Automatisierung von Förderanlagen im südafrikanischen Bergbau | SENTRADO
Eine detaillierte Fallstudie über die Automatisierungslösung von SENTRADO, die messbare Ergebnisse für den Bergbaubetrieb in Südafrika liefert.
Projekthintergrund & Ziele
Ein Platinbergbaubetrieb im südafrikanischen Bushveld Complex beauftragte SENTRADO mit der Planung und Lieferung eines robusten Fördersteuerungssystems für sein primäres Erztransportnetzwerk. Das Fördersystem, das sich über mehr als 3 Kilometer mit mehreren Übergabepunkten erstreckt, transportiert das Roherz vom Primärbrecher zur Aufbereitungsanlage mit einer Kapazität von bis zu 2.400 Tonnen pro Stunde. Die raue Bergbauumgebung – gekennzeichnet durch Staub, Vibrationen, Feuchtigkeit und starke Temperaturschwankungen – hatte zu wiederholten Ausfällen des bisherigen Steuerungssystems geführt, was kostspielige Produktionsausfälle zur Folge hatte.
Der Kunde forderte ein Steuerungssystem, das in einer der anspruchsvollsten Industrieumgebungen der Erde bestehen kann und über Redundanz verfügt, damit ein einzelner Komponentenausfall den Erzfluss nicht unterbricht. Sicherheit hatte höchste Priorität: Das Fördersystem umfasst mehrere Not-Aus-Kreise, Not-Aus-Leinenzugschalter, eine Bandrutschüberwachung sowie Verstopfungsmelder für die Rutschen, die an das sicherheitsgerichtete System der Mine angekoppelt sein müssen.
SENTRADO lieferte eine Komplettlösung, die IP65-Schaltschränke, eine redundante SPS-Architektur, frequenzumrichtergesteuerte Förderermotoren, HMI-Bediengeräte für die lokale Steuerung und ein SCADA-System für die zentrale Überwachung umfasst. Das System wurde für eine schnelle Instandhaltung mit Hot-Swap-I/O, modularen Komponenten und einer umfassenden Diagnostik konzipiert, um die mittlere Reparaturzeit (MTTR) vor Ort zu minimieren.
Zu lösende Probleme
1. Extreme Umgebungsbedingungen
Die Förderstrecke führt durch einen Tagebaubereich, in dem die Steuerungstechnik starkem Mineralstaub, Hochdruckreinigungen, Vibrationen durch Brechanlagen und Temperaturen von -5°C bis 45°C ausgesetzt ist. Die bisherigen IP54-Schaltschränke ließen Staubeintritt zu, der zu Ausfällen von I/O-Karten führte.
2. Kosten durch ungeplante Stillstandszeiten
Jede Stunde Fördererstillstand legt die gesamte nachgeschaltete Aufbereitungsanlage still, was zu geschätzten Produktionsausfällen von 50.000 $ pro Stunde führt. Das vorherige System verzeichnete durchschnittlich 2-3 ungeplante Stillstände pro Monat aufgrund von Ausfällen der Steuerungstechnik.
3. Einhaltung der Sicherheitsvorschriften für Förderanlagen
Die südafrikanischen Bergbauvorschriften (Mine Health and Safety Act) verlangen für den Fördertransport zertifizierte Sicherheitssysteme, einschließlich einer Not-Aus-Abdeckung entlang der gesamten Bandstrecke, einer Schlupf- und Fluchtüberwachung sowie einer automatischen Abschaltung bei Erkennung gefährlicher Zustände.
4. Lange Förderstrecke
Mit über 3 Kilometern Länge erfordert der Förderer dezentrale I/O-Systeme und MCC-Schaltschränke an mehreren Punkten entlang der Strecke. Die Signaldämpfung über lange Kabelstrecken und die Netzwerkzuverlässigkeit über diese Distanz waren zentrale Konstruktionsaspekte.
