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.

Aus mehreren Teilen zusammengesetzte modulare Maschine mit dezentralen I/O-Komponenten in IP67

Dezentrale I/O-Module in IP67 erleichtern Interkonnektivität und minimieren den Verdrahtungsaufwand


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.

Drei graue stilisierte Maschinen stehen je auf einem Feld mit dem Logo der Ethernet-Protokolle Profinet, Ethernet/IP und Modbus TCP

Vereinfachte Internationalisierung: Spanner übersetzen zwischen Ethernet-Protokollen

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.

Skizze zeigt den schematischen Aufbau einer Sicherheitsapplikation mit HMI, , Ethernet-Verbindungsleitungen, Icons für Sicherheitsfunktionen und I/O-Modulen zur Anbindung derselben

Die Safety-Module steuern für jedes Modul Sicherheitsfunktionen während das HMI/SPS die Standard-Applikation steuert

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.

Video: Wie modulare Maschinen Flexibilität schaffen

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.

Links eine dreieckige Grafik der Automatisierungspyramide in fünf Schichten, in der Mitte die dreieckige Grafik mit ikonischen Maschinenfunktionen, auf der rechten Grafik sind  Maschinenfunktionen frei miteinander verbunden

Dezentralisierte Intelligenz bricht die starren Strukturen der klassischen Automatisierungpyramide auf

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.

Modularisierung als Fortschrittsmotor

Dass sich die Modularisierung auch im Maschinenbau durchsetzen wird, ist nur folgerichtig. Andere Industrien haben die Entwicklung von der Manufaktur zur Serienfertigung bereits vollzogen. Wenn Dinge in Serie gefertigt werden, lassen sich über Skaleneffekte Effizienzgewinne realisieren. Monotone Vorgänge werden automatisiert und Mitarbeiter für kreative, wertschöpfendere Tätigkeiten freigestellt werden. Der Innovationsmotor Modularisierung bringt nun auch den Maschinen- und Anlagenbau in Bewegung. 

Schnelle Markteinführung

Modulare Maschinen erfüllen viele Erwartungen, die heute an Industrieunternehmen gestellt werden. Sie:

  • erleichtern Bestellprozesse
  • verkürzen Lieferzeiten 
  • steigern die Flexibilität des Kunden und des Herstellers, wenn Maschinen erweitert oder verlegt werden
     

Dezentrale Automatisierung von Turck

Ihre Vorteile auf einen Blick:

Browserfenster zeigt Grafik eines Verlaufsdiagramms

Die Programmierumgebung ARGEE bietet zwei Komplexitätsstufen. Besonders einfach ist der gezeigte Flow-Editor. Über ein Flussdiagramm und Drop-Down-Felder können dort Logik-Funktionen programmiert werden.

Field Logic Controller ARGEE

Turcks FLC-Technologie bringt die Logik in die Feldebene. Die webbasierte Programmierumgebung ARGEE erweitert Turcks Block-I/O-Module mit Multiprotokoll-Ethernet-Plattform um Logik-Funktionalitäten. So wird aus I/O-Modulen ein intelligenter Field Logic Controller (FLC). 

Mehr erfahren auf der Technologieseite Field Logic Controller

Reduzierte Maschinenkosten

Um die Kosten für eine Maschine zu senken, müssen nicht nur die richtigen Komponenten ausgewählt werden. Eine einfache Integration ist der Schlüssel zum Erfolg. Der Aufbau einer Maschine ohne Schaltschrank spart Zeit, Geld und Platz. Die standardisierte Automatisierung Ihrer Maschine durch Einsatz intelligenter Turck-Komponenten reduziert zudem Fehlerquellen sowie den Aufwand für die Dokumentation und sie erhöht die Wiederverwendbarkeit der Module.

Flexibler Einsatz im Ethernet

Dank der Multiprotokoll-Ethernet-Technologie von Turck sind die I/O-Module in den Ethernet-Protokollen Profinet, Ethernet/IP und Modbus TCP einsetzbar. Die Module erkennen das verwendete Busprotokoll automatisch während der Startphase ohne Interaktion durch den Benutzer.

