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2022年8月23日

基于 PC 的控制技术助力优化液体生产流程

全集成过程和楼宇自动化

Engelhard Arzneimittel 是一家领先的非处方药生产商,公司生产的包括止咳药水小绿叶(Prospan)在内的知名产品销往全球一百多个国家。在倍福基于 PC 的控制技术和应用工程师的支持下,这家制药企业建造了一座新的生产大楼和液体制剂生产设施,为实现可持续生产奠定基础。

Engelhard Arzneimittel 公司位于美因河畔的法兰克福,公司创立于 1872 年,至今已有 150 年的历史,它是一家家族式企业,目前已发展到第五代。其位于法兰克福附近的下多尔费尔登工厂共有职工 450 名,其中从事生产类工作的约有 100 人。2019 年,Engelhard 为应对需求的巨大增长,建造了一栋新的行政大楼和一座生产大楼。公司在设计大楼时最注重的是建筑能效和可持续性。生产大楼于 2020 年夏天竣工,面积约为 10000 平方米,能源足迹低于德国 KfW 55 新建筑能源标准规定的最大值,更重要的是,新建的液体制剂生产设施完全使用绿电。公司还拥有自己的太阳能光伏发电系统,可以满足企业自身约 20% 的电力需求。

在储罐设施和清管系统等区域,信号通过防护等级为 IP67 的 EtherCAT 端子盒采集。
在储罐设施和清管系统等区域,信号通过防护等级为 IP67 的 EtherCAT 端子盒采集。

Engelhard Arzneimittel 公司工程部主管 Rüdiger John 负责整个自动化项目的实施,包括液体制剂生产线的规划、实施以及调试,期间倍福系统工程部为其提供技术支持。“早在 2014 年我们第一次在旧厂房中配备倍福技术时,我就被基于 PC 的控制技术所带来的灵活性深深吸引。”John 说道,他对于与倍福系统工程部的 Stefan Maßmann、Andreas Wieners 和 Jürgen Bolte 之间的称赞不已。

下多尔费尔登工厂主要生产液体制剂。“工厂主要生产 Prospan 止咳糖浆等液体产品,将它们封装到小袋包装中,工厂还能生产止咳药。”John 在解释工厂的经营范围时说道。此外,Engelhard 公司的产品还包括洗必泰等牙科专用漱口水,以及 Velgastin 西甲硅油等婴幼儿滴剂。“我们目前正在分析在该工厂生产这些产品是否有意义。”Jhon 说道。每当生产线转换新产品时,就会自动启动各项清洁周期,这也是工厂的特色之一。“我们在 TwinCAT 控制平台中创建了各种清洗周期以及液体制剂生产配方,然后在基于 TwinCAT HMI 的配方管理系统中实现。”Stefan Maßmann 说道,他从自动化项目的最初规划阶段开始就一直与 Andreas Wieners 和 Jürgen Bolte 合作,提供技术支持。

咳嗽糖浆、止咳药水以及其它液体制剂

Engelhard 公司的下多尔费尔登工厂主要生产和包装销往全球市场的药品。新设备的存储和产能设计用于满足这种规模的生产:仅五个批次内就包含了两个容积为 10,000 升的容器和三个容积为 5000 升的容器。此外,还有额外的储罐用于存放基本物质和中间产品。这个生产区域主要使用防护等级高达 IP67 的 EtherCAT 端子模块,采集传感器和执行器发出的信号。

所有的控制和自动化技术都由倍福系统工程部采用 TwinCAT 3 平台设计和编程。
所有的控制和自动化技术都由倍福系统工程部采用 TwinCAT 3 平台设计和编程。

Rüdiger John 根据他之前在建造生产车间时的经验,采用了倍福基于 PC 的控制技术确保生产过程顺利进行。其中,Elektro Beckhoff(倍福集团旗下公司)负责完成大部分的电气规划和安装工作,Andreas Wieners 说道:“这显著简化了我们将楼宇设备集成到过程自动化系统中的工作。”

他以生产过程会涉及到供暖和散热需要的咳嗽糖浆的生产为例进行了说明。用于供暖和散热的组件通常位于屋顶或地下室,并通过热交换器连接至工厂。当然,它们也为生产车间本身以及办公室提供空调。想要平衡各个方面并不容易。“在设计和优化控制工程的过程中,各种技术系统通过包括 TwinCAT 在内的基于 PC 的控制技术实现了自动化,我们会将因此取得的优势继续保持下去。”Andreas Wieners 说道。Rüdiger John 补充道:“除了一些较小的组件和子系统之外,生产过程中使用的所有控制产品都来自倍福,包括软件和工程设计。”

