Human Machine Interface
Schlüsseltechnologie für Schließsysteme
Die mechanischen Schließsysteme von Winkhaus entstehen seit 2021 auf einer einzigartigen Anlage. Da die Zylinder in der Regel Unikate sind, war die Automatisierung der Fertigung sehr anspruchsvoll. Für die korrekte Bestückung jedes Zylinders eines Auftrags ist eine nahtlose Verbindung zwischen IT und OT hier besonders wichtig. Die Software für die komplexe Anlage erstellte der Automatisierer AST Automation auf Basis von Inosofts VisiWin.
Das Unternehmen August Winkhaus entwickelt und produziert Fenstertechnik, Türverriegelungen und Systeme für die Zutrittsorganisation, darunter auch mechanische Schließsysteme. Die Produkte werden sowohl in Eigenheimen verbaut als auch in großen Gebäudekomplexen wie Flughäfen, Hotels und Verwaltungsgebäuden. Damit die Zutrittssysteme nachher reibungslos funktionieren, dürfen im Herstellungsprozess keine Fehler passieren.
Automation für schnelle Produktion
Um Ausschuss in der Montage möglichst auszuschließen, die Produktionsqualität und -geschwindigkeit zu erhöhen sowie Just in Time produzieren zu können, gab Winkhaus 2017 eine Anlage zum Codieren von Schließzylindern bei Aumat Maschinenbau in Auftrag. Da die Fertigung nicht ohne manuelle Schritte auskommt und IT und OT bei der Anlage Hand in Hand gehen müssen, holte der Maschinenbauer AST Automation an Bord, ein
Spezialist für Konstruktion, Retrofit und Softwareentwicklung. Die Bestückung von Schließzylindern und ihre Mechanik sind anspruchsvoll. Die meisten Schlösser, die der Hersteller ausliefert, sind Unikate. Daher mussten viele Arbeitsschritte bislang teilautomatisiert erledigt oder verifiziert werden. Eine Fehlbestiftung erforderte eine aufwendige Korrektur des Bestückungsfehlers. Die neue Anlage sollte manuelle Nacharbeiten reduzieren und den Durchsatz in der Produktion erhöhen.Winkhaus wollte den Bestückungsprozess entzerren und die Befüllung der Zylinderschlösser so weit wie möglich automatisieren. Trotzdem war hohe Flexibilität gefragt, um etwa dringende Aufträge priorisieren und Reihenfolgen verändern zu können. Die Herausforderung dabei: Je kleiner die Losgröße, desto komplexer ist die Automatisierung der Produktion.
Vier Maschinen miteinander verbunden
Um alle Anforderungen von Winkhaus zu erfüllen, verteilte der Maschinenbauer den Bestückungsprozess auf vier Einzelmaschinen, die mechanisch über Bandstrecken verbunden sind. Neben einem Füllautomaten und einer Montagestation bilden ein Leer- und ein Vollmagazinspeicher – auch Apothekerschränke genannt – das Herzstück der Anlage: In jedem dieser Speicher stecken 1.600 Rutschen, auf denen je zehn Transportcontainer Platz finden. Der Prozess beginnt beim Füllautomaten. Die Maschine fordert einen Auftrag an und versorgt je zwei leere Transportcontainer aus dem Leermagazinspeicher mit Kern- und Gehäusestiften. Der Füllvorgang kann autark über Nacht laufen. Bestückungsfehler korrigiert die Maschine in dieser Zeit automatisch. Fehler werden dabei zunächst durch eine vollautomatisierte Kameraprüfung der befüllten Behälter erkannt. Diese werden dann ausgeschleust und durch neue, korrigierte und hoch priorisierte Transportcontainer ersetzt. So können die Mitarbeiter am nächsten Morgen direkt mit dem Bestücken der Zylinder starten.
