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01 Ergänzend zu den halbautomatischen Prüfplätzen wird der Produktionsablauf von den per 19-Zoll-Multitouch-Einbau-Panel-PC CP2219 gesteuerten Automatikplätzen überwacht

Prüfplatzsteuerung in der Backofen- und Herd-Fertigung

02 Maik Hartmann und Thorsten Nagel (v.l.n.r.), beide vom Bereich Betriebstechnik Elektrik des Miele-Werks in Oelde

03 Steuerungstechnischer Aufbau des halbautomatischen Prüfplatzes

04 Steuerungstechnischer Aufbau des Automatikplatzes

05 Über die Twinsafe-Klemmen ist auch die Sicherheitstechnik integraler Bestandteil der Prüfplatz-Steuerungstechnik

Miele stellt am Standort Oelde jährlich rund 300.000 Elektrobacköfen und Elektroherde her, die vor der Auslieferung zu 100 % geprüft werden. Hierzu sind die entsprechenden Fertigungsinseln mit halb- und vollautomatischen Prüfplätzen ausgestattet, die mit der Automatisierungssuite Twincat 3 von einem integrierten Engineering sowie der engen Verzahnung von Standardsteuerungstechnik, Safety und Messtechnik profitieren.

Miele produziert Backöfen und Herde sowohl für den europäischen als auch für den nordamerikanischen Markt. Dabei liegt der Exportanteil bei über 70 %, was sich unter anderem in sieben länderspezifischen Spannungsvarianten und entsprechend flexiblen Geräteprüfungen widerspiegelt (Bild 1). Zum 2013 realisierten, neuen Fertigungs- und Prüfkonzept erläutert Maik Hartmann (Bild 2), von der Betriebstechnik Elektrik im Miele-Werk Oelde: „Ursprünglich wurden die Geräte in einer Linienmontage mit mehreren integrierten und aufeinander folgenden Prüfstationen produziert. Mit dem Ziel einer ‚Fertigung im Kundentakt‘ wurde dies auf eine Komplettfertigung in U-förmigen Montageinseln umgestellt, was für jeden Mitarbeiter zu einer erweiterten Tätigkeit inklusive der Geräteprüfung und zu einer insgesamt verbesserten Produktivität geführt hat.“ Thorsten Nagel, ebenfalls vom Bereich Betriebstechnik Elektrik, beschreibt die konkreten Vorteile: „Bei den bisherigen drei getakteten Montagelinien lag die Taktzeit der Förderbänder je nach Linie und Gerätetyp bei 1 min bis 3 min, was auch dem Arbeitstakt eines Mitarbeiters pro Gerät entsprach. Nun umfasst der Arbeitsinhalt die komplette Montage und Prüfung des Geräts, was ungefähr 30 min dauert und die Tätigkeit qualitativ aufwertet. Außerdem kam zuvor aufgrund der rund 800 verschiedenen Gerätevarianten sowie dem großen Anteil an Losgrößen zwischen eins und zehn noch ein recht hoher Umrüstaufwand hinzu, in Verbindung mit entsprechenden Taktzeitverlusten und einem schwankenden Personalbedarf. Durch das neue Konzept mit insgesamt sieben Montageinseln konnten wir die Volumen- und Variantenflexibilität erhöhen und die Durchlaufzeiten reduzieren. So kann ohne lange Vorplanung quasi jeden Tag jedes Gerät gefertigt und damit entschieden besser auf kurzfristige Bestellungen reagiert werden.“

Montageinseln mit voll- und halbautomatischen Prüfplätzen
Je nach der vorgesehenen Produktionskapazität verfügt jede der sieben Fertigungsinseln über einen oder mehrere halbautomatische Prüfplätze (Bild 3) – insgesamt 17. Hinzu kommen neun Automatikplätze (Bild 4) in den Förderstrecken, welche die Durchführung der Prüfung bzw. das Vorliegen der Prüfinhalte überwachen, die Geräte zum zentralen Verpackungsbereich weiterleiten oder im Fehlerfall über eine Reparaturschleuse ausschleusen sowie Lieferscheine erstellen. Die eigentlichen Funktionsprüfungen, das heißt, die vom Gesetzgeber vorgeschriebenen Sicherheitsprüfungen, Schutzleitermessungen und Hochspannungsprüfungen sowie zahlreiche Funktionstests, werden von einem Mitarbeiter an den halb automatischen Prüfplätzen anhand eines geführten Prüfablaufs vorgenommen. Je nach Ausführung der täglich rund 1.000 Geräte dauern die Tests zwischen 2 min und 3 min, wobei sich durch die zugrunde liegende Automatisierungstechnik hierbei alle Werte in einer zentralen Datenbank protokollieren lassen.

