Automatisierung von Maschinen und Anlagenbau im 21. Jahrhundert
Automatisierung und Automatisierungstechnik
Gründe für die Automatisierung von Anlagen und Maschinen
- Erhöhung der Produktivität in der Fertigung
- Erhöhung der Produktqualität
- Qualitätslevel des Produkt wird merklich gesteigert
- Reproduzierbarkeit der Prozesse wird sichergestellt
- Personal wird entlastet oder in der Arbeit unterstützt
- Einsparung von Personalkosten und krankheitsbedingten Ausfällen
- Ausschuss wird massiv reduziert durch konstante Prozesse
- Effizientere Materialflüsse
- Logistik wird durch Kommunikation stark vereinfacht
Haupt- und Kerngebiete der Automatisierungstechnik
Hauptgebiet der Automatisierungstechnik: Hauptsächlich im Maschinenbau und in der Elektrotechnik eingesetzt, beschreibt der Begriff technische Vorgänge in Systemen, Maschinen oder Anlagen.Je höher der Automatisierungsgrad, desto unabhänger ist die Maschine von Eingriffen durch das Personal. Sie ist so gesehen selbstständiger. Die Automatisierung kann einzeln an Stand-Alone Maschinen erfolgen oder mehrere Maschinen zum vernetzten Anlagenverbund vereinen.
Kerngebiet der Automatisierungstechnik: Steuern, Regeln und Überwachen von Prozessen. Das System soll als geschlossener Kreis sich selbst auf störende Einflüsse, wie z.B. äußerliche Einflüsse durch die Umwelt oder Verhältnissen optimieren und eingestellte Parameter halten. Dadurch soll eine möglichst gleichbleibende Qualität sichergestellt werden.
Einzeln oder im Verbund: Die Arbeitsvorgänge können einzeln durch die Verfahrensautomatisierung realisiert, Produktionsprozesse durch Prozessautomatisierung mittels Robotern oder Zuführungen oder komplette Herstellungsverfahren mittels Systemautomatisierung umgesetzt werden.
Entwicklung der Automatisierungstechnik: Bisher war die Automatisierung hauptsächlich auf gleichbleibende und wiederkehrende Produktionsabläufe ausgerichtet, welche möglichst vollständig von Maschinen durchgeführt wurden. Mögliche Ziele waren die Optimierung der Kosten und Erhöhung der Fertigungsmenge je Maschine. Im 21. Jahrhundert wird der Trend, beflügelt durch die Industrie 4.0, dahingehend verändert, dass unterschiedliche Aufgaben und Arbeitsabfolgen an flexiblen Fertigungssystemen möglichst autonom oder Kooperativ mit menschlichen Personal durchgeführt werden. Positive Effekte sind eine Steigerung der Produktivität, Wirtschaftlichkeit sowie Flexibilität in der Produktion.
Die nächsten Schritte zur automatisierten Anlage
Neuanlage oder Modernisierung der Bestehenden?
Zu aller Erst gilt die Frage, ob eine bestehende Anlage oder eine Neuanlage in die Planung einbezogen werden soll. Hier wird meistens ein Dienstleister vom Maschinenbau angefragt. Der Vorteil der "Retrofit" genannten Methode, welche die Erneuerung einer bestehenden Anlage vorsieht, besteht darin, dass wesentliche Komponenten wie die Mechanik oder Pneumatik weiter verwendet werden können. Es werden lediglich die elektrischen Komponenten wie Schaltschrank, SPS, Umrichter, HMI-Display, Motoren und Sensorik erneuert und auf den aktuellen Stand der Technik gebracht. Diese Arbeiten werden im Schaltschrankbau oder beim Dienstleister für Automatisierungstechnik umgesetzt
Eine Neuanlage bedarf einiges mehr an Planungs- und Investitionsaufwand, hat jedoch den Vorteil, dass die Maschine eine Erhöhung der Effizenz in der Produktion durch neueste Technologien sowie eine Verringerung des Ausschusses dank hochpräziser Fertigungsverfahren und Techniken erlangt. Der Maschinenbau und die Fachfirma für Automatisierungstechnik arbeiten eng bei diesem Projekt zusammen. Neue Komponenten wie Gestelle, Pneumatik, Sensorik und Aktorik, Förderbänder, Motoren, komplett montierter Schaltschrank inkl. SPS und Umrichter sowie passende Software werden in der Neuanlage vorgesehen.
Ablauf eines Projektzyklus von A bis Z im einzelnen beschrieben
Ist die Entscheidung auf die vorherige Frage gefallen, geht es an die Planung der weiteren Schritte.
