Einleitung: Warum die Modernisierung von Relaissystemen eine dringende Aufgabe ist
Die Relaislogik ist in Hunderten ukrainischen Unternehmen nach wie vor eine funktionierende Lösung. KMY-Schütze, RPU-2-Zwischenrelais, PE-6-Timer – diese Komponenten erfüllen ihre Funktion über Jahrzehnte. Aber „funktioniert“ bedeutet nicht gleich „effektiv“. Die durchschnittliche Ausfallzeit aufgrund des Ausfalls eines Relais in der Stellwerkskette beträgt 2 bis 8 Stunden. Bei Kosten einer Ausfallstunde von 15.000–45.000 UAH (für ein durchschnittliches Maschinenbauunternehmen) führen selbst zwei Unfälle pro Jahr zu erheblichen Verlusten.
Weitere Faktoren, die die Migration beschleunigen:
- DSTU EN 61508:2015-Anforderungen für funktionale Sicherheit – SIL1-Relaisschaltungen erfüllen nicht die modernen SIL2/SIL3-Anforderungen ohne erhebliche Redundanz.
- EU-Richtlinie 2012/27/EU (Energieeffizienzrichtlinie) und DSTU ISO 50001:2020 – obligatorisches Energieaudit für Unternehmen, die in die EU exportieren.
- Physikalische Alterung der Komponentenbasis: Relaisspulen verschlechtern sich nach 10⁷ Zyklen, Kontakte nach 10⁶ Schaltvorgängen unter Last.
- Keine Diagnose: Der Relaiskreis meldet eine Verschlechterung erst im Moment des Ausfalls.
Dieser Artikel ist ein praktischer technischer Leitfaden zur Planung und Durchführung einer Migration von Relaislogik zu speicherprogrammierbarer Steuerung (SPS) mit minimalen Auswirkungen auf den Herstellungsprozess.
Bewertung des bestehenden Relaissystems
Bevor mit dem Entwurf begonnen wird, muss eine vollständige Prüfung des vorhandenen Systems durchgeführt werden. Nachfolgend finden Sie eine strukturierte Tabelle mit Bewertungskriterien:
| Kriterium | Was zu bewerten ist | Methode | Ein akzeptables Ergebnis |
|---|---|---|---|
| Anzahl der Ein-/Ausgänge | Diskrete E/A, analoge Signale 4-20 mA | Neuberechnung nach Schema + physische Überprüfung | Vollständige Einhaltung des Schemas |
| Status der Kontaktgruppen | Transienter Widerstand der Kontakte (mΩ) | Mikroohmmeter, Wärmebilduntersuchung | <50 mΩ für Leistung, <100 mΩ für Signal |
| Die Logik des Blockierens | Vollständiges Zustandsdiagramm (Zustandsdiagramm) | Umgekehrte Entwicklung aus dem Schema + Interviews mit Betreibern | Dokumentierte Logik ohne „Grauzonen“ |
| Kabelinfrastruktur | Der Zustand der Isolierung, Markierung, Verfolgung | Megaohmmeter (1000 V), Sichtprüfung | Rizol >1 MΩ, Markierung >80 % |
| Elektromagnetische Verträglichkeit | Störpegel auf Signalleitungen | Oszilloskop, Spektrumanalysator | Einhaltung von DSTU EN 61000-6-2 |
| Sicherheit | SIL-Level vorhandener Schutzmaßnahmen | Analyse nach DSTU EN 62061 | PL/SIL-Level definiert |
| Füttern | Netzqualität 24 V DC / 220 V AC | Netzqualitätsanalysator | Abweichung <±10 %, Welligkeit <5 % |
Ein typischer Fehler besteht darin, „inoffizielle“ Änderungen zu ignorieren. In der Praxis weisen 20–40 % der Relaisschaltungen Änderungen auf, die nicht in der Dokumentation aufgeführt sind. Jeder zusätzliche Draht, Jumper oder Shunt-Kontakt muss vor der Migration dokumentiert werden.
