Labor 4.0? Ein Update? Für das klassische Labor? Die Digitalisierung ist in allen Bereichen unseres Lebens auf dem Vormarsch. Und spätestens jetzt hat es auch das Labor erreicht. Was in der Industrie mit „Industrie 4.0“ schon lange in der Umsetzung ist, steht nun auch im Labor an. Die Vorgänge im klassischen Labor, bei denen Daten manuell erfasst werden, Daten in unzugänglichen Datengräbern gespeichert werden, Labor-externe mit Dateien, Anrufen oder gar FAXen versorgt werden, neigen sich dem Ende. Die Zielsetzung dieses Wandels zur Digitalisierung ist das „Labor 4.0“. Ein Update? Nein, ein Upgrade! Lesen Sie hier die praxisnahe Einführung zur neuen digitalen Zukunft des Labors und stellen Sie für sich fest, wo Sie Stehen.

1. Entstehung des Begriffs „Labor 4.0“

Bei dem Begriff „Labor 4.0“ ist leicht erkennbar, dass er sich an den Begriff „Industrie 4.0“ anlehnt. Industrie 4.0 ist das große Schlagwort für die Umsetzung der Digitalisierung in der Industrie ( s. „Was ist Industrie 4.0“ ) . Das 4.0 steht dabei für die vierte industriellen Revolution, die eine sich selbst-steuernde, selbst-optimierende und vollständig vernetzte Produktion als Ziel hat. Die zunehmende Digitalisierung im Labor mit dem Ziel der vollständigen Vernetzung, Digitalisierung und der Automatisierung von Prozessen hat sehr viele Ziele mit der Industrie 4.0 gemeinsam. Das ist der Grund für die Ableitung des Begriffes.

Labor 4.0 folgt den Prinzipien der Industrie 4.0

2. Digitalisierung – Die Grundlage für das Labor 4.0 

Die Digitalisierung ist die Grundvorraussetzung für das Labor 4.0. Durch die vernetzte digitale Kommunikation und die digitale Verfügbarkeit von Daten ist die digitale Transformation der Laborprozesse überhaupt erst möglich.

2.1 Umsetzung der Digitalisierung

Um die Transformation in Richtung Digitalisierung umzusetzen, muss eine konsequente Umstellung der Labortechnik erfolgen. Alle Systeme und Geräte müssen auf digitale Zusammenarbeit optimiert sein. Dies beginnt mit der Vernetzung. Die digitalen Netze sind die Wege für Daten, die in automatisierten Laborprozessen übertragen werden. Systeme und Geräte müssen zusätzlich Schnittstellen bereitstellen, über die eine Kommunikation möglich ist. Die Normung dieser Schnittstellen hat gerade erst begonnen. Noch gibt es keine hervorstechenden Schnittstellen für das Labor 4.0. Umso mehr muss auf die Standard-Schnittstellentechnologien aus anderen Branchen zurückgegriffen werden oder es müssen proprietäre Schnittstellen genutzt werden.

Die Normierung von Schnittstellen für das Labor 4.0 beginnt gerade erst. Ein vielversprechender Ansatz für den Bereich Laborgeräte ist der auf OPC UA basierende Standard LADS.

2.2 Komponenten des Labor 4.0

Die Prozesse des Labor 4.0 sind vergleichbar mit den Prozessen des klassischen Labors. Der Unterschied liegt in der digitalen Abbildung der Prozesse und der Automatisierung.
Einige wichtige beteiligte Kompetenten sind neben dem zentralen LIMS unter anderen:

  • Proben
  • Labor-Geräte
  • Bedien-Stationen
  • Maschinen oder Produktions-Anlagen

Die Proben sollten durch eine maschinell lesbare Identifikation eine direkte Kopplung zu den digitalen Daten bekommen. Möglich wird das über zur Probe zugehörige Barcodes, RFID-Tags oder ähnliche Ident-Verfahren.
Bei den Laborgeräten gilt es die Vernetzung zu schaffen, so dass Analyse-Werte automatisch und ohne Umwege vom LIMS abgerufen werden können. Für alle Daten, bei denen eine elektronische Übertragung nicht oder „noch nicht“ möglich ist, sollten abgesetzte Bedien-Stationen des LIMS bereit stehen. Dadurch haben die Labormitarbeiterinnen die Möglichkeit, abgelesene Analyse-Werte direkt in die Proben einzugegeben. Extras-Wege über Papier-Aufzeichnungen werden damit vermieden. Die Anbindung von Produktions-Anlagen und Maschinen ist dann bereits der erste Weg, Daten von externen Quellen aus der Produktion direkt digital in das Labor zu überführen. Hier sind etliche weitere Integrationen denkbar. Durch diese Erweiterbarkeit der Integration zeichnet sich letztendlich das zukunftsfähige Labor auch aus.

Das Labor 4.0 zeichnet sich durch bestmögliche Intergatiosmöglichkeiten aller Komponenten aus.

3. Systemintegration des LIMS

Die Vernetzung und die digitale Kommunikation im Labor 4.0 beschränken sich nicht nur auf die Systeme und Geräte im Labor. Im Gegenteil, für das LIMS als zentrale Laborsoftware im Labor der Zukunft ist der digitale und automatisierte Datenaustausch mit anderen Systeme essentiell. Je nach Systemaufbau im Unternehmen, kommuniziert das LIMS über Schnittstellen zum Beispiel mit dem ERP (Enterprise Ressource Planning), dem MES (Manufacturing Execution System), dem Controlling, SPC (Statistical Process Control), SCADA (Supervisory, Control and Data Acquisition) und externen Laboren. Für jedes System sind andere Daten wichtig. Außerdem erhalten die Systeme nicht nur Daten vom LIMS, sondern dienen auch als Datenlieferant. Durch die direkte Kopplung lassen sich viele Prozesse, die früher per Hand durchgeführt wurden, komplett automatisch abwickeln, wodurch Zeit eingespart wird und Datenfehler durch manuelle Prozesse vermieden werden.