Flexible und offene Steuerungstechnik erforderlich Um die Prüfplätze optimal in die jeweilige Produktionsumgebung einbinden zu können, war – auch schon zu Zeiten der Linienfertigung – eine flexible und offene Steuerungstechnik notwendig. Dazu M. Hartmann: „Von Beginn an haben wir vom Beckhoff-Busklemmensystem profitiert, mit dem sich eine einheitliche und sehr kompakt bauende IO-Ebene realisieren lässt. Hinzu kommt die Offenheit hinsichtlich der unterschiedlichsten Bussysteme, sodass wir die Prüfplätze ohne großen Aufwand, zum Beispiel auch in einem CANopen- oder Profibus-Umfeld betreiben konnten.“ Dies bestätigt T. Nagel: „Über die modulare Busklemmentechnik lassen sich auch die zahlreichen Prüfsignale sehr gut aufnehmen und in das System integrieren. Entscheidend für einen effizienten Einzelprüfplatz, insbesondere bei den neuen Montageinseln mit ihren erweiterten Arbeitsanforderungen, ist nicht zuletzt ein fehlerfreier und komfortabler Dialog mit dem Prüfer. Entsprechend naheliegend war es, nicht nur die IO, sondern auch die PC-basierte Steuerungstechnik von Beckhoff einzusetzen.“ All diese Systemvorteile ermöglichen aus Sicht der beiden Miele-Experten eine einheitlich und strukturell gut aufzubauende Steuerungshardware. Und auch für neue Prüfanforderungen sei PC-based Control optimal flexibel und erweiterbar. Besondere Vorteile biete dabei Ethercat als Kommunikationssystem, das nicht nur leistungsfähig sei, sondern auch eine freie, auf den jeweiligen Bedarf anpassbare Wahl der Bustopologie erlaube. Ergänzt werde dies durch gute Diagnosemöglichkeiten, mit denen sich aus der Entwicklungsumgebung heraus komfortabel bis in den Feldbus bzw. die IO-Ebene hinein arbeiten lasse.

Twincat 3 als integrierte und durchgängige Software
Mit der Umstellung auf das neue Fertigungs- und Prüfplatzkonzept wurde als Automatisierungssuite die neue Softwaregeneration Twincat 3 eingesetzt. Die größten Vorteile sieht M. Hartmann hierbei zum einen in der Integration in die Engineeringumgebung Visual Studio und zum anderen in der konsequenten Einbindung der Twinsafe-Sicherheitsfunktionalität (Bild 5). Die vorgegebene Softwarestruktur eines Prüfplatzes umfasst den eigenentwickelten „Miele Prüf- und Arbeitsplatz“ (MPA), der die Visualisierung und den Datenaustausch mit der ERP-Ebene bereitstellt und beispielsweise die gerätspezifischen Prüfabläufe aus der zentralen Fertigungsdatenbank lädt. Dem MPA unterlagert und per ADS-Kommunikation angebunden, übernimmt Twincat 3 die klassischen Steuerungsaufgaben und die Verarbeitung der IO-Daten. Und gerade hinsichtlich dieser Gesamtarchitektur bietet Twincat 3 für T. Nagel den entscheidenden Vorteil: „Durch die vollständige Integration von Twincat in Visual Studio können wir nun durchgängig in einer Entwicklungsumgebung arbeiten. Dies erleichtert die Projektentwicklung immens. Zumal wir früher mit sehr vielen Tools – für verschiedene SPS-Generationen, Roboter- und Sicherheitssteuerungen sowie spezielle Echtzeitbetriebssysteme – gearbeitet haben, die teilweise schon gar nicht mehr alle auf einem Rechner ablaufen konnten. Hinzu kommt, dass sich die bereits vorhandenen Twincat-2-Projekte ohne großen Aufwand auf Twincat 3 portieren ließen.“ Als weiteren wichtigen Aspekt beim Twincat-Einsatz nennt M. Hartmann die nahtlose Integration der Sicherheitstechnik: „Als sicherheitsrelevante Elemente sind bei den halbautomatischen Prüfplätzen ein Lichtgitter, Not-Halt und ein Tür-Kontaktschalter eingebunden. Hinzu kommen die Sicherheitsanforderungen gemäß der Niederspannungsrichtlinie, um das sichere Schalten der Prüfspannungen zu gewährleisten. All das lässt sich mit dem Twinsafe Editor in einer einheitlichen Engineeringumgebung projektieren. Und auch der Hardwareaufwand wird durch Twinsafe reduziert, da mit Safety-over-Ethercat, der Twinsafe-Logic EL6900 und den Twinsafe-IO-Klemmen die bisherigen speziellen Sicherheitssteuerungen und der entsprechende Verkabelungs- bzw. Kommunikationsaufwand entfallen.“

Steuerungstechnik mit Messfunktionalität
Ebenfalls für einen reduzierten Projektierungsaufwand sorgt die direkt in die Steuerungstechnik eingebundene Messtechnik. So werden über die 3-Phasen-Leistungsmessklemmen EL3403 (bis AC 500 V) und EL3413 (bis AC 690 V) die in den Backöfen bzw. Elektroherden installierten Heizelemente auf ihre Funktion und die Einhaltung der Leistungsgrenzwerte überprüft sowie die Hochspannungsprüfungen vorgenommen. Speziell mit der bis AC 690 V ausgelegten Leistungsmessklemme EL3413 werden außerdem die Belegung des 16-poligen Steckverbinders für das zugelieferte Kochfeld und die korrekte Zuordnung der Energieregler getestet. Durch die Offenheit der PC-basierten Steuerungstechnik können zudem weitere für die Geräteprüfung notwendige Messgeräte und Sensoren ohne großen Aufwand eingebunden werden. Dazu M. Hartmann: „Um hierbei auf zusätzliche Interface- bzw. Kommunikationsmodule verzichten zu können, haben wir TCP/IP-fähige Geräte – ein Hochspannungsmessgerät und einen Handscanner für den Prüfplatz sowie einen Barcodescanner für den Automatikplatz – ausgewählt. Diese können über die Ethernet-Switchport-Klemme EL6614 optimal integriert und per TCP/IP mit dem jeweils aktuellen Parametersatz versorgt werden.“ (mh)

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Autor:
Stefan Ziegler ist in der Abteilung Marketing Communications für die Beckhoff Automation GmbH & Co. KG in Verl tätig. info@beckhoff.de