Modulare Architektur in Laborsystemen

Mehr Struktur für Laborprozesse und Scale-up.

Scale-up beginnt im Labor. Durch einen strukturierten und modularen Aufbau von Laboranlagen werden Daten vergleichbar, Versuche reproduzierbarer und der Übergang zur Produktion einfacher. CTE zeigt anhand eines ersten Projekts mit HiTec Zang, wie sich bewährte, modulare Softwarearchitektur aus Produktionsumgebungen ins Labor übertragen lässt, damit Produkte später mit minimalem Aufwand hochskaliert werden können.

Kurzübersicht

Mehrwert für unsere Kunden sind:

Bessere Vergleichbarkeit von Laborversuchen

Effizienterer Scale-up-Prozess

Weniger manueller Aufwand bei Auswertung und Datenintegration

Gerhard Schnydrig

Bereichsleitung Automation

Kontakt

Laboranlagen entstehen oft schrittweise. Neue Geräte kommen hinzu, Versuchsaufbauten werden angepasst, Sensoren ergänzt und Auswertungen projektbezogen erweitert. Genau diese Flexibilität ist im Laboralltag erwünscht. Gleichzeitig führt sie aber häufig dazu, dass Signale fortlaufend neu benannt werden und das Programm mit der Zeit unübersichtlich wächst. Dadurch liegen Daten nicht strukturiert vor, und Versuchsergebnisse müssen mit hohem manuellen Aufwand zusammengeführt werden.

Spätestens wenn Erkenntnisse aus dem Labor in Richtung Pilot oder Produktion weitergegeben werden sollen, zeigt sich die Schwäche dieses Ansatzes. Die Programme und Dokumentation aus der Laborautomation lassen sich nicht einfach hochskalieren und die Vergleichbarkeit über Versuche, Parameter und Rezepturen hinweg ist nur mit Nacharbeit möglich. Auch die spätere Einbindung in übergeordnete Systeme oder Historian-Lösungen wird aufwendig.

Für Unternehmen bedeutet das: Der Schritt von „Laborerkenntnis“ zu „produktionsnahem Betrieb“ kostet Zeit, birgt Fehlerpotenzial und bremst den Transfer.

Produktionsarchitektur fürs Labor

Genau hier setzte das gemeinsame Projekt mit einem Kunden an. Ziel des Projekts war es, die aus Produktionsanlagen bewährte, modulare Softwarearchitektur auf ein Laborsystem zu übertragen. Labordaten sollten in einem ähnlichen Format und mit einer vergleichbaren Struktur vorliegen wie Daten aus produktionsnahen Anlagen.

Im Sinne der Mini-Plant-Idee bedeutet das: Auch kleinere Labor-Skids mit eher einfachem Equipment werden nicht als eine einzige, lose zusammengefügte Einheit betrachtet, sondern in funktionale Module und Prozesseinheiten gegliedert. Die Ein- und Ausgänge werden nicht mehr einfach über die gesamte Anlage hinweg durchnummeriert, sondern den jeweiligen Modulen zugewiesen. Dadurch lassen sich Informationen einfacher abrufen, besser auswerten und für spätere Scale-up-Schritte direkt weiterverwenden.

Darüber hinaus wird durch die Modultechnik auch die übergeordnete Rezeptur- und Ablaufsteuerung übersichtlicher. Die einzelnen Module können klarer strukturiert und einfacher in batchfähige Abläufe eingebunden werden. Dadurch steigt die Flexibilität, um Versuchsabläufe rasch anzupassen, zu erweitern oder neu zu kombinieren.

Vom losen Laboraufbau zur modularen Struktur: Die Laboranlage wird in Module und Prozesseinheiten gegliedert, deren IOs produktionsnah benannt und dadurch mit skalierten Modulen im Produktionsumfeld vergleichbar werden.

Erstes Projekt mit HiTec Zang

Für dieses Projekt arbeitete CTE erstmals mit dem Laborsystem von HiTec Zang. Das Unternehmen ist auf Labor- und Miniplant-Automatisierung spezialisiert. Mit dem LabVision-System bietet HiTec Zang eine modular aufgebaute Laborautomatisierungsplattform, die je nach Ausbaustufe von einfacher Messwerterfassung bis zu vernetzten Systemen mit vielen Ein- und Ausgängen reicht.

