Der Schaltschrankbau gehört zu den personalintensivsten Gewerken im Maschinenbau. Innovationen aus einem einzigartigen Ökosystem deutscher Komponenten- und Systemlieferanten bieten Automatisierungslösungen an. Können die überwiegend kleinen und mittleren Unternehmen damit den Fachkräftemangel abfedern und die Durchlaufzeiten verkürzen?
Die Untersuchung des Fraunhofer-Institut für Entwurfstechnik Mechatronik IEM in Paderborn im Rahmen eines gemeinsamen Forschungsprojekts mit einem mittelständischen Schaltschrankbauer bringt Transparenz in den kompletten Prozess. Danach entfallen nur rund 8 Prozent des Aufwands auf Planung, Projektierung und Arbeitsvorbereitung. Die beiden größten Blöcke sind die mechanische Bearbeitung und Bestückung mit rund 28 Prozent und vor allem die Verdrahtung eines Schaltschranks mit etwas mehr als 50 Prozent.
Wie beeinflusst Digitalisierung den Schaltschrankbau?
Für Arno Kühn, Bereichsleiter Advanced Systems Engineering beim Fraunhofer-Institut IEM liegt der entscheidende Hebel für langfristige Produktivitätsgewinne und kürzere Durchlaufzeiten dennoch bei den vorgelagerten Prozessen Planung und Projektierung. "Digitalisierung ist im Schaltschrankbau keine Zukunftsmusik mehr – die Grundlagen sind gelegt. Viele Unternehmen haben erste Schritte gemacht, doch der entscheidende Hebel liegt in der konsequenten Nutzung digitaler Planungsdaten, um echte Automatisierung über alle Prozessschritte hinweg zu ermöglichen.“
„Solange Maschinenbauer aber keine offenen Daten, sondern PDF-Dateien an die Schaltschrankbauer geben, wird die Automatisierung an Grenzen stoßen", sagt Dr. Arno Kühn, Bereichsleiter Advanced Systems Engineering beim Fraunhofer-Institut IEM.
Aber der Weg zur Vollautomatisierung mit Verdrahtungsrobotern ist noch lang. Was Monteure mit ihrer Ausbildung und Erfahrung erledigen, erfordert in der Roboter-Programmierung einen sehr hohen Programmieraufwand. Vor allem müssen für die Automatisierung exakte, saubere und vollständige Daten aus der Konstruktion bereitstehen. „Solange Maschinenbauer aber keine offenen Daten, sondern PDF-Dateien an die Schaltschrankbauer geben, wird die Automatisierung an Grenzen stoßen“, ist Kühn sicher.
Welche Rolle Planungsdaten bei der Automatisierung spielen
Aber muss es gleich der ganz große Sprung sein? Gerade für den mittelständischen Schaltschrankbau machen kleine Schritte oft mehr Sinn. Komponenten- und Systemhersteller bieten eine Vielzahl von Lösungen, für die schrittweise Effizienzsteigerung durch Vereinfachungen und die Automatisierung definierter Arbeitsschritte. Einig sind sich alle Anbieter darin, dass sie Konfigurationstools mit Schnittstellen zu den gängigen Planungsprogrammen wie Eplan kostenfrei bereitstellen. Damit vereinfachen sie die Planung und Projektierung bei der Stromverteilung im Schaltschrank. Eine weitere Gemeinsamkeit ist ein breites Spektrum an Sammelschienen-Systemen. Sie bestehen aus Kunststoff-Systemen in die leitende Kupferschienen integriert werden.
„Mit unserem Servicetool können Schaltschrankbauer diese Geräte am Schreibtisch offline parametrieren, das ist gerade im Seriengeschäft eine deutliche Erleichterung“, sagt Klaus Pflüger, Director of Key Account Management Deutschland bei Wöhner.
