Broadley-James / NECI BioNet Controller — generacja Utility Tower

Identyfikacja rekordu

BioNet Controller pierwszej generacji był sieciowym systemem sterowania wieloma laboratoryjnymi bioreaktorami Broadley-James. Nie był pojedynczym fermentorem ani typowym sterownikiem stołowym. Rdzeń automatyki stanowił Emerson DeltaV, a funkcje fizyczne rozdzielano między centralny kontroler, jedną lub wiele szaf Utility Tower, komputery HMI i urządzenia polowe. Artykuł obejmuje historyczną architekturę wprowadzoną na rynek w 2003 r.; późniejszy BioNet Modular/M3 ma osobną kartę.

Najważniejsze rozróżnienie dochodzeniowe brzmi: napis „BioNet” na stalowej obudowie nie identyfikuje kompletnego systemu. Na rynku wtórnym pojawiają się same skrzynki BT1, panele BC08/BC16, Utility Towers, pompy i kompletne stanowiska. Każdy z tych obiektów może mieć inny zakres DeltaV, I/O, komputerów, licencji i okablowania. Numer z tabliczki panelu trzeba więc łączyć z inwentarzem szafy, eksportem projektu i topologią sieci.

Strona tytułowa whitepaperu Broadley-James pokazuje typowe laboratorium rozwoju procesu.

Status, chronologia i właściciel platformy

Rejestr znaku BioNet wskazuje pierwsze użycie w lutym 2003 r. i pierwsze użycie handlowe w kwietniu 2003 r. Artykuł branżowy z 29 kwietnia 2004 r. opisuje zawierane od początku 2003 r. umowy na system BioNet oraz udział Emerson Process Management. Patent US 7,435,581 B2, zgłoszony 26 listopada 2003 r. i udzielony 14 października 2008 r., dokumentuje referencyjną architekturę „integrated bio-reactor monitor and control system”. Chronologia patentu i materiały handlowe są zgodne co do epoki, ale patent opisuje również warianty opcjonalne; nie jest listą części konkretnej instalacji.

W 2020 r. New England Controls, Inc. (NECI) przejęło aktywa BioNet. Komunikat do klientów stwierdza, że NECI już wcześniej wspierało ponad połowę zainstalowanej bazy i przejmuje sprzedaż oraz wsparcie bioreaktorów, naczyń szklanych i wyposażenia pomocniczego. Dla zespołu utrzymania oznacza to konieczność ustalenia nie tylko marki na obudowie, lecz także bieżącego opiekuna, umowy serwisowej i historii modernizacji DeltaV.

Skala systemu

Zachowany profil produktu podaje do dziesięciu Utility Towers na jeden BioNet Controller. Patentowy wariant przypisuje jednej wieży dwa bioreaktory i pokazuje segment dziesięciu wież, czyli dwadzieścia naczyń. Dwa segmenty z dwoma kontrolerami mogą według figury 7 obsłużyć do czterdziestu naczyń, a kolejne segmenty tworzą większy suite. Nie należy jednak zamieniać tej architektury przykładowej w uniwersalną pojemność każdego zakupionego panelu.

Whitepaper używa innej liczby: jeden operator może prowadzić do 24 naczyń zamiast około ośmiu przy pracy ręcznej. To deklaracja produktywności dla zautomatyzowanego laboratorium, a nie limit magistrali, kontrolera czy licencji. Ten sam dokument pokazuje układ 32 naczyń połączonych z czterema analizatorami NovaFlex. W ewidencji zasobu należy przechowywać osobno liczbę kontrolerów, wież, naczyń, stanowisk HMI, segmentów fieldbus i licencjonowanych tagów.

Naczynia laboratoryjne opisane w patencie mogą być szklane lub stalowe, od ułamka litra do 20 l i więcej. Materiał Emerson z 2012 r. mówi o laboratoriach 1–20 l oraz transferze procesu ku skali produkcyjnej ponad 20 000 l. Nie oznacza to, że omawiany kontroler bezpośrednio sterował zbiornikiem 20 000 l; wspólna technologia DeltaV i cyfrowych urządzeń polowych miała ułatwiać transfer strategii oraz danych między skalami.

Architektura systemowa

Referencyjny system składa się z trzech warstw. Warstwa polowa obejmuje sensory, transmittery, MFC, zawory, napędy mieszadła i pompy. Utility Tower skupia aparaturę dwóch naczyń, lokalny komputer/HMI oraz bramy komunikacyjne. Centralny kontroler DeltaV wykonuje logikę, pętle regulacji, sekwencje i rejestrację zdarzeń. Ponad nim mogą działać ProfessionalPLUS/ProPlus, Application Station, Display Server, Continuous Historian, baza BioNet SQL i stanowiska cienkiego klienta.

