MX-System: Steckbare Systemlösung für die schaltschranklose Automatisierung
Mit dem MX-System als modularem Automatisierungsbaukasten hat Beckhoff sein bisheriges Produkt-Portfolio in ein neues Gehäusesystem verpackt und zugleich so ausgebaut, dass die daraus entstandene Lösung Schaltschränke vollständig ersetzen kann. Damit initiiert Beckhoff, in seiner Rolle als Technologieführer, erneut eine Revolution in der Automatisierungstechnik und setzt einen neuen Standard.
Während die ersten speicherprogrammierbaren Steuerungen nur die Verknüpfung zwischen den Eingangs- und Ausgangssignalen von Maschinen und Anlagen übernommen haben, stellt die heutige PC-basierte Steuerungstechnik die Kernfunktion in automatisierten Fertigungsprozessen dar. I/Os, Antriebstechnik, Sicherheitstechnik, Dateneingaben, Anbindungen an übergeordnete Systeme bis hin zu Bildverarbeitungsaufgaben – alles wird von der zentralen Steuerung erledigt. Diese Zunahme an Aufgaben erklärt, warum Schaltschränke trotz immer kleinerer und leistungsstärkerer Elektronik sowie mit integrierten Sicherheitsfunktionen nicht kompakter geworden sind. Oftmals ist sogar das Gegenteil zu beobachten: Durch zusätzliche automatisierte Maschinenfunktionalitäten ist die Anzahl der funktionsspezifischen Komponenten in den Schaltschränken kontinuierlich gestiegen.
Ein konventioneller Schaltschrank kann in der Regel in verschiedene Bereiche eingeteilt werden:
- Energie-Einspeisung, Absicherung und Verteilung,
- Erzeugung und Absicherung von Hilfsspannungen,
- Ablaufsteuerung mit den Ein- und Ausgängen,
- Ansteuerung von Motoren,
- Anschlussebene für die Feldgeräte.
Vergleicht man die Schaltschranktechnik der vergangenen Jahrzehnte, wird deutlich, dass der prinzipielle Aufbau inklusive der genannten Bereiche unabhängig von der Bauteilanzahl und -größe nahezu unverändert geblieben ist. Die Platzierung der Bauteile sowie die elektrische Verbindung innerhalb und zwischen den einzelnen Schaltschrankbereichen werden auch heute noch manuell ausgeführt. Um auf diesen hohen Verdrahtungsaufwand verzichten zu können, hat Beckhoff erkannt, dass die Reduzierung der Aufwände nachhaltig nur auf der Basis von einheitlichen Schnittstellen aller Geräte bzw. Funktionseinheiten möglich ist. Hierbei geht es nicht nur darum, die Planung und Fertigung von Schaltschränken durch Digitalisierung und Automatisierung effizienter zu gestalten, sondern Schaltschränke in ihrer jetzigen Form vollständig zu substituieren. Dazu wurde ein modularer Baukasten – das MX-System – entwickelt, bei dem steckbare Baugruppen mit standardisierten elektrischen und mechanischen Schnittstellen über eine Basiseinheit miteinander verbunden werden.
EtherCAT als Basis der Schnittstellenstandardisierung
EtherCAT bildet die technologische Grundlage für die Standardisierung der Schnittstellen. Durch das besondere Funktionsprinzip – die Verarbeitung der Daten im Durchlauf – eignet sich dieser weltweit etablierte Kommunikationsstandard optimal für diese Aufgabe: eine große Anzahl von I/O-Baugruppen, Antriebsreglern und anderen Komponenten in nahezu beliebiger Topologie und Reihenfolge an eine Steuerung anzubinden. Funktionale Sicherheit ist ebenfalls integriert. Die hochgenaue Synchronisation aller Komponenten im System ermöglichen die verteilten Uhren (Distributed Clocks) der EtherCAT-Technologie, mit denen Abweichungen von unter 100 ns erreicht werden. Die umfangreichen Diagnose-Features von EtherCAT sorgen für eine stabile Systemkommunikation, da sich etwaige Störungen bereits frühzeitig erkennen, lokalisieren und beheben lassen.
Da EtherCAT die gesamte Bandbreite der Anforderungen an die Datenübertragung abdeckt, genügt ein Bussystem für die systeminterne Kommunikation sowie für externe Erweiterungen, die auch über EtherCAT P angebunden werden können. EtherCAT P ist eine Erweiterung der EtherCAT-Technologie, bei der Daten und Leistung auf einer Leitung übertragen werden. Innerhalb des MX-Systems ist zusätzlich zu EtherCAT ebenfalls lediglich die Leistung zu übertragen, sodass die internen Schnittstellen auf nur zwei reduziert werden konnten: Die erste Schnittstelle umfasst die Schutzkleinspannungen 24 und 48 V DC sowie EtherCAT. Dieser Mix aus Spannungen und Signalen wird auf einem einzigen Datensteckverbinder zusammengeführt. Als zweite Schnittstelle werden auf einem weiteren Steckverbinder die Netzspannung bis maximal 530 V AC (3-phasig, plus Neutralleiter und PE) sowie der DC-Link-Bus des Antriebsverbunds mit bis zu 848 V DC Spannung ausgegeben.
