Proportionalventiltechnik Mehr Funktionalität durch Proportionalventile

Autor / Redakteur: Thomas Schulz* / Anke Geipel-Kern

Im neuen Technikum von Boehringer Ingelheim am Standort Biberach sorgt Proportionalventiltechnik für effiziente Prozessautomation. Gegenüber bisherigen technischen Anwendungen punktet die Komplettlösung von Festo durch eine höhere Funktionalität, Flexibilität, geringere Kosten und geringen Platzbedarf.

Anbieter zum Thema

Platzsparend, flexibel und mit geringem Installationsaufwand – kurz mehr Leichtigkeit. Das sind die Pluspunkte für Boehringer Ingelheim.
Platzsparend, flexibel und mit geringem Installationsaufwand – kurz mehr Leichtigkeit. Das sind die Pluspunkte für Boehringer Ingelheim.
(Bild: Festo, © Arlo Magicman/fotolia, [M]-Sahlmüller)

Inerte Gase wie Stickstoff und Argon spielen aufgrund ihrer Reaktionsträgheit in der Pro-zessautomation eine wichtige Rolle. Zum Schutz vor Explosionsrisiken wird in Reaktoren, Tanks und Prozessapparaten oft eine inerte Atmosphäre geschaffen.

Zum Einsatz kommen dabei in vielen Anwendungen aufwändige Installationen mit eigenen Leitungen, Regelventilen und Durchflussmessern für unterschiedliche Druckstufen und Gase. Dies kann je nach Komplexität der Prozesse und Branchenanforderungen hohe Investitionskosten pro Regelkreis nach sich ziehen.

Platzsparende Technik

Eine effiziente Alternative zur Regelung inerter Gase in der Prozessautomation bietet die Proportionalventiltechnik. Sie verbindet die Vorteile hoher Präzision mit reduziertem Installationsaufwand und niedrigerem Investitionsvolumen. Integriert in Ventilinseln mit zusätzlichen Diagnosemöglichkeiten sparen Proportionalventile Platz, senken die Installationskosten und erleichtern die Automation.

Eine ganze Reihe bislang manuell geführter Prozesse lässt sich kostengünstig automatisieren. Wie Proportionalventiltechnik zur Regelung inerter Gase in der Pro-zessautomation seine Vorteile eindrucksvoll ausspielt, zeigt die Zusammenarbeit von Festo und Boehringer Ingelheim in dessen neuem Technikum in Biberach.

Investition in die Zukunft

Die Pilotanlage am weltweit größten Forschungs- und Entwicklungsstandort von Boehringer Ingelheim sichert die Verfügbarkeit neu entwickelter pharmazeutischer Wirkstoffe.

Hintergrund ist der zunehmende Mengenbedarf eines neuen Wirkstoffs im fortschreitenden Forschungs- und Entwicklungsprozess sowie der klinischen Studien. Im Dezember 2014 eingeweiht, liefert die 2700 m2 große Pilotanlage die benötigten Substanzmengen mithilfe von 15 chemischen Reaktoren, die über ein Volumen von 100 bis zu 300 Litern verfügen. Von Anfang an war Festo als Lösungsanbieter auf dem Gebiet der Prozessautomation mit in das Projekt eingebunden. Die Dimensionen verdeutlicht ein Blick auf die gelieferten Produkte.

Dazu zählen u.a. zwölf Inertgasstationen, 40 Ventilinseln CPX-MPA zur Ansteuerung der Pro-zessventile sowie etwa 200 automatisierte Kugelhähne und Absperrklappen.

Da bei der Wirkstoffherstellung brennbare Lösemittel zum Einsatz kommen, sind geeignete Maßnahmen für einen wirkungsvollen Explosionsschutz zu treffen. Eine Maßnahme ist die Schaffung einer inerten Atmosphäre in den Reaktoren, Zentrifugen und Trockenschränken der Anlage. Zum Einsatz kommen dabei entweder Stickstoff oder Argon. Geregelt werden beide inerte Gase je nach Prozessschritt in Druck oder Durchfluss. Wurden dafür in den bisherigen Anlagen von drei Druckstufen mit eigenen Rohrleitungsnetzwerken, Regelventilen und Durchflussmessern benötigt, so über-nehmen in der neuen Anlage kompakte Proportional-Druckregelventile VPPM von Festo die Aufgabe. Durch den großen Regelbereich sind zwei Druckstufen ausreichend.

Viel Leistung auf wenig Raum

An den Inertgasstationen, von denen jeweils eine zwei Reaktoren versorgt, übernimmt ein Ventil die Steuerung für Argon und je zwei Ventile regeln den Stickstofffluss. Während davon das erste Ventil in einem Druckbereich von 0 bis 2 bar arbeitet und somit eine präzisere Regelung bei kleineren Drücken und Durchflusswerten gewährleistet, ermöglicht das zweite Ventil mit einem Druckbereich von 0 bis 6 bar deutlich höhere Durchflusswerte. Für ein schnelles Füllen und anschließend präzises Regeln lassen sich beide Ventile hintereinander schalten.

