In der Welt der Fertigung bilden Formprozesse das Rückgrat der Herstellung einer breiten Produktpalette, von Kunststoffkomponenten in Autos bis hin zu alltäglichen Haushaltsgegenständen. Komplexe mehrstufige Formprozesse stehen jedoch häufig vor Herausforderungen wie geringer Effizienz, inkonsistenter Qualität und hohen Arbeitskosten, wenn sie auf herkömmliche manuelle oder halbautomatische Steuerung angewiesen sind. In dieser Fallstudie wird untersucht, wie ein mittelständisches Kunststoffunternehmen diese Hürden überwunden hat, indem es ein verteiltes SPS-System von Siemens implementiert hat, um seinen mehrstufigen Spritzgussprozess zu automatisieren. Wir werden den Projekthintergrund, das Design der verteilten Siemens-SPS-Lösung, den Implementierungsprozess und die bemerkenswerten erzielten Ergebnisse detailliert beschreiben. In diesem Artikel konzentrieren wir uns auf die Kernrolle der Siemens-SPS und integrieren praktische Erkenntnisse, um den Lesern zu helfen, zu verstehen, wie industrielle Automatisierungstechnologie den Formenbau verändern kann.
1. Projekthintergrund und Herausforderungen
Der Kunde ist ein führender Hersteller, der sich auf die Herstellung von Präzisionsformteilen aus Kunststoff für die Automobil- und Elektronikindustrie spezialisiert hat. Vor der Automatisierung nutzte ihre Kernproduktionslinie einen mehrstufigen Spritzgussprozess, der sechs Hauptphasen umfasste: Formenspannen, Einspritzen des Rohmaterials, Halten des Drucks, Abkühlen, Öffnen der Form und Produktauswurf. Dieser Prozess basierte jahrelang auf unabhängigen Steuerungssystemen für jede Phase, wobei Bediener die Parameter manuell überwachten und anpassten. Da die Marktnachfrage nach höherer Qualität und schnellerer Produktion zunahm, stand das Unternehmen vor mehreren entscheidenden Herausforderungen:
1.1 Inkonsistente Prozesssteuerung
Jede Phase des Formprozesses erforderte eine präzise Parametersteuerung wie Temperatur, Druck und Timing. Manuelle Anpassungen führten unvermeidlich zu menschlichen Fehlern. So führten beispielsweise geringfügige Abweichungen beim Einspritzdruck oder der Abkühlzeit häufig zu fehlerhaften Produkten, etwa unvollständiger Füllung oder verzogenen Bauteilen. Die Produktqualifikationsrate betrug nur etwa 85 %, was die Produktionskosten deutlich erhöhte.
1.2 Geringe Produktionseffizienz
Die unabhängigen Kontrollsysteme zwischen den Etappen führten zu Verzögerungen bei der Koordination. Nachdem eine Phase abgeschlossen war, mussten die Bediener die nächste Phase manuell auslösen, was zu einem langen Produktionszyklus führte. Im Durchschnitt dauerte jeder Formzyklus 45 Sekunden und die Produktionslinie konnte nur 800 Zyklen pro Schicht absolvieren. Diese Ineffizienz erschwerte es dem Unternehmen, die wachsenden Kundenaufträge zu erfüllen.
1.3 Hohe Arbeitskosten und Sicherheitsrisiken
Der herkömmliche Prozess erforderte 3-4 Bediener pro Schicht, um jede Phase zu überwachen, Parameter anzupassen und den Produktauswurf zu handhaben. Die hohen Arbeitskosten schmälerten den Gewinn des Unternehmens. Darüber hinaus setzte der manuelle Betrieb im Formbereich die Arbeiter potenziellen Sicherheitsrisiken aus, wie z. B. versehentlichem Einspannen der Form oder Kontakt mit Hochtemperaturkomponenten.
1.4 Schwierigkeiten bei der Prozessrückverfolgbarkeit
Ohne ein integriertes Überwachungssystem wäre das Unternehmen nicht in der Lage, wichtige Parameter jedes Produktionszyklus effektiv zu erfassen. Wenn Qualitätsprobleme auftraten, war es schwierig, die Ursache zu ermitteln, was die Umsetzung gezielter Verbesserungen erschwerte. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, entschied sich das Unternehmen für den Einsatz von Automatisierungstechnik und wählte Siemens-SPS als zentrale Steuerungskomponente, da das Unternehmen für seine Zuverlässigkeit und hervorragende Leistung in der industriellen Automatisierung bekannt ist.
