Robuste Prozessautomatisierung Feldbus-Implementierung in extremstem Einsatzgebiet

Autor / Redakteur: Sabine Mühlenkamp / Dr. Jörg Kempf

Bei der Produktion von Roheisen ist Robustheit gefragt. Dies gilt für den Hauptprozess, alle Nebenanlagen und vor allem für die eingesetzte Automatisierungstechnologie. Salzgitter Flachstahl setzte dazu bei einer neuen Kohleeinblasanlage auf Profibus.

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Zuverlässiger (Daten)fluss: Salzgitter Flachstahl setzte bei der Implementierung eines Feldbussystems für eine neue Kohleeinblasanlage auf Profibus.
Zuverlässiger (Daten)fluss: Salzgitter Flachstahl setzte bei der Implementierung eines Feldbussystems für eine neue Kohleeinblasanlage auf Profibus.
(Bild: ©photollurg - stock.adobe.com)

Qualitätsstahl „Made in Germany“ ist weltweit ein verlässliches Gütesiegel und stellt daher höchste Anforderungen an die Stahlherstellung. Deshalb kennt das Instandhaltungs-Team von Salzgitter Flachstahl in Bezug auf die Verfügbarkeit ihrer Maschinen und Anlagen keinen Spaß – ein einmal gestarteter Hochofenprozess kann nicht gestoppt werden.

„Jeder kennt die Bezeichnung 24/7, aber in unserem Fall heißt das rund um die Uhr für die nächsten zehn bis 15 Jahre. So lang dauert es, bis ein Hochofen seine Ofenreise beendet und abgefahren wird“, verdeutlicht Andreas Rubel, Betriebsleiter für EMSR im Hochofenbetrieb, die Situation.

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Das Unternehmen in Salzgitter produziert 4,3 Millionen Tonnen Roheisen pro Jahr. Jeden Tag werden pro Hochofen 6000 Tonnen der feuerflüssigen Masse mit Temperaturen bis 2000 °C umgesetzt und noch einmal ungefähr 2000 Tonnen an Schlacke. Bei diesen Temperaturen fließt Eisen wie Wasser – entsprechend hoch ist das Gefährdungspotenzial. Abgesehen davon, kostet jeder Tag Stillstand eine Millionen Euro bzw. wenn ein Hochofen neu zugestellt werden müsste, geht dies in die hundert Millionen Euro. Kurz gesagt: Ungeplante Stillstandzeiten sind nicht tolerierbar!

Hohe Anforderungen an Verfügbarkeit, Zuverlässigkeit und Robustheit

Vor drei Jahren investierte das Unternehmen 78 Millionen Euro in eine neue Kohleeinblasanlage (KEA), die ein zentraler Anlagenteil für die Hochöfen A und B ist. Bisher wurde im Hochofenprozess Öl als Ersatzreduktionsmittel für Koks eingesetzt. Reduktionsmittel sind im Hochofenprozess erforderlich, um die Abspaltung des Sauerstoffs vom Erz zu ermöglichen. Dank der neuen Anlage sollen die Kosten der Roheisenproduktion gesenkt werden. Zwar herrschen in den dazugehörigen Nebenanlagen nicht ganz so extreme Bedingungen, aber die Anforderungen an die Verfügbarkeit, Zuverlässigkeit und Robustheit sind genauso hoch.

Verglichen mit den mechanischen Komponenten nimmt die Elektrotechnik in der KEA sicher den kleineren Part ein, spielt aber aus Sicht der Instandhaltung eine wesentliche Rolle. „Oberste Prämisse bei den Netzwerkanforderungen ist natürlich auch hier die hohe Verfügbarkeit“, so Marcel Rohn von Indu-Sol, der als Key Account Manager Salzgitter bei der Erstellung des Feldbuskonzeptes unterstützt hat. Aber der Kunde wollte mehr: Die eingesetzte Kommunikationstechnologie sollte Unregelmäßigkeiten im Prozess frühzeitig erkennen und signalisieren, damit es nicht zu ungeplanten Stillständen kommen konnte.