Mehr Sicherheit, reduzierte Montagezeit und erhöhte Flexibilität
„Das CrossBoard hat Wöhner bereits 2016 in den Markt eingeführt und wir decken jetzt das gesamte Spektrum von 160A bis 800A ab“, betont Klaus Pflüger, Director of Key Account Management Deutschland bei Wöhner. „CrossBoard bietet mehr Sicherheit durch den Berührungsschutz, reduziert die Montagezeiten und erhöht die Flexibilität.“
Monteure stecken Komponenten einfach von vorn auf das System. Durch die patentierte Hybridschiene mit drei funktionellen Schnittstellen können auf diesem System auch Abgänge mit mehr als 250 A mit der bewährten Klemmkontaktierung montiert werden. Die elektrische Kontaktierung und die mechanische Fixierung kann in nur einem Arbeitsschritt mit rückseitigen Einspeise- und Befestigungsmodulen erfolgen.
Welche Technologien die Effizienz vorantreiben
Wöhner stellt eine große Palette an Motorstartern mit Sanftanlauf, Netzteilen und Schaltern für das System bereit. Mit dem elektronischen Messtechnik-Modul CrossMT hat das Unternehmen den Einstieg in die Digitalisierung des CrossBoards vollzogen. Es misst Strom, Spannung und Temperatur. Daraus berechnet es abzuleitende Größen wie Leistungen, Energie, Phasenwinkel und Frequenz und kann diese Daten über verschiedene Kommunikationsschnittstellen ausgeben.
Durch das Messtechnik-Modul kann Wöhner Standardgeräte wie Motorstarter extrem platzsparend mit Messung und weiteren Zusatzfunktionen ergänzen und die Kompaktheit steigern. „Mit unserem Servicetool können Schaltschrankbauer diese Geräte am Schreibtisch offline parametrieren, das ist gerade im Seriengeschäft eine deutliche Erleichterung“, hebt Pflüger hervor.
„Wir setzen auf skalierbare Lösungen, um den Übergang von manuell zu digital zu vollautomatisiert mit Innovationen zu begleiten", sagt Dr. Andreas Schreiber, Vice President Industrial Cabinet Solutions bei Phoenix Contact.
80 Klemmen in fünf Minuten montiert und markiert
Phoenix Contact setzt auf die schrittweise Automatisierung verschiedener Arbeitsschritte im Schaltschrankbau. „Man kann nicht einfach manuelle Prozesse auf Maschinen übertragen“, gibt Andreas Schreiber, Vice President Industrial Cabinet Solutions bei Phoenix Contact, zu bedenken. „Wir setzen auf skalierbare Lösungen, um den Übergang von manuell zu digital zu vollautomatisiert mit Innovationen zu begleiten.“
Er beruft sich dabei auch auf die Ergebnisse der dreiteiligen Studie 'Schaltschrankbau in Deutschland' der Ruhr-Universität Bochum (siehe Kasten). Sie belegt den hohen Auslastungsgrad des Schaltschrankbaus bei gleichzeitigem Fachkräftemangel. Ein Detail aus dem noch nicht veröffentlichten zweiten Teil: „Ein Hindernis für die Automatisierung sind Planungsunterlagen auf digitalem Papier, also PDFs“, erklärt Schreiber. Schaltschrankbauer müssen dabei die Schaltpläne weiterhin analog abarbeiten.
Wie gelingt der schrittweise Einstieg in die Automatisierung?
Die schrittweise Automatisierung zeigt den Ansatz. Push-X Klemmen mit vorgespannter Kontaktfeder ermöglichen den werkzeug- und kraftlosen Anschluss starrer und flexibler Leiter mit und ohne Aderendhülse. Damit sind sie schon jetzt bereit für eine zukünftige automatisierte Verdrahtung mit Robotern.
Einen deutlichen Automatisierungssprung vollzieht die neue clipx MASTER line für die vollautomatische Fertigung von Klemmenleisten inklusive der Beschriftung. Vorläufer der Maschine hat Phoenix Contact in der Vergangenheit als kundenspezifische Lösungen realisiert. Jetzt bietet das Unternehmen die Anlage für den breiten Markt an. Sie bestückt auf Basis der digitalen Planungsdaten Tragschienen vollautomatisch mit Klemmen und beschriftet diese.
