Schnelle Steuerungs-Modernisierung in der Praxis

Stillstand minimiert

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08.06.2011 Steuerungen älterer Bauart können die Leistungsfähigkeit von sonst noch voll funktionsfähigen Anlagen stark beeinträchtigen. Ein kosten- und zeiteffektives Modernisierungskonzept schafft hier Abhilfe: Die einschließlich Schaltschrank unverändert belassene Feldebene der Anlage wird mittels eines Adaptersystems in einer 1:1-Umsetzung mit einer modernen Steuerungstechnik auf Basis von Wago-I/O-Komponenten verbunden. Die Umrüstung vor Ort erfordert nur wenigen Stunden.

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Entscheider-Facts Für Betreiber und Planer


  • Bei der Modernisierung von Automatisierungssystemen stehen in der Regel die Steuerungsebene und der „Physical Layer“ im Vordergrund, die Feldebene bleibt meist unangetastet.
  • Um Anlagenstillstandszeiten bei der Modernisierung zu minimieren, wurde das Konzept der „komponentenbasierten Sanierung“ entwickelt.
  • Dabei wird die Steuerung mittels spezieller Adapter 1:1 auf ein Automatisierungssystem aus Komponenten des I/O-Systems 750 von Wago überführt.
  • Per IPC können zusätzlich mehrere modernisierte Anlagen zusammengeführt und in überlagerte Feldbus- und Ethernet-Systeme eingebunden werden.

In vielen Branchen ist bei der Automatisierung von Produktionsanlagen ein typisches und weitgehend gleiches Szenario zu beobachten: Es werden Anlagen betrieben, die hinsichtlich ihrer Sensorik, Aktorik und Feldverkabelung voll funktionsfähig und betriebssicher sind, deren Steuerungsaufgaben dagegen durch eine spürbar „gealterte“ SPS wahrgenommen werden, für die Ersatzteile und Wartungsunterstützung nur noch sehr eingeschränkt verfügbar sind. Das führt zu einem starken Anwachsen der Instandhaltungskosten bei gleichzeitig reduzierter Anlagenverfügbarkeit. Auch ist die Flexibilität bezüglich Anpassungen, Ausbau oder Einbindung in höhere Leitebenen nur sehr begrenzt oder gar nicht mehr möglich.

Um Produktionsausfälle zu vermeiden, die Kapazität zu steigern und interne Abläufe und Kosten zu optimieren, lassen sich Modernisierungsmaßnahmen irgendwann nicht mehr aufschieben. Die Betreiber stehen dann vor der immer gleichen Frage, in welchem Umfang modernisiert werden soll. Eine komplett neue Anlage ist oft aus Kostengründen nicht möglich und auch nicht erforderlich, da die Feldebene noch voll funktionsfähig ist; Teilsanierungen an verschiedenen Stellen der Anlage sind zeitintensiv und bringen in der Regel keine nachhaltige Lösung. Auch sollen die Maßnahmen die laufende Produktion nicht behindern und auch nicht mit dem Verlegen neuer Kabelstränge verbunden sein. Andererseits soll die Steuerung den modernsten technischen Stand aufweisen und alle Möglichkeiten der heutigen Industriekommunikation einschließlich Einbindung in höhere Leitebenen des Unternehmens bieten.
Für das geschilderte Szenario haben die Unternehmen Wago und Arkadon IT-Engineering ein technisch attraktives und zugleich kostengünstiges Konzept entwickelt, welches bereits an zahlreichen Anlagen erfolgreich umgesetzt wurde. Es handelt sich um eine „komponentenbasierte Sanierung“, bei welcher der Feldbereich der Altanlage mit Sensoren, Aktoren, Feldverkabelung sowie Schaltschrankinfrastruktur samt Datenpunkten unverändert bleibt, die Steuerung jedoch mittels spezifischer Adapter 1:1 auf ein Automatisierungssystem aus Komponenten des „Wago I/O-Systems 750“ überführt wird (Bild 2). Dieses eröffnet mit seinen offenen Standards und seinem Controller alle Möglichkeiten der heutigen industriellen Kommunikation einschließlich Programmierbarkeit gemäß IEC 61131-3. Der zusätzliche Einsatz eines Industrie-PC erlaubt darüber hinaus, mehrere modernisierte Anlagen zusammenzuführen und diese in überlagerte Feldbus- und Ethernet-Systeme einzubinden (Bild 1).

