Mischen 4.0 in der Praxis angekommen

Von klassisch statisch zu intelligent dynamisch

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Industrie 4.0, die Verschmelzung von IT-Technologien mit Produktionstechnik, hat in der industriellen Mischtechnik Einzug gehalten. Vor dem Hintergrund bisher unvermeidbarer Leerlaufzeiten beim Einsatz von Batchmischern und dem Bestreben, diese auf ein Minimum zu reduzieren und damit die Mischereffizienz zu optimieren, hat die MTI Mischtechnik das Batchmischersystem C tec pro entwickelt.

Die Analyse komplexer Abhängigkeiten innerhalb von Produktionsprozessen und die daraus zu erstellenden Wissens- und Entscheidungsdatenbanken sind die Basis, um die Potenziale einer zukunftsfähigen Mischtechnik zu erkennen und zu erschließen. In diesem Zusammenhang ist die Reduktion von Ausfallzeiten ein zentrales Thema. Beiträge hierzu leisten die Optimierung von Abläufen, aber auch Remote-Services und ein Online-Support, der ohne Reisezeiten helfen kann, Maschinenstillstandzeiten kurz zu halten, dazu eine Online-Betriebsdatenerfassung und die daraus abgeleitete vorausschauende Wartung.

Die Selbstorganisation der Maschinen für ihre jeweilige Aufgabe ist das zweite große Thema. Hierfür gilt es – basierend auf den gesammelten Daten und deren Analyse – Algorithmen zu entwickeln, die Fertigungsprozesse beschreiben und optimieren können. Bis hinunter zur Losgröße 1 lassen sich so die Wirtschaftlichkeit und die Qualität steigern und Durchlaufzeiten reduzieren, und dies weitgehend unabhängig vom immer weniger verfügbaren Fachwissen langjähriger Mitarbeiter.

Beim Herangehen an das Projekt Industrie 4.0 wählte MTI zunächst einen generellen Ansatz. Das Unternehmen ging bewusst den Weg, bestehende Technologien, auch aus anderen Branchen, anders zu kombinieren und daraus neue Produkte zu entwickeln. Das Team definierte immer wieder kleine, erreichbare Ziele und wies deren Erreichbarkeit dann in der Praxis nach. Es nutzte den Werkzeugkasten Industrie 4.0 des VDMA (Leitfaden Industrie – Orientierungshilfe zur Einführung in den Mittelstand) zur Orientierung für diese Zielfestlegungen, beispielsweise hinsichtlich der zu erreichenden Integrationsstufe. Davon abgeleitet wurde dann eine Industrie-4.0-Komponente beschrieben und mithilfe von Rami 4.0 (Referenz-Architekturmodell für Industrie 4.0, industrie40.vdma.org) die Kompatibilität mit anderen Plattformen im Sinne einer einheitlichen Kommunikation aller Komponenten sichergestellt.

Der Mischer als I4.0-Komponente

Jede I4.0-Komponente besteht aus mechanischen und/oder elektrischen Bauteilen mit einem digitalen Zwilling – als virtuelles Abbild der Funktionalität – in der zugehörigen Verwaltungsschale. Unter den Begriff der fachlichen Funktionalitäten fallen dabei die Grenzen der Komponenten, die Software für die Konfiguration sowie die Steuerungsbausteine für eine Integration in höhere Ebenen. Der Ressourcenmanager ist die aktive Schnittstelle zu einer übergeordneten I4.0-Komponente und zugleich die Kapselung der zugehörigen I4.0-Komponente nach außen. Die virtuelle Repräsentation schließt das Manifest ein – die sogenannten Metadaten der Industrie 4.0-Komponente (Hersteller, Seriennummer, Komponententyp etc.) – sowie auch die Möglichkeit, weitere Daten, wie CAD-Daten, Schaltpläne, Handbücher oder auch Wartungshistorien anzubinden, um ein wirklich schlüssiges Gesamtkonzept zu erhalten.