Whitepaper, figura 1: funkcjonalna sieć z ProPlus, Application Station, Display Server, Continuous DeltaV Historian, bazą BioNet SQL i przyrządami.

Schemat marketingowy jest przydatny do identyfikacji ról, ale nie pokazuje adresacji, VLAN-ów, switchy, firewalli ani redundancji. Nie wolno z niego wywnioskować, że baza SQL i historian zawsze znajdowały się na odrębnych hostach. W starszych lub małych wdrożeniach role mogły być łączone, a późniejsze modernizacje mogły je rozdzielić lub zwirtualizować. Jedynym wiarygodnym obrazem badanego obiektu pozostaje aktualna inwentaryzacja hostów i projektu DeltaV.

Trzy sieci opisane w patencie

Patent pokazuje trzy kanały pomiędzy Utility Tower i kontrolerem: FOUNDATION Fieldbus H1, Ethernet oraz DeviceNet. Dopuszcza też mniejszą lub większą liczbę połączeń, współdzielenie medium i warianty bezprzewodowe. To ważne zastrzeżenie: rysunek jest referencyjną realizacją, nie schematem wykonawczym każdego egzemplarza.

FOUNDATION Fieldbus H1 przenosi cyfrowe wartości z transmitterów pH, DO i temperatury. Dokument podaje 31,25 kbit/s, wiele urządzeń na tej samej parze oraz zasilanie i komunikację po skrętce. Ethernet łączy lokalny komputer w wieży z kontrolerem; switch lub hub kontrolera może agregować komputery wielu wież. DeviceNet przez bramę obsługuje układy gazowe, pompy i napędy mieszadła, zapewniając dane urządzeniowe i diagnostykę niedostępną w prostym I/O. Patent wymienia Profibus DP jako wariant zastępczy dla DeviceNet, a nie jako wyposażenie obowiązkowe.

US 7,435,581 B2, figura 1: podział na bioreaktory, Utility Tower, controller, HMI i zdalne urządzenie.

US 7,435,581 B2, figura 2: transmittery DO/pH/temperatury, komputer, brama DeviceNet, gaz, pompy i mieszadła.

Utility Tower i lokalny komputer

Profil produktu opisuje centralny BioNet Controller w obudowie ze stali nierdzewnej 316L o wymiarach 20 × 20 × 8 cali z przezroczystym oknem. Deklarowana odległość między kontrolerem a Utility Tower wynosiła do 100 m, lecz zachowany opis nie rozstrzyga medium i ograniczeń każdego kanału. Sama wieża mogła mieć ekran dotykowy, zwykły monitor, klawiaturę i mysz albo działać bez lokalnego wyświetlacza.

Patent ujawnia komputer w Utility Tower jako maszynę jedno- lub wieloprocesorową z RAM i nośnikiem adresowalnym: dyskiem twardym i/lub nośnikiem wymiennym. Jako możliwe systemy operacyjne wymienia Linux, Unix, Windows, MacOS i OS/2. Jest to katalog wariantów dopuszczonych przez patent, a nie dowód, że konkretna wieża pracuje pod każdym z nich. W opisie figury 6 wskazano „Windows-type operating system”, pamięć ulotną, nieulotną, interfejs sieciowy, moduł UI, historię/trendy i oprogramowanie batch.

US 7,435,581 B2, figura 3: referencyjny układ MFC i zaworów dla gazów kierowanych do headspace albo spargera.

Kontroler DeltaV i wersje

Patent podaje jako przykład DeltaV MD Controller Emerson Process Management i pokazuje interfejsy FOUNDATION Fieldbus, DeviceNet oraz Ethernet. Późniejsze materiały potwierdzają DeltaV jako rdzeń BioNet.

US 7,435,581 B2, figura 4: silnik bezszczotkowy, pompa perystaltyczna i tor sprzężenia impulsowego.

Funkcje sterowania procesem

System zbierał temperaturę, pH i tlen rozpuszczony, a także dane o ciśnieniu, prędkości mieszania, objętości gazów, pracy pomp i stanach zaworów. Patent opisuje osobne moduły software dla temperatury, pH, DO, agitacji, pomp i gazu. Pętle mogły działać na nastawie i uruchamiać działania korygujące, a operator mógł wydawać polecenia interaktywnie z HMI.

Whitepaper rozróżnia klasyczny PID i bardziej zaawansowane sterowanie modelowe. Parametry i strategie eksperymentu przechowywano jako szablony, które można było przypisać wielu naczyniom, przenieść do innego laboratorium albo zmienić podczas biegu. Funkcja zwiększa powtarzalność, ale tworzy duży promień rażenia błędnej lub nieautoryzowanej zmiany. Kontrola wersji szablonu, zatwierdzenie, identyfikator autora i lista przypisanych naczyń są ważniejsze niż sam zrzut ekranu nastaw.

