Anlagenautomatisierung & Industrie 4.0

ALD ist weltweit als ein führender Hersteller von Maschinen und Anlagen für die Metallurgie und die Wärmebehandlung bekannt. Im gleichen Maße sind wir auch ein Hersteller von Automatisierungstechnik,  denn die in den Maschinen ablaufenden Prozesse sind von einer hohen Komplexität und daher ohne entsprechende Automatisierung nicht denkbar. Gleichzeitig sind unsere Anlagen mit den Prozessen der angrenzenden Systeme zu synchronisieren und Prozessdaten mit Produktionsleitsystemen auszutauschen.

ALD liefert auf die individuellen Kundenbedürfnisse maßgeschneiderte Anlagen, und dies gilt natürlich auch für die Elektronik und die Software. Wir nutzen standardisierte Module, die bei Bedarf um individuelle Lösungen erweitert werden können.

Mit Industrie 4.0 / IIoT ergeben sich ganz neue Prozess- und Betriebskonzepte für unsere Anlagen. Die Maschinen können zunehmend eigene Entscheidungen treffen, das Verhalten der  Maschinenkomponenten überwachen und Empfehlungen zum rechtzeitigen Austausch von Verschleißteilen machen (predictive maintenance). Der Bediener kann per App bzw. Web-Client Informationen über den Maschinenzustand, die laufende Produktion und die Wartung am Desktop, auf dem Tablet oder Smartphone abfragen. Gleichzeitig kommuniziert die SPS bidirektional mit dem Prozessleit- und dem ERP-System. Dies sind nur einige von zahlreichen Neuentwicklungen, und wir haben auch für die Zukunft noch viele Ideen.

Für unsere Maschinen und Dienstleistungen verwenden wir zahlreichen Technologien, Programmiersprachen und Anwendungen:

  • Die Anlagensteuerungen realisieren wird u.a. mit SPS-Systemen von Siemens (SIMATIC S7), Allen-Bradley und anderen Herstellern. Im SIMATIC-Ökosystem programmieren wir mit TIA Portal und die Bedienoberflächen mit WinCC und WinUX. Wir nutzen Feldbussysteme wie Profinet und DeviceNet, und als industrielles M2M-Kommunikationsprotokoll wird häufig OPC-UA eingesetzt.
  • Im Bereich der PC- und Serverprogrammierung arbeiten wir mit C++ und C#, und für die Datenspeicherung setzen wir SQL-Datenbanken und XML ein. Die Web-Clients und Apps für Smartphones, Tablets und PCs realisieren wir u.a. mit HTML, CSS, JavaScript, Angular und Python.
  • Zukunftsthemen wie der Einsatz von Künstlicher Intelligenz (KI / AI, Deep Learning) beschäftigen uns in Anwendungen wie z.B. der Predictiv Maintenance: die automatische Erkennung aufkommender Schäden an Komponenten (z.B. Kugellagern) anhand von sich verändernden Sensormesswerten inkl. der Prognose über die verbleibende Restlaufzeit.

Dieses breite Spektrum an Elektroengineering, Programmierung und Automatisierungstechnik wird bei der ALD durch Experten mit langjähriger Erfahrung abgedeckt. Die Projekte sind geprägt durch die enge Zusammenarbeit verschiedener Abteilungen mit Elektroingenieuren, Informatikern, Maschinenbauingenieuren, Physikern, Metallurgen und anderen Ingenieursberufen. Bei Entwicklungsprojekten arbeiten wir mit Universitäten, Forschungsinstituten und Lieferanten eng zusammen. Kundenprojekte mit teils sehr individuellen Anforderungen an die Automatisierung sind durch eine intensive Kooperation mit den Projektteams der Kunden geprägt.

Praxisbeispiele:

Praxisbeispiel: Smart Product TrackingRoboter zum Beladen einer Wärmebehandlungsanlage mit Zahnrädern, mit QR-Code-Scanner

Die lückenlose Rückverfolgbarkeit (englisch traceability) eines Bauteils mit allen relevanten Herstellungsdaten wird zunehmend eingefordert. Im Produktionsprozess lässt sich damit für jedes Bauteil eine individuelle Entscheidung über die Qualität und ggf. die Aussonderung treffen. Und über die Gesamtlebensdauer kann bei einer evtl. Rückrufaktion gezielt nach kritischen Bauteilen gesucht werden. Dazu wird in einem frühen Produktionsschritt an jedem Bauteil eine eindeutige Bauteil-ID mittels Laser als QR-Code dauerhaft eingebrannt.

Am Beispiel eines Zahnrads für ein PKW-Schaltgetriebe bedeutet dies die Datenerfassung beginnend ab der spanenden Fertigung, über die Wärmebehandlung bis zur Hartbearbeitung und allen nachfolgenden Fertigungsschritten inkl. der Montage im Auto.

Für den Prozessschritt der Wärmebehandlung (Härten und Anlassen) werden die Zahnräder in Boxen angeliefert. Zunächst muss die exakte Lage eines jeden Bauteils per Laserscanner erfasst und dieses danach von einem Roboter gegriffen werden. Anschließend wird der QR-Code bzw. die Bauteil-ID per Scanner gelesen und das Teil auf einem Bauteileträger (Tray) abgelegt. Die Position auf dem Tray hat unter Umständen einen Einfluss auf die erzielte Härte, ist deshalb für die Qualität von Relevanz und wird folglich im Bauteil-Datensatz archiviert.

Mit jedem Tray bzw. jeder Charge werden weitere Prozessdaten wie Prozesszeiten, Temperatur- und Druckverlauf aufgezeichnet. Auch wird durch den Roboter eine Probescheibe der Charge beigelegt und diese vor und nach der Wärmebehandlung untersucht. So lässt sich über die Gewichtszunahme die Aufnahme von Kohlenstoff durch den Stahl erkennen und die erzielte Oberflächenhärte abschätzen.

Hard- und Software – Beispiel für eine Implementierung:

  • OPC Unified Architecture (OPC UA) als M2M-Kommunikationsprotokoll für den Datentransfer zwischen den Anlagen und dem I4.0 Plattform-PC
  • spezifische Programme in C++ für den I4.0 Plattform-PC u.a. für den Datentransfer mit einer servergestützten SQL-Datenbank
  • Frontend-Client (HMI) in HTML5, JavaScript und CSS
  • Endgerät für die Datenanzeige: PC, Tablet, Smartphone oder Datenbrille

Praxisbeispiel: flexibles Materialflußmanagement

Die ALD Wärmebehandlungssysteme werden u.a. von Automobilherstellern zum Einsatzhärten von Getriebebauteilen verwendet. Ein typisches System besteht aus Anlagen zum Vorreinigen, Einsatzhärten, Anlassen und Kühlen, Pufferspeicherplätzen sowie Fördersystemen zum automatischen Transport der Bauteile auf speziellen Werkstückträgern. Das modulare Anlagenkonzept ermöglicht eine individuelle Anordnung der Maschinen und unterschiedliche Materialflußstrategien.

Die Anlagensteuerung wird aus modularen Hard- und Softwarekomponenten aufgebaut. Über Schnittstellen werden Maschinen von Drittherstellern angesprochen. Das Gesamtsystem umfaßt u.a. eine umfangreiche Bedienoberfläche (HMI), Rezeptverwaltung, Logistikplanung, Chargenverfolgung, Prozessüberwachung und Datenprotokollierung. Die Gesamtlösung basiert auf Siemens S7 / TIA Portal, C# und einer SQL Datenbank.