Retrofit bei 3M Technical Ceramics

Kühlwassersysteme gelten häufig als selbstverständlich – bis sie zum kritischen Faktor für den Produktionsbetrieb werden. Diese Erfahrung machte auch 3M Technical Ceramics in Kempten. Die Fertigung dort umfasst die Pulverherstellung und die Sinterung. Im Bereich der Pulverherstellung war es über die Jahre zu vermehrten Produktionsausfällen der eingesetzten Anlagen gekommen, deren Ursache in der Kühlwasserversorgung lag. Denn über den gemeinsamen, offenen Kühlwasserkreislauf im Bereich der Sinterung, gelangten wiederholt Sauerstoff und Verunreinigungen in das System.

Die Anlagen der Pulverherstellung reagierten darauf mit Ablagerungen, sodass sie zeitweilig bis zur Beseitigung der Verschmutzungen abgeschaltet werden mussten. Um diese Störungen zu vermeiden, entschied sich der Betreiber dafür, die Anlage in zwei getrennte Kühlkreisläufe aufzuteilen: Der weniger sensible Bereich der Sinterung blieb an das bestehende offene System angebunden, während für den empfindlicheren Bereich der Pulverherstellung ein geschlossener Kühlkreislauf aufgebaut wurde. Beide Kreisläufe wurden über Wärmetauscher voneinander getrennt, sodass die Kühlmedien nicht mehr miteinander in Kontakt kommen können.

Da bereits kurze Unterbrechungen der Kühlwasserversorgung Auswirkungen auf die Produktion haben können, wurde der neue Kühlkreislauf redundant ausgelegt. Parallel installierte Pumpen stellen sicher, dass beim Ausfall eines Aggregats unmittelbar ein zweites übernimmt.

Redundanzkonzept für Kühlwasserversorgung und Automatisierung

Die Absicherung der Kühlwasserversorgung beschränkte sich dabei nicht allein auf die prozesstechnische Auslegung der Anlage. Um die gewünschte Betriebssicherheit zu erreichen, musste auch die Automatisierung entsprechend ausgelegt werden. Fällt die zentrale Steuerung aus, lassen sich selbst redundant vorhandene Pumpen nicht mehr ansteuern. Eine zentrale Anforderung war es daher, im Zuge der Modernisierung nicht nur die Anlagen- und Prozesstechnik, sondern auch die Automatisierung grundlegend zu erneuern und konsequent redundant aufzubauen.

In der Altanlage waren beispielsweise mehrere Pumpen zwar redundant aufgebaut, wurden jedoch von nur einer zentralen SPS gesteuert. Fiel diese Steuerung aus, konnten die Pumpen nur noch in einem manuellen Notbetrieb betrieben werden und die Verantwortung lag allein beim Bediener. Um dieses Risiko zu vermeiden, wurde im Zuge des Retrofits ein umfassendes automatisierungstechnisches Redundanzkonzept umgesetzt.

Kern des Konzepts ist eine redundante SPS-Architektur, bei der zwei Steuerungen parallel im Schaltschrank installiert sind und sich gegenseitig überwachen. Fällt eine der beiden CPUs aus, übernimmt die zweite Steuerung ohne Prozessunterbrechung die Regelung der Anlage.

Vor dem Retrofit arbeitete die Kühlwasseranlage mit einer über Jahre gewachsenen Automatisierungsstruktur. Dabei steuerte eine zentrale SPS der Baureihe Siemens S7-400 die beiden Anlagenbereiche - Sinterung sowie Pulverherstellung - gleichzeitig. Im Zuge des Retrofits wurde die Automatisierung neu aufgebaut und für den modernisierten Anlagenbereich der Pulverherstellung auf einer Steuerungsplattform der Firma Siemens nach neuestem Stand der Technik realisiert.

Mit der Umsetzung der Automatisierungsmodernisierung beauftragte 3M die Stoll Gruppe, die auf technische Gewerke für industrielle Automationsprojekte spezialisiert ist und dabei die Rolle des verantwortlichen Integrators und Koordinators übernimmt. Das Unternehmen hatte die ursprüngliche Kühlwasseranlage vor über zwanzig Jahren installiert und kannte deren Aufbau daher sehr genau. Diese langjährige Anlagenkenntnis erleichterte Planung und Abstimmung des Retrofits. Im Rahmen des Projekts übernahm das Team die Planung und das Engineering der Automatisierung sowie Softwareentwicklung, Schaltschrankbau, Montage und Inbetriebnahme. Da alle beteiligten Gewerke innerhalb eines Unternehmens organisiert waren, konnten sonst übliche Schnittstellenverluste vermieden werden.