窥一斑而知全豹,实际使用的装置和组件数量非常可观:过程自动化包含 335 个驱动器(阀门和气动执行机构),17 个泵和搅拌器,加上约 240 个测量点(压力、温度以及质量流量计、超声波流量计、液位传感器等)和 13 个跟踪加热器。此外,系统还集成了纯水供应、通过四个清管系统进行的产品输送、废水处理、中央排气系统、氮气和氩气供应以及生产含乙醇止咳药水所需的乙醇储存等子系统。工厂内的这一部分使用了很多 ELX 系列 EtherCAT 防爆端子模块,可以覆盖各种过程数据。整个控制系统通过 EtherCAT 和分布在多个控制柜中的各种 I/O 端子模块和防护等级为 IP67 的 EtherCAT 端子盒进行联网。Engelhard 公司总共安装了约 460 个 EtherCAT 从站端子模块,包括多个用于集成 RFID 读写头的 IO-Link 主站端子模块。

过程可靠性和产品质量是第一位

Rüdiger John 在强调其中一个突出的特点是储罐中集成了视频监测系统时说道:“这让我们能够监测储罐中的泡沫情况,无需打开储罐即可检查液位高度。”这样做可以防止药品被污染。基于 TwinCAT HMI 的工厂可视化系统中共集成了 16 台相机和照明。需要时,每个操作人员都可以通过分布在整个工厂的 16 台倍福控制面板和面板型 PC 中的其中一台显示实时图像。Rüdiger John 在团队管理办公室中直接安装了一台 CP3716-1076 控制面板。“这样管理人员就可以从办公室完全访问,无需将办公室的 IT 系统连接到生产网络。”Rüdiger John 说道。

“在规划我们的全新液体制剂生产设备的最初阶段,我就非常喜欢倍福基于 PC 的控制技术、TwinCAT 3 以及倍福系统工程部实现的高度灵活性。”Engelhard Arzneimittel 公司工程部主管 Rüdiger John 说道。
“在规划我们的全新液体制剂生产设备的最初阶段,我就非常喜欢倍福基于 PC 的控制技术、TwinCAT 3 以及倍福系统工程部实现的高度灵活性。”Engelhard Arzneimittel 公司工程部主管 Rüdiger John 说道。

每个操作站都配备一个 RFID 阅读器,生产工人在采取任何行动之前必须使用该阅读器登录系统。此外,操作员的 RFID 芯片已经加装了 RMD ASIC,可以兼容大楼门禁控制系统。“这些标签不仅让员工能够授权登录操作站,还可以核准员工进出大楼和生产区域。”John 说道。

Rüdiger John 与 Stefan Maßmann、Andreas Wieners 和 Jürgen Bolte 一起,根据每个人相关的任务定义了共 10 个用户配置文件,并在 TwinCAT HMI 中实施。这些配置文件涵盖了针对包装工人、设备操作员、系统工程师以及实验室技术人员的所有内容。

将人工软管工位集成到控制系统中

考虑到安全问题,Rüdiger John 对于工厂的敏感性区域采取一些特殊措施:建立软管工位。尽管其它一切工序几乎已经实现完全自动化,但在这种情况下,各个容器仍然通过软管手动连接。这是另一个自动化工程师采用 RFID 技术的区域,它能够可靠地检测出软管连接错误或端盖缺失等故障。每根软管上的标签和生产线连接处安装的 RFID 阅读器能够识别出所有组件及其在工艺中的位置的唯一标识符,确保对生产全过程的质量控制。

对于每个生产过程,可视化和控制系统存储了所有必须由工作人员手动建立的软管连接信息,其方式类似于配方说明(例如,“拿起软管 5,用它来连接喷嘴 4 和 8”)。只有当所有的软管(标签)与正确的喷嘴(RFID 阅读器)匹配时,TwinCAT 才会启动下一道工序:例如,将一个批次的产品泵送到用于下一道灌装和包装生产线的储罐中。“我们甚至可以使用软管上的标签进行检测,确保我们只使用适用于介质并事先经过清洗的软管。”Stefan Maßmann 解释道。如果某个工作人员在进行连接时出错,TwinCAT 会根据无效的标签 ID 立即识别出这一错误,并中断此工序,直至该名员工正确连接好软管并确认。

按照计划,会将 50 个 RFID 阅读器中的一部分安装到软管工位中。“我们希望能够尽早解决这个问题。”Rüdiger John 在展望扩大生产下一阶段的工作时说道。他的发展规划还包括将生产规划与来自上位 ERP 系统的活动和需求预测联系起来等方面。“某些时候,我们希望在 SAP 系统内实施配方。”John 在介绍具体的扩展方式时补充道。他认为,开放、灵活的 PC 控制平台也可以轻松实现这种整合。