Elektrokonstruktion im Anlagenbau durch regelbasierte Konfiguration

Die Zahnen Technik GmbH in Arzfeld/ Eifel begleitet ihre Kunden national und international bei der Optimierung, Modernisierung und dem Neubau ihrer Wasser- und Abwasseranlagen. Seit das Unternehmen das Engineering-Tool EPLAN Engineering Configuration (EEC) in Verbindung mit EPLAN Electric P8 und EPLAN Pro Panel einsetzt, sparen die Elektrokonstrukteure bei der Schaltplanerstellung 50 bis 60% Zeit. Diese Zeit kann man gut nutzen, um anspruchsvolle und innovative Technologien in die Praxis umzusetzen. Die Kunden profitieren davon.

Höhere Qualität, niedrige Kosten und kürzere Termine: In diesem Zieldreieck sehen sich die Unternehmen im Maschinen- und Anlagenbau (Abb. 1). Die Grafik symbolisiert, dass die Verbesserung einer dieser drei Faktoren zwangsläufig zu Lasten der anderen beiden geht. Und wenn es gelingt, zwei Faktoren wie zum Beispiel Kosten und Zeit zu verbessern, leidet der dritte Parameter, in diesem Fall die Qualität. Ziel ist es, Lösungen zu finden, die alle drei Engineering-Faktoren bestmöglich und gleichzeitig optimieren.

Anlagenplanung und –bau für die Wasser- und Abwassertechnik

Grundsätzlich ändern lässt sich dieser Zusammenhang nur durch neue Prozesse und Arbeitsabläufe. Dieses Ziel hatte sich die Zahnen Technik GmbH gesetzt. Das Unternehmen, das seit 1992 von Herbert Zahnen geleitet wird, begleitet seine Kunden national und international bei der Optimierung, Modernisierung und dem Neubau ihrer Wasser- und Abwasseranlagen – einschließlich MSR-Technik, Software-Programmierung und Anbindung an die Prozessleittechnik. Im Anschluss an die Planung übernimmt Zahnen auch den Schaltanlagenbau. Und der eigene Stahl- und Rohrleitungsbau schafft die Voraussetzung für die Fertigung von Komponenten sowie – auch das kommt häufig vor – die umfassende Modernisierung vorhandener Anlagen.

Komplexe Projekte

Die Konzentration auf diesen anspruchsvollen Anwendungsbereich hat zur Folge, dass Zahnen meist sehr komplexe Projekte bearbeitet. Benedikt Ney, Entwicklung Zahnen Water Engineering Performance: „Jedes Projekt ist individuell. Lösungen von der Stange gibt es nicht.“ (Abb. 2 und 3) In diesem Markt sind zumeist öffentliche Auftraggeber wie Kommunen und Abwasserverbände die Kunden, und Zahnen behauptet sich hier sehr gut, wie das rasche Unternehmenswachstum beweist.

An dieses Wachstum muss auch kontinuierlich der betriebsinterne Workflow angepasst werden – eine Aufgabe, die das Unternehmen sehr ernst nimmt. Herbert Zahnen: „Als wissensbasiertes Unternehmen forcieren wir einen technischen Fortschritt, der im Dienst des Menschen steht. Und wir befinden uns gerade auf dem Weg vom Handwerks- zum Industriebetrieb. Deshalb mussten und müssen auch die Engineering-Prozesse entsprechend verändert werden.“

Ziele: Durchgängiger Workflow – höherer Automatisierungsgrad

Das Ziel dieser Veränderungsprozesse stand von vorneherein fest: Gewünscht war der Schritt von der Konstruktion zur weitestgehend automatisierten Konfiguration von Schaltanlagen. Allerdings war es ironischerweise das rasche Wachstum, das im ersten Schritt diesen Wandel hemmte. Herbert Zahnen: „Als Anwender von EPLAN Electric P8 stand für uns fest, dass wir EPLAN Engineering Configuration (EEC) als Schaltplan-Konfigurator einsetzen und in einen durchgängigen IT-gestützten Workflow implementieren wollten. Mit der Umsetzung mussten wir uns dann etwas länger gedulden als geplant, weil die rasche Expansion einen beschleunigten Neubau und Umzug des Unternehmens erforderlich machte – und diese ´Baustelle´ ging erst einmal vor.“

Diese Zeit wurde aber gut genutzt, um die Einführung des EEC gründlich vorzubereiten. Im Rahmen seiner Bachelorarbeit untersuchte Benedikt Ney die Möglichkeiten des ganzheitlichen Engineerings und kam beim Vergleich verschiedener Systeme unter anderem zu dem Schluss, dass das EEC tatsächlich das richtige Werkzeug für diese Aufgabe ist. Die darauffolgende Masterarbeit im Jahr 2013 hatte die Schaffung eines ganzheitlichen Engineerings und eine Teilautomatisierung der elektrotechnischen Fertigung zum Thema, und es ist nur folgerichtig, dass Benedikt Ney das Projekt nach Abschluss seines Studiums auch umsetzte.

