Schaltschrankbau: Ohne Daten keine Automatisierung

Die Energiewende verlangt zwingend den Umbau des Stromnetzes. Gleichzeitig vervielfacht sich durch Wärmepumpen, E-Mobilität und Data Center mit zehntausenden Server-Racks die Stromnachfrage nahezu exponentiell. Dazu kommt die Physical AI, die einen neuen Automatisierungsschub in Fabriken und Gebäuden ankündigt. Wie bei einem Goldrausch sind es jetzt die Schaufelhersteller, für die Boomzeiten heranbrechen, in diesem Fall für Schaltschrankbauer.

90 Prozent der Projekte werden analog übergeben

Aber die Branche leidet schon jetzt unter Kapazitätsengpässen, wie eine aktuelle Studie der Ruhr-Universität Bochum zum Schaltschrankbau in Deutschland zeigt. Demnach bestehen bei mehr als 60 Prozent der befragten Schaltschrankbauer Kapazitätsengpässe wechselnd in allen Bereichen. Besonders hohe Werte erreichen dabei die Produktion und das Engineering. Eine Automatisierung wäre also sinnvoll, aber gibt ein massives Hindernis: Immer noch werden 90 Prozent der Projekte in Papierform oder als PDF an den Schaltschrankbau übergeben. Auch intern verlassen sich rund 90 Prozent der Schaltschrankbauer bei Fertigungsanweisungen und Dokumentation auf Papier und PDF.

Das sind dramatische Ergebnisse, die aber nur einen Teil der Wirklichkeit widerspiegeln. Die großen deutschen Zulieferer für den Schaltschrankbau wie Phoenix Contact, Weidmüller oder Rittal bieten bereits Auswege aus diesem Dilemma. Zum einen unterstützen sie die Schaltschrankbauer bei der Digitalisierung des Engineerings mit Softwareassistenten sowie mit Prozesswissen und Beratungsangeboten zur Industrialisierung und Digitalisierung des Schaltanlagenbaus. „Unsere Software clipx ENGINEER vereinfacht und automatisiert die Zuordnung der passenden Komponenten zu den gewünschten elektrischen Funktionen und wird von Schaltschrankbauern sowohl für die Datenversorgung der eigenen Fertigung als auch für die direkte Online-Bestellung von Schaltschrankbaugruppen verwendet“, hebt Dr. Andreas Schreiber, Vice President Business Unit Industrial Cabinet Solutions bei Phoenix Contact, hervor.

Übersetzung der Funktionslogik in Physik

Für Christian Großmann, Director Development in der Business Unit Industrial Cabinet Solutions bei Phoenix Contact geht es dabei um einen grundlegenden Digitalisierungsschritt: „Digitalisierung ist die automatische Übersetzung der Funktionslogik in Physik.“ Das allein reicht aber nicht. So gehört beispielsweise zu einer Klemmleiste weiteres Zubehör wie zum Beispiel Enddeckel, Endhalter oder Stecker, das optimal auf die Komponenten abgestimmt ist. „Das ist ein Wissen, dass E-CAD-Module nicht abbilden. Deshalb haben wir es zusätzlich als Komponentenlogik in unsere Software vollständig integriert.“

Eine Schlüsselrolle auf dem Weg zur Automatisierung ist für Dr. Andreas Schreiber die unterstützende Prozessberatung, das Consulting, von Schaltschrankbauern. „Automatisierung umfasst ein sehr breites Spektrum, von optimierten Arbeitsplätzen mit Werkerassistenzsystemen bis hin zur vollautomatisierten Klemmleistenbestückung“, beschreibt er den Ansatz. „Die Voraussetzung dafür ist eine durchgängige Digitalisierung, angefangen in der Konstruktion. Mit unserem Consulting-Angebot stellen wir sicher, dass wir Schaltschrankbauern die jeweils für sie passende Lösung anbieten.“

Daten- und Materialfluss analysieren

Auch Weidmüller sieht neben den Softwaretools Weidmüller Configurator für die Klemmenleisten- und Gehäusekonfiguration, für Kabelkonfektionierung und für die Markierung zahlreiche Optimierungsmöglichkeiten jenseits der Vollautomatisierung. Angefangen bei Handwerkzeugen über teil-automatisierte Lösungen wie das Wire Processing Center (WPC) oder das Labelling Processing Center (LPC) bis hin zu vollautomatischen Lösungen wie den RailAssembler und den RailLaser.

