Gut durchdacht

„Eine Kette ist nur so stark wie ihr schwächstes Glied.“ – das wissen gerade Entwickler und Konstrukteure von Automatisierungsanlagen. Beim Aufbau einer Montagelinie oder Maschine wird schnell klar: Die Komponenten müssen optimal aufeinander abgestimmt sein, um einen reibungslosen Ablauf und eine hohe Anlagenverfügbarkeit zu garantieren. Fatal ist, wenn erst bei der Inbetriebnahme vor Ort Schwachstellen entdeckt und Vorgaben an Taktzeiten und Produktivität nicht eingehalten werden. Abhilfe schafft ein gut durchdachter und von digitalen Tools unterstützter Planungsprozess. Anlagenbauer und Systemintegratoren stehen vor der Herausforderung, aus einer Vielzahl an möglichen Automationskomponenten die geeigneten auszuwählen, um den Kundenanforderungen an ein Gesamtsystem gerecht zu werden. Immer noch verlassen sich zu viele Ingenieure dabei rein auf die technischen Daten der Einzelkomponenten. Das Zusammenspiel wird oft erst bei Testläufen der Subsysteme oder der Gesamtanlage überprüft. An diesem Punkt wurden bereits viele Arbeitsstunden in das Projekt investiert und die Auslieferung zum Kunden steht unmittelbar bevor. Unsicherheiten, Hektik und damit neue Fehlerquellen entstehen. Abhilfe kann hier die virtuelle Inbetriebnahme mit validierten Simulationsmodellen schaffen. Der Maschinenbauer und Systemintegrator Heitec hat in einer Referenzapplikation zwei von der Weiss GmbH neu entwickelte Rundschalttische getestet. Im Fokus stand die Auswahl der optimal passenden Komponente für einen definierten Anwendungsfall. Model-in-the-Loop-Simulationen wie diese tragen zur Verifizierung von Anlagenkonzepten und deren Ausbringung bei. Im Gegensatz zu Hardware- beziehungsweise Software-in-the-Loop-Simulationen steht bei dieser Referenzapplikation nicht die Inbetriebnahme und Vorbereitung der SPS-Programmierung im Vordergrund. Gemessen und verglichen wird der Output der beiden Rundschalttische TC-N und TC-N mit eCam. Ziel war es, die optimale Kombination der Automationskomponenten für eine beispielhafte Anwendung in der Großserienfertigung zu finden.   

Die Simulation beschreibt als Referenzapplikation einen Prüfprozess in der Großserienfertigung. Die Taktzeit und der Output am Ende jeder Schicht ist entscheidend. Die Werkstücke werden unsortiert auf einem Zuführband bereitgestellt. Ein Weiss Delta Roboter DR nimmt diese auf und belädt den Rundschalttisch. Der DR ist mit einem Kamerasystem ausgestattet, das die Position der zugeführten Teile identifiziert. Beide Rundschalttische haben vier Stationen. Jede Station hat zwei Nester, das heißt an jeder Bearbeitungsstation können zwei Werkstücke aufgenommen werden. Im zweiten Prozessschritt wird auf jedes Werkstück ein QR-Code aufgedruckt, der an der dritten Station im Sinne einer optischen Qualitätsprüfung überprüft wird. An der vierten und letzten Station der Referenzapplikation werden die Teile durch einen zweiten Delta Roboter von Weiss vom Rundschalttisch entnommen und zum Abtransport auf ein zweites Band gesetzt. In dieser Referenzapplikation wurde ein Produk- tionsablauf über eine 8-Stunden-Schicht hinweg simuliert. Das Ergebnis zeigt, dass der TC-N mit eCam-Technologie einen rund 5 % höheren Output erreicht. Die eCam-Technologie wurde von Weiss eigenentwickelt. Sie verbindet die Vorteile einer festtaktenden Kurve mit denen des Servomotors. Die festtaktende Kurve verriegelt die angefahrene Position mechanisch spielfrei. Der eingesetzte Servomotor ist sehr dynamisch und regelbar. Die Beschleunigungskurven beider Antriebe überlagern, wodurch die Drehbewegung des Tischs Millisekunden früher beginnt. In der Referenzapplikation zeigte der TC-N mit eCam eine um 80 ms kürzere Taktzeit als der fest- taktende Rundschalttisch. Gerade diese Millisekunden bieten in der Großserienfertigung Potenzial zur Produktivitätssteigerung. Die Anschaffungskosten für einen TC-N mit eCam sind höher als für einen TC-N mit festtaktender Kurve. Durch die Produktivitätssteigerung pro Schicht amortisieren sich die Mehrkosten in der Großserienfertigung jedoch zügig. Diese Steigerung um 5 % basiert allein auf der Auswahl der eingesetzten Komponente. Durch weitere Optimierungen zum Beispiel am Arbeitsraum des Delta Roboters, der Bereitstellung der Werkstücke oder der Geschwindigkeit des Zuführbands sind weitere Zeiteinsparungen denkbar. 

