Durchgängiges Tool sorgt für fehlerfreie Schweißpunkte

Beim Widerstandsschweißen treffen Extreme aufeinander: Um zuverlässige Verbindungen zu schaffen, sind sehr hohe Ströme und minimale Bewegungen zu regeln und zu überwachen. Für die lückenlose Kontrolle dieser wichtigen Parameter setzt Vitesco Technologies, Nürnberg, in der Inverterproduktion für Hybrid-Fahrzeuge auf TwinCAT Analytics von Beckhoff. 

Als Zulieferer von Systemlösungen und Komponenten für Verbrennungs-, Hybrid- und Elektroantriebe, stellt Vitesco Technologies höchste Ansprüche an Qualität und Zuverlässigkeit der produzierten Komponenten. „Deshalb hat die kontinuierliche Überwachung unserer Widerstandsschweißanlagen einen hohen Stellenwert“, betont Eduard Fackelmann, Head of FF2 Industrial Engineering bei Vitesco Technologies. Auf zwei Anlagen mit mehreren Schweißstationen werden je Inverter eine unterschiedliche Anzahl von Pins geschweißt - je nach Variante können das bis zu 30 Verbindungen sein. Dazu müssen die Stromschienen aus Kupfer exakt ausgerichtet und flächig leicht aneinandergedrückt werden. Anschließend werden die Stromschienen von den beiden Elektroden kontaktiert und mit bis zu 7.000 A hohen Strömen und der daraus resultierenden Wärmeentwicklung an den Flächen verschweißt. Dabei bewegen sich die Schweißzangen aufgrund des leichten Andrückens während des Schweißvorgangs minimal, abhängig vom Pin-Typ zwischen 400 und 800 µm. 

Die Stromstärke und das Bewegungsprofil der Schweißkontakte während des Schweißvorgangs sind wesentliche Qualitätsparameter. Übersteigt der gemessene Schweißweg z. B. eine bestimmte Grenze, ist ggf. der Verschleiß der Elektrode zu groß und signalisiert einen Austausch. „Diese Kenngrößen wollten wir online überwachen und statistisch auswerten, um eine Drift der relevanten Kennwerte rechtzeitig zu erkennen und umgehend Gegenmaßnahmen einleiten zu können – bevor es überhaupt zu qualitätskritischen Schweißungen kommen kann“, skizziert Eduard Fackelmann die Zielsetzung des Projekts. 

Umfassende Datenanalyse und -visualisierung 

Da Vitesco Technologies schon seit über 20 Jahren mit PC-based Control von Beckhoff automatisiert, sind auch diese Anlagen mit TwinCAT 2 programmiert. „Das hat die Integration von  
TwinCAT 3 Analytics als statistisches Auswertetool natürlich erleichtert“, so Christoph Rügheimer, Applikationsingenieur bei Beckhoff. Mit TwinCAT 3 IoT Data Agent werden die Daten zyklisch von der Steuerung abgerufen und an einen Message Broker geschickt, welcher auf einem Ultra-Kompakt-Industrie-PC C6032 läuft. Dieser sendet die Daten zu einem zweiten C6032, auf dem die kontinuierliche 24/7-Datenanalyse mittels TwinCAT Analytics und der Webserver für TwinCAT HMI laufen. Diese Trennung von Datenerfassung und Datenauswertung wurde bewusst gewählt, um für zukünftige Erweiterungen alle Möglichkeiten offen zu haben. „Die Experten von Beckhoff haben uns bei der Entwicklung des Algorithmus und der Integration in die vorhandene Infrastruktur unterstützt“, erinnert sich Eduard Fackelmann. 

Die Analyse bewertet für die letzten „N“ Inverter-Baugruppen für jeden Pin den Schweißweg und ordnet diesen einer der drei Klassen zu:  
1 (grün), 2 (orange) oder 3 (rot). Aus dem bestehenden Steuerungsprogramm der Anlage mussten dazu die richtigen Daten identifiziert und definiert werden, um die gewünschten Darstellungen zu ermöglichen. In der Detailübersicht wird für jeden einzelnen Pin die Schweißung in Form eines Smilies dargestellt. Auf einem anderen Dashboard lassen sich für jede einzelne Schweißstation die Ergebnisse jeder der auf ihr gefertigten Verbindung anzeigen − ebenfalls in Form von Smilies, die auf Wunsch von Vitesco Technologies in die Dashboards implementiert wurden. Ein grüner Peak signalisiert wiederum, dass eine Inverter-Baugruppe gefertigt wurde. Über den zeitlichen Abstand der Peaks kann der Maschinenführer auf einen Blick sehen, mit welcher Taktzeit die Maschine gerade läuft, ob sich der Maschinentakt verändert und ggf. wie viele Minuten die Maschine bereits steht. „Diese einfache visuelle Darstellung steigert die technische Verfügbarkeit der beiden Schweißanlagen deutlich und vermeidet Fehler“, betont Eduard Fackelmann. 

Ein anderer Screen visualisiert den zeitlichen Verlauf der Stati jeder einzelnen Station. Damit haben die Maschinenführer die Möglichkeit, den zeitlichen Verlauf des Kennwerts einzeln für jede Station zu analysieren und zu erkennen, ob die Kenngröße gerade an der Grenze zwischen grün und orange liegt oder noch weit vom Grenzwert entfernt ist. Das Delta zwischen den Klassen ist dabei minimal, konkret jeweils 40 µm.  

„Für die Dashboards wurden vorhandene HMI Controls mit den entwickelten Algorithmen verknüpft“, so Christoph Rügheimer. Und da die mit TwinCAT Analytics automatisch generierten Projekte für die Steuerung komplett quelloffen sind, kann das Industrial-Engineering-Team von Vitesco Technologies ihre kundenspezifischen Erweiterungen einfach einpflegen. 

Durchgängige und flexible Analyse-Workbench 

Für die Auswertung und Visualisierung der Daten an den beiden Anlagen nutzt Vitesco Technologies zwei Ultra-Kompakt-Industrie-PCs C6032-0060 jeweils mit batteriegestützter USV CU8130-0120 und Stromversorgung PS2001-2420-0000. An Software kommen wie erwähnt TwinCAT 3 Analytics Workbench (TE3500), TwinCAT 3 Analytics Runtime (TF3550), TwinCAT 3 IoT Data Agent (TF6720) und  TwinCAT 3 PLC (TC1200) zum Einsatz. 

„Die Möglichkeit, Algorithmen der TwinCAT Analytics Workbench untereinander frei zu verschalten und mit Eingängen, Ausgängen und Parametern zu neuen Algorithmen als Templates dem bestehenden Projekt hinzufügen zu können, hat den Entwicklungsprozess wesentlich beschleunigt“, so Christoph Rügheimer. Der Algorithmus für die Auswertung eines Pins, konnte so für alle anderen einfach instanziiert und parametriert werden. Über die Bildung von Netzwerken ließen sich die einzelnen Analyse-Abschnitte leicht gruppieren, die Struktur der Maschine bzw. des Prozesses abstrahieren und auf diesem Weg in das TwinCAT-Analytics-Projekt übernehmen. 

Autor: Stefan Ziegler, Editorial Management PR, Beckhoff Automation