Modulare Maschinen

Warum Maschinen modular aufbauen?

Der Kerngedanke der Modularität im Maschinenbau ist, komplexe Maschinen in Module zu unterteilen, so dass diese mit einer steigenden Anzahl an Gleichteilen individuell zusammengestellt werden können.  Die Varianz an Maschinentypen wird durch die Kombinationen dieser Module abgebildet. Aufgrund der so erzielten Skaleneffekte lassen sich modulare Maschinen schneller und kosteneffizienter fertigen. Zudem können sie schneller in Betrieb genommen und flexibler erweitert werden.

Damit sich die Einheiten einfach und schnell miteinander kombinieren lassen, benötigt man standardisierte Schnittstellen: mechanisch, aber auch zur Übertragung von Leistung, Kommunikation und ggf. Druckluft. Modularität ist keine Eigenschaft, die sich mit kategorischem Ja, Nein beantworten lässt. Sie folgt vielmehr einem Verlauf von geringer bis zu absoluter Modularität.

Dezentrale Automatisierung fördert Modularisierung

Mit Punkt-zu-Punkt-Verdrahtung im zentralen Schaltschrank ist eine konsequente Modularisierung nicht möglich. Der Tausch eines Moduls oder die Erweiterung einer Maschine werden durch diese zentralen Strukturen erschwert. Maschinenmodule benötigen autarke Strukturen. Diese können in kleinen Vor-Ort-Schaltkästen am Modul mit IP20-Komponenten realisiert werden.

Allerdings sind Verdrahtung und Installation meist aufwendiger als bei Komponenten in Schutzart IP67, die sich ohne weitere Schutzmaßnahmen direkt an der Maschine montieren lassen. Wenn jedoch bestimmte Komponenten nicht in IP67 vorliegen oder besondere Anforderungen an hygienisches Design, Nahrungsmittelkonformität oder Chemiefestigkeit gestellt werden, so kommt man an IP20-Lösungen im Schutzgehäuse oft nicht vorbei.

Automatisierungskomponenten in IP67 erleichtern die Interkonnektivität von Modulen. Dezentrale I/O-Komponenten zur Montage direkt im Feld erlauben es, Signale direkt am Ort der Entstehung am Modul einzusammeln und per Ethernet-Verbindung von Modul zu Modul zu koppeln – ganz ohne Schaltschrank. Das spart Installationskosten und verkürzt Inbetriebnahmezeiten beim Endkunden.

IP67-Spanner übersetzen zwischen Ethernet-Protokollen

Maschinen und Module mit unterschiedlichen Ethernet-Protokollen können über sogenannte Spanner direkt im Feld mit minimalem Aufwand gekoppelt werden. Durch die Nutzung von marktüblichen Kommunikations-Standards gestalten sich Inbetriebnahmen und Interkonnektivität leicht und effizient. Das gilt für modularen Maschinenbau in besonderem Maße.

Dezentrale Safety-Konzepte

Auch Anwendungen, die eine sichere Automatisierung benötigen, lassen sich in einer modularen Aufbaustrategie planen und umsetzen. So kann mit dem gleichen Konzept der Energie- und Datenversorgung auch jedes sichere Signal von Sensoren oder Not-Aus-Schaltern einfach und effizient eingesammelt werden.

Sicherheitsfunktionen sind auch dezentral von IP67-Safety-Controllern direkt an den Modulen steuerbar. Hohe Zykluszeiten zu zentralen Sicherheitsteuerungen werden so vermieden, was letztlich geringere Sicherheitsabstände an der Maschine ermöglicht. Weitere Vorteile dezentraler Safety-Lösungen finden Sie auf unserer Technologie-Seite zur Maschinensicherheit..

Modularisierung von Steuerungslösungen

Konsequente Modularisierung erfordert auch die Verlagerung unterschiedlicher Steuerungsfunktionen ins Maschinenmodul. Diese Funktionen können entweder von I/O-Systemen mit integrierter Logiksteuerung ausgeführt werden oder von echten Kompakt-SPSen. Beide Produktgruppen, sowohl I/O-Module als auch Steuerungen, können in IP20 in Schaltkästen ausgelegt werden oder als IP67-Variante zur Montage direkt im Feld – wobei die schaltschranklose Variante in IP67 deutliche Vorteile in puncto Verdrahtung und Flexibilität bietet. Ausgelagerte Sicherheitslogik im I/O-Modul kann noch weitere Vorteile bieten, beispielsweise die schnelle Ausführung von Sicherheitsfunktionen oder eine insgesamt günstigere Sicherheitsarchitektur, da keine zentrale Sicherheitssteuerung oder F-CPU benötigt wird.

Die Controller vor Ort kommunizieren zur Kontrolle, Dokumentation oder Visualisierung mit übergeordneten Steuerungen oder HMIs. Die Auswahl der passenden Steuerungslösung erfolgt abhängig von Art und Dimension der Maschine. Überdimensionierte Steuerungslösungen lassen sich so vermeiden. Der Aufwand für den Anwender bleibt minimal, während die Effizienz der Maschine steigt. Da das Logikmodul vor Ort die Daten bereits vorverarbeitet, müssen nur noch relevante Prozessinformationen an übergeordnete Steuerungen übermittelt werden. 

Intelligenz in die Feldebene verlagern

Die Verlagerung von Intelligenz ins Feld muss Software-seitig im Engineering abgebildet werden. Die Maschinenmodule verarbeiten als autarkes System die Inputs benachbarter Module und ermitteln daraus ihre Aktionen. Je nach Komplexität eines Moduls kann dies von I/O-Komponenten mit logischen Funktionen oder von Feld-SPSen geleistet werden. An der Schnittstelle zwischen zwei Maschinenmodulen wird dann nur die fürs Nachbarmodul notwendige Information übertragen.

