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Daten gelten als das Gold der Industrie 4.0

Bild: iStock, llhedgehogll

Digitale Wertschöpfungskette Produkt- und Prozessdaten durchgängig nutzen

10.03.2017

Das Zukunftsprojekt Industrie 4.0 zeigt Lösungen auf, wie produzierende Unternehmen den steigenden Anforderungen hinsichtlich Flexibilität, Individualisieru

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Das durchgängige Verwenden digitaler Daten eröffnet dem Anwender von zum Beispiel elektrotechnischen Produkten in seinen Automationslösungen Vorteile, die sich über den gesamten Lebenszyklus der erworbenen Komponente oder Lösung erstrecken. Der Zeitraum reicht dabei von der Auswahl und dem Engineering über die Konfiguration, Installation und Inbetriebnahme bis zum Betrieb, Service und Wartung.

Ein solch umfassender Nutzen bedingt durchdachte Konzepte, die unter anderem ein übersichtliches Leistungsspektrum sowie – je nach Sinnhaftigkeit – eine hohe Flexibilität des Endprodukts bieten. Die Konzepte basieren darauf, dass digitale Produktdaten durchgängig verfügbar sind; in jeder Phase des Lebenszyklus des Produktes. So entsteht zwar während des Engineering-Prozesses ein großer Aufwand, um Daten aus einem in ein anderes Format zu überführen. Werden die Informationen aber lückenlos weitergegeben, lässt sich schon im ersten Prozessschritt Zeit einsparen. Zum Entwickeln innovativer Produkte greift Phoenix Contact auf Erfahrungen aus seiner Fertigungstiefe, das Wissen des unternehmenseigenen Maschinenbaus sowie Know-how seiner Produkt- und Branchenexperten zurück. Die Trennverstärker-Familie Mini Analog Pro ist dabei ein Beispiel für die durchgängige Verfügbarkeit digitaler Produkt- und Prozessdaten über den kompletten Lebenszyklus.

Nicht nur im Privatbereich, sondern auch im industriellen Umfeld nimmt der Wunsch nach individuellen Produkten zu. Je nach Anwendung kann eine in ihren Eigenschaften angepasste Komponente zu höherer Qualität und geringeren Kosten beitragen, indem sie sich in die Gesamtlösung einfügt. In elektrotechnischen Anlagen zum Beispiel werden immer dann Trennverstärker benötigt, wenn sensible Messwertsignale störungsfrei von der Sensor- bis in die Steuerungsebene übertragen werden müssen. Aufgrund der Signalvielfalt und unterschiedlichen applikativen Anforderungen erweisen sich häufig individuelle Komponenten als sinnvoll. Deshalb stellt Phoenix Contact die Trennverstärker bereits teilweise als konfigurierbare Varianten in flexiblen Produktionsanlagen her.

Web-Tool für individuelle Konfiguration

Über den Web-Konfigurator findet der Anwender das für seinen Einsatzzweck am besten geeignete Gerät. Im Tool legt er anschließend die individuelle Konfiguration fest. Der nach seinen Vorgaben gefertigte Trennverstärker wird ihm ohne Aufpreis selbst in Losgröße 1 geliefert. Das ist möglich, weil der unternehmenseigene Maschinenbau von Phoenix Contact die notwendigen modularen Produktionsanlagen gemäß Industrie-4.0-Kriterien plant, baut und die intelligente Fertigung mit neusten Technologien optimiert.

Verändern sich die Rahmenbedingungen, da die Anlage beispielsweise erweitert wird, könnten die individuell eingestellten Werte der dort verbauten Trennverstärker nicht mehr optimal sein. Um eine hohe Effizienz über seinen gesamten Lebenszyklus sicherzustellen, muss sich der Trennverstärker daher an neue Anforderungen adaptieren lassen. Aus diesem Grund können die Produkte vor Ort konfiguriert werden. Der Anwender definiert die neuen Parameter über eine App oder eine PC-Software und überträgt sie per NFC (Near Field Communication) oder Bluetooth an das Gerät. Durch das beschriebene Vorgehen vereinfacht sich die Produktauswahl für den Anwender und seine Engineering- und Lagerkosten sinken. Individuelle Informationen zu den einzelnen Geräten bleiben erhalten, sodass jede Konfiguration nachbestellt werden kann. Die eindeutige Identifizierung des jeweiligen Moduls erlaubt zudem das Abrufen des zugehörigen Kalibrier-Zertifikats.

Übergreifende Kommunikation

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 aufwändige und fehleranfällige Einzeladerverdrahtung bis zur analogen SPS-Eingangskarte. Die Visualisierung aktueller Messwerte auf dem Smartphone oder Webserver erleichtert die Inbetriebnahme und den Service.

Am Standort Bad Pyrmont betreibt Phoenix Contact die modulare Produktionslinie zur Herstellung der sechs Millimeter schmalen Trennverstärker Mini Analog. 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 1000 verschiedene Geräteversionen ergeben. Damit trotz Produktvielfalt auch Chargen von 200 bis 2000 Stück zu 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 – digitale Daten.

Relevante Informationen zeigen

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 Komponenten 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.

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 fertiggestellt. Im nächsten Schritt wird die Leiterplatte eingelegt und mit dem Gehäuse verheiratet. Danach schließt sich der große Rundlauf an. Im sogenannten 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 elektrische Endkontrolle. 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 auszuführen sind. Zum Beispiel liest er den RFID-Chip aus, um das Druckbild des Produkts mit den an seinem Bildschirm angezeigten Vorgaben zu vergleichen. Oder er legt Platinen ein und verpackt die fertigen Geräte. Aufgrund des Tags kennt das übergeordnete System den aktuellen Bearbeitungszustand der einzelnen Mini-Analog-Module. Daher zeigt der Bildschirm nur die Informationen oder Optionen an, die der Mitarbeiter für die anstehende Aufgabe benötigt. Durch die Kommunikation zwischen dem Produkt und der Anlagensteuerung kann der Mitarbeiter die hohe Komplexität, die sich aus der Variantenvielfalt ergibt, beherrschen.

Digitae Wertschöpfungskette

Um individuelle Artikel kurzfristig zu wettbewerbsfähigen Preisen zu fertigen und sie über ihren gesamten Lebenszyklus flexibel zu gestalten, sind neue Konzepte erforderlich. Gleiches gilt für Prozesse, die eine Produktion in Losgröße 1 ermöglichen. Beide Herausforderungen lassen sich durch eine umfassende Digitalisierung der kompletten Wertschöpfungskette lösen.

Bildergalerie

  • Ein RFID-Tag im Werkstückträger verbindet das Produkt mit den Informationen im übergeordneten System.

    Bild: Phoenix Contact

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