Mechatronisch gesehen

RFID - Änderungen am Prozessablauf sind immer zu erwarten. Ob für Mechanik, für Softwarearchitektur der Steuerungstechnik oder die Kommunikations-Infrastruktur - ein RFID-Identsystem macht flexibel. Das System ist ein Bekenntnis zur Mechatronik.

13. November 2006

Der Automobil-Zulieferer ThyssenKrupp Krause hat im Rahmen eines Projekts für einen großen amerikanischen Automobilhersteller eine flexible Montagelinie für Vierzylinder-Reihen-Dieselmotoren. In Kürze werden in einem Automobilwerk in England rund 400.000 Motoren pro Jahr montiert, und zwar in verschiedenen Varianten. Doch bei zwei Varianten wird es während der Laufzeit der Anlage nicht bleiben - das lehrt die Erfahrung. Bei der Konstruktion der Anlage war die Flexibilität ein wichtiger Punkt, der ganz im Sinne der Mechatronik bereits beim Entwurf der Software-Architektur auf Rang 1 stand. Motorblöcke werden auf standardisierten Werkstückträgern durch die Anlage gefahren, und zwar über Friktionsrollenbahnen. Sie werden so von einer Montagestation zur nächsten transportiert. Sukzessive entsteht aus einem nackten Motorblock ein funktionsfähiger Motor. Verschiedene Anbauteile wie zum Beispiel Zylinderköpfe oder Turbolader werden separat vormontiert. Erst später im Montageprozess werden sie mit dem Motorblock verheiratet. Zwischen Werkstückträger und Motorblock werden so genannte Adapterplatten montiert, die die konstruktiven Eigenheiten der Motoren an die Standard-Werkstückträger anpassen. Sie bilden gewissermaßen die ›Hardware-Schnittstelle‹ zwischen Motorblock und Werkstückträger. Hier kommt das Thema RFID ins Spiel: Sowohl Werkstückträger als auch Adapterplatten sind mit Datenträgern ausgerüstet, den so genannten RFID-Tags.

Die Tags der Werkstückträger speichern eine ganze Reihe von Informationen, die entweder vor Beginn der Montage dort abgelegt werden oder während der Produktion ergänzt werden:

- Eine eindeutige Identifikation, die den Motor als Individuum eindeutig kennzeichnet und so eine Dokumentation des kompletten Montagevorganges ermöglicht.

- Die Motorvariante. In Abhängigkeit dieser Information werden die typspezifischen Montageschritte an den einzelnen Stationen ausgeführt.

- Qualitätsdaten. Nach jedem Montageschritt wird mindestens die Information ›in Ordnung/nicht in Ordnung‹ auf dem Tag abgelegt. Dies dient sowohl der Qualitätssicherung als auch der Dokumentation.

- Anbau-Teile bringen zum Teil zusätzliche Informationen mit. Bei der Montage der Injektoren werden deren Leistungsdaten aus einem 2D-Code gelesen und auf dem Tag des Motors abgelegt.

Motoren, bei denen ein Montageschritt als ›nicht in Ordnung‹ gekennzeichnet wurde, werden auf einer Ausschleus-Spur aus dem Montageprozess genommen. Ein Mitarbeiter kann das RFID-Tag vom Werkstückträger abnehmen und an einem so genannten ›Repair Bay Manager‹ auslesen. Er erhält von diesem die notwendige Information, was genau am Motor zu reparieren ist. Art und Umfang der Reparatur werden auf dem Datenträger vermerkt und gelangen über diesen Weg in die Dokumentation des Motors.

Die Adapterplatten sind mit Telemecanique-RFID-Tags ausgerüstet, auf denen gespeichert wird, wie oft ein Motorblock auf der betreffenden Platte montiert worden ist. Bei diesem Vorgang verschleißen die dazu notwendigen Schrauben, sie müssen nach einer definierten Anzahl von Montagevorgängen ausgetauscht werden.

Kommunikation und Steuerungstechnik

Für die Kommunikation in der Montagelinie werden Ethernet sowie AS-Interface für die E/A eingesetzt. Das lokale, maschinennahe Ethernet verbindet die Steuerungen Telemecanique Modicon Premium mit den RFID-Stationen, Bedienpulten, PCs sowie Kameras zum Lesen von 2D-Codes. Für dieses Netzwerk kommen die integrierten Ethernet-Schnittstellen auf den Prozessoren der Steuerung zum Einsatz. Ein weiteres Ethernet verbindet sämtliche Steuerungen und die übergeordneten Rechner.