Im Portfolio von HiTec Zang gibt es unterschiedliche Bausteine, passend zum Skalierungsgrad der Anlage:

LabBox
Geeignet für kleinere Anlagen mit wenigen I/Os, v. a. wenn Signale primär über das Netzwerk erreichbar sind (z. B. via Modbus TCP)

Lab-Manager
Für grössere Anlagen, erweiterbar mit I/O-Karten; Sensoren und Aktoren lassen sich einfach über Stecker anbinden

DC-Manager
Ebenfalls erweiterbar wie der LabManager, jedoch für fest aufgebaute Anlagen gedacht, mit Einbau in den Schaltschrank und fester Verdrahtung

Für die erste Anlage verwendeten wir den DC-Manager, auf dem unser modular aufgebautes Programm läuft. Funktionen wie Dosieren, Temperieren oder Rühren werden als klar abgegrenzte Module umgesetzt. Die Benennung der Signale, die Zuordnung der Datenpunkte und die spätere Weitergabe an übergeordnete Datenstrukturen orientieren sich an diesen Modulen. Auf diese Weise entsteht ein Datenmodell, das sich deutlich einfacher in einen produktionsnahen Kontext übertragen lässt und damit die Brücke vom Labor zur Pilotierung und Produktion stärkt.

Wer Laboranlagen von Beginn an modular denkt, schafft die Voraussetzung für bessere Auswertungen, höhere Vergleichbarkeit und einen deutlich effizienteren Scale-up-Prozess.

Gerhard Schnydrig • Bereichsleitung Automation

Durchgängigkeit bis in den Historian

Die Informationen aus den Laboranlagen werden so strukturiert, dass sie sich in einen Historian beziehungsweise in eine produktionsähnliche Datenwelt einordnen lassen. Das erleichtert nicht nur die Versuchsauswertung, sondern auch den Vergleich mit späteren Pilot- oder Produktionsanlagen. Wer beim ersten Laborversuch bereits ähnliche Datenstrukturen verwendet wie im späteren Anlagenbetrieb, reduziert Medienbrüche und schafft Datendurchgängigkeit über den gesamten Entwicklungsprozess hinweg.

Die Umsetzung liess sich insgesamt gut realisieren. Das Laborsystem von HiTec Zang bietet genügend Funktionalität, um unsere gewohnten modulbasierten Programmstrukturen umzusetzen. Gleichzeitig gab es zwei Learnings, die für ähnliche Projekte wichtig sind:

Ein erster Stolperstein war das Arbeiten mit dem LabVision-Tool für klassenbasierte Programmabschnitte. Der Ansatz liess sich grundsätzlich nutzen, das Instanziieren verlief jedoch nicht ganz so reibungslos, wie man es von anderen Systemen kennt. Die Verknüpfungen zwischen den instanziierten Skripten und den Bedienelementen erfolgten nicht vollständig automatisch und erforderten zusätzliche manuelle Eingaben.

Für den Projektalltag heisst das: Der modulare Ansatz funktioniert, aber man muss mehr Augenmerk auf die saubere Verkettung und Konsistenz der Instanzen legen.

Eine weitere Herausforderung war die flexible Anbindung an den Historian, in unserem Fall den AVEVA PI-Server. Die Daten konnten zwar relativ einfach über OPC UA bereitgestellt werden, und zwar direkt in einer Struktur nach ISA- 88, wie sie auch in Produktionsanlagen üblich ist. Nutzt man allerdings wie gewohnt die Flexibilität des Laborsystems und ergänzt beispielsweise einen neuen Messpunkt, kann dieser nicht automatisch ins PI übernommen werden. Schnittstelle und Mapping müssen aktuell noch von der für PI zuständigen Person manuell angepasst werden – das ist uns noch nicht flexibel genug. Bereits diskutiert werden hier daher Ansätze mit generischen Platzhaltern, die bei Bedarf verwendet werden können oder gar eine dynamische Zuordnung von Messpunkten über Kontextdaten.

Haben Sie Interesse an einem ähnlichen Projekt?

Buchen Sie ein unverbindliches Gespräch mit Gerhard Schnydrig, Bereichsleitung Automation.

Jetzt Kontakt aufnehmen

Fazit

CTE hat im Projekt gezeigt, dass sich auch ein Laborsystem so strukturieren lässt, dass es die Vorteile einer modularen Produktionsarchitektur nutzbar macht. Die Anlage bleibt in der Entwicklungsphase flexibel anpassbar, gleichzeitig werden Schnittstellen und Datenstrukturen so aufgebaut, dass ein späterer Übergang in Pilotierung, Projektgeschäft oder sogar in eine Systemumstellung mit möglichst geringem Zusatzaufwand möglich wird.

Der eigentliche Mehrwert liegt dabei nicht nur in der Automatisierung einzelner Laborfunktionen, sondern in der Qualität und Wiederverwendbarkeit der entstehenden Daten. Wer Laboranlagen von Beginn an modular denkt, schafft die Voraussetzung für bessere Auswertungen, höhere Vergleichbarkeit und einen deutlich effizienteren Scale-up-Prozess.

Weitere spannende Einblicke in unseren Alltag:

MTP-Standard für Plug & Produce Prinzip

MTP mit PCS neo

Grafik zur industriellen Prozessautomation nach ISA-88 Standard

Industrielle Prozessautomation nach ISA-88 Standard