Zukunftssicheres Steuerungssystem für Tablettenpressen

Blitzschnell reagieren

17.02.2007 Die Steuerung einer Tablettenpresse ist alles andere als trivial. So müssen Mess-, Steuerungs- und Regelprozesse bei immer höheren Geschwindigkeiten koordiniert und präzise durchgeführt werden. Dazu kommt, dass die Maschine und ihre Steuerung weltweiten Standards genügen muss. In der Praxis werden diese Forderungen durch den Einsatz eines VME-Bus-Rechners erfüllt, der einer klassischen SPS weit überlegen ist.

Tablettenpressen sind komplexe Systeme in einem hochsensiblen Produktionsbereich. Sie zählen in der pharmazeutischen Produktion zu den wichtigsten Produktionseinrichtungen. Hier ist also das höchstmögliche Maß an aktueller Technik gefordert, um die neuesten Erkenntnisse aus wissenschaftlichen Untersuchungen in den Produktionsprozess umzusetzen zu können und um entsprechende Produkte herstellen zu können.

Spätestens mit dem Einsetzen der Globalisierung müssen Tablettenpressen allerdings auch noch eine weitere Forderung der Anwender erfüllen: Sie müssen global kompatibel sein und – über alle Kontinente hinweg – den gültigen Regeln entsprechen. Genau dieser Punkt wird im Wesentlichen durch den Einsatz der VME-Bus-Technik erfüllt.
Das Steuerungskonzept der Tablettenpressen von Fette ist dezentral ausgelegt und verteilt Aufgaben, Leistung und Intelligenz auf die drei Einrichtungen Tablettenpresse, Schaltschrank und Bedienpult. Grundlage der dezentralen Struktur bilden ein Feldbus (CAN-Bus) und ein IT-Netzwerk (Ethernet TCP/IP). Der CAN-Bus verbindet mit einem einzigen Kabel verschiedene und mit bestimmter Intelligenz ausgestattete Steuerungskomponenten wie etwa die Verstellantriebe für die Druckstationen oder die Frequenzumrichter für Hauptantrieb und Fill-O-Matic. Über den Feldbus werden Befehle und Informationen bidirektional zwischen den Busteilnehmern ausgetauscht. Dieses Konzept ergibt eine deutliche Einsparung an Bauteilen und Verkabelung, weniger Stecker sowie weniger Verbindungen. Fehler- und Ausfallwahrscheinlichkeit werden herabgesetzt, die Wartung wird einfacher und schneller, und somit ist insgesamt mehr Verfügbarkeit gegeben. Platzeinsparung ist hier schon fast ein nebensächlicher Aspekt, bedeutet aber auch Reserven für zukünftige Einrichtungen.
Drei Rechnersysteme teilen sich die komplexen Mess-, Steuer- und Regelungsaufgaben. Bedienung, Anzeige, Auswertung und Protokollierung erfolgen über einen Industrie-PC im Bedienpult, der gleichzeitig auch die Schnittstelle über Ethernet TCP/IP zu übergeordneten Systemen wie SCADA (Supervisory Control and Data Aquisition) und MES (Manufacturing Execution Systems) bildet. Die Einhaltung der 21 CFR Part 11-Regularien ist ebenfalls Bestandteil des Bediensystems. Dieses beinhaltet insbesondere: Log-in/Log-off-Organisation, Userlevel-Verwaltung, Elektronic Batch Recording und Audit Trail.
Das zweite Rechnersystem ist eine klassische Sicherheits-SPS, die für die Personensicherheit zuständig ist. Not-Aus und Abschaltung bei Öffnung der Fensterklappen während des Betriebes gehören zum Beispiel dazu.
Ein VME-Bus-Rechner bildet das Kernstück des Steuerungssystems und ist zuständig für die komplexen Mess-, Steuer- und Regelungsprozesse. Die Kommunikation zum Bedien-PC erfolgt über das aus der IT-Welt bekannte Ethernet TCP/IP Interface. VME steht für Versatile Module Europe und wurde ursprünglich von Motorola entwickelt. Die VME-Technologie ist eine herstellerunabhängige, weltweit offene und standardisierte Computerplattform. Organisationen wie die VITA (VME International Trade Association), VSO (VITA Standards Organisation) und ANSI (American National Standards Institute) bestimmen die Standards und Normungen.

Produktion innerhalb der Toleranzen

Weltweit werden von etwa 120 Unternehmen Komponenten für dieses System entwickelt und gebaut. Durch den Einsatz des Echtzeitbetriebssystems OS-9 auf dem VME-Bus-Rechner arbeitet hier ein Rechnersystem, das hinsichtlich Geschwindigkeit, Determinismus, Echtzeit- und Multitaskingfähigkeit sowie Flexibilität und Offenheit den hohen mess-, steuer- und regelungstechnischen Ansprüchen entspricht und damit einer klassischen SPS überlegen ist.

