Digitalisierung treibt 20% Produktionssteigerung in Autozulieferer-Zelle

Zunahmen in Größe und Menge seiner Aufträge führten den in Wisconsin ansässigen Autozulieferer Felss Rotaform LLC (New Berlin, WI) dazu, den Betrieb durch eine neue Zwei-Roboter-Maschinenbeladezelle zu erweitern. Das Unternehmen ist ein Lieferant von Präzisionsteilen mit seinen Rotationsstauch-, Axialform- und Rohrendformprozessen. Um die kontinuierlichen Prozessverbesserungsziele des Unternehmens zu erfüllen, musste die neue Zelle sicherer, schneller und flexibler sein als die bisherigen Fertigungszellen.

Um die komplexe Natur der Automatisierung anzugehen, kontaktierte das Unternehmen Siemens und den Systemintegrator IAS Inc. (New Berlin, WI) aufgrund ihrer Erfolgsbilanz in Innovation und Expertise in integrierter Robotik und Steuerungstechnologie. Sechs Monate später fand sich Felss Rotaform dabei, eine digitalisierte, integrierte Fertigungszelle zu betreiben, die die Produktivitäts- und Rentabilitätsrekorde des Unternehmens brach.

Bei der Überprüfung der Anforderungen für ihre nächste Robotikzelle hatte Felss Rotaform mehrere Ziele. Erstens wollte es die Produktivität steigern, indem es neue Hochgeschwindigkeits-SPS einsetzte, um kürzere Volllaufzeit-Umdrehungszeiten für jedes einzelne Teil zu erreichen.

Zweitens wollte es eine fortschrittlichere Sicherheitslösung erkunden, die eine bessere Kontrolle darüber gewährleistete, wer die Zelle betrat. In den älteren Zellen konnte eine Maschine versehentlich eingeschaltet werden, wenn eine Wartungsperson in der Zelle anwesend war, was dieses Individuum einem Verletzungsrisiko aussetzte. Um dies zu vermeiden, wollte Felss Rotaform einen automatisierten Prozess, der garantierte, dass die Zelle nach dem Neustart leer war.

Drittens wollte es mehr Flexibilität für Zellenumrüstungen, was dem Unternehmen erlauben würde, ein vielfältigeres Produktsortiment für seine Kunden zu testen und bereitzustellen. Die älteren Zellen erforderten, dass die gesamte Zelle jedes Mal neu programmiert wurde, wenn ein neuer Prozess durchgeführt wurde, was Tage dauern konnte.

Felss Rotaforms ursprüngliches Ziel war eine 48-Sekunden-Volllaufzeit-Umdrehungszeit für jedes Teil in der neuen Zelle (weit schneller als alle seine älteren Zellen). Design und Implementierung der Lösung beschleunigten den kompletten Teileproduktionsprozess auf 38 Sekunden, eine Effizienzsteigerung von 20 %. Sobald die neue Zelle implementiert war, sank die Ausfallzeit von Tagen auf Stunden für komplexe Umrüstungen und für typische geplante Umrüstungen dauerte das, was früher acht Stunden dauerte, nun nur 15 Minuten, laut Chad Due, Felss Rotaform Elektrosteuerungstechniker.

„Diese neue Zelle kann in zwei Schichten produzieren, was zuvor drei erforderte. Das ermöglicht uns, 600 zusätzliche Teile über einen 24-Stunden-Zeitraum zu produzieren. Zusätzlich ist die Rentabilität der Zelle um 13 % gestiegen“, sagte Due.

Richard Parkhurst, Siemens Account Manager, wusste, dass IAS stark positioniert wäre, um Felss Rotaforms Ziele zu erreichen. „Einige Integratoren führen strikt Softwareentwicklung durch und andere sind geschickter im Bau und Zusammenbau der Hardware. IAS brachte eine Kombination aller notwendigen Fähigkeiten und Expertise mit, einschließlich Robotik- und Sicherheitsengineering-Fähigkeiten“, sagte er.

IAS erkannte, dass Siemens-Produkte entscheidend sein würden, um Felss Rotaform bei der Erreichung seiner Ziele zu helfen, indem sie die erforderliche Geschwindigkeit, Zuverlässigkeit, Flexibilität und Sicherheit bereitstellten. Beispielsweise wurde ein Ethernet-basierter Siemens PROFIsafe digitalisierter Kommunikations-Backbone in die Zelle integriert, um Maschinen- und Perimetersicherheit zu steuern. Sichere Kommunikation wird zwischen den verschiedenen SPS und Robotern bereitgestellt. PROFIsafe übermittelt Statusinformationen von den Geräten innerhalb der Zelle an die Haupt-SPS und bietet einen großen Vorteil gegenüber älterer Technologie, da sowohl Standard- als auch sichere Kommunikation über ein einziges Bussystem stattfinden.

