Elektrotechnik

Die Automatisierungsgeräte S7-300 und S7-400 wurden in der Gebäudeautomation, im Anlagenbau und in Maschinensteuerungen eingesetzt. (Bild: iStock.com)

Vom Ende einer Ära

Seit über 20 Jahren kommen die Siemens-Automatisierungsgeräte der Linien S7-3xx und S7-4xx zum Einsatz. Ihre Ära geht nun langsam, aber sicher zu Ende. Die Ablösung will geplant und sauber umgesetzt sein.

Die Automatisierungsgeräte S7-300 und S7-400 wurden in den letzten 20 bis 30 Jahren für die verschiedensten Automatisierungsaufgaben eingesetzt. Von Gebäudeautomation über sämtliche möglichen Varianten im Bereich des Anlagenbaus bis hin zu Maschinensteuerungen. Nun ist das Ende einer Ära in Sicht und beschlossen. Die Ablösungen laufen teilweise bereits auf Hochtouren. Ein immer grösserer Teil der Geräte laufen zwecks Weiterentwicklung seitens Hersteller sukzessive aus. Das Konzept der Firma Siemens sieht eine Verfügbarkeit nach der Abkündigung von mindestens 5 bis maximal 10 Jahren vor. Jedoch sind in diesem Zeitraum die Geräte nur gegen Austausch direkt vom Hersteller erhältlich. Im Erweiterungsfall der betroffenen Anlage ist man auf die eigenen Ersatzteile oder das Lager der Unternehmer angewiesen. Dies könnte jedoch erhöhte Investitionskosten hervorrufen.

Ein Praxisbeispiel

Anhand eines Praxisbeispiels wollen wir uns mit der aktuellen Situation auseinandersetzen. Die Abwasserreinigungsanlage wurde in den Jahren 1998 bis 2009 in drei Etappen umgebaut/erweitert und auf den neusten Stand der Technik gebracht. Des Weiteren wurden bei den Aussenwerken Anpassungen und Ergänzungen vorgenommen. Entsprechend sind unterschiedliche Generationen im Bereich der Anlagensteuerung im Einsatz. Ein Grossteil der Komponenten hat die theoretische Lebenserwartung erreicht oder überschritten. Mittlerweile sind diverse Steuerungskomponenten abgekündigt worden, die die theoretische Lebenserwartung noch nicht erreicht haben. Die Hersteller lassen die Geräte auslaufen und Ersatzgeräte sind nur noch im Austausch zu entsprechend hohen Preisen erhältlich. Ein solcher Austausch führt zu einem Ausfall von 4 bis 6 Wochen. Momentan sind folgende Typen von CPUs auf der Anlage im Einsatz: Siemens S7 400, Siemens S7 315, Siemens S7 314. Und Ein – und Ausgangsmodule des Typs: Siemens S7 400, Siemens S7 ET200S, Profibus Module 24E/8A mit Relais (Eigenentwicklung PLS-Lieferant), Siemens S7 314 und S7 300M. Die hauseigenen 24E/8A-Module mit Relais des Leitsystemlieferanten werden seit Längerem nicht mehr hergestellt, und es stehen nur noch eine kleinere Lagermenge zur Verfügung. Weshalb auch hier das Risiko der Verfügbarkeit steigt.

Stand der Dinge

Die Steuer- und Leittechnik ist seit zehn und mehr Jahren in Betrieb. Die Automatisierungsgeräte sind Industrierechner, die seit der Inbetriebnahme ununterbrochen 7 x 24 Stunden im Einsatz sind. Sie bilden das Herz der Anlage. Die Firma Siemens hat nun verschiedene Produkte, die auf der Anlage im Einsatz sind, abgekündigt. Das zwingt die Betreiberin der Anlage dazu, Vorschläge zum weiteren Vorgehen zu prüfen. Siemens forciert ihre Nachfolgegeneration S7-1500 zusammen mit ET200SP. Grundsätzlich ist sicherzustellen, dass die Aufgaben des Gewässerschutzes jederzeit wahrgenommen werden können. An 365 Tagen und 24 Stunden muss die Anlage funktionieren und bei Problemen rasch gewartet werden können. Es geht für die Abwasseranlage darum, den wirtschaftlich und in Bezug auf die Betriebssicherheit richtigen Entscheid betreffend den Varianten zu fällen.