Die Verlagerung von Software-Funktionen kann viele Vorteile bieten:

• Entlastung der Haupt-Kommunikationsverbindung
• Entlastung der Hauptsteuerung – bis hin zum vollständigen Ersatz
• Modul-Tests vor Inbetriebnahme und Verkettung
• Modulintegration von Drittherstellern wird erleichtert, da die zentrale Steuerung unverändert bleiben kann
  Einfache Anlagenerweiterung

Je konsequenter Maschinen modularisiert und Intelligenz dezentralisiert wird, desto stärker gerät dabei die rigide Struktur der Automatisierungspyramide ins Wanken. Die Hierarchien werden insbesondere auf der Sensorik/Aktorik- sowie der I/O- und Steuerungsebene durchlässiger.

Modulare Maschinen bei TURCK: Häufig gestellte Fragen

1. Was sind Modulare Maschinen und warum werden Modulare Maschinen eingesetzt?

Modulare Maschinen bestehen aus standardisierten Maschinenmodulen, die flexibel kombiniert werden können. Modulare Maschinen bilden unterschiedliche Maschinentypen durch die Kombination einzelner Module ab. TURCK beschreibt Modularität als Möglichkeit, Maschinen schneller und kosteneffizienter zu fertigen, schneller in Betrieb zu nehmen und einfacher zu erweitern.

2. Welche Rolle spielt dezentrale Automatisierung bei Modularen Maschinen?

Modulare Maschinen benötigen laut TURCK autarke Strukturen innerhalb der einzelnen Module. Dezentrale Automatisierung ermöglicht die Verlagerung von Signalerfassung und Steuerungsaufgaben in die Maschinenmodule. Dafür kommen IP20-Komponenten in Schaltkästen oder dezentrale Komponenten in Schutzart IP67 direkt an der Maschine zum Einsatz.

3. Welche TURCK-Komponenten eignen sich für Modulare Maschinen?

Modulare Maschinen können mit dezentralen I/O-Komponenten in IP67, IP67-Safety-Controllern, Feld-SPSen sowie I/O-Systemen mit integrierter Logiksteuerung realisiert werden. TURCK beschreibt diese Komponenten als Grundlage für Maschinenmodule mit eigener Signalverarbeitung, Steuerung und Sicherheitslogik.

4. Wie kommunizieren Module in Modularen Maschinen miteinander?

Modulare Maschinen nutzen Ethernet-Verbindungen zur Kopplung einzelner Module. Dezentrale I/O-Komponenten sammeln Signale direkt am Ort ihrer Entstehung und übertragen diese zwischen den Modulen. TURCK beschreibt zudem IP67-Spanner, die Maschinenmodule mit unterschiedlichen Ethernet-Protokollen direkt im Feld verbinden können.

5. Welche Ethernet-Protokolle können in Modularen Maschinen verbunden werden?

Modulare Maschinen können unterschiedliche Ethernet-Protokolle miteinander koppeln. TURCK beschreibt IP67-Spanner, die zwischen Profinet, EtherNet/IP und Modbus TCP übersetzen. Dadurch lassen sich Module mit verschiedenen Kommunikationsstandards in einer gemeinsamen Maschinenarchitektur verbinden.

6. Wie wird Maschinensicherheit in Modularen Maschinen umgesetzt?

Modulare Maschinen können Sicherheitsfunktionen dezentral in den einzelnen Modulen ausführen. TURCK beschreibt den Einsatz von IP67-Safety-Controllern, die Sicherheitsfunktionen direkt am Modul steuern. Sicherheitsrelevante Signale von Sensoren oder Not-Aus-Schaltern lassen sich dabei mit demselben Konzept für Energie- und Datenversorgung erfassen.

7. Welche Rolle spielen Steuerungen und Software bei Modularen Maschinen?

Modulare Maschinen verlagern Steuerungsfunktionen in die einzelnen Maschinenmodule. TURCK beschreibt den Einsatz von I/O-Systemen mit integrierter Logiksteuerung sowie Feld-SPSen. Die Maschinenmodule verarbeiten Eingänge benachbarter Module eigenständig und übertragen nur die für andere Module erforderlichen Informationen.

8. Wie unterstützen Modulare Maschinen Visualisierung und übergeordnete Steuerungen?

Modulare Maschinen nutzen lokale Steuerungen für die Ausführung von Funktionen innerhalb des Moduls. Die Controller kommunizieren zur Kontrolle, Dokumentation oder Visualisierung mit übergeordneten Steuerungen oder HMIs (Human Machine Interfaces). TURCK beschreibt diese Architektur als Möglichkeit, Steuerungsaufgaben bedarfsgerecht zu verteilen.

9. Welche Kosten- oder Lizenzmodelle nennt die Quelle für Modulare Maschinen?

Der Quelltext enthält keine Angaben zu Lizenzmodellen oder Softwarekosten für Modulare Maschinen. TURCK beschreibt technische Konzepte zur Modularisierung von Maschinen, zur dezentralen Automatisierung und zur Kommunikation zwischen Modulen. Wirtschaftliche Kennzahlen oder Lizenzinformationen werden nicht genannt.

10. In welchen Anwendungen werden Modulare Maschinen eingesetzt?

Modulare Maschinen kommen in unterschiedlichen Industrien zum Einsatz. Beispiele aus dem Quelltext umfassen modulare Produktionsanlagen, Fördersysteme, Maschinen mit sicheren Automatisierungsfunktionen sowie Anlagen, die unterschiedliche Ethernet-Protokolle miteinander verbinden müssen. Ein Pharmaunternehmen kann modulare Skids einsetzen, während ein Maschinenbauer flexible Produktionsmodule kombiniert.