Bergrohr GmbH (Siegen)

Erschienen in: ke Fachwissen kompakt für Konstrukteur und Entwickler 8/08

Auf sicherem Weg

Produktivitätssteigerung durch Industrial Wireless LAN

Flexibilität ist einer der Schlüssel zur wettbewerbsfähigen Fertigung von Stahlgroßrohren für unterschiedlichste Einsatzzwecke. Zur automatischen und echtzeitfähigen Steuerung des fahrerlosen Rohrtransports setzt ein namhaftes Siegener Automatisierungs-Unternehmen dabei auf Industrial Wireless LAN.

Die Bergrohr GmbH im nordrhein-westfälischen Siegen zählt zu den weltweit führenden Herstellern von Stahlgroßrohren mit Durchmessern von 24 bis 100 Zoll (600 bis 2.500 mm). Das 1896 gegründete Familienunternehmen blickt auf über 111 Jahre erfolgreiche Firmengeschichte und mehr als 80 Jahre Erfahrung in der Großrohrfertigung zurück und ist heute mit rund 140 Mitarbeitern auf die hochflexible Produktion von mittleren und kleineren Losgrößen spezialisiert.
Dabei stehen die Siegener in vielen Bereichen technologisch an erster Stelle, wie beispielsweise in der Fertigung 12 m langer sog. LWDS-Rohre mit doppelter Längsschweißnaht (Longitudinally Welded Double Seam). Diese Rohre werden hauptsächlich als Konstruktions- und Tragelemente in anspruchsvollen Anwendungen der Bauindustrie, aber auch für Förder- und Transporteinrichtungen in der Wasser-, Erdgas- und Erdölwirtschaft eingesetzt. Modernste Fertigungsverfahren und garantierte Qualität sichern die internationale Wettbewerbsfähigkeit am traditionellen Standort im Siegerland. Aktuelles Beispiel ist ein mit modernster IWLAN-Funktechnik (Industrial Wireless Local Area Network) aus dem Simatic-Net-Spektrum von Siemens Industry Automation realisiertes, hoch flexibles innerbetriebliches Transport- und Logistiksystem.
 
Sicherer Rohrtransport auf 3 km Schienen mit 120 Kreuzungen
 
Bergrohr hat im Verlauf seiner Firmengeschichte wiederholt innovatives Neuland betreten. Was 1939 mit der weltweit ersten Dreiwalzen-Biegemaschine zum Freiformen von Rohrgrobblechen begann, setzt sich bis heute fort. So fand das Unternehmen mit dem im benachbarten Siegen-Eisern ansässigen Automatisierer H. Kleinknecht & Co GmbH den idealen Partner, um ein völlig neuartiges Konzept für die innerbetriebliche Logistik einer neuen, 6.500 m_ großen Fertigungshalle zu realisieren. Zum Leistungsportfolio der rund 170 Mitarbeiter bei Kleinknecht gehören neben der Lösung komplexer mechanisch-elektrisch-hydraulischer Aufgabenstellungen im Anlagen- und Maschinenbau sämtliche Ingenieurdienstleistungen, wie Projektleitung, Hardwareprojektierung, Softwareentwicklung und deren weltweite Inbetriebnahme.
„Flexibilität in der Fertigung und höchste Produktivität sind für uns ein absolutes Muss, denn nur so können wir unser Leistungspotenzial richtig ausschöpfen“, umreißt Dr.-Ing. Henning Grebe, Technischer Leiter bei Bergrohr, die Zielvorgaben für den automatisierten Rohrtransport. „Das setzt zum einen voraus, dass die Rohre auf individuellen Wegen durch den Betrieb gefördert werden können, ohne sich gegenseitig zu behindern. Zum anderen muss die Anlage voll automatisch laufen, wenn wir in der Arbeitsvorbereitung die entsprechenden Fertigungsschritte spezifiziert haben.“
Neben der eigentlichen Bearbeitung durchläuft jedes Rohr auch diverse Prüfungen, wie auf Schweißnahtgüte und Berstdruckfestigkeit. Für Christoph Hauck, Geschäftsführer bei Kleinknecht, war es angesichts der Vielfalt der Rohre und der komplexen Transportwege zu unterschiedlichen Arbeitsstationen „schnell klar, dass wir uns hier von klassischen Konzepten verabschieden mussten. Nach reiflicher Abwägung der Kosten kamen nur kabellos gesteuerte Transportwagen in Frage. Dabei entschieden wir uns schließlich für IWLAN-Technologie von Siemens, die im Hinblick auf die geforderte Flexibilität und den gesamten Systemaufbau völlig neue Möglichkeiten eröffnete.“
Hauck spielt damit auf die gewachsene Infrastruktur des Kunden an. Bei einem Neubau auf der „grünen Wiese“ würde man alle Bearbeitungszentren entlang einer Produktionsstraße anordnen und mit Rollenförderern verbinden. Bei Bergrohr aber gibt es keine solche Straße, sondern einzelne, in der Halle verteilte Bearbeitungs- und Prüfstationen. Um nun die Rohre trotzdem möglichst effizient und vollautomatisch in der richtigen Reihenfolge zu fertigen, setzt das neue Konzept auf schienengebundene und IWLAN-gesteuerte, fahrerlose Transportsysteme (FTS) von Wilfried Strothmann GmbH aus Schloss Holte-Stukenbrock mit induktiver Stromversorgung. Im ersten Ausbau wurden insgesamt etwa 3 km Schienenwege und 120 Kreuzungen installiert, die von 40 FTS befahren werden.
 
