Geïntegreerde proces- en gebouwautomatisering leidt vloeistofproductie in goede banen

Engelhard Arzneimittel is 150 jaar na zijn oprichting nog steeds een familiebedrijf – vijfde generatie alweer. In de vestiging in Niederdorfelden bij Frankfurt werken ongeveer 450 mensen, van wie ongeveer honderd in de productie. Als reactie op de immense toename van de vraag in 2019 zette het bedrijf nieuwe gebouwen neer voor de administratie en de productie. Efficiëntie en duurzaamheid stonden daarbij centraal: de 10.000 vierkante meter grote fabriek ligt niet alleen qua energiebalans onder de KfW55-norm, de nieuwe vloeistofproductie wordt ook voor 100 procent gevoed met groene stroom. Eigen zonnecellen dragen voor ongeveer 20 procent bij aan de elektriciteitsbehoefte.

In Niederdorfelden produceert en verpakt Engelhard geneesmiddelen voor de wereldmarkt. De nieuwe faciliteit is ontworpen voor de vloeibare varianten: van Prospan-hoestsiroop en andere vloeistoffen, die onder meer in kleine zakjes worden afgevuld, tot hoestdruppels. Bij dat ontwerp is al rekening gehouden met grootschalige productie: twee bereidingstanks hebben een volume van tienduizend liter en drie kunnen vijfduizend liter bevatten. Daarnaast zijn er nog tanks voor basisstoffen en tussenopslag.

Als hoofd engineering is Rüdiger John verantwoordelijk voor het complete automatiseringsproject, van de planning van de vloeistofproductie tot de implementatie en inbedrijfstelling. Om alle processen soepel te laten verlopen, vertrouwt hij op Beckhoff. ‘Al bij de eerste implementaties van de Beckhoff-technologie in onze oude fabriek in 2014 was ik onder de indruk van de flexibiliteit van hun pc-gebaseerde besturingen.’

Volledige besturingstechniek

De nieuwe faciliteit telt maar liefst 335 aandrijvingen (kleppen, pneumatische actuatoren), 17 pompen en roerwerken, ongeveer 240 meetpunten (waaronder druk- en temperatuursensoren, massadebietmeters, ultrasone debietmeters en niveausensoren) en 13 begeleidende verwarmingen. Daarbij komen de aansluiting van deelaggregaten, de toevoer van gezuiverd water, de productoverbrenging via vier reinigingsturbinesystemen, de afvalwaterbehandeling, de centrale afzuiging, de stikstof- en argontoevoer en de opslag van ethanol voor de hoestdruppels op alcoholbasis. Met uitzondering van een paar kleinere componenten levert Beckhoff de volledige besturingstechniek, inclusief software en engineering.

De besturingstechniek is in een netwerk opgenomen via Ethercat en diverse i/o-aansluitingen, verdeeld over meerdere schakelkasten en IP67-beschermde Ethercat-modules. In totaal zijn er bij Engelhard ongeveer 460 Ethercat-slaves geïnstalleerd, waaronder verschillende IO-Link-masters voor het aansluiten van rfid-lees-/schrijfkoppen. Voor gevaarlijke zones worden talrijke Ethercat-klemmen uit de ELX-serie toegepast, die een breed scala aan procesvariabelen bestrijken.

Bij de bouw van de productiehal zelf heeft Elektro Beckhoff, onderdeel van de Beckhoff-groep, een groot deel van de elektrische planning en installaties verzorgd. Dat heeft de integratie met de procesautomatisering aanzienlijk vereenvoudigd. ‘Voor de productie van hoestsiroop is proceswarmte en -koude nodig. De benodigde units staan op het dak of in de kelder en zijn via warmtewisselaars gekoppeld aan het systeem. Uiteraard worden ook de productiehallen zelf en de kantoren via deze weg geklimatiseerd’, legt Andreas Wieners uit. Samen met Stefan Maßmann en Jürgen Bolte begeleidt hij het automatiseringsproject vanuit Beckhoff. ‘Deze evenwichtsoefening onder de knie krijgen is niet gemakkelijk, maar voor het ontwerp en de optimalisatie van de besturing was en is het een groot voordeel dat de verschillende secties geautomatiseerd zijn met pc-gebaseerde besturing inclusief Twincat.’

