NotAus Lichtwellenleiter

Bringt Licht in die Automation

Wie Sie mit Lichtgeschwindigkeit Ihre Produktion steigern

Ein Hersteller pharmazeutisch-optischer Produkte wollte seine Produktion um mehrere weitere Fabrikationseinheiten erweitern. Dabei sollte über ein internes ausfallsicheres Netzwerk der Signalaustausch der verschiedenen Teilanlagen gewährleistet sein. Die Aufgabenstellung war anspruchsvoll, aber nicht unlösbar. Man muss nur bereit sein, eine in diesem Bereich noch recht unübliche Technologie einzusetzen: Lichtwellenleiter in der internen Kommunikation.

Wo Kupferkabel an ihre physikalischen Grenzen stoßen, kommen Lichtwellenleiter ins Spiel. ( © Androm – Fotolia)

Wo Kupferkabel an ihre physikalischen Grenzen stoßen, kommen Lichtwellenleiter ins Spiel. Wenn es im internen Netzwerk große Distanzen zu überwinden gilt, macht das Kupferkabel schlapp. Bei einer maximalen Kabellänge von 100 m bedeutet dies für eine Betriebserweiterung, dass für jedes Modul ein eigenes Netzwerk installiert werden müsste. Diese dezentralen Netzwerke erfordern höheren Personalaufwand und bringen weniger Transparenz. Elektromagnetische Störungen und der Potenzialausgleich sind weitere Probleme, vom hohen Gewicht der Kupferkabel mal ganz abgesehen. Darüber hinaus können Kupferkabel wegen der Gefahr von Blitzeinschlägen nicht im Außenbereich eingesetzt werden.

Glasfaserkabel bzw. Lichtwellenleiter sind beim Aufbau eines umfassenden internen Netzwerkes die erste Wahl. Mit ihnen lassen sich auch große Distanzen überwinden, also im Falle einer Betriebserweiterung alle Produktionseinheiten in ein großes Netzwerk einbinden.

Weitere Vorteile: Glasfaserkabel arbeiten wesentlich schneller. Die Bildaufschlagszeiten sind extrem kurz, bei einem Netzwerk mit 1 GBit/s. Das ist so schnell, als wäre man direkt am Server. Elektromagnetische Störungen gibt es nicht, und eine Verlegung im Außenbereich stellt ebenfalls kein Problem dar. Das ist insbesondere dann relevant, wenn im internen Netzwerk auch Distanzen im Außenbereich überbrückt werden müssen.

Bisher lief alles perfekt: ein Produktionsbereich wurde von einem Tagestanklager mit Lösemitteln versorgt. Das war überschaubar und zentral steuerbar. Jetzt sollte eine zweite Produktionseinheit in den Kreislauf eingebunden werden, also ebenfalls vom Tagestank­lager Lösemittel beziehen. Gleichzeitig sollte die Erweiterung so ausgerichtet sein, dass problemlos weitere Teilanlagen hinzugefügt werden können.

Und: die gesamte Kommunikation muss ausfallsicher sein und soll über ein Netzwerk laufen, um zentral mit wenig Personal überwacht und gesteuert werden zu können. Sprich: Erhöhung der Produktion ohne Personalaufstockung. Gleichzeitig muss das Netzwerk so konzipiert sein, dass beim Ausfall von Teilanlagen die übrige Produktion aufrechterhalten wird.

Werksweite Kommunikation: alles im Blick

Mit Lichtwellenleitern wird ein Netzwerk für die vorhandene und neue Produktion aufgebaut. Die Kommunikation über die Lösemittelverteilung vom Tanklager mit Lkw-Anschluss zum Tagestanklager und von dort zu den beiden bestehenden Produktionsanlagen und den sechs neuen Produktionsanlagen bis zur Entsorgung der verbrauchten Lösemittel läuft über einen Lichtwellenleiterring aus Glas. Hierüber werden die Steuerungs- und Visualisierungssignale an sieben Bedienstationen geleitet, die strategisch günstig über das gesamte Werk verteilt sind.

An jeder dieser Stationen können sich die Anlagenbediener einen Überblick über die Details der gesamten werksweiten Lösemittelversorgung verschaffen, den Produktionsprozess steuern und bei Problemen sofort eingreifen. Mit entsprechender Passwortebene kann sich der Anlagenbediener an jeder Station anmelden. Der Prozess kann also mit geringem Personalaufwand und kurzen Wegen von mehreren Stationen aus beobachtet und kontrolliert werden, da ein kontinuierlicher Signalaustausch zwischen den Teilanlagen stattfindet. Der gesamte Datenfluss wurde GMP-qualifiziert.

