Neue Mobilität

Schnelle, präzise und kontaminationsfreie Chargenbereitstellung in der Chemie

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18.09.2008 Das neue Shuttledos-System wurde vor allem für solche Branchen entwickelt, in denen eine möglichst vollautomatische Rezepturzusammenstellung von sehr vielen Rezepten im geschlossenen System mit strikter Linientrennung und Kontaminationsvermeidung realisiert werden muss. Eine besondere Herausforderung ist der Gewichtsbereich. Ganz wichtig ist auch schnelle Rezepturumstellung und Reduzierung der Ausfallzeiten bei Farbwechsel.

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Mit dem Shuttledos-System werden Komponenten vollautomatisch in mobile Container dosiert. Dabei spielt es keine Rolle, ob diese Rohstoffe in Silos lagern, in Big-bags oder in Container angeliefert oder als Sackware über Einfülltrichter zugegeben werden. Das System ermöglicht eine optimale Linienanordnung. Es können getrennte Linien für Groß-, Mittel- und Kleinkomponenten aufgebaut werden, die durch Quertransportsysteme miteinander verbunden sind.

Die Lagerbehälterausläufe des Systems ragen von oben durch die Decke oder sind in einem Gestell untergebracht. Sie sind mit Austrags- und Dosierorganen versehen. Die Fahrschienen werden von der Decke abgehängt. Dadurch gibt es keinerlei Bodenaufbauten. Um hohe Durchsatzleistungen zu erzielen, ist jede Dosierstelle mit einer eigenen Waage ausgestattet. Bei geringerer Durchsatzleistung können bis zu vier Komponenten auf eine Waage zusammengeführt werden. Diese kann sowohl auf die Gebindegröße als auch auf die geforderte Wiege- und Dosiergenauigkeit abgestimmt sein. Sicherheitsbedingt werden Übergabestellen definiert, an denen die leeren Container in das System eingeschleust werden. Die mobilen Shuttle-Einheiten bringen die leeren Container entsprechend der Rezeptur zu den einzelnen Dosierstellen. Dort werden die Komponenten exakt über Grob-/Feindosierung eindosiert und gewogen. Die Shuttle-Einheiten können außen an den Containern vorbeifahren, die gerade befüllt werden, und transportieren andere weiter, bei denen der Dosierprozess abgeschlossen ist. So wird ein Höchstmaß an Flexibilität erreicht. Durch die intelligente Konzeption werden hohe Taktzahlen erzielt. Die komplette Anlage wird über ein Prozessleitsystem bedient, gesteuert und überwacht. Der vollautomatische Produktionsbereich kann so ausgelegt sein, dass er komplett abgeschlossen ist und durch Kameras überwacht wird. Dies ermöglicht den mannlosen Betrieb.
Durch wenige Shuttles auf einer Linear-Anordnung werden relativ viele Container in der Anlage bewegt. Durch das Abstellen der Container auf den Waagen können viele Container gleichzeitig mit dem zugeordneten Produkt befüllt und exakt eingewogen werden. Hiermit werden große Chargenanzahlen und Container-Ausbringungen erreicht. Übersteigt die Anzahl der zu dosierenden Rohstoffe die Maximalzahl einer linearen Anordnung, so sind verschiedene Matrix-Varianten denkbar.

Kontaminationsfreies Andocken mit integrierter Waagenentkopplung

Das neue Andocksystem ist kostengünstig und vereinigt gleichzeitig zwei wichtige Funktionen wie staubdichtes Andocken und gleichzeitige Waagenentkopplung in einem System. Dadurch wird Kontamination ausgeschlossen, es wird vermieden, dass sich Produkte untereinander vermischen, dass Staub austritt und dass offene Behältnisse transportiert werden müssen. Im Gegensatz zu den seit Jahren eingesetzten Doppelklappen-Systemen ist diese Entwicklung technisch wesentlich einfacher, unkomplizierter und lässt sich daher auch bei zahlreichen Komponenten preiswert einsetzen. In diesem System ist sowohl die Dosierung als auch der zu befüllende Container verschlossen. Durch das Andocken gehen Dosierorgan und Batchtainer eine staubdichte Verbindung ein. Ein spezielles, flexibles System sorgt für die Waagenentkopplung während dem Dosieren und Wiegen.

Dieses Konzept wurde so entwickelt, dass es für möglichst viele Produktaufgabesysteme geeignet ist. So ist es egal, ob Dositainer aufgesetzt werden, Dosiboxen, Einfülltrichter mit Dosierschnecken oder pneumatisch beschickte Abscheider – das modulare Andocksystem ist in allen Fällen gleich und daher universell einsetzbar. Durch das staubdichte, kontaminationsfreie Andocken ist eine Produktverschleppung und Kreuzkontamination ausgeschlossen. Darüber hinaus ist das System wartungsarm, einfach zu reinigen und totraumfrei.

