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Der digitalisierte Schaltschrankbau

Digitale Normen lassen sich als Dienste in das Engineering einbinden (Bild: Phoenix Contact)

Digitale Normen lassen sich als Dienste in das Engineering einbinden (Bild: Phoenix Contact)

Olaf Graeser, Mitarbeiter im Innovationsmanagement des Geschäftsbereichs Corporate Technology  & Value Chain bei Phoenix Contact (Bild: Phoenix Contact)

Olaf Graeser, Mitarbeiter im Innovationsmanagement des Geschäftsbereichs Corporate Technology & Value Chain bei Phoenix Contact (Bild: Phoenix Contact)

Jan-Henry Schall, Leiter des Rittal Innovation Centers (Bild: Rittal)

Jan-Henry Schall, Leiter des Rittal Innovation Centers (Bild: Rittal)

Thomas Weichsel, Procduct Manager & Teamleader VCSS bei Eplan (Bild: Eplan)

Thomas Weichsel, Procduct Manager & Teamleader VCSS bei Eplan (Bild: Eplan)

Ein intelligentes Leitsystem kann aus dem virtuellen Prototyp notwendige Fertigungsschritte ableiten und diese mit den Fähigkeiten der angeschlossenen Maschinen abgleichen (Bild: Phoenix Contact)

Ein intelligentes Leitsystem kann aus dem virtuellen Prototyp notwendige Fertigungsschritte ableiten und diese mit den Fähigkeiten der angeschlossenen Maschinen abgleichen (Bild: Phoenix Contact)

Wie gelingt es, industrielle Engineering- und Produktionsprozesse durchgängig zu digitalisieren? Konkrete Antworten gibt das Technologienetzwerk „Smart Engineering and Production 4.0“ (SEAP) von Eplan, Rittal und Phoenix Contact. Dazu interviewte die Redaktion Olaf Graeser von Phoenix Contact, Thomas Weichsel von Eplan und Jan-Henry Schall von Rittal.

1 Mio. Großschränke – so viele werden jedes Jahr in Europa in Umlauf gebracht. Es lohnt sich also, sich speziell mit den Anforderungen in der Fertigung, Planung und Installation im Schaltschrankbau auseinanderzusetzen. Im Gegensatz zur Automatisierung und Digitalisierung von Fertigungsprozessen war die Herstellung eines Schaltschranks bisher noch weit von Industrie 4.0 entfernt. „Viele manuelle Tätigkeiten und Medienbrüche, das Fehlen kompatibler Daten, die in den Fertigungsprozessen genutzt werden könnten und fehlende Schnittstellen zwischen den Systemen waren für uns Anlass genug, uns des Themas anzunehmen und Konzepte zu entwickeln, um den Fertigungsprozess im Schaltanlagenbau zu industrialisieren,“ schildert T. Weichsel die Motivation für das Technologienetzwerk Smart Engineering and Production 4.0 der Unternehmen Eplan, Rittal und Phoenix Contact mit dem Ziel, die Engineering- und Fertigungsprozesse durchgängig zu digitalisieren.
Zielgruppe nicht nur Großanlagenbauer
„Grundsätzlich ist das Thema für alle Schaltschrank- und Schaltanlagenbauer interessant“, betont O. Graeser. „Auch der kleine Schaltschrankbauer – nicht selten eine verlängerte Werkbank – wird sich mit der Thematik auseinandersetzen müssen, da vorgelagerte Prozesse bereits eine einheitliche Anbindung erfordern“, ergänzt T. Weichsel. Für den mittelständischen Schaltanlagenbauer und den Maschinenbauer mit internem Schaltschrankbau amortisieren sich die Lösungen nach Meinung der beiden Experten entsprechend der gefertigten Stückzahlen recht schnell. Ab einer Zahl von 400 individualisierten Schaltschränken/Jahr lohnt sich laut dem Eplan-Produktmanager der Einsatz der Systemlösung, mit der sich die Produktivität im Schaltanlagenbau deutlich steigern lässt.
Insgesamt sechs Stationen bildeten auf der Hannover Messe die wesentlichen Prozesse vom Engineering über die Produktion bis zur Prüfung ab. Dabei geht es um verschiedene Themen entlang der Wertschöpfungskette: von der digitalen Bereitstellung der Komponentendaten in Form eines digitalen Artikels über den Engineeringprozess, in dem der digitale Zwilling des Schaltschranks entsteht, bis hin zur konventionellen und intelligenten Produktion, die mit den Daten des digitalen Zwillings arbeitet. In einer Augmented-Reality-Applikation wird gezeigt, wie sich Anlagen zukünftig wesentlich einfacher und schneller prüfen und zertifizieren lassen. Mit Unterstützung der DKE, der Deutschen Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik, wird geprüft, wie digitale Prüfungen gegen Normen und Standards oder digitale Vorzertifizierungen in Zukunft möglich sein werden.
Wichtige Grundlage für die Produktivitätssteigerung ist die Schaffung herstellerneutraler Standards für die Daten und die Datenkommunikation. Diese sollen die Interoperabilität zwischen den verschiedenen Systemen aus den Bereichen Engineering, Materialwirtschaft, Fertigungsplanung sowie der Produktion verbessern. Für die Kommunikation setzt das Technologienetzwerk auf standardisierte Informationsmodelle und Kommunikationsprotokolle. „Beim Thema ‚eCl@ss‘ und Automatio-ML haben wir beide Standards zusammengeführt und so einen digitalen Prototyp gestaltet“, schildert O. Graeser. „Daraus ergeben sich erste Lösungen – mittels dieser können konventionelle Automatisierungslösungen, die gar nicht Industrie-4.0-tauglich wären, digitale Prototypen interpretieren, um sich eigenständig ihre Bearbeitungsanweisungen zu schreiben.“ Auf proprietäre Schnittstellen kann verzichtet werden.
Maschinen- und Anlagenbauer fordern aufgrund hoher Engineering-Kosten geradezu umfänglich beschriebene Artikeldaten. „Vielleicht noch nicht immer unbedingt in ‚eCl@ss‘, aber durchaus mit vergleichbarer Datentiefe werden die Daten heutzutage benötigt. Wer diese in Zukunft nicht liefern kann, wird es meiner Einschätzung nach zukünftig schwer haben, um seine Marktposition zu behaupten“, ist T. Weichsel überzeugt. Aus Sicht der Komponentenhersteller könne jede Komponente zu 100 % beschrieben werden: „Aus diesen Daten lässt sich dann mit einer ‚eCl@ss’-Beschreibung und dem 3D-Makro aus der mechanischen Konstruktion mehr oder weniger automatisiert ein digitaler Artikel einschließlich der Eplan-Daten generieren und über das Eplan-Data-Portal dem Kunden zur Verfügung stellen.“

