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Ident-System RFID-Erfassungssation unterstützt Montieren von PKW-Motoren

Autor / Redakteur: Olaf Scheuer, Hans Jürgen Templin, Thomas Hammermeister / Reinhard Kluger

Da RFID-Erfassungsstationen sehr klein sind, lassen sie sich im Fertigungsfluss auch an Stellen anbringen, an denen das bisher nicht ging. Und weil das Identsystem Ethernet gleich mit an Bord hat, sind flexible Kommunikationsstrukturen machbar.

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Und Ethernet ist gleich mit dabei: Identsystem zum Realisieren flexibler Systeme.
Und Ethernet ist gleich mit dabei: Identsystem zum Realisieren flexibler Systeme.
( Archiv: Vogel Business Media )

Thomas Hammermeister, Marketing Manager Externe Kommunikation, Schneider Electric GmbH, Ratingen

Ein Problem der Praxis: Für flexible Fertigungsprozesse benötigt man verschiedene Bausteine, die reibungslos ineinander greifen vor allem dann, wenn auch nach Inbetriebnahme noch Änderungen am Prozessablauf zu erwarten sind. Dabei gilt: Die Anforderungen an die Mechanik und an die Softwarearchitektur für die Steuerungstechnik sind hoch, die Kommunikations-Infrastruktur muss Änderungswünsche des Anwenders auch nachträglich flexibel zulassen. Flexibilität im Fertigungsprozess bedeutet auch stets zu wissen, welche Produktvariante gerade in Arbeit ist, und wie das Ergebnis eines Bearbeitungsschrittes ausgefallen ist. An dieser Stelle kann ein Identsystem auf Basis des RFID-Standards einen guten Beitrag zum Realisieren flexibler Systeme leisten insbesondere dann, wenn Ethernet-Kommunikation bereits an Bord ist.

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Auf alle diese Bausteine setzt der in Bremen ansässige Automobil-Zulieferer ThyssenKrupp Krause GmbH bei Konstruktion und Bau von Montagelinien für Motoren und Getriebe. Im Rahmen eines Projekts für einen großen amerikanischen Automobilhersteller entstand eine flexible Montagelinie für Vierzylinder-Reihen-Dieselmotoren, auf der zur Zeit in einem Werk in England die Produktion hochgefahren wird. In Kürze werden hier rund 400.000 Motoren pro Jahr montiert, und zwar in verschiedenen Varianten. Die Variantenvielfalt nimmt während der Laufzeit der Anlage erfahrungsgemäß weiter zu. Daher ist die Flexibilität der Anlage von Anfang an ein wichtiger Punkt bei der Konstruktion gewesen und vor allem beim Entwurf der Software-Architektur berücksichtigt worden.

Wissen, wo was läuft

Motorblöcke werden auf standardisierten Werkstückträgern durch die Anlage gefahren, und zwar über Friktionsrollenbahnen. Sie werden so von einer Montagestation zur nächsten transportiert, sukzessive entsteht aus einem nackten Motorblock ein funktionsfähiger Motor. Verschiedene Anbauteile werden separat vormontiert, wie zum Beispiel Zylinderköpfe oder Turbolader. Diese werden erst später im Montageprozess mit dem Motorblock verheiratet. Zwischen Werkstückträger und Motorblock werden sogenannte Adapterplatten montiert, die die konstruktiven Eigenheiten der Motoren an die Standard-Werkstückträger anpassen. Sie bilden gewissermaßen die „Hardware-Schnittstelle“ zwischen Motorblock und Werkstückträger. Hier kommt das Thema RFID ins Spiel: Sowohl Werkstückträger als auch Adapterplatten sind mit Datenträgern ausgerüstet, den so genannten RFID-Tags.

