Retrofit einer Kühlwasseranlage

3M erhöht Anlagenverfügbarkeit durch redundante Automatisierung

20 Jahre und länger sind viele industrielle Produktionsanlagen im Einsatz. So auch beim Keramikspezialisten 3M Technical Ceramics in Kempten, der sich deshalb für eine Modernisierung seiner zentralen Kühlwasseranlage entschied.

Ca. 12.000 Zeichen; Autoren: Thomas Trinkwalder, Projektmanager 3M Technical Ceramics, Sandro Kloss, Projektmanager STOLL Gruppe

Viele industrielle Produktionsanlagen sind über Jahrzehnte hinweg im Einsatz. Um deren Verfügbarkeit zu erhöhen und gewachsene Automatisierungsstrukturen zu modernisieren, setzen Betreiber daher häufig auf Retrofits statt auf komplette Neubauten.

So auch 3M Technical Ceramics. Hier stellt man am Standort Kempten keramische Formkörper und Pulver wie Boride, Carbide oder Nitride für industrielle Anwendungen her.

Die Fertigung umfasst mehrere Schritte, darunter die Pulverherstellung und Sinterung in Verbindung mit Hochtemperaturprozessen. 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.

Während dies für die Anlagen der Sinterung weitgehend unkritisch war, reagierten die Anlagen der Pulverherstellung deutlich empfindlicher. In Folge entstanden Ablagerungen, die dazu führten, dass die Anlagen teilweise bis zur Beseitigung der Verschmutzungen abgeschaltet werden mussten.

Um diese Störungen zu vermeiden, entschied sich 3M 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.

Der Ausfall der Kühlung verursacht im Betrieb bereits nach wenigen Minuten Zustände, die das Herunterfahren der Anlagen verursachen würde. Der neu aufgebaute Kühlwasserkreislauf ist deshalb so ausgelegt, dass seine wichtigsten Komponenten redundant betrieben werden können. Parallel installierte Pumpen stellen sicher, dass beim Ausfall eines Aggregats unmittelbar ein zweites übernimmt. Zusätzlich ermöglicht ein Notfallkonzept den manuellen Betrieb der Pumpen, etwa bei einem Ausfall der zentralen Steuerung.

Redundante Automatisierungsarchitektur steigert Anlagenverfügbarkeit
Prozesstechnische Redundanz erhöht die Betriebssicherheit jedoch nur, wenn auch die Automatisierung entsprechend ausgelegt ist. Fällt die zentrale Steuerung aus, lassen sich auch 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.

Kernpunkt 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.

Im Bestand 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.

Auch die Kommunikationsstruktur der Anlage wurde ausfallsicher realisiert. So sind die Automatisierungskomponenten über ein ringförmig aufgebautes Profinet-Netzwerk miteinander verbunden. Fällt eine Leitung oder ein Netzwerkknoten aus, bleibt die Anlagenkommunikation über den alternativen Pfad weiterhin erhalten.

Zusätzlich wurde die Anlage auf der Feldebene modernisiert: Im Zuge des Retrofits wurden die bisherigen Frequenzumrichter älterer Bauart durch Geräte der Siemens-Baureihe Sinamics G220 ersetzt. Gleichzeitig erfolgte die Anbindung an das Profinet-Netzwerk, während die Altanlage noch auf dem Feldbus Profibus basierte.

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. STOLL 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 STOLL-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.

Modernisierung der Anlagenbedienung

Neben der Steuerungstechnik rückte im Zuge des Retrofits auch das Leitsystem der Anlage in den Fokus der Modernisierung. Die bisherige Visualisierung war nicht mehr zeitgemäß und einzelne Komponenten zum Teil abgekündigt. Dieses veraltete System wäre im Falle eines Ausfalls nur schwer wiederherstellbar gewesen.

Vor diesem Hintergrund entschied sich 3M, 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 Leitsystem wurde dabei auf Siemens WinCC Unified als zentrale Visualisierungsplattform umgestellt. Dieses kommuniziert sowohl mit der neuen Steuerung im modernisierten Anlagenbereich der Pulverherstellung als auch mit der bestehenden Steuerung im Bereich Sinterung. Neben einer moderneren Bedienoberfläche ermöglicht die Plattform auch eine verbesserte Archivierung und Auswertung von Prozessdaten.

Auch die lokale Bedienung wurde im Zuge des Retrofits modernisiert, da die Steuerung nicht ausschließlich aus einer Leitwarte erfolgt, sondern auch direkt an der Kühlwassertechnik möglich sein muss. Dafür stehen Bedienpanels in den Schaltschränken zur Verfügung, über die beispielsweise Pumpen ein- oder ausgeschaltet werden können. Die zuvor eingesetzten Panels waren ebenfalls sehr alt und bereits seit vielen Jahren abgekündigt. Heute kann das 3M Betriebspersonal über drei lokale Bedienplätze an der Anlage sowie zusätzlich von der Leitwarte aus auf die Kühlwassertechnik zugreifen. Auch die neuen Bedienpanels der Baureihe Unified Comfort-Panels fügen sich nahtlos in das Gesamtsystem der Siemens-Plattform ein. Die Bedienoberflächen der Panels sind webbasiert projektiert und können auf dem Leitwarten-PC gespiegelt werden, sodass lokale Anlagenfunktionen auch zentral vom Leitstand aus bedient werden können.

Retrofit der Automatisierung im jährlichen Anlagenstillstand

Die Planung und Umsetzung erfolgte in enger Abstimmung zwischen 3M und der STOLL Gruppe. 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.

STOLL konzentrierte sich gleichzeitig auf 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. Das STOLL-Team 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. Elektrokonstruktion und Softwareentwicklung arbeiteten weitgehend parallel, wodurch sich die Projektlaufzeit deutlich verkürzte.

Mehr Transparenz und Betriebssicherheit

Mit der Modernisierung der Automatisierung und des Leitsystems verfügt die Kühlwasseranlage bei 3M in Kempten heute über eine deutlich robustere und zukunftssichere Systemarchitektur. Durch die redundant ausgelegte Steuerungs- und Netzwerkstruktur kann die Anlage auch beim Ausfall einzelner Komponenten weiter betrieben werden. Die eingesetzten Automatisierungskomponenten erfüllen obendrein alle Anforderungen des Cyber Resiliance Acts (CRA) sowie der EU-Cybersicherheitsrichtlinie (NIS2) und bieten damit uneingeschränkte Zukunftssicherheit.

„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. Dazu Trinkwalder weiter: „Ich möchte die Zusammenarbeit mit STOLL auf jeden Fall gerne fortsetzen. Unser Projekt ist sehr gut gelaufen, und gerade die hohe Flexibilität des STOLL-Teams sowie die schnelle Lösungsfindung bei Änderungen haben wir sehr geschätzt.“