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Zukunftssicher modernisieren

Brownfield-Projekte als Chance für die Digitalisierung

| Autor/ Redakteur: Valentin Werthwein* / Anke Geipel-Kern

Einer der Kerngedanken von Industrie 4.0 ist die Entwicklung digitaler Geschäftsmodelle. Das bedeutet aber keinesfalls das Ende von Prozessanlagen. Vielmehr stehen in Deutschland, wie überall auf der Welt, die Zeichen auf Modernisierung: Anlagen sollen nach 20 bis 30 Jahren für die Anforderungen von morgen fit gemacht werden. Da viele der durch die Digitalisierung entstehenden Herausforderungen heute aber noch nicht absehbar sind, sollten Betreiber auf Technik setzen, die ein hohes Maß an Flexibilität sichert.

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Um Brownfieldanlagen zu modernisieren, benötigt man durchdachte Konzepte.
Um Brownfieldanlagen zu modernisieren, benötigt man durchdachte Konzepte.
(Bild: Siemens)

Es gibt sicher nicht wenig Betreiber, die ihre Anlagen getreu dem Motto „never ­change a running system“ einfach immer weiter laufen lassen würden. Mit dieser Einstellung fährt man so lange gut, bis für abgekündigte Komponenten in produktionskritischen Bereichen wirklich kein Ersatz mehr aufzutreiben ist. Der nächste Ausfall verwandelt dann ein „running system“ in ein „downtime system“ – Anlagenstillstand aufgrund von Modernisierungsverweigerung!

Die Investition in Modernisierung lohnt sich

Dass Anlagenmodernisierungen den umfangreichen Einsatz von Ressourcen notwendig machen, ist unbestritten und doch lohnen sich die Investitionen: Der technologische Fortschritt der letzten zehn bis 20 Jahre hat z.B. weitaus leistungsfähigere Steuerungen hervorgebracht oder Leit- und Regeltechnik, die Prozesse optimiert, den Energieeinsatz drastisch reduziert etc. Wer sich für Modernisierungsmaßnahmen entscheidet, hat einen konkreten Nutzen vor Augen und möchte von innovativen Entwicklungen profitieren.

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Ebenfalls nicht zu unterschätzen ist der Wunsch nach möglichst großer Investitionssicherheit. Diese aus Betreibersicht wesentlichen Gesichtspunkte standen bei der Entwicklung der aktuellen Version 9 des Prozessleitsystems Simatic PCS 7 von Siemens im Vordergrund. Das System setzt daher voll auf die Zukunftssicherheit des ethernetbasierten Kommunikationsstandards Profinet und unterstützt den Aufbau von sehr flexiblen Automatisierungskonzepten durch zwei neu entwickelte Peripherie-Linien, mit denen der Einstieg in die Digitalisierung bereits auf Feldebene gelingt.

Ein Bus für mehr Möglichkeiten

Profinet (Process Field Network) ist die sinnvolle Zusammenführung der Funktionalität von Profibus und den Vorzügen von Industrial Ethernet. Der Profinet-Standard folgt 100%ig der IEC-Norm 802.3 und arbeitet mit Übertragungsraten von 100 Mbit/s. Der Einsatz von Ethernet bedeutet zudem, dass man von innovativen Techniken wie der einfachen Einbindung von Webdiensten, intelligentem Netzwerkmanagement, durchgängiger Nutzung großer Datenmengen bis weit über die Leitwarte hinaus etc. profitieren kann.

Darüber hinaus befreit Profinet von bisherigen Einschränkungen und erlaubt die freie Wahl von Netz-Topologien. Änderungen in der Topologie sind dank implementierter Protokolle wie Simple Network Management Protocol (SNMP) und Link Layer Discovery Protocol (LLDP) im laufenden Betrieb ebenso möglich wie die automatische Namensvergabe von Komponenten. Bei Modernisierungsprojekten schafft der Einsatz von Profinet eine optimale Grundlage für zukunftssichere und sehr flexible Automatisierungslösungen, die beliebig erweitert werden können.

Modernisieren? Erweitern? Platz sparen!

Das Peripheriesystem Simatic ET 200SP HA nutzt die genannten Vorteile von Profinet optimal: Redundante Profinet-Anschlüsse erlauben die Verbindung zu hochverfügbaren Controllern über zwei vollständig voneinander getrennte Netzwerke, wahlweise per Kupferkabel oder Lichtwellenleiter.

