PI Electronics und Roche Vitamins optimieren mit NI LabVIEW Laborreaktoren

Author(s):
Daniel Roth - PI Electronics AG

Industry:
Medical/ Medical Instrumentation, Energy/Power

Products:
Datalogging and Supervisory Control, LabVIEW, FieldPoint

The Challenge:
Die MSR-Gruppe der Firma Roche Vitamins AG wurde beauftragt, einen neuen, flexiblen Labor-Reaktor zu entwickeln. Das Ziel bestand darin, einen Reaktionsprozess zu optimieren, die Theorie mittels Versuchsaufbau zu verifizieren, sowie Einflüsse einzelner Parameter zu untersuchen.

The Solution:
Bedingt durch begrenzte personelle Resourcen entschied man sich für eine gemeinsame Realisierung mit einem externen Partner und die Programmiersprache LabVIEW. Durch den Einsatz des LabVIEW-Erweiterungsmodul LV-DSC (Datalogging and Supervisory Control Module) konnte die Kanalkonfiguration, das Alarmhandling sowie die Datenarchivierung mittels Citadel-Datenbank sehr einfach implementiert werden. Außerdem wurden verwendeten FieldPoint-Module von NI verwendet.

LabVIEW in Pharma und Chemie

Für die Automatisierung von Pharma- und Chemielabors wird zunehmend LabVIEW von National Instruments (NI) eingesetzt. Mit der leistungsstarken, aber trotzdem einfachen und übersichtlichen Programmiersprache lassen sich komplexe Mess-, Steuer- und Automatisierungsaufgaben realisieren. Die Entwicklung von pharmazeutischen und chemischen Prozessen erfordert oft Anpassungen an den Versuchsanlagen. Im Gegensatz zur Vergangenheit, lassen sich diese Anpassungen heute jedoch oft durch Softwareänderungen realisieren.
Die graphische Programmiersprache LabVIEW ermöglicht eine schnelle Einarbeitung in bestehende Applikationen. Das umfangreiche, modulare Hardware-Angebot von NI reicht zudem von analogen und digitalen IO-Geräten hin bis zu komplexen Prozesssteuerungssystemen mit Echtzeit-Betriebssystem. Bestehende Geräte, wie zum Beispiel Waagen, Pumpen, Thermostate oder Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS), können über serielle Schnittstellen (RS232/485), USB oder Ethernet ins System integriert werden.

Optimierung eines Labor-Reaktors

Die MSR-Gruppe der Firma Roche Vitamins AG wurde beauftragt, einen neuen, flexiblen Labor-Reaktor zu entwickeln. Das Ziel bestand darin, einen Reaktionsprozess zu optimieren, die Theorie mittels Versuchsaufbau zu verifizieren, sowie Einflüsse einzelner Parameter zu untersuchen. Bedingt durch begrenzte personelle Resourcen entschied man sich für eine gemeinsame Realisierung mit einem externen Partner und die Programmiersprache LabVIEW. Wir, PI Electronics AG, sind seit 1995 Alliance-Partner von National Instruments und bieten Consulting, Konzepterstellung, Entwicklung von Gerätetreibern und Software-Applikationen mit LabVIEW an. Durch die enge Zusammenarbeit mit Roche Vitamins AG konnte bereits in der Planungs- und Realisationsphase von unserer langjährigen Erfahrung profitiert werden, sodass nach kurzer Zeit eine professionelle Automatisations-Software realisiert wurde. Verschiedene hierfür entwickelte Softwaremodule und Gerätetreiber können zudem für weitere Projekte wiederverwendet werden.

Die Anforderungen

Da es sich beim beschriebenen Projekt um Grundlagenforschung handelt, muss das Steuerungskonzept flexibel und modular aufgebaut sein. Je nach Versuchsresultat muss das System einfach angepasst, oder erweitert werden können. Der Prozess selbst ist von Temperatur, Druck, PH-Wert, O2-Gehalt von Gasen sowie der Rührergeschwindigkeit im Reaktor abhängig. Eine einfache, benutzerfreundliche Bedienoberfläche soll alle Prozessgrössen übersichtlich am Bildschirm darstellen. Die Stellgrössen der PID-Regelkreise müssen "manuell" oder "automatisch" betrieben werden können. Automatisierte Spühlabläufe für das Reinigen der Anlage sollen undefinierte Startbedienungen der Versuche ausschliessen. Alle Grössen sollen in der Form von Trenddarstellungen visualisiert werden.

Reaktor
Heizung: Huber-Thermostat
Kühlung: Kühlwasser
8 Liter / 0 bis 150°C / -1 bis 10bar

SW-Regelkreise
Rührerdrehzahl-Regelung
Autoklavendruck-Regelung
3 Durchfluss-Regelungen
Autoklaven-Temperatur (Kaskadenregelung)
PH-Regelung

Externe Stand-Alone-Geräte
Huber-Thermostat (RS232)
Dosierpumpe (RS232)
4 Stk. Mettler-Waagen (RS232)

Sensoren / Aktoren
Typ 4-20mA
Typ 0-10V
Thermoelemente
PT100
Ventile / Rührer / Heizungen

Sicherheitskonzept

Das Sicherheitskonzept wurde bereits in der Hardware so ausgelegt, dass durch falsche Kombination von Ventilstellungen, oder bei Stromausfall keine kritische Zustände entstehen können. Bei Not-Aus, Betätigung der Revisionstaste, oder Limitüberschreitungen und Störungen wird das System in einen jeweils sicheren Zustand gefahren (die Regler werden abgeschaltet, oder auf vordefinierte Werte gesetzt). Alarme und Warnungen müssen quittiert werden. Sie werden zudem in einem Logfile gespeichert.

Realisation

Durch den Einsatz des LabVIEW-Erweiterungsmodul LV-DSC (Datalogging and Supervisory Control Module) konnte die Kanalkonfiguration, das Alarmhandling sowie die Datenarchivierung mittels Citadel-Datenbank sehr einfach implementiert werden. Die verwendeten FieldPoint-Module von NI können via RS232/485, oder Ethernet-Schnittstellen angesprochen werden, wobei eine zukünftige Systemerweiterung gewährleistet ist.

User-Interface

Durch die übersichtliche Darstellung des Prozessfliessbildes konnte eine funktionelle, wie auch schnell erfassbare Bedienungsoberfläche gestaltet werden. Alle prozessrelevanten Daten sind auf einen Blick ersichtlich. Trends werden mittels Maus-Click ausgewählt und dargestellt.

Insgesamt konnte das System innerhalb einer sehr kurzen Zeit realisiert und erfolgreich in Betrieb genommen werden. Als sehr wichtig erwies sich die Modularität der Software mit deren Wiederverwendbarkeit der einzelnen Funktionen.
Die Zusammenarbeit von Roche Vitamins AG und PI Electronics AG ermöglichte eine rasche, unkomplizierte und erfolgreiche Projektabwicklung. Durch den Know-How-Transfer während der Entwicklungsphase lassen sich zukünftig Software-Erweiterungen auch durch Roche Vitamins AG selbst implementieren.

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Daniel Roth
PI Electronics AG
Tel: +41 56 4867011

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