Kontaminationsfreies An- und Abdocken von mobilen Schüttgutbehältern zum dosierten Befüllen

Konstruiert wurde dieses Andocksystem namens Cleandock von dem Maschinen- und Anlagenbauer AZO. Gemeinsam mit Festo hat AZO die Automatisierung dafür entwickelt. „Damit das Produkt dort bleibt, wo es hingehört, in Zielbehälter und Dosierorgan, müssen beide vor dem Andocken geschlossen sein“, erläutert Frank Pahl, Entwicklungsleiter bei AZO. Das klingt einfach, ist es aber nicht. Denn vor allem aus dem Fallrohr des Dosierorgans, das sich vor dem Andocksystem befindet, dürfen vor dem An- und nach dem Entkoppeln keine darin anhaftenden Produktreste herausfallen beziehungsweise Staub in die Umgebungsluft abgeben. Beides, Staub und Produktreste, werden durch das Andocksystem zurückgehalten. Die Wirksamkeit dieses Docking-Systems liegt vom Standpunkt des Containments gesehen zwischen den klassischen Andock-Systemen und den in der Pharmaindustrie eingesetzten Systemen (Doppelklappensysteme bzw. split valves).

Voll automatisierter An- und Abdockprozess

Beim An- und Abdocken des Cleandocks sorgt eine direkt auf der Ventilinsel integrierte, dezentrale Steuerung dafür, dass Dosierorgan und das Zielgefäß – ein mobiler Container oder Behälter – vor und nach dem Befüllen hermetisch verschlossen sind. Das erhöht die Prozesssicherheit. „Während einige am Markt verfügbare Doppelkegelsysteme die Verschleppungsfreiheit nicht konsequent einhalten, ist diese beim Cleandock durch die Linienberührung der am Dichtvorgang beteiligten Bauteile stets gewährleistet“, erklärt Pahl.

Zusammen mit dem Automatisierungspartner Festo hat AZO das Andocksystem in Richtung schnelle Inbetriebnahme, Fehlerreduktion und mehr Sicherheit beim Abfüllen weiterentwickelt. Dabei steuert die dezentrale Steuerung CEC, die direkt in die Ventilinsel CPX/MPA integriert ist, die pneumatischen Antriebe des Andock-Systems. Steuerung, Ventilinseln und Linearantriebe stammen von Festo. Sensoren am Cleandock melden an die Steuerung zurück, ob die einzelnen Schritte ordnungsgemäß stattgefunden haben.

Das Steuerungssystem von Festo ist eine Automatisierungsplattform für Elektrik und Pneumatik von kleinen Maschinen oder Subsystemen. Sie bindet pneumatische und elektrische Steuerketten einfach, schnell und flexibel an unterschiedliche Automatisierungssysteme und firmenspezifische Standards an. Die Programmierung des Gesamtsystems erfolgt über Codesys. Das vermindert Schnittstellen und vereinfacht das Engineering und Handling. Und so wird auch die Zuverlässigkeit von Maschinen und Anlagen erhöht.

Das An- und Abdocken des Cleandocks (Aktivteil) am Deckel des Zielbehälters (Passivteil) erfolgt mithilfe von Linearantrieben, die sich am Cleandock befinden. In dem Behälterdeckel, der auch zu dem Cleandock-System gehört, ist ein Kegelventil eingelassen, das die Einfüllöffnung öffnet und verschließt. Außerdem ist in dem Behälterdeckel ein Schlauchkompensator eingebaut, der ein Hochziehen des Deckels erlaubt. Im ersten Bild ist der Deckel bereits hochgezogen. Der Kompensator dient zum einen als flexibles Verbindungselement für die An- und Abdockbewegung. Zum anderen ermöglicht er die Be- und Entlüftung beim Befüllen, weil er aus einem luftdurchlässigen Filtermaterial besteht. Der Kompensator verhindert außerdem Kraftnebenschlüsse auf die Waage, damit exakte Dosier- und Wiegeergebnisse erreicht werden.