Das I/O-System ist modular und kann in kleinen Schritten skaliert und erweitert werden. Es passt sich durch die große Anzahl verfügbarer Module optimal an jede Automatisierungsaufgabe an. Für Modernisierungsprojekte besonders interessant, sind die kompakten Abmessungen der Station: Die Modulbreite ist auf nur noch gut 22 mm gesunken. Gleichzeitig finden noch immer bis zu 32 Kanäle auf einem Modul Platz. Eine ­Simatic ET 200SP HA-Station kann zudem bis zu 56 Peripheriemodule aufnehmen.

Hohe Ökonomie im Schaltschrank

Die extrem hohe Kanaldichte erlaubt eine Installation von bis zu 700 I/O pro Seite in einem 800 mm breiten Standardschrank. Auf der Montageplatte findet sich dabei sogar noch genug Platz für die Rangierung der Signale, denn das I/O-System kann auch vertikal bei bis zu 70 °C Umgebungstemperatur betrieben werden. Die Rangierung erfolgt dann direkt von der Rangierklemme auf die Klemmen der Simatic ET 200SP HA Baugruppe.

Für Modernisierungsmaßnahmen ist das von großer Bedeutung, denn zusätzliche Rangierschränke oder eine Rangierung auf der Schrankrückseite und die dafür notwendige Zwischenverdrahtung entfallen. Die damit einhergehende Platzersparnis lässt sich für zusätzliche Erweiterungen nutzen. Die Direktverdrahtung erlaubt zudem die Zuweisung der Signale zu einem sehr späten Projektzeitpunkt und sorgt für die Verkürzung von Projektzeiten.

Standards im Schaltschrank für flexible Planung

Durch den getrennten Aufbau von Peripheriemodulen und den Terminalblöcken, die als Prozessklemmen für den Anschluss von Sensoren und Aktoren dienen, ist eine Vorverdrahtung der kompletten Station auch ohne Elektronikmodule möglich. Das macht die Planung sehr viel flexibler.

Sämtliche 24-V-Standardsignale werden über einen identischen Terminalblock-Typ angeschlossen, was zu einer hochgradigen Standardisierung beim Schaltschrankbau und damit zu reibungsloseren Werksabnahmen (FAT – Factory Acceptance Tests) führt. Weitere Sparpotenziale ergeben sich aus der intelligenten Strombegrenzung und der system­integrierten I/O Redundanz. So gewährleistet die Strombegrenzung den Betrieb von Baugruppen auch bei Kurzschlüssen im Feld.

Feldgeräte müssen nicht mehr einzeln abgesichert werden

Dazu ist es nicht mehr notwendig, die Versorgung bzw. Kontaktspannung der Feldgeräte einzeln abzusichern. Vielmehr können Feldgeräte direkt an den Klemmen der I/O Baugruppe angeschlossen werden, was den Platzbedarf und den Verkabelungsaufwand verringert. Dank systemintegrierter I/O-Redundanz kann nun bei Bedarf flexibel entschieden werden, welche Baugruppen einer Station eine erhöhte Verfügbarkeit benötigen. Für die Umsetzung werden keine externen Komponenten, keine Verdrahtung und kein zusätzlicher Platz im Schrank benötigt.

Neue, dezentrale Konzepte in der Feldebene

Simatic ET 200SP HA überzeugt aber auch außerhalb zentraler Schrankräume beim prozessnahen Einsatz durch Robustheit und hohe Leistungsdichte. Bei dezentralen Installationen kann der Planungs- und Umsetzungsaufwand drastisch reduziert werden: Gegenüber zentralen Anlagenkonzepten können durch verringerte Kosten für Kabeltrassen und -verlegung Einsparungen erzielt werden, die den Komplettpreis eines Leitsystems übersteigen. Der erweiterte Temperaturbereich von -40 bis +70 °C und das Conformal Coat­ing aller Komponenten erlauben eine prozessnahe In­stallation in Kleingehäusen ohne zusätzliche Klimatisierung. Feldgeräte werden direkt an die I/O-Baugruppe angeschlossen und machen Unterverteiler, Stammkabel und Rangierungen überflüssig. Das dezentrale I/O-System kann bis in Atex Zone 2 installiert werden und erfüllt EMV-Anforderungen nach IEC 61000-6-5, die weit über den Ansprüchen im Industriebereich liegen. Auch hinsichtlich ihrer Kommunikationseigenschaften bietet die neue Peripheriestation die notwendige Flexibilität für die Installation im Feld, durch die singuläre oder redundante Profinet-­Anbindung. Eine dezentral installierte ET 200SP HA Station kann direkt über Glasfaser an den zen­tralen Switch oder an weitere dezentrale I/O Einheiten angeschlossen werden. Im Feld werden keine zusätzlichen Medienumsetzer benötigt.