„Damit vermeiden Anwender Fehler und steigern den Durchsatz deutlich“, so Schreiber. Die clipx MASTER line reduziert die Durchlaufzeit der Bestückung und Beschriftung einer Tragschiene mit 80 Klemmen auf rund fünf Minuten. Dabei zielt sie nicht nur auf große Serien. 70 Stacks für verschiedenen Klemmen ermöglichen auch kleinere Losgrößen bis Stückzahl 1. Die erstmals auf der Hannover Messe präsentierte Maschine setzt Phoenix Contact auch in der eigenen Fertigung dazu ein, kundenspezifische Bestellungen automatisiert zu fertigen.
„Bei RiLineX müssen Schaltschrankbauer nichts auslegen, denn durch die Schienenführung und fehlersicheres Design können wir die technischen Daten ab Werk garantieren", sagt Volker Schmidt, Leiter Produktmanagement RiLine bei Rittal.
RiLineX: Bausatzsystem mit garantierten technischen Daten
Auf Offenheit setzt Rittal mit der neuen Sammelschienensystem-Plattform RiLineX. Sie deckt Anwendungen bis 800 A mit einer Kurzschlussfestigkeit bis 65 kA ab. „RiLineX ist werkzeuglos montierbar und vollständig berührungsgeschützt“, hebt Volker Schmidt, Leiter Produktmanagement RiLine bei Rittal, hervor. Die klassische Auslegung mit Berücksichtigung von Kurzschlussfestigkeit, Stabilität und entsprechenden Halterabständen entfällt.
„Bei RiLineX müssen Schaltschrankbauer nichts auslegen, denn durch die Schienenführung und fehlersicheres Design können wir die technischen Daten ab Werk garantieren“, betont Schmidt. Rittal bietet sowohl vormontiere Komplettboards als auch ein Modulsystem. Eine patentierte Besonderheit: Bei der modularen Boardtechnologie mit integrierten, überbaubaren Sammelschienenhaltern. kommen Standard-Flachkupferschienen zum Einsatz, die der Anwender nur individuell ablängen muss.
Zeiteinsparung für den Schaltschrankbauer von bis zu 75 Prozent
Das System gewährleistet damit Überbaubarkeit auf der gesamten Länge. Die Boards können im Schaltschrank sowohl waagerecht als auch senkrecht und überkopf montiert werden. Die Kunststoffmodule in verschiedenen Breiten stecken Anwender in wenigen Handgriffen auf flexible Längen bis 2400 mm zusammen, so der Leiter Produktmanagement RiLine. Das Board-Unterteil ist so geformt, dass ohne Änderungen Standard-Schienen aus Kupfer, Aluminium und Cuponal in verschiedenen Querschnitten vor Ort eingesetzt werden können.
Die Montage vereinfacht Rittal zusätzlich durch ein einheitliches Bohrbild und selbstformende Schrauben. „Eine REFA-Analyse durch ein Fraunhofer-Institut belegt Zeiteinsparungen bei der Montage für den Schaltschrankbauer von bis zu 75 Prozent“, ist Schmidt stolz.
Bohrbilder in einer Drehscheibe integriert
Auch bei der Bearbeitung der Montageplatten und der Gerätebestückung verkürzt Rittal mit innovativen Lösungen die Arbeitszeiten. So hat das Unternehmen in eine Adapterplatte für marktübliche Kompaktleistungsschalter eine Drehscheibe mit Bohrbildern der großen Hersteller integriert.
Monteure stellen nur noch die entsprechende Kennung auf der Drehscheibe ein und können am Montagetisch den Schalter einfach befestigen. „Der Monteur muss nicht mehr am Schaltschrank den Schalter halten und verschrauben, stattdessen hakt er die Easy-Fix-Adapterplatte samt Gerät einfach ein“, so Schmidt.
Bei Automatisierungslösungen für kleinere und größere Schaltschrankbauer steht für Rittal Automation Systems der Zeitgewinn im Vordergrund. Bei einem Cutting Terminal zum Ablängen von Verdrahtungskanälen, Kabelkanaldeckeln und Tragschienen zum Beispiel erfolgen die Zuführung und das Abschneiden der Komponenten manuell, während sich der Längenanschlag automatisch auf Basis der Eplan Daten einstellt.