Stefan Uhlmann, Leiter Entwicklung Digitales Engineering bei Heitec, hat das virtuelle Modell der Referenzapplikation mit seinem Team erstellt. Aus seiner Sicht hat die virtuelle Abbildung von Materialflüssen einen großen Vorteil. „Bereits bei der Anlagenentwicklung lassen sich insbesondere bei Be- und Entladevorgängen Faktoren identifizieren, die die Ausbringung insgesamt limitieren würden.“ Heitec als Systemintegrator und Anlagenbauer hat klare Anforderungen an die Leistungsfähigkeit und Kosten der eingesetzten Komponenten. Weiss als Komponentenlieferant hat die Maxime, seinen Kunden die passende Komponente zur Verfügung zu stellen. Unter „passend“ versteht der Rundschalttischspezialist, die für     eine Applikation angemessene Performance bereitzustellen. Hier bieten Model-in-the-Loop- Simulationen deutliche Vorteile. Um das Anlagenkonzept zu validieren, muss keine zu 100 % ausformulierte Simulation erstellt werden. Eine frühe Machbarkeitsstudie genüge oftmals, um dem Endkunden Produktivitätszusagen zu machen und für Planungssicherheit zu sorgen, so Stefan Uhlmann. Werden in der Simulation die vom Kunden gesetzten Zielwerte nicht erreicht, sind bereits in diesem Projektschritt Anpassungen und Optimierungsschritte möglich. Gleiches gilt bei zu hohen Kosten. Einsparpotenziale lassen sich vom Anlagenbauer vorab eruieren und verifizieren. Das verhindert einerseits Enttäuschungen, andererseits ein Overengineering. Darüber hinaus wird ein späterer Überarbeitungsaufwand am realen, produzierenden Gesamtsystem vermieden. Noch sind Simulationen wie diese verhältnismäßig aufwendig. Abhilfe würden hier allgemeingültige Standards für virtuelle Komponentenmodelle, Schnittstellen und die Simulationstiefe bieten, so Uhlmann weiter. Innerhalb einer Simulationssoftware gibt es solche Standards bereits, jedoch nicht in übergreifenden Bibliotheken. Das führt aktuell noch zu einem Mehraufwand auf Seiten der Simulationserstellung. Doch selbst dieser amortisiert sich über die Zeit des Anlagenbetriebs hinweg, da das Gesamtkonzept maximal produktiv ausgelegt wird. Im laufenden Betrieb relativieren sich die Simulationskosten verglichen mit der Performance der Anlage. 

Heitec nutzt ISG-virtuos als Simulationssoftware und benötigte für die virtuelle Darstellung der Referenzapplikation die digitalen Abbilder der Weiss Komponenten. Weiss stellt Simulationsmodelle der neuen Generation an Rundschalttischen schon zum Verkaufsstart im Twin Store zur Verfügung. Der Komponentenhersteller geht hier bewusst in Vorleistung und ermöglicht seinen Kunden den Einsatz seiner Lösungen im Rahmen des Digital Engineering. Sowohl im Twin Store als auch in der Heitec-eigenen Bibliothek finden sich Mo- delle weiterer Automationskomponenten. Die Datenbank von Heitec ist sehr umfangreich, da das Unternehmen kundenspezifische Anlagen, Maschinen und Lösungen entwickelt und baut. Dementsprechend vielseitig sind die Variationen. „Wir nutzen Simulationsmodelle von Gesamt- oder auch Teilsystemen gezielt bei der Entwicklung kundenspezifischer Lösungen. So lassen sich Anpassungen und Optimierungen einfach und schnell vornehmen. Das Ergebnis ist direkt erkennbar. Die Applikation von Weiss ist als Referenzapplikation sinnbildlich als Entscheidungsgrundlage beim Anlagenbau“, führt Uhlmann aus. Für ihn spielen Anlagensimulationen vor allem in Zukunft eine große Rolle. Retrofit ist das Stichwort. Wird in zehn Jahren eine Automatisierungslinie überarbeitet, kann dies am virtuellen Modell geschehen. Der Umbau findet erst statt, wenn das Modell die entsprechenden Ergebnisse liefert. Da Rundschalttische von Weiss bis zu 30 Jahre und länger im Einsatz sind, ist es sinnvoll, entsprechende Simulationsmodelle nicht nur für heutige Anwendungen wie die virtuelle Inbetriebnahme, sondern auch für eine spätere Anlagenänderung bereitzustellen.      

Weiss nutzt die Erkenntnisse aus der Simulationssoftware und weiteren digitalen Tools zur Beratung seiner Kunden. Darüber hinaus setzen die Ingenieure virtuelle Methoden in der Entwicklung und Produktion im eigenen Haus ein. Gerade wenn Dynamik und Präzision gefragt sind, sind Weiss Rundschalttische eine feste Größe am Markt. Durch den Einsatz virtueller Abbilder und Simulationsmodelle wird die Auswahl der passenden Komponente erleichtert. Die Abstimmung dieser zum Gesamtsystem lässt sich schon vor dem eigent- lichen Anlagenbau verifizieren. Christian Göltl, Produktmanager Controls & Digitalization, schätzt die Möglichkeiten virtueller Entwicklungsmethoden und Simulationsmodelle: „Wir können bereits im Engineering-Prozess frühzeitig die Leistungsfähigkeit der Komponente testen und Stellschrauben für Verbesserungen erkennen. Das verkürzt unsere Time-To- Market und kann im Kundengespräch offene Fragen beantworten.“ Simulationbased Application Engineering ist aus Sicht des studierten Elektrotechnikers und Nachrichtentechnikingenieurs ein wichtiger Baustein für die Qualität der Komponente und damit der Anlagenverfügbarkeit. Weiss baut seine Kompetenzen in diesen Bereichen weiter aus, um seinen Kunden mechatronisch hochwertige Komponenten und digitale Services zu bieten.