Phoenix Contact Industrie 4.0: Trennverstärker-Montage 4.0

Intelligente und sichere Kommunikationsstrukturen sind die Grundlage für dynamische, sich selbst organisierende Netzwerke.

Das Zukunftsprojekt Industrie 4.0 zeigt Lösungen auf, um den steigenden Ansprüchen an Flexibilität, Individualisierung und Effizienz in produzierenden Unternehmen zu begegnen. So bleibt die Fertigung durch den Einsatz digitaler, vernetzter Systemlösungen langfristig konkurrenzfähig. Auch Phoenix Contact greift die zum Teil abstrakten Vorteile von Industrie 4.0 auf und überträgt sie in praxisorientierte Anforderungen an eine zukunftsgerichtete Produktion. Das Unternehmen hat sechs Handlungsfelder definiert, die auf eine hohe Flexibilität, Leistungsfähigkeit, Qualität und Wirtschaftlichkeit abzielen. Dazu zählt die durchgängige Digitalisierung, sichere Kommunikation, selbstständige Anpassung an geänderte Rahmenbedingungen, einfache Installier- und Bedienbarkeit sowie Ressourceneffizienz.

Die intelligente Produktion von morgen lässt sich nur umsetzen, wenn alle relevanten Daten in digitaler Form vorliegen und eine durchgängige Kommunikation zwischen den einzelnen Akteuren gegeben ist.

Zuverlässiger Schutz

Die Grundlage für das Zukunftsprojekt legen die beiden erstgenannten Handlungsfelder. Nur wenn alle relevanten Informationen in digitaler Form zur Verfügung stehen und sämtliche an der Wertschöpfung beteiligten Instanzen vernetzt sind, lässt sich der Ansatz von Industrie 4.0 konsequent realisieren. Aus den digitalen Daten wird die zu jedem Zeitpunkt optimale Wertschöpfung abgeleitet. Die Verbindung von Menschen, Objekten und Systemen führt zu dynamischen, sich selbst organisierenden Wertschöpfungs-Netzwerken. Diese können dann nach unterschiedlichen Kriterien verbessert werden, z. B. in Bezug auf Kosten, Verfügbarkeit oder Ressourcenverbrauch. Die intelligenten mechatronischen Systeme tauschen ihre Daten standort- und unternehmensübergreifend über öffentliche oder private Netzwerk-Infrastrukturen aus. Diese Kommunikation auf Basis von Ethernet und Internet sorgt für die hohe Verfügbarkeit der Produktion. Gleichzeitig bildet sie die Grundlage für flexible, sich selbst optimierende Fertigungsprozesse. Daher muss die Datenübertragung in jedem Fall zuverlässig vor elektrischen Störungen und unautorisierten Fremdzugriffen geschützt werden.

Ob Firmware programmiert wird oder elektrische Tests durchgeführt werden: das Umrüsten der Programmier- oder Prüfköpfe nimmt nur wenige Handgriffe in Anspruch.

Nahtloser Materialfluss und kurze Umrüstzeiten

Um die Handlungsfelder des Zukunftsprojekts bereits heute so weit wie möglich umzusetzen, greift Phoenix Contact auf die umfassenden Erfahrungen aus der hohen Fertigungstiefe seiner Komponenten, Systeme und Lösungen zurück. Darüber hinaus fließen das tiefgreifende Wissen des eigenen Maschinenbaus sowie das langjährige Know-how der Automatisierungsspezialisten in die Industrie-4.0-gerechten Maschinen und Anlagen ein. Daraus entstanden ist u. a. eine Produktionslinie am Standort Bad Pyrmont, in der 6 mm schmale Trennverstärker für die störungsfreie Signalübertragung hergestellt werden.

Der Fertigungsprozess dieser Anlage wurde hinsichtlich der Kommunikation zwischen dem Produkt, dem Mitarbeiter und der Maschine verbessert. Ein durchgängiger Materialfluss in der Prozesskette sowie kurze Umrüstzeiten zur Produktion der insgesamt 98 verschiedenen Produktvarianten tragen zu einer effizienten Arbeitsweise bei. Bei der Bestellung der Trennverstärker können Kunden im Internet über einen Konfigurator z. B. die Art des Ein- oder Ausgangssignals auswählen. So ergeben sich mehr als 1.000 unterschiedliche Modulversionen. Damit bei einer derart großen Produktvielfalt auch kleine Chargen von 5 bis 480 Stück zu den Kosten einer Massenfertigung hergestellt werden können, müssen Mensch und Maschine schnell und wirtschaftlich arbeiten.