S7-400

Die S7-400-Serie ist grundsätzlich (mit wenigen Ausnahmen) nicht abgekündigt. Abkündigung sind aber bereits in Aussicht gestellt. Ein Ersatz nach der Abkündigung ist nur noch mit grossen Kostenaufwendungen und meist längeren Betriebsunterbrüchen (Wochen) möglich. Die eingesetzten Typen sind bereits heute nicht mehr verfügbar und können nicht 1:1 abgelöst werden. Dabei ist die Kommunikation von Steuerung zu Steuerung das Problem, die über Ethernet (TCP/IP) realisiert ist. Die neueren 400er-Steuerungen können mit dem bestehenden System nur mit Engineering-Aufwand im Bereich von 20 bis 40 Stunden pro System angepasst werden. Wenn also eine CPU ausfällt, ist eine rasche Lösung per Fernwartung noch solange möglich, wie die ARA Ersatzteile hat. Nachher muss mit Unterbruchzeiten von mindestens 20 Stunden gerechnet werden, weil man dann alle restlichen Steuerungen «notfallmässig» anpassen muss. Bei den im Einsatz stehenden Geräten der S7-300-Linie ist die Situation schon weiter fortgeschritten. Diese wurden per 2023 abgekündigt.

I/O-Module ET200S

Das I/O-System ET200S wird gemäss Siemens per 30.9.2020 abgekündigt. Bei Erweiterungen kann das neue ET200SP mit dem bestehenden S7-400-System verwendet werden. Auf anderen Anlagen wurde die Erfahrung gemacht, dass je nach Baugruppenstände des Profibusmasters/CPUs nicht ohne Weiteres ET200SP-Slaves eingebaut werden können. Es gab sogar Konstellationen, die nicht gelöst werden konnten. Dort mussten schliesslich weitere Bauteile (CPUs/Profibusmaster) ersetzt werden. Genaue Abklärungen und Versuchseinbauten, wie zum Beispiel in jeder UV ein Umbau auf ET200SP, sind zu prüfen und bringen Sicherheit für die zukünftige Umrüstung. Ausgebaute ET200S-Bauteile werden auf der Anlage als Ersatzteile gelagert. Dies erhöht die Betriebssicherheit für den noch nicht sanierten Teil. Die Platzverhältnisse lassen zudem einen Einbau von zusätzlichen ET200SP allerdings nicht in allen Schaltgerätekombinationen zu.

Netzwerk-Ethernet und Profibus PA und DB

Das Netzwerk für die Kommunikation zwischen SPS-SPS und SPS-PLS wird heute mit Ethernet mit TCP/IP-Protokoll betrieben. Physikalisch ist es ein redundanter Ring (Lichtwellenleiter). Die Switches mit LWL-Anschlüssen stammen ebenfalls aus der Zeit der Anlagenerneuerung und müssen ersetzt werden. Die vorhandene Verkabelung auf die Peripheriegeräte wie FU und die Prozessmessgeräte über Profibus DP und PA kann grundsätzlich übernommen werden. Es müssen jedoch die Profibus-PA-Wandler ersetzt werden. Die Geräte sind nicht mehr verfügbar. Beim Ersatz oder Neuinstallation ist ein Wechsel auf Profinet anzustreben.

Variante 1 – Gesamtlösung

In dieser Variante erfolgt eine komplette Erneuerung der Steuerungshardware inkl. PLS-Bedienstationen und Server. Es werden sämtliche CPUs durch die Generation S7-1500 ersetzt. Alle Ein- und Ausgänge werden auf die ET200SP umgebaut. Die Profibusverbindungen werden neu auf Profinet geführt. Dies bedingt einen kompletten Austausch der bisherigen Profibus DP Leitungen in sämtlichen Verteilungen. Die Software muss teilweise neu programmiert werden, in Anlehnung an die bestehenden Programme. Die beiden Server werden zusammen mit den heute 17 Bedienstationen ebenfalls ersetzt. Die Bedienstationen werden dabei auf drei Standorte reduziert. Im Kommandoraum wird der ins Alter gekommene Beamer durch entsprechende Grossbildschirme ersetzt. Gleichzeitig werden die Netzwerke des Leitsystems und der Büro EDV physikalisch getrennt, was heute nicht der Fall ist. Der Fernzugriff ist heute über «TeamViewer» gelöst, was ein grosses Sicherheitsrisiko (Hackerangriffe, Viren usw.) darstellt. Diese Sicherheitslücke wird geschlossen. In den Aussenwerken werden analog zur ARA sämtliche CPUs durch die Generation S7-1500 ersetzt. Ebenso werden alle Ein- und Ausgänge gegen ET200SP-Komponenten getauscht. Die Bedienung der Werke kann neu auch mittels eines mobilen Geräts (Tablet usw.) erfolgen. Die Kabelverbindungen auf die einzelnen Verteilungen bzw. Felder innerhalb der Verteilung müssen ersetzt werden. Die bestehenden FU- und Profibus-Messungenwerden mittels Koppler ans Profinet-Netz angebunden. Um eine möglichst unterbruchslose Ablösung zu gewährleisten, müssen teilweise LWL-Leitungen ersetzt werden. Dies, weil teilweise keine freien LWL-Fasern mehr zur Verfügung stehen. Während der Umsetzung kommt es zwecks Umrüstung auf Profinet und die S7-1500 Reihe zwischenzeitlich zu einem zweispurigen Betrieb der PLS- Bedienung. Um die Umstellung für das Bedienpersonal kurz zu halten, soll die Umrüstung an einem Stück erfolgen. Mit diesem Vorgehen halten sich auch die Kosten für Provisorien (Hard- und Software) in Grenzen. Der Umbau erfolgt erst auf der ARA. Hier werden als Erstes die neuen Server und das Netzwerk aufgebaut. Anschliessend werden die ältesten Anlagenteile umgebaut bzw. ersetzt. Dem Alter der CPU entsprechend werden dann die übrigen Steuerungen ersetzt. Im Anschluss erfolgen die Arbeiten in den Aussenwerken.

