Schematisches Redundanz- und Ringtopologie-Konzept zur Erhöhung der Verfügbarkeit. © Stoll Gruppe

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 im manuellen Notbetrieb betrieben werden**, wobei** die Verantwortung allein beim Bediener lag. 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 von Siemens nach aktuellem Stand der Technik realisiert. Auch die Kommunikationsstruktur der Anlage wurde ausfallsicher ausgelegt. 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 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 Automatisierungsprojekte in der Industrie spezialisiert ist und dabei die Rolle des verantwortlichen Integrators und Koordinators übernahm. Stoll hatte die ursprüngliche Kühlwasseranlage vor über zwanzig Jahren installiert und kannte deren Aufbau daher sehr genau. Diese langjährige Anlagenkenntnis erleichterte die Planung und Abstimmung des Retrofits. Im Rahmen des Projekts übernahm das Stoll-Team die Planung und das Engineering der Automatisierung sowie die Softwareentwicklung, den Schaltschrankbau, die Montage und die Inbetriebnahme. Da alle beteiligten Gewerke innerhalb eines Unternehmens organisiert waren, konnten Schnittstellen zwischen verschiedenen Auftragnehmern 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 waren 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 integriert sind. Als Leitsystem wurde Siemens WinCC Unified als zentrale Visualisierungsplattform eingesetzt. Als Leitsystem wurde Siemens WinCC Unified als zentrale Visualisierungsplattform eingesetzt. Diese 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 veraltet und bereits seit vielen Jahren abgekündigt. Heute kann das Betriebspersonal von 3M 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 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 erfolgten 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 Modernisierung im Rahmen des jährlichen Anlagenstillstands während der Sommermonate. In dieser Zeit wird die Produktion für rund zwei Wochen unterbrochen.

Sandro Kloss, Projektmanager Stoll Gruppe © Stoll Gruppe

Aufgrund dieses engen Zeitfensters wurde der Umbau 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 worden waren, fiel die endgültige Entscheidung für den Start des Projekts – der sogenannte „Point of no Return“.

Während des zweiwöchigen Anlagenstillstands liefen mehrere Arbeiten parallel. Der Betreiber führte mechanische Anpassungen an der Kühlwasseranlage durch und integrierte die neuen Komponenten in die bestehende Produktionsinfrastruktur. Parallel dazu konzentrierte sich Stoll auf die Installation und Inbetriebnahme der neuen Steuerungs- und Automatisierungstechnik.

Ein wesentlicher Vorteil des Projekts bestand darin, dass die verschiedenen Automatisierungsgewerke innerhalb eines Unternehmens organisiert waren. Das Stoll-Team übernahm sowohl die Projektplanung als auch die Elektrokonstruktion, die Softwareentwicklung, den Schaltschrankbau sowie die Montage und die 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. Elektrokonstruktion und Softwareentwicklung arbeiteten weitgehend parallel, wodurch sich die Projektlaufzeit 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 zukunftsfähige Systemarchitektur. Durch die redundant ausgelegte Steuerungs- und Netzwerkstruktur kann die Anlage auch beim Ausfall einzelner Komponenten weiter betrieben werden. Die eingesetzten Automatisierungskomponenten erfüllen die Anforderungen des Cyber Resilience Act (CRA) sowie der EU-Richtlinie NIS2 und schaffen damit eine Grundlage für einen langfristig sicheren und zukunftsfähigen Anlagenbetrieb. „Seit der Modernisierung hat sich die Betriebssicherheit der Kühlwasseranlage deutlich verbessert. Bislang hatten wir keine ungeplanten Stillstände“, fasst Thomas Trinkwalder von 3M Technical Ceramics die Ergebnisse zusammen.

Thomas Trinkwalder, Projektmanager 3M Technical Ceramics © Stoll Gruppe

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 präzisere Informationen zur Wasserqualität, etwa zu 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: „Ich möchte die Zusammenarbeit mit Stoll fortsetzen. Unser Projekt ist sehr gut gelaufen, und insbesondere die hohe Flexibilität des Stoll-Teams sowie die schnelle Lösungsfindung bei Änderungen haben wir sehr geschätzt.“

Die Autoren: Thomas Trinkwalder, Projektmanager 3M Technical Ceramics, und Sandro Kloss, Projektmanager Stoll Gruppe