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Professionelles Rezeptmanagement in der Automation

Rezeptmanagement

Die Herstellung von Lebensmitteln, Medikamenten und Chemikalien in Chargen steht vor steigenden Herausforderungen. Das Handling von immer mehr Formeln, die Gewährleistung der Produktionssicherheit und der gerichtsfesten Dokumentation der Batch-Prozesse sowie wachsender Kostendruck machen den Produzenten zu schaffen. Ein professionelles Rezeptmanagement kann viele dieser Probleme lösen.

Die Rezeptverwaltung ist eine der zentralen Funktionen in der Batch-Produktion von Lebensmitteln, Arzneien oder Chemikalien. Aber auch in vielen anderen Branchen ist die Rezept- bzw. Parameterverwaltung essentiell. Nicht selten sind hier noch selbst programmierte Anwendungen im Einsatz oder Lösungen, die in HMI- und SCADA-Systeme integriert sind. Diese beschränken sich dann meist auf Standardfunktionen und sind nicht systemunabhängig.

Im Batch Bereich steht an erster Stelle die hinterlegte Formel, die darüber Auskunft gibt, welche Zutaten oder Bestandteile das zu produzierende Produkt enthält. Diese Formel wird zunächst in die Maschine geladen, in Form von Parametern, die die Zusammensetzung festlegen. Diese können beispielsweise im ERP hinterlegt sein – im schlimmsten Fall sind sie einfach auf Papier notiert und werden jedes Mal neu von Hand eingegeben.

Um eine fehlerfreie Produktion zu gewährleisten, sollte sich dann eine Kontrolle nach dem Vier-Augen-Prinzip anschliessen, so dass ein zweiter Mitarbeiter die festgelegten Parameter prüft, freigibt und dann die Produktion startet.

Mangelhafte Nachverfolgbarkeit

Bei einem solchen Vorgehen bleiben jedoch einige Unsicherheiten. So wird nicht immer eine Prüfung durchgeführt, ob die zugehörigen Parameter vollständig in die Maschine geladen wurden, oder ob beispielsweise durch Netzwerkprobleme der Download vor dem Abschluss abgebrochen wurde. Ebenso können manuelle Schritte, die im Produktionsablauf nötig sind, nicht automatisiert erfasst und dokumentiert werden. Spätestens wenn Reklamationen auftreten müsste man aber nachvollziehen können, mit welchem Parametersatz die Produktion abgelaufen ist.

Weitere mögliche Problemfelder sind fehlende Versionierung und mangelnde Zugriffsbeschränkungen, so dass unkontrolliert Varianten der ursprünglich hinterlegten Formeln entstehen oder abweichende Formeln neu erzeugt werden. Die Bediener wissen dann unter Umständen nicht mit Sicherheit, welches die aktuelle, gültige Formel für den anstehenden Produktionsauftrag ist.

Nicht zuletzt muss man auch die Frage stellen, wie die Erledigung der Batch-Produktion quittiert wird. Meldet das System nur das Ende des Produktionsprozesses? Oder gibt es Daten über die Ausgangslage, die verwendeten Parameter und die Produktionsschritte zurück? Bei vielen Systemen werden solche Daten nicht ausreichend zusammenhängend gespeichert.

Compliance einhalten

Im Falle eines Fehlers kann dies im worst Case bedeuten, dass die gesamte Produktion eines Batch-Laufs unbrauchbar ist und nochmals hergestellt werden muss. Bei versteckten Mängeln, die beispielsweise Lebensmittel oder Arzneimittel betreffen, kann dies jedoch auch weitreichende Auswirkungen haben. Denn hier müssen die Hersteller Dokumentations- und Nachweispflichten erfüllen, die es ermöglichen, betroffene Chargen zu identifizieren und gezielt aus dem Verkehr zu ziehen.

Fehlen entscheidende Informationen, dann fällt der Rückruf grösser aus als notwendig, was einen höheren Schaden für den Hersteller bedeutet. Hinzu kommen mögliche Sanktionen aufgrund des Verstosses gegen gesetzliche Pflichten.

Meist können die Daten zwar mit viel manueller Detektivarbeit zusammengetragen werden. Dennoch fehlen meist die Zusammenhänge um solchen Fehlern auf den Grund zu gehen und sie künftig vermeiden zu können.

