Flexibel angemischt

Dietmar Kirschen

Ein strenges Kostenmanagement und effektive Produktionsstrukturen sind Wettbewerbsfaktoren, die für jedes Unternehmen gelten. Die CB Chemie- und Biotechnologie GmbH unterwarf 2009 mit Hilfe des Pius-Checks der Effizienz-Agentur Nordrhein-Westfalen und in Zusammenarbeit mit dem Heinz Nixdorf Institut der Uni Paderborn ihre Produktionsabläufe einer genauen Prüfung. Das 1985 gegründete Unternehmen entwickelt, produziert und vertreibt chemo-technische Spezialprodukte wie Oberflächenbehandlungs- und Reinigungsmittel für Industrie, Handwerk und Handel. CB Chemie beschäftigt über 60 Mitarbeiter und unterhält neben dem Stammsitz in Gütersloh auch Niederlassungen in Österreich und der Schweiz und Produktionsstandorte in Montreal und Sao Paulo.

Die Untersuchung der Gütersloher Produktion ergab, dass die gewachsenen Strukturen und Abläufe, die Lagerhaltung und die manuelle Abfüllung dem gestiegenen Auftragsvolumen des Unternehmens angepasst werden mussten. In dieses Projekt, das sich über einen Zeitraum von mehreren Monaten erstreckte, wurde die Firma Junger aus Gütersloh als Partner im Bereich der Automatisierungstechnik eingebunden.

In einem ersten Schritt erweiterte CB Chemie durch den Einsatz von zwei zusätzlichen Mischanlagen sein Produktionsvolumen von 5000 auf 25 000 l. Gleichzeitig wurde die Zahl der an die Mischbehälter angebundenen Rohstoffbehälter aufgestockt. Dadurch können nun mehr Rohstoffe automatisch verwogen und so die manuellen Zugaben verringert werden. Das bedeutet schnelle und zuverlässige Abläufe in der Produktion und eine Verbesserung des Arbeitsschutzes, da das Anrühren und Abfüllen per Hand entfällt. Durch die Zeitersparnis, die bei der automatisierten Herstellung gewonnen wird, hat CB Chemie jetzt die Möglichkeit, die zehnfache Produktmenge herzustellen. Das Rohrleitungssystem wurde so erweitert, dass mit Hilfe von zwischengeschalteten Kupplungs-Verteilerstationen für Schlauchverbindungen eine freie Wahl der Produktwege möglich ist. Die weitere Automatisierung der Verwiege-, Misch- und Förderprozesse fiel in das Ressort der Junger-Ingenieure.

Bei CB Chemie werden flüssige Reinigungs- und Oberflächenbehandlungsmittel in rezepturgesteuerten Verwiege- und Mischprozessen hergestellt und abgefüllt. Jeder Rezepturschritt besteht aus Verwiegephase und Mischphase mit rezepturgesteuerter Einschaltzeit des Rührwerks und gewichtsabhängiger Rührerdrehzahl. In den Rezepten müssen Handzugaben für flüssige und pulverförmige Rohstoffe vorgesehen werden. Hierfür entwickelte Junger Ablaufsteuerungen und Prozessvisualisierungen, die nun in vollautomatischen Verwiege- und Mischprozessen von der Auftragsplanung vorgegebene Produktionsaufträge präzise abarbeiten. Die besondere Herausforderung bestand dabei darin, die Anlagensteuerung so flexibel wie möglich zu gestalten. So lässt sich der Automatikablauf jederzeit unterbrechen, beispielsweise beim Fehlen von Rohstoffen oder beim Auftreten von Störungen oder um handgesteuert zusätzliche Rührphasen einzulegen. Danach kann der Automatik-prozess verlustfrei fortgesetzt werden. Weiterhin können unvollständig bearbeitete Aufträge als Halbfertigprodukte an das ERP-System zurückgemeldet werden, um sie zu einem späteren Zeitpunkt mit einem Ergänzungsauftrag kontrolliert zu Ende zu produzieren. Handzugaben werden durch Editieren des Rezepts im ERP-System in den Automatikablauf eingebunden. In der Betriebsart „Hand“ sind z. B. für Tests auch komplett manuelle Anmischungen ohne Produktionsauftrag möglich.

Zum Datenbanksystem der CB Chemie, der ERP-Branchensoftware Blending von Infor, wurde eine Schnittstelle implementiert, über die rezepturbasierte Produktionsaufträge zu jeder der drei Mischersteuerungen geschickt und die Istwerte der bearbeiteten Aufträge zurückgemeldet werden. Eine sichere Datenkommunikation, die für Qualitätssicherungszwecke verlässliche Rückmeldungen an das ERP-System gibt, ist für die sensiblen, rezepturorientierten Herstellungsprozesse bei CB außerordentlich wichtig.

