Laboratoriumtechnieken in industriële setting
Aan de ene kant van de samplemachine van Synchron Lab Automation worden kratten met volle zuivelverpakkingen geplaatst. Eenmaal in de machine worden met speciale pipetteernaalden tot vier monsters gelijktijdig genomen en in een microtiterplaat gemengd met reagentia. Klaar voor kwaliteitsanalyse. Voor een betrouwbaar en veilig verloop van alle bewegingen en processen is een groot aantal Festo componenten toegepast; van eenvoudige cilinder tot servomotoren en -drives en de doseerkop VTOI. Dit alles aangestuurd door het besturingssysteem CPX-E.
Softwareontwikkelaar Synchron Lab Automation uit Etten-Leur heeft zich in de afgelopen decennia gespecialiseerd in labautomatisering. Onder leiding van de derde generatie Wilten heeft er bovendien een groei plaats gevonden waardoor het bedrijf nu ook complete oplossingen biedt; inclusief de hardware. De software en automatisering blijven centraal staan.
Directeur-eigenaar Derk Wilten: ‘Omdat onze standaard pipetteer platform niet altijd meer voldeed aan de klantvraag, zijn we doorgegroeid naar een industriële oplossing waarin labautomatisering is geïntegreerd in een modulaire industriële machine. Hiervoor hebben we inmiddels een softwareplatform ontwikkeld waarmee feitelijk alles is aan te sturen; van component tot interface. Deze bestaande en bewezen basis biedt ons de mogelijkheid om relatief snel klantspecifieke machines te ontwikkelen met een korte time-to-market.’
Samplemachine
Een prachtig voorbeeld hiervan is een zogenaamde ‘samplingmachine’ die monsters neemt van zuivelproducten. Glenn Dukel: ‘Zuivelproducten zijn gevoelig voor verontreiniging en besmetting en mogen zelfs niet worden verkocht vóórdat de batch is gecontroleerd. In het kader van deze controle worden monsters – samples – van de producten genomen en in een analyseapparaat onderzocht op verontreiniging of andere stoffen. Omdat het bij grotere zuivelfabrieken om serieuze aantallen samples gaat, loont het de moeite om te automatiseren. Dit om de vele menselijke handelingen die hierbij betrokken zijn – en de bijbehorende menselijke fouten – te verminderen of zelfs deels te elimineren.’
De samplemachine van Synchron is een industriële oplossing waarin labtechnologie is geïntegreerd. Aan één zijde van de machine worden (open) dozen of kratten met verpakte zuivel geplaatst. Een door stappenmotoren aangedreven transportband brengt deze naar de machine waar eerst via een barcodelezer wordt bepaald om welk product het gaat en welke parameters daarbij horen. In het eerste deel van de machine scant een camera van bovenaf de configuratie en maakt een foto waarmee de exacte locatie van de verpakkingen bekend is. Wanneer het beeld aangeeft dat verpakkingen zodanig verkeerd staan dat ze problemen tijdens het samplen zouden kunnen geven, wordt deze verpakking automatisch uitgevoerd.
Sample
Op basis van dezelfde foto bepaalt de software waar de samplenaalden in het volgende deel van de machine precies hun monster moeten nemen. Een complexe stap in het geheel omdat de naalden hiervoor allemaal afzonderlijke en nauwkeurig moeten worden gepositioneerd. De oplossing is gevonden in een stappenmotor met geïntegreerde CANopen bus controller waarbij de kleinste hartafstand tussen de naalden onderling 9 mm bedraagt. Daarnaast moeten de naalden met een behoorlijke kracht naar beneden worden gedrukt om zelfs kunststof doppen te kunnen doorboren.
Glenn Dukel: ‘Hiervoor wordt gebruik gemaakt van een servoaangedreven Z-as van Festo waar de CMMT-controller in master-slave opstelling ervoor zorgt dat de set van vier naalden nauwkeurig gelijktijdig naar beneden bewegen. De door ons in eigen huis ontwikkelde ‘pierce’ naalden zelf zijn sterk genoeg om met kracht door de doppen te prikken. Daarnaast zijn ze zodanig ontwikkeld dat uiteenlopende configuraties van verpakkingen zijn te samplen. Tevens hebben we een oplossing ontwikkeld om mogelijk verpakkingsmateriaal van de naalden af te duwen wanneer dit hier onverhoopt zou blijven hangen. Dit is de downholder die pneumatisch wordt aangestuurd middels vier afzonderlijke DSNU-cilinders. Uiteraard worden de naalden na iedere monstername gereinigd om contaminatie te voorkomen.’
Na de monstername uit de verpakking, bewegen de naalden met maximaal acht monsters per keer naar de zogenaamde microtiterplaat die ruimte biedt aan 96 (8 x 12) samples. Deze plaat wordt tijdens de monstername aan de andere zijde van de machine uit de ontstapelaar genomen en gescand. Vervolgens wordt hij richting de pipetteernaalden getransporteerd. Glenn Dukel: ‘In de machine vinden dus continu twee tegengestelde transportbewegingen plaats: de microtiterplaat van de ontstapelaar aan de ene kant van de machine naar het midden en de dozen met producten vanaf de andere kant naar het midden waar zich het pipetteerstation bevindt.’
Doseren reagentia
Na het nauwkeurig deponeren van het monster in de hiervoor bestemde ‘welletjes’ van de microtiterplaat, worden twee soorten reagentia toegevoegd. Dit gebeurt met twee VTOI 8-kanaals doseerkoppen van Festo die speciaal zijn ontwikkeld voor deze veel toegepaste microtiterplaten. Vervolgens wordt iedere microtiterplaat gedurende een voorgeprogrammeerde tijdspanne geschud met een mechanisme dat wordt aangedreven door EMMT-AS servomotor. Dit zorgt ervoor dat het monster uit de verpakking goed wordt gemengd met de reagentia waarbij een eventuele reactie plaatsvindt.
