Engineering Hier ist der Schlüssel für den effizienten Schaltschrankbau

Autor / Redakteur: Olaf Graeser* / Dipl. -Ing. Ines Stotz

Um den Schaltschrank für eine Produktionsanlage zu entwickeln, müssen zwei Ingenieurs-Disziplinen kooperieren: Mechanik- und Elektrokonstruktion. Der Erfolg des Projekts hängt also davon ab, wie gut beide zusammenarbeiten und sich gegenseitig ergänzen. Ein durchgängiges Engineering trägt hier dazu bei, dass sich der Schaltschrankbau effizienter gestaltet.

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Ein intelligentes Produktionsleitsystem kann eine digitale Produktbeschreibung analysieren, um auf die benötigten Fertigungsstationen zu schließen.
Ein intelligentes Produktionsleitsystem kann eine digitale Produktbeschreibung analysieren, um auf die benötigten Fertigungsstationen zu schließen.
(Bild: Phoenix Contact)

Die Anforderungen an eine Fertigungsanlage ergeben sich aus dem zugehörigen Lastenheft. Ein erfahrener Elektrokonstrukteur kann anhand der Funktionsbeschreibung im Lastenheft grob abschätzen, welche Elektrokomponenten notwendig sind und wie groß der Schaltschrank ausgelegt werden muss, damit sie in ihm Platz finden. Auf Basis dieser Größenbeurteilung beginnt dann der Mechanikkonstrukteur mit der Planung der Anlage in seinem CAD-Werkzeug. Parallel dazu erarbeitet der Elektrokonstrukteur den Schaltschrank für die Grundinstallation, die so genannte Infrastruktur. Mit der Erstellung des CAD-Modells füllt der Mechanikkonstrukteur gleichzeitig die Baugruppenliste mit den verwendeten Baugruppen. Auf der Grundlage dieser Liste lassen sich anschließend große Teile des Schaltplans für die Anlage automatisch generieren.

Zu diesem Zweck stehen für alle bekannten Baugruppen Schaltplanvorlagen zur Verfügung, die zur Erstellung des Schaltplans genutzt werden können. In Vorlagen ist bereits definiert, welche Elektronikkomponenten eingesetzt werden. Sind neue Geräte für die Konstruktion freigegeben worden, ist eine manuelle Überarbeitung der Vorlage erforderlich.

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Danach wird der Schaltplan vervollständigt. Auch in diesem Schritt enthält er schon die Angabe, welche Komponenten verwendet werden sollen. Symbolische Geräte – wie beispielsweise „Durchgangs-Reihenklemme mit vier Anschlüssen“ werden dabei meist nicht genutzt. Nachdem der Schaltplan erarbeitet worden ist, folgt der Aufbau des virtuellen Schaltschranks im ECAD-Werkzeug. Dieser Schritt sowie die virtuelle Verdrahtung des Schaltschranks nimmt der Elektrokonstrukteur zum großen Teil manuell vor. Im Ergebnis des Schaltschrank-Engineering liegen neben dem Schaltplan auch Stücklisten, Klemmenleistenpläne und ähnliches vor. Auf Basis dieser Unterlagen werden dann die Komponenten bestellt, sodass der Aufbau des Schaltschranks beginnen kann. Abgesehen von Automaten zur Konfektionierung von Leitungen ist der Automationsgrad im Schaltschrankbau somit gering. Viele Arbeitsschritte werden von Hand erledigt.

Vollständige und klassifizierte Artikelbeschreibungen erforderlich

Das beschriebene Szenario zeigt auf, wie die einzelnen Ingenieurs-Disziplinen bereits heute zusammenarbeiten können und das in diesem Zusammenhang ein ständiger Informationsaustausch – zum Beispiel über Baugruppenlisten – stattfinden muss. Die Mitarbeiter der verschiedenen Bereiche arbeiten also parallel an einem gemeinsamen Projekt. Dabei entstehen mehrere Modelle: eines aus oftmals rein mechanischer Sicht für die Gesamtanlage sowie eines für den Schaltschrank und dessen Verdrahtung. Zudem werden unterschiedliche Software-Werkzeuge mit jeweils verschiedenen Datenformaten eingesetzt.

Unter einem durchgängigen Engineering ist allerdings eine Werkzeugkette zu verstehen, in der Informationen von einem Werkzeug zum nächsten weitergegeben werden. Ferner müssen die einzelnen Werkzeuge mit einem gemeinsamen Datenformat arbeiten und es dürfen keine Informationen verloren gehen. Im Ergebnis erzeugt das durchgängige Engineering eine derart präzise Beschreibung des Produkts, dass sich die Informationen direkt in einer (automatisierten) Fertigung weiterverwenden lassen.

