Produktions-Informations-System in der Metallfertigung
Glühend heißen Rädern auf der Spur
Von Maschinen wird heute mehr gefordert, als einfach nur Produkte herzustellen. Hohe Qualität muss für jedes einzelne Produkt gewährleistet und nachvollziehbar dokumentiert sein. Daneben steht die Maschine oder die ganze Anlage im Fokus: Wie zuverlässig arbeitet sie? An welcher „Schraube“ könnte man drehen, um effizienter zu produzieren? Wie greifen Prozesse ineinander? Wo sind Engstellen? Bei komplexen Herstellungsprozessen können das herausfordernde Fragen sein, die individuelle Lösungen erfordern. Dann sind Spezialisten gefragt, die sich nicht nur mit der Programmierung von Produktions-Informations-Systemen auskennen, sondern auch die abgebildeten Prozesse verstehen.
Wer wirtschaftlicher und effizienter arbeiten will, muss Abläufe eindeutig identifizieren, gezielt steuern, methodisch dokumentieren und jederzeit reorganisieren. Das gilt auch in der Metallverarbeitung oder konkret bei der Fertigung von Eisenbahnrädern. In einer Fabrik im kasachischen Ekibastuz werden solche Eisenbahnräder hergestellt. Für den gesamten Fertigungsprozess sind Anlagen und Maschinen unterschiedlicher Hersteller im Einsatz, die einwandfrei miteinander interagieren müssen. Neben dem zuverlässigen Ablauf auf operativer Ebene interessiert aber auf höherer Ebene, wie effizient die Anlage arbeitet. Gleichzeitig muss für jedes Rad, welches das Werk verlässt, der vollständige Fertigungsprozess dokumentiert werden.
Die komplette Schmiedelinie lieferte die Schuler Pressen GmbH (Firmenkasten 1). Gleichzeitig war das Unternehmen aber auch zuständig für die Koordination und das Zusammenspiel des Track & Trace für die einzelnen Anlagenteile. Die Pressenhersteller mussten deshalb eine Lösung finden, wie die Anlageneffizienz im Blick behalten und die Qualität jedes produzierten Rades dokumentiert werden konnte. Hier kam die Karlsruher ZOZ & PARTNER GmbH ins Spiel. Ihre Mitarbeiter hatten für Schuler bereits in der Vergangenheit zur Betriebsdatenerfassung das Schuler Press Management System entwickelt. Nun wurde es ihre Aufgabe ein Produktions-Informations-System (PIS) für die gesamte Anlage aufzusetzen.
Herausforderung: Tracking
Klaus Gille, Geschäftsführer von ZOZ & Partner, befasst sich seit über 30 Jahren mit Software-Lösungen für die Automatisierungs- und Prozessindustrie und kennt die Abläufe sowie typische Probleme. Er erläutert: „Die größte Herausforderung war in diesem Fall die Teileverfolgung. Für einen Großteil der Zeit sind das Material und später die Räder so heiß, dass man sie nicht mit einer Kennzeichnung versehen kann. Trotzdem ist es wichtig, die Geschichte eines jeden Rades zu kennen.“ Würde ein Rad einfach von Anfang bis Ende die Produktion durchlaufen, wäre das kein Problem, aber ganz so linear läuft es nicht ab: In der Stahlschmelze erhält jede Schmelze eine individuelle Heat ID. Anschließend werden Stangen geformt und daraus je nach Endgewicht automatisiert Stücke in passender Länge abgesägt. Diese werden dann – circa 340 Stück gemeinsam – bis zum Kern auf 1.200 bis 1.300 °C erhitzt. Das dauert sechs bis sieben Stunden. Danach muss die dabei entstandene Verzunderung entfernt werden. In zwei Pressstufen erhalten die Räder nun ihre Rohform, werden per Roboter an die Radwalze übergeben, dort in ihre finale Grundform gebracht und anschließend in der Kümpelpresse gelocht.
Eine Laservermessung prüft im nächsten Schritt: Stimmen Durchmesser, Dicke, Rundungen, Lochungen usw. Räder, die nicht den strengen Vorgaben entsprechen, werden ausgeschleust. Das muss im Produktions-Informations-System dokumentiert werden, um eindeutig zuordnen zu können, welche Eigenschaften welches Rad hat. Wird für das Ausschleusen ein manueller Eingriff nötigt, bedeutet das auch, dass der Mitarbeiter entsprechend sensibilisiert sein muss. Es ist eben nicht damit getan, das Rad aus der Produktion zu nehmen, sondern es muss im System vermerkt werden, welches Rad herausgenommen wurde, damit die Dokumentation zuverlässig weitergeführt werden kann.
Qualität sicher dokumentieren
Nach dem Vermessen per Laser wird jedes Rad mit einer eindeutigen ID markiert. Weiter geht es mit dem Härten der Laufflächen. Dieser Prozess hängt ab von der Stahlmischung des jeweiligen Rades, die im System der mitgeführten Heat ID entnommen werden kann. Nach dem Härten werden die Räder nachbehandelt, ggf. müssen noch Stellen nachgefräst werden oder ähnliches. Eine finale Qualitätsprüfung stellt sicher, dass nur Räder die Produktion verlassen, die den Qualitätsvorgaben entsprechen.
