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Der kritische Faktor: SPS und PC

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 Der überwiegende Teil von Retro-Fit-Projekten zielt darauf ab, die Steuerungstechnik zu modernisieren. Dies liegt nicht nur daran, dass SPS und Industrie-PC zentrale Komponenten der Fertigungsautomation sind. Sondern auch mit der Lebensdauer: Die liegt in der Mechanik in der Regel zwischen 25 und 50 Jahren.

Eine SPS läuft dagegen nur 10 bis 15 Jahre, beim PC sind es oft nur zwischen 5 und 7 Jahren. Dementsprechend müssen diese öfter getauscht werden als die Maschinen, von denen zum Beispiel Schokolade, Backwerk oder Milchprodukte hergestellt werden. 

Abseits des Austauschs nicht mehr verfügbarer Hardware bietet die Modernisierung der Steuerungstechnik viele Möglichkeiten. Eine Verbesserung der Effizienz, Funktions-Updates und -Erweiterungen sowie die Erhöhung der Sicherheit sind hier zu nennen. Oft jedoch setzt das verfügbare Budget Grenzen, die nicht alle diese Wünsche abdecken können. Dann gilt es zu entscheiden, was neben den unumgänglichen Arbeiten den grössten Nutzen stiftet.  

Begrenzender Faktor Zeit 

Legt man Hand an die Steuerungs- und Leitstandtechnik, geht dies nicht ohne Betriebsunterbrechung. Angesichts der guten Konjunktur in der Lebensmittelbranche sind die Anlagen jedoch voll ausgelastet. So bleiben oft nur Wochenenden oder die Betriebspause zu Weihnachten und Neujahr, um alle Arbeiten durchzuführen und die Anlage wieder in Betrieb zu nehmen. Deshalb muss jeder Schritt genau geplant werden – für unliebsame Überraschungen ist einfach keine Zeit. 

Anschluss ans Internet der Dinge 

Ein besonders heikler Schritt ist der Brückenschlag vom Produktionsnetz zum Internet. Auslöser ist meist der Wunsch, die Wartung zu vereinfachen und einen Fernzugriff via Internet einzurichten. Gleiches geschieht bei der Integration von Produktionsinseln mit bislang autarker Kommunikationstechnik in ein Produktionsnetzwerk, das bereits über Internet-Anbindung verfügt. Und nicht zuletzt erfordert auch die Auswertung von Produktions- oder Maschinendaten per Public-Cloud-Anwendung eine funktionierende Internetverbindung. 

Aus diesem Grund ist fast jedes SPS-Projekt automatisch auch ein IT-Security-Projekt. Denn wo immer eine Öffnung hin zum Internet erfolgen soll, muss zunächst geprüft werden, wie diese Verbindung abgesichert werden kann, und ob die genutzte Technologie überhaupt dafür geeignet ist. Ein Beispiel liefern die unterschiedlichen Generationen von Siemens-Steuerungen.

Eine S5 sollte keinesfalls mit dem Internet in Kontakt kommen. Wo diese noch im Einsatz verbleibt, muss das Netz so segmentiert werden, dass von außen kein Zugriff auf die S5 möglich ist. Daten aus diesem abgeschotteten Teil des Netzes müssen dann mittels Hubs und Gateways in andere Zonen überführt werden. 

Nicht ganz so kritisch steht der Fall bei der Siemens S7-400. Hinter einer starken Firewall ist das Risiko begrenzt. Dennoch sollte man stets hinterfragen, ob die Anbindung ans Internet wirklich nötig ist. Am unproblematischsten sind die modernen Siemens S7-1500. Sie sind mit internen Security-Mechanismen gehärtet, die zusätzlich zu Firewalls und anderen Massnahmen höheren Schutz versprechen. Bei Cloud- und IoT-Anwendungen sollten daher stets moderne Steuerungen mit einem hohen Sicherheitslevel zum Einsatz kommen. 

Rückgriff auf den Digital Twin 

Die aufwändigste Art der SPS-Programmierung ist es, komplett neuen Code zu schreiben, denn dies ist auch besonders fehleranfällig. Die Modularisierung, bei der Funktionsbausteine wiederverwendet werden, hat demgegenüber bereits deutliche Fortschritte gemacht. In der Welt von Industrie 4.0 geht es jedoch noch eleganter: „Konfigurieren statt Programmieren“.

Der Digitale Zwilling enthält im Idealfall strukturierte, maschinenlesbare Prozessbeschreibungen, eine Equipmentliste, Maschinenpläne, Baupläne zu Energie- und Wasserversorgung/-Entsorgung sowie Informationen zu den Umgebungskonditionen der Anlage. 