2. Die verteilte SPS-Lösung von Siemens
Nach einer ausführlichen-Kommunikation mit dem Kunden und einer -Untersuchung vor Ort entwarf das Ingenieurteam eine verteilte Automatisierungslösung mit Schwerpunkt auf der Siemens-SPS. Die Kernidee bestand darin, die sechs Phasen des Formprozesses über ein verteiltes Steuerungsnetzwerk zu verbinden und so eine zentrale Überwachung und koordinierte Steuerung zu ermöglichen. Diese Lösung bewältigte nicht nur die aktuellen Herausforderungen, sondern legte auch den Grundstein für zukünftige Smart-Factory-Upgrades. Die wichtigsten Komponenten und das Design der Lösung sind wie folgt:
2.1 Kernhardwarekonfiguration
Für die Lösung wurde die SPS S7-1500 von Siemens als Hauptsteuerung ausgewählt, die für ihre hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit und starke Skalierbarkeit bekannt ist und sich daher für komplexe mehrstufige Steuerungsaufgaben eignet. Für jede Phase des Formprozesses wurden verteilte E/A-Module (ET 200SP) installiert, um Echtzeitdaten von Sensoren (Temperatur-, Druck-, Positionssensoren) zu sammeln und Aktoren (Magnetventile, Servomotoren) zu steuern. Darüber hinaus wurde Siemens KTP700 Basic HMI (Human{8}}Machine Interface) eingesetzt, um Bedienern eine benutzerfreundliche Schnittstelle zur Überwachung des Produktionsprozesses, zur Anpassung von Parametern und zur Anzeige von Alarminformationen bereitzustellen. Das gesamte System nutzte PROFINET, ein industrielles Ethernet-Protokoll, um eine Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung zwischen der Hauptsteuerung und den verteilten Modulen zu realisieren und so eine zuverlässige Kommunikation in Echtzeit zu gewährleisten.
2.2 Systemarchitekturdesign
Das verteilte Siemens-SPS-System nutzte eine dreischichtige Architektur: die Feldschicht, die Steuerungsschicht und die Überwachungsschicht. Die Feldschicht umfasste Sensoren, Aktoren und verteilte E/A-Module, die für die Erfassung-Daten vor Ort und die Ausführung von Steuerbefehlen verantwortlich sind. Die Steuerungsschicht bestand aus einer Siemens S7-1500-SPS, die die gesammelten Daten verarbeitete, die Steuerlogik ausführte und den Betrieb jeder Stufe koordinierte. Die Überwachungsschicht bestand aus einer HMI und einem Datenprotokollierungssystem, das es den Bedienern ermöglichte, den gesamten Produktionsprozess in Echtzeit zu überwachen und wichtige Parameter zur Rückverfolgbarkeit aufzuzeichnen. Diese Schichtarchitektur machte die Systemstruktur klar, leicht zu warten und hoch skalierbar.
2.3 Design der Schlüsselsteuerungslogik
Mithilfe des Siemens TIA Portal (Totally Integrated Automation Portal) programmierte das Ingenieurteam die Kernsteuerungslogik für den mehrstufigen Formprozess. Der Schlüssel lag darin, den sequentiellen und koordinierten Ablauf jeder Stufe zu realisieren. Beispielsweise startet das System die Einspritzphase erst, nachdem bestätigt wurde, dass die Form vollständig gespannt ist (vom Positionssensor erkannt). Während der Druckhaltephase würde die Siemens-SPS den Druck automatisch entsprechend den Echtzeitdaten des Drucksensors anpassen, um eine gleichmäßige Befüllung des Rohmaterials sicherzustellen. Die Kühlphase wurde durch einen Temperatursensor gesteuert und die SPS beendete den Kühlvorgang automatisch, wenn die Temperatur den voreingestellten Wert erreichte. Darüber hinaus enthielt das System eine vollständige Alarmlogik: Wenn Parameter wie Temperatur oder Druck den sicheren Bereich überschritten, stoppt die Siemens-SPS den Produktionsprozess sofort und sendet ein Alarmsignal an die HMI.