Um möglichst wenig Einbauraum in Anspruch zu nehmen, wurden die Festo Proportional-Druckregelventile VPPM auf einer Ventilinsel MPA integriert. Diese bildet mit der Automatisierungsplattform CPX eine kompakte Lösung. Mit ihrem 15 Bit-Analogeingangsmodul sind auch die Durchflusssensoren verbunden, die sich ebenfalls platzsparend im Schaltschrank befinden. Die Messung der Gasvordrücke im jeweiligen Anlagenteil übernimmt ein CPX Druckmessmodul. Die so erzielte flächendeckende Überwachung eröffnet gegenüber den bisherigen Lösungen eine Vielzahl neuer Diagnosemöglichkeiten. Das Zusammenlegen der Funktionen für zwei Reaktoren auf einer Ventilinsel reduziert die Kosten für Anschaffung und Installation.

Abweichungen früh erkennen

Für die Versorgung der gasgeschmierten Gleitringdichtungen kommen im neuen Technikum von Boehringer Ingelheim ebenfalls Proportionalventile von Festo zum Einsatz. In die Inertgasstation wurden hierfür zusätzlich ein Proportionalventil, ein Durchflussmesser sowie ein Feinstfilter integriert.

So lässt sich der Druck in der Gleitringdichtung passend zum Betriebsdruck im Reaktor anpassen. Die Druckdifferenz zwischen Betriebsdruck im Reaktor und der Gleitringdichtung bleibt immer konstant. Ein Durchflussmesser ermittelt den Gasverbrauch, wodurch die Steuerung Abweichungen frühzeitig erkennen kann. Den Eingangsdruck überwacht ein Drucksensor in der CPX Automatisierungsplattform. Über das CPX und den integrierten Feldbusknoten an das Prozessleitsystem angeschlossen, ermöglicht die Ventil-insel MPA das zentrale Überwachen und Analysieren aller Funktionen und Werte.

Leistungsstark und flexibel

Mit der Integration der Proportionalventiltechnik von Festo verfügt Boehringer Ingelheim in seinem neuen Technikum über eine Reihe von Vorteilen. Die Multi-Sensor-Control des VPPM durch integrierte Drucksensoren und PID-Regler liefert beste Regelergebnisse und robustes Regelverhalten. Durch die Temperaturkompensation ergibt sich kein Wegdriften der Drücke bei Temperaturwechseln.

Das VPPM meldet den erreichten Druck als elektrisches Signal zurück. Werden die Sollwerte nicht erreicht wird dies diagnostiziert und zurückgemeldet. Durch die Integration auf die Ventilinsel CPX-MPA lassen sich alle Werte zudem bequem fernsteuern und überwachen.

Leicht zugänglich

Die Anlage lässt sich flexibler und einfacher steuern, sie erfordert einen geringeren Platzbedarf und die Installationskosten konnten gegenüber der bisher verwendeten Technik gesenkt werden. Die Inertgasstationen wurden im Technikkorridor vor den Reaktorräumen installiert. In diesen Bereichen bestehen keine Anforderungen hinsichtlich des Explosionsschutzes. Gleichzeitig sind sie auf diese Weise jederzeit ohne zusätzliche Maßnahmen für das Servicepersonal zugänglich.

Die Stromversorgung zum Proportionalventil und die Signalübertragung zu Profinet erfolgt direkt über die Ventilinsel. Damit entfällt die Verkabelung ins Feld. Funktional, flexibel und kostengünstig, sorgt die als Komplettlösung entwickelte und gelieferte Proportionalventiltechnik von Festo dauerhaft für mehr Effizienz in der Prozessautomation von Boehringer Ingelheim.

Nachgefragt beim Pharma-Experten von Festo: Thomas Schulz

Thomas Schulz, Leiter Industriesegment und Key-Account-Management Biotech/Pharma/Cosmetics, Festo
Thomas Schulz, Leiter Industriesegment und Key-Account-Management Biotech/Pharma/Cosmetics, Festo
(Bild: Festo)

PROCESS: Wo liegen die Vorteile der Proportionalventiltechnik zum Regeln inerter Gase in der Prozessautomation?

Thomas Schulz: „Proportionalventiltechnik erreicht die erforderliche Genauigkeit der bestehenden Technik bei gleichzeitig geringerem Installationsaufwand und Investitionsbedarf. Der Aufbau einer Regelstation im kompakten Schaltschrank spart zudem Platz und erleichtert die Zugänglichkeit zu allen Prozesskomponenten. Die mögliche Integration der Proportionalventile in Ventilinseln reduziert den Raumbedarf noch weiter, erleichtert die Automation und erhöht die Diagnosemöglichkeiten.“

PROCESS: Welche Funktionen können durch den Einsatz von Proportionalventilen abgedeckt werden?

Schulz: „Im Wesentlichen werden fünf Funktionen mit Proportionalventiltechnik von Festo abgedeckt: das Inertisieren, die Drucküberlagerung, das Überströmen in Behältern und Prozessapparaten, der Materialtransfer sowie die Beaufschlagung und Überwachung von Gleitringdichtungen.“

PROCESS: Welche Aufgaben hat Festo in dem Projekt übernommen?

Schulz: „Wir haben schon im Engineering eng mit dem Kunden zusammengearbeitet, die neue Lösung vorgestellt, gemeinsam bewertet und letztendlich über mehrere Tests für den Einsatz qualifiziert. Nach dem Erarbeiten der technischen Lösung haben wir das Engineering der kompletten Inertgasstationen übernommen, diese montiert, getestet und installationsfertig ausgeliefert. Alles aus einer Hand.“

* * Der Autor ist Leiter Industriesegment und Key-Account-Management Biotech/Pharma/Cosmetics, Festo AG, Esslingen. Kontakt: Tel. +49-711-347-52192

(ID:43294704)