Das Zukunftsprojekt Industrie 4.0 zeigt produzierenden Unternehmen Lösungen auf, wie sich steigende Anforderungen an Flexibilität, Individualisierung und Effizienz umsetzen lassen. Dahinter steht meist der Ansatz, den gesamten Lebenszyklus digital abzubilden und zu gestalten. Welchen Beitrag dabei individuell hergestellte elektrotechnische Produkte in der Automatisierungslösung leisten können, beschreibt dieser Artikel.
Bild: Phoenix Contact Deutschland GmbH
Die durchgängige Verwendung digitaler Daten kann Anwendern Vorteile über den gesamten Lebenszyklus der erworbenen Komponente oder Lösung bieten. Das reicht von der Auswahl und dem Engineering über die Konfiguration, Installation und Inbetriebnahme bis zum Betrieb, dem Service und der Wartung der Anlage. Für den umfassenden Nutzen braucht es jedoch durchdachte Konzepte, die unter anderem ein übersichtliches Leistungsspektrum sowie eine bedarfsgerecht hohe Flexibilität des Endprodukts liefern. Solche Konzepte basieren dabei meist auf der durchgängigen Verfügbarkeit digitaler Produktdaten in jeder Phase seines Lebenszyklus. So entsteht während des Engineering-Prozesses oft erheblicher Aufwand, um Daten aus einem in ein anderes Format zu überführen. Werden die Informationen lückenlos weitergegeben, lässt sich schon in diesem Prozessschritt viel Zeit einsparen.
Die Trennverstärker-Familie Mini Analog Pro des Automatisierers Phoenix Contact dient als Beispiel, das die durchgängige Verfügbarkeit digitaler Produkt- und Prozessdaten unterstützt.
Im industriellen Umfeld nimmt der Wunsch nach individuellen Produkten zu. Je nach Anwendung kann eine in ihren Eigenschaften angepasste Automatisierungskomponente zu höherer Qualität und geringeren Kosten beitragen, indem sie sich bestmöglich in die Lösung einfügt. In elektrotechnischen Anlagen werden immer dann Trennverstärker benötigt, wenn sensible Messwertsignale störungsfrei von der Sensor- bis in die Steuerungsebene übertragen werden müssen. Aufgrund der hohen Signalvielfalt und unterschiedlichen Anwendungsanforderungen erweisen sich häufig individuelle Komponenten als sinnvoll. Deshalb stellt das Blomberger Unternehmen seine Trennverstärker bereits teilweise als konfigurierbare Varianten in flexiblen Produktionsanlagen her. Über den Web-Konfigurator kann der Anwender das für seinen Einsatzzweck geeignete Gerät auswählen. Im Tool legt er anschließend die individuelle Konfiguration fest. Der nach seinen Vorgaben gefertigte Trennverstärker wird ohne Aufpreis in Losgröße 1 hergestellt und geliefert. Möglich macht das der unternehmenseigene Maschinenbau von Phoenix Contact, der in modularen Produktionsanlagen plant und fertigt.
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Verändern sich die Rahmenbedingungen, da die Anlage beispielsweise erweitert wird, könnten sich die individuell eingestellten Werte der dort verbauten Trennverstärker vom Optimum entfernen. Um die Effizienz über seinen gesamten Lebenszyklus sicherzustellen, muss sich der Trennverstärker daher an neue Anforderungen adaptieren lassen. Aus diesem Grund können die Phoenix Contact-Produkte vor Ort konfiguriert werden. Anwender definieren neue Parameter über eine App oder eine PC-Software und übertragen sie per Near Field Communication (NFC) oder Bluetooth an das Gerät. Durch dieses Vorgehen sollen sich die Produktauswahl für Anwender erleichtern und gleichzeitig Engineering- und Lagerkosten sinken. Individuelle Informationen zu den einzelnen Geräten bleiben erhalten, um jede Konfiguration schnell nachbestellen zu können. Die eindeutige Identifizierung des jeweiligen Moduls erlaubt zudem das Abrufen des zugehörigen Kalibrier-Zertifikats. Analoge und digitale Prozesswerte – wie Temperaturen, Frequenzen sowie Spannungs- oder Stromsignale – werden über ein Gateway in das Netzwerk integriert. Im Gateway erfolgt die Digitalisierung der acht Eingangssignale, die dann der übergeordneten Steuerung über das jeweilige Kommunikationsprotokoll zur Verfügung gestellt werden. Somit entfällt die Einzeladerverdrahtung bis zur analogen SPS-Eingangskarte. Die Visualisierung aktueller Messwerte auf dem Smartphone oder Webserver erleichtert zudem die Inbetriebnahme und den Service.
