Automatisiertes Liquid-Handling mit Steuerungen dualer Architektur

In der automatisierten Life-Sciences- und Diagnostik-Instrumentierung stehen Entwicklungsteams regelmäßig vor der operativen Herausforderung, deterministische Flüssigkeitsdosierung mit anspruchsvoller Datenverarbeitung und Skriptausführung auf begrenztem Bauraum in Einklang zu bringen. Festo begegnet diesem Integrationsengpass mit der CECC-AX, einer dual programmierbaren Kompaktsteuerung, die sowohl konventionelle SPS-Routinen als auch interpretierte Python-Skripte direkt auf eingebetteter Hardware ausführt.

Das System zielt auf automatisiertes Liquid-Handling, In-vitro-Diagnostik und die präanalytische Probenvorbereitung ab und bedient die wachsende Marktnachfrage nach modularen, platzsparenden Subsystemen für das Fluidmanagement. Anstatt Geräteentwickler dazu zu zwingen, separate Industrie-PCs neben Echtzeit-E/A-Modulen einzusetzen, bündelt die Einheit die Bewegungskoordination, die Ansteuerung pneumatischer Ventile sowie prozedurale Abläufe in einem einzigen Gehäuse.

Integrierte Embedded-Architektur und industrielle Kommunikation
Die zentrale ingenieurtechnische Herausforderung bei analytischen Tischgeräten resultiert aus der Vielfalt der Arbeitsabläufe. Deterministische Operationen wie die Ventilsequenzierung bei der Mikrodosierung und die Koordinatenpositionierung erfordern berechenbare Zykluszeiten und eine jitterfreie Ausführung. Im Gegensatz dazu profitieren dynamische Testrezepturen, die experimentelle Datenerfassung sowie Protokolle von Labor-Informations- und Managementsystemen von der Agilität und dem Bibliotheks-Ökosystem von Python.

Die CECC-AX löst diese Dualität, indem sie eine Architektur bereitstellt, in der Feldbuskommunikation und deterministische E/A-Aufgaben parallel zu High-Level-Skript-Laufzeitumgebungen arbeiten. Für die physische Maschinenintegration verfügt die Einheit über integrierte digitale und analoge Ein- und Ausgänge sowie serielle Schnittstellen für periphere Laborgeräte. Anforderungen an verteilte Architekturen werden über integrierte Ethernet- und EtherCAT-Schnittstellen erfüllt, ergänzt durch weitere Feldbusoptionen zur nahtlosen Einbindung in übergeordnete Automatisierungsnetzwerke.

Um den sich entwickelnden regulatorischen Standards für vernetzte Analysegeräte gerecht zu werden, integrieren Hardware und Firmware Sicherheitsprinzipien gemäß dem Cyber Resilience Act der Europäischen Union. Dieses Rahmenwerk konzentriert sich auf Secure-Boot-Mechanismen, Kommunikationsintegrität und die Behebung von Schwachstellen über den gesamten operativen Lebenszyklus des Medizin- oder Diagnostikgeräts hinweg.

Implementierung in analytischen Dosier- und Life-Sciences-Prozessen
Auf der Fachmesse Compamed demonstrierte Festo die Steuerung an einer druckgesteuerten Flüssigkeitsdosierstation. Die präzise Dosierung in der analytischen Prüfung basiert auf einer schnellen Druckregelung in Kombination mit der Betätigung von Mikroventilen, um Flüssigkeitsvolumina ohne mechanische Scherung oder Kreuzkontamination abzugeben.

In diesem Anwendungsaufbau führt die CECC-AX den Druckregelkreis und die Ventilbetätigungssequenz in Echtzeit aus, während Python-Skripte Dosierprofile verarbeiten, Dosierparameter anhand von Viskositätstabellen anpassen und mit Benutzeroberflächen kommunizieren. Diese Konfiguration verdeutlicht die Eignung für drei zentrale Einsatzbereiche:

Durch die Zusammenführung von Bewegungssteuerung, mikrofluidischem Ventilbetrieb und High-Level-Kommunikationsaufgaben auf einer einzigen Plattform reduziert die Einheit den Verdrahtungsaufwand, minimiert Fehlerquellen und vereinfacht die Validierungsverfahren für Hersteller diagnostischer Geräte.

Zusätzlicher Kontext
Dieser Abschnitt beschreibt technische Spezifikationen und Wettbewerbsvergleiche, die nicht in der ursprünglichen Produktankündigung enthalten waren.

Die Konvergenz von SPS-Programmierumgebungen nach IEC 61131-3 mit Hochsprachen wie Python und C++ stellt einen wesentlichen architektonischen Trend in der industriellen Automatisierung und Laborrobotik dar. Angetrieben durch den Bedarf an Edge Computing, lokaler Telemetrie und Cloud-Konnektivität bewegen sich traditionelle Steuerungshersteller weg von geschlossenen, proprietären Laufzeiten hin zu offenen, multiparadigmatischen Ausführungsumgebungen.

Im Bereich der Analysegeräte und der Kompaktautomatisierung werden Embedded-Steuerungen nach Baugröße, zyklisch-deterministischem Verhalten, Schnittstellenvielfalt und der Unterstützung offener Kommunikation bewertet. Die frühere CECC-Serie von Festo setzte Standards für kompakte Abmessungen dezentraler 24-V-DC-Systeme unter Nutzung der CoDeSys-V3-Programmierung über CANopen, Modbus TCP und EtherNet/IP. Die CECC-AX führt diese Entwicklung fort, indem sie eine Embedded-Linux-Basis integriert, die in der Lage ist, native Python-Laufzeiten parallel zu Standard-Feldbus-Stacks auszuführen.

Vergleichbare Architekturen im Segment der Kompakt- und Kleinsteuerungen sind der WAGO Compact Controller 100 sowie die Phoenix Contact Axioline Smart Elements auf Basis der PLCnext-Plattform. Der WAGO Compact Controller 100 nutzt ein echtzeitfähiges Linux-Betriebssystem, duale Ethernet-Schnittstellen und native Unterstützung für CoDeSys 3.5 sowie containerisierte Anwendungen, wobei seine E/A-Belegung primär auf die Gebäude- und Leichtindustrieautomation ausgelegt ist. Die PLCnext-Technologie von Phoenix Contact leistete Pionierarbeit bei der parallelen Ausführung von IEC-61131-3-Logik, C++ und Python, zielt jedoch typischerweise auf die Tragschienenmontage im Schaltschrank mit modularer Scheibenerweiterung ab und weniger auf dedizierte Sub-Chassis-Laborinstrumente.

Indem die CECC-AX gezielt auf die mechanischen und fluidischen Schnittstellenanforderungen des Liquid-Handlings eingeht – einschließlich EtherCAT-Master-Funktionalität in kompakter Tischgeräte-Bauform –, schließt sie die Lücke zwischen einfachen programmierbaren Relais und sperrigen Industrie-PC-Gehäusen und standardisiert Automatisierungsprotokolle in Diagnostikgeräten.

Herausgegeben von Evgeny Churilov, Induportals Media – Angepasst durch KI.

www.festo.com