Einfach schneller: Rapid Roaming
 
Kernstück der Lösung ist ein lückenloses IWLAN-Funkfeld, bestehend aus sieben so genannten Access Points vom Typ Scalance W788 1RR, die an strategisch günstigen Stellen in der Halle verteilt sind. Über abgesetzte Empfangsantennen sorgen sie für die optimale funktechnische Abdeckung sämtlicher Transportstrecken. Der besondere Vorteil der Scalance-Geräte: Die Funkverbindung zu den Transportfahrzeugen ist echtzeitfähig und bleibt unter allen Umständen erhalten, sowohl innerhalb des Funkfeldes eines Access Points, als auch wenn ein Transportfahrzeug aus dem Empfangsbereich eines Access Points heraus und in den eines anderen hineinfährt (Rapid Roaming). Diesen Funktionen liegt die iPCF- (Industrial Point Coordinated Function-) Technologie zugrunde.
Auf den Transportfahrzeugen befindet sich mit dem Scalance W747-1RR als Client-Modul das funktechnische Gegenstück zu den Access Points. Zwischen beiden wird eine permanente Verbindung aufgebaut. Die Steuerung der Gesamtanlage übernimmt eine übergeordnete (CPU417-4) und eine Profinet-fähige Kommunikationsbaugruppe CP443-1 Advanced. Sie übermittelt die entsprechenden Befehle über zwei Ethernet Switches vom Typ Scalance X-400 über die Access Points weiter an die Transportfahrzeuge, auf welchen eine Simatic S7 300 mit Kommunikationsprozessor CP343 1 Lean arbeitet.
Die Häufung der Komponenten aus dem Automatisierungsportfolio des Marktführers ist dabei kein Zufall, sondern bei Kleinknecht und Bergrohr erklärtes Ziel. „Wir setzen in 90 Prozent unserer Anlagen auf Siemens-Technik, weil deren Durchgängigkeit unsere Engineering-Kosten immer wieder erheblich reduziert“, erklärt Hauck und betont: „Hinzu kommen aber auch handfeste technische Vorteile, in diesem Fall das Rapid Roaming. Wir hatten bei Bergrohr aus Kostengründen zunächst ein Wettbewerbssystem im Einsatz, das mit einer Übergabedauer von mehr als einer Sekunde jedoch erhebliche Probleme bzw. wiederholte Notausschaltungen und entsprechende Betriebsunterbrechung zur Folge hatte.“
Die Access Points der Produktlinie Scalance W780 unterstützen den Standard IEEE 802.11 und eignen sich so zum Aufbau von Industrial Wireless LAN und für den Einsatz in Profinet-Umgebungen, zumal sie um wichtige Funktionen speziell für das industrielle Umfeld erweitert wurden. Ihr robustes Metallgehäuse und die Schutzart IP 65 erlauben den Einsatz unter härtesten Bedingungen, einschließlich hoher Staubbelastung, und selbst im Außenbereich bei Temperaturen von -20 bis +60 °C, denn das System ist resistent gegen Betauung.
Weitere Vorteile sind die abhörsichere Kodierung der Kommunikation durch WPA2/IEEE 802.11i und 128 Bit-Verschlüsselung (AES) sowie die hohe Datenrate von bis zu 54 Mbit/s, die auch komplexe Steuerungsprozesse mit einer Vielzahl von mobilen Teilnehmern erlaubt.
 