Neues Leitsystem erhöht Transparenz

Neben der eigentlichen Anlagenmodernisierung rückte im Zuge des Retrofits auch das Leitsystem der Kühlwasseranlage in den Fokus. Die bisherige Visualisierung war nicht mehr zeitgemäß und einzelne Komponenten zum Teil abgekündigt.

Vor diesem Hintergrund entschied sich der Anlagenbetreiber, die Modernisierung der Kühlwasseranlage nicht nur auf die Anlagentechnik zu beschränken, sondern auch das Leitsystem grundlegend zu erneuern. Mit dem Retrofit entstand eine neue Automatisierungsarchitektur, bei der Steuerung, Visualisierung und Antriebstechnik auf einer durchgängigen Systemplattform aus der Siemens-Produktfamilie basieren. Als zentrale Visualisierungsplattform kommt heute Siemens WinCC Unified zum Einsatz. Dieses kommuniziert sowohl mit der neuen Steuerung im modernisierten Anlagenbereich der Pulverherstellung als auch mit der bestehenden Steuerung im Bereich Sinterung. Zusätzlich ermöglicht die Plattform eine verbesserte Archivierung und Auswertung von Prozessdaten. Die Bedienung erfolgt heute sowohl über die Leitwarte als auch über lokale Bedienplätze an der Anlage.

Modernisierung im engen Zeitfenster

Die Planung und Umsetzung erfolgte in enger Abstimmung der beiden Projektpartner. Ziel war es, die laufende Produktion nicht zu beeinträchtigen und die Umstellung innerhalb eines begrenzten Zeitfensters umzusetzen. Daher erfolgte die eigentliche Umsetzung der Modernisierung im Rahmen des jährlichen Anlagenstillstands während der Sommermonate. In dieser Zeit wird die Produktion für rund zwei Wochen unterbrochen.

Aufgrund dieses engen Zeitfensters wurde der Umbau sehr detailliert vorbereitet. Auf Seiten des Betreibers wurden frühzeitig feste Meilensteine und Entscheidungsrunden definiert, in denen geprüft wurde, ob alle technischen und organisatorischen Voraussetzungen für den Umbau erfüllt waren. Erst nachdem diese Punkte bestätigt waren, fiel die endgültige Entscheidung für den Start des Projekts – der sogenannte „Point of no Return“.

Während der zwei Wochen Stillstand liefen mehrere Arbeiten parallel. Der Betreiber führte mechanische Anpassungen an der Kühlwasseranlage durch und integrierte die neuen Komponenten in die bestehende Infrastruktur der Produktion. Parallel dazu übernahm Stoll die Installation und Inbetriebnahme der neuen Steuerungs- und Automatisierungstechnik.

Ein wesentlicher Vorteil in der Abwicklung lag darin, dass die verschiedenen Automatisierungsgewerke innerhalb eines Unternehmens organisiert waren. Der Integrator übernahm sowohl die Projektplanung als auch Elektrokonstruktion, Softwareentwicklung, Schaltschrankbau sowie Montage und Inbetriebnahme der Automatisierungstechnik. Dadurch hatte der Projektleiter direkten Zugriff auf alle beteiligten Fachabteilungen, sodass Abstimmungen intern erfolgen und mögliche Schnittstellenfragen schneller gelöst werden konnten – ein wichtiger Vorteil angesichts des engen Zeitfensters für die Umsetzung. Zudem arbeiteten Elektrokonstruktion und Softwareentwicklung weitgehend parallel, wodurch sich die Projektlaufzeit deutlich verkürzte.

Höhere Anlagenverfügbarkeit und Betriebssicherheit

Mit der Modernisierung von Kühlwasserversorgung, Automatisierung und Leitsystem verfügt die Anlage in Kempten heute über eine deutlich robustere und zukunftssichere Infrastruktur. „Seit der Modernisierung hat sich die Betriebssicherheit der Kühlwasseranlage deutlich verbessert, bis dato hatten wir keine ungeplanten Stillstände“, bestätigt Thomas Trinkwalder von 3M Technical Ceramics das Ergebnis.

Zusätzliche Diagnoseinformationen aus der Automatisierung ermöglichen heute eine genauere Analyse von Anlagenzuständen und möglichen Störungen. Die systematische Erfassung und Archivierung von Messdaten machen Veränderungen im Prozess frühzeitig sichtbar. Ergänzend liefern neue Sensoren deutlich genauere Informationen zur Wasserqualität, wie pH-Wert, Leitfähigkeit und Sauerstoffgehalt, sodass Veränderungen im System schneller erkannt werden. Dazu Trinkwalder: „Früher mussten wir bei Auffälligkeiten teilweise erst Laboranalysen abwarten. Heute sehen wir Veränderungen der Wasserqualität direkt im System und können entsprechend schneller reagieren“. Auch künftig sind weitere Modernisierungs- und Optimierungsmaßnahmen an der Anlage geplant.

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