Moderne Alternativen: ein Technologievergleich
Vergleichstabelle von Relaislogik- und SPS-Lösungen für eine typische Förderliniensteuerungsaufgabe (32 DI / 24 DO / 4 AI / 2 AO):
| Parameter | Relaislogik (vorhanden) | SPS (moderne Lösung) |
|---|---|---|
| Anzahl der Komponenten im Schrank | 80–120 Relais, Timer, Zähler | 1 CPU + 4–6 E/A-Module |
| Stromverbrauch des Schaltschranks | 800–1200 W | 80–150 W |
| Reaktionszeit des Ereignisses | 50–200 ms (abhängig von der Anzahl der Kaskaden) | 1-10 ms (typischer Scan-Zyklus) |
| MTBF des Systems | 8.000–15.000 Stunden | 60.000–150.000 Stunden |
| Fehlerdiagnosezeit | 1–8 Stunden (manuelle Suche) | 5–30 Minuten (integrierte Diagnose) |
| Die Möglichkeit, die Logik zu ändern | Zusammenbau, 4–16 Stunden | Programmwechsel, 15–60 Minuten |
| Einhaltung von DSTU EN 61131-3 | Ні | Ja |
| Integration mit SCADA/MES | Ohne zusätzliche Ausrüstung nicht möglich | Nativ (Ethernet, Profibus, Modbus) |
| Kosten für Komponenten (Schrank) | ~45.000 Griwna | ~120.000 Griwna |
| Jährliche Wartungskosten | 35.000–60.000 UAH | 5.000–12.000 UAH |
Für die Anbindung pneumatischer und hydraulischer Antriebe an das neue Steuerungssystem ist die Qualität der Rohrleitungskommunikation von entscheidender Bedeutung. Pipe Parker 837PU6-RED-RL (Polyurethan, Außendurchmesser 6 mm, Druck bis 10 bar bei 20°C, Temperaturbereich von -40°C bis +60°C) ist die optimale Lösung für pneumatische Signalleitungen in modernisierten Schaltschränken. Das PU-Material bietet Widerstand gegen wiederholtes Biegen (Mindestradius 9 mm) und chemische Beständigkeit gegen Fett und Kondensat. Die rote Farbe entspricht der Kennzeichnung von Not-/Signalleitungen gemäß DSTU EN ISO 4414:2012.
Berechnung des ROI: Die reellen Zahlen
Eingabedaten für die Berechnung (typisches Maschinenbauunternehmen, Saporischschja, 2024):
- Die Kosten für eine Stunde Leerlauf: 25.000 UAH (einschließlich Produktverlust, Personalzahlung, Geldstrafen)
- Anzahl der Notstopps aufgrund eines Relaisausfalls: 6 pro Jahr
- Durchschnittliche Aufenthaltsdauer: 4 Stunden
- Stromkosten: 4,2 UAH/kWh (Klasse II)
- Der Lohn eines Elektrotechnikers: 350 UAH/Stunde
- Externer Servicetarif: 1.200 UAH/Stunde
Modernisierungskosten (einmalig)
| Artikel | Betrag, UAH |
|---|---|
| SPS (CPU + I/O-Module + HMI-Panel 7") | 135.000 |
| Schaltschrank (Gehäuse, Hutschienen, Klemmen, Beschriftung) | 28.000 |
| Parker Pneumatikschläuche 837PU6-RED-RL (200 m) + Anschlüsse | 12.500 |
| Kabelprodukte (LIYCY, ÖLFLEX) | 18.000 |
| Design und Programmierung | 85.000 |
| Installation und Inbetriebnahme | 55.000 |
| Personalschulung (2 Ingenieure × 40 Stunden) | 32.000 |
| GEMEINSAM | 365 500 |
Einsparungen (jährlich)
| Einsparungsquelle | Berechnung | Betrag, UAH/Jahr |
|---|---|---|
| Reduzierung der Ausfallzeiten | (6 Stopps × 4 Stunden – 1 Stopp × 0,5 Stunden) × 25.000 | 587.500 |
| Energieeinsparung | (1,0 kW – 0,12 kW) × 8.760 h × UAH 4,2 | 32.360 |
| Reduzierung der Kosten für persönliche Schutzausrüstung | Relais, Zeitgeber, Schütze – 35.000 UAH/Jahr → 5.000 UAH | 30.000 |
| Reduzierung der Arbeitskosten für die Wartung | (120 Std. – 20 Std.) × UAH 350 | 35.000 |
| GEMEINSAM | 684 860 |
Amortisationszeit: 365.500 / 684.860 = 6,4 Monate.
Selbst bei einem konservativen Szenario (3 statt 6 Unfälle pro Jahr) beträgt die Amortisationszeit nicht mehr als 13 Monate.
Die Antwort auf den Einwand „Das alte System funktioniert noch“
Gesamtbetriebskosten (TCO) über 5 Jahre:
- Relaissystem: 45.000 (anfänglich) + 5 × 95.000 (Wartung + Ausfallzeit) = 520.000 UAH
- SPS-System: 365.500 (Modernisierung) + 5 × 17.000 (Wartung) = 450.500 UAH
Die Differenz beträgt 69.500 UAH zugunsten der Modernisierung, auch ohne Berücksichtigung der Produktivitätssteigerung und der Verbesserung der Produktqualität.
