La digitalisation booste de 20 % la production d'une cellule de pièces automobiles

L'augmentation de la taille et de la quantité de ses commandes a conduit le fabricant de pièces automobiles Felss Rotaform LLC (New Berlin, WI), basé au Wisconsin, à étendre ses opérations grâce à une nouvelle cellule de chargement de machines à double robot. L'entreprise est un fournisseur de pièces de précision utilisant ses procédés de rotatif, de formage axial et de formage d'extrémités de tubes. Pour atteindre les objectifs d'amélioration continue des processus de l'entreprise, la nouvelle cellule devait être plus sûre, plus rapide et plus flexible que ses cellules de fabrication précédentes.

Pour répondre à la complexité de l'automatisation, l'entreprise a contacté Siemens et l'intégrateur de systèmes IAS Inc. (New Berlin, WI) en raison de leur historique en innovation et de leur expertise en robotique intégrée et technologies de contrôle. Six mois plus tard, Felss Rotaform se retrouvait à exploiter une cellule de fabrication digitalisée et intégrée qui battait les records de productivité et de rentabilité de l'entreprise.

Lors de l'examen des exigences pour leur prochaine cellule robotique de nouvelle génération, Felss Rotaform avait plusieurs objectifs. Premièrement, elle voulait augmenter la productivité en déployant de nouveaux automates programmables haute vitesse pour atteindre des temps de cycle complet plus courts pour chaque pièce individuelle.

Deuxièmement, elle voulait explorer une solution de sécurité plus avancée garantissant un meilleur contrôle de qui entrait dans la cellule. Dans les anciennes cellules, une machine pouvait être accidentellement mise en marche lorsqu'une personne de maintenance était présente dans la cellule, exposant cet individu à un risque de blessure. Pour éviter cela, Felss Rotaform voulait un processus automatisé garantissant que la cellule était vide une fois redémarrée.

Troisièmement, elle voulait plus de flexibilité pour les changements de série, ce qui permettrait à l'entreprise de tester et de fournir une gamme de produits plus diversifiée à ses clients. Les anciennes cellules nécessitaient que toute la cellule soit reprogrammée chaque fois qu'un nouveau processus était effectué, ce qui pouvait prendre des jours.

L'objectif initial de Felss Rotaform était un temps de cycle complet de 48 secondes pour chaque pièce dans la nouvelle cell (bien plus rapide que n'importe laquelle de ses anciennes cellules). La conception et la mise en œuvre de la solution ont accéléré le processus complet de production de pièces à 38 secondes, une amélioration d'efficacité de 20 %. Une fois la nouvelle cellule implémentée, les temps d'arrêt sont passés de jours à heures pour les changements de série complexes et, pour les changements de série programmés typiques, ce qui prenait huit heures ne prend maintenant que 15 minutes, selon Chad Due, ingénieur contrôles électriques chez Felss Rotaform.

« Cette nouvelle cellule peut produire en deux équipes ce qui nécessitait auparavant trois. Cela nous permet de produire 600 pièces supplémentaires sur une période de 24 heures. De plus, la rentabilité de la cellule a augmenté de 13 % », a déclaré Due.

Richard Parkhurst, gestionnaire de compte chez Siemens, savait qu'IAS serait fortement positionné pour atteindre les objectifs de Felss Rotaform. « Certains intégrateurs font strictement du développement logiciel et d'autres sont plus habiles à construire et assembler le matériel. IAS a apporté une combinaison de toutes les compétences et expertises nécessaires, y compris la robotique et les capacités d'ingénierie de sécurité », a-t-il dit.

IAS a reconnu que les produits Siemens seraient critiques pour aider Felss Rotaform à atteindre ses objectifs en fournissant la vitesse, la fiabilité, la flexibilité et la sécurité requises. Par exemple, une colonne vertébrale de communication digitalisée Siemens PROFIsafe basée sur Ethernet a été conçue dans la cellule pour contrôler la sécurité de la machine et du périmètre. Une communication sûre est fournie entre les différents automates et robots. PROFIsafe relaie les informations de statut des dispositifs à l'intérieur de la cellule vers l'automate principal et offre un gros avantage sur l'ancienne technologie car la communication standard et la communication de sécurité se font via un seul système de bus.