Variante 2 – Teilersatz CPU und Ersatz I/O Module

Es werden sämtliche Ein- und Ausgangsmodule auf einen einheitlichen und neuen Nenner gebracht. Zudem werden die abgekündigten CPUs der Steuerungen durch aktuelle Modelle aus der gleichen Familie ersetzt. Es werden nur abgekündigte CPUs durch gleichwertige CPUs aus der S7-300/400 Familie ersetzt. Alle Ein- und Ausgänge werden auf die ET200SP umgebaut. Die Profibusverbindungen bleiben bestehen. Die Software wird ebenfalls 1:1 übernommen und auf die neuen CPU aufgespielt. Teilweise müssen LWL-Leitungen ersetzt werden. Dies weil in einzelnen Abschnitten keine freien LWL-Fasern mehr zur Verfügung stehen und zwei Systeme parallel betrieben werden müssen. Die beiden Server zusammen mit den heute 17 Bedienstationen bleiben bestehen. Einzig im Kommandoraum und dem Betriebsleiterbüro wird je eine Bedienstation durch Industrie-PC für 24h-Betrieb und zwei grosse Bildschirme ersetzt. Im Kommandoraum gibt es keine Anpassungen. Diese Anpassungen werden auf später verschoben. Die physikalische Auftrennung der Netzwerke des Leitsystems und der Büro EDV kann erst mit dem Abschluss der letzten Etappe erfolgen. Der Fernzugriff ist bis zu diesem Zeitpunkt über «TeamViewer» gelöst, was ein grosses Sicherheitsrisiko (Hackerangriffe, Viren usw.) darstellt. Die Sicherheitslücke bleibt vorläufig also bestehen. Die Prozessoren der Aussenwerke bleiben bestehen, lediglich die Schnittstelle zur Kommunikation mit der ARA muss ersetzt werden. Die Ein- und Ausgänge werden durch ET200SP-Komponenten getauscht. Die Bedienung wird beim heutigen Stand belassen. Die übrigen Anpassungen werden auf einen späteren Zeitpunkt verschoben. Dieser etappierte Ausbau bzw. die Ablösung hat massive Mehrkosten zur Folge, da teilweise Arbeiten mehrmals gemacht werden müssen und zwischen den Etappen umfangreiche Provisorien nötig werden, welche anschliessend wieder rückgebaut werden müssen. Der Betrieb arbeitet je nach Etappierung über die Jahre teilweise mit zwei Leitsystemen (alt und neu), um die Anlage zu betreiben. Dies führt zu einem Mehraufwand und erhöhtem Risiko von Fehlmanipulationen, was zu einer Gewässerverschmutzung führen kann. Durch den reduzierten Erneuerungsumfang fallen in den Jahren nach Abschluss des Projekts für die Variante 2 weitere Kosten an, bis ans Ende der Lebenserwartung der Variante 1. Die Komponenten, welche im Rahmen der Variante 2 nicht ersetzt werden, müssen in den kommenden Jahren ebenfalls ausgetauscht werden.

Empfehlung des EMSRL-Ingenieurs

Der verantwortliche EMSRL-Ingenieur empfiehlt die Variante 1 «Komplettersatz». Mit dieser Variante muss zu Beginn eine höhere Investition getätigt werden. Anschliessend befindet sich die Anlage wieder auf dem aktuellen Stand der Technik und ist für den Lebenszyklus bis mindestens ins Jahr 2035 gerüstet. Im Gegenzug besteht mit der Variante 2 «Teilersatz» eine grosse Unsicherheit bezüglich der Kompatibilität von neuen zu bestehenden Komponenten, welche vorgängig nicht abschliessend beurteilt werden kann. Aus Erfahrungen auf anderen Anlagen kommt es in vielen Fällen zu langen Ausfällen, bis die Funktionen wiederhergestellt sind. In dieser Zeit ist mindestens der betroffene Teil der Anlage ausser Betrieb. Ebenfalls sind die wesentlich höheren Kosten zu beachten.