Implementierungs-Roadmap
Phase 1: Vorbereitung (Woche 1–4)
- Vollständige Prüfung des bestehenden Systems (siehe Kriterientabelle oben)
- Umgekehrte Entwicklung der Relaislogik → Funktionsspezifikation
- Ermittlung der Sicherheitsanforderungen (DSTU EN 62061, Performance Level nach EN ISO 13849-1)
- Wahl der SPS-Hardwareplattform (Anzahl der I/O mit 20 % Reserve)
- Bestellung von Komponenten über UNITEC-D (SPS-Module, Parker 837PU6-RED-RL Pneumatikschläuche, Klemmenblöcke, Kabel)
Phase 2: Design (Woche 5–10)
- Entwicklung eines SPS-Programms nach DSTU EN 61131-3 (Strukturierter Text + Kontaktplan für Operatoren)
- Schaltschrankkonstruktion (EPLAN, Layout nach DSTU EN 61439-1)
- FAT (Factory Acceptance Test) am Stand – Überprüfung aller Schlösser
- Entwicklung von Inbetriebnahme- und Rollback-Planverfahren
Phase 3: Installation (Woche 11–12, während der geplanten Ausfallzeit)
- Einbau eines neuen Schrankes parallel zum bestehenden
- Verlegung neuer Kabel und Luftleitungen (Parker 837PU6-RED-RL für Signalluftleitungen)
- Anbindung an vorhandene Sensoren und Aktoren
- Der Stromwechsel ist ein kritischer Moment (Plan für das Wochenende)
Phase 4: Inbetriebnahme (Woche 13–14)
- Kanalweiser I/O-Test (100 %-Test)
- Überprüfung von Sicherheitsverriegelungen (Not-Aus, Schutzzäune, SIL-Ketten)
- Funktionstests nach Szenarien (Normalmodus, Notfallsituationen)
- 72-stündiger Testlauf unter Last
- Inbetriebnahme, Unterzeichnung des Gesetzes
Technische Herausforderungen beim Retrofit
1. Inkonsistenz der Signalpegel
Problem: Die alten Sensoren geben 220 V AC aus und die SPS gibt 24 V DC ein.
Lösung: Zwischenrelais mit galvanischer Trennung oder Sensoraustausch. Für kritische Punkte – Installation von Funkenschutzbarrieren gemäß DSTU EN 60079-11.
2. Elektromagnetische Störungen
Problem: Durch die Kommutierung induktiver Lasten (Schütze, Magnetspulen) entstehen Impulsstörungen von 1–5 kV.
Lösung: RC-Beschaltungen (Snubber) auf Spulen, geschirmte Kabel für analoge Signale, Einhaltung von DSTU EN 61000-6-2 (Störfestigkeit) und DSTU EN 61000-6-4 (Emission).
3. Verlust von „Stammeswissen“
Das Problem: Die Bedienlogik ist nur erfahrenen Betreibern bekannt, die in den Ruhestand gehen.
Lösung: Videoaufzeichnung des Systembetriebs in allen Modi, strukturiertes Interview mit Bedienern, Erstellung von Zustandsdiagrammen (Zustandsmaschine) vor der Programmierung.
4. Pneumatische Anschlüsse
Problem: Alte 6-mm-Kupferrohre mit Überwurfmuttern haben Mikrorisse, Luftlecks 15-25 % des Gesamtverbrauchs.
Lösung: Kompletter Ersatz durch Parker 837PU6-RED-RL Polyurethan-Schlauch mit Steckanschlüssen. Reduzierung der Leckage auf <2 %. Die Installation ist dreimal schneller als bei Kupferrohren.
Fallbeispiel: Modernisierung der Verpackungslinie, Dnipro
Ausgangszustand
- Verpackungslinie für Schüttgüter, 2003 in Betrieb genommen.
- Steuerung: 96 RPU-2-Relais, 12 PE-6-Timer, 8 SI-206-Zähler
- Produktivität: 12 Tonnen/Schicht (Projekt – 18 Tonnen/Schicht)
- Notbremsungen: 8 pro Jahr, durchschnittliche Dauer 5,2 Stunden
- Druckluftverbrauch: 2,8 m³/min (Norm – 1,9 m³/min aufgrund von Undichtigkeiten)
- MTBF: 1.100 Stunden
Modernisierung abgeschlossen
- Siemens S7-1200 SPS installiert (CPU 1214C + 3 SM1223 Module)
- KTP700 Basic HMI-Panel zur Visualisierung
- Austausch der Pneumatikleitungen durch Parker 837PU6-RED-RL (Gesamtlänge 180 m)
- Neue pneumatische Verteiler mit elektromagnetischer Steuerung 24 V DC
- Integration mit bestehendem SCADA über Profinet
Ergebnisse (nach 6 Monaten Betrieb)
| KPI | Vor der Modernisierung | Nach der Modernisierung | Veränderung |
|---|---|---|---|
| Produktivität | 12 Tonnen/Schicht | 16,8 t/Schicht | +40 % |
| Notstopps | 8/Jahr | 1/Jahr | -87,5 % |
| Mittlere Erholungszeit (MTTR) | 5,2 Stunden | 0,8 Stunden | -85% |
| MTBF | 1.100 Stunden | 8.200 Stunden | +645 % |
| Druckluftverbrauch | 2,8 m³/min | 1,7 m³/min | -39 % |
| Stromverbrauch des Schaltschranks | 980 W | 110 W | -89% |
| Ausgaben für persönliche Schutzausrüstung | 42.000 UAH/Jahr | 6.500 UAH/Jahr | -85% |
Tatsächliche Amortisationszeit: 5,8 Monate. Zusätzlicher Gewinn durch Produktivitätssteigerung – 1,2 Millionen Griwna/Jahr.