Neues, lineares Wiegesystem

Das lineare Wiegesystem zeichnet sich durch seine Bodenfreiheit und die präzise Dosierung und Verwiegung aus. Pro Stunde werden bis zu 20 bis 30 Container mit fünf bis zehn exakt eingewogenen Komponenten pro Container bereitgestellt. Das Shuttledos-System ermöglicht diese hohe Chargenanzahl, weil jede Dosierstelle über eine eigene Waage verfügt; es wird also zeitsparend parallel gewogen. Bei geringerer Durchsatzleistung können auch zwei oder vier Komponenten auf eine Waage zusammengeführt werden. Die Waagen können sowohl auf die Gebindegröße als auch auf die geforderte Wiege- und Dosiergenauigkeit abgestimmt werden. Wenn hochgenaues Wiegen gefragt ist, werden beispielsweise Negativ-Wiegesysteme eingesetzt. Auf diese Weise können engste Toleranzen eingehalten werden, auch wenn die Gewichte der einzelnen Komponenten weit auseinander liegen.

Das Shuttledos-Transportsystem ist preiswerter als herkömmliche fahrerlose Transportfahrzeuge. Bei einer schnellen Chargenbereitstellung sind lineare Systeme von Vorteil. Wenn es gilt, individuelle Abgabeplätze anzufahren, sind wiederum fahrerlose Transportfahrzeuge, die frei programmierbar sind, von Vorteil. Deshalb ist es für den erfahrenen Anlagenbauer wichtig, dass er Erfahrungen über beide Systeme hat und diese auch entsprechend in die Projektierung einbringen kann.
Das neue System verzichtet auf Befestigungen am Boden und arbeitet komplett bodenfrei. Daher entfallen die üblichen, hohen Anforderungen an die Bodenebenheit und -beschaffenheit. Es können unterschiedliche Gefäße unabhängig von ihrer Fassung und Höhe durch die Anlage getaktet werden. Die Bodenfreiheit bietet zusätzlich den Vorteil, dass dieser Anlagenbereich einfach und hygienegerecht beispielsweise mit automatischen Reinigungsmaschinen gesäubert werden kann.
Der Kernpunkt des neuen Systems sind die mobilen Shuttle-Einheiten. Sie können an Gefäßen bzw. auch Containern außen vorbeifahren, bei denen gerade ein Wiegeprozess abläuft und diejenigen Gefäße weitertransportieren, die bereits befüllt sind oder an einen Dosierplatz gebracht werden müssen. Aufgrund der unabhängigen Fahrschienen für Container und Transporteinrichtung können sich die Shuttles frei auf der gesamten Anlagenlänge bewegen. Durch dieses neue Prinzip können die Taktzeiten enorm gesteigert werden.
Das System lässt eine optimale Wegführung je nach Rezeptur zu. Die Komponenten können abhängig von der Raumsituation variabel ein- bzw. zwei- oder mehrreihig aufgestellt werden. Die Shuttle-Einheiten fahren alle Dosierstellen mit hoher Geschwindigkeit an. Dies wird durch das Leitsystem ermöglicht. Es sorgt dafür, dass die Sammelcontainer automatisch zu den freien Dosierstellen geführt werden.

Große Herausforderung für Prozess-IT und Visualisierung

Moderne Herstellungsprozesse stellen hohe Anforderungen bezüglich Schnelligkeit, Flexibilität und Sicherheit. Besonderen Wert wird auf Kontaminationsfreiheit und einfache Reinigung gelegt. Die Folge dieser Anforderungen sind häufig rohrlose Fabriken mit einem hohen Nutzungsgrad von Containersystemen und anderen Wechselgebinden. Die Steuerung dieser Fabriken stellt neue Anforderungen an die Prozessleitebene. Die wichtigsten Herausforderungen sind:

  • Sicherstellen der Produktionsverfolgung durch Track & Trace;
  • Erfassen aller in der Anlage befindlichen Container und Wechselgebinde;
  • Überwachen aller Punkte, an denen Container in den Produktionsprozess eingebracht sowie vom Prozess befüllt und entleert werden;
  • Überwachen der Haltbarkeitsdaten bei verderblichen Produkten;
  • minimierte Reinigungszeiten, gesteigerte Hauptnutzungszeiten.

Die Basis des Prozessleitsystems ist ein Container-Identifikationssystem und eine Datenbank zur Speicherung der Containerdaten. Als Identifikationssystem werden je nach Anwendungsbereich Barcode- oder RFID-Lösungen eingesetzt. Wichtig für die Durchgängigkeit des Systems ist die Überwachung aller Punkte, an denen Aktivitäten mit den Containern durchgeführt werden. Das sind zum Beispiel Andockpunkte, Entleerplätze, automatische Transportsysteme oder auch Lagerbereiche.