Het eindresultaat – de microtiterplaat met het gemengde sample – wordt handmatig uitgenomen en naar het analyseapparaat gebracht voor verdere verwerking. De dozen met gesamplede verpakkingen worden eveneens uitgevoerd. Glenn Dukel: ‘De buffer na de uitvoer biedt ruimte voor veertien microtiterplaten. Dat betekent dat er niet voortdurend iemand bij de machine aanwezig hoeft te zijn. Je kunt de machine gerust opstarten en wat anders gaan doen. Alles verloopt automatisch en met 96 samples tegelijk. Dit handmatig uitnemen is overigens wel een stap die in de toekomst ook voor automatisering in aanmerking komt.’
Besturing
Naast de genoemde bewegingen worden er nog vele andere bewegingen in de machine uitgevoerd. Onder meer om het transport betrouwbaar te laten verlopen (stopper, duwers, schuivers), hoogteverschillen te overbruggen (lift) en de diverse onderdelen tijdens de processen te fixeren (klemmen). Al deze bewegingen en krachten worden centraal aangestuurd via het CPX-E automatiseringssysteem van Festo; het hart van de aansturing. Glenn Dukel: ‘Het CPX-E omvat de machinefuncties en is gekoppeld aan onze software waarin de flexibiliteit is ondergebracht om de vele producten met bijbehorende sampleparameters te kunnen handelen.’
Samenwerking Festo
Naast Festo componenten heeft Synchron Lab Automation ook intensief gebruik gemaakt van de kennis van de motion specialist. Derk Wilten: ‘Festo is voor ons een belangrijke schakel in de ontwikkeling van deze machines. Ten eerste heeft dit bedrijf een zeer uitgebreid portfolio waardoor we in feite met alle vraagstukken over aandrijf- en besturingstechniek bij hen terecht kunnen. En dat doen we dan ook. Zoals eerder opgemerkt ligt onze focus op de ontwikkeling van de overkoepelende software en houden we ons minder bezig met de engineering van de hardware. Festo ondersteunt ons daarin geweldig.
Daarbij komt dat Festo een internationale onderneming is en wereldwijd zowel componenten áls support levert. Voor ons als leverancier aan klanten in alle delen van de wereld is dit een zeer belangrijke voorwaarde om te kunnen garanderen dat ook op die locaties snel eventuele reparaties zijn uit te voeren of storingen op te lossen.’
Hij besluit tevreden: ‘Al met al hebben we met deze Autosampler een klantspecifieke, modulaire machine ontwikkeld, gebaseerd op ‘proven technology’. Een uitstekende basis voor toekomstige samplemachines waarbij we uiteraard verder kijken dan de zuivelmarkt alleen.’
Festo componenten in samplemachine
Servodrive: CMMT-AS en CMMT-ST
De CMMT-AS compacte servomotorregelaar voor de Z-as van de sampler, is speciaal ontwikkeld voor eenvoudige punt-tot-punt- en complexe interpolerende bewegingen. Hierbij kan hij regelen op kracht, snelheid en positie. Verder is de regelaar geschikt voor verschillende ethernet gebaseerde veldbussystemen en direct in systeemomgevingen van verschillende besturingsfabrikanten te integreren. De standaard veiligheidsfuncties van de universele regelaar zijn te configureren zonder software.
De extra lage spanning servomotorregelaar CMMT-ST is nóg compacter (de helft van de CMMT-AS) en kan tot een vermogen van 300 W economisch, dynamisch en nauwkeurig positioneren en bewegen. De CMMT-ST is eenvoudig te combineren met de grotere CMMT-AS serie. De aansturing van beide uitvoeringen vanuit de bovenliggende PLC is identiek.
Servomotor EMMT-AS
De servomotor EMMT-AS die de Z-as aandrijft, past naadloos bij de CMMT-AS servoregelaar en is uitgevoerd met een enkele kabel voor zowel motor- als encodersignalen. Door de extreem lage koppelrimpel kunnen deze motoren uitstekend synchroniseren; ook bij lage toerentallen. Precies wat er nodig is bij het bewegen van de vier pipetteernaalden. Daarbij zijn ze uitgevoerd met een digitale, absolute verplaatsingsencoder (single- of multiturn) en beschikbaar in de beschermingsklasse tot IP67 voor de behuizing.
Doseerkop VTOI
De nieuwe doseerkop VTOI is speciaal ontwikkeld om nauwkeurig te kunnen doseren boven microtiter platen. Zo zijn ze uitgevoerd met de hier veelvuldig gehanteerde standaard rastermaat van 9 mm. Daarbij beschikken ze over acht kanalen waarbij de vloeistofsturing door één ventiel plaatsvindt; hiermee passen ze precies bij de 8 x 12 standaard microtiterplaten. De doseerkoppen bieden verder een zeer hoge doseernauwkeurigheid tot 1 µl en zijn hiermee in staat ook zeer kleine volumes te doseren. De VTOI is tevens in te zetten voor aspiratie waarbij middels vacuüm kleine hoeveelheden vloeistof worden opgezogen.
Besturingssysteem CPX-E
Het besturingssysteem CPX-E – het hart van de aansturing – is ontwikkeld als EtherCAT mastersturing en biedt een groot aantal interfaces om via diverse protocollen te communiceren. Bij de samplingmachine is bijvoorbeeld gebruik gemaakt van de Ethernet interface voor de barcodecamera’s, EtherCAT voor de servodrives en I/O link waarmee de ventieleilanden hun informatie uitwisselen. Het programmeren gebeurt via Codesys V3.
