Von der Planung einer Schaltanlage bis zur Inbetriebnahme sind viele Schritte notwendig. Elektroplanung, Aufbauplanung, Bearbeiten der Montageplatte, Hutschienenbestückung, Leitungen konfektionieren, Montieren von Komponenten auf die Montageplatte beziehungsweise in den Schaltschrank, Verdrahten der Komponenten, Prüfen und Inbetriebnahme. Wie in anderen Bereichen der Industrie auch, gehen die Bestrebungen im Schaltanlagenbau in Richtung höherer Effizienz, um dadurch Zeit und Kosten zu sparen. Lösungsansätze gibt es innerhalb der einzelnen Schritte, wo man mit automatisierten Maschinen die häufig noch übliche manuelle Tätigkeit ersetzen kann. Fast noch wichtiger ist es aber, dass alle Prozesse entlang der Wertschöpfungskette nahtlos ineinandergreifen (siehe letzte Seite des Artikels). Grundvoraussetzung hierfür ist eine durchgängige Datenbasis, die für alle einzelnen Prozessschritte zur Verfügung steht.

Aus der Elektroplanung lässt sich der Verlegeweg der Leitungen berechnen. Heute werden diese Daten teilweise dazu benutzt, um die Leitungen automatisiert zu konfektionieren. Die anschließende Verdrahtung – also das Schaffen der eigentlichen elektrischen Verbindung – ist heute in der Regel jedoch noch manuell zu erledigen. Für eine typische Montageplatte mit etwa 300 Verbindungen benötigt eine Fachkraft ungefähr 15 Stunden, um die Adern auf die richtige Länge abzuschneiden, abzuisolieren, mit Adernhülsen zu vercrimpen, durch Kabelkanäle zu führen und sie an den Bauteilen zu befestigen.

Der Anteil der manuellen Tätigkeiten wie bei der Verdrahtung von Betriebsmitteln in Schaltschränken ist im Steuerungs- und Schaltanlagen immer noch sehr hoch.

© Rittal/Kiesling

Hier besteht also großes Potenzial für eine weitere Effizienzsteigerung. Lange Zeit galt die Verdrahtung von Schaltschränken allerdings als nicht automatisierbar. Nach fünfjähriger Entwicklungszeit hat Kiesling Maschinentechnik, ein Schwesterunternehmen von Rittal, zusammen mit einem Entwicklungspartner nun nachgewiesen, dass es doch funktioniert – und zwar mittels des robotergestützten Verdrahtungszentrums Averex. Dieses schneidet Adern auf die richtige Länge, isoliert sie ab, vercrimpt sie mit Adernhülsen, führt Drähte durch die Kabelkanäle und befestigt sie an den Bauteilen wie Klemmen, Schützen und Motorschutzschaltern.

Das Kernstück und gleichzeitig das technische Highlight des Verdrahtungszentrums ist der patentierte, um 270 Grad drehbare Bearbeitungskopf, der unter anderem die Kabelführung übernimmt. Zusätzlich führt er die Arbeitsschritte Schneiden, Abisolieren und Crimpen aus. Außerdem lassen sich die einzelnen Kabel direkt während der Montage beschriften. Eine drehmomentgesteuerte Schraubereinheit mit einem Werkzeugwechsler für sechs Werkzeuge steht für die Schraubmon­tage zur Verfügung.

Eine der größten Herausforderungen war es, die Eigenheiten des Drahts zu beherrschen. Der Draht hat quasi ein Gedächtnis, so dass er sich beispielsweise immer in die Richtung bewegt, in der er zuvor aufgewickelt war. im Laufe der Entwicklung konnte man aber das „störrische Benehmen“ in den Griff bekommen. Um die Flexibilität der Verdrahtung zu gewährleisten ist ein automatischer Drahtwechsler integriert, der Platz für bis zu 16 verschiedene Arten von Drähten mit unterschiedlichen Farben und Querschnitten bietet. Ist der Draht zu wechseln, wird er mechanisch aus dem Bearbeitungskopf zurückgezogen. Anschließend wird der neue Draht mit der Unterstützung von Druckluft durch einen Schlauch zum Bearbeitungskopf geführt. Auch bei diesem „Durchfädeln“ ist das Verhalten des Drahts von Bedeutung. Sowohl das Verlegen des Drahts in den Kabelkanälen als auch die Führung des Drahts und die Anschlusstechnik funk­tionieren inzwischen sehr zuverlässig. Neben Klemmen mit Schraubanschluss lassen sich auch Klemmen mit Push-In-Technik anschließen.