Einfache Konstruktion von Sicherheitsapplikationen

Sicherheitsfunktionen, die von zentralen, Ethernet-basierten Sicherheits-SPSen gesteuert werden, erschweren die modulare Konstruktion. Zudem unterliegen zentral gesteuerte Safety-Applikationen bei großen Maschinen hohen Zykluszeiten, was große Sicherheitsabstände zwischen Gefahrenquelle und Sensor erfordert. Dezentrale Safety-Controller beschleunigen die Sicherheitsfunktion und erlauben so kürzere Abstände. Zudem können dezentrale Safety-Lösungen Kosten sparen. Mehr erfahren auf der Technologie-Seite Maschinensicherheit.

HMI, Ethernet-basierte SPS mit drei angeschlossenen Sicherheitsmodulen in IP67, die mit je einem klassischen I/O-Modul in IP67 verbunden sind.

Dezentrale I/O-Module können die Sicherheitsapplikation zum Testen selbst steuern. Später im Live-Betrieb kann eine zentrale Sicherheitssteuerung übernehmen.

Unterstützung durch Webserver

Integrierte Webserver in den Modulen vereinfachen die Inbetriebnahme und die Diagnose. So sehen Sie auf einen Blick relevante Daten wie Modultyp, Firmware, IP-Adresse oder Profinet-Name. Diagnoseinformationen werden im Webserver im Klartext angezeigt.

Einfaches Networking

Die in CODESYS integrierten globalen Netzwerkvariablen ermöglichen die einfache Vernetzung mehrerer I/O-Stationen. So können verschiedene Systeme schnell und einfach miteinander verbunden werden. Standard-Übertragungsprotokolle erlauben den bidirektionalen Datenaustausch.

.

Schnelle Programmierung

Um die schnelle Integration in CODESYS zu gewährleisten, bietet Turck Target-Support-Pakete als Treiber für das Zielsystem an. Die I/O-Module können somit einfach per Drag & Drop in die Konfiguration eingefügt werden. Auch Diagnose- und Inbetriebnahmefunktionen sowie Funktionsbausteine unterstützen den Anwender. 

Modularisierungsprodukte

Finden Sie in unserer Produktdatenbank die Produkte, die Ihre Modularisierungsstrategie unterstützen.

TX-Serie – HMI mit CODESYS-3-SPS

Anwendervorteil: Dezentrale Intelligenz mit einfacher Integration für Steuerungsaufgaben direkt an der Maschine oder Anlage


TBEN-PLC – Block-I/Os mit CODESYS-3-SPS

Anwendervorteil: Dezentrale Intelligenz mit einfacher Integration für Steuerungsaufgaben direkt an der Maschine oder Anlage


TBEN – Multiprotokoll-Ethernet-I/O Lösungen in IP67

Anwendervorteil: Einfache Integration in Anlagen und Diagnosefunktionen über integrierte Webserver selbst auf Smartphones


TBPN und TBIP – Safety-Block-I/O-Module

Anwendervorteil: TBPN und TBIP können Sicherheitsapplikationen direkt aus dem Feld steuern – auch als Hybrid-Modul.


BL67 – Modulares I/O-System in IP67

Anwendervorteil: BL67 wird direkt im Feld montiert werden, bildet den spezifischen Signalbedarf optimal ab und senkt so den Verdrahtungsaufwand.


BL20 – Modulares I/O-System in IP20

Anwendervorteil: BL20 lasst sich optimal an den spezifischen Signalbedarf anpassen und steuert als programmierbare Version Applikationen selbständig.


FEN20 – Block-I/O-Module in IP20

Anwendervorteil: FEN20-Module binden Signale in kompakten Schaltkästen perfekt an und steuern kleine Applikation als Field Logic Controller selbst.


Land wählen

Turck Deutschland

Deutsch | English

Turck weltweit