„Es geht darum, der Instandhaltungsmannschaft möglichst viel Zeit vom Eintritt eines Ereignisses bis zu sichtbaren Prozessbeeinträchtigungen zu verschaffen“, bringt es Rohn auf den Punkt. „Sollte es doch mal zu einem Ereignis kommen, benötigt das Team, gerade in einem solch komplexen Prozess, frühzeitig eine Information darüber.“ Das zwischen Gera und Chemnitz angesiedelte Unternehmen Indu-Sol unterstützte bei der Konzeption und Umsetzung des Projektes. „Für uns war damit klar, dass wir uns frühzeitig in die Planung mit einbringen müssen“, so Rohn. „Insbesondere die Konzepte zur vorbeugenden Instandhaltung wurden bereits während der Planungsphase integriert und wurden durch das Projektmanagement konsequent umgesetzt.“

Konsequentes Vorgehen

Mit Profibus entschied man sich für eine bewährte Technologie, für die die Komponenten verfügbar sind und für die mit Indu-Sol ein Partner zur Seite stand, der eine über 15-jährige Erfahrung mit der Technologie mitbringt.

„Wir sind ja keine Spezialisten für Profibus“, räumt Rubel ein. Mehr noch: Es ist in der Tat das erste Mal, dass eine dezentrale Feldbustechnologie in diesem Produktionsbereich zum Einsatz kam. Insgesamt befinden sich in der KEA 172 analoge Messstellen, 200 elektrische (zum Teil mit Leistungen zwischen 0,5 und 1 MW) und pneumatische Antriebe sowie 186 Schaltschränke. Verbunden sind sie mit über 6000 Kabeln auf einer Länge von 175 km. Insgesamt enthält die Anlage 84 000 Klemmpunkte. Eine weitere Herausforderung – die Kernzeit für die gesamte Elektromontage betrug nur sechs Wochen.

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Um die Technologie reibungslos umzusetzen, war ein besonderes Projektmanagement gefragt, welches letztlich nicht nur für die Automatisierung galt, sondern auch in anderen Projektabschnitten durchgesetzt wurde. „Eine Erkenntnis aus früheren Projekten war, dass es oft viele widersprüchliche Unterlagen gibt“, so Rubel. Die Konsequenz: Während des gesamten Projektprozesses gab es nur eine einzige Unterlage als Qualitätsrichtlinie. Diese deckte alle unterschiedlichen Anforderungen der verschiedenen Projektphasen ab (von der Ausschreibung bis zu Abnahme) und war für alle Projekte verbindlich.

Dies mündete beispielsweise in ein sehr detailliertes Lastenheft für den Profibus, das vom Stecker über das geeignete Abisolierwerkzeug bis zu komplexen Aufgaben wie Telegrammanalysen vom Profibus alles genau beschrieb.

„Eine der Fehlerquellen ist es tatsächlich, dass Firmen mit dem falschen Werkzeug auf der Baustelle erscheinen. Das klingt trivial, aber wir haben dies vertraglich festgehalten, genauso wie Mindestleitungslängen, Kabeldurchführungen und standardisierte Stecker“, zählt Rubel auf. „Gerade das Thema Stecker macht sich bei den späteren Instandhaltungsarbeiten bezahlt, wenn nur noch ein Typ auf Lager gelegt werden muss.“ Was sich so selbstverständlich anhört, war in der Praxis jedoch manchmal schwer umzusetzen. So mancher Lieferant musste von seinen Gewohnheiten abrücken und es musste manchmal einiges an Überzeugungsarbeit geleistet werden.