Diese Form der Teil-Automatisierung senkt die wirtschaftliche Schwelle für kleinere Betriebe. Am anderen Ende des Spektrums stehen Lösungen wie das Wire Terminal C für die vollautomatische Drahtkonfektionierung mit Aderendhülsen und Beschriftung.
"Der manuelle Verdrahtungsaufwand entfällt, was die Montage deutlich effizienter macht. Durch Standardisierung steigt die Flexibilität in der Projektabwicklung. Gleichzeitig wird der Materialbedarf reduziert – ein Pluspunkt in Sachen Nachhaltigkeit", sagt Heiko Hutter, Vice President Product Group Inverter Drives, bei Lenze.
Rittal und Lenze integrieren Umrichter
Rund um die RiLineX Plattform etabliert Rittal ein offenes Ökosystem mit verschiedenen Geräteherstellern. So zeigt die Technologiepartnerschaft mit Lenze interessante Ergebnisse mit weiterem Effizienzpotenzial. Der Frequenzumrichter i550 cabinet von Lenze, nach Unternehmensangaben der kompakteste Frequenzumrichter am Markt, ist mitsamt Absicherung ohne Verkabelung auf dem Board integrierbar. Das spart Bauraum und Zeit und vermeidet Fehler. Elektrisch und thermisch ist die Lösung bereits abgenommen.
„Lenze beteiligt sich bereits in einer sehr frühen Phase an der Entwicklung, um gemeinsam mit Rittal neue Standards im Schaltschrankbau zu etablieren“, berichtet Heiko Hutter, Vice President Product Group Inverter Drives, bei Lenze. Diese Partnerschaft bringt aus seiner Sicht das Beste aus zwei Welten zusammen:
Rittals jahrzehntelange Erfahrung im Schaltschrankbau und Lenzes umfassendes Know-how aus globalen Automatisierungs- und Achsanwendungen. Maschinen- und Schaltschrankbauer profitieren: "Der manuelle Verdrahtungsaufwand entfällt, was die Montage deutlich effizienter macht. Durch Standardisierung steigt die Flexibilität in der Projektabwicklung. Gleichzeitig wird der Materialbedarf reduziert – ein Pluspunkt in Sachen Nachhaltigkeit", zählt Hutter auf.
„Wir können den Beschriftungsprozess um mehr als 50 Prozent verkürzen", sagt Vincent Vossel, Head of Automated Cabinet Building & Connectivity Consulting bei Weidmüller.
Beschriftungsprozess um mehr als 50 Prozent verkürzen
Weidmüller setzt auf Lösungen, mit denen Schaltschrankbauer einzelne Prozessschritte optimieren und wenn sinnvoll automatisieren. Dabei greifen alle Lösungen auf die gleichen Engineering-Daten der gängigen Planungs-Softwarelösungen zu. Das beginnt mit der Beschriftung.
„In diesem Schritt werden aus unspezifischen Komponenten, spezifische Bauteile“, umreißt Vincent Vossel, Head of Automated Cabinet Building & Connectivity Consulting bei Weidmüller die Herausforderung. Das Labeling Processing Center, ein kompakter Industriedrucker mit zugehöriger Software, erkennt die Komponenten durch das Einscannen der aufgebrachten EAN-Codes und beschriftet sie.
Das ist besonders interessant bei optisch sehr ähnlichen Varianten, die bislang einzeln identifiziert und in der Dokumentation (Schaltplan) gesucht werden müssen. „Wir können damit den Beschriftungsprozess um mehr als 50 Prozent verkürzen“, rechnet Vossel vor. Er sieht neben dem Beschriften direkt in der Werkstatt auch die Möglichkeit, die Komponenten vorab zu beschriften und einzulagern, um später Zeit zu sparen.
Mehr Effizienz in der Montage durch optimierte Werkstattwagen
Eine sehr analoge, aber effiziente Möglichkeit, die Effizienz in der Montage zu verbessern sind 5S optimierte Werkstattwagen. „Monteure sparen nachweislich pro Arbeitstag 15 Minuten allein durch standardisierte Schaumstoffeinlagen für die Werkzeuge“, so der Experte. Das Suchen und Finden sowie die Instandhaltung der Werkzeuge wird dadurch erheblich verbessert.