Probleme weiten sich aus

Individualisierung oder Losgrösse 1 sind Trends, die auch vor der Lebensmittel- und Pharma-Industrie nicht haltmachen. So werden beispielsweise zunehmend Medikamente für eng begrenzte Patientengruppen produziert. In diesem Fall werden keine Massenprodukte mehr hergestellt, sondern der Trend geht zu immer kleineren Chargen. Mit Customized Food kann sich jeder seine Schokolade, Kekse, Wurst oder Fruchtsäfte individuell zusammenstellen und produzieren lassen. Gesundheitsbewusste Verbraucher setzen auf Zusammensetzungen, die beispielsweise natriumarm, zuckerreduziert oder glutenfrei sind. Auch Allergiker, die bei Standardprodukten oft nur wenig Auswahl haben, finden hier die Möglichkeit, eigene Geschmacksrichtungen dem vorproduzierten Einerlei entgegen zu setzen.

Damit müssen zum einen mehr unterschiedliche Formeln verwaltet werden, die sich zum Teil nur minimal unterscheiden. Zum anderen müssen Produktionssicherheit und Dokumentation höheren Ansprüchen genügen, um die verschiedenen Varianten nicht zu verwechseln, sei es bei der Herstellung, der Qualitätsanalyse oder bei Verpackung und Versand. Und alles zudem noch vor dem Hintergrund eines wachsenden Wettbewerbsdrucks, der die Margen drückt, so dass unnötige Kosten aus Produktionsausfällen oder Bussgelder wegen Gesetzesverstössen doppelt schwer wiegen.

Anforderungen an die Prozess-Steuerung

Angesichts dieser Situation stellt sich die Frage, wie sich die aufgezeigten Risiken eliminieren oder zumindest reduzieren lassen. Benötigt wird an erster Stelle eine Programmierung, die entsprechende Sicherungsmechanismen enthält, Ablaufschritte überprüft und Produktionsschritte en détail protokolliert.

Für den Hersteller steht die Produktionssicherheit an erster Stelle. Ein professionelles Rezeptmanagement muss validieren, dass der Formel-Download vollständig abgeschlossen ist und nicht am Ende Parameter mit Nonsens-Werten stehen. Zum anderen gehört dazu ein striktes Management der Zugriffsrechte inklusive einer Protokollierung der Zugriffe, etwa bei der Erstellung von Formeln oder der Anpassung von Produktionsschritten. So sollten die Sicherheitsmassnahmen beispielsweise gewährleisten, dass ein Verfahrenstechniker zwar auf Prozeduren Einfluss nehmen kann, nicht aber auf Formeln. Ebenso müssen Ausführung und Kontrolle getrennt werden, um das Vier-Augen-Prinzip durchzusetzen.

Mit einem umfassenden Rezept-Handling, das Versionierung beherrscht und darauf beruht, dass nur optimierte und freigegebene Rezepte überhaupt geladen werden können, lassen sich viele „ echte“ Produktionsfehler vermeiden – aber auch ein wildes, ressourcenfressendes Herumprobieren zum Start eines Auftrags, wie man es teilweise noch antrifft. Ein weiterer Aspekt der Produktionssicherheit liegt in der vollständigen Dokumentation der Abläufe. Nur so lassen sich Fehler schnell identifizieren und beheben.

Positive Nebeneffekte einer Modernisierung

Ein professionelles Rezeptmanagement geht aber auch an anderer Stelle über die Funktionalitäten einer integrierten HMI- oder SCADA-Lösung hinaus. So kann sie unter Umständen auch die Batch-Prozesse unterstützen oder dazu beitragen, Maschinenrüstzeiten spürbar zu senken. Ebenso stellt eine moderne Software Möglichkeiten zum Abruf von Produktions- und Auftragsdaten per Web auch auf mobilen Geräten bereit. Oder sie bringt Schnittstellen zum Datenaustausch mit ERP- und MES-Systemen oder anderen Daten-Management-Anwendungen mit, bis hin zu Big-Data-Applikationen in der Cloud, über die sich beispielsweise Batch-Prozesse optimieren lassen.

Digitales Rezeptmanagement...

Eine Software, die diesen Anforderungen entspricht, ist der Recipe Manager Plus von Aveva vormals Wonderware. Mit einem Hash-Wert kontrolliert er den vollständigen Formel-Download und schlägt Alarm, wenn die Validierung Abweichungen zeigt.