Die Tags der Werkstückträger speichern eine ganze Reihe von Informationen, die entweder vor Beginn der Montage dort abgelegt werden oder während der Produktion laufend ergänzt werden:

  • Eine eindeutige Identifikation, die den Motor als Individuum eindeutig kennzeichnet und so eine Dokumentation des kompletten Montagevorganges ermöglicht.
  • Die Motorvariante. In Abhängigkeit dieser Information werden die typspezifischen Montageschritte an den einzelnen Stationen ausgeführt.
  • Qualitätsdaten. Nach jedem Montageschritt wird mindestens die Information „in Ordnung/nicht in Ordnung“ auf dem Tag abgelegt. Dies dient sowohl der Qualitätssicherung als auch der Dokumentation.
  • Anbau-Teile bringen zum Teil zusätzliche Informationen mit. Bei der Montage der Injektoren werden deren Leistungsdaten aus einem 2D-Code gelesen und auf dem Tag des Motors abgelegt.

Motoren, bei denen ein Montageschritt als „nicht in Ordnung“ gekennzeichnet wurde, werden auf einer Ausschleuse-Spur aus dem Montageprozess genommen. Ein Mitarbeiter kann das RFID-Tag vom Werkstückträger abnehmen und an einem sogenannten „Repair Bay Manager“ auslesen. Er erhält von diesem die notwendige Information, was genau am Motor zu reparieren ist. Art und Umfang der Reparatur werden auf dem Datenträger vermerkt und gelangen über diesen Weg in die Dokumentation des Motors.

Die Adapterplatten sind mit Telemecanique-RFID-Tags ausgerüstet, auf denen gespeichert wird, wie oft ein Motorblock auf der betreffenden Platte montiert worden ist. Bei diesem Vorgang verschleißen die dazu notwendigen Schrauben, sie müssen nach einer definierten Anzahl von Montagevorgängen ausgetauscht werden.

Kommunikation und Steuerungstechnik

Für die Kommunikation in der Montagelinie werden Ethernet sowie AS-Interface für die E/As eingesetzt. Das lokale, maschinennahe Ethernet verbindet die Steuerungen Telemecanique Modicon Premium mit den RFID-Stationen, Bedienpulten, PCs sowie Kameras zum Lesen von 2D-Codes. Für dieses Netzwerk kommen die integrierten Ethernet-Schnittstellen auf den Prozessoren der Steuerung zum Einsatz. Ein weiteres Ethernet verbindet sämtliche Steuerungen und die übergeordneten Rechner.

Die Möglichkeit der direkten Einbindung der RFID-Stationen in ein Ethernet-Netzwerk ist für die Realisierung des flexiblen Motangesystems ein großes Plus: Nur mit Ethernet lassen sich Knoten leicht einbinden oder verschieben. Änderungen an der Montagelinie lassen sich damit einfach Realisieren. Umbauten müssen nicht bis zu den Werksferien warten, sondern lassen sich am Wochenende realisieren ? im Sinne der Flexibilität ein großer Vorteil dieser Kommunikationsarchitektur.

Vor dem Einschleusen eines Motorblocks in den Montageprozess müssen die RFID-Tags initialisiert werden. Dabei ist ein spezieller Anwendungsfall realisiert worden: Hier kommuniziert das RFID-System direkt mit einem PC. Bindeglied zwischen der PC-Applikation für die Datenträger-Initialisierung und der verwendeten RFID-Station ist der OPC-Server, über den der Datentransfer abgewickelt wird.

Der Anwender in Zahlen

Auf der von der ThyssenKrupp Krause GmbH in Bremen realisierten Montagelinie werden 4-Zylinder-Dieselmotoren montiert, derzeit in zehn verschiedenen Varianten. Die Anlage kann im Dreischichtbetrieb alle 30 Sekunden einen Motor montieren ? das sind im Jahr 350.000 bis 450.000 Motoren. Sämtliche Montagedaten werden gespeichert und können auch später jederzeit abgerufen werden, wichtig bei Rückrufaktionen, sollte sich ein verwendetes Bauteil im Nachhinein als fehlerhaft oder unzuverlässig erweisen. Der Zeitraum und der Bereich der in dieser Zeit produzierten Motornummern lassen sich damit eindeutig identifizieren.