5. Vibrationen und mechanische Belastung
Die Brechanlagen, Übergabepunkte und Förderantriebe erzeugen erhebliche Vibrationen, die Klemmverbindungen lockern, elektronische Bauteile beschädigen und zu Fehlauslösungen in der konventionellen Steuerungstechnik führen können.
Unser Ansatz und die Systemarchitektur
SENTRADO entwickelte ein redundantes Fördersystem auf Basis der redundanten Steuerungen Siemens S7-1500R, das ein automatisches CPU-Failover mit synchronisierten Daten ermöglicht. Die I/O-Architektur nutzt ET 200SP dezentrale Stationen in IP65-Schutzgehäusen, die an jedem Förderantrieb, Übergabepunkt und am Primärbrecher installiert sind. Diese Stationen sind über einen redundanten PROFINET-Glasfaserring mit den zentralen Steuerungen verbunden, was die Signaldämpfung über die 3 Kilometer lange Strecke eliminiert und eine Netzwerkfehlertoleranz gewährleistet.
Alle Schaltschränke sind für IP65 mit gedichteten Türen, gefilterter Druckbelüftung und schwingungsgedämpfter Montage spezifiziert. Die internen Komponenten verwenden Federzugklemmen anstelle von Schraubklemmen, um ein Lösen durch Vibrationen zu verhindern, und alle Leiterplatten erhalten eine Schutzlackierung für Staub- und Feuchtigkeitsschutz. Die Schaltschränke verfügen über thermostatisch geregelte Kondensschutzheizungen für kalte Winternächte und eine gefilterte Zwangsluftkühlung für die Sommerhitze.
Die Fördersteuerung umfasst synchronisierte Sanftanlauf- und Sanftstopp-Sequenzen, die die Bandspannung über mehrere angetriebene Trommeln regeln und so Bandschäden durch plötzliche Drehmomentänderungen verhindern. Die Bandschlupferkennung vergleicht die Drehzahl der Antriebstrommel mit der der Endtrommel, wobei bei 5 % Schlupf ein Alarm und bei 10 % eine Abschaltung ausgelöst wird. Entlang des Förderers sind alle 50 Meter Not-Aus-Zugseilschalter installiert, die über eine adressierbare Sicherheits-I/O die genaue Position jeder Auslösung anzeigen. Die frequenzumrichtergesteuerten Motoren ermöglichen eine präzise Drehzahlregelung, Lastverteilung zwischen mehreren Antrieben und Energieeinsparungen im Teillastbetrieb.
Highlights der Systemarchitektur
- Redundante Steuerungen Siemens S7-1500R mit automatischem Failover
- IP65-Schaltschränke mit Federzugklemmen und lackgeschützter I/O
- Redundanter PROFINET-Glasfaserring über die 3 km lange Strecke
- Dezentrale ET 200SP E/A an jedem Antrieb und Übergabepunkt
- Erkennung von Bandschlupf, Bandlaufabweichung und verstopften Rutschen
- Adressierbarer Not-Aus-Zugseilschalter alle 50 Meter mit Standort-ID
- Frequenzumrichtergesteuerte Motoren mit synchronisiertem Sanftanlauf/-stopp
- Schwingungsgedämpfte Schaltschrankmontage und Kondensschutzheizung
Systemparameter & Konfiguration
| Steuerungssystem | Siemens SIMATIC S7-1500R (redundant) |
| Steuerungen | 2 × CPU 1515R-2 PN (redundantes Paar) |
| Gesamt-I/O-Punkte | 520+ (AI: 60, AO: 20, DI: 320, DO: 120) |
| Sicherheits-I/O | 84 × Failsafe-DI (Not-Halt, Zugseil) |
| Kommunikationsprotokoll | PROFINET IRT / PROFIsafe / Modbus TCP |
| HMI-Panels | 3 × SIMATIC HMI TP1500 (IP65) |
| Schaltschränke | 6 × IP65 mit Schwingungsdämpfung |
