Wenn Industrie 4.0 - dann bitte konsequent. So lässt sich das Credo bei dem mittelständischen Familienunternehmen Günther Spelsberg GmbH Co. KG. in Sachen digitalisierter Fertigung zusammenfassen. Das Unternehmen mit Produktionsstätten im nordrhein-westfälischen Schalksmühle und im thüringschen Buttstädt zählt zu den marktführenden Playern im Bereich der Elektroinstallations- und Gehäusetechnik. Pro Tag stellt das Unternehmen etwa 150.000 Kunststoffgehäuse für die Elektrotechnik und Industrie her.

Sinkende Losgrößen

Doch auch der Mittelständler sah sich schon relativ früh mit einer der Konsequenzen von Digitalisierung und Industrie 4.0 konfrontiert: Seine Kunden, etwa aus dem Maschinenbau, äußerten zunehmend den Wunsch nach individuellen Lösungen. Wünsche, die für Spelsberg gleich mehrere Konsequenzen haben: die Losgrößen sinken, es gibt mehr Auftragswechsel und die Rüstzeiten der Maschinen steigen - oder kurz, der Druck auf die Produktivität steigt.

Eine Herausforderung, die vor allem den Standort Spelsberg betraf, denn im thüringischen Buttstädt erfolgt die Serienproduktion. Um die Rüstzeiten auch bei kleinen Losgrößen zu minimieren, setzte man sich in Spelsberg das Ziel, die Automatisierung in der Fertigung für alle Bereiche voranzutreiben. In einem ersten Schritt sollte das ERP-System so mit den Anlagen kommunizieren, dass sich die Maschinen auftragsspezifisch selbst rüsten, sobald ein Bediener einen Auftrag startet.

Umorientierung beim Relaunch

Die praktische Umsetzung dieser Gedanken stand mit dem Relaunch einer der wichtigsten Produkte des Unternehmens an: Gehäuse für Sicherungsautomaten. Diese neue Linie, die in Buttstädt seriell in wenigen Varianten gefertigt wird, sollte das Pilotprojekt für Industrie 4.0 werden.

Sobald die Automatengehäuse die Endmontage erreichen, übermittelt das ERP-System von Proalpha die Auftragsdaten direkt an die Maschine. Hier prüft eine integrierte Kamera zunächst die Größe des eingelegten Kastens. Entspricht dieser nicht dem aktuellen Auftrag, meldet die Maschine einen Fehler. Stimmt alles, wird eine Rückmeldenummer eingedruckt, um die lückenlose Rückverfolgbarkeit zu gewährleisten. Je nach Kastentyp erfolgt dann der Einbau von Doppelmembranstutzen und die Montage eines Belüftungselements, Dies geschieht an Handarbeitsplätzen. Kurz vor dem Verpacken wird der Inhalt des Zubehörbeutels ergänzt. Die zugehörigen Gehäusedeckel durchlaufen die entsprechenden Arbeitsschritte.

RFID-Chips steuern Produktion

Anfangs setzten die Spelsberger auf RFID-Chips zum Informationsaustausch. Sie wurden auf Gehäusen und Deckeln angebracht. Per RFID-Reader nahmen die Maschinen so die Auftragsdaten entgegen. Auf diese Weise erfuhr etwa die Maschine zur Deckelmontage, wie viele Schrauben sie in welcher Position am Deckel anbringen muss und justierte sich für diese Aufgabe automatisch.

Allerdings klappte das anfangs nicht problemlos, denn die RFID-Reader hatten eine zu große Reichweite. So erfassten sie auch Daten, die nicht für sie bestimmt waren. Dies führte zu den absurdesten Effekten: So startete etwa nicht die Etikettiermaschine per RFID, sondern die Maschine gegenüber begann mit der automatischen Umrüstung. Abhilfe brachte eine Feinjustierung der bei Spelsberg installierten RFID-Reader. Das Konzept des Pilotprojekts in beschränktem, abgeschlossenem Rahmen hatte sich letztlich bewährt.

