Life Sciences 4.0

Ve čtvrtek 30. listopadu uspořádala Regionální hospodářská komora Brno exkurzi do Vídně na pracoviště LivingLab firmy Siemens. Akce se konala v rámci platformy Life Sciences 4.0, která si klade za cíl propojování průmyslových i akademických subjektů a odborníků v oblasti přírodních věd a průmyslových oborů, které výsledky těchto věd využívají. Patří sem zejména farmacie, ale i potravinářství nebo biotechnologická výroba.

Laboratoř LivingLab společnosti Siemens Process Industries je vývojové pracoviště, které se zabývá digitalizací výrobních procesů ve farmacii a bitechnologiích. Jde o jediné pracoviště firmy Siemens v Evropě, kde mohou zájemci vidět a v reálných podmínkách si otestovat nástroje určené pro realizaci koncepce průmyslu průmyslu 4.0 v oblasti dávkové výroby.

Integrované projektování, provoz a inovace

LivingLab se zaměřuje na tři oblasti. Za prvé je to digitalizace projektování dávkových výrobních procesů. Jde o integrovanou digitální podporu inženýrské práce od počáteční fáze projektování až po uvedení do provozu, například pomocí digitálních dvojčat.

Druhou oblastí je optimalizace výrobních systémů za provozu a elektronické řízení a kontrola výrobních procesů. To je zvláště důležité v oborech s přísnými regulatorními požadavky.

A za třetí, LivingLab umožňuje zkoumat trendy a inovace v různých oblastech procesního průmyslu, včetně využití cloudových platforem a aplikací. V této souvislosti jde zejména o možnosti, které nabízí ekosystém Siemens MindSphere, jako jsou jednoduchá integrace senzorů jako zařízení internetu věcí nebo nahrávání dat do cloudu. Data generovaná v provozu mohou být uložena v cloudu a použita k optimalizaci pomocí v cloudu dostupných softwarových nástrojů.

Technika Siemens v akci

V LivingLab se využívá několik různých produktů a systémů firmy Siemens. Ústředním prvkem je systém řízení procesů Simatic PCS 7. Tento systém např. řídí čerpadla, reguluje teplotu a pH a sbírá naměřená data.

V celém procesu od projektování a simulací výrobních procesů a zařízení až po údržbu a opravy se využívá softwarový systém COMOS.

Simatic SIPAT je systém umožňující využívat provozní analytickou techniku – PAT (Process Analytical Technology). Systém konsoliduje nashromážděná data a je zodpovědný za analýzu procesů a zpětnou vazbu do řízení procesů.

Hlavní roli v simulaci hraje software SIMIT. V neposlední řadě se v LivingLab využívá Simatic IT eBR jako nástroj pro řízení výroby kategorie MES (Manufacturing Execution System). Tyto technologie monitorují specifikace kvality a kritické parametry v reálném čase.

Integrace systémů Simatic SIPAT, SIMIT a IT eBR umožňuje plně využívat možností PAT: nekontroluje se jen kvalita konečného produktu, ale měří se i kvalitativní veličiny v průběhu výrobního procesu. Mohou tak být včas odhaleny chyby a vyrovnány odchylky procesů. Díky tomu se šetří surovinami i energií a produkty mohou být propuštěny rychleji než bez PAT.

Se systémem energetického managementu Simatic Energy Manager PRO společnost Siemens demonstruje, jak lze zprůhlednit spotřebu energie v procesním průmyslu a následně ji optimalizovat.

Produkty Siemens Scalance ukazují, jak lze vytvořit stabilní a bezpečné komunikační sítě v průmyslovém prostředí.

Laboratoř LivingLab překvapivě není umístěna v žádné velké tovární hale plné trubek a kabelů. Výsledkem práce v LivingLab totiž nejsou fyzické produkty, ale metody a algoritmy. Další odstavce podrobněji představí některá vybraná pracoviště LivingLab.

Integrovaná inženýrská práce: od projektování k řízení provozu a údržby

Mezinárodní konkurence, tlak na snižování nákladů a na zvyšování kvality a efektivity ovlivňují i inženýrskou práci.

