ISW-Studie deckt die Zeit- und Kostenfresser auf

320 Seiten umfasst ein Stromlaufplan (SLP) im Durchschnitt. Die Verdrahtungszeit auf SLP-Basis beträgt 54 Stunden – und damit 49 % der gesamten Fertigungszeit. Fast 17 Stunden werden bei durchschnittlich 500 Adern pro Schaltschrank allein für das Lesen der Dokumente aufgewendet. Das sind beispielhafte Erkenntnisse der Studie „Schaltschrankbau 4.0 – Eine Studie über die Automatisierungs- und Digitalisierungspotenziale in der Fertigung von Schaltschränken und Schaltanlagen im klassischen Maschinen- und Anlagenbau“.

Ein vierköpfiges Forscherteam analysierte bei zwölf deutschen Unternehmen zunächst die gängige Praxis im Schaltschrankbau. Um die aktuelle Lage möglichst repräsentativ beschreiben zu können, wurden kleine Maschinen- und Anlagenbauer in der Untersuchung ebenso berücksichtigt wie Großunternehmen. 78 % der Unternehmen produzieren die Schaltschränke selbst. 63 % sprachen von einer großen Teilevielfalt und gaben mehr als 50 % Sonderanteil an. Die Einzel-Ergebnisse der Bestandsaufnahme in den Abteilungen Konstruktion/Engineering und Fertigung/Montage gliedert die teilnehmenden Unternehmen in die drei Fertigungs-Varianten ‚klassisch‘, ‚standardisiert‘ und ‚automatisiert‘.

Einsparpotenziale im Engineering: Produktivität durch Standardisierung

Aus den gesammelten Daten leiten die Wissenschaftler ab, dass Unternehmen, die heute noch projekt- oder aufgabenorientiert arbeiten, allein durch den Umstieg auf funktionsorientiert aufgebaute, modulare Stromlaufpläne bei ihrem Engineeringprozess bereits 45 % der benötigten Zeit einsparen können. Der nächste Schritt, die Einführung von Optionstechniken und Produktkonfiguratoren, weist laut ISW-Studie ebenfalls ein Einsparpotenzial von rund 40 % auf. Für mehr Produktivität müssen die Stromlaufpläne und Konstruktionszeichnungen in modulare und funktionale Einheiten unterteilt werden. Der Vorteil: Diese Einheiten brauchen dann nur einmal konstruiert und geprüft zu werden, um anschließend ohne weitere Kontrollen immer wieder verwendet werden zu können. Hierdurch ließe sich das Engineering beschleunigen und losgelöst von den Betriebsmitteln durchführen. Der Hauptteil der Projekt-bezogenen Planung besteht dann nur noch im Sichten des Auftrags auf Verfügbarkeit der Komponenten und einer kurzen Prüfung der Konstruktionszeichnungen (CAD und CAE).

Als Beispiel für funktionale Einheiten (FE) einer Maschine oder Anlage, die im Schaltschrank abgebildet werden, führt die Studie die Ansteuerung des Kompressors einer Werkzeugaufnahme eines spanenden Bearbeitungszentrums an. Hierfür sind auf der elektrotechnischen Seite Drucksensoren inklusive ihrer I/O-Klemmen, die I/O-Klemmen des Kompressors sowie die Spannungsversorgung notwendig. Diese Funktionseinheit lässt sich einmalig entwerfen, die internen Stromlaufpläne ohne Kommunikation zur FE erstellen und prüfen.

Es liegt auf der Hand, dass die Prüfung dieser Komponente entfällt beziehungsweise auf ein Minimum reduziert werden kann, nämlich auf die Prüfung des Stromlaufplans an der Schnittstelle zur Funktionseinheit.

Mehr in Modulen denken, nicht in Projekten

Die Verdrahtung ist ein kostenintensiver Part im Schaltschrankbau. Werkzeuge wie Eplan Smart Wiring helfen in Verbindung mit einem Tablet vor Ort, die Nebenzeiten zu reduzieren. Eplan

Mehr in Modulen denken, nicht in Projekten

Die Einführung standardisierter Engineering-Ketten bedingt laut ISW-Studie grundsätzlich ein Umdenken von projektorientiertem Arbeiten hin zum Denken in modularen, mechatronischen Einheiten. Dies verlangt wiederum eine andere Ausrichtung der Ausbildung der Konstrukteure.

Insgesamt fällt auf, dass 92 % der Studienteilnehmer immer noch 2D-Systeme im Engineering einsetzen. Generell stellt sich die Frage: „Warum im Engineering noch 2D Konstruktionspläne erzeugen, wenn die Fertigung eines Schaltschrankes ohnehin in drei Dimensionen erfolgt“, so Prof. Dr.-Ing. Alexander Verl, Leiter des Instituts für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen. Diese Dimensionsreduzierung ist eher kontraintuitiv und kontraproduktiv: Bis zu 35 % der Engineeringzeiten und bis zu 22 % der Fertigungszeiten können durch eine konsequente 3D-Planung eingespart werden, da den Konstruktionsplänen blind vertraut werden kann.