Eine Aufzählung der Schritte im Einzelnen:
- Projektierung der Anlage sowie Erstellung einer Risikobeurteilung nach Grundnorm DIN EN ISO 12100:20210 (Sicherheit von Maschinen)
- Elektroplanung des Schaltplans mit Hilfe eines geeigneten CAD Zeichenprogramms, wie Eplan P8 für den neuen Schaltschrank
- Softwareplanung der SPS Steuerung. Hier gibt es die gängigsten Varianten mit Siemens TIA oder Beckhoff TWINCAT zur Automatisierungstechnik
- Ausarbeitung eines Visualisierungskonzept und Umsetzung mit Hilfe von Programmen wie SIEMENS TIA oder Beckhoff für die Neuanlage oder Modernisierung
- Eine komplexe Anlage nutzt heutzutage Robotertechnik von ABB, FANUC oder KUKA
- Umrichter von Siemens, SEW, Lenze, KEB oder FESTO werden für die effiziente Steuerung von Synchron- oder Asynchronmotoren verwendet
- Auslegung des Schaltschrank und der elektrischen Komponenten nach aktuellen Normen und Sicherheitsaspekten, inkl. Risikobeurteilung
- Montage des Schaltschrank bei einem Fachbetrieb für Automatisierungstechnik oder dem Maschinenbau - Partner
- Interne Inbetriebnahme der Komponenten und Parametrierung der Industrie - Komponenten
- Lieferung des Schaltschrank sowie der Komponenten zum Kunden
- Verkabelung und Trassenbau vor Ort, bei Neuanlage inkl. geplanter Kabel
- Verdrahtung der Kabel im Schaltschrank
- E/A Check durch Inbetriebnehmer
- Inbetriebnahme der Anlagenteile
- Test der Automatik durch sichere Geschwindigkeiten
- Produktionstest mit echten Material
- Geschwindigkeitsanpassung und Optimierung der Verfahrwege
- Automatik in Produktionsgeschrindigkeit
- Abnahme beim Kunden vor Ort
- Service und Wartung durch das Maschinenbau - Unternehmen
Risikobeurteilung der Anlage nach Grundnorm DIN EN ISO 12100:20210 (Sicherheit von Maschinen) erstellen
Die Risikobeurteilung wird mittels der nachfolgenden fünf Schritte durchgeführt
- Bestimmung der Grenzen der Anlage
- Erkennen und identifizieren der Risiken und Gefährdungen
- Risikoabschätzung
- Risikobewertung
- Risikominderung durch:
- sichere Konstruktion
- technische Schutzmaßnahmen
- Einbeziehung ergänzender Schutzmaßnahmen
- Benutzerinformation
Industrie 4.0 - Was steckt dahinter und welcher Vorteil ergibt sich aus diesem Begriff?
Was bedeutet der Begriff Industrie 4.0?
Industrie 4.0 dient als Begriff für eine höchst intelligente Vernetzung von Anlagen und Maschinen, welche in der Industrie eingesetzt werden. Das Hauptaugenmerkt liegt auf der Kommunikations- und Informationstechnologie. Kerntechnologien sind die Digitalisierung der Industrie mit Hilfe von Internet-of-things, Maschine zu Maschine Kommunikation, Vernetzung der Produktionsstandorte sowie selbstständig ablaufende Prozesse, ohne Bedienereingriff.
Vorteile durch den Einsatz intelligenter Technik in der Prozessautomatisierung
- Optimierte Abläufe in der Logistik: Durch planbare Abläufe in der Lieferkette durch die Kommunikation der Unternehmen untereinander werden die einzelnen Schritte mithilfe von künstlicher KI optimal aufeinander abgestimmt und die Logistik dadurch effizenter gestaltet.
- Flexible Produktion: Die Herstellung des Produkts kann an vielen Orten parallel erfolgen und schnell aufeinander abgestimmt werden. Durch die Vernetzung ist z.B. zwischen Schaltschrankbau und Maschinenbau können die einzelnen Komponenten automatisiert eingeplant und verarbeitet werden.
- Optimal abgestimmte Prozesse: Durch die optimalen Prozesse in der Automatisierung kann ein erheblicher Teil der Instandhaltung im voraus geplant werden. Dadurch verringert sich die Standzeit der Anlage um ein Vielfaches.
- Datenanalyse: Durch die intelligente Funktionsweise der Automatisierung und Prozesse werden die wichtigen Daten der Anlagenteile untereinander gesammelt und der Zustand analysiert. Hierdurch entsteht mit der vorrausschauenden Wartung ein unschlagbarer Vorteil in der Produktion und Auslastung der Anlagen.
- Weniger Ausschuss: Durch die datengestützte Produktion wird der gesamte Lebenszyklus des Produkts betrachtet. Bei der Planung und Optimierung des Produktes durch die Hardwareplaner kann somit die erlangte Erfahrung im Produktionsprozess verwendet werden.
Digitaler Zwilling ermöglicht einfachere Prozesse in der Industrie
Kernthema des Begriffs Digitaler Zwilling ist die digitale Nachbildung von Anlagenteilen, Anlagen, Maschinen, Fabriken oder Logistikketten. Es werden reale Prozesse in virtuellen Kopien nachgebildet und somit kann ohne merklichen Zeitversatz die laufenden Prozesse erfasst, visualisiert und analysiert werden. Unabhängig davon, ob es eine Neuanlage oder eine Modernisierte ist. Als nicht unbedeutender Vorteil ist darüber hinaus das Simulieren von verschiedenen Prozessen und Veränderungen ohne Einwirkung auf die realen Abläufe möglich. Somit können Optimierungen schneller erfolgen und mögliche Fehler im Prozess gefunden werden.
Autor: Alexander Reuter
Nachweise:
https://de.wikipedia.org/wiki/Automatisierung
https://de.wikipedia.org/wiki/Risikobeurteilung
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