Alle Sensoren und Aktoren innerhalb der PROFIsafe-Lösung können frei im verteilten Sicherheitskonzept programmiert werden, unabhängig von ihrer I/O-Station. Diese Flexibilität ermöglicht es Bedienern, Aktoren selektiv abzuschalten. Weitere Vorteile sind fehlersichere Kommunikation, erweiterte Diagnose und Hot-Swap-Fähigkeiten, die helfen, Ausfallzeiten zu reduzieren.

Siemens Simatic S7-1500 SPS mit integriertem Profinet-Interface spielten ebenfalls eine große Rolle bei der Erhöhung der Betriebsgeschwindigkeiten. Der Hochgeschwindigkeits-Backplane-Bus mit seiner hohen Baudrate und effizienten Übertragungsprotokoll liefert einen entscheidenden Leistungsvorteil für schnelle Signalverarbeitung.

Laut Simon Vancina, IAS Applications Engineer und Haupt-Robotik- und SPS-Programmierer, „war die S7-1513F SPS eine großartige Wahl für dieses Projekt wegen ihrer Geschwindigkeit, dem Bereich verfügbarer I/O-Erweiterungskarten, programmierbarer Sicherheitscontroller-Funktionalität, relativ kompaktem Formfaktor und niedrigen Kosten.“

Siemens' TIA Portal spielte eine kritische Rolle bei der Einsparung von Zeit und Engineering-Ressourcen bei der Programmierung aller SPS und HMIs. Die Nutzung des TIA Portals verkürzt Time-to-Market durch Simulationswerkzeuge, Programmierer-Produktivitätswerkzeuge und zusätzliche Diagnose.

„TIA Portal lässt mich Code so schreiben, wie ich ihn schreiben will, und von einer Programmiersprache zur anderen wechseln, wann immer ich muss“, sagte Vancina. „Zum Beispiel konnte ich mit TIA Portal Ladder Logic wählen, um einfache logische Abschnitte leichter lesbar zu machen, und dann in der nächsten Codezeile zu etwas wie Structured Text wechseln, um komplexere Prozesssteuerungen oder Berechnungen zu implementieren. Fast alle SPS erlauben die Verwendung der verschiedenen IEC 61131-3 Programmiersprachen, aber TIA Portal lässt Sie sie auf einzigartige und effektive Weise kombinieren. Das ist eine sehr praktische Funktion, die es uns ermöglicht, unsere Code-Entwicklungszeit zu reduzieren und dieses System viel schneller online zu bringen.“

Mit dem implementierten Projekt sah Felss Rotaform sofort Vorteile jenseits seiner Kernziele. Große Automobilhersteller suchen immer nach neuen Produkttests. Sie zählen auf ihre Lieferanten, um sie im Testprozess zu unterstützen. Die reaktionsschnellsten Lieferanten in der Testphase werden oft mit neuen Aufträgen belohnt.

Die neue Fertigungszelle bei Felss Rotaform wurde mit Produkttests im Blick entworfen. Sie kann sechs verschiedene neue Teilenummern in einer Woche laufen, was auf einer anderen Zelle einen ganzen Monat dauert.

Die neue Zelle ist auch viel fortschrittlicher in ihrer Fähigkeit, fehlerhafte Teile zu erkennen. Für Hersteller wie Felss Rotaform spielt Rückverfolgbarkeit eine Schlüsselrolle bei der Reduzierung der Betriebskosten. Die Zelle kann helfen, fehlerhafte Teile am Versand zu hindern, indem sie fehlerhafte Teile erkennt und in einen separaten Behälter legt, die Zelle sogar anhält und den Bediener alarmiert, wenn Defekte zu häufig auftreten. Wenn ein fehlerhaftes Teil versendet und vom Kunden entdeckt wird, könnte das die Rücksendung einer gesamten Lieferung bedeuten, was den Lieferanten Hunderttausende von Dollar kostet.

IAS und Siemens testen derzeit zwei ähnliche Roboterzellen, die 2018 implementiert werden und bessere Wartungsverfolgung für fortgeschrittenere digitale Fertigung beinhalten. Das neue System verfolgt, wie lange eine Maschine gelaufen ist und zeigt an, wann wichtige kritische Teile ihren projizierten Zykluszeit-Schwellenwerten nahekommen.

Eine erforschte Lösung ist MindSphere, ein cloud-basiertes offenes Internet of Things (IoT) Betriebssystem, das als vernetzte Plattform mit Apps dient, die eine Reihe von Funktionen bieten, wie die Reduzierung von Sicherheitsrisiken und die Verbesserung der Verfügbarkeit verbundener Maschinen und Anlagen.

Zusätzlich wird das neue System prädiktive Analysen einbeziehen, um einen Alarm über potenzielle Probleme an die Zellen-Hauptsteuerung zu senden. „Das neue System sagt Ihnen, was ersetzt werden muss und welchen Typ Teil das System braucht. Sie scannen das Teil vor der Installation und es sagt Ihnen, ob es das richtige Teil für diese Maschine ist“, sagte Vancina.

Für weitere Informationen von Siemens, besuchen Sie www.siemens.com, oder rufen Sie 847-640-1595 an; von IAS, besuchen Sie www.iasworldwide.com, oder rufen Sie 866-243-2402 an.