Der VME-Bus-Rechner wird seit 15 Jahren eingesetzt. Das zukunftsfähige System kann jedem technologischen Wandel angepasst werden, zum Beispiel mit einer schnelleren CPU. Es wird weltweit in jede Art von industriellen Be- und Verarbeitungsmaschinen eingebaut und ist wegen seiner hohen Leistungsfähigkeit auch in so anspruchsvollen Bereichen wie Raumfahrt, Telekommunikation oder Luftfahrt, wie etwa Flugsimulatoren, im Einsatz.
Die Prozesssicherheit wird durch drei Regelkreise gewährleistet. Das sind die Presskraftkontrolle, die Gewichtskontrolle und die Härtekontrolle. Werden die in engen Toleranzen vorgegebenen Werte über- oder unterschritten, geht ein Signal vom Steuerrechner über den CAN-Bus an den Aktor (Servoantrieb). Der Aktor bewirkt eine Nachregelung, die eine weitere Produktion innerhalb der Toleranzen sicherstellt. Gleichzeitig wird die fehlproduzierte Tablette aussortiert. Die Steuerungskomponenten, beispielsweise die Aktoren, sind so ausgelegt, dass sie diesen Vorgang selbst regeln.
Zu den Steuerungskomponenten gehören auch so komplexe Einrichtungen wie der Checkmaster, der die Kontrolle von Höhe, Durchmesser, Gewicht und Härte der produzierten Tabletten übernimmt, darüber hinaus das Gratex zum Entgraten und Entstauben, gegebenenfalls der Aufwärtsentstauber, der zusätzlich zum Entgraten und Entstauben auch vertikal fördert, und das Loadingcenter zur Produktabfuhr auf Fässern. Bei WIP-Pressen können das zusätzlich noch das WIP-Center zur Versorgung der Wascheinrichtungen mit Wasser oder Isolatoren bei den Containment-Pressen sein. Auch das Luft-Management ist bei Containmentpressen eine mess-, steuer- und regelungstechnische Herausforderung, die mit diesem Steuerungskonzept gelöst ist.
Berücksichtigt man, dass bei der höchsten Produktionsgeschwindigkeit alle drei Millisekunden eine Tablette produziert wird, erkennt man, dass Überwachung und Regelung ein zeitkritischer Vorgang sind. Das gilt auch für das Aussortieren einzelner fehlerhafter Tabletten per Weiche oder Luft. Die Geschwindigkeit, mit der Werte ermittelt, übertragen und verglichen werden – und darauf reagiert wird, spielt also eine entscheidende Rolle für eine sichere Produktion.

Keine Beschädigung des Stempels

Das Punch-Saving-System ist eine weitere zeitkritische Überwachungsfunktion. Die hohen Messgeschwindigkeiten beim Ermitteln der Presskraft an der Vordruckrolle bewirken zum Beispiel, dass bei einer zu hohen Vorpresskraft beim Hauptdruck gar nicht mehr gepresst wird. Innerhalb von Millisekunden wird der Rotor angehalten. Der entsprechende Stempel kann nicht überlastet und dabei beschädigt werden. Die Presskraft wird bei voller Geschwindigkeit alle 140 ms gemessen. Ein Encoder mit 3600 Impulsen pro Umdrehung ermittelt die Position des Stempels. Hier wirkt der neue Torqueantrieb für den Rotor positiv, da eben kein Getriebe mehr zwischen Motor und Antriebswelle zwischengeschaltet ist. Der neue Torqueantrieb hat nahezu keine Verschleißteile; weitere Kennzeichen sind Wartungsfreiheit, hohes Drehmoment, hohe Dynamik, geräuscharmer Lauf und minimale Wärmeentwicklung.

Trotz der nach wirtschaftlichen Kriterien und damit technologisch sehr differenzierten Produktpalette, ist die Steuerung in allen Typen gleichartig ausgelegt. Alle Pressen haben die gleiche Steuerungsstruktur und die gleichen Rechnersysteme. Die gesamte Typenreihe dieser Tablettenpressen entspricht somit dem neuesten und zukunftssichersten Stand der Technologie.

Durch das Steuerungskonzept lassen sich Bauteile und Verkabelung einsparen

Heftausgabe: Februar 2007

Über den Autor

Ingo Schmidt , Grupppenleitung E- und Softwareentwicklung, Fette
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