„Sobald ein Kunde eine maschinelle Lösung in die engere Wahl nimmt, bieten mit unserem Connectivity Consulting eine Analyse des Daten- und Materialflusses an“, betont Vincent Vossel; Head of Automated Cabinet Building & Connectivity Consulting bei Weidmüller.

Vollautomatisierung ab 100.000 Reihenklemmen pro Jahr

Welche Automatisierungsschritte sinnvoll sind, hängt stark von der individuellen Situation bei den Schaltschrankbauern ab. Als Faustregel gilt, dass sich eine automatische Klemmenbestückung ab 100.000 Klemmen aufwärts pro Jahr rechnet. Im Idealfall sind hier Personalzeit-Einsparungen von bis zu 60, teilweise bis zu 90 Prozent möglich.

Aber die wirtschaftliche Wirkung hängt von der individuellen Losgröße, der Varianz und der Komplexität der Aufträge ab. Werkerassistenzsysteme können bei geringer Komplexität und Varianz auch angelernte Arbeitskräfte schnell durch die Bestückung führen. Stehen E-CAD Daten zur Verfügung, bereitet die Software sie für vollautomatische Bestückungsanlagen zu Arbeitsaufträgen ohne manuelle Eingriffe auf. Das System clipx MASTER line von Phoenix Contact übernimmt die vollautomatische Fertigung von Klemmenleisten inklusive der Beschriftung. „Damit vermeiden Anwender Fehler und steigern den Durchsatz deutlich“, so Dr Andreas Schreiber. Die clipx MASTER line in Kombination mit der Engineering-Software clipx ENGINEER reduziert die Durchlaufzeit der Bestückung und Beschriftung einer Tragschiene mit 80 Klemmen auf rund wenige Minuten. Dabei zielt sie nicht nur auf große Serien. 70 Stacks für verschiedene Produkte ermöglichen auch variantenreiche Klemmenleisten mit kleinen Losgrößen bis Stückzahl 1. Phoenix Contact bietet hierzu auch die für die Automatisierung vorgesehenen Produkte aus den Produktfamilien CLX, CLXM und CLM, die bereits mit Markiermaterial und weiteren Zubehören ausgerüstet.

Ready-to-Robot Komponenten

Auch der Klippon Automated RailAssembler ermöglich in Kombination mit dem Software Weidmüller Configurator (WMC) die vollautomatische Bestückung von Klemmleisten. Durch die Nutzung des Automaten entfällt das Kommissionieren, Zuordnen und Positionieren einzelner Klemmen. So kann bei der Bestückung eine Zeiteinsparung von bis zu 60 Prozent erreicht werden. In den 48 Magazinen finden rund 10.000 Komponenten Platz. Das reicht für fünf bis sechs Stunden personallosen Betrieb. „Unsere Klemmen haben wir bei Weidmüller Ready-to-Robot konstruiert“, erläutert Vincent Vossel. „Ihre rechteckige Form ist für Roboter gut greifbar und die Markierungen sind vorbestückt.“ Weidmüller stellt digitale Zwillinge für alle eigenen Komponenten bereit und zunehmend auch für 3rd Party Komponenten wie die Sicherungsautomaten der gängigen Hersteller, und andere Bauteile bis 18 mm Breite.

Engpass Markieren und Beschriften automatisieren

Nach dem Bestücken ist das Markieren der einzelnen Klemmen ein wesentlicher Arbeitsschritt. Das ist manuell anspruchsvoll und zeitintensiv. „Für Schaltschrankbauer kann es besonders sinnvoll sein, das Automatisierungspotential des Beschriftungsprozesses gegen eine manuelle oder teilautomatisierte Lösung abzuwägen“, berichtet Christian Großmann aus der Praxis. Phoenix Contact bietet ein breites Portfolio an industriellen Markierungssystemen und deren Integration in Werkerassistenzsysteme. Zudem erlauben Lösungen aus dem Produktprogramm clipx MASTER line die vollständige Automatisierung der Klemmenmarkierung.

Auch Weidmüller bietet mit dem Klippon Automated RailLaser deutliche Zeitersparnisse, sofern die Daten vorhanden sind. „Bei manueller Beschriftung braucht ein Werker für einen Meter bestückter Klemmleiste rund 90 Minuten, beim RailLaser dauert es 10 – 12 Minuten und die eigentliche Personalbindung besteht darin, Klemmleisten einzulegen und wieder herauszunehmen. Wir reden netto von ein bis zwei Minuten Personalbindung“, rechnet Vincent Vossel vor. Durch den integrierten Kamerascan des RailLasers wird nicht nur die genaue Position der Markierer ermittelt, sondern auch festgestellt, ob die Klemmleiste vollständig fehlerfrei ist.