Baseplate-Konzept als Schaltschrankersatz
Die Steckverbinder befinden sich zusammen mit der Leiterkarten-Backplane gut geschützt in einem robusten Aluminiumstrangpressprofil, auf das die Funktionsmodule aufgesteckt und festgeschraubt werden. Diese Einheit aus Gehäuse und Elektronik wird Baseplate genannt und umfasst neben der mechanischen Hülle auch Backplanes, zum einen für Steuerspannungen und Kommunikation und zum anderen für Leistungsspannungen. Der Verbund von Baseplate und Funktionsmodulen erfüllt die Schutzart IP67 und wird in einem Temperaturbereich von 0 bis +50 °C passiv gekühlt. Damit entfallen weitere Schutzgehäuse und die Einheit kann direkt an der Maschine oder Anlage montiert werden. Ein zentraler, manuell aufgebauter Schaltschrank ist somit nicht mehr notwendig. Für das Umsetzen eines vollständigen MX-System-Aufbaus wird lediglich ein Werkzeug zum Verschrauben der Module auf der Baseplate benötigt.
Die Stromtragfähigkeit der Baseplate von 63 A für Leistung und 30 A für die Schutzkleinspannungen deckt den überwiegenden Anteil der Anforderungen ab. Die Länge der Baseplate ist zunächst auf 1 m und 24 Module begrenzt. Das integrierte Housekeeping-System erfasst innerhalb der Baseplate die Umweltparameter Temperatur, Luftfeuchtigkeit sowie Schwingungen und Stöße.
Die Baseplate steht in unterschiedlichen Ausführungen zur Verfügung. Bereits mit der 1-reihigen Baseplate mit Datensteckverbindern für die 110 mm hohen Funktionsmodule lässt sich eine Kompaktsteuerung für den direkten Netzanschluss aufbauen. Die dazu notwendigen 24-V-Netzteile und IPCs sind im Funktionsmodul-Portfolio enthalten. 2-reihige Baseplates umfassen sowohl Daten- als auch darunter angeordnete Leistungssteckverbinder. Weitere Varianten der Baseplate werden u. a. einen hybriden Mix der Steckverbinder innerhalb der Reihen sowie eine Ausbaustufe mit drei Reihen bieten, wie sie insbesondere für leistungsstärkere Antriebsmodule erforderlich ist.
Module für alle Schaltschrankfunktionen
Die Baseplate ersetzt die Verdrahtung zwischen den Komponenten eines Schaltschranks und ist in dieser Form eine echte Neuheit in der Automatisierungstechnik. Die Funktionsmodule übernehmen die wesentlichen Eigenschaften der Bauteile, die in einem konventionellen Schaltschrank verbaut sind. Einen 1:1-Ersatz stellen sie aber nicht dar, da in einem Funktionsmodul immer mehrere Schaltschrankfunktionen kombiniert werden. Es handelt sich durchgehend um Module, bei denen u. a. Absicherungen für abgehende Leitungen sowie die Anschlussebene – über M8- und M12-Signalsteckverbinder bzw. für höhere Leistungen über die Steckverbinder der ECP/ENP-Serie von Beckhoff – integriert sind. Darüber hinaus bieten viele Leistungsmodule integrierte Eingänge für die zu einem Aktor gehörenden Sensoren. Diese und viele weitere Lösungen sind in enger Zusammenarbeit mit Leitkunden unterschiedlicher Branchen entstanden.
Die Hot-Swap-fähigen Funktionsmodule decken alle an einer Maschine benötigten Funktionen ab und gliedern sich in die Produktbereiche IPC, Buskoppler, I/O, Motion, Relais und System. Zugrunde liegt das bewährte Spektrum der PC- und EtherCAT-basierten Steuerungs- und Antriebstechnik von Beckhoff. Erweitert wurde dieses Portfolio um Funktionen zum direkten Schalten von 1- oder 3-phasigen AC-Aktoren wie z. B. Asynchronmotoren oder elektrische Heizungen. Der Bereich Motion wurde um Frequenzumrichter erweitert. Ebenso neu für Beckhoff sind die Systemmodule, welche die benötigte Infrastruktur für die Steuerungsfunktionen zur Verfügung stellen. Beispiele sind Schaltnetzteile für 24 und 48 V DC, USV-Module sowie Ethernet-Switche.
