LADS erledigt das: OPC UA basierter Standard für das vernetzte Labor

Viele Laborleiter stehen vor diesem Problem: Gut ausgebildete Fachkräfte verbringen einen Großteil ihrer Zeit mit der manuellen Vorbereitung und Durchführung von Experimenten, dem Ausfüllen von papierbasierten Notizbüchern oder dem Übertragen digitaler Daten mit einem USB-Dongle von einem Laborgerät zum LIMS. Von einem digitalen, vernetzten und automatisierten Labor ist keine Spur. Im Laborbereich fehlt ein herstellerunabhängiger und offener Kommunikationsstandard, der den unterschiedlichen Anforderungen von Geräteherstellern, Laborbetreibern und Systemintegratoren gerecht wird. Der Blick über den Tellerrand offenbart einen Standard, der in einem anderen Bereich seit mehr als 20 Jahren erfolgreich ist.
Lassen Sie uns ein Bild malen: Eine Middleware wird von Labortechnikern verwendet, um ihre Experimente im Labor zu planen. Die Software kann bestehende Arbeitsaufträge aus dem LIMS abrufen, organisiert Experimente in Prozessschritte, stellt Laborgeräten relevante Einstellungen zur Verfügung und stößt die Ausführung von Programmen an. Nach erfolgreicher Ausführung werden die Ergebnisdaten von den Geräten über die Middleware an die zuständigen Mitarbeiter weitergeleitet. Diese verarbeiten und analysieren die Daten, zeichnen die Ergebnisse ab und leiten sie an das LIMS weiter. Regulatorische Anforderungen werden von der Software ebenso berücksichtigt wie die elektronische Dokumentation im Labornotizbuch. Parallel dazu arbeitet die KI im Hintergrund mit Geräte-, Prozess-, Nutzungs- und Umgebungsdaten und registriert relevante Abweichungen, um den Laborbetreiber zu unterstützen, indem sie potenzielle Geräteausfälle identifiziert, auf nicht konforme Umgebungsbedingungen hinweist oder Empfehlungen für eine bessere Gerätenutzung ausspricht. Klingt zu schön, um wahr zu sein?
Tatsächlich ist der heutige Laborbereich weit von diesem Idealbild entfernt, auch wenn das digital vernetzte Labor bei vielen Gelegenheiten angepriesen wird. Eine Studie von McKinsey aus dem Jahr 2019 zeigt, dass Labore durch die Digitalisierung 580 Prozent der Kosten und bis zu 70 Prozent der Durchlaufzeit einsparen können. Neben einer relevanten Reduktion des Dokumentations- und Auditierungsaufwands durch die automatisierte Erfassung von Ergebnissen sind weitere Aspekte relevant: Die Minimierung von menschlichen Fehlern und Abweichungen bei der Durchführung von Laborprotokollen erhöht nicht nur die Qualität, sondern ermöglicht auch eine bessere Planung von Personal, Abläufen und Materialverbrauch.

Status quo: Die Laborlandschaft verhindert Interkommunikation

Hinzu kommt die in heutigen Laboren vorgefundene Infrastruktur, die durch hohe Heterogenität und fehlende Kommunikationsstandards gekennzeichnet ist. Generische Softwarelösungen auf der oberen IT-Ebene (ERP, LIMS, MES) bieten kaum Möglichkeiten, Geräte oder Software überhaupt effizient zu verbinden. Eine durchgängige Interkommunikation wird nur für spezifische Insellösungen eingesetzt und erfordert daher Anpassungen auf Softwareebene. Das Ergebnis sind starre Strukturen, die eine flexible Veränderung der Software- und Gerätelandschaft nicht unterstützen und somit zusätzlichen Implementierungsaufwand bedeuten. Dies ist auf die überwiegend verwendeten proprietären, herstellerspezifischen Kommunikationsschnittstellen zurückzuführen, die eine effiziente Interoperabilität von Systemen verschiedener Hersteller verhindern. Auch die fehlende allgemeine Digitalisierung vieler bestehender Geräte verhindert eine wertschöpfende Integration.
Dies gilt auch für hochautomatisierte, unabhängig arbeitende Gerätesysteme, die digitale Daten erzeugen, ohne eine Kommunikationsschnittstelle anzubieten.