Welchen Effekt die Automatisierung hat, zeigte sich bereits während des Pilotprojekts: Die Rüstzeiten pro Auftrag konnten auf ein Sechstel reduziert werden - eine Ersparnis von fünf Minuten pro Rüstvorgang beziehungsweise durchschnittlich einer Stunde pro Maschine auf den Tag gerechnet. "In unserem Pilotprojekt entspricht ein Los mindestens einer Palette mit maximal 70 Stück, es finden also nicht allzu viele Auftragswechsel statt", erklärt Karsten Dettmers, IT-Leiter bei Spelsberg. "Anders ist das in Schalksmühle, wo wir teilweise über mehrere Schichten in Losgröße 1 fertigen. Hier wollen wir die RFID-Technologie mit unseren Pilot-Erfahrungen gezielt nutzen", erläutert Dettmers weiter. Dort soll jeder Kasten mit einem Smart Label versehen werden und so weite Teile der Maschine steuern, um den Kasten kundenindividuell zu fertigen. Eine Vorgehensweise, die durchaus Sinn macht, wenn die Produkte in der Montage kontinuierlich wechseln. Auf diese Weise führt jeder einzelne Kasten per RFID-Tag alle Fertigungsinformationen mit sich - also seine Montageanleitung, den Arbeitsplan und die Stückliste."

Einbindung ins LAN

Wurden im Pilotprojekt die Informationen noch auf einen RFID-Tag geschrieben, gibt man in Buttstädt die Daten jetzt direkt via LAN an die Maschine. Damit werden nicht nur Umwege vermieden, sondern bereits bei kleinen Serien ergibt sich eine Zeitersparnis. Noch werden nur die Auftragsdaten per Open Database Connectivity (ODBC) aus dem ERP eingespeist. Allerdings ist ein Ausbau dieser Kommunikation geplant: Dann soll die Maschine dem ERP Rückmeldung geben, in welcher Taktzeit sie einen Auftrag erledigt hat.

Das klingt zwar in der Theorie einfach, doch in der Praxis entpuppte sich die LAN-Anbindung, die bislang nur für die Fernwartung durch den Hersteller genutzt wurde, als Herausforderung. Es war schlicht nicht möglich, die Maschinensteuerung per OPC (Open Platform Communications) oder OPC UA anzusprechen, um Daten vom OPC-Server direkt zu übermitteln. "Der Standard ist bei unseren Maschinenherstellern noch nicht angekommen, da fehlt definitiv noch das Umdenken", bedauert Dettmers. Deshalb erfolgt der Datenaustausch zwischen dem OPC-Server und den Maschinen vorerst mit ASCII-Dateien. Das ist zwar nicht unbedingt elegant, brachte aber die Spelsberger bei ihrem Pilotprojekt schneller ans Ziel.

Zudem ergibt sich bei der LAN-Methode noch ein anderes Problem: Die Kommunikation ist - anders als beim Einsatz von RFID-Tags - zeitgesteuert und nicht eventgesteuert, wie es ideal wäre. Das heißt, eine Routine schaut in definierten Zeitabständen, ob eine Datei verarbeitet werden muss. Dennoch ist der Datenaustausch per OPC noch nicht von der Agenda gestrichen.

Weitere Industrie-4.0-Pläne

Zusätzliche Effizienz soll in Kürze ein Produktkonfigurator bringen. Über ihn können die kundenindividuellen Fertigungsaufträge durch den Vertrieb oder per Webportal durch den Kunden selbst eingetragen werden. Aus der elektronischen Erfassung ergeben sich wiederum neue Möglichkeiten für künftige Industrie-4.0-Projekte: So könnten etwa die CNC-Fräsen, die kundenindividuelle Teile mit speziellen Bohrungen oder Beschriftungen versehen, mittelfristig direkt anhand der Daten gesteuert werden, die der Produktkonfigurator über die CAD-Anbindung erstellt hat.

"Die Erfahrungen, die wir gesammelt haben, sind unbezahlbar. Damit werden wir an neue Industrie-4.0-Projekte viel effektiver herangehen", blickt Dettmers zurück, "Industrie 4.0 ist machbar und hat einen hohen Nutzwert, man muss den Weg nur konsequent gehen." Dementsprechend zieht man bei Spelsberg eine positive Bilanz, denn schon mit dem ersten Projekt wurde eine Stunde Rüstzeit pro Maschine eingespart. Dabei ist das Unternehmen überzeugt, noch mehr Zeit einsparen zu können, wenn mehr Maschinen in das Industrie-4.0 -Szenario eingebaut werden.