3D-Daten sind der Rohstoff

Die automatisierte Verdrahtung kann natürlich nur funktionieren, wenn die Art der Bauteile und deren Position auf der Montageplatte sowie die Verdrahtungsdaten bekannt sind. Aus der Elek­troplanung mit Eplan lassen sich diese Daten über eine eigens entwickelte Maschinenschnittstelle an den Averex übergeben. Im ersten Schritt überprüft der Roboter den Aufbau der Montageplatte mit einer Laserabtastung. Dabei werden die korrekten Positionen der Komponenten verifiziert und eine eventuelle Montagetoleranz erfasst.

Der Verdrahtungsroboter führt den Draht, nachdem er die erste Komponente kontaktiert hat, durch die Kabelkanäle zur zweiten Komponente und stellt dort ebenfalls den Kontakt her.

© Rittal/Kiesling

Eine weitere technische Herausforderung ist die Anschlusstechnik. Die verschiedenen Bauelemente haben teilweise stark unterschiedliche Arten des Anschlusses. Beim Schraubanschluss werden zum Beispiel je nach Komponente unterschiedliche Schrauben verwendet. Das Verdrahtungszentrum verfügt daher über einen 6-fach-Werkzeugwechsler für verschiedene Werkzeugbits.

Um die Verdrahtung durchführen zu können, benötigt der Roboter viele zusätzliche Informationen über die verwendeten Komponenten. Dabei muss nicht nur die Position des Anschlusses einer Klemme bekannt sein, sondern es braucht  auch einen so genannten Drahtvektor – also die Richtung, aus der die Leitung in den Anschlussraum eingeführt werden muss. Auch die Art der Schraube, das notwendige Anzugmoment, die Steigung des Gewindes und viele weiteren Daten sind für eine korrekte Verdrahtung erforderlich. Diese Daten stehen nicht bei allen Herstellern in digitaler Form zur Verfügung. Daher arbeitet man aktuell in Projekten mit verschiedenen Komponentenherstellern zusammen, um diese Daten in einer geeigneten Form zu erzeugen und für die automatisierte Anschlusstechnik zur Verfügung zu stellen.

15 Facharbeiter-Stunden einsparen

Im Vergleich zu einem durchschnitt­lichen manuellen Verdrahtungsvorgang, der in der Regel rund 180 Sekunden dauert, erledigt der Averex die gleiche Aufgabe in nur 40 Sekunden. Statt 15 Stunden bei manueller Verdrahtung einer typischen Montageplatte mit 300 Verbindungen benötigt der Averex für die gleiche Aufgabe im Idealfall – sprich, wenn sämtliche Komponenten für eine automatisierte Verdrahtung geeignet sind – nur knapp vier Stunden. Die schnellere Fertigstellung ist aber nicht der einzige Vorteil. Da der Averex vollautomatisch im mannlosen Betrieb arbeitet, lassen sich bis zu 15 Stunden Arbeitszeit eines Facharbeiters einsparen, der in dieser Zeit andere Aufgaben übernehmen kann. Neben der Zeit- und damit Kostenersparnis bietet der durchgängige Workflow, der durch die automatisierten Prozesse entlang der Wertschöpfungskette möglich wird, auch Qualitätsvorteile.

Lediglich 40 Sekunden benötigt der Averex für einen vollautomatischen Verdrahtungsvorgang.