Darüber hinaus wurden Module mit hybridem Charakter entwickelt. Hierzu zählen Leistungseinspeisungen, die in einem Gehäuse u. a. den Netzanschlusspunkt, Hauptschalter, Netzfilter, Energiemesstechnik, Differenzstrommessung und 24-V-DC-Netzteil als Funktionspaket zur Verfügung stellen. Ein weiteres Beispiel sind EtherCAT P-Abgänge mit den Sicherungen für den Leitungsschutz sowohl für die Schutzkleinspannungen als auch für die Niederspannungen.
Für den Fall, dass eine Funktion durch ein klassisches Schaltschrankgerät abgebildet werden muss, steht das Funktionsmodul Baseplate-Extension zur Verfügung. Dieses verlängert die Baseplate über die rechte Seite hinaus und bietet einen geschützten Einbauraum für IP20-Geräte. Hierbei werden sowohl die Spannungen des Daten- und des Leistungssteckverbinders sowie ein EtherCAT-Anschluss zur Verfügung gestellt. Genau wie alle anderen Funktionsmodule zeichnen sich die Systemmodule dadurch aus, dass es sich um Teilnehmer des EtherCAT-Netzwerks handelt. Dies ermöglicht Einstellbarkeit, Ist-Wert-Auswertung und detaillierte Diagnose direkt aus der Maschinensteuerung heraus.
Vorteile für den Maschinenbau
Durch das modulare MX-System reduzieren sich für den Maschinenbauer in der Konstruktionsphase deutlich der Planungsaufwand und die erforderliche Komponentenanzahl. Schaltplanumfang und Arbeitsaufwand liegen hier nach ersten Erfahrungen bei zum Teil nur noch 20 %, was sich auch in entsprechend reduzierten Gesamtkosten bemerkbar machen wird.
Maschinen und Anlagen lassen sich außerdem deutlich platzsparender und anwendungsspezifischer konzipieren. Der Maschinenbauer kann das kompakte MX-System direkt an der Maschine anbringen und somit auf einen separat platzierten Schaltschrank mit eigenen Leitungswegen verzichten. Dadurch verringert sich der Installationsaufwand, insbesondere in Verbindung mit vorkonfektionierten Kabeln. Hinzu kommt, dass die steckbare Installation nicht mehr unbedingt eine Elektrofachkraft erfordert, sondern auch von einem Mitarbeitenden aus der Mechanik-Abteilung übernommen werden kann. Die heute unabdingbare Modularisierung einer Maschine wird durch das modular an der Maschine verteilbare MX-System ebenfalls konsequent und optimal unterstützt.
Ein weiterer wichtiger Aspekt aus Sicht des Maschinenbaus betrifft die Zertifizierung. Das MX-System ist ein Schaltschrankersatz, der die relevanten Schaltschranknormen einhält und im Gegensatz zum konventionellen Schaltschrank bereits IEC-, UL- sowie CSA-konform ist. Es stellt somit eine weltweit einheitliche Lösung dar. Der Maschinenbauer kann daher problemlos auf Lager fertigen und muss vor der Auslieferung, d. h. während des Aufbaus, nicht berücksichtigen, für welche Zielregion die Maschine vorgesehen ist.
Vorteile für den Schaltschrankbau
Der Schaltschrankbau profitiert immens von der einfachen Steckbarkeit ohne aufwendige Einzelverdrahtung. So lässt sich z. B. ein zuvor 24-stündiger Schaltschrankaufbau auf nur noch rund eine Stunde Systemmontage verringern. Hinzu kommt, dass die gerade bei komplexen Schaltschränken große Gefahr von Verdrahtungsfehlern vermieden wird. Die bisherige manuelle, fehleranfällige Einzelfertigung des Schaltschrankbauers wird in die industrielle Vorfertigung der Funktionsmodule verlegt.
Aus logistischer Sicht ergeben sich für den Schaltschrankbau ebenfalls Vorteile. So haben Analysen gezeigt, dass teilweise 90 % der Stücklistenpositionen eines klassischen Schaltschranks entfallen. Zudem werden viele Maschinenbauer ihre logistischen Prozesse vereinfachen können, da sich mit dieser einfach montierbaren Technologie häufig auf einen externen Schaltschrankbau verzichten lässt.
Vorteile für den Maschinenanwender
Ein immenser Diagnosevorteil im Vergleich zum klassischen Schaltschrank liegt darin, dass beim MX-System ausschließlich vernetzte Komponenten zum Einsatz kommen. Es lässt sich daher jederzeit z. B. der Status jeder einzelnen Sicherung, eines Netzteils oder des Hauptschaltermoduls abfragen – wie gewohnt als Teilnehmer im EtherCAT-Netzwerk. Im Rahmen der neuen Beckhoff Device Diagnose werden die bekannten umfangreichen Diagnosemöglichkeiten von EtherCAT durch eine für jedes Modul eineindeutige Seriennummer ergänzt. Diese ist als Datamatrix-Code auf der Modulfrontseite platziert und lässt sich per Smartphone-