Zu diesem Zeitpunkt kam auch das Consulting von EPLAN ins Spiel. Benedikt Ney: „Anfang 2014 haben wir den Zeitplan und die Meilensteine definiert und damit begonnen, Makros und Standards festzulegen.“ Dabei galt es zu berücksichtigen, dass Zahnen nicht für den Maschinenbau, sondern für den Anlagenbau arbeitet. „Bei uns geht es immer um Unikate und Sonderlösungen. Wir streben eine Standardisierung an, aber nicht die 100%ige Generierung, da in jedem Auftrag ein projektspezifisches Individual-Engineering erforderlich ist. Hierbei handelt es sich um Anpassungen und Details, deren Standardisierung und Aufnahme in den Baukasten aus mangelndem Wiederverwendungspotential nicht lohnenswert ist.“

Schritt für Schritt zur durchgängigen Konstruktion

Der erste Schritt in der Umsetzung kann umgangssprachlich als „Aufräumen“ bezeichnet werden: Gemeinsam wurden Basisprojekte definiert und erste Makrodaten angelegt. (Abb. 4). Benedikt Ney: „Aus abgeschlossenen Projekten haben wir wiederverwendbare Komponenten abgeleitet. So ist ein ´Baukasten´ entstanden, aus dem sich unsere Anlagen zusammensetzen.“

Ein Beispiel: Beim Konfigurieren wählt der Konstrukteur nun Funktionen wie „Temperaturmessung“, spezifiziert sie durch Angabe von Hersteller, Messprinzip und Bussystem und verknüpft sie funktional mit anderen Funktionen bzw. Komponenten (Abb. 5).

Bei Zahnen Technik wurde nicht nur das EEC zur Konfiguration von Schaltplänen implementiert, sondern auch EPLAN Pro Panel, das eine 3D gestützte Konstruktion bzw. Layout Planung von Schaltschränken ermöglicht– mit direkter Anbindung an die Fertigung. Zu diesem Zweck hatte Zahnen bereits ein neues CNC-Bearbeitungszentrum angeschafft. Die Daten gehen direkt aus der Konstruktion an die CNC-gestützte Fertigung.

Nach diesen Vorarbeiten starteten die Konstrukteure – begleitet vom EPLAN-Consulting – Anfang 2015 ein erstes Pilotprojekt im EEC, das auf Anhieb erfolgreich verlief. Benedikt Ney: „Auf der organisatorischen Ebene gibt es für jedes Projekt einen Projektentwickler, der die in Teileinheiten gegliederten Unterlagen zusammenstellt und dem Konstrukteur übergibt. Dieser nutzt den Baukasten des EEC, um funktional gegliederte Stromlaufpläne zu erzeugen.“ Darauf aufbauend erfolgt dann das projektspezifische Individual-Engineering, wie z.B. die Erstellung des Schaltschrank-Aufbaus.

Zeiteinsparung von 50 bis 60%

Nach diesem Prinzip arbeiten die sieben Elektrokonstrukteure von Zahnen seit Januar 2016 – und das Ergebnis ist messbar. Benedikt Ney: „Bei der Schaltplanerstellung sparen wir 50 bis 60% Zeit. Und weil die Standardelemente automatisiert konstruiert werden, entstehen auch keine Fehler durch Copy & Paste.“ Damit sind – um auf das eingangs erwähnte Zieldreieck zurückzukommen – zwei von drei Kernfaktoren deutlich verbessert worden. Und auch bei dem dritten Faktor, den Kosten, ergeben sich Vorteile, weil die Arbeitszeit und damit die Arbeitskosten verringert wurden.

Das EEC bei Zahnen ist so aufgebaut, dass es die Berücksichtigung von Kundenstandards zulässt. Dieser wird im Vorfeld analysiert und anschließend im EEC abgebildet. Die Anbindung an das ERP-System ermöglicht einen durchgängigen Workflow in Richtung Einkauf, Kalkulation und Produktionsplanung. Schon beim Konfigurieren der Elektrokonstruktion entstehen Arbeitspakete mit detaillierter Zeitplanung, die für einen strukturierteren Durchlauf der „Hardware“ durch die Produktion sorgen.

Schaltplankonfigurator wird umfassend genutzt

Die Konstrukteure von Zahnen nutzen EPLAN Engineering Configuration (EEC) nicht nur zur „reinen“ Elektrokonstruktion, sondern auch für das automatisierte Erstellen z.B. von SPS-Codes, Pflichtenheften und Dokumentationen. Mit dem neuen Workflow hat Zahnen nicht nur eine schnellere und qualitativ bessere Elektrokonstruktion implementiert, sondern auch bessere Voraussetzungen dafür geschaffen, dass das Unternehmen seinen Kunden hochwertige und innovative Lösungen anbietet. Benedikt Ney: „Die Konstrukteure sollen keine Wiederholaufgaben erledigen – das lässt sich automatisieren. Sie sollen ihre Intelligenz einbringen, um die besten technischen Lösungen zu erarbeiten und um neue Technologien für unsere Kunden nutzbar zu machen.“ Das gilt sowohl für die Betriebssicherheit der Anlagen als auch für deren Effizienz: Hier gibt es immer wieder neue Entwicklungen, die den Konstrukteur herausfordern und mit denen Zahnen den Betreibern von Wasser- und Abwasseranlagen echte Vorteile bieten kann. Denn – und hier schließt sich der Kreis: Aus der Sicht des Kunden erhöht der Standardisierungsprozess in der Organisation maßgeblich die Fähigkeit zur Umsetzung von individuellen Kundenwünschen (Abb. 6).