Fertigungssteuerung und Qualitätssicherung mit PAC

Author(s):
Dipl.-Ing. René Helbig - AMC - Analytik & Messtechnik GmbH
Dipl.-Ing. Nicole Kretzschmar - AMC - Analytik & Messtechnik GmbH
Dipl.-Ing. Udo Michaelis - PUReM Abgassysteme GmbH & Co. KG

Industry:
ATE/Instrumentation, Industrial Controls/ Devices/ Systems, Automotive

Products:
Digital I/O, LabVIEW, DIAdem

The Challenge:
Entwicklung eines Gesamtsystems zur Optimierung der Prozesseffektivität in Vorbereitung auf vollautomatisierte Prozessabläufe einer sog. digitalen Fabrik am Beispiel der Qualitätssicherung von Schweißprozessen.

The Solution:
Die Realisierung des Systems konnte durch den Einsatz von PACs realisiert werden und ist vollständig in die Fertigungsprozessstruktur integriert. Alle Prozessabläufe wurden systematisch aufgezeichnet, überwacht und kontrolliert.

Kurzfassung

Die Firma PUREM Abgassysteme GmbH & Co. KG entwickelt, produziert und vertreibt innovative Abgasnachbehandlungssysteme für Dieselmotoren, wie Denoxierungssysteme zur Stickoxidreduktion (SCR - Selective Catalytic Reduction), Partikelfilter mit verschiedenen Regenerationsverfahren, und kombinierte Systeme für gleichzeitige Partikelfiltration und Denoxierung. Das Haupteinsatzgebiet liegt derzeit im Nutzfahrzeugbereich. Die derzeit gültigen Euro 4 Emissionsgrenzwerte werden von den   Nutzfahrzeugherstellern verbreitet durch Einsatz der SCR-Technologie erfüllt. Die Nachfrage ist entsprechend hoch. Diese Technologie bietet einen wichtigen Wachstumsmarkt, da die SCR Technologie auch zur Erfüllung zukünftiger Emissionsgrenzwertstufen  eingesetzt wird. Nach einer Pilotfertigung wurde 2005/2006 zur Serienproduktion übergegangen. Bild 1 zeigt ein solches neues Katalysatorgehäuse.

In der Fertigung dieser Anlagen aus Edelstahl müssen Schweißnähte gasdicht ausgeführt werden, was eine hohe und gleich bleibende Qualität der Schweißprozesse erfordert. In verschiedenen Stationen werden aus vorgefertigten Einzelbauteilen Katalysatorgehäuse für die SCR-Systeme geschweißt. Während der Bearbeitung sollen wichtige Prozessparameter erfasst und zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung gestellt werden. Gleichzeitig soll an den Anlagen durch Optimierung der Bearbeitungsprozesse die Fertigungseffektivität erhöht werden. Das Gesamtsystem soll durch den hohen Integrationsgrad in die Fertigungsprozesse einen wichtigen Beitrag zum Übergang zur so genannten digitalen Fabrik leisten. Dabei werden Routineaufgaben von der Software übernommen. Das System integriert eine fortschrittliche Prozessdatenerfassung mit dem Ziel einer prozessgerechten Fertigungsplanung, eine leichte Bedienbarkeit an den Anlagen sowie umfassende Datenspeicherung mit dem Ziel einer qualitätsbezogenen lückenlosen Rückverfolgbarkeit der produzierten Bauteile im Sinne einer Qualitätssicherung nach DIN ISO-Standard.

Einleitung

Das Ziel des Projektes bestand darin, während und nach der Fertigung alle wichtigen Informationen (z.B. Bearbeitungsstatus, Bearbeitungszeit sowie Schweißparameter und Schweißergebnis) für jede gefertigte Baugruppe eindeutig zu identifizieren. Während des Schweißprozesses sollen in den Fertigungsstationen Schweißparameter zur Dokumentation und Kontrolle der Qualität der Schweißnähte aufgezeichnet und auf Abweichungen überwacht werden. Bei Über- bzw. Unterschreitung soll ein IO/NIO - Signal mit Fehlerursache, d.h einer grafischen Anzeige der fehlerhaften Schweißnaht, erzeugt werden.

Diese Prüfergebnisse sollen bei der nachfolgenden Dichtheitsprüfung bei Bedarf wieder zur Verfügung gestellt werden, um an den Handarbeitsplätzen gezielt Nacharbeiten an den Bauteilen zur Beseitigung von Leckagen durchzuführen. Außerdem sind noch die Prüfergebnisse der Laservermessung der Bauteile zu erfassen und mit den Ergebnissen der vorherigen Prüfungen zusammenzuführen.

Prozessdatenerfassungseinheit (PDE)

Das Projekt wurde mit netzwerkfähigen, kompakten und robusten Automations-Controllern PAC (Programmable Automation Controller) an jeder der Fertigungs-, Leckageprüf- und Handarbeitsstationen als Prozessdatenerfassungseinheit (PDE) realisiert. Der Einsatz der PAC ermöglichte eine komplette Systemlösung für ein Fertigungsleitsystem, das fest in die Anlagentechnik sowie in die Qualitätssicherung des Werkes integriert ist und eine komplette Rückverfolgbarkeit in der Produktion erlaubt. Dabei werden Robustheit und Zuverlässigkeit der Systeme mit weit reichender Funktionalität der installierten Software verbunden und damit eine neue Qualität gegenüber bisherigen SPS - bzw. PC - basierten Lösungen erreicht.