US 7,435,581 B2, figura 5: interfejsy sieciowe oraz moduły temperatury, pH, DO, mieszania, pomp, gazu, diagnostyki i logowania.

Tor gazowy

Referencyjna figura 3 pokazuje dla każdego z dwóch bioreaktorów układ powietrza, tlenu, azotu i dwutlenku węgla. Dwa MFC powietrza obsługują osobno headspace i sparger. Zawory trójdrogowe kierują O2, N2 i CO2 do headspace albo spargera, a zawory odcinające ograniczają przeciek. Sterowanie i informacja o przepływie przechodzą przez DeviceNet Gateway.

Artykuł branżowy przypisuje stosowanym w BioNet regulatorom MFC Brooks dokładność ±0,7% lub lepszą i komunikację DeviceNet.

Pompy i dozowanie

Patentowy moduł pompy wykorzystuje silnik bezszczotkowy sterowany napięciem, przykładowo 0–4 V, oraz obwód wzmacniający impulsy generowane przez silnik. Liczba impulsów odpowiada obrotom, a znana objętość na obrót pozwala DeltaV obliczać ilość cieczy. W przykładzie jedna Utility Tower ma cztery moduły pomp — po dwa dla każdego z dwóch naczyń. Jest to konfiguracja patentowa, nie gwarantowana liczba głowic w każdej ofercie wtórnej.

HMI, dostęp lokalny i zdalny

Patent dopuszcza HMI ekranowe lub dotykowe, komputer samodzielny, klawiaturę, mysz, drukarkę, LAN, modem, USB oraz bezprzewodowy tablet. Whitepaper opisuje lokalne komputery HMI, bezpieczną sieć bezprzewodową, cienkie klienty przez korporacyjny Ethernet, dostęp spoza obiektu przez VPN oraz możliwość dostępu przeglądarkowego w nowoczesnych systemach automatyki. Ostatnie zdanie ma charakter ogólny i nie dowodzi istnienia serwera WWW w każdym BioNet.

US 7,435,581 B2, figura 6: koncepcyjny komputer Utility Tower z pamięcią ulotną/nieulotną, interfejsem sieciowym, historią, UI i batch.

Patent przewiduje ograniczenie dostępu do osób upoważnionych, nazwy użytkowników, hasła i podpisy elektroniczne dla określonych czynności.

Historian, SQL, OPC i analizatory

Whitepaper pokazuje DeltaV Continuous Historian oraz BioNet SQL database. Historian przechowuje szeregi czasowe, a baza BioNet SQL — szablony strategii, tagowanie i dane integracyjne.

Whitepaper, figura 2: cztery analizatory NovaFlex pobierające próbki z 32 naczyń i przekazujące dane do historianu przez OPC.

W pokazanym przykładzie cztery analizatory NovaFlex obsługują 32 bioreaktory, a komunikację NovaFlex–DeltaV opisano jako OPC.

Rynek wtórny i cena

Oferta eBay identyfikuje BT1-2309, stan używany, „control box only, as pictured”, za 2 999,99 USD. Machinio indeksowało panel BC16-106343-0201 za 2 000 USD. Bid on Equipment opisywało system BC08-104085-0202 z czterema pompami perystaltycznymi, a Wotol — BioNet na wózku, 120 V, 60 Hz, 470 lb i wymiary 34 × 46 × 72 cale. Nie wszystkie te oferty opisują tę samą konfigurację ani kompletność.

Ceny 2–3 tys. USD dotyczą elementów używanych, nie uruchomionej instalacji DCS. Do kosztu odtworzenia mogą dojść kontroler i karty, licencje DeltaV, hosty, sensory, MFC, naczynia, okablowanie, projekt, walidacja, kalibracja, migracja i wsparcie NECI. Segment P5 odnosi się do kompletnego wielonaczyniowego systemu z usługą inżynierską; nie może być wyliczany przez prostą multiplikację ceny pustej skrzynki.

Źródła

• Broadley-James — whitepaper „Automating Industrial Process Development Labs”.
• Google Patents / USPTO — US 7,435,581 B2, Integrated bio-reactor monitor and control system.
• LaboratoryTalk / Emerson — digitally networked bioreactor.
• Emerson Automation Experts — DeltaV on Laboratory Bioreactors.
• Broadley-James — BioNet has a new sales and support structure.
• Engineering & Production directory — zachowany profil BioNet Controller.
• Justia Trademarks — BioNet, registration 2953261.
• eBay — używana skrzynka BT1-2309.
• Machinio — panel BC16-106343-0201.
• Bid on Equipment — BC08-104085-0202.
• Wotol — używany BioNet z wózkiem.
• NVD — CVE-2022-29957.
• NVD — CVE-2018-19021.
• Broadley-James — warunki użycia materiałów.