Für ein Projekt eines amerikanischen Unternehmens erstellte die Firma Roth die Software und Schaltschränke für die Produktionsanlage von Eisenbahnachsen auf Basis ihres Process Control Systems (RPCS). Neben der Anlagenvisualisierung integriert die modulare Software-Plattform die für solche Projekte notwendigen MES-Funktionen wie MDE/BDE, Teileverfolgung (Tracking) und -rückverfolgung (Tracing), Verfügbarkeitsanalyse sowie Fehleranzeige und Diagnosemöglichkeiten. Die Anlage besteht aus den Bereichen Rohmaterialhandling, Schmiede, Säge, Kühlen, Achsenbearbeitung sowie dem Lager und der Verladezone. Jeder Anlagenteil verfügt über eine CNC-Steuerung der Firma Siemens sowie einen Industrie- PC mit Touchpanel zur Bedienung des Teilabschnitts und Bereitstellung der Daten für die jeweiligen RPCS-Server. Den Anlagenteilen überlagert sind zwei Server für Datenspeicherung, Anlagenvisualisierung, Anzeige und Auswertung der BDE/ MDE-Daten (Betriebs-/Maschinendatenerfassung) sowie die Weitergabe der Daten an die übergeordneten Systeme wie Kundendatenbank und PPS-System. Zudem sind die Lagerwaltung und die Software für das Verlade-Handling auf einem der überlagerten Server installiert.

Mit einer ID fängt alles an

Die umfassende Dokumentation aller Fertigungsschritte beginnt mit dem Rohmaterial- Handling: Über das PPS-System und die RPCS-Server wird dem Lagerarbeiter vorgegeben, welche Rohteile – rund 10 t schwere Stahlstangen – in die Anlage einzuschleusen sind. Das PPS-System generiert dazu entsprechende Auftragsdaten. Während der Einbringung in die Anlage wird die Rohmaterialnummer gescannt, anhand derer alle weiteren Fertigungsdaten (Typ, Profil, Zeichnungsnummer, Anzahl der Sägeschnitte) vom PPS-System zu den jeweiligen Steuerungen der Teilanlagen übertragen werden. Somit wissen alle nachfolgenden Fertigungsstationen, welche Operationen auszuführen sind, wenn das entsprechende Bauteil in den Anlagenteil einläuft.

Über ein Flächenportal erfolgt der Transport zur Säge. Anschließend werden die Teilstücke über Bänder zu einem Roboter befördert, der die etwa 1000 kg schweren Elemente in den Schmiedebereich einschleust. Generell werden dabei immer alle Teile-Daten, wie Typ, ID, Profil und Status, an die PLC-Steuerung des nächsten Bearbeitungsschrittes übergeben. Auf Anfrage können die Steuerungen diese Informationen auch direkt vom PPSSystem erhalten. Gleichzeitig sendet der lokale RPCS-Server eine Nachricht an das Tracking-System des übergeordneten Servers. Damit weiß der Leitrechner immer, wann welches Material gesägt und an die nächste Station übergeben wurde. Nachdem die Teil-Stücke diverse Öfen durchlaufen haben, werden sie zu Achsenrohlingen geschmiedet. Auch diese Station führt anhand der Informationen aus dem PPS-System die jeweiligen Abläufe automatisch aus. Anschließend durchlaufen die immer noch mit rund 800 °C rot glühenden Achsen auf dem Weg zur zweiten Säge- und Auswuchtstation mehrere Abkühlbänder. Jede Achse wird nun mit Hilfe der NC-Steuerung vermessen. Dazu fordert die Steuerung die geometrischen Daten des Achsprofils von der Datenbank des lokalen Servers an. Über das NC-gesteuerte Handling- System wird die Achse an einem Sensor vorbeigefahren, der die geometrischen Hoch- und Tiefpunkte der Achse misst und die Wegpositionen speichert. Daraus berechnet die NC-Steuerung die exakten Sägekoordinaten und überträgt sie über Profinet zur Säge, die das überschüssige Material abschneidet.

