Modernisierung industrieller Systeme: Übergang von zentralisiertem DCS zu verteilter Edge-Computing-Architektur (Edge Control)

Einführung

Industrieunternehmen in der Ukraine stehen vor der dringenden Notwendigkeit, die Energieeffizienz zu steigern und die Betriebskosten zu senken. Die meisten ukrainischen Fabriken verwenden veraltete zentrale verteilte Kontrollsysteme (DCS), die vor 20 bis 30 Jahren in Betrieb genommen wurden. Solche Systeme zeichnen sich durch einen hohen Verschleiß, einen Mangel an Ersatzteilen und die Nichteinhaltung moderner Anforderungen technischer Vorschriften aus.

Eine zentralisierte Architektur schränkt die Möglichkeiten der Datenerfassung und Implementierung von Algorithmen der künstlichen Intelligenz für die vorausschauende Wartung ein. Der Übergang zu einer verteilten Edge-Computing-Architektur (Edge Control) ermöglicht die Dezentralisierung der Datenverarbeitung, die Reduzierung der Belastung von Backbone-Netzwerken und die Reaktion auf Notfallereignisse innerhalb von Millisekunden.

Dieses technische Handbuch beschreibt einen technischen Ansatz zum Ersetzen älterer Geräte durch moderne Komponenten, wie z. B. Heidenhain 689679-28 Encoder und Controller, unter Einhaltung der ISO 13849-1- und EN 60204-1.-Standards

Beurteilung des Zustands veralteter Systeme

Bevor eine Modernisierungsentscheidung getroffen wird, muss der Chefingenieur eine Prüfung der bestehenden Infrastruktur durchführen. Nachfolgend sind die Kriterien für die Bewertung veralteter DCS im Vergleich zu den maximal zulässigen Normen des Industriebetriebs aufgeführt.

Veraltete Geräte gehen oft mit dem Problem einher, dass sie immer noch funktionieren. Eine Analyse der Gesamtbetriebskosten (TCO) zeigt jedoch, dass die Kosten für ungeplante Ausfallzeiten und Stromüberschreitungen die Kosten für ein umfassendes Upgrade über 18 Monate übersteigen.

Moderne Alternativen: Zentralisiertes DCS vs. Edge Control

Die Edge Control-Architektur bringt Rechenleistung direkt zu Aktoren und Sensoren. Dies minimiert den Verlust von Datenpaketen und erhöht die Zuverlässigkeit des technologischen Prozesses.

Berechnung des Return on Investment (ROI)

Das ROI-Berechnungsmodell, das auf realen Produktionsindikatoren eines durchschnittlichen Maschinenbauwerks in der Ukraine mit einer Flotte von 10 Maschinen oder Verarbeitungslinien basiert, wird zur Rechtfertigung von Investitionen vor dem Vorstand des Unternehmens verwendet.

• Stromkosten: 4,5 UAH/kWh.
• Die Kosten für eine Stunde Geräteausfall: 35.000 UAH.
• Durchschnittliche Anzahl an Notfall-Ausfallstunden pro Jahr (altes System): 180 Stunden.
• Gesamtinvestition in die Linienmodernisierung (einschließlich Komponenten und Technik von Heidenhain 689679-28): 1.200.000 UAH.

Einsparungen durch Reduzierung des Energieverbrauchs:

Reduzierung des Energieverbrauchs eines Schaltschranks von 4,0 kW auf 1,0 kW (Unterschied von 3,0 kW) im 24/7-Betrieb (8760 Stunden pro Jahr):

3,0 kW × 8760 h × 4,5 Griwna/kWh = 118.260 Griwna pro Jahr (für einen Schrank).

Einsparungen durch reduzierte Ausfallzeiten:

Reduzierung der Ausfallzeiten um 70 % (von 180 auf 54 Stunden pro Jahr):

(180 - 54) Stunden × 35.000 UAH/Stunde = 4.410.000 UAH pro Jahr.

Jährliche Gesamteinsparungen: 4.528.260 UAH.

Amortisationszeit:

1.200.000 UAH / (4.528.260 UAH / 12 Monate) = 2,6 Monate.

Implementierungs-Roadmap

Die Modernisierung kritischer Produktionsanlagen erfordert die strikte Einhaltung von Meilensteinen, um Auswirkungen auf die laufende Produktion zu minimieren.

1. Audit und Engineering (Woche 1–3): Scan des vorhandenen Netzwerks, Input/Output (I/O)-Inventar, Entwicklung elektrischer Schaltpläne gemäß ISO 12100.
2. Ausrüstungslieferung (Woche 4–6): Beschaffung zertifizierter Komponenten durch UNITEC-D GmbH (einschließlich Feedback-Sensoren und Controller).
3. Vorläufige Tests (Woche 7–8): Zusammenbau neuer Schaltschränke auf dem Prüfstand, Testen der SPS-Logik und Kommunikationsprotokolle.
4. Installation während geplanter Reparaturen (Woche 9–10): Demontage alter DCS-Racks, Installation neuer Edge Control-Schränke, Anschluss der Kabelwege gemäß EN 60204-1.
5. Inbetriebnahmearbeiten und Validierung (Woche 11): Leerlauf, Sicherheitstests, Aktuatorkalibrierung.