Das Projekt wurde mit PAC (Programmable Automation Controller) an jeder der Fertigungs-, Leckageprüf- und Handarbeitsstationen realisiert, die alle Prozesswerte von den Stromquellen der Schweißroboter und den Steuerungen der Schweißportale über Profibus erfassen und verarbeiten sowie den Handlingablauf mit den Bauteilen steuern. Dabei dienen die Operator Panels der Portale als Bedieneinheiten. Für die Ein- und Ausgabe weiterer Fertigungsdaten wurde Barcode- und DataMatrix - Scanner, Ritzpräger sowie Prüfgeräte für Leckagen an die PAC angebunden.

Eine einheitliche Software-Architektur auf der Basis von LabVIEW 7.1 und LabVIEW DSC für die PACs erlaubt eine flexible Einsetzbarkeit der PAC-Module an allen Stationen. Dabei konfigurieren sich die Module entsprechend des jeweiligen Fertigungsschrittes und der jeweiligen Fertigungsstation automatisch. Es wird dabei ein kontinuierlicher Datenfluss zu übergeordneten Datenbanksystemen gewährleistet. Somit kann auf den Anlagen mit den aktuellsten Stammdaten gearbeitet werden. Umgekehrt erfolgt eine zeitnahe Rückmeldung an das übergeordnete System zum Zweck einer effizienten Fertigungssteuerung.

Die Hauptaufgaben des PDE in diesem System sind:

• Kommunikation mit einer Siemens-SPS S7-317 in der Anlage zur Steuerung der Visualisierung der Bauteildaten und Prozesszustände über einen Hilscher-OPC-Server
• Kommunikation mit den FRONIUS Schweißstromquellen über einen FRONIUS-OPC-Server zur Erfassung der Schweißdaten
• Erfassung und Bewertung der Schweißparameter und Erzeugung von bauteil- und stationsbezogenen Dateien
• an den Handarbeits- und Leckageprüfplätzen - Visualisierung der Bauteil-Schweißfehler zur Arbeitserleichterung für die Werker
• Kommunikation mit einem zentralen Datenserver

Als Dateiformat wurde zunächst das DIAdem-kompatible strukturierte TDM-Format zur Übertragung der Schweißdaten auf den Datenserver verwendet. Dies erwies sich aber im Laufe der Produktionseinführung als nicht ausreichend performant. Aus diesem Grunde wurden die Anlagen auf das neue TDMS-Format umgerüstet. Da dies von LabVIEW 7.1 nicht unterstützt wird, kommt in diesem Falle eine AMC-eigene Softwarekomponente auf Microsoft .NET 2.0 Basis unter Verwendung der TDMS-Features im LabWindows/CVI 8.1 zum Einsatz. Damit konnten die doch recht zeitkritischen Anforderungen im Produktionsbetrieb unter realen Bedingungen gut erfüllt werden. Es ist damit ein Beispiel plattformübergreifender Softwareentwicklung und der gezielten Nutzung der jeweiligen technologischen Vorteile.

Die entstehenden Dateien werden von einem Datentransferdienst auf den zentralen Datenserver übertragen und stehen für erweiterte Auswertungen und Recherchen zur Verfügung. Anhand der aufgezeichneten Daten kann der Schweißprozess künftig optimiert und angepasst werden.

Die Datenauswertung erfolgt mit Hilfe von DIAdem 10.0. Die folgende Abbildung zeigt ein Beispiel für eine solche Auswertung.

Zentraler Datenserver

Integrativer Bestandteil des Systems als Verbindung zur Fertigungsplanung und Betriebsdatenerfassung seitens PUREM bildet ein hochverfügbares Cluster-System auf der Basis des SQL Server 2005. Hierüber erfolgt u.a.:

• der Transport der PUREM-eigenen Stammdaten in das PDE-System
• die Rückmeldung der erfassten Prozessdaten in das Betriebsdatenerfassungssystem zum Zwecke der weiteren Fertigungssteuerung
• die Verwaltung aller Vorgabewerte für die Schweißprozesse
• Generierung der Bauteilseriennummern für jeden Bauteiltyp gesondert für eine lückenlose Rückverfolgbarkeit
• die Archivierung aller gewonnenen Prozessdaten zum Zwecke der Qualitätssicherung und weiteren Auswertung (z.B. mit DIAdem)
• Bereitstellung der Auftragsdaten für die Anlagen

Hierbei kommen neueste Technologien auf Basis Microsoft .NET 2.0 sowie eine AMC-eigene Softwarekomponente für das Lesen der TDMS-Dateien zum Einsatz. Die Einbettung des Gesamtsystems in das Fertigungssteuerungskonzept von PUREM zeigt die folgende Abbildung.

Zusammenfassung

Es wurde ein sehr komplexes System realisiert und vollständig in die Fertigungsprozessstruktur integriert. Im Rahmen des PAC-Konzeptes wurden mit den PAC's Aufgaben realisiert, die über die einer klassischen SPS weit hinausgehen. Die PAC-Einheiten zeichnen sich durch eine hohe Robustheit, kompakten Aufbau und eine hohe Zuverlässigkeit im 24/7-Einsatz unter Produktivbedingungen aus. Durch eine plattformübergreifende Softwarearchitektur konnten die komplexen Anforderungen von PUREM erfüllt werden. Das System leistet einen wichtigen Beitrag zur Dokumentation des hohen Qualitätsstandards bei PUREM sowie zum Übergang zur so genannten Digitalen Fabrik und damit einem effizienten computergestützten Fertigungsprozess.

Author Information:
For more information on this Case Study, contact:
Dipl.-Ing. René Helbig
AMC - Analytik & Messtechnik GmbH
Heinrich-Lorenz-Strasse 55
Chemnitz 09120
Germany
rene.helbig@amc-systeme.de

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