Inbetriebnahme und Validierung
Ablauf der Abnahmetests
- E/A-Überprüfung (100 %-Test): erzwungene Aktivierung jedes Eingangs, Überprüfung der Antwort jedes Ausgangs. Protokoll in der Form nach DSTU EN 61131-2.
- Sicherheitsverriegelungstest: Simulation jeder Notfallsituation. Die Aktivierungszeit des Notstopps beträgt nicht mehr als 100 ms (Anforderung von DSTU EN ISO 13850).
- Stromausfalltest: 24-V-DC-Stromversorgung aus/ein, auf korrekten Neustart prüfen. Der Zustand der Ausgänge ist bei Verlust der Kommunikation mit der CPU sicher (alle Ausgänge = 0).
- Pneumosystemtest: Dichtheitsprüfung bei 6,3 bar für 30 Minuten. Der zulässige Druckabfall beträgt maximal 0,1 bar (EN ISO 4414).
- Belastungstest (72 Stunden): Dauerbetrieb im Automatikmodus. Das Akzeptanzkriterium ist kein außerplanmäßiger Stopp.
- Dokumentationsprüfung: Komplettset - elektrische Schaltkreise, SPS-Programm (Quellcode + Kommentare), Bedienungsanleitung, Prüfberichte.
Akzeptanzkriterien
Das System gilt als abgenommen, wenn: alle Funktionstests ohne Kommentar bestanden wurden; Die SPS-Zykluszeit überschreitet nicht 10 ms; Alle Sicherheitsvorkehrungen erfüllen das definierte PL/SIL-Niveau. die Dokumentation vollständig und aktuell ist.
Zusammenfassung
Die Migration von der Relaislogik zur SPS ist keine Frage des „Ob“, sondern eine Frage des „Wann“. Jeder Monat Verspätung bedeutet einen Verlust von 57.000 UAH (nach unseren Berechnungen). Wichtige Erfolgsfaktoren:
- Eine gründliche Prüfung des bestehenden Systems – 80 % des Projekterfolgs liegt in der Vorbereitungsphase
- Parallele Installation – der neue Schrank wird neben dem alten installiert, der Wechsel erfolgt in 4–8 Stunden
- Qualitätskomponenten – von der SPS bis zum Pneumatikrohr (Parker 837PU6-RED-RL für Signalleitungen)
- Fallback-Plan – die Möglichkeit, bei kritischen Problemen innerhalb von 2 Stunden zum Relay-System zurückzukehren
Die UNITEC-D GmbH bietet ein komplettes Sortiment an Komponenten für Retrofit-Projekte, von SPS-Modulen und Industriekabeln bis hin zu Parker-Pneumatikschläuchen und -Fittings. Der Katalog steht ukrainischen Unternehmen mit technischer Unterstützung und Beratung bei der Auswahl zur Verfügung.
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Liste der verwendeten Standards und Quellen
- DSTU EN 61131-2:2015 – Programmierbare Steuerungen. Anforderungen an Ausrüstung und Prüfungen
- DSTU EN 61131-3:2016 – Programmierbare Steuerungen. Programmiersprachen
- DSTU EN 61508:2015 – Funktionale Sicherheit elektrischer/elektronischer Systeme
- DSTU EN 62061:2015 – Maschinensicherheit. Funktionale Sicherheit von Steuerungssystemen
- DE ISO 13849-1:2015 – Sicherheit von Maschinen. Sicherheitsbezogene Teile von Steuerungssystemen
- DSTU EN ISO 4414:2012 – Pneumatische Aktuatoren. Allgemeine Regeln und Sicherheitsanforderungen
- DSTU EN 61000-6-2:2017 – Elektromagnetische Verträglichkeit. Immunität für Industrieumgebungen
- DSTU EN 61439-1:2014 – Komplette Niederspannungsverteilungs- und Steuergeräte
- DSTU ISO 50001:2020 – Energiemanagementsysteme
- Richtlinie 2012/27/EU – Energieeffizienzrichtlinie
- Technisches Handbuch von Parker Legris – Polyurethanschläuche, Serie 837PU
- Siemens-Migrationsleitfaden: Relaislogik zu S7-1200 (Anwendungshinweis A5E03461440)