Technische Schwierigkeiten und Möglichkeiten, sie zu lösen

Beim Übergang von einem zentralen DCS zu einem verteilten Netzwerk stehen Ingenieure vor typischen Herausforderungen:

• Elektromagnetische Interferenz (EMI): Hochfrequenz-Frequenzumrichter erzeugen Rauschen in älteren Kabeln. Lösung: Verwendung von abgeschirmten Kabeln vom Typ PROFIBUS/PROFINET mit ordnungsgemäßer Erdung der Abschirmung an beiden Enden gemäß EN 50170.
• Anpassung der Versorgungsspannung: Alte Sensoren, die mit 24 V DC betrieben werden, mit unterschiedlichen Welligkeitstoleranzen. Lösung: Installation moderner gepulster Netzteile mit Oberschwingungsfiltern.
• Integration von Legacy-Mechanismen: Alte Engines verfügen nicht über digitale Schnittstellen. Lösung: Verwendung spezieller hochauflösender diskreter und analoger I/O-Module oder Aufrüstung von Baugruppen mit Heidenhain 689679-28-Komponenten.

Ein Beispiel aus der Praxis (Case Study)

In einem der Schwermaschinenbauunternehmen in der Region Saporischschja wurde das physisch veraltete DCS-basierte Gaspipeline-Steuerungssystem von 1992 durch ein verteiltes Edge-Control-System ersetzt.

„Durch die Einführung neuer Steuerungen und Präzisionssensoren konnte das Temperaturregime in der Sinterzone mit einer Genauigkeit von ±1°C stabilisiert werden, wodurch Defekte aufgrund lokaler Überhitzung des Metalls vollständig ausgeschlossen wurden.“

Indikatoren vor und nach der Modernisierung:

• Energieverbrauch des Ofens: Von 120 kWh/t auf 94 kWh/t gesunken (21,6 % Rückgang).
• MTBF (mittlere Zeit bis zum Ausfall): Erhöht von 8.500 Stunden auf 45.000 Stunden.
• Konformität mit gesetzlichen Vorschriften: Das System ist vollständig nach dem UkrSEPRO-Standard zertifiziert und entspricht den EU-Richtlinien zur Sicherheit von Maschinen und Mechanismen (CE).

Inbetriebnahmearbeiten und Abnahmetests

Nach Abschluss der Installation werden Abnahmetests (FAT und SAT) gemäß den aktuellen Standards durchgeführt:

• Überprüfung des Isolationswiderstands von Strom- und Steuerstromkreisen (nicht weniger als 20 MΩ bei 500 V DC) gemäß EN 60204-1.
• Prüfung der Notabschaltung (Emergency Stop) mit Sicherheitskategorie PL d / SIL 2 nach ISO 13849-1.
• Überprüfung der Genauigkeit der Datenübertragung über Industrienetzwerke ohne Paketverlust für 72 Stunden Dauerbetrieb.

Fazit

Die Modernisierung industrieller Steuerungssysteme von einem zentralisierten DCS zu einer verteilten Edge-Control-Architektur ist ein notwendiger Schritt, um die Wettbewerbsfähigkeit der ukrainischen Industrie sicherzustellen. Der Austausch verschlissener Komponenten durch moderne zertifizierte Lösungen garantiert eine schnelle Amortisationszeit, erhöhte Sicherheit und einen reduzierten Energieverbrauch. Die UNITEC-D GmbH liefert ein komplettes Sortiment an Industriekomponenten, darunter Original-Ersatzteile für die Modernisierung alter Linien und modernste Steuerungssysteme.

Machen Sie sich mit dem Sortiment vertraut und wählen Sie die erforderlichen Komponenten im UNITEC-D E-Katalog aus.

Referenzliste

1. ISO 13849-1: Sicherheit von Maschinen – Sicherheitsbezogene Teile von Steuerungssystemen – Teil 1: Allgemeine Gestaltungsleitsätze.
2. EN 60204-1: Sicherheit von Maschinen – Elektrische Ausrüstung von Maschinen – Teil 1: Allgemeine Anforderungen.
3. IEC 61131-2: Programmierbare Steuerungen – Teil 2: Geräteanforderungen und Tests.
4. ISO 14224: Erdöl-, Petrochemie- und Erdgasindustrie – Erfassung und Austausch von Zuverlässigkeits- und Wartungsdaten für Geräte.
5. EN 50598-2: Ökodesign für Antriebssysteme, Motorstarter, Leistungselektronik und deren angetriebene Anwendungen.