Auch bei der klassischen Verbindungstechnik gibt es noch Optimierungspotentiale. Mit der innovativen SNAP IN-Reihenklemme können nachweislich Zeitgewinne im höheren zweistelligem Prozentbereich bei der Verdrahtung erreicht werden. So lässt Weidmüller im Rahmen diverser Kundenveranstaltungen und Messen zum Beispiel immer wieder Kunden im SNAP IN-Verdrahtungswettbewerb gegeneinander antreten. Fünf SNAP IN Klemmen gegen fünf Schraubklemmen müssen verbunden werden.
„Im direkten Vergleich steht es durchgehend fünf SNAP IN zu anderthalb Schraubklemmen“, lacht der Schaltschrankexperte. Darüber hinaus sind die Produkte mit SNAP IN-Technologie ready-to-robot und somit optimal für die Zukunft gerüstet.
Studie Schaltschrankbau in Deutschland
Der Lehrstuhl für Produktionssysteme der Ruhr-Universität Bochum hat im Auftrag von Phoenix Contact die Studie „Schaltschrankbau in Deutschland“ erstellt. Sie hat dafür 50 kleine, mittlere und große Unternehmen intensiv befragt. Im Durchschnitt erwirtschaften die Unternehmen einen Umsatz von 480.000 Euro pro Mitarbeiter. Jeder dritte Beschäftigte im Schaltschrankbau arbeitet in der eigentlichen Produktion. Drei Viertel des Umsatzes stammt in Regel aus dem Projektgeschäft. Interessantes Detail für die Komponenten- und Systemanbieter: der durchschnittliche Importanteil am Materialwert beträgt lediglich 5,2 Prozent – hier haben deutsche Unternehmen eindeutig die Nase vorn.
Download unter: Studie: Schaltschrankbau in Deutschland | Phoenix Contact
Maschinen monatlich für Projekte mieten
Bei größeren Durchsätzen bietet Weidmüller weitaus stärker teil- und vollautomatisierte Lösungen wie das Wire Processing Center, das die Drahtkonfektionierung orchestriert, den Klippon Automated RailAssembler mit dem Klippon Automated RailCutter für die Klemmenbestückung, oder den Klippon Automated RailLaser für die Klemmenbeschriftung.
„Diese Maschinen kommen bei unseren Kunden zum Einsatz, um Aufträge effizient abzuarbeiten. Dabei gibt es verschiedene Finanzierungsmöglichkeiten: Ein Kauf oder eine Miete an Kunden, die größere Projekte in kurzer Zeit umsetzen müssen, ist möglich“, beschreibt Vossel das Einsatzspektrum.
Als Faustregel für den Kauf solcher Automatisierungslösungen nennt er die Verarbeitung von mehr als 100.000 Klemmen im Jahr. Darüber hinaus unterstützt Weidmüller Schaltschrankbauer durch ein Consulting von erfahrenen Digital- und Lean-Experten. Sie begleiten Unternehmen bei der Effizienzsteigerung entlang der gesamten Wertschöpfungskette.
Welche Zukunftstrends sich im Schaltschrankbau abzeichnen
Für die Zukunft des Schaltschrankbaus sieht Kühn vom Fraunhofer-Institut IEM zwei entscheidende Trends: Die Digitalisierung und Automatisierung schreitet weiter voran. „Eine wichtige Rolle wird künstliche Intelligenz in der Planung und Projektierung, der Überprüfung der Datensätze auf Vollständigkeit und das Anreichern mit synthetischen Daten spielen“, ist der Wissenschaftler sicher.
Aber er stellt auch die Frage, ob zukünftig jede Maschine einen Schaltschrank braucht. „Wir sehen, dass Automatisierungshersteller dezentrale Steuerungssysteme auf dem Markt einführen, die direkt an den Maschinenmodulen installiert werden.“ Er erwartet auch neue branchenspezifische Schaltschrankkonzepte, die bestehende Lösungen ergänzen oder teilweise ablösen werden.
überarbeitet von: Dietmar Poll