Der Warenträger stellt über den RFID-Tag die Verbindung zu den Informationen her, die das übergeordnete System liefert.

Flexible Bearbeitung mit Umlaufsystem

Von der unbestückten Leiterplatte bis zum verpackten Produkt ist es ein langer Weg. Nach dem Auftragen der Lötpaste und der SMD-Bestückung werden in der Anlage jeweils vier Leiterplatten auf die korrekte Anordnung der einzelnen Bauteile geprüft. Bis zu 154 der kleinen Komponenten – z. B. Widerstände, Kondensatoren und Dioden – können sich dabei auf einer Platine befinden. Nach dem Löten trennt eine Stanze die Leiterplatte aus. Anschließend wird sie auf einen Werkstückträger gelegt und in den Umlauf der Industrie-4.0-Anlage eingeschleust. In der Produktionslinie kreisen rund 20 Werkstückträger gleichzeitig, sodass der Mitarbeiter gut ausgelastet ist und die Anlage wirtschaftlich fertigt.

Zunächst wird der Werkstückträger in einen kleinen Rundlauf gefördert. Nachdem ein Laser die Beschriftung vorgenommen hat und die Aussparungen gefräst worden sind, ist das Gehäuse fertiggestellt. Im nächsten Schritt wird die Leiterplatte eingelegt und mit dem Gehäuse verbunden. Danach schließt sich der große Umlauf an. Im so genannten Löt-Portal erfolgt hier das Verlöten des Gehäuses mit der Leiterplatte. Jetzt ist das Modul voll funktionsfähig. Beim nachgelagerten Programmieren der Firmware wird der Werkstückträger durch einen Zylinder gegen den Prüfkopf gehoben. Es folgen ein High-Voltage- und ein elektrischer Endtest.

Zur Fernwartung ist ein Router mit intelligenter Firewall installiert.

Ständige Kommunikation zwischen Produkt und Anlage

Wird ein Auftrag in die Produktionslinie eingefügt, entsteht zunächst 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 an dem Artikel durchzuführen sind sowie ob und welche Firmware implementiert werden muss.

Der Maschinenbediener kommt an seinem Arbeitsplatz mit jedem Modul dreimal in Kontakt. Dabei hat er jedes Mal unterschiedliche Aufgaben zu erledigen. Er liest z. B. den RFID-Chip aus, um das Druckbild des gefertigten Artikels mit den an seinem Bildschirm angezeigten Vorgaben zu vergleichen, legt Platinen ein oder verpackt die fertigen Module. Der Bearbeitungszustand der einzelnen Produkte ist dem übergeordneten System über den RFID-Tag bekannt. Daher stellt der Bildschirm nur die Informationen oder Optionen dar, die der Mitarbeiter für die aktuelle Aufgabe benötigt. Die hohe Komplexität, die sich aus der Variantenvielfalt ergibt, wird somit durch die Kommunikation zwischen dem Artikel und der Anlagensteuerung für den Mitarbeiter beherrschbar gemacht. Er erhält eine Hilfestellung, sodass er seine Arbeit fehlerfrei und schnell erledigen kann.

Durchgängige Digitalisierung als wichtige Voraussetzung

Wie das Beispiel bei Phoenix Contact zeigt, sind Anlagen schon jetzt flexibel. Da Mensch und Maschine ebenfalls optimal zusammenarbeiten, lassen sich selbst geringe Stückzahlen wirtschaftlich produzieren. Doch was ist erforderlich, um eine vollkommen vernetzte Fabrik und den damit einhergehenden Produktivitätszuwachs umzusetzen?

Zur Nutzung aller Vorteile der industriellen Fertigung von morgen muss der reale Artikel mit den auf digitalen Daten basierenden Prozessen kommunizieren. Dazu sind die beteiligten Produkte ebenso durchgängig zu digitalisieren wie die einzelnen Arbeitsstationen, die diese während ihrer Herstellung durchlaufen. So kann der Mensch die komplexer werdenden Produktionsanlagen wirtschaftlich bedienen, weil er u. a. durch Assistenzsysteme unterstützt wird. Außerdem muss sowohl der Datenaustausch als auch die Ausgestaltung der kommunizierten Inhalte den Anforderungen der Produktionsanlagen genügen. Soll der Fertigungsstandort in Zukunft erfolgreich sein, müssen Standards und Leitlinie so offen gestaltet werden, dass sie auch veränderliche Rahmenbedingungen und neue Geschäftsmodelle abdecken können.