Das LIMS als zentrale Laborsoftware im Labor 4.0 ist der digitale und automatisierte Datenaustausch mit anderen Systemen essentiell.

 

Wandel zu Labor 4.0

4. Laborprozesse automatisieren für Labor 4.0

Durch die optimale Vernetzung der Komponenten im Labor (Laborsoftware, Systeme, Geräte), lassen sich automatisch ablaufende Prozesse aufbauen, die nach vorgegebenen Regeln und Algorithmen die üblichen Laboraufgaben erledigen.

4.1 Laborinterne und -externe Prozesse automatisieren

Daten, die in der Laborsoftware zentral gespeichert sind, können zur automatischen Steuerung von Prozessen herangezogen werden. Über automatisierte Bewertungen von Analyse-Werten lassen sich Freigaben automatisch bilden, um sie Labor-intern, aber auch Labor-extern zu verwenden. Externe Prozesse können über die Schnittstellen des LIMS Freigaben abfragen und aufgrund der Antwort entscheiden, wie mit Rohstoffen oder Produkten in der Produktion zu verfahren ist (Ausschleusen, alternative Quellen wählen, etc.). Diese Prozesse laufen im Labor 4.0 voll automatisch und ohne Zutun eines Bedieners ab.
Auch die Durchführung von Analysen und die Datenerfassung kann hochautomatisch erfolgen, wenn Labor-Geräte die Fähigkeiten und Schnittstellen bereitstellen. Analyse-Geräte melden dann völlig automatisch nach Abschluss der Analyse das Ergebnis zur zugehörigen Probenummer an das LIMS, welches es sofort in der Datenbank zur zugehörigen Probe speichert.

Prozesse der Datenerfassung, Bewertung und Freigabe können im Labor 4.0 vollständig automatisch ablaufen

4.2 Planung

Die Planung von durchzuführenden Proben ist von vielen Faktoren abhängig. Im modernen Labor stehen diese Faktoren durch die Kopplung zu anderen Systemen dem LIMS zur Verfügung. Dadurch wird eine automatische Planung möglich. Im ERP System sind die Produktionsaufträge für die Produktion enthalten. Erhält das LIMS als zentrale Laborsoftware die Liste dieser Aufträge, können bereits vor der Produktion die durchzuführenden Proben erstellt werden. Andere Quellen sind zum Beispiel die durch die QS vorgegebene Planung regelmäßig durchzuführender Hygiene-Proben. Durch den Zugriff auf die digitalen Pläne, ist ein Erzeugen der jeweiligen Proben möglich. Über diese Wege ist im modernen Labor schon lange vor der Durchführung bekannt, welches Proben-Aufkommen zu bewältigen ist. Außerdem ist auch die zentrale Datenbank bekannt, welchen zeitlichen Aufwand die Proben erzeugen und wie die Belegung von Analyse-Geräten ist. Diese Art von Zusatzinformationen ergeben sich aus den neuen Möglichkeiten und de neuen verfügbaren Wissen im Labor der Zukunft.

4.3 Proben-Logistik

Im Labor 4.0 ist der Weg einer Probe digital abgebildet und sie kann zu jederzeit identifiziert werden. Mit der Entstehung der Probe wird sofort eine eindeutige Probenummer generiert, die per Barcode oder anderen Ident-Lösungen mit der physikalischen Probe bereits außerhalb des Labors versehen wird. Mit dieser Identifikation gelangt die Probe ins Labor und kann damit eindeutig indetifiziert werden. In Analyse-Geräten wird die Probenummer ebenfalls auf diesem Wege eingelesen, so dass eine Meldung der Messwerte direkt zu dieser Probe erfolgt. Die eindeutige Nummer wird auch beim Versand an externe Labore verwendet, um eine eindeutige Referenz für das Verarbeiten der elektronisch rückgemeldeten Analyse-Werte zu haben.

5. Ihr Weg vom Labor 1.0 zum Labor 4.0

Beim Labor gibt es keine Revolution in 4 Schritten wie bei der Industrie 4.0. Daher lässt sich nicht sagen, was das Labor 1.0 ausmacht. Aber Sie können für sich feststellen, wie weit Sie auf dem Weg zum Labor der Zukunft bereits gekommen sind. Die markantesten Schritte zum Labor 4.0 sind:

  1. Labordaten elektronisch und Zentral in einer Datenbank eines LIMS speichern.
  2. Proben eindeutig elektronisch identifizierbar machen (z.B. per Barcode, RFID).
  3. Labor-Geräte anbinden und Analyse-Werte elektronisch auslesen und ins LIMS übertragen.
  4. Anbindung / Systemintegration an anderen Systeme schaffen (ERP, MES, SCADA, SPC, Controlling, ext. Labore, etc.).
  5. Laborprozesse automatisieren.

Wie weit sind Sie mit der Umsetzung? Einer der wichtigsten Schritte, der noch vor diesen 5 Schritten steht, ist die Einführung eines LIMS Systems. Wenn wir Sie dabei beraten können, nehmen Sie gerne Kontakt auf.

Wichtigste Voraussetzung für Labor 4.0 ist ein modernes LIMS