Vormontage und Konfiguration bereits beim Systemintegrator

Die Konzeptumsetzung beginnt im Vorfeld der Umrüstung mit einer detaillierten Bestandsaufnahme der Altanlage (Steuerungs-Baugruppen, Datenpunkte, Verkabelung, Prozessabläufe etc.). Diese Informationen dienen nachfolgend als „Lastenheft“ für die Zusammenstellung der für die Umrüstung benötigten Adapter (Multiconnectoren, Entwicklung durch Arkadon) und Komponenten des I/O-Systems. Die Multiconnectoren sind spezifisch für die jeweiligen Steuerungen bzw. deren Baugruppen (bisher Microcontrol und S5–135 U) aufgebaut und setzen die unverändert belassenen Datenpunkte der Altanlage per smarter Elektronik 1:1 auf die Eingänge des I/O-Systems um. Dieses übernimmt mittels seines Controllers auch die Steueraufgaben der alten SPS, wofür die Software mittels des Codesys-Programmierstandards entsprechend angepasst wird. Zugleich wird die bisher manuelle Bedienebene auf einen intuitiv erfassbaren Touchscreen übertragen.

Die Adapter und die Komponenten des I/O-Systems werden in einem Rahmen montiert, der in seinen Abmessungen der alten Steuerung gleicht und an deren Stelle in den sonst unverändert belassenen Schaltschrank eingebaut wird (Bilder 3 und 4). Diese Arbeiten finden außerhalb der Anlage, zum Beispiel beim Systemintegrator, statt und lassen den Anlagenbetrieb völlig ungestört.
Nach Bestückung des Rahmens mit den Adaptern und dem I/O-System wird die Anlage vor Ort umgerüstet. Diese Arbeiten beschränken sich auf den Austausch der SPS gegen den vormontierten und getesteten Adapterrahmen und nehmen erfahrungsgemäß nur wenige Stunden in Anspruch. Die SPS wird ausgebaut und an gleicher Stelle der bestückte Rahmen in den Schaltschrank montiert. Schließlich werden die unverändert belassenen Stecker der alten Steuerung auf die Multiconnectoren aufgesteckt, wodurch das I/O-System mit den Datenpunkten verbunden wird und die Rolle der SPS übernehmen kann. Die ausgetauschte SPS und ihre Anschlüsse bleiben bei der Umrüstung unverändert. Die SPS könnte daher in einem Notfall wieder eingebaut werden (Fall-back-Strategie).

Weniger als ein Tag Stillstand

Seit Einführung des Modernisierungskonzeptes wurden zahlreiche Anlagen umgerüstet, in Raffinerien und mittelständischen Betrieben ebenso wie bei kommunalen Einrichtungen und Energieversorgungsbetrieben. Überall betrug die Umrüst- und damit Stillstandszeit der Anlage weniger als einen Tag, bei zum Teil vielen Tausend Datenpunkten je Anlage. Voraussetzung hierfür war die sorgfältige Bestandsaufnahme einschließlich Dokumentation im Vorfeld der Umrüstung sowie die professionelle Entwicklung der Multiconnectoren und deren Anpassung sowohl an die zu ersetzende Steuerung als auch an das geeignet konfigurierte Wago-System. Hier bewährt sich dessen Vielseitigkeit und modularer Aufbau ganz besonders. Die Aussagen der Anwender bestätigen den vielschichtigen Nutzen aus diesem Konzept:

Umrüstung vor Ort begrenzt auf Austausch der SPS gegen den bereits bestückten Adapter-Rahmen; daher nur sehr begrenzte Stillstandszeit im Stundenbereich; Wiederinbetriebnahme in der Regel bereits am Tag des Umbaus;
kostengünstige Lösung, da die gesamte Feldebene und die Schaltschrank-Infrastruktur ohne neue Verkabelung weiter genutzt wird; geringer Planungsbedarf; Weiternutzung der vorhandenen Dokumentation; geringer Schulungsaufwand für das Betriebspersonal;
gesteigerte Anlagen- und Prozesssicherheit durch moderne I/O- und Steuerungssysteme; erhöhte Produktqualität und Anlagenverfügbarkeit; erleichterte Einhaltung von Vorschriften; hohe Flexibilität durch Programmierbarkeit gemäß IEC 6-1131-3;
leichte Integration in bestehende oder zukünftige Leitsysteme; Durchgängigkeit bis in die MES-Ebene.

Fazit: Das Adapterkonzept im Zusammenspiel mit den Wago-I/O-Komponenten ist eine kostengünstige Lösung mit geringem Planungsaufwand und zügiger Umsetzung und damit optimal für den Anwender. Es entsteht eine moderne und flexible I/O-Ebene einschließlich Steuerfunktionen im ansonsten unverändert belassenen Schaltschrank. Die Anlage kann in gewohnter Weise weiter betrieben werden, jedoch mit dem Vorteil, dass die Steuerungstechnik jetzt dem modernsten technischen Stand entspricht. Bild 4 zeigt den in seinen Abmessungen an die alte SPS angepassten Einsatzrahmen leer und bestückt mit den Umrüstungskomponenten.

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Heftausgabe: Juni 2011

Über den Autor

Wolfgang Laufmann, Market Manager Energie- und Prozessautomation bei Wago Kontakttechnik
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