Rollenbasierende Sicherheitsmechanismen sorgen dafür, dass nur berechtigte Mitarbeiter die jeweiligen Funktionen beeinflussen können, beispielsweise Formel-Erstellung und -Veränderung, Produktionsfreigabe oder Feinjustierung. Dabei wird unterschieden zwischen Mitarbeitern, die ausführen („Done by“) und Mitarbeitern, die prüfen („Checked by“). Sie müssen sich jeweils mit Name und Passwort zu erkennen geben. Diese Rollen lassen sich mit dem Nutzerverzeichnis des Active Directory verknüpfen.

Die Software unterstützt die Versionierung ebenso wie das Optimieren der Formeln; erst nach der Freigabe können diese dann für die Produktion heruntergeladen werden. Damit wird ein unkontrollierter Wildwuchs ebenso verhindert wie der Zugriff auf falsche Betriebsdaten. Über Vorlagen, die bereits an die vorhandene Anlage angepasst sind, wird sichergestellt, dass Formeln nur in dem Rahmen erstellt werden, den die installierten Maschinen bewältigen können. Dies ist beispielsweise dann relevant, wenn Mitarbeiter an wechselnden Standorten eingesetzt werden.

Am Ende des Batch-Prozesses erstellt der Rezeptmanager einen Bericht, in dem neben wesentlichen Produktionsdaten die Versionsdifferenzen vermerkt werden. Über entsprechende Protokolle lassen sich alle Aktionen auch im Nachhinein nachvollziehen. Eingeschlossen sind darin auch nachgelagerte Schritte, wie Abfüllung, Etikettierung und Verpackung. Dies vereinfacht die Fehlersuche bei eventuellen Reklamationen.

...und erweiterte Prozesskontrolle

Die Professional Edition des Recipe Manager plus geht über die Verwaltung der Formel-Parameter noch hinaus. Diese Variante verwaltet zusätzlich die zugehörigen Prozeduren und unterstützt Ausführung von Batch-Prozessen, indem die nötigen Prozedurschritte eingefügt werden. Prozeduren können auch unabhängig von Formeln bearbeitet und gespeichert werden, so dass sich Varianten mit unterschiedlichen Formeln – beispielsweise verschiedene Zusammensetzungen von Keksen – mit der jeweils gleichen Prozedur zur Herstellung verknüpfen lassen. Die Rezepte bestehen also aus einer beliebigen Kombination von Formel und Prozedur. So lassen sich reproduzierbare Ergebnisse schneller und einfacher erzielen.

Für Getränke-Abfüller besonders interessant ist die ISA-88-Konformität. Diese Norm beschreibt die Steuerung des Ablaufs in unterschiedlichen Phasen auf den verschiedenen Anlagenteilen. Über das Prozedurenmanagement der Professional Edition können diese Phasen einzeln angesteuert werden, so dass automatisch nach dem Ende des einen Prozedurschritts der nächste aufgerufen und erledigt wird.

Alle Funktionen der Software sind webfähig, so dass die Informationen auf beliebigen Geräten – stationär oder mobil – per Webbrowser abgerufen werden können. Über OPC UA kommuniziert die Anwendung mit anderen Anlagen-Teilen oder Cloud. Anwendungen. Zudem arbeitet die Wonderware-Software direkt mit Historian aus dem gleichen Haus zusammen, so dass eine kontinuierliche Datensammlung sichergestellt ist.

Konkrete Vorteile für Hersteller

Experten für die Produktionsautomatisierung kennen unzählige unterschiedliche Abläufe bei den Kunden – und die damit verbundenen Probleme. Die Sicherheit, die sich aus der Reglementierung und Protokollierung der Abläufe und Zugriffe ergibt, ist für sie der grösste Vorteil der Wonderware-Software. Dass man weiss, was ist wie produziert worden, welche Parameter waren vorgegeben, auf welcher Maschine wurde was hergestellt, und wer war für welchen Schritt verantwortlich – das ist für die Kunden der entscheidende Fortschritt.

Denn auf dieser Grundlage lassen sich Maschinen und Anlagen spürbar optimieren. Eine genauere Kontrolle der Abläufe, die eine bessere Schulung der Angestellten ermöglicht, weniger Ausschuss und kürzere Maschinenrüstzeiten sowie die breitere Datenbasis, sind nur einige der Schritte, die zu einer Verbesserung der Effizienz beitragen und Kosten senken können. Auf diesem Weg kann sich die Anschaffung eines professionellen Rezeptmanagements in überschaubarer Zeit amortisieren.

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