Dreidimensionale Konstruktionszeichnungen bieten auch für die Werker in der Fertigung Vorteile. Unerwartete Verzögerungen, ausgelöst durch nachträgliche Anpassungen der Konstruktionspläne, wenn diese nicht auf räumliche Kollisionen geprüft wurden, entfallen. Mit 3D-Konstuktionsplänen ließe sich die automatisierte Fertigung von Schaltschränken oder Montageplatten auf Basis detaillierter CAD-Daten realisieren. Dies würde das Stanzen von Durchbrüchen und Montage von Kabelkanälen wesentlich beschleunigen – bei gleichzeitiger Fehlerreduktion. 55 % der Fertigungszeit ließen sich in der mechanischen Bearbeitung einsparen, wenn digitale Konstruktionszeichnungen zum Beispiel zur Bearbeitung der Montageplatte und der Korpuswände des Schaltschranks genutzt werden. Sollten digitale Schaltschrankmodelle für eine Vorkonfektionierung der Klemmen genutzt werden, fielen sogar 90 % weniger Zeitaufwand bei der elektrischen Bestückung an.

Tablets für der Werkbank, Wire by light?

Angesichts der Tatsache, dass der Stromlaufplan einer Maschine durchschnittlich 320 Seiten umfasst, gewinnt auch die Diskussion über digitale Endgeräte beziegungsweise die digitale Dokumentenmappe an der Werkbank an Fahrt. Die Analyse des Produktionsschritts Verdrahtung zeigt die Notwendigkeit: Die durch-schnittliche Verdrahtungszeit auf Basis des SLP beträgt 54 Stunden. Dabei entfallen allein 31 % der Zeit auf reine Vorbereitungsaufgaben – etwa für das Lesen der Pläne und die Identifikation von Quelle und Ziel der anzuschließenden Ader. Weitere 13 % der Arbeitszeit benötigt das Vorbereiten der Ader (grobes Führen der Adern und Abschätzen deren Länge). Nur 56 % der Arbeitszeit entfallen auf das eigentliche Verdrahten – Ablängen, Abisolieren, Kabelschuh aufbringen, Crimpen, Ader anschließen. Das Einsparungspotenzial ist demnach gewaltig: bei 500 Drähten pro Schaltschrank und einer durchschnittlichen Verdrahtungszeit von 54 Stunden sind das 16,74 Stunden pro Schaltschrank. Laut ISW lassen sich diese Nebenzeiten um rund 80 % reduzieren – beispielsweise durch eine softwaregestützte Lösung, die Quelle und das Ziel einer Ader optisch anzeigt.

Aber warum nicht auch über Lösungen wie ‚Wire by Light‘ nachdenken. In der Warenkommissionierung kommt diese Art der Werkerführung längst zum Einsatz?

Immerhin: 43 % der Studien-Teilnehmer planen in naher Zukunft den Einsatz von Tablets. So ließen sich auch Änderungen schneller integrieren. Ebenso realisierbar wäre eine Überprüfung der mechanischen Bestückung oder Verdrahtung auf Basis eines ‘Digital Twins’ des Schaltschranks.

Produktivitätsfresser Nestfertigung

Die Studie Schaltschrankbau 4.0 befasste sich auch mit Trendfragen wie Outsourcing der Schaltschrankfertigung oder deren innerbetriebliche Organisation (Fließ- oder Nestfertigung). Hier vertreten die Forscher einen klaren Standpunkt: Um bei steigenden Produktionszahlen rationalisieren zu können, muss von der bei 86 % der befragten Unternehmen anzutreffenden Nestfertigung abgesehen werden. Eine Fließfertigung hilft laut ISW weitere knapp 25 % der Zeit einzusparen. Damit sich dieser Schritt rechnet, müssen in der mechanischen Bearbeitung ein hoher Auslastungsgrad der Maschinen erreicht werden. Umkehrschluss: Bei geringen Stückzahlen fährt man mit der Nestfertigung besser.

Thematisiert wird nicht zuletzt der Megatrend vernetzte Produktionsumgebung. Dem stehe eine große Anzahl dezentraler Schaltschränke mit größerer Teilevielfalt und mehr Betriebsmitteln gegenüber. Wird die Vernetzung der Produktion in Zukunft weiter voranschreiten, müssen auch die kleinsten AE-Schaltschränke mit weitaus mehr Logik und Intelligenz ausgestattet werden. Dies führt unweigerlich zu mehr Engineering- und Fertigungsaufwand, welcher sich nur durch Modularisierung reduzieren lässt.

Hannover Messe 2018

Eplan: Halle 6, Stand H30
Rittal: Halle 11, Stand E06

(sk)