Die Möglichkeit der direkten Einbindung der RFID-Stationen in ein Ethernet-Netzwerk ist für die Realisierung des flexiblen Montagesystems ein großes Plus: Nur mit Ethernet lassen sich Knoten leicht einbinden oder verschieben. Änderungen an der Montagelinie lassen sich damit einfach realisieren. Umbauten müssen nicht bis zu den Werksferien warten, sondern lassen sich am Wochenende realisieren - im Sinne der Flexibilität ein großer Vorteil dieser Kommunikationsarchitektur.

Vor dem Einschleusen eines Motorblocks in den Montageprozess müssen die RFID-Tags initialisiert werden. Dabei ist ein spezieller Anwendungsfall realisiert worden: Hier kommuniziert das RFID-System direkt mit einem PC. Bindeglied zwischen der PC-Applikation für die Datenträger-Initialisierung und der verwendeten RFID-Station ist der OPC-Server, über den der Datentransfer abgewickelt wird. Auf der von der ThyssenKrupp Krause GmbH in Bremen realisierten Montagelinie werden Vierzylinder-Dieselmotoren montiert, derzeit in zehn verschiedenen Varianten. Die Anlage kann im Dreischichtbetrieb alle 30 Sekunden einen Motor montieren - das sind im Jahr 350.000 bis 450.000 Motoren. Sämtliche Montagedaten werden gespeichert und können auch später jederzeit abgerufen werden, wichtig bei Rückrufaktionen, sollte sich ein verwendetes Bauteil im Nachhinein als fehlerhaft oder unzuverlässig erweisen. Der Zeitraum und der Bereich der in dieser Zeit produzierten Motornummern lassen sich damit eindeutig identifizieren. Für Identifikation und Speicherung von Produktions- und Qualitätsdaten sowie der Seriennummern von Anbauteilen während der Montage werden etwa 400 RFID-Tags in Blockbauform mit einer Speicherkapazität von 13 KB auf den Werkstückträgern eingesetzt. Die Daten werden an 180 Stationen in der Linie gelesen und geschrieben. Auf den Adapterplatten, den ›Hardware-Schnittstellen‹ zwischen Werkstückträgern und Motorblöcken, kommen ca. 500 RFID-Tags in Scheibenform mit 120 Byte Speicherkapazität zum Einsatz. Auf diesen Datenträgern befindet sich eine Identnummer für die Adapterplatte, außerdem wird hier nachgehalten, wie oft ein Motorblock bereits auf der Platte festgeschraubt worden ist. Nach einer definierten Anzahl von Verschraubungen werden die Schrauben wegen Verschleiß ausgetauscht.

Das Ident-System ›Telemecanique Ositrack‹

Das Ident-System Telemecanique Ositrack basiert auf dem ISO-Standard für RFID-Systeme. Damit lassen sich Objekte im Fertigungsprozess einfach verfolgen. Bei Bedarf können sämtliche Produktionsdaten für jedes einzelne Produkt individuell gesammelt und dokumentiert werden. Die Schreib-/Lesestationen benötigen kein eigenes Programm - jegliche Programmierung der Stationen entfällt. Die übergeordnete Steuerung beschreibt und liest lediglich den entsprechenden Datenbereich der Station, den Datenaustausch zwischen Station und Datenträger übernimmt die Station selbsttätig. Ositrack kann in unterschiedlichsten Netzwerk- und Feldbus-Architekturen eingesetzt werden: Unterstützt werden Modbus, Unitelway und Ethernet TCP/IP. Mit der Ethernet-Anbindung ist Ositrack schnell in webbasierte Automatisierungslösungen integriert. Die Baugröße der Telemecanique-RFID-Erfassungsstationen setzt neue Maßstäbe. Die komplette Einheit aus Antenne, Auswertung und Kommunikation findet in einem Gehäuse von 40 mm x 40 mm x 15 mm Platz. Die Geräte sind damit die kleinsten derzeit am Markt verfügbaren. Für den Anwender erschließen sich neue Möglichkeiten auch dort, wo der RFID-Einsatz bislang an der Baugröße der Geräte scheiterte. Die Leistungsdaten können sich sehen lassen:

- Die Datenübertragung ist mit 1,75 kBit/s sehr schnell.

- Das System lässt sich mit der Schutzart IP 68 und einem Betriebstemperatur-Bereich von -25 °C bis +70 °C in rauher Umgebung betreiben.

Zu den Schreib-/Lesestationen gehören Datenträger für verschiedene Anwendungsfälle.

Olaf Scheuer, Hans Jürgen Templin, ThyssenKrupp Krause

Thomas Hammermeister, Schneider Electric

Erschienen in Ausgabe: 08/2006