdiagnose (Fehlerlokalisierung in der Anlage);
  • Diagnoselevel 3: Subsystemdiagnose (Fehleridentifizierung).

Mit wenigen Sensoren für Druck und Durchfluss in der pneumatischen Steuerkette lassen sich über den einfachen Vergleich von Soll- und Istwerten Rückschlüsse auf den Zustand der Anlage treffen (erstes Diagnoselevel). Beim zweiten Diagnoselevel werten ein Diagnosecontroller sowie modellbasierte Software-Lösungen die Prozessparameter aus Level eins aus und interpretieren sie. Damit lassen sich bereits vor dem Ausfall Wartungsmaßnahmen durchführen.

Level drei ist für besonders kritische Prozessfunktionen sinnvoll. Zusätzliche Sensorik überwacht kritische Prozessantriebe und erkennt beispielsweise verstellte Drosseln, Dichtungsverschleiß oder gequetschte Zuleitungen. Diese Diagnoseinformationen lassen sich auf den übergeordneten Leitsystemen visualisieren, um Maßnahmen zielgerichtet einzuleiten.

Remote I/O-Ventilinselknoten

Das modulare Ventilinselkonzept CPX/MPA, eine Kombination aus dem Remote-IO-Terminal CPX und der Magnetventilinsel MPA, zeigt Fehlerquelle, -ort und Maßnahmen an. Dazu gehören die Fehlererkennung und -lokalisierung als modul- oder kanalorientierte Diagnose der E/As, die Ventildiagnose pro Kanal, Klartextanzeige vor Ort, Datenaufbereitung und -übertragung über Feldbus sowie bei einer Ausbaustufe mit Ethernetschnittstelle, integrierte IT-Lösungen wie Fernwartung, E-Mail- oder SMS-Alarm und Diagnose-Trace mit Fehlerspeicher.

Zur zustandsorientieren Instandhaltung dienen bei CPX/MPA die integrierten Features zum Condition Monitoring wie Schaltspielzähler, permanente Überwachung der Spulenströme für Magnetventile sowie die modulweise Kontrolle der Spulenspannung für Magnetventile.

Mit einem Ethernetanschluss auf CPX sind Diagnosedaten sofort und weltweit als integrierte IT-Lösung verfügbar. Über das Zählen von Zyklen lassen sich Wartungseinsätze bestimmen. Im Störfall kann das Modul den Fehlerort weitermelden. Sind die Werte bekannt, lassen sich Stillstände durch rechtzeitige Wartung vermeiden, Produktionsabläufe optimal steuern und Störungsursachen schneller beseitigen. Ventilinseln sind mit ihrer Verbindung von Elektrik, Pneumatik und Integration in überlagerte Systeme der Prozessführung prädestiniert für die anlagennahe Diagnose. Ein Softwarepaket wie der CPX-Web-Monitor macht alle Diagnosedaten dynamisch in einem Web-Browser sicht- und anwendbar im lokalen Anlagennetzwerk, im Intranet oder weltweit.

In die modulare elektrische Peripherie kann ein Front-End-Controller CPX-FEC integriert werden, der im Feld autarke Steuer- und Regelkreise, Visualisierung vor Ort sowie Vorverarbeitung am Feldbus ermöglicht.

Per Fernwartung können Betreiber ihre Anlagen von jedem beliebigen Ort im Auge behalten und Konfigurationen durch Online-Zugriff verändern: CPX-FEC verbindet Automatisierungs- und Informationstechnologie, ebenso die Feldbusknoten mit den Industrial-Ethernet-Protokollen Profinet IO, Ethernet IP oder Ethercat.

Genau diese Vorteile macht sich Steris Finn-Aqua in ihren Multieffekt-Wasserdestillationsanlagen zur Erzeugung von Reinstwasser für die Medikamentenherstellung zu Nutze. „Neben den umfassenden Diagnosemöglichkeiten sparen wir mit der CPX/MPA auch 30 Prozent an Installationskosten“, erklärt Veli-Jukka Parkkamäki, Engineering Manager bei Steris Finn-Aqua.

Services

Neben den Automatisierungskomponenten im Diagnosesystem erhöhen die Festo Services die Verfügbarkeit und damit auch die Kapazität von Anlagen. Die Analyse und Optimierung der Druckluftqualität sorgt für präzise und langzeitstabile Messergebnisse, besonders bei Dauereinsatz der Durchflusssensoren im rauen Umfeld der Fertigung. Erst optimale Druckluftqualität erhöht die Lebensdauer von Sensoren und pneumatischen Komponenten in der Gesamtanlage. Mit dem Energy Saving-Service lassen sich Leckagen beseitigen.

Energy Monitoring

Alle Produkte und Dienstleistungen als Gesamtpaket weiterentwickelt ergeben den neuesten Spross in der großen Diagnostiker-Familie, das Festo Energy Monitoring GFDM. Es ist die Lösung zum Luftverbrauchsmonitoring mit Analysefunktion. Automatische Referenzdatenerfassung in Kombination mit Grenzwerten und Trends ermöglichen das rechtzeitige Erkennen von Abweichungen und somit ein proaktives Handeln, bevor der Prozess an Qualität verliert. Zudem erlaubt GFDM die Überwachung unterschiedlicher Betriebszustände. Fazit: Ein durchgängiges Diagnosekonzept ist mehr als nur das Blinken roter, gelber oder grüner LEDs. Das Konzept reduziert nachhaltig die Cost-of-Goods, hält die Produktqualität konstant hoch und erhöht die Anlagenverfügbarkeit. Wartungs- und Reparaturarbeiten können schnell, effektiv und zielgerichtet durchgeführt werden. Ganz wichtig ist die Durchführung von Instandhaltungsarbeiten zum geplanten Zeitpunkt mit präventiver Wirkung. Für die Pharmabranche gilt außerdem: Ohne funktionierendes Diagnosekonzept lassen sich die aktuellen Forderungen der FDA nach PAT schwer umsetzen.

Hintergrund: Wartung und Instandhaltung als größter Kostenfaktor

Eine Studie von Rockwell Automation förderte verblüffende Zahlen zutage: Zwischen 15 und 40 Prozent der indirekten Kosten eines Fertigungsbetriebs leiten sich aus Wartung und Instandhaltung ab. Dabei gelten rund die Hälfte dieser Kosten als vermeidbar, wenn man strategisch orientierte Diagnose- und Condition-Monitoring-Systeme einsetzt. Mit 70 Prozent der Aufwendungen sind laut der Studie Reparaturen der größte Posten an indirekten Kosten – als ungeplante Folgekosten betragen diese sogar 10 bis 28 Prozent der kompletten Lebenszykluskosten einer Anlage. Und diese Folgekosten müssen nach Angaben einer Wirtschaftszeitung um den Faktor vier bis fünf multipliziert werden. Das liegt vor allem daran, dass Maschinenstillstände auch Qualitätsmängel oder Lieferunfähigkeit und sogar Einbußen am Unternehmensimage nach sich ziehen können.

Der Autor ist Mitarbeiter Sales Communication bei Festo AG & Co. KG.

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