An diesem Produktionsschritt hat die BDE-Komponente eine entscheidende Bedeutung: Bei einer Störung der Säge ist sicherzustellen, dass die Öfen keine weiteren Achsen aufnehmen. Diese würden durch den Produktionsstau ausglühen und wären nur noch Schrott. Um das zu verhindert, setzt das BDE-Modul bei einer Störung eine hochpriorisierte Meldung ab. Nach dem Sägen kommen die Achsen, sofern sie den Status „OK“ von der Richtpresse haben, in einen Abkühlspeicher, um von 650 °C auf etwa 30 °C abzukühlen. In der nachfolgenden Bearbeitungslinie werden die Rohachsen in mehreren Produktionsschritten fertig gedreht und mit drei verschiedenen Messverfahren geprüft. Fällt auch nur eine Messung negativ aus, wird die Achse auf ein separates Transportband ausgeschleust. Dort können die Experten an einem separaten PC anhand der Messdiagramme und Ultraschallbilder den Fehler identifizieren und entscheiden, ob die Achse nachgebessert werden kann. Sind alle Prüfungen bestanden, werden die Achsen mit eindeutigen Seriennummern gekennzeichnet und im Lager abgelegt. Die Prüfergebnisse (Diagramme, Kurven und Bilder) werden von den Messrechnern direkt an die Datenbank gesendet und nicht auf der Steuerungsebene weitergereicht, da die Informationsflut zu hoch für den Feldbus wäre.

Lagerverwaltung inklusive

Auch die Verwaltung des Lagers mit Platz für bis zu 1000 Achsen erfolgt über das integrierte MES-Leitsystem. Beim Einlagern einer Achse überträgt die für das Lager zuständige SPS den kompletten Teile- Datensatz an die Lagerverwaltungs-Software. Diese wählt den Lagerplatz aus und übergibt die entsprechenden Koordinaten an die NC-Steuerung des Handling-Systems. Im Verladebereich der Fertigungslinien gibt es vier Verladerampen. Der für die Verladung verantwortliche Mitarbeiter kann über RPCS je Laderampe einen Verladeauftrag generieren. Dazu gibt er die Achsanzahl und den gewünschten Achsen- Typ an. Das Lagerverwaltungs-Modul prüft, ob der Auftrag erfüllt werden kann und zeigt eine entsprechende Meldung an. Das eigentliche Verladen kann nun starten: Vier getrennte CNC-Handling-Systeme transportieren die Eisenbahnachsen auf die Ladefläche. Ist das Verladen abgeschlossen, werden die Auftragsdaten inklusive der Seriennummern aller verladenen Achsen an das PPS-Systems zurück übermittelt.

Auszug aus der Tabelle der Steuerungskomponenten der Anlagenbereiche

Dezentrale Datenhaltung, zentraler Zugriff

Lokal vorgehalten werden die Daten nur so lange, wie sich ein Teil im jeweiligen Bearbeitungsabschnitt befindet. Um einen zu hohen Datenverkehr zwischen Steuerungsund Server-Ebene zu vermeiden, bekommt die übergeordnete RPCS-Datenbank erst am Ende der Bearbeitung sozusagen das Resümee des Lebenslaufs komplett gemeldet. Sämtliche Daten bleiben nach der Bearbeitung in der übergeordneten Datenbank gespeichert, da die Datenhaltung des PPS-Systems damit hoffnungslos überfordert wäre. Reklamiert ein Kunde eine Achse, können die Sachbearbeiter anhand der Auftrags- und Seriennummer eine Abfrage in den RPCS-Datenbanken starten und erhalten als Ergebnis den lückenlosen Lebenslauf des Werkstücks zurück, das heißt, wann und wie lange das Werkstück in welcher Maschine war. Zusätzlich prüft das System im Hintergrund die relevanten BDE-Daten und zeigt die Maschinenzustände an, die während der Produktion des beanstandeten Teils aufgetreten sind. Diese Suche funktioniert auch Rückwärts: Über die BDE-Tabelle lassen sich alle produzierten Teile inklusive Seriennummern ermitteln, die während einer bestimmten Zeitspanne produziert wurden. Dieses Feature ist beispielsweise für Rückruf-Aktionen wichtig.

Bei RPCS gibt es neben den lokalen Daten, die genau einer einzelnen Einheit/ Steuerung zugeordnet sind, auch globale Daten. Diese bilden die Summe aller lokalen Daten ab und werden in einer zentralen Datenbank abgelegt. Dennoch entsteht keine doppelte Datenhaltung: Daten, die in die übergeordnete Datenbank geschoben wurden, werden lokal auf Anlagenebene gelöscht. Das sind zum Beispiel die Tracking-Daten. Lokal gespeichert bleiben unkritische Daten wie die Alarmhistorie oder BDE-Meldungen. Die lokalen Datenbanken lassen sich bei Bedarf wiederum auf mehrere Server verteilen. Der Vorteil: Die Performance des Gesamtleitsystems bleibt von der Steuerungsanzahl unabhängig. Somit werden zeitkritische Prozesse, wie die Erfassung von BDE-Daten, immer zeitnah erledigt. Übergeordnete Funktionen, wie das Anzeigen eines Teile-Lebenslaufs, können ebenfalls ausgeführt werden, wobei die Verarbeitungsgeschwindigkeit mit der Anzahl an Steuerungen steigt. Als Anzeigebeziehungsweise Auswertefunktion beeinflussen diese Anfragen die Datenerfassung und den Schnittstellen-Handshake zu den einzelnen Steuerungen nicht.

