Altbewährte Methoden und Vorgehensweisen im Labor sind auch heute noch unverändert im Gebrauch. Einfache Routinearbeiten wie Ablaufkontrollen von Temperatur, pH-Wert, Zugabe von Hilfsstoffen und die Eingabe der Messwerte in den Computer belegen den Hauptteil der Arbeitszeit. Dabei könnte ein Laborcomputer für diese Aufgaben den Laboranten entlasten.
Michael Klein, Andreas Zeiff
Sind computerüberwachte Prozesse in der Produktion längst Standard, so sucht man im Laborbereich häufig vergebens nach diesen modernen Hilfsmitteln. Speziell für den Laborbereich wurde nun das Konzept einer Laborautomation entwickelt. Individuell zugeschnittene Hardware-Komponenten und flexible Software erlauben eine universelle Anpassung an den Laborbetrieb.
Über 90% der Alltagsarbeit im Labor setzen sich aus wenigen immer wiederkehrenden Arbeitsschritten zusammen. Dabei spielt die Ausrichtung des Labors keine Rolle. Messreihen basieren fast durchweg auf standardisierten Ausgangsansätzen, die dann entsprechend variiert auf neue Ergebnisse überprüft werden. So sind Messwerte zu erfassen, Parameter einzustellen oder auf einem bestimmten Niveau zu halten und oft alles auf einmal oder in kürzeren Zeitabständen. Ein solcher Ablauf ist geradezu ideal geeignet für eine Steuerung per PC. Der Computer übernimmt die exakte Datenerfassung und Aufzeichnung und die rechnergestützte Parameterüberwachung gestattet von vornherein reproduzierbare Versuchsreihen ohne menschliche Fehlermöglichkeiten. So lassen sich in kurzer Zeit erheblich mehr Variationen und Untersuchungen zu einer bestimmten Aufgabenstellung durchführen als mit der bisherigen Handarbeit.
Die Laborautomatisierung von Captec basiert auf dem Konzept eines skalierbaren PCs, um die breite Palette der angebotenen Hardware-Komponenten nutzen zu können und eine bedienungsfreundliche Visualisierung zu ermöglichen. Im Laborbereich basiert die Datenein- und -ausgabe oft auf analogen Signalen für Sensoren und Aktoren. Hier bietet der PC Vorteile gegenüber einer eher auf digitale I/Os zugeschnittenen SPS.
Das Herz des Labor-PCs besteht aus dem modularen I/O-System. Ein Adam-5000-Controller wird über die serielle Schnittstelle des PCs angeschlossen und stellt acht Modulsteckplätze für ein dezentrales Messsystem zur Verfügung. Das RS485-Protokoll erlaubt hohe Datenübertragungsraten über Twisted-Pair-Leitungen zwischen PC und Controller. Der Controller ist für den industriellen Einsatz ausgelegt und kann mit Betriebsspannungen von zehn bis 30 V (DC) betrieben werden. Alle Eingänge (I/O, Stromversorgung und Kommunikationsanschluss) sind galvanisch getrennt, um Rückkopplungen und Störsignale zu minimieren. Ein Watchdog-Timer überwacht die ordnungsgemäße Funktion. Die Verbindungslänge von den einzelnen I/O-Modulen zu den Geräten darf bis zu acht Meter betragen.
Für die Bedienung des Controllers stehen Treiberbausteine für Windows-Betriebssysteme zur Verfügung, ebenso ein Windows-Programm für Modulsetup und Datenanzeige. Weitere Softwarebausteine und Programme können im PC installiert werden, um eine optimale Steuerung der Versuche, ergonomische Visualisierung oder auch die Einbindung der gewonnenen Daten in andere Datenbanken sicherzustellen. Dem Trend in der Industrie zum Ethernet-Bus folgend ist das modulare I/O-System als Adam-5000/TCP oder Adam-6000-Serie auch mit TCP/IP-Protokoll (10/100 Mbps) verfügbar.
Um den Übergang auf diese computerunterstützte Arbeit so einfach wie möglich zu gestalten, können bisherige Vorgehensweisen und Anlagen ohne größeren Aufwand übernommen werden. Eine intelligente Software erlaubt zum einen die 1 : 1-Abbildung des Prozesses auf dem Bildschirm, zum anderen die gewohnte Handbedienung der Anlage über diese virtuelle Abbildung im PC. Über die Festlegung der gewünschten Parameter lassen sich auch komplexe Regelkreise für Versuchsanordnungen oder Analysenabläufe fallspezifisch aufbauen.
Der PC ist bei entsprechender Auslegung ohne weiteres in der Lage, auch größere oder komplexe Aufgaben zu übernehmen. So wurden beispielsweise in einem Laborkomplex mit 15 Anlagen gleich zwei unabhängig voneinander zu betreibende Arbeitsplätze an einen Laborautomations-Computer angeschlossen. Jeder Arbeitsplatz benötigte sowohl Sensoren als auch Aktoren, in diesem Fall je ein pH-Meter, ein Thermometer und ein Messgerät zur Farberkennung sowie einen Temperaturregler und vier unabhängig angesteuerte Dosierschlauchpumpen. Sind durch Versuchsabläufe mittels Handbedienung genügend Daten für die Standardaufgaben erfasst, so kann der PC diese komplett bis zu einem vorgewählten Punkt übernehmen. Ab hier greift dann wieder der Mensch mit seiner Erfahrung für die Feinabstimmung des Prozesses ein. So vereinfachte der PC-Laborcomputer die Erforschung von Farbpigmenten aus beschichteten Glimmerplättchen und senkte die Kosten für den einzelnen Versuchsablauf erheblich.
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