Momenteel onderzoekt Engelhard of het zinvol is om ook andere producten uit zijn assortiment op de nieuwe lijn te produceren, zoals mondspoelingen voor tandartsen en suspensies voor baby’s. Elke productwissel vereist namelijk uitgebreide reinigingscycli. Hier komt een belangrijke specialiteit van de installatie tot uiting. ‘We hebben de verschillende reinigingscycli en recepten voor de productie van vloeistoffen in de Twincat-besturing gemaakt en in het met Twincat HMI gerealiseerde receptcontrolesysteem geïmplementeerd’, vertelt Wieners’ Beckhoff-collega Maßmann.

Rüdiger John wijst op de in de tanks geïntegreerde videobewaking. ‘Daarmee kunnen we de schuimvorming in de tank controleren en de vulniveaus op plausibiliteit controleren, zonder dat we de tanks hoeven te openen.’ Dit voorkomt mogelijke besmetting van de geneesmiddelen. In totaal zijn er zestien camera’s plus verlichting geïntegreerd in het Twincat HMI-gebaseerde visualisatiesysteem. Indien nodig kan elke operator de live beelden laten weergeven op een van de zestien Beckhoff-bedieningspanelen en panel-pc’s die over de hele fabriek zijn verspreid. John heeft een CP3716-1076-bedieningspaneel direct in het kantoor van de teamleider laten installeren. ‘Dit geeft de verantwoordelijken volledige toegang vanaf kantoor zonder dat de kantoor-it verbonden is met het productienetwerk.’

Rfid-technologie

Elk bedieningsstation is voorzien van een rfid-lezer waarmee de productiemedewerkers zich moeten aanmelden bij het systeem voordat ze het kunnen gebruiken. De rfid-tags van de operatoren zijn achteraf uitgerust met RMD-asics, waarmee ze compatibel zijn met het toegangscontrolesysteem van het pand. ‘De medewerkers melden zich niet alleen met hun tags aan bij de bedieningsstations, ze gebruiken ze ook om in het gebouw en in de voor hen vrijgegeven productieruimtes te komen’, verklaart John. In totaal zijn er tien gebruikersprofielen gedefinieerd en in Twincat HMI geïmplementeerd.

Ondanks de hoge automatiseringsgraad worden de verschillende containers nog steeds handmatig op elkaar aangesloten door middel van slangen. Om foutieve verbindingen of ontbrekende eindsluitingen betrouwbaar te detecteren, wordt er eveneens gebruikgemaakt van rfid-technologie. Tags op elke slang en rfid-lezers op de lijnverbindingen maken alle componenten en hun positie in het proces uniek identificeerbaar, waarmee een consistente kwaliteit en procescontrole zijn gegarandeerd.

Voor elk productieproces slaat het systeem alle handmatig te leggen slangverbindingen op als een soort receptinstructie: neem slang nummer 5 en koppel die aan de aansluitstukken 4 en 8. Pas als alle slangen (tags) aan de juiste aansluitstukken (rfid-lezers) zijn bevestigd, geeft Twincat de volgende processtap vrij, bijvoorbeeld het verpompen van een batch naar de opslagtanks van de vul- en verpakkingslijnen een verdieping lager. ‘We kunnen de tags op de slangen zelfs gebruiken om te checken dat alleen slangen worden gebruikt die geschikt zijn voor de media en vooraf zijn gereinigd’, stelt Maßmann. En als een medewerker toch een fout maakt bij de aansluiting, dan herkent Twincat dit onmiddellijk aan de hand van de ongeldige tag-id. Vervolgens wordt de processtap onderbroken tot de juiste slangverbinding gemaakt is.

Van de in totaal vijftig rfid-lezers zullen er enkele in het slangstation worden geïnstalleerd. ‘Dat willen we binnenkort aanpakken’, kijkt John vooruit. Zijn stappenplan omvat ook onderwerpen als het koppelen van de productieplanning aan campagnes en vraagvoorspellingen vanuit het erp-systeem op een hoger niveau. ‘Op een gegeven moment willen we de recepten kunnen implementeren vanuit SAP’, schetst John een van de toekomstige uitbreidingen. Volgens hem zal ook dat geen probleem zijn dankzij het open en flexibele pc-gebaseerde besturingsplatform.