Ohne Diagnose keine Performance-Messung

Für alle Einheiten (Maschinen, Lader, Roboter und Transportbänder) werden die aktuellen Zustände (Einheit produziert, Teilemangel und Einheit gestört) in einer zentralen Anlagenübersicht dargestellt. Neben diesen Basis-Zuständen können die Steuerungen weitere Daten an das BDE-Modul übermitteln, beispielsweise Stückzahlen oder Taktzeiten. Insgesamt stehen 32 Byte Daten zur Verfügung; worin je 54 digitale Zustände sowie Analogwerte enthalten sind. Diese Anwenderdaten lassen sich zum einen direkt als aktueller Anlagenzustand anzeigen. Zum anderen kann der Anlagenbediener über frei definierbare Zeitspannen auswerten, welche Signale wie lange und wie oft anstanden. Speziell bei den CNC-Steuerungen von Siemens wertet das Leitsystem auch die Signale der Steuerungs-Nahtstelle zwischen NC und SPS aus. Dazu zählen unter anderem der Betriebszustand der Steuerung, ob ein Programm aktiv ist oder welcher Fehler vorliegt. Steuerungen anderer Hersteller lassen sich über E/A-Handshake, über Datei-Transfers oder Profibus einbinden.

Tracking und Tracing inklusive: Die Fertigungshistorie einer bestimmten Achse oder die produzierten Achsen innerhalb einer Zeitspanne können ermittelt werden.

Für jede Einheit können die aktuell anstehenden Alarme und Meldungen angezeigt werden. Zudem lässt sich die Alarmhistorie über eine Statistikfunktion nach eventuellen Fehlerhäufigkeiten und Stillstandszeiten untersuchen. Diese Statistikfunktion berechnet außerdem für jede Einheit die Verfügbarkeit, Auslastung, Leistung und Qualität – die Voraussetzung für eine Performance-Analyse. Neben den BDE-Daten ist dazu die produzierte Stückzahl der Einheit erforderlich. Jedoch ist damit keine Unterscheidung der verschiedenen Achs-Typen möglich. Um dies auswerten zu können, muss die Schnittstelle zur Steuerung erweitert werden. Nur dann lassen sich bauteilspezifisch die produzierten Stückzahlen sowie die Anzahl von Ausschussteilen übermitteln und vom Leitrechner die Produktionsmengen bestimmen. Um die Leistung der Einheit zu berechnen, müssen zudem die Planbelegungszeit und die Solltaktzeit jedes Werkstücktyps bekannt sein. Beides kann über Setup-Masken im Leitsystem hinterlegt werden, die Planbelegungszeit bei Bedarf auch automatisch aus einem vorhandenen Werkskalender. Für die individuelle Teileverfolgung ist auf den jeweiligen Steuerungen ein Programm einzuspielen und anzupassen.

Für die Übertragung der Teiledaten von der Steuerung zum PC gibt es verschiedene Möglichkeiten: Meistens werden definierte Datenblöcke aus der Steuerung ausgelesen. Sollte dies nicht möglich sein, lassen sich die Teile-Informationen über ASCIIDateien zum Leitrechner übertragen. Jedes Werkstück wird zur Qualitätssicherung durch die komplette Anlage verfolgt. Dazu erhält es vom RPCS eine stets identifizierbare Nummer, die mit der Seriennummer, dem Teilestatus, Maschinennummern und Messergebnissen verknüpft sind. Zusätzlich zu der RPCS-ID kann jedes Werkstück eine kundenspezifische Seriennummer erhalten. Am Ende des Produktions- Zyklus werden die Daten aufbereitet und dem PPS oder ERP-System zurückgemeldet.

Autor: Daniel Ehrhart arbeitet in der Entwicklung und im Vertrieb bei Roth Steuerungstechnik in Billigheim/Sulzbach.