3. Implementierungsprozess des Automatisierungssystems
Die Implementierung des verteilten Siemens-SPS-Systems erfolgte in vier Phasen, um die Stabilität und Zuverlässigkeit des Systems sicherzustellen. Jede Phase wurde genau überwacht und getestet, um eine Beeinträchtigung der normalen Produktion des Unternehmens zu vermeiden.
3.1 Pre-Vorbereitung der Implementierung
In dieser Phase führte das Engineering-Team zunächst detaillierte Schulungen für die Bediener und das Wartungspersonal des Unternehmens durch, die die grundlegende Bedienung der Siemens-SPS, die Verwendung von HMI und grundlegende Methoden zur Fehlerbehebung abdeckten. Anschließend bereitete das Team die Hard- und Software vor, darunter die Installation der TIA Portal-Software, die Konfiguration der IP-Adressen der SPS und der verteilten Module sowie die Überprüfung der Verkabelung von Sensoren und Aktoren.
3.2 Hardware-Installation und Verkabelung
Das Team installierte die SPS-Haupteinheit S7-1500 von Siemens im zentralen Kontrollraum und montierte die verteilten E/A-Module in der Nähe jeder Phase des Formprozesses. Bei der Verkabelung wurde strikt auf Industriestandards geachtet, um die Stabilität der Signalübertragung zu gewährleisten. Besonderes Augenmerk wurde auf die Verkabelung von Hochtemperatur- und Hochdrucksensoren gelegt, um Signalstörungen zu vermeiden.
3.3 Softwareprogrammierung und Debugging
Mithilfe des TIA Portals programmierte das Team die Steuerlogik, einschließlich der Ablaufsteuerung, der Parameteranpassung und der Alarmbehandlung. Nach der Programmierung wurde ein Offline-Debugging durchgeführt, um auf logische Fehler zu prüfen. Anschließend wurde ein Online-Debugging durchgeführt: Die Siemens-SPS wurde mit den Feldgeräten verbunden und jede Phase des Prozesses wurde einzeln getestet. Während des Debuggens passte das Team Parameter wie Einspritzgeschwindigkeit und Abkühlzeit entsprechend den tatsächlichen Produktionsbedingungen an, um den Prozess zu optimieren. Durch die Feinabstimmung der Druckhalteparameter über die Siemens-SPS wurde beispielsweise das Problem der unvollständigen Befüllung wirksam gelöst.
3.4 Systemintegration und Testbetrieb
Nachdem die einzelnen Phasen das Debugging bestanden hatten, integrierte das Team das gesamte System und führte einen Probebetrieb durch. Während des Testzeitraums lief das System 72 Stunden lang ununterbrochen und das Team überwachte Schlüsselindikatoren wie Produktionseffizienz, Produktqualität und Systemstabilität. Alle festgestellten Probleme wurden umgehend behoben. Nach erfolgreichem Probebetrieb wurde die Anlage offiziell in Betrieb genommen.
4. Erzielte Ergebnisse und Vorteile
Seit der offiziellen Inbetriebnahme des verteilten SPS-Systems von Siemens hat der mehrstufige Gussprozess des Unternehmens einen dramatischen Wandel erfahren. Im Folgenden sind die wichtigsten Ergebnisse und Vorteile aufgeführt:
4.1 Deutlich verbesserte Produktqualität
Mit der präzisen Steuerung der Siemens-SPS werden die Parameter jeder Stufe (Temperatur, Druck, Timing) im optimalen Bereich gehalten. Die Produktqualifizierungsrate ist von 85 % auf 99 % gestiegen, wodurch die Anzahl fehlerhafter Produkte erheblich reduziert und Rohstoffkosten eingespart wurden. Die gleichbleibende Qualität hat auch den Ruf des Unternehmens bei den Kunden gestärkt und zu mehr Bestellungen geführt.