In den manuellen wie automatisierten Fertigungsprozessen des Schaltschrankbaus sind standardisierte und digital bereitgestellte Daten zunehmend von Bedeutung (Bild: Rittal)

In den manuellen wie automatisierten Fertigungsprozessen des Schaltschrankbaus sind standardisierte und digital bereitgestellte Daten zunehmend von Bedeutung (Bild: Rittal)

Semantische Beschreibung erforderlich
Neben den herstellerneutralen Standards ist eine semantische Beschreibung notwendig, um Industrie-4.0-Konzepte umsetzen zu können. Mit Bezug zu dem ZVEI-Projekt „openAAS“ (open Asset Administration Shell) arbeiten die Teilnehmer des Technologienetzwerks an einer Verwaltungsschale speziell für den Schaltanlagenbau. Damit werden Industrie-4.0-Komponenten – die sogenannten Assets – in die Lage versetzt, direkt miteinander in Interaktion zu treten. „Derjenige, der Daten bereitstellt, muss genau wissen, was die Maschine kann oder nicht kann“, erläutert dazu O. Graeser. „In Zukunft muss man sich darauf verlassen, dass die Maschine das selbst weiß. Hier kommt das Thema ‚openAAS‘ ins Spiel: Wenn die Verwaltungsschalen der Bearbeitungsseite der Maschine und der Engineeringseite richtig befüllt sind, kann permanent die Machbarkeit eines Fertigungsschritts überprüft werden. Fehlplanungen und Fehler im Vorfeld der Fertigung sind so weitgehend ausgeschlossen – ein wesentlicher Vorteil des Zusammenspiels intelligenter Schnittstellen, der Abwendung von proprietären Systemen und der Verwendung von Standards.“ Manches davon ist heute schon umgesetzt, anderes wird insbesondere für den Einsatz im Schaltschrankbau aktuell erarbeitet.
T. Weichsel stellt das Zusammenspiel der verschiedenen Ebenen als besonderes Merkmal heraus: „Es gibt keine für sich stehenden Execution-, Planungs- und Auftragssteuerungsebenen, sondern es geht um die Überwindung dieser Grenzen und die möglichst standardisierte Kommunikation.
Wir wollen heterogene Landschaften in ein einheitliches Gesamtkonzept integrieren. Unsere Kunden wollen keine Lösung, die auf einem einzigen Konzept nur eines Herstellers basiert, sondern ein herstellerunabhängiges, welches zudem recht zeitnah umsetzungsfähig ist.“ Er setzt fort: „Wir können schon heute fast alle Bearbeitungsverfahren, die im Schaltschrankbau benötigt werden, in Automation-ML beschreiben und unterstützen. Binnen der nächsten sechs Monate werden nach Einschätzung von T. Weichsel Software-Releases sowohl von Eplan als auch von Rittal für die Bearbeitung verfügbar sein, sodass man dann sowohl auf der Planungs- als auch auf der Maschinenseite mit den Tools arbeiten kann.“ Die beiden Experten sind sich einig, dass sich die aufwendige Arbeit lohnt. „Wenn nicht von Anfang an ein einheitliches Modell zur Verfügung steht, werden niemals alle Komponenten berücksichtigt und in eine voll automatisierte Fertigung eingebracht werden können“, betont O. Graeser.
Schaltschrankbau als Beispielapplikation