Mit selbst entwickelten Entwickler-Umgebungen oder geeigneten Tools des SPS-Herstellers kann ein Prozess-Ingenieur die Konfiguration erstellen, das System generiert daraus automatisiert die grundlegende Programmierung der Prozess-Steuerung, die vom Software-Entwickler nur noch angepasst wird. Diese wiederum ist Teil des Digitalen Zwillings der SPS, der seinerseits die Grundlage bietet für Simulations- und Testzwecke. Fehlersuche, Zertifizierung von Security-, Safety- und Compliance-Anforderungen und die Bedienerschulung können so bereits an der virtuellen Anlage erfolgen und entlasten das enge Zeitfenster für die Arbeiten vor Ort. 

Herausforderungen der realen Welt 

Neben neuer SPS-Hardware und deren Programmierung steht oft auch die Modernisierung der Leitsysteme an. Nicht immer muss die Hardware getauscht werden, aber in der Regel ist vor Ort ein Betriebssystem-Update fällig, und nicht selten muss dann eine neue Version der Leitstand-Software installiert werden, die Funktionserweiterungen enthält oder Verbesserungen der Bedienerführung. 

All das belastet das enge Zeitbudget, das die maximal zulässige Produktionsunterbrechung setzt. Denn neben der Steuerungstechnik müssen ja auch neue Mechanische Teile implementiert und mit SPS beziehungsweise Leitstand verknüpft werden. Um die Zuverlässigkeit der Anlage nach dem Retro-Fit sicherzustellen, verknüpft die acs die Inbetriebnahme mit einem Komponententest. Auch nach dem Wiederanfahren der Produktion bleiben acs-Experten noch vor Ort, um bei Problemen schnell reagieren zu können. Wenn die Anlage dann stabil läuft, wird der Service auf 24/7-Remote-Wartung umgestellt. 

Nach diesem Muster wurde unter anderem die Bäckereilinie 4 bei einer Grossbäckerei in der Schweiz  von acs umgestellt. Das Zeitfenster war denkbar knapp: Es wurde am Samstag früh noch gebacken, und am Montag sollte die Frühschicht wieder wie gewohnt starten. Hier fanden sich abgekündigte Produkte bei Steuerung, Kommunikation und Antrieben. Einzelne Funktionen waren noch über Relais gelöst.

Alles in allem bestand ein hohes Ausfallrisiko. Die Aufgabe lautete daher, die Produktionssicherheit wieder herzustellen, die Steuerungstechnik auf den aktuellen Sicherheitsstand zu bringen, aber vorhandene Leistungsteile weiter zu verwenden und die Übernahme existierender Rezepte zu ermöglichen. 

Am Ende des zeitgerecht abgeschlossenen Retro-Fits war neue Steuerungstechnik in den vorhandenen Schaltschränken verbaut, ein modernes HMI mit verbesserter Benutzerführung installiert und der Transfer von Produktionsdaten zu zentralen Auswertesystemen eingerichtet. Darüber hinaus hatte acs das Elektroschema neu erstellt und einen Fernzugriff via VPN eingerichtet. Einfachere, effizientere Bedienung, eine hochdetaillierte Prozessüberwachung und das verkleinerte Ersatzteillager waren nur einige der Vorteile für den Anlagenbetreiber. 

Fazit Der kritische Faktor: SPS und PC 

Die SPS ist gleich in mehrerer Hinsicht eine Komponente mit herausragender Bedeutung für die Weiterentwicklung einer Anlage. Im Kontext von Industrie 4.0 und IoT spielt sie eine wichtige Rolle als zentrale Datenschnittstelle, ist damit aber auch zugleich ein wichtiges Angriffsziel für Hacker und bösartige Software. Deshalb muss die Öffnung des Shop-Floor Richtung Internet stets mit besonderem Augenmerk auf die IT-Security der Steuerung erfolgen. 

Zum anderen bietet eine moderne SPS im Zusammenspiel mit dem Digitalen Zwilling besondere Chancen für die Steigerung der Effizienz. Allerdings nur dann, wenn bereits zahlreiche Prozesse digitalisiert, die Datenerhebung zentralisiert und standardisiert sind. Es lohnt sich aber, diesen weiten Weg zusammen mit einem erfahrenen Partner zu gehen, der bereits bewiesen hat, dass er die notwendigen Massnahmen einleiten und koordinieren kann. 

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