Diagnose bis auf Kanalebene

Die detaillierte Vorarbeit hat sich gelohnt: Heute werden in der KEA genau die Parameter zur Verfügung gestellt, die für einen sicheren und nachhaltigen Betrieb nötig sind und die Instandhaltung in der Praxis erleichtern. So werden die Zustände der Netzwerke und der Kommunikationsprozessoren online visualisiert und die Diagnoserepeater dynamisch ausgelesen. „Wir wollten die Instandhalter in die Lage versetzen, über das HMI eine Fehleranalyse zu betreiben, da diese nicht die Zeit haben, immer direkt vor Ort in der Anlage zu sein“, so Rubel.

Das Instandhaltungs-Team von Salzgitter Flachstahl verlässt sich nun auf die dezentralen Datensammler und eine zentrale Auswertung. Entscheidender Aspekt für die Instandhaltung: Es ist eine Diagnose bis auf Kanalebene im Scada-System möglich. Dadurch ist faktisch ein Frühwarnsystem installiert worden. Nicht nur ist die Instandhaltung einfacher geworden, es ist auch eine effiziente Fehlersuche möglich.

Übersichtlicher Aufbau nach technologischen, funktionalen oder örtlichen Gegebenheiten

Das modular aufgebaute System der Diagnoserepeater erlaubt nämlich den Aufbau kleiner, galvanisch voneinander getrennter Profibus-Segmente. Durch sie lässt sich das Netzwerk im Sinne eines übersichtlichen Aufbaus beispielsweise nach technologischen, funktionalen oder örtlichen Gegebenheiten strukturieren. Neben der Möglichkeit, Erweiterungen des Netzwerks oder eine Abschaltung einzelner Bereiche im laufenden Betrieb vorzunehmen, überzeugt hier vor allem der Vorteil, dass im Fehlerfall nur das jeweilige Segment und damit nur ein kleiner Teil des Netzwerks betroffen ist. All dies hat viel zur hohen Akzeptanz der Lösung seitens des Instandhaltungs-Teams beigetragen.

Auch der Feldbuszustand selbst wird auf dem Scada-System visualisiert. Dabei wird die topologische Darstellung automatisch aktualisiert, wobei sowohl Subsysteme und Qualitätsgrößen gezeigt werden. Die Busstörungen sind in das allgemeine Alarmmanagement eingebunden, damit idealerweise informiert wird, bevor es klemmt. Hilfreich in der Praxis ist auch, dass es einen direkten Verweis auf den entsprechenden Stromlaufplan gibt. „Dies sind sicherlich Kleinigkeiten, aber es ist eben kein Zugriff mit PG im Feld oder Step 7 nötig und erleichtern die tägliche Arbeit ungemein“, erklärt Rubel.

Fazit

Dank der präzise formulierten Anforderungen stand das endgültige Konzept für das Feldbussystem Profibus im ersten Anlauf. Es waren nur wenige Engineering-Loops erforderlich (<5), um das Bussystem zu planen und zu entwickeln. Die Diskussionen beschränkten sich dabei auf ein Minimum. „Mein persönliches Highlight in dem Projekt war die Montage des Feldbussystems. Hier gab es so gut wie keine Fehler, also keine verdrehten Kabel, keine verhunzten Stecker, keine vergessene Schirmung. Die Inbetriebnahme war sehr kurz – eingeschaltet und die Anlage lief“, erinnert sich Projektleiter Rubel, der immer wieder auf einen externen Berater bei der Planung und Implementierung zurückgreifen würde.

Dies belegt auch die Tatsache, dass die Inbetriebnahme des Feldbussystems Profibus zu keinem Zeitpunkt auf dem kritischen Pfad lag und in den Besprechungen nie ein großes Thema war. Mittlerweile läuft der Profibus rund und wird sowohl vom Betrieb als auch von der Instandhaltung gut akzeptiert. Zwar will man bei Salzgitter Flachstahl noch ein wenig Erfahrung mit der in diesem Produktionsbereich neuen Technologie sammeln, dennoch ist Rubel sich sicher, dass auch bei zukünftigen Projekten über den Einsatz von Profibus nachgedacht wird.

* Die Autorin arbeitet als freie Fachjournalistin für Profibus & Profinet International (PI).

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