Tous les capteurs et actionneurs dans la solution PROFIsafe peuvent être programmés librement dans le concept de sécurité distribuée, indépendamment de leur station E/S. Cette flexibilité permet aux opérateurs de désactiver sélectivement les actionneurs. D'autres avantages incluent des communications à sécurité intégrée, des diagnostics avancés et des capacités de hot-swapping, qui aident à réduire les temps d'arrêt.

Les automates Siemens Simatic S7-1500 avec interface Profinet intégrée ont également joué un rôle majeur dans l'augmentation des vitesses opérationnelles. Le bus arrière haute vitesse, avec son débit élevé et son protocole de transmission efficace, offre un avantage de performance crucial pour un traitement rapide des signaux.

Selon Simon Vancina, ingénieur applications chez IAS et principal programmeur robotique et automate, « L'automate S7-1513F était un excellent choix pour ce projet en raison de sa vitesse, de sa gamme de cartes d'extension E/S disponibles, de sa fonctionnalité de contrôleur de sécurité programmable, de son format relativement compact et de son faible coût. »

Le portail TIA de Siemens a joué un rôle critique dans la gain de temps et de ressources d'ingénierie lors de la programmation de tous les automates et IHM. L'utilisation du portail TIA raccourcit le time-to-market grâce à des outils de simulation, des outils de productivité pour les programmeurs, et des diagnostics supplémentaires.

« Le portail TIA me permet d'écrire le code comme je veux et de passer d'un langage de programmation à un autre quand j'en ai besoin », a dit Vancina. « Par exemple, avec le portail TIA, je pouvais choisir le langage Ladder pour rendre des sections logiques simples plus faciles à lire, puis sur la ligne de code suivante basculer vers quelque chose comme du Structured Text pour implémenter des contrôles de processus ou des calculs plus complexes. Presque tous les automates permettent l'utilisation des divers langages de programmation CEI 61131-3, mais le portail TIA vous permet de les combiner d'une manière unique et efficace. C'est une fonctionnalité très pratique qui nous permet de réduire notre temps de développement de code et nous a permis de mettre ce système en ligne beaucoup plus vite. »

Avec le projet implémenté, Felss Rotaform a immédiatement vu des avantages au-delà de ses objectifs principaux. Les grands constructeurs automobiles cherchent toujours à tester de nouveaux produits. Ils comptent sur leurs fournisseurs pour les assister dans le processus de test. Les fournisseurs les plus réactifs dans la phase de test sont souvent récompensés par de nouveaux contrats.

La nouvelle cellule de fabrication chez Felss Rotaform a été conçue avec les tests de produits à l'esprit. Elle peut exécuter six numéros de pièce différents en une semaine, ce qui prend un mois entier sur une autre cellule.

La nouvelle cellule est également bien plus avancée dans sa capacité à détecter les pièces défectueuses. Pour des fabricants comme Felss Rotaform, la traçabilité joue un rôle clé dans la réduction des coûts d'exploitation. La cellule peut aider à empêcher l'expédition de pièces défectueuses en les détectant et les plaçant dans un bac séparé, allant jusqu'à arrêter la cellule et alerter l'opérateur si les défauts surviennent trop fréquemment. Si une pièce défectueuse est expédiée et découverte par le client, cela pourrait signifier le retour d'une expédition entière, coûtant au fournisseur des centaines de milliers de dollars.

IAS et Siemens testent actuellement deux cellules robotiques similaires qui seront implémentées en 2018 et incluront un meilleur suivi de maintenance pour une fabrication digitale plus avancée. Le nouveau système suit depuis combien de temps une machine fonctionne et indique quand les pièces critiques approchent de leurs seuils de temps de cycle projetés.

Une solution explorée est MindSphere, un système d'exploitation IoT ouvert basé sur le cloud qui sert de plateforme connectée avec des applications offrant une gamme de fonctions, telles que la réduction des risques de sécurité et l'amélioration de la disponibilité des machines et usines connectées.

De plus, le nouveau système intégrera l'analytique prédictive pour envoyer une alerte sur les problèmes potentiels au contrôle maître de la cellule. « Le nouveau système vous dit ce qui doit être remplacé et quel type de pièce le système nécessite. Vous scannez la pièce avant de l'installer et il vous dit si c'est la bonne pièce pour cette machine », a dit Vancina.

Pour plus d'informations de Siemens, rendez-vous sur www.siemens.com, ou appelez le 847-640-1595 ; pour IAS, allez sur www.iasworldwide.com, ou appelez le 866-243-2402.