Bis zu 32.000 Container
Die Anlage übergibt die gefüllten Container im Doppelpack und in der richtigen Reihenfolge an den Vollmagazinspeicher, von wo aus sie zum Montageautomaten wandern. Dort wartet bereits ein Mitarbeiter, der Auftragszettel scannt und die zu bestückenden Zylinder einlegt. Die Maschine verheiratet die Stifte mit dem Gehäuse und verschließt die Zylinder dann automatisch – die Endstation für die Transportcontainer wird deshalb auch liebevoll Standesamt genannt. Insgesamt bewegen sich so bis zu 32.000 Transportcontainer in drei verschiedenen Varianten durch die Anlage. Sie können mit bis zu 40 Stiften bestückt werden. Dadurch entsteht in der Fertigung eine hohe Komplexität, die Ordnung und Übersicht erfordert. Bei Großaufträgen, etwa für Verwaltungsgebäude, umfasst ein Auftrag oft Hunderte Schließsysteme – Fehler in der Bestückung würden die rechtzeitige Erfüllung des Auftrags gefährden und wären mit hohen Kosten verbunden. Damit das nicht passiert, müssen etwa die Transportcontainer im Vollmagazinspeicher auftragsbezogen und in der korrekten Reihenfolge in den Rutschen belegt werden. Voraussetzung dafür ist eine lückenlose Datenverfolgung in der Maschine und die reibungslose Kommunikation zwischen den einzelnen Stationen der Anlage. Da zahlreiche mechanische Vorgänge und Datenabfragen parallel ablaufen, bestand die Aufgabe für AST und Aumat darin, eine stabile und sichere Software für die Verbindung zwischen Kundenaufträgen und Herstellung zu schaffen.
Visualisierung sorgt für Überblick
Durch den Einsatz von vier Clients, die auf der HMI-Software VisiWin 7 von Inosoft basieren und die untereinander kommunizieren, schlugen Aumat und AST die Brücke zwischen IT und OT (Information und Operation Technology). Dabei war von Anfang an klar, dass VisiWin das Tool der Wahl ist: „Wir hätten das Projekt mit anderen Softwarelösungen auf dem Markt gar nicht stemmen können“, sagt Daniel Melneczcuk, der bei AST als Softwareentwickler Applikationen mit VisiWin umsetzt. Die VisiWin-Clients ermöglichen in der Bestückungsanlage eine zuverlässige Koordination der Aufträge und Transportcontainer. Dabei behält der Anlagenbetreiber stets den Überblick über laufende Prozesse. Zudem ist für die Visualisierung der Anlage samt Automatisierung und Antriebstechnik sowie die Darstellung von Daten nur ein Human Machine Interface (HMI) erforderlich. Mobile Geräte wie USB-Scanner lassen sich ebenfalls integrieren, was nach Aussage von Melneczcuk ein Alleinstellungsmerkmal sei. Damit lassen sich einzelne Transportcontainer identifizieren. Jeder Container ist mit einem DataMatrix-Code (DMC) versehen. Durch Scannen des Codes erhalten die Mitarbeiter aus der angeschlossenen Datenbank die Rückmeldung, zu welchem Auftrag ein Transportcontainer gehört und wo sein Platz ist.
IT-Ebenen verbinden
In der Anlage arbeiten verschiedene Linear-, Servo- und Drehstrommotoren, steuerseitig sind fast 1.000 digitale Eingänge verbaut. Die anfallenden Daten laufen in einer Datenbank zusammen. De HMI-Software bildet die einheitliche Schnittstelle zwischen der SPS-Hardware, der IT-Welt, den Mobile Devices und dem Bediener. Ob er eine Servoachse fährt oder eine Datenbankabfrage startet – er nutzt dafür dasselbe Interface und bewegt sich ohne Medienbruch zwischen IT und OT hin und her. „Diese Schnittstellenfunktion war für das Projekt sehr wichtig“, betont Melneczcuk. „Die Spezialisten von Aumat und AST sind in erster Linie Maschinenbauer und SPS-Profis, die allerdings nicht auf die Vorteile der IT verzichten konnten. Mit VisiWin war es möglich, beide Bereiche zu verbinden, ohne die ganze Welt um die Maschine herum neu aufbauen zu müssen“, erläutert er.