Im Ring bleibt alles im Fluss

Für das Netzwerk wurde ein Lichtwellenleiterring aus Glas mit einer Gesamtlänge von 1200 m errichtet. Als Redundanzmanager wurde ein Siemens-Switch projektiert, ein zweiter Switch steht als Ersatz-Redundanzmanager bereit – fällt der eine aus, ist der andere sofort zur Stelle. Dazu kamen die sieben Netzwerkswitche für die Bedienstationen und Anbindung der Teil- und Produktionsanlagen.

Zur Erhöhung der Ausfallsicherheit wurde jedem Switch eine USV vorgeschaltet. Diese Batterien sichern die Stromversorgung im Falle einer Störung. Fällt ein Switch aus, übernimmt der Redundanzmanager sofort die Richtungsumkehr des Datenflusses. Die Daten können also im Ring immer fließen, egal in welche Richtung. Die fehlersichere Steuerung überträgt die Signalpakete zu den Remote-IO (RIO)-Stationen in den Teil- und Produktionsanlagen. So ist eine fehlerfreie und zuverlässige Kommunikation (Not-Halt) von normalen Daten wie auch sicherheitsrelevanten Daten (Nothalt, SIL2-konform) sichergestellt.

In dieses System können jederzeit weitere Teilanlagen und Produktionsanlagen integriert werden. Die werksweite Kommunikation wird in dem Fall um entsprechende Switches und Bedienstationen erweitert. Auch die neuen Anlagen sind in den Datenaustausch aller Teilanlagen eingebunden. Alle Steuerungs- und Visualisierungssignale werden ebenfalls an die neuen Bedienstationen geleitet. Die hochleistungsfähigen Lichtwellenleiter machen eine Erweiterung des Netzwerks ohne Qualitäts- und Geschwindigkeitsverlust möglich.

Weniger Abfall

Durch den erhöhten Lösemittelbedarf steigt natürlich auch der Lösemittelabfall. Bei nur einer Produktionsanlage war es möglich, die Flüssigkeit in 1000-Liter-IBC-Container zu leiten und dann entsorgen zu lassen. Bei der doppelten Menge wurde dieses System zu aufwändig. Ab der dritten Produktionsanlage wurde es unmöglich.

Deshalb wurden in die Anlage nach der letzten Produktionseinheit ein Puffertanklager und eine Destillation integriert. Hier wird das Lösemittel-Wassergemisch destilliert. Das Wasser wird Umwelt unschädlich in die Kanalisation geleitet, während die nun wesentlich geringere Abfallflüssigkeit in Tanks gesammelt wird. Die Destillation ist ebenfalls in das Lichtwellenleiter-Netzwerk integriert und kann von allen Bedienstationen aus überwacht werden.

Arbeitsschutz voll integriert

Wenn Lösemittel im Produktionsprozess verwendet werden, sind besondere Anforderungen im Arbeits- und Gefährdungsschutz zu berücksichtigen. Bei eventuellem Lösemittelaustritt besteht Brandgefahr. Außerdem kann es zu einer Gefährdung durch Gasaustritt kommen. Mit SIL1 und SIL2 lassen sich jederzeit im Lichtwellen-Netzwerk Signale für Not-Halt, Gaswarnung und Brandschutz integrieren, ebenso eine sichere Abschaltung von Aktoren.

Für die Zukunft gerüstet

Aufbau eines internen Netzwerks zur Erweiterung der Produktion, Signalaustausch aller Teilanlagen, zentrale Steuerung, Vermeidung außerplanmäßiger Stillstände, Zukunftssicherheit – mit dem Lichtwellenleiterring als Netzwerk können alle Anforderungen mehr als erfüllt werden. Durch die Integration eines Siemens-Switches als Redundanzmanager und der sieben Netzwerkswitche bleiben die Daten im Fluss, die Anlage läuft völlig störungsfrei. Von allen sieben Bedienstationen aus kann die komplette Produktionsanlage gesteuert und beobachtet werden. Zukünftige Teilanlagen können problemlos integriert werden, zusätzlicher Personalaufwand ist nicht nötig.

Die Anlage wurde unabhängig vom Tüv Süd geprüft und abgenommen. Das Gesamtprojekt wurde gemäß den Anforderungen der GAMP5 geplant, errichtet und qualifiziert.

* Der Autor ist Inhaber der Lehmann Engineering GmbH, Osthofen.

Quelle der Veröffentlichung: https://www.process.vogel.de/wie-sie-mit-lichtgeschwindigkeit-ihre-produktion-steigern-a-484071/index3.html

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