Mit mobilen Erfassungsgeräten können manuelle Bewegungen der Container und Aktivitäten der Bediener leicht erfasst werden. Sie bieten eine optimale Mischung aus Sicherheit und maximaler Transparenz trotz Bewegung und Flexibilität. Moderne windowsbasierte Geräte bieten Sicherheit durch gute Bedienerführung und Direktverbindung zum Prozessleitsystem.

Mit MES vom Rohstoff bis zurVerpackung

Sollen Produktivität und Effizienz eines Unternehmens gesteigert werden, müssen Herstellungsprozesse optimal und kontinuierlich aufeinander abgestimmt werden. Manufacturing Execution Systeme (MES) unterstützen bei der dazu erforderlichen Koordination alle herstellungsrelevanten Applikationen und Ressourcen. Ergebnis ist die Steigerung der Prozesstransparenz, der Produktflexibilität, der Planungsoptimierung, der Produkteffizienz, der Qualität und letztendlich der Wettbewerbsfähigkeit.

Für die Chemie bietet ein neues MES-Softwarepaket einen Ansatz in MES, die Optimierung von Produktionsprozessen herbeizuführen, indem Prozessdaten sichtbar und Fertigungsabläufe auf der Basis von Kennzahlen transparent gemacht werden. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Online-Datenerfassung und der zeitnahen Datenauswertung. Datenintelligenz dient zur Akquisitation und Analyse, Rüstzeitanalyse etc.
Mit dem Prozessleitsystem Kastor wird man den Anforderungen auf eine lückenlose Identifizierung und Dokumentation von der Warenannahme, dem Wiegen, dem Dosieren und Mischen aller Rohstoffe bis hin zum Abfüllen, Abpacken und Kommissionieren des Endproduktes gerecht.
Bei der Produktions- und Prozessplanung sind mehr und mehr Werkzeuge gefragt, mit denen schon im Vorfeld nachgewiesen werden kann, dass das in der Planung befindliche System alle gewünschten Anforderungen erfüllen wird. Je früher Ergebnisse in der Planungsphase vorliegen, desto schneller können Weichenstellungen in die optimale Richtung vorgenommen werden. Wenn 20 bis 30 Chargen pro Stunde mit rund 8 bis 10 Komponenten pro Container und sehr viele verschiedene Rohstoffe und Rezepturen vorliegen, kann dies nicht mehr manuell berechnet werden.
Das System muss modellierbar sein, d.h. die Prozesse des realen Systems sind bekannt und so verstanden, dass Ausführungszeiten und Regeln beschrieben werden können. Die System-Komplexität ist so hoch, dass die Simulation mögliche System-Interaktionen und ihre gegenseitige Beeinflussung verdeutlichen kann; analytische Berechnungen des Systems sind aufgrund der Komplexität nicht mehr möglich. 3D-Darstellungen erlauben es dem Anwender zu sehen, wie sich die geplante Situation unter bestimmten Prozessbedingungen verhält.

Voll in den Automatisierungsprozess integriert

Das neue System lässt sich problemlos in ein Gesamtsystem integrieren. Die Großmengen, die im Normalfall in Außensilos lagern, werden über pneumatische Saugwiegesysteme gefördert, gleichzeitig gewogen und an mehreren Abgabestellen innerhalb des Systems bereitgestellt. Dies gilt auch für Klein- und Kleinstmengen, die sich nicht voll automatisieren lassen. Das bedienergeführte, manuelle Wiegezentrum Mandos als Einzelstation oder bei sehr vielen Kleinkomponenten, kombiniert mit einem AKL-Lager, ist dann sinnvoll, wenn Kleinstmengen wie Additive, Farben etc., die durch ihre Konsistenz oder aber auch durch ihren Produktionsbedarf, nämlich Menge und Häufigkeit, nicht rentabel vollautomatisiert werden können. Aber gerade diese Kleinstmengen sind es, die die Rezeptur entscheidend beeinflussen; deshalb dürfen sie auf keinen Fall unkontrolliert und undokumentiert dem Verarbeitungsprozess zugeführt werden.

Analog dazu werden die Flüssigkomponenten vollautomatisch gewogen und dem Mischprozess zugeführt. Hierfür stehen Lagertanks, Container oder Fässer zur Verfügung. Diese müssen je nach Konsistenz der Flüssigkomponenten temperiert werden und werden ebenfalls über Flüssigwiegesysteme, sei es Additiv- oder über Negativ-Wiegetechnik, dem Mischprozess zugeführt.

Heftausgabe: September 2008

Über den Autor

Frank Pahl , Leiter Forschung und Entwicklung Azo
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