Als Beispielapplikation dient das Zuschnittcenter Secarex von Rittal: „Das Bearbeitungsprogramm der Maschine sucht sich sozusagen die Artikel, die es bearbeiten kann und erstellt sich dann selbstständig ein Zuschnittprogramm, in dem die Steuerungssoftware die Artikel identifiziert und prüft, ob Software und Bearbeitungsprogramm für diesen Artikel verfügbar sind. Anschließend erstellt die Software das erforderliche Zuschnittprogramm für den oder die Artikel“, erläutert T. Weichsel. Somit schneidet die Maschine Kabelkanäle und Tragschienen selbstständig. Übertragen wird dazu laut dem Eplan-Spezialisten der digitale Zwilling, „der aus einer Mischung von Automation-ML-Daten zur Beschreibung der Kombination von Artikeln und solchen aus ‚eCl@ss‘ zur Beschreibung der einzelnen Artikel besteht.“ Er setzt fort: „Um welchen Artikel es sich zum Zeitpunkt der Bearbeitung genau handelt, ist in ‚eCl@ss‘ mittels Identifier eindeutig beschrieben. So wird die klare Zuordnung von Artikel und Bearbeitung extrem vereinfacht.“
Digitale Artikeldaten, durchgängiges Engineering und virtuelle Prototypen demonstrieren das smarte Zusammenspiel von Engineering und Fertigung am Beispiel des Schaltanlagenbaus. „Uns liegt es am Herzen, dass es sich nicht nur um ein Experimentierfeld handelt, sondern um konkret umsetzbare Maßnahmen“, schließt O. Graeser an. „Daraus ergeben sich – jetzt absehbar – erste Lösungen, die schon in kurzer Zeit am Markt verfügbar sein werden.“
Das neue, standardisierte Kommunikationskonzept wird nach Einschätzung der Experten auch Rückwirkungen auf die Fertigungsprozesse selbst haben. „Der Schaltschrank bau wird sich in den nächsten Jahren von der bisher eher manuellen Fertigung gänzlich gelöst haben und zu einem industrialisierten Fertigungsprozess entwickeln“, fügt J.-H. Schall hinzu.
Auch für den Maschinenbau interessant
Dabei sind sich die Experten einig, dass das Beispiel für den Schaltanlagenbau nur ein praxisnaher Use Case, ein Anwendungsbeispiel für die Umsetzung von Industrie 4.0, ist. „Der gemeinsam entwickelte und definierte Standard kann auch viele andere Prozesse vereinfachen“, meint T. Weichsel. „Dabei ist es unerheblich, welches Produkt gefertigt wird. „Es geht immer darum, Daten im Engineering zu nutzen und in einer Maschinensteuerung zur Fertigung umzusetzen“, erklärt J.-H. Schall. Das wird auch für ein beliebiges anderes, zusammenbaubares und automatisiert gefertigtes Produkt funktionieren. Dies lässt sich überall dahin übertragen, wo Losgröße 1 ein Thema ist.“ O. Graeser ergänzt: „Maschinenbau und Sondermaschinenbau sind weitere mögliche Einsatzbereiche. Wir werden sicher nicht den Sondermaschinenbau komplett automatisieren, dennoch können Assistenz-Systeme dabei hilfreich sein, wiederkehrende Schritte in der Produktion nachvollziehbar und besser zu gestalten.“ Schritt-für-Schritt-Anleitungen zur Fertigung und Montage – direkt an der Maschine visualisiert – sind ein denkbarer Einsatzbereich.
„Unser Konzept kann auf Standardautomatisierungs-Equipment übertragen werden und schafft dort sozusagen einen digitalen Zwilling im Engineering“, schließt T. Weichsel an. „Der Zwilling beinhaltet dann jeden Artikel, der im realen Projekt benötigt wird und beschreibt ihn eindeutig beispielsweise in ‚eCl@ss‘.“ Die Konzepte zur Optimierung eines Produktionsprozesses sind letztlich überall die gleichen. (hz)