Für Identifikation und Speicherung von Produktions- und Qualitätsdaten sowie der Seriennummern von Anbauteilen während der Montage werden ca. 400 RFID-Tags in Blockbauform mit einer Speicherkapazität von 13 KB auf den Werkstückträgern eingesetzt. Die Daten werden an 180 Stationen in der Linie gelesen und geschrieben. Auf den Adapterplatten, den „Hardware-Schnittstellen“ zwischen Werkstückträgern und Motorblöcken kommen ca. 500 RFID-Tags in Scheibenform mit 120 Byte Speicherkapazität zum Einsatz. Auf diesen Datenträgern befindet sich eine Identnummer für die Adapterplatte, außerdem wird hier nachgehalten, wie oft ein Motorblock bereits auf der Platte festgeschraubt worden ist. Nach einer definierten Anzahl von Verschraubungen werden die Schrauben wegen Verschleiß ausgetauscht.

Kastentext

„RFID-System Telemecanique Ositrack“

Das Ident-System Telemecanique Ositrack basiert auf dem weltweiten ISO-Standard für RFID-Systeme. Damit lassen sich Objekte im Fertigungsprozess einfach verfolgen. Bei Bedarf können sämtliche Produktionsdaten für jedes einzelne Produkt individuell gesammelt und dokumentiert werden.

Die Schreib-/Lesestationen benötigen kein eigenes Programm ? jegliche Programmierung der Stationen entfällt. Die übergeordnete Steuerung beschreibt und liest lediglich den entsprechenden Datenbereich der Station, den Datenaustausch zwischen Station und Datenträger übernimmt die Station selbsttätig.

Die Bauform der kompakten RFID-Stationen ist identisch mit der Sensorikbauform C bzw. D. Deswegen kann das komplette für Sensoren verfügbare Montagezubehör verwendet werden, wie beispielsweise Befestigungswinkel. Das zugehörige Verkabelungs-Programm mit M12-Steckleitungen und -Leitungsdosen sowie ein Windows CE basiertes Handheld-Terminal zur Vorort-Konfiguration und -Wartung runden die universell einsetzbare RFID-Lösung Telemecanique Ositrack ab.

Die Standards im Überblick

Telemecanique Ositrack setzt konsequent die weltweiten RFID-Standards um: Das System arbeitet auf einer Frequenz von 13,56 MHz und wurde gemäß den Normen ISO 18000-3, ISO 15693 und ISO 14443 entwickelt. Das neue Identsystem Telemecanique Ositrack knüpft nahtlos an die bereits in der Sensorik erfolgreiche Osiconcept-Technologie an. Das bedeutet für den Anwender: Einfach zu handhabende Produkte, die sich weitestgehend selbst auf die Einsatzbedingungen einstellen.

  • Das RFID-System Ositrack kann vielfältig kommunizieren. Es lässt sich in unterschiedlichsten Netzwerk- und Feldbus-Architekturen einbinden: Unterstützt werden Modbus, Unitelway und Ethernet TCP/IP. Mit der Ethernet-Anbindung ist Ositrack sehr schnell in web-basierte Automatisierungslösungen integriert.
  • Die Baugröße der Telemecanique-RFID-Erfassungsstationen setzt neue Maßstäbe. Die komplette Einheit aus Antenne, Auswertung und Kommunikation findet in einem Gehäuse von 40 mm x 40 mm x 15 mm Platz. Die Geräte sind damit die kleinsten derzeit am Markt verfügbaren. Für den Anwender erschließen sich also neue Möglichkeiten auch dort, wo der RFID-Einsatz bislang an der Baugröße der Geräte scheiterte.
  • Die Leistungsdaten beim Datendurchsatz können sich sehen lassen: Die Datenübertragung ist mit 1,75 kBit/s sehr schnell.
  • Einbau auch dort, wo hohe Temperaturen vorherrschen: Das System lässt sich mit der Schutzart IP 68 und einem Betriebstemperatur-Bereich von –25 °C bis +70 °C auch in rauher Umgebung betreiben.
  • Zu den Schreib-/Lesestationen gehört eine Palette von Datenträgern für verschiedene Anwendungsfälle. Dazu gehören scheiben- und quaderförmige sowie zylindrische Bauformen mit bis zu 13 KB Speicher. Darüber hinaus können wegen der Konformität mit der ISO-Norm für RFID-Systeme auch Datenträger anderer Hersteller verwendet werden.

Olaf Scheuer, Project Manager Controls Departement, Hans Jürgen Templin, Manager Controls Departement, beide ThyssenKrupp Krause GmbH, Bremen,

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