Pharma 4.0 mit intelligenter Formatverstellung

„Intelligente Formatverstellung“ ist nicht unbedingt ein Begriff, der in der Pharma-Branche sofort aufhorchen lässt. Wenn man jedoch die Herausforderungen in der pharmazeutischen Produktion betrachtet, die von Kosten- und Wettbewerbsdruck sowie strengen Regularien geprägt sind, bedeutet eine intelligente Formatverstellung Wettbewerbsvorteile in Sachen Effizienz, Produktqualität und Prozesssicherheit. Mit automatisierten, vernetzten Lösungen können Pharmaunternehmen einen entscheidenden Schritt Richtung Pharma 4.0 gehen.

In der Pharmaindustrie ist das Konzept des Centerlining relevant, bei dem stets die optimalen Maschineneinstellungen zu wählen sind, um unnötige Abweichungen des Prozesses und so eine Beeinträchtigung der Produktqualität zu verhindern. Es gilt, Fertigung, Technik, Instandhaltung und eine elektronische Datenerfassung bestmöglich zu vernetzen, um die Anlageneffizienz optimal auszunutzen. Daneben ist in der pharmazeutischen Produktion bei wachsender Produktvielfalt und immer geringeren Chargengrößen eine hohe Flexibilität der Anlagen gefordert.

Hier kommt die Formatverstellung ins Spiel, die ein entscheidender Faktor in Sachen Anlagenverfügbarkeit sein kann. Mit einem optimierten Formatwechsel können Umrüstzeiten bei den Produktwechseln deutlich reduziert und die Prozesssicherheit erhöht werden. Die Siko GmbH, Hersteller von Sensoren und Positioniersystemen, stellt verschiedene Möglichkeiten der Formatverstellung vor, von rein mechanischen Positionsanzeigen, bis hin zu vollautomatisierten Positionierantrieben.

In der pharmazeutischen Herstellung findet Formatverstellung allerorten statt, insbesondere bei Verpackungsprozessen, Kennzeichnung oder Inspektion von Produkten. Immer wenn für ein neues Produkt die Maße an der Maschine geändert werden müssen, handelt es sich um eine Verstellung des sogenannten Formats – ob händisch über eine Kurbel oder automatisiert per Stellantrieb.

Bei einer Veränderung der Maschineneinstellungen ist stets Vorsicht geboten, da sich Fehler einschleichen und so das Produktergebnis negativ beeinflussen können. Eine überwachte oder gar automatisierte Formatverstellung minimiert das Risiko fehlerhafter Einstellungen und kann die Prozesse flexibler gestalten. Die Vorteile einer optimierten Formatverstellung sind:

Unterschieden wird zwischen manueller, überwachter und automatischer Formatverstellung. Welche Art des Formatwechsels am besten geeignet ist, hängt von den Anforderungen ab: Je häufiger Formate verstellt werden müssen und je qualitativ anspruchsvoller die Produktion ist – was im Pharmabereich die Regel ist –, desto sinnvoller ist der Einsatz von überwachten oder automatisierten Positioniersystemen.

Bei der manuellen Formatverstellung sind sowohl mechanische als auch elektronische Positionsanzeigen im Einsatz, die den Ist-Wert der aktuellen Position angeben. Sie eignen sich für Basismaschinen mit eher seltenen Verstellungen. Die gängigen mechanisch-digitalen SIKO-Positionsanzeiger sind sehr präzise, gut ablesbar und werden für jede Applikation spezifisch konfiguriert.

Elektronische Positionsanzeigen haben gegenüber den mechanischen den Vorteil, dass sie frei programmierbar sind und dadurch flexibler einsetzbar. Parameter wie Spindelsteigung, Kommastellen, Drehrichtung, Einbaulage oder Nutzung im Winkelmodus lassen sich bequem konfigurieren. Praktisch: Mechanische und elektronische Varianten sind anbaukompatibel, sodass eine Umrüstung oder Erweiterung unproblematisch ist.

Eine überwachte Formatverstellung wird durch busfähige elektronische Positionsanzeigen mit Soll-Wert-Vorgabe ermöglicht, die in die Maschinensteuerung eingebunden sind. Ist- und Soll-Werte werden zwischen den einzelnen Positionsanzeigen und der übergeordneten Steuereinheit mit Hilfe einer Rezeptverwaltung, in der alle Produktvarianten mit ihren Soll-Werten als Rezepte hinterlegt sind, ausgetauscht und abgeglichen. Dies ermöglicht eine erhöhte Prozesssicherheit, da die Anlage erst dann wieder angefahren wird, wenn alle Soll- und Ist-Werte an den Anzeigen übereinstimmen. Ausschuss oder Beschädigungen an Anlagenteilen werden so vermieden. Die Verstellung der Achsen wird bei dieser Variante immer noch manuell durchgeführt; die Überwachung der korrekten Einstellungen erfolgt elektronisch.