Das Zusammenspiel dieser Grundbausteine ist in Bild 2 am Beispiel einer Heiz-/Kühlmischer-Kombination dargestellt. Die untere Ebene enthält alle Baugruppen eines Vertikal-Schnellmischers in Form aktiver bzw. passiver Komponenten mit den jeweils zugehörigen Verwaltungsschalen. Der Vertikal-Schnellmischer ergibt sich dann in der zweiten Ebene durch Zusammenfassen dieser Komponenten. Auch er erhält eine Verwaltungsschale und wird durch weitere Komponenten ergänzt, etwa eine Aspiration (hier MTI Vent tec 2.0), einen Horizontal-Kühlmischer und die Steuerung. Daraus resultiert letztendlich die Heiz-/Kühlmischer-Kombination, wieder mit Verwaltungsschale, als oberste Ebene eines entsprechenden Systems. Von hier aus erfolgt die Kommunikation mit übergeordneten Leitsystemen.

In der Praxis verbindet MTI die unterschiedlichen Teile über Profinet mit Profisafe. Alle sicherheitsrelevanten und alle Steuerungssignale laufen über eine simple Verdrahtung per RJ45-Kabel zur Minimierung von Fehlerquellen und für eine schnelle und einheitliche Kommunikation. Die Ankopplung an ein übergeordnetes Leitsystem erfolgt über einen PN/PN-Koppler zum Austausch echtzeitkritischer Signale. Zudem sind heute alle MTI-Mischer mit Scalance Routern von Siemens ausgestattet, und ein im Haus installierter Sinema-Remote-Connect-Server ermöglicht den direkten Online-Support. Außerdem enthält jedes System standardmäßig ein GSM-Modem mit handelsüblicher SIM-Karte zur unkomplizierten Kommunikation, wenn kein Zugang zum jeweiligen Firmennetzwerk besteht. Zur Übermittlung nicht echtzeitkritischer Daten verbindet MTI den Opcua-Client der verwendeten Siemens-Komponenten (Bild 3).

Klare Ziele im Vorfeld definiert

Ausgangspunkt der Konzeption des Batchmischersystem C tec pro (Bild 1) war der klassische statische Containermischer, der aus Mischkopf und fahrbarem Container besteht. Eine Bedienperson stellt den Container bereit, verwiegt die Charge hinein, bringt ihn zur Maschine und setzt ihn ein. Sie startet das Mischprogramm und entnimmt danach den Container. Typisch dafür und Basis für die weiteren Ausführungen ist – laut Aussage vieler Kunden – der Ansatz von zwei bis zu drei identischen Chargen, gefolgt von einem Reinigungsgang. Insgesamt erfordert diese Arbeitsfolge dann einen Zeitaufwand von rund einer Stunde, 20 Minuten Zeitaufwand für das Reinigen eingeschlossen.

Üblicherweise verfügen die befragten Betriebe über mehrere unterschiedliche Mischsysteme, z. B. für verschiedene Containergrößen oder unterschiedliche Verfahrensprinzipien, die teilweise auch von mehreren Herstellern stammen. Dies erfordert eine intensive Planung der Produktion, um jeweils den idealen Containermischer für ein Produkt zu wählen. Außerdem führt das manuelle Beschicken der Maschinen zu hohen Stillstandzeiten. Um diese Nachteile zu minimieren, hat MTI für die Entwicklung eines auf die Industrieumgebung 4.0 abgestimmten Chargenmischer-Konzepts klare Ziele definiert:

  • Kein Stillstand während der Reinigung
  • Ein System mit unterschiedlichen Mischwerkzeugen
  • Kapazität von 10 Chargen/h
  • Beliebige Containerdurchmesser und -höhen
  • Containergrößen von 100 bis 650 l, Produktion in Losgröße 1, kein Reinigungsaufwand bei Rezepturwechseln,
  • Eignung für unterschiedlichste Aufgaben vom Schwenkcontainer-Mischprozess bis zur 3-D-Rotationsbewegung

Umsetzung gelungen

Nach einer Konzeptionsphase von rund 24 Monaten startete MTI 2016 den Bau des ersten Prototyps des C-tec-pro-Mischers. Er besteht aus einer Container-Auf- und -Abgabestation und dem Kuka-Industrieroboter Titan, einem 6-Achs-Roboter, mit einer Tonne Traglast (Bild 4), sowie einer Sicherheitszelle, die das komplette System umschließt. Vorne an den Titan angebaut befindet sich ein Mischkopf mit dem Antrieb der Mischerwelle, der eine siebte Roboterachse darstellt. Innerhalb des Mischkopfes ermöglicht optische und taktile Messtechnik das Auffinden des Containers und das Positionieren des Kopfes über den Containern. Greifer verbinden Container und Deckel fest mit dem Mischkopf, denn die Mischdeckel werden lediglich auf die Container aufgelegt. Der C tec pro kann so beliebige Containerdurchmesser und -höhen greifen. Zukünftig wird ein zweiter Industrieroboter die Mischdeckel mit Werkzeug aus einem Lager greifen, auf den Container auflegen, sie nach dem Prozess wieder abnehmen und einer automatischen Deckelreinigungsanlage zuführen. So kann der C tec pro mit wenig Deckeln das ganze Portfolio abdecken.