Es gelang den Junger-Ingenieuren, den Toleranzbereich beim Abwiegen der Rohstoffe zu verringern und damit die Produktgenauigkeit zu erhöhen. Für den Einlaufbereich jedes Rohstoffs in den Mischbehälter können jetzt individuelle Vorabschaltgewichte und Nachtropfzeiten parametriert werden, um unterschiedliche Rohrlängen und -querschnitte sowie unterschiedliche Viskositäten der Rohstoffe auszugleichen. Ebenso flexibel musste die Weiterleitung der Fertigprodukte in alle erforderlichen Richtungen gesteuert werden. So ist die Förderung von den Mischbehältern sowohl zu den Fertigproduktbehältern als auch direkt zu den Abfüllstationen oder, für Konzentrate und andere Vorprodukte, zu einer manuellen Abfüll- und Mischstation für Großgebinde möglich. Hierfür erhielten die Anlagen Verteilerbahnhöfe mit Kamlock-Kupplungen aus Edelstahl, an die die Schlauchverbindungen der Mischbehälter und der Abfüllanlagen angeschlossen werden. Jede Kupplung ist durch mehrere Initiatoren überwacht. Metallnocken auf der Gegenseite ermöglichen eine Codierung, sodass die Pumpen nur bei richtiger Verbindung eingeschaltet werden können. Die Programmierung von Plausibilitätsprüfungen mit Hilfe der in der Steuerung vorhandenen Fertigproduktdaten verhindert das Befüllen falscher Fertigproduktbehälter und verringert so Fehlchargen. Dadurch erhöht sich die Sicherheit im Betrieb und es werden deutliche Rohstoffeinsparungen erzielt.

Das Automatisierungskonzept wurde in enger Zusammenarbeit mit CB Chemie auf die Bedürfnisse der Produktionsprozesse hin entwickelt. Für die drei Mischanlagen sowie für den gemeinsamen Bereich der Rohstoff- und Fertigproduktbehälter kommen jeweils eigene Steuerungen zum Einsatz, damit beim Ausfall eines Mischers der Produktionsablauf nicht unterbrochen wird. Jede Mischanlage hat eine eigene Prozessvisualisierung. Durch die Entscheidung für PC-basierte Steuerungen konnte eine deutliche Kostenersparnis erzielt werden, da je Mischer die Visualisierung und die SPS auf nur einem PC laufen. Eingesetzt wurden modulare Hutschienen-Industrie-PCs der CX-Serie von Beckhoff Automation mit dem Betriebssystem Win-dows XP embedded. Diese sind aufgrund des Fehlens bewegter Teile wie Lüfter oder Festplatten – als Massenspeicher dient eine Compact Flash Card – sehr robust und kompakt. Sie konnten so in die Tragarm-Bedienpanels mit Touchscreen integriert werden, was zudem den Vorteil einer kurzen Videoleitung vom PC zum Monitor hat. Unterbrechungsfreie Stromversorgungen auf 24-V-Ebene ermöglichen das Sichern der Auftragsdaten und des Zustands der Ablaufsteuerungen bei einem Spannungsausfall während der Bearbeitung des Produktionsauftrags.

Der Signalaustausch zwischen jeder der Mischersteuerungen und der gemeinsamen Steuerung der Rohstoff- und Fertigproduktbehälter-Anlage wird über Realtime-Ethernet-Variablen realisiert. Diese Möglichkeit beinhaltet die TwinCAT-Soft-SPS bereits und die Ethernet-Netzwerk-Verkabelung zwischen den Hutschienen-PCs ist wegen der Schnittstelle zum ERP-System sowieso vorhanden.

Die Sensorik und Aktorik der Feldebene wie analoge und digitale Füllstandsensoren, Druckluftüberwachungen, Ventile und Pumpen wurden klassisch über dezentrale Profibus-I/O-Module vernetzt. Ebenfalls Profibus-Teilnehmer sind die Wagencontroller, die die Wägezellen auswerten, auf denen jeder Mischbehälter gelagert ist. Lediglich die sicherheitsrelevanten Überfüll- und Leckage-Sensoren sind über zentrale E/As an die PC-Controller angeschlossen.

Zur automatischen Abfüllanlage besteht ein digitaler Signalaustausch. Sie schaltet die Pumpen der Mischer und der Fertigproduktbehälter und steuert per Sollwert-vorgabe deren Fördermengen im Grob- und im Feinstrom. Bedient wird die Anlage an den Tragarm-Bedienpanels mit Touch-screen-Monitor neben den Mischbehältern. Die wesentlichen Bedienfunktionen: Auftragsübernahme vom ERP-System, Auftrag starten, anhalten, fortsetzen, abbrechen sowie Fertigmelden des bearbeiteten Auftrags an das ERP erfolgen auf einfachen Tastendruck. Dabei erhält der Bediener über jeden Schritt kontextabhängige Hinweise und Rückmeldungen. Auf dem Monitor jeder Mischanlage werden außer dem Mischer selbst auch der gemeinsame Bereich der Rohstoff- und Fertigproduktbehälter mit ihren Füllständen, Betriebszuständen und Störmeldungen sowie die aktuell hergestellte Verbindung zum jeweiligen Fertigproduktbehälter angezeigt.

Online-Info www.cav.de/0610426