Pneumatische Spannelemente fixieren den Behälterdeckel am Cleandock. Der Deckel hat einen Kegelverschluss, der über einen Linearantrieb im angedockten Cleandock zusammen mit dem Kegelverschluss im Cleandock selbst geöffnet wird. Ein zusätzlicher pneumatischer Klopfer dient zum Lösen von eventuell festsitzenden Schüttgutresten im Dosierorgan.
Der gesamte An- und Abdockprozess mit der dosierten Befüllung läuft so ab:

• Das mobile Zielgefäß (Behälter) fährt unter das Dosierorgan; dabei sind die Li-nearantriebe am Cleandock ausgefahren.
• Die Linearantriebe ziehen den passiven Behälterdeckel nach oben; dazu fahren die Linearantriebe ein, der Verriegelungsmechanismus wird mit Druckluft aktiviert,
  d. h., die Verriegelungsklauen sind geöffnet.
• Sobald der Behälterdeckel am Cleandock anliegt, wird die Druckluft am Verriegelungsmechanismus deaktiviert, d. h., das Cleandock ist mit dem Behälterdeckel fest verbunden.
• Die beiden Kegelverschlüsse des Behälterdeckels und des Cleandocks werden mit einem Linearantrieb, der oben mittig auf dem Cleandock sitzt, gleichzeitig geöffnet.
• Sobald die richtige Schüttgutmenge dosiert wurde, schließt der Linearantrieb am Cleandock die beiden Kegelverschlüsse wieder. Dabei wurde die Dosiermenge mit einer Waage gemessen und an das PLS gemeldet.
• Der Behälterdeckel wird entriegelt.
• Die Linearantriebe setzen den Behälterdeckel wieder ab.
• Das befüllte Zielgefäß fährt weiter.

Die Linearantriebe sind mit Näherungsschaltern ausgerüstet, die die Endpositionen an das Steuerungsteil der Ventilinsel zurückmelden. Zusätzlich wird über induktive Näherungssensoren überwacht, wann der passive Behälterdeckel wirklich am Cleandock anliegt. Auch diese Sensoren geben Rückmeldung an die Ventilinsel. Sofern die Rückmeldungen nicht dem Soll innerhalb des programmierten Programmablaufes entsprechen, werden Fehlermeldungen ausgegeben. Zusätzlich werden das Cleandock und der Behälterdeckel miteinander verriegelt. Dies geschieht ebenfalls über einen pneumatischen, federrückgestellten Verriegelungsmechanismus, der pneumatisch geöffnet und mechanisch geschlossen wird. Dies wird über einen auf der Ventilinsel integrierten Drucksensor überwacht und an die Steuerung gemeldet. Im Programm sind zahlreiche weitere Prüfmechanismen während des An- und Abdockvorgangs hinterlegt, die für einen sicheren Prozessablauf sorgen. So wird unter anderem abgeglichen, ob die beiden Linearantriebe, die den Deckel an das Cleandock heranziehen, parallel ein- bzw. ausfahren, um ein schräges/fehlerhaftes An-/Abdocken zu vermeiden. Über diese Sensorik und einen ständigen Soll/Ist-Abgleich innerhalb des Programms wird der An- und Abdockvorgang des Cleandocks autark (dezentral) geregelt.

Dezentrale Steuerung ermöglicht schnelle Inbetriebnahme des Systems

Das modulare, elektrische Terminal CPX mit integrierter Steuerung CEC und der Ventilinsel MPA steuern die pneumatischen Antriebe und Spannelemente in dem Docking-System.

In größeren Vorratslagern werden teilweise recht viele verschiedene Rohstoffe vorgehalten. Entsprechend hoch kann dann der Bedarf an Docking-Systemen werden. „Die bislang höchste Anzahl von uns in einer Anlage verbauten Cleandocks beläuft sich auf rund 60 Stück“, erklärt Pahl. Da kann der Aufwand für Programmierung und Inbetriebnahme ziemlich groß werden, wenn die gesamte Steuerung zentral über ein Leitsystem erfolgt; zudem steigt die Fehlerwahrscheinlichkeit mit zunehmender Anzahl der Einheiten, die über das Prozessleitsystem gesteuert werden. Anders beim Cleandock: „Die dezentrale Steuerung auf der Ventilinsel beschleunigt die Inbetriebnahme einer Anlage und senkt das Fehlerrisiko“, versichert Pahl. „Das Prozessleitsystem gibt lediglich den Befehl zum An- und Abdocken. Sämtliche Detailvorgänge übernimmt das Cleandock selbst. Programmierer brauchen sich vor Ort bei der Inbetriebnahme nicht mehr um diese Detailabläufe kümmern.“

Dies ist ein wesentlicher Punkt – die Modularität von Anlagen: Immer häufiger verteilt sich die Automatisierung auf einzelne Anlagenmodule. Die Leitebene gibt lediglich den Takt vor und ruft eine Funktion auf; die dafür hinterlegten Prozessschritte braucht sie nicht zu kennen. Darum kümmern sich intelligente Module wie die auf der Ventilinsel integrierte Steuerung.