Diese Anforderungen werden im vorgestellten Beispiel jedoch noch nicht ganz erfüllt. Damit aus dem Ergebnis des Engineering eine wirklich vollständige Produktbeschreibung wird, müssen den Engineering-Werkzeugen entsprechend vollständige und klassifizierte Artikelbeschreibungen zur Verfügung gestellt werden, aus denen das finale Produkt besteht. Im Beispiel des Schaltschranks sind das etwa die Durchgangs-Reihenklemmen, Netzteile oder auch Beschriftungsmaterialien.

Sämtliche für die Produktion erforderlichen Informationen enthalten

Ein durchgängiges Engineering ist somit der Schlüssel zu einem effizienten Schaltschrankbau. Dafür wird ein Verbund von Engineering-Werkzeugen benötigt, die über Schnittstellen sowie gemeinsame Datenformate und -quellen zusammenarbeiten können. Der Schaltschrank entsteht nicht aus dem Nichts. Vielmehr handelt es sich um eine Kombination von Produkten wie dem Gehäuse, der Montageplatte, den Tragschienen sowie weiterer Komponenten, die mit Hilfe von Engineering-Werkzeugen kombiniert werden.

Zu diesem Zweck müssen sie die verfügbaren Produkte kennen. Folglich ist einerseits eine detaillierte Beschreibung der Artikel erforderlich, zum Beispiel hinsichtlich Baugröße, Position und Art der Anschlüsse sowie zusätzlicher technischer Merkmale.

Auf der anderen Seite muss es eine Klassifizierung geben, aus der ersichtlich ist, um welche Art von Artikel es geht. Der Konstrukteur, der beispielsweise eine Durchgangs-Reihenklemme nutzen will, sollte nicht die komplette Artikeldatenbank nach Reihenklemmen durchsuchen müssen, weil verschiedene Hersteller ihre Produkte unterschiedlich klassifizieren und mit anderen Attributen beschreiben. Vor diesem Hintergrund bietet sich eCl@ss als standardisiertes Format für die Klassifikation und Beschreibung von Artikel an.

Nachdem die Artikelbeschreibungen – auch als digitale Artikel bezeichnet – den Werkzeugen vorliegen, können diese auf Basis eines gemeinsamen Modells - der so genannten digitalen Produktbeschreibung - arbeiten. Diese stellt das Ergebnis des Engineering dar. Sie legt zum Beispiel fest, dass Reihenklemmen auf einer Tragschiene installiert sind, die wiederum auf einer Montageplatte befestigt ist, welche sich in einem Schaltschrank befindet. Sie veranschaulicht ferner, aus welchen konkreten Artikeln das Produkt besteht und wie diese im Zusammenhang stehen. Das entsprechende Datenformat bildet also eine äußere Klammer um die integrierten Artikel. Als Standard eignet sich hier insbesondere Automation ML.

Selbstständige Ableitung der notwendigen Fertigungsstationen

Anschließend kann die digitale Produktbeschreibung für die Fertigung verwendet werden, da sie alle für den Produktionsprozess wichtigen Informationen beinhaltet. Handelt es sich um klassische Anlagen, die zum Beispiel Bohrungen auf den Montageplatten vornehmen, lassen sich die Informationen über die Montageplatte nutzen. Intelligente Fertigungsmaschinen, wie sie derzeit im Umfeld von Industrie 4.0 entstehen, können die digitale Produktbeschreibung sogar einsetzen, um selbstständig abzuleiten, welche Produktionsstationen zur Herstellung des beschriebenen Produkts notwendig sind.

Der Industrie-4.0-Demonstrator von Phoenix Contact dient als Beispiel für die intelligente Produktion von morgen. Das Fertigungsleitsystem des Demonstrators liest die digitale Produktbeschreibung ein und erkennt die Länge der Tragschiene. Daraus schließt es, dass eine Station zum Ablängen der Tragschiene benötigt wird. Darüber hinaus stellt das System fest, dass Durchgangs-Reihenklemmen auf die Tragschiene aufgerastet und danach beschriftet werden müssen. Das Fertigungsleitsystem prüft daraufhin, ob die die zu diesem Zweck erforderliche Produktionsstation zur Verfügung steht und startet in diesem Fall den Erstellungsprozess.

Zur Umsetzung eines effizienten Schaltschrankbaus ist es notwendig, dass Engineering-Werkzeuge auf Basis gemeinsamer Schnittstellen und Datenformate zusammenarbeiten. Durch die Verwendung und Kombination solch standardisierter Formate lässt sich das Ergebnis des durchgängigen Engineering, also die digitale Produktbeschreibung, sogar in der Fertigung nutzen. Das funktioniert nicht nur in intelligenten Anlagen gemäß Industrie 4.0, sondern auch in bestehenden Applikationen mit einer IT-Schnittstelle.

* Dipl.-Inf. Olaf Graeser, Mitarbeiter im Technology Development Industrial Automation des Geschäftsbereichs Manufacturing Solutions , Phoenix Contact, Blomberg

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