Dezentrale Peripherie für den Einsatz im Feld

Für den unmittelbaren Einsatz im Feld wurde auch die neue dezentrale Peripherie-Linie Simatic Compact Field Unit (CFU) entwickelt. Der über Profinet angebundene, intelligente Feldverteiler verbindet die einfache Handhabung bekannter 4…20-mA-Technik mit den Vorzügen der digitalen Feldbus-Technologie. Simatic CFU kommuniziert per Profinet direkt mit den überlagerten Ebenen. Der smarte Feldverteiler macht Rangierschränke sowie mehradrige Stammkabel in Zukunft überflüssig. Die PA-Edition der Simatic CFU bietet eine Kombination von digitalem Feldbus und diskreten I/Os.

Von den 16 Kanälen ist die Hälfte für die Anbindung von Profibus PA-Signalen reserviert, die restlichen sind als digitale Ein- oder Ausgänge per Software frei konfigurierbar – unabhängig von der Verdrahtung. Simatic CFU macht den Anschluss von Profibus PA-Geräten somit einfach und schnell wie nie: Sämtliche angeschlossenen Geräte werden automatisch adressiert und über Standardprofile integriert. Siemens spricht daher von Plug-and-Produce, denn im Vergleich zur bisherigen manuellen Integration wird der Zeitaufwand von etwa 30 Minuten und mehr auf weniger als eine Minute reduziert.

Prozessleitsystem schafft Mehrwert

All diese Vorteile, die bei Modernisierungen von der Feldebene ausgehend erreicht werden können, gehen mit der Erneuerung der Leitsystem-Basis einher. Das Leitsystem Simatic PCS 7 ist in Version 9.0 der Schlüssel für die Nutzung der Hardware-Innovationen. So erfolgt die Projektierung der neuen Peripherie-Linien über das bekannte Parametrier-Tool Simatic PDM (Process Device Manager), das nun umfassend Profinet unterstützt. Mehr Flexibilität in der Anwendung garantiert die Client-Server-Kommunikation, wodurch sich dem Anwender eine Vielzahl von Einsatzszenarien erschließt, um Wartungspersonal effizienter einzusetzen, z.B. mithilfe mobiler Endgeräte.

Damit die Administration und Verwaltung von installierten Hardware- und Softwarekomponenten vereinfacht wird, wurde die Simatic Management Console weiter ausgebaut. Über eine neu geschaffene Schnittstelle können bestimmte Daten der Anlagenkonfiguration auf Wunsch ausgeleitet und in der zentralen Service-Datenbank von Siemens hinterlegt werden. Mithilfe dieser Daten, z.B. Versions- oder Firmwarestände, kann der ­Siemens Customer Support bei Anfragen gezielt und schneller reagieren.

Wer Prozessanlagen modernisieren möchte, bevor es zu ungeplanten Anlagenstillständen wegen Überalterung kommt, sollte die Möglichkeiten einer schrittweisen Modernisierung, wie sie mit Siemens-Technologie möglich ist, unbedingt in Betracht ziehen. Die umfangreiche Unterstützung von Profinet, die neu entwickelte Prozessperipherie sowie das moderne Leitsystem schaffen eine ideale Ausgangsbasis für mehr Flexibilität und Zukunftssicherheit. Diese Eigenschaften tragen zum Investitionsschutz bei und sind der Hebel für Kosteneinsparungen über den gesamten Anlagenlebenszyklus.

* * Der Autor ist Product Manager I/O Hardware & Cabinets bei der Siemens AG, Nürnberg. Kontakt: Tel. +49-800-22-55-33-6

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