Nächster Prozessschritt Drahtkonfektionierung

Nach der Klemmenbestückung ist vor der Verdrahtung. Der erste Schritt ist die Drahtkonfektionierung. Hier stellt Rittal Automation Systems (RAS) eine zweite Generation Drahtkonfektionier-Automaten bereit. Wire Terminal WT C5 und C10 produzieren vollautomatisch Drähte von 0,5 mm² bis zu 6 mm² ohne Umrüstung. Die einzelnen Drahtlängen reichen von 220 mm bis zu 4.000 mm.

Die Maschine entnimmt aus magazinierten Drahtrollen die Drähte der entsprechenden Durchmesser und Farbe, längt sie ab, bringt die Quelle-/Ziel-Beschriftung auf und führt die Aderendbehandlung aus. Nach Herstellerangaben beschleunigt der Vollautomat die Drahtkonfektionierung im Vergleich zur manuellen Bearbeitung um das 15fache – sozusagen Warp-Geschwindigkeit.

Per Druckluft an den Arbeitsplatz

Die vorkonfektionierten Drähte legt die Station entweder in Drahtschienen ein oder als in der Reihenfolge des Einbaus geordnete Kettenbündel ab. Dort entnimmt sie ein Werker und bringt sie an den Montageplatz. Noch einfacher: Das neue Wire Handling System versorgt mit einem druckluftbasierten Verteilsystem – ähnlich eines Rohrpostsystems - bis zu vier Arbeitsplätze just-in-sequence mit den vorkonfektionierten Drähten. Sie werden vom Wire Terminal über Schlauchleitungen bis zu 80 Meter weit an die Arbeitsplätze geschossen.

Natürlich kostet Automatisierung erst einmal Geld für die Investition in die neue Technik und das rechnet sich nicht für jede Betriebsgröße. Als Richtwert für das Wire Terminal hat RAS berechnet, dass es sich ab einem Durchsatz von 250 – 300 Schaltschränken pro Jahr innerhalb von 30 Monaten amortisiert.

Perspektive Verdrahtungsroboter

„Die eigentliche Verdrahtung ist die Königsdisziplin für die Automatisierung“, schätzt Dr. Andreas Schreiber ein. Die flexible Feinmotorik einer menschlichen Hand muss durch eindeutig mess- und programmierbare Winkel und Einpresstiefen ersetzt werden. Eine wichtige Voraussetzung dafür sind für Vincent Vossel Ready-to-Robot-Komponenten „Dabei reden wir nicht nur über Reihenklemmen, sondern normierte Anschlusstechnik auch für alle anderen Komponenten im Schaltschrank.“ So setzen auch andere Hersteller, beispielsweise Schneider Electric, die für den Robotereinsatz vorbereitete SNAP IN und Push-X-Technologien ein.

Einzelne Prozessschritte automatisieren

Der Weg bis zur vollautomatischen Verdrahtung ist noch lang. „Aber applikationsspezifisch ist es denkbar, einzelne Prozessschritte zu automatisieren, vielleicht nur Steuerdrähte oder nur die Energieeinspeisung“, zeigt Christian Großmann einen Handlungsweg auf. Dr. Andreas Schreiber betont eine wichtige Rahmenbedingung: „Wenn wir versuchen, für Menschen optimierte Prozesse ohne Anpassungen durch Roboter erledigen zu lassen, wird es vermutlich nicht gelingen.“

Das ist nach übereinstimmender Meinung vielleicht auch nicht notwendig. Am wichtigsten ist für alle Experten der Wechsel von Papier und PDF auf durchgängige digitale Projektdaten. Durch ein Consulting, wie es Phoenix Contact, Rittal oder Weidmüller anbieten, sind dann auch mit der schrittweisen Einführung bestehender teil- und vollautomatisierter Lösungen erhebliche Effizienzgewinne im Schaltschrankbau möglich. „Wir haben bereits mehr als 900 Consulting-Projekte im Schaltschrankbau durchgeführt, und die Ergebnisse waren jedes Mal bemerkenswert“, erinnert sich Vincent Vossel. Und die Nachfrage nach Automatisierung im Schaltschrankbau, gerade aus Deutschland und West- und Osteuropa, wächst mit dem zunehmenden Arbeitskräftemangel stark an.