Inženýrská práce nemůže být ani efektivní, ani kvalitní, nemohou-li se všichni, kdo pracují na daném projektu, spolehnout na konzistentní a aktuální data. Řešením je systém COMOS, modulární softwarový systém, který umožňuje spolupráci všech zúčastněných techniků a inženýrů, a to v rámci závodu, podniku nebo inženýrského týmu, který může zahrnovat i pracovníky externích společností. COMOS překonává bariéry mezi obory: společná data mohou využívat jak konstruktéři strojních zařízení, tak elektrokonstruktéři, projektanti potrubních rozvodů, technologové, automatizační technici a další. COMOS zajišťuje bezproblémový tok informací v jednotlivých fázích životního cyklu výrobního zařízení a usnadňuje integrované, konzistentní projektování a dokumentaci. Výsledkem je zrychlení a zkvalitnění práce díky automatizaci dříve časově a datově náročné výměny dat.

Testování a simulace ve virtuálním prostředí

Aby bylo možné uvádět produkty na trh rychle a ve vysoké kvalitě, jsou kromě již zmíněných integrovaných inženýrských pracovních postupů třeba také možnosti odzkoušet činnost nové navržené linky ve virtuálním prostředí. K tomu je určen simulační software SIMIT. Ten umožňuje v rámci jednoho systému simulovat a testovat automatizační projekty a provádět virtuální zprovoznění strojních zařízení a procesů. Na rozdíl od testování v reálném prostředí nabízí simulace chráněný prostor pro vyzkoušení nových scénářů, jejichž testování by v praxi bylo nákladné nebo nebylo bezpečné. Uživatelé zvláště ocení flexibilní a škálovatelnou strukturu a intuitivní uživatelské rozhraní. Díky široké škále komunikačních možností mezi systémem SIMIT a externími simulátory je možné využít specializovaný software k provádění ještě realističtějších simulací.

Kromě toho poskytuje SIMIT operátorům výrobní linky nebo pracovníkům údržby realistické školicí prostředí, a to ještě před skutečným uvedením reálného zařízení do provozu.

Provozní přístrojové vybavení a analytická technika

Společnost Siemens nabízí pod značkou Sitrans široký sortiment provozní přístrojové techniky: přesné a spolehlivé snímače tlaku, teploty, průtoku nebo hladiny významně přispívají k efektivitě výrobního zařízení a současně zlepšují kvalitu produktů. Inteligentní snímače je možné snadno integrovat do stávajících řídicích systémů a zajistit větší transparentnost a rozhodnutí založená na znalosti aktuálního průběhu procesů.

Provozní analytická technika, PAT, vychází z potřeb farmaceutického průmyslu. Snímače umístěné přímo jako součást výrobního zařízení umožňují v reálném čase získat informace, které dříve bylo možné získat jen laboratorním rozborem se zpožděním několika hodin nebo dnů. Právě proto americká agentura FDA přišla s koncepcí PAT, aby bylo možné při splnění všech přísných regulatorních požadavků kontrolovat kvalitu produktu a procesů již během výroby. To umožňuje urychlit propouštění produktů na trh a zlevnit farmaceutickou výrobu. Iniciativa FDA vedla k přehodnocení regulatorních požadavků ve farmaceutickém průmyslu: koncepce Quality by Design (QbD) přenáší dřívější kontrolu kvality již hotového produktu do samotného výrobního procesu, má urychlit výrobní procesy a zabránit výrobě vadných šarží léčivých přípravků.

Společnost Siemens vyvinula software Simatic SIPAT, který využívá zkušenosti firmy v oblasti PAT a správné výrobní praxe ve farmacii, aby přinesla zákazníkům i v tomto náročném průmyslovém odvětví větší flexibilitu, možnost jednodušeji přecházet na nové produkty a vstoupit na nové trhy.