Fehlerfrei seit Inbetriebnahme
Ende 2021 lieferte Aumat die auf dem Markt einzigartige Anlage zur Zylinderbefüllung aus. Damit ist der Kunde nun in der Lage, fehlerfreie Schließanlagen innerhalb von 48 Stunden zu liefern. Die Konstruktion der Anlage dauerte fast ein Jahr, die Bauzeit betrug zwei Jahre. Von AST sind innerhalb von 1,5 Jahren etwa 2.400 Programmierstunden eingeflossen. Die Herausforderung bestand laut dem AST-Spezialisten vor allem darin, die Datenstrukturen anzupassen. Durch die HMI-Software bzw. Inosoft konnten Melneczcuk und sein Team trotz der Herausforderungen viel Entwicklungsaufwand sparen: „Inosoft hat jahrelange Erfahrung in der Visualisierung, ein offenes und leistungsfähiges Produkt und bereits unzählige Funktionen standardisiert, so dass wir uns auf unsere Expertise und die anlagenspezifischen Herausforderungen konzentrieren konnten. Die äußerst komplexe Anlage für Winkhaus konnten wir deshalb mit nur zwei Softwareentwicklern umsetzen“, schildert er. Die Arbeit hat sich ausgezahlt: „Mit dem Ergebnis ist Winkhaus in der Lage, sich von der Konkurrenz abzuheben. Es gibt kein vergleichbares System in diesem Bereich – nirgendwo. Diese Anlage ist ein echtes Pfund für Winkhaus‘ Marktposition“, sagt Daniel Melneczcuk. Durch die Entzerrung der Prozesse und den Einsatz von zwei Magazinspeichern ist der Schließsystemanbieter in der Produktion flexibler als zuvor. Aufgrund der asynchronen Fertigung kann die Anlage Fehler im laufenden Betrieb beheben und die korrigierten Aufträge mit erhöhter Priorität nach- oder zwischenschieben. Das Konzept ist aufgegangen: „Seit Inbetriebnahme der Anlage vor rund einem Jahr sind keine Nacharbeiten mehr nötig“, berichten die Verantwortlichen bei Winkhaus. „Und wenn, dann kann die Anlage diese eigenständig und voll-automatisiert korrigieren. Auf diese Weise konnten wir Stillstände in der Produktion spürbar reduzieren.“
Fehlerfreie Bestückung
Seitdem die Anlage läuft, gab es keine einzige Fehlbestückung der Zylinder. Das spart Winkhaus nicht nur viel Zeit und Geld, sondern auch deren Kunden. Mehrere Zehntausend Zylinder konnte Winkhaus mit der neuen Anlage bereits fehlerfrei fertigen. Auch die HMI-Software läuft zuverlässig und stabil. Seit Inbetriebnahme der Anlage mussten die Automatisierer von AST nicht eine Zeile Quelltext anpassen. Über die Clients ist die Maschine reibungslos bedienbar. Ein zentraler Monitor, der ebenfalls an das HMI angebunden ist, gibt zudem Auskunft über den Gesamtstatus der Anlage und zeigt, wie viele Transportcontainer in den Maschinen unterwegs sind. Die Clients loggen regelmäßig den Status der Transportcontainer und erkennen eventuell auftretende Unregelmäßigkeiten. Somit ist die neue Anlage mit ihrer HMI-Software bei Winkhaus zu einer wichtigen Säule der Fertigung geworden, buchstäblich zu einer ‚Schlüsseltechnologie‘. Und da sich das HMI-System offen erweitern lässt, ist auch künftig der Weg frei für die Anbindung neuer Technologien und Optimierungen.