Hoher Effizienzgewinn

Bild 5 zeigt die Zeitachse des Mischsystems bei Einsatz von zwei Mitarbeitern im Vergleich zum Vorgang bei einem klassischen Containermischer. Da keine Wartezeiten auftreten, startet die Anlage direkt mit einem Mischvorgang. Parallel beginnt ein Mitarbeiter mit der Verwiegung des ersten Containers, wobei, wie bei dem oben beschriebenen statischen Mischer, neun Minuten Handlingzeit angenommen sind. Der Roboter selbst braucht dann ungefähr eine Minute, um einen Container zu greifen und wieder abzusetzen, sodass bei einem fünfminütigen Mischvorgang zzgl. der Handlingzeit zehn Mischvorgänge in einer Stunde erreicht werden. Weil die beiden Mitarbeiter nur je 45 Minuten zur Vorbereitung der insgesamt 10 Container benötigen, bleibt ihnen Zeit für ergänzende Tätigkeiten. Vergleicht man die Leistung des C tec pro mit denen eines statischen Mischers, so bewältigt der Containermischer drei, der C tec pro zehn Chargen pro Stunde. Die Anlagenproduktivität liegt bei 25 gegenüber 83 %. Reinigungszeiten entfallen ganz.

Während Standard-Containermischer nur einen einzigen Containerdurchmesser handeln können, sind beim C tec pro Containerhöhe und -durchmesser frei wählbar, sodass vorhandene Container weiterhin eingesetzt werden können. Darüber hinaus kann er universell jeden Mischprozess in jeder beliebigen – und damit wirtschaftlich optimalen – Konfiguration abdecken.

Und während sich herkömmliche Mischer als manuelle Anlagen zwar vernetzen, nicht aber in den Gesamtprozess integrieren lassen, ist der C tec pro das zentrale Objekt der Gesamtanlage, die zukünftig auch ein komplettes Containerhandling in der Fertigung abdecken wird, mit Überwachung und Ermittlung der optimalen Chargengröße und Kombinationen von Containern. Er lernt im laufenden Prozess und optimiert seine Positioniergenauigkeit, Verfahrwege oder Ähnliches. Zudem lässt er sich für F&E-Aufgaben einsetzen, denn auch Testcontainer mit kleinen Füllmengen lassen sich problemlos in den laufenden Betrieb einsteuern, ohne die Produktivität zu senken. Dabei ist das System permanent online an die Kuka- und MTI-Fernwartungscenter angebunden, sodass im Fall eines Servicebedarfs eine Problemlösung schnell und einfach möglich ist.

Dabei lässt sich der C tec pro deutlich wirtschaftlicher betreiben als ein Standard-Batchmischer. Bezogen auf die Losgröße 1 sinken die Kosten pro Charge im 1-Schicht-Betrieb und mit einem Mitarbeiter (also fünf Chargen/Stunde) von 23,12 auf bis zu 9,42 € (3-Schicht-Betrieb, 2 Mitarbeiter). Demgegenüber ermöglicht der klassische Containermischer bei Losgröße 1 maximal 1,58 Chargen/h (9 min Verwiegezeit, je 2 min für das Einbringen und Herausnehmen des Containers, 5 min Mischvorgang und 20 min Reinigungszeit), wobei die Kosten selbst im 3-Schicht-Betrieb nicht unter 22,40 €/Charge sinken. Je flexibler der Verarbeiter also auf sich ändernden Bedarf reagieren muss, desto größer ist der Leistungsvorsprung des C tec pro.

www.prozesstechnik-online.de

Suchwort: cav0617mti


Autor Christian Honemeyer

Geschäftsführer,MTI Mischtechnik

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