Durch die parallele Bearbeitung ist der Durchsatz immens. Mehrere hundert fertige Räder verlassen täglich die Produktion. Gille erläutert: „Der herausforderndste Teil des Projektes ist aus meiner Sicht die Punkte auszumachen, wo es zu Problemen mit der Nachverfolgbarkeit kommen kann. Also da, wo manuell in den Prozess eingegriffen wird, oder wenn beispielsweise mehrere Elemente gleichzeitig in eine Station hineinlaufen, dort rotiert werden und danach schlimmstenfalls in versetzter Reihenfolge den Prozess wieder verlassen. Dann ist die Nachverfolgbarkeit unmarkierter Räder nicht trivial.“ Hier haben die Karlsruher mit ihrem PIS eine zuverlässige Lösung entwickelt, die an den Übergabepunkten der Produktion nicht nur die greifbaren Räder, sondern virtuell auch alle Informationen dazu übergibt. So ist es möglich, dass jedes Rad mit seinem individuellen Radpass die Produktion verlässt, in dem alle das Rad betreffenden relevanten Produktionsinformationen hinterlegt sind.
Prozesse optimieren
Mindestens so wichtig wie die Teileverfolgung ist aber auch die Betriebsdatenerfassung zur Prozessoptimierung. Genau genommen ist eine Prozessauswertung ohne eindeutige Zuordnung von Teilen und deren Ergebnis zu Prozessen nicht möglich. Zweiter Teil des Projektes war daher alle Produktionsdaten der Anlage in eine Datenbank zu schreiben, auszuwerten und über ein Webserver bzw. Webbrowser zu visualisieren. „Hier konnten wir PIS auf unser Vorgängermodell aufsetzen, das Schuler Press Management System, das wir schon in den 90ern für Schuler entwickelt und seither dort im Einsatz haben,“ sagt Gille. Aufgabe des Systems ist es in diesem Zusammenhang, allgemeine Kennzahlen zur Anlagenperformance und Statistiken zu erfassen, die eine Optimierung der Produktion ermöglichen. Dazu gehören beispielsweise die Anlagenzustandsverfolgung mit Produktionszeiten und Stillstände samt Auswertung sowie ein Fehlermeldungsarchiv. Erfasst werden zudem Stückzahlen, Werkzeug, theoretische Ausbringung, Kontierung von Zustandszeiten auf Produktionsaufträge, Schichten oder Tage. Zudem bietet das System einen Überblick über den Tagesproduktionsstatus sowie Berechnungen zu Verfügbarkeit, OEE (Overall Equipment Efficiency), MTBF (Meantime Between Failure), MTTR (Meantime To Repair), u.v.m. Selbstverständlich werden all diese Daten für die Anwender übersichtlich auf einer Weboberfläche dargestellt.
Vielfältige Anforderungen
Alle Datenpunkte einer derart komplexen Anlage in einem Prozess-Informations-System abzubilden klingt nach einer aufwändigen Angelegenheit. Gille erläutert: „Da wir die Datenpunkte direkt aus der jeweiligen SPS importieren, ist der Aufwand im Grunde relativ gering, vorausgesetzt beim Programmieren der SPS wurde sauber gearbeitet. So konnten wir die knapp 20.000 Datenpunkte in kurzer Zeit importieren und hatten zudem die Möglichkeit, die Portierung während der Inbetriebnahme schnell zu ändern.“ Beides reduziert den Inbetriebnahmeaufwand beträchtlich. Als Schnittstelle zur SPS nutzen die Experten für Prozesstechniksoftware OPC UA, für die Anbindung ans ERP-System des Kunden wurde eine spezielle Datenbankschnittstelle entwickelt. Spannend bleibt die Ablage der Prozessdaten. Im laufenden Betrieb fallen schnell beachtliche Datenmengen an. „Vor Ort sind die Bedingungen für PCs und Speichermedien widrig, viel Staub, Schmutz und starke Temperaturunterschiede,“ fährt Gille fort. „Deshalb ist es sinnvoll, Daten auf einem örtlich abgesetzten Server abzulegen. Dann wird aber Eingriff in ein Firmennetzwerk nötig. Das ist also aus Sicht der Netzwerksicherheit herausfordernd.“
Das System wurde in Deutschland entwickelt, ist derzeit in Kasachstan im Einsatz und findet auch in der Türkei Anwendung. Jedes System ist aber nur so gut wie seine Benutzerschnittstelle. Neben einer übersichtlichen Visualisierung spielt dafür Sprache natürlich eine wichtige Rolle. Das System ist daher auf Mehrsprachigkeit angelegt. Per Knopfdruck kann zwischen Deutsch, Englisch, Türkisch und Russisch umgeschaltet werden.
Dank Spezialisierung auf Softwarelösungen für die Dokumentation und Optimierung von Produktionsprozessen haben die Karlsruher Experten seit Gründung des Unternehmens im Jahre 1981 in zahlreichen Projekten Praxiserfahrung gesammelt. Sie befassen sich seit fast vier Jahrzehnten mit automatisierungstechnischen Prozessen und deren Optimierung. Die Herausforderungen aus der Prozess- und Automatisierungstechnik kennen sie daher aus erster Hand. Auch die beschriebene Applikation bei der Herstellung von Eisenbahnrädern zeigt, wie Anwender von der über Jahrzehnte in verschiedenen Projekten angesammelten Erfahrung profitieren.