4.2 Deutlich gesteigerte Produktionseffizienz
Der koordinierte Betrieb zwischen den Stufen, der durch das verteilte SPS-System von Siemens realisiert wird, hat die durch den manuellen Betrieb verursachte Verzögerung beseitigt. Der Produktionszyklus pro Form wurde von 45 Sekunden auf 30 Sekunden verkürzt und die Anzahl der Zyklen pro Schicht von 800 auf 1200 erhöht, was einer Steigerung der Produktionseffizienz um 50 % entspricht. Dies hat es dem Unternehmen ermöglicht, der wachsenden Marktnachfrage problemlos gerecht zu werden.
4.3 Reduzierte Arbeitskosten und verbesserte Sicherheit
Das automatisierte System erfordert nur 1–2 Bediener pro Schicht, um das HMI zu überwachen und Sondersituationen zu bewältigen, wodurch die Arbeitskosten um etwa 50 % gesenkt werden. Gleichzeitig wurde durch die Reduzierung der manuellen Bedienung das Risiko von Arbeitsunfällen minimiert und eine sicherere Arbeitsumgebung für die Mitarbeiter geschaffen.
4.4 Vollständige Prozessrückverfolgbarkeit
Das System erfasst automatisch wichtige Parameter jedes Produktionszyklus, wie beispielsweise Einspritzdruck, Abkühlzeit und Werkzeugtemperatur. Wenn Qualitätsprobleme auftreten, kann das Unternehmen die relevanten Produktionsdaten schnell zurückverfolgen, um die Ursache zu finden und gezielte Verbesserungen umzusetzen. Diese Daten liefern auch eine Grundlage für die weitere Optimierung des Produktionsprozesses.
4.5 Skalierbare Grundlage für intelligente Fertigung
Das verteilte Siemens-SPS-System ist hoch skalierbar. Das Unternehmen kann problemlos neue Funktionen wie Fernüberwachung und vorausschauende Wartung hinzufügen, indem es die Software aktualisiert und entsprechende Module hinzufügt. Damit ist eine solide Grundlage für den künftigen Wandel des Unternehmens zu einer Smart Factory gelegt.
5. Wichtige Erkenntnisse für Formenhersteller
Diese Fallstudie zeigt, dass die Automatisierung komplexer mehrstufiger Formprozesse mit verteilten SPS-Systemen von Siemens eine praktische und effektive Möglichkeit ist, die Herausforderungen des traditionellen Formenbaus zu lösen. Für Formenbauer, die ihre Effizienz und Qualität verbessern möchten, sind die folgenden wichtigen Erkenntnisse wertvoll:
- Wählen Sie zuverlässige Automatisierungskomponenten: Die SPS von Siemens hat sich als zuverlässige Kernsteuerungskomponente in der industriellen Automatisierung erwiesen, mit hervorragender Leistung und starker Skalierbarkeit, wodurch sie sich für komplexe mehrstufige Steuerungsaufgaben eignet.
- Einführung einer verteilten Steuerungsarchitektur: Bei mehrstufigen Prozessen kann eine verteilte Architektur eine zentrale Überwachung und koordinierte Steuerung realisieren und so die Flexibilität und Wartbarkeit des Systems verbessern.
- Achten Sie auf Systemintegration und Debugging: Eine gründliche Vorbereitung, eine strikte Hardware-Installation und ein sorgfältiges Software-Debugging sind entscheidend für den stabilen Betrieb des Automatisierungssystems.
- Priorisieren Sie die Personalschulung: Die Schulung von Bedienern und Wartungspersonal in der Verwendung und Wartung des Automatisierungssystems ist für die Maximierung des Systemnutzens von entscheidender Bedeutung.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Einsatz verteilter Siemens-SPS-Systeme in mehrstufigen Formprozessen die Produktionseffizienz, Produktqualität und -sicherheit deutlich verbessern und gleichzeitig die Kosten senken kann. Während sich die Fertigungsindustrie in Richtung Automatisierung und Intelligenz bewegt, werden Formenhersteller, die solche Technologien nutzen, einen Wettbewerbsvorteil auf dem Markt erlangen. Wenn Sie erwägen, Ihren Formprozess zu automatisieren, ist eine verteilte SPS-Lösung von Siemens auf jeden Fall einen Versuch wert.
