Yinyu Zheng

• Insbesondere vor dem Hintergrund der zunehmenden Ausrichtung moderner Produktionsumgebungen auf Industrie 4.0, intelligente Systemintegration und durchgängige Vernetzung erfordern industrielle Kammeröfen hochzuverlässige und sichere Automatisierungslösungen. Viele bestehende Anlagenverfügen jedoch nicht über skalierbare Steuerungskonzepte, die eine fortschrittliche Brennersteuerung, dezentrale Kommunikation sowie validierte funktionale Sicherheit unterstützen. Diese Arbeit adressiert diese Lücke durch die Entwicklung einer umfassenden Steuerungs- und Sicherheitsarchitektur für ein industrielles Kammerofensystem auf Basis der Siemens SIMATIC SPS-Technologie.Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein bestehendes Kammerofen-Automatisierungssystem, das seit 2018zuverlässig betrieben wird, detailliert analysiert. Die dabei gewonnenen Betriebserfahrungen bilden die Grundlage für die Konzeption und Implementierung eines erweiterten, SPS-basierten Automatisierungskonzepts für einen zweiten Kammerofen. Dessen Inbetriebnahme ist für Anfang desnächsten Jahres vorgesehen. Die Systemarchitektur beider Öfen umfasst SPS-CPUs, dezentrale Peripheriemodule und eine Brennersteuerungseinheit sowie weitere Komponenten. Diese sind über die industriellen Kommunikationsprotokolle PROFINET und PROFIBUS miteinander vernetzt. Das Automatisierungskonzept beinhaltet fortgeschrittene Regelungsstrategien, darunter Verbrennungsluftdruck Regelung, Rekuperatoren Regelung und Ofentemperatur Regelung für insgesamt 25 Brenner. Ein zentraler Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Entwicklung eines Sicherheitskonzepts für den Ofen. Dieses deckt kritische Betriebsphasen wie Vorspülung, Dichtheitsprüfung und Ofen-start gemäß EN 746-2ab. Die Sicherheitsfunktionen wurden unter Verwendung unternehmensinterner SIL-Berechnungen entworfen und validiert, die den relevanten Normen entsprechen Diese Berechnungen wurden abschließend vom TÜV sowie vom Auftraggeber formell freigegeben. Die Ergebnisse zeigen, dass das vorgeschlagene SPS-basierte Konzept die Betriebssicherheit, die Diagnostikfähigkeit sowie die Normenkonformität erheblich verbessert und eine robuste, zukunftsfähige und mit Industrie 4.0 kompatible Automatisierungslösung für moderne Kammerofensysteme bereitstellt.
• Industrial chamber furnaces require highly reliable and safe automation solutions, particularly as modern production environments transition towards Industry 4.0-oriented connectivity and intelligent system integration. However, many existing installations lack scalable control concepts that support advanced burner management, decentralized communication and rigorously validated functional safety. This thesis meets this need by developing a comprehensive control and safety architecture for an industrial chamber furnace system, based on Siemens SIMATIC PLC technology. The work includes a detailed analysis of an existing chamber furnace automation system that has been operating reliably since 2018. Operational experience from this system forms the basis for the design and implementation of an enhanced PLC-based automation concept for a second chamber furnace, which is scheduled for commissioning early next year. The system architecture for both furnaces comprises the PLCCPUs, decentralized peripheral modules, the Burner Control Unit and further components, all of which are interconnected via PROFINET/PROFIBUS industrial communication protocols. The automation concept includes advanced control strategies such as combustion air pressure control, recuperator control and multi-zone temperature regulation for 25 burners. A major focus of the thesis is the development of a furnace safety concept, which addresses pre-purging, tightness test, burner start-up and other critical operational phases in accordance with EN 746-2. Safety functions are designed and validated using company-internal SIL calculations in compliance with relevant standards. These calculations were formally accepted by TÜV and the client for final approval. The results demonstrate that the proposed PLC-based concept significantly enhances operational safety, diagnostic capability and standards compliance, providing a robust and Industry-4.0-ready automation solution for modern furnace systems.