Sicherheit mit Handshake ohne Hürden
 
Eine der zentralen Fragen bei der Konzeption des neuen Systems war natürlich die Betriebssicherheit. Sicherheitsgerichtete Funktionen konnten zum Zeitpunkt der Projektierung über IWLAN zwar noch nicht dargestellt werden, doch zunächst einmal bewegen sich die FTS mit 18 m/min relativ langsam. Zu den Seiten hin sind sie mit einer Reißleine gesichert. Da die Rohre in Längsrichtung unterschiedlich weit über die Wagen hinausragen, können davor und dahinter keine genauen Sicherheitszonen festgelegt werden, wie sie beispielsweise der Einsatz von Laserscannern erfordern würde. Daher überwacht die Steuerung den Abstand von Wagen, die sich auf gleicher Schiene bewegen. In bestimmten, arbeitsintensiven Bereichen der Anlage, wie an den Einfahrten der Schweißstationen, sind Lichtschranken oder Näherungsschalter vorgesehen.
Der Weitertransport der Rohre erfordert in jedem Fall einen „Handshake“ zwischen den jeweiligen Arbeitsstationen: Erst wenn der Bediener der nächsten Station die Übernahme autorisiert, kann das FTS die vorherige Station verlassen. Jeder Bediener kann außerdem ungeplante Transporte auslösen, falls das Rohr aus Prozessgründen (z. B. optionale Bearbeitungsschritte, zusätzliche Qualitätskontrollen etc.) den ansonsten vorgegebenen Weg verlassen muss. Darüber hinaus hat Kleinknecht noch eine Priorisierung der Wagen an den Kreuzungen realisiert. So müssen u. U. Rohre an Kreuzungen warten, um Rohren der anderen Fahrstrecke Vorgang zu geben. Grundsätzlich haben Rohre innerhalb eines Fertigungsauftrages immer Vorrang gegenüber denen aus anderen Aufträgen. Ähnliches gilt für Rohre, die im Fertigungsprozess bereits weiter fortgeschritten sind als andere.
Am Leitrechner unter dem Visualisierungssystem Simatic WinCC lassen sich die jeweiligen Standorte der FTS und der Fertigungsstand der Rohre innerhalb eines Auftrags dynamisiert anzeigen.
 
Mobil und profitabel in die Zukunft
 
Die Anlage ist seit Januar 2007 sukzessive in Betrieb genommen worden und läuft seither zuverlässig ohne Ausfälle. „Wir sind sehr zufrieden mit dieser Lösung“, sagt Henning Grebe. „Sie erfüllt unsere Produktivitätskriterien und hat sich aus technischer Sicht als außerordentlich flexibel bewährt. Und abgesehen davon, dass ein konventionelles Netzwerk allein schon aufgrund der Weitläufigkeit und der Kreuzungen der Transportwege kaum realisierbar gewesen wäre, ist das IWLAN-System mit Abstand das kostengünstigere.“
Bergrohr erwägt nun auch die Umrüstung seiner älteren Hallen auf das neue System - einschließlich Integration der Sicherheitstechnik. Dazu müssten lediglich die Funktionen der bislang separat laufenden Sicherheitssteuerung, einer Simatic S7 400 mit Safety-CPU416 2F, in die Kopfsteuerung der Anlage eingebunden werden. Kleinknecht hat inzwischen für andere Kunden bereits mehrere Anlagen mit der Funktionalität Safety Integrated von Siemens über IWLAN installiert.
Im Zuge dieser Erweiterungen ist auch geplant, das neue IWLAN-fähige Simatic Mobile Panel einzusetzen, um unmittelbar in der Fertigung Zugriff auf jeden Wagen und jedes Bearbeitungszentrum zu haben. Erste Ansätze dazu sind mit einem separaten Access Point Scalance W bereits realisiert, der für Servicefälle reserviert ist. So kann schon heute jedes FTS gezielt für Wartungsarbeiten ausgesteuert werden.
Die Kunde von diesem innovativen Konzept hat sich mittlerweile weit über das Siegerland hinaus verbreitet und konkretes Interesse geweckt, sodass Bergrohr und Kleinknecht beschlossen haben, das System im Bereich der Schwerindustrie künftig gemeinsam zu vermarkten.

Simatic-netPROFINET bei Siemens

01.10.2008