| Frequenzumrichter | 4 × ABB ACS880 (je 250 kW) |
| Förderbandlänge | 3,2 km gesamte Bandstrecke |
| Förderleistung | 2.400 t/h |
| Not-Halt-Abdeckung | Not-Halt-Zugseilschalter alle 50 Meter |
| Systemverfügbarkeit | 99,9 % (6 Monate ohne ungeplante Ausfallzeiten) |
Hauptkomponenten & Hardware
Siemens CPU 1515R-2 PN
6ES7515-2RM00-0AB0
Redundante Förderersteuerung
ET 200SP E/A
6ES7155-6AU01-0BN0
Dezentrale E/A im IP65-Gehäuse
ET 200SP F-E/A
6ES7136-6BA00-0CA0
Fehlersicheres digitales Eingangsmodul
SIMATIC HMI TP1500
6AV2124-0QC02-0AX1
IP65 Comfort Panel
ABB ACS880 Frequenzumrichter
3ABD00035842-D
250-kW-Industrieantrieb
SCALANCE X204RNA
6GK5204-0BA00-2KB2
Redundanter PROFINET-Switch
Rittal HD IP65-Schaltschrank
HD 1680.600
Staubdichtes Schutzgehäuse für Nassreinigung
SIRIUS Sicherheitsrelais
3SK1211-1BB40
Auswertung des Sicherheitsstromkreises
Projektphasen
Engineering & Design
5 WochenSteuerungslogik für Förderanlage, Sicherheitssystem, Netzwerkplanung
Schaltschrankfertigung
5 Wochen6 IP65-Schaltschränke mit Schwingungsdämpfung
Softwareentwicklung
6 WochenSPS, Sicherheitslogik, HMI, Frequenzumrichter-Synchronisierung
FAT
1 WocheVollständige Simulation einschließlich Not-Halt- und Schlupftests
Versand nach Südafrika
5 WochenSeefracht nach Durban, Straßentransport zur Baustelle
Installation & Inbetriebnahme
4 WochenMontage, Glasfaserspleißen, Schleifenprüfungen, Inbetriebnahme
Leistungstest
4 Wochen6-monatige Überwachungsphase mit Fernunterstützung
Schulung & Übergabe
1 WocheSchulung des Instandhaltungsteams und Dokumentation
Messbare Ergebnisse
Leistungsdaten nach Systeminbetriebnahme und Dauerbetrieb verifiziert.
Null Stillstände in 6 Monaten Betrieb
Leistung der redundanten Architektur
Adressierbare Sicherheits-E/A ermöglicht präzise Fehlerlokalisierung
Optimierung der Frequenzumrichter-Lastverteilung
Vorher vs. Nachher: Quantifizierter Vergleich
| Kennzahl | Vorher | Nachher | Veränderung |
|---|---|---|---|
| Ungeplante Ausfallzeiten | Häufig (veraltete Steuerungen) | 0 Stillstände in 6 Monaten | −100% |
| Systemverfügbarkeit | ~93% (einzelne SPS) | 99.9% (redundante Architektur) | +6.9 Pkt. |
| Fehlerortungszeit | Stunden (manuelle Fehlersuche) | 50% schneller (adressierbare E/A) | −50% |
| Energieverbrauch | Ausgangsbasis (Festdrehzahl) | 15% Einsparungen durch Lastverteilung mit Frequenzumrichtern | −15% |
| Sicherheitsreaktion | Nur manueller Not-Aus | Präzise Ortung durch adressierbare Sicherheits-E/A | Präzise |
Daten basieren auf den Inbetriebsetzungsberichten des Projekts und kontinuierlichen Betriebsmessungen. Der Name des Kunden ist unter NDA verfügbar.
Wirtschaftlicher Gesamteffekt
Das gelieferte Automatisierungssystem übertraf alle im Vertrag festgelegten Leistungsziele und erzielte im Vergleich zum Ausgangsbetrieb einen höheren Durchsatz, einen geringeren Energieverbrauch und eine verbesserte Produktqualität. Der Kunde meldete die vollständige Amortisation der Investition innerhalb des prognostizierten Amortisationszeitraums und hat SENTRADO seitdem mit weiteren Phasen der Anlagenerweiterung beauftragt.
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