Am Standort Bad Pyrmont betreibt Phoenix Contact die modulare Produktionslinie zur Herstellung seiner sechs Millimeter schmalen Trennverstärker. Im Vergleich zu einer Linienfertigung lassen sich hier aufgrund des verbesserten Prozessablaufs in puncto Kommunikation zwischen Produkt, Mitarbeiter und Maschine selbst geringe Losgrößen wirtschaftlich produzieren. Bei der Bestellung der Module können die Anwender über den Web-Konfigurator zum Beispiel die Art der Ein- oder Ausgangssignale auswählen, wodurch sich mehr als 1.000 verschiedene Geräteversionen ergeben. Damit trotz der Produktvielfalt auch kleine Chargen von 200 bis 2.000 Stück zu den Kosten einer Massenfertigung hergestellt werden können, müssen Mensch und Maschine schnell und effizient arbeiten. Deshalb nutzen alle beteiligten Systeme – von der Auftragserstellung bis zum fertigen Produkt inklusive der erforderlichen logistischen Aufgaben – die entsprechenden digitalen Daten.
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Von der bestückten Leiterplatte bis zum verpackten Mini Analog-Modul ist es ein langer Weg. Nach dem Auftragen der Lötpaste und der SMD-Bestückung werden in der Produktionslinie jeweils vier Leiterplatten auf die korrekte Anordnung der einzelnen Bauteile geprüft. Auf einer Platine können sich bis zu 154 der kleinen Komponenten – beispielsweise Widerstände, Kondensatoren und Dioden – befinden. Nach dem Löten trennt eine Stanze die Leiterplatte aus. Anschließend wird sie auf einen Werkstückträger gelegt und in den Umlauf der Produktionslinie eingeschleust. Dort kreisen rund 20 Werkstückträger gleichzeitig.
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Zunächst wird jeder Werkstückträger in einen kleinen Rundlauf gefördert. Nachdem ein Laser die Beschriftung vorgenommen hat und die Aussparungen gefräst worden sind, ist das Gehäuse fertig. Im nächsten Schritt wird die Leiterplatte eingelegt und mit dem Gehäuse verheiratet. Danach schließt sich der große Rundlauf an. Im so genannten Lötportal erfolgt hier das Verlöten des Gehäuses mit der Leiterplatte. Nun ist das Modul voll funktionsfähig. Beim nachgelagerten Programmieren der jeweiligen Firmware wird der Werkstückträger durch einen Zylinder gegen den Prüfkopf gehoben. Es folgen eine High-Voltage- und eine elektrischer Endkontrolle.
Wird ein Auftrag in die Produktionslinie eingelastet, entsteht zuerst der Arbeitsplan. Sobald sich das Produkt auf dem Werkstückträger befindet, stellt ein RFID-Tag die Verbindung zu den Informationen her, die das übergeordnete System liefert. Dazu gehört die Angabe, welche Prüfungen am Gerät durchzuführen sind sowie ob und welche Firmware implementiert werden muss. An seinem Arbeitsplatz kommt der Maschinenbediener mit jedem Modul dreimal in Kontakt, wobei unterschiedliche Aufgaben anfallen. Beispielsweise liest er den RFID-Chip aus, um das Druckbild des hergestellten Produkts mit den ihm dazu an seinem Bildschirm angezeigten Vorgaben zu vergleichen. Oder er legt Platinen ein und verpackt die fertigen Geräte. Aufgrund des RFID-Tags kennt das übergeordnete System den aktuellen Bearbeitungszustand der einzelnen Mini Analog-Module. Daher zeigt der Bildschirm nur die Informationen und Optionen an, die der Mitarbeiter für die anstehende Aufgabe benötigt. Durch die Kommunikation zwischen dem Produkt und der Anlagensteuerung kann der Mitarbeiter somit die hohe Komplexität, die sich aus der Variantenvielfalt ergibt, beherrschen. Alle Maßnahmen zusammengenommen erlauben es dem Produzenten, individuelle Artikel kurzfristig zu wettbewerbsfähigen Preisen zu fertigen. Ohne die umfassende Digitalisierung der Wertschöpfungskette ließe sich diese Herausforderung kaum in den Griff bekommen.
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