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Die Vorteile des automatisierten Verdrahtens  lassen sich aktuell besonders bei einer Serienfertigung realisieren, da für einen Teil der Komponenten noch nicht alle benötigten Daten vorliegen und diese vor der Verdrahtung erst erfasst werden müssen. Je länger die Technik  aber im Einsatz ist, umso umfangreicher wird die Komponentendatenbank werden. Stellen dann in Zukunft noch die Hersteller alle Daten ihrer Komponenten zur Verfügung, wird sich der Effizienzgewinn auch bei einer Losgröße 1 realisieren lassen.

Noch in diesem Jahr finden die ersten beiden Averex-Teststellungen im Steuerungs- und Schaltanlagenbau statt und müssen dort unter realen Produktionsbedingungen beweisen, dass sie zuverlässig und effizient ar­beiten.

Autoren: Jens von Kiesling ist Leiter Entwicklung und IT bei Kiesling Maschinentechnik und Hans-Robert Koch ist Leiter Fachpresse bei Rittal.

Durchgängigkeit entlang der Wertschöpfungskette

Damit der Schaltschrankbauer seinen gesamten Engineering-Prozess von der Elektroplanung bis zur Inbetriebnahme effizient gestalten kann, müssen alle Prozesse entlang der Wertschöpfungskette mit konsistenten Daten arbeiten – so wie es die Unternehmen der Friedhelm Loh Gruppe – sprich Eplan, Cideon, Rittal und Kiesling Maschinentechnik – bei ihren Systemen und Lösungen bereits realisiert haben.

Die Durchgängigkeit der Daten, die zu Beginn des Engineering-Prozesses in der Planung beispielsweise mit Eplan Electric erzeugt werden, ermöglicht Effizienzsteigerungen an verschiedenen Stellen innerhalb des Schaltanlagenbaus. Dies bezieht sich nicht nur auf die technischen Prozessschritte, sondern auch auf die betriebswirtschaftlichen Abläufe. So werden die Daten aus der Elektroplanung zum Beispiel dazu verwendet, um den Bestellprozess der notwendigen Komponenten und die kaufmännische Abwicklung zu steuern. Wichtig sind die Daten dann natürlich auch während der anschließenden Fertigung sowie bei der Inbetriebnahme und für die Dokumentation.

Zu den Aufgaben, die bereits seit Jahren von automatisierten Maschinen übernommen werden, gehört die Metallbearbeitung: Bohren von Löchern, Schneiden von Gewinden und Fräsen von Durchbrüchen sind die häufigsten Arbeitsschritte. Mit einem Bearbeitungszentrum der Perforex-Serie von Kiesling Maschinentechnik, die für alle im Schaltanlagenbau üblichen Materialien wie Stahl, Edelstahl, Aluminium, Kupfer und auch Kunststoff geeignet ist, lässt sich bereits heute gegenüber der manuellen Bearbeitung bis zu 85 % Zeit einsparen. Daneben profitiert der Anwender auch von einer verbesserten Präzision. Für die Programmierung der Bearbeitungszentren lassen sich die Daten aus der Elektroplanung mit Eplan nahtlos übernehmen.

Ein weiterer Arbeitsschritt, für den seit kurzer Zeit eine Automatisierungsmöglichkeit besteht, ist die Bestückung von Hutschienen mit Reihenklemmen. Diese werden auf DIN-Hutschienen montiert, indem sie aufgesetzt und dann eingerastet werden. Kernstück des dafür eingesetzten Klemmenbestückungsautomaten „Athex“ ist ein Bestückungsarm, der die passende Klemme aus einem Magazin entnimmt und sie an der richtigen Stelle auf die Hutschiene aufrastet. In der Grundausstattung hat der Bestückungsautomat zehn Klemmenmagazine, die sich mit unterschiedlichen Klemmen füllen lassen. Dabei sind die Magazine für alle gängigen Klemmen der verschiedenen Hersteller geeignet und auch der Athex kann auf die Daten aus der Elektroplanung zurückgreifen.

Nicht zuletzt verhindern automatisierte Lösungen wirkungsvoll Fehler und tragen so zur hohen Qualität der Schaltanlagen bei.