Automatisierung in komplexen Produktionsumgebungen

Hochindividuelle Produktionsprozesse sicher beherrschen

In einigen Industriezweigen und Anwendungsfeldern sind zentrale Steuerungs- und Überwachungseinrichtungen bis hin zu kompletten Leitständen bereits essentielle Werkzeuge zur Vernetzung von Prozessketten, beispielsweise in der kontinuierlichen Verfahrenstechnik. Die Industrie 4.0 verspricht eine durchgehende Datenerfassung für eine flexible und adaptive Steuerung diskreter und hochautomatisierter Prozessabfolgen auch in komplexen Produktionsumgebungen. Ein Beispiel dafür ist etwa die Kultivierung lebendiger Zellen.

Prozessautomatisierung und -steuerung sind in der Zelltechnologie ein kritisches Unterfangen. Denn Einflussfaktoren wie Zelldichte, Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Gaskonzentration, aber auch die stark ausgeprägte genetische Individualität von Zellprodukten verlangen der Prozessführung viel ab: Um diese Komplexität in der automatisierten Produktion zu beherrschen, sind ein hoher Vernetzungsgrad der einzelnen Geräte sowie eine nahtlose Integration der Messtechnik in die Prozesssteuerung wichtige Voraussetzungen.

Im Verbundprojekt »StemCellFactory« hat das Fraunhofer IPT gemeinsam mit Partnern aus Forschung und Industrie eine vollautomatisierte Produktionsplattform zur Produktion von Stammzellen entwickelt. Diese Plattform verfügt über zahlreiche Komponenten der Qualitätssicherung und der Zellprozessierung, die über einen zentralen Leitstand miteinander vernetzt sind. Alle Zellkolonien unterliegen kontinuierlichen Messungen, auf deren Basis die Prozessparameter immer wieder automatisch angepasst werden. Der speziell zu diesem Zweck entwickelte Leitstand steuert den gesamten Prozess und überwacht die Geräte und den Materialeinsatz. Bei Unterschreitung von Ressourcen, beispielsweise der Füllstände von Prozessmedien, wird der Anwender automatisch vom System informiert. Die Ressourcenverwaltung der Geräte übernimmt ein automatischer Scheduling-Algorithmus.

Neben den Geräten zur Qualitätssicherung und Prozessierung verfügt die Plattform über verschiedene Grundfunktionalitäten auf Feldebene und über sicherheitsrelevante Systeme, die mit einer speicherprogrammierbaren Steuerung versehen sind. Diese wurde als weiteres Modul in die Produktionsplattform integriert und mit dem Leitstand verbunden.  Darüber hinaus verfügt die StemCellFactory über verschiedene Logging-Funktionen, die die Datendurchgängigkeit auf Prozess-, und Geräteebene sicherstellen. Die Daten werden systematisch erfasst, aufbereitet und abgespeichert. Eine anwenderfreundliche Bedienoberfläche zeigt dem Benutzer alle relevanten Daten an und unterstützt die Auswertung.

Die StemCellFactory ist ein Beispiel dafür, wie mit vernetzten, adaptiven Systemen selbst hochindividuelle Produktionsprozesse flexibel und effizient gestaltet werden können.