Das Besondere an den elektronischen Positionsanzeigen sind die LED-Leuchten, die den Positionsstatus für den Bediener klar ersichtlich darstellen: Grüne Leuchten für „Position korrekt“, rote Leuchten signalisieren „Position nicht korrekt“. Zudem beinhaltet das Display eine integrierte Pfeilrichtungsanzeige, die angibt, in welche Richtung die Verstellung zu erfolgen hat.

Eine überwachte Formatverstellung kann in der pharmazeutischen Produktion beispielsweise bei häufig zu verstellenden Anlagen für Kartoniermaschinen oder bei der Kennzeichnung von Produkten hilfreich sein. Eine relativ neue Entwicklung sind „Track & Trace“-Anlagen, über die verschreibungspflichtige Arzneien mit einer eindeutigen, nachverfolgbaren Kennzeichnung versehen werden müssen. Dabei werden verschiedenste Prozesse wie Drucken, Lesen, Etikettieren und Wiegen und damit zahlreiche Verstellungen durchlaufen. Die Prozesssicherheit dieser Anlagen wird mit einer überwachten Formatverstellung deutlich erhöht.

Erfolgt die Verstellung von Achsen ohne jegliche manuelle Eingriffe, spricht man von automatischer Formatverstellung über Kompaktstellantriebe. Der mit der Maschinensteuerung vernetzte Stellantrieb fährt die geforderte Position direkt an. Mit der Automatisierung wird noch einmal eine deutliche Reduzierung der Umrüstzeiten erreicht. Außerdem ist die Automatisierung lohnenswert, wenn häufig schwer zugängliche Anlagenteile verstellt werden müssen.

Ein Stellantrieb zeichnet sich durch seine hochintegrierte Bauweise aus, die alle Komponenten in einem Gerät vereint: der bürstenlose Gleichstrommotor (der verschleißfrei ist), ein spielarmes und leistungsstarkes Getriebe sowie Positionsgeber und Leistungs- und Steuerungselektronik. Die Integration des Stellantriebs in die Maschinensteuerung sowie die Kommunikation mit der Steuerung sind nicht zuletzt dank einer Vielzahl gängiger Standardschnittstellen einfach möglich. Dazu zählen Siemens-konforme Profibus- oder Profinet-Schnittstellen, kostengünstige serielle Schnittstellen wie RS485 und CAN, IO-Link sowie moderne Industrial-Ethernet-Schnittstellen.

Je nach Anforderung der Anwendung kommen verschiedene Leistungsklassen der Stellantriebe in Frage: von kleinen Antrieben mit geringem Leistungsbedarf für eine Feinjustage bei einem Faltschachtelmagazin bis zu Zuführsystemen für große Kartonagen, bei denen ganze Maschinenaggregate mit Stellantrieben mit relativ hohen Drehmomenten bewegt werden müssen.

Auch bei dieser Variante der Formatverstellung gilt, dass die Steuerung erst dann das Wiederanfahren der Anlage veranlasst, wenn der Prozessdatenaustausch zwischen Antrieb und Steuerung eine Übereinstimmung von Ist- und Soll-Werten ergeben hat.

Eine weitere Funktionalität des Kompaktstellantriebs ermöglicht es, Rückschlüsse auf den Betriebszustand einerseits des Antriebs selbst als auch der Anlage an sich zu ziehen: die Diagnosefähigkeit. Durch die Sammlung und Überwachung verschiedener Parameter des Antriebs, wie Stromaufnahme im Motor, Temperatur oder Spannungswerten an Steuer- und Laststromkreis, lassen sich frühzeitig Unregelmäßigkeiten und damit ein Wartungsbedarf erkennen. Bei Überschreiten von festgelegten Werten können direkt Maßnahmen ergriffen werden.

In der Pharmaproduktion hat eine intelligente Formatverstellung mehrere Dimensionen: Es gibt die unmittelbar messbaren Effekte wie Senkung der Rüstzeiten, Erhöhung der Anlagenverfügbarkeit, Effizienzsteigerungen und Erhöhung der Prozesssicherheit. Zudem helfen intelligente Lösungen, einen solchen sekundären Prozess innerhalb der Produktion möglichst „geräuschlos“ zu vollziehen. Über die Formatverstellung sollte man sich möglichst keine Gedanken machen müssen; wenn sie gut und sicher funktioniert, kann sich das Augenmerk auf zentrale anspruchsvolle Tätigkeiten wie die Line Clearance oder die umfangreiche Dokumentation richten.

Peripheriebausteinen wie Positionsanzeigen und Stellmotoren kommt im Zuge der zunehmenden Automatisierung und Digitalisierung ein immer höherer Stellenwert zu. Das zeigen neuere Entwicklungen wie die „Track & Trace“-Systeme. Zusätzliche Benefits wie Datensammlung, Eigendiagnosen und Lebensdauerüberwachung der Komponenten machen die smarte Formatverstellung zu einem entscheidenden Bestandteil von Pharma 4.0.

Jürgen Schuh