Bereits verfügbar und bewährt: OPC UA

Vor einer ähnlichen Herausforderung standen die Unternehmen der diskreten Fertigung vor 25 Jahren, als die Marktführer der Automatisierungsbranche die OPC Foundation gründeten. Seit 2008 ist sie Trägerin des offenen und herstellerunabhängigen Kommunikationsstandards OPC UA, der zum vorherrschenden Industriestandard wurde. Sie ermöglicht "OPC UA Companion Specifications", spezielle Informationsmodelle, die auf Marktsektoren oder Maschinentypen zugeschnitten sind. So definiert die Companion Specification für die Robotik (OPC UA Robotics) ein standardisiertes Informationsmodell, das roboterbezogene Daten einheitlich und herstellerunabhängig darstellen kann. Der Nutzen ist fundamental: Benutzer können eine "vertikale" Verbindung für einen Roboter als Plug'n'Play mit Heim-PCs erstellen.
Für den Laborbereich fehlt uns noch ein solcher weltweiter Standard. Es gibt solche wie "JCAMP", "AnIML", Allotrope oder "SiLA"; Schnittstellen sind sehr spezifisch angelegt, teilweise nicht zertifiziert oder ohne moderne Sicherheitsmerkmale. Außerdem konzentrieren sie sich eher auf den reinen Datenaustausch als auf die Steuerung der Laborgeräte selbst. Dadurch ist ihr Einsatzbereich begrenzt.

Auf dem Weg zum Kommunikationsstandard für das Labor

Rund 30 Unternehmen im deutschen Industrieverband für Labor-Analysegeräte "Spectaris e.V." haben sich auf einen Weg der Verständigung begeben. Ihr gemeinsames Ziel ist die Entwicklung eines Kommunikationsstandards: "Laboratory and Analytical Device Standard" (LADS). Der Standard basiert auf OPC UA und bietet viele Vorteile, die für den Einsatz im Labor benötigt werden:

• Etablierter, gut definierter, anpassbarer, bewährter und ausgereifter Industriestandard
• Die Fähigkeit, sich mit der bestehenden industriellen Infrastruktur zu verbinden
• Plattformunabhängig sowohl auf Software- als auch auf Hardwareebene
• Sicherheit durch Design
• Downloadkompatibel (Möglichkeit zur Integration früher, proprietärer Datenformate)
• Integration von zukünftigen Datenformaten
• Audit-Trail
• Datenarchivierung
• Erfüllung gesetzlicher Anforderungen (z.B. 21 CFR part 11 oder 40 CFR part 3)

Auf dieser Grundlage wird eine begleitende Spezifikation erstellt, die auf die spezifischen Bedürfnisse von Laboren zugeschnitten ist. Das LADS-Informationsmodell wendet einen agnostischen Ansatz an, um das breite horizontale Spektrum der Laborgerätedomäne abzudecken und die Akzeptanz als allgemeiner Standard zu gewährleisten. Gerätespezifische Eigenschaften können innerhalb dieses Modells zusätzlich angeboten werden. Bis Ende 2022 sollten Referenzimplementierungen verfügbar sein. Hersteller und Entwickler können diese zum Testen und Zertifizieren ihrer Produkte verwenden. Dies garantiert, dass die Komponenten die P'n'P-Interoperabilität erfüllen. Eine konsistente, hersteller-, geräte- und systemunabhängige Interkommunikation ist in Reichweite.

| Originalversion veröffentlicht in ACHEMA Inspire, Ausgabe Juli 2022/Deutsche Übersetzung durch DECHEMA Ausstellungs-GmbH |