Software SIPAT má řadu nástrojů, které podporují PAT ve vývojových a výrobních procesech; např. funkce pro analýzu procesů a nástroje pro řízení procesů a generování zpráv. Simatic SIPAT je schopen inteligentně interpretovat a propojovat data z těchto nástrojů a zajišťuje úplnou transparentnost dat počínaje vývojem produktu. Získané informace je možné použít jako zpětnou vazbu pro regulaci procesů v reálném čase na úrovni provozního řízení i pro spolehlivé předpovědi, s jejichž pomocí lze kvalitu a efektivitu procesu průběžně zlepšovat až na úrovni systému řízení výroby (MES), systému správy laboratorních informací (LIMS) a systému plánování podnikových zdrojů (ERP).

Další výhoda: online monitorování zajišťuje, že farmaceutičtí výrobci mohou lépe sledovat průběh procesů a pochopit jejich dynamiku. To např. umožňuje vyhnout se situaci, kdy se proces dostane k hranici stanovených podmínek a již není možné jej vrátit zpět.

Podle zkušeností zákazníků umožňuje Simatic SIPAT zvýšit využití technologického zařízení zhruba o jednu třetinu a výrobní náklady po krátké době snížit o 10 až 20 %.

Inteligentní monitorování stavu strojů

Znalost aktuálního stavu součástí strojů a výrobních zařízení umožňuje včasnou identifikaci hrozících poruch a zároveň umožňuje lepší plánování úkolů údržby. Nejde ale jen o prevenci odstávek. Zhoršující se stav zařízení s sebou může nést také zvýšenou spotřebu energie nebo surovin. Siemens ve farmacii stejně jako v jiných průmyslových oborech používá edge computing a cloudové systémy. Farmaceutické firmy sice většinou mají obavy svěřovat citlivá výrobní data do veřejného cloudu, ale podobně jako veřejná cloudová úložiště je možné využívat i privátní cloud, pokud mu firmy důvěřují více.

Bezpapírová výroba

S trochou nadsázky se říká, že ve farmacii je třeba více úsilí věnovat validaci výroby, dokumentaci šarží a propouštění produktů než vlastní fyzické výrobě. To platí zejména v případě, že se všechny záznamy pořizují v papírové podobě a kontrolují manuálně.

Systém Opcenter Execution Pharma je systém kategorie MES určený speciálně pro farmaceutickou výrobu. Jeho součástí je elektronická dokumentace šarží EBR (Electronic Batch Record) založená na konceptu digitální hlavní šablony záznamu o šarži (MBR, Master Batch Record). MBR je regulovaný dokument, kam se zapisuje a ukládá vše, co souvisí s výrobou dané šarže. Systém Opcenter Execution Pharma podporuje digitální plánování a vedení dokumentačního procesu, včetně definice produktu, požadavků na zdroje, definice procesů, plánů řízení kvality a postupů kontroly šarží a propouštění produktů. Celý systém je plně v souladu s požadavky FDA a předpisy správné výrobní praxe (GMP). Systematicky řídí výrobu šarže ve všech fázích, ať už jde o lidské operace nebo operace řízené automaticky.

Bezpapírová dokumentace šarží prostřednictvím Opcenter Execution Pharma zkracuje dobu potřebnou na přípravu, údržbu, kontrolu a propouštění šarží. Systém usnadňuje kontrolu záznamu šarže „by exeption“: celý záznam se kontroluje automaticky a manuálně se následně kontrolují jen kritická překročení definovaných parametrů. To vede k rychlejšímu a efektivnějšímu propouštění produktu na trh.

Opcenter Execution Pharma umožňuje nativní integraci se systémem řízení výroby, snižuje složitost a usnadňuje změny konfigurace výroby. Poskytuje také snazší a efektivnější navigaci pro provozní personál a představuje centralizovaný bod pro správu alarmů, událostí a zpráv.

Závěrem

Návštěva pracoviště Living Lab firmy Siemens ve Vídni byla pro účastníky přínosná, ať to byli zástupci výrobních firem, inženýrských a konzultantských společností nebo pracovníci z akademické sféry. Celkem nás do Vídně přijelo patnáct.

Siemens účastníky přesvědčil, že je v tomto náročném průmyslovém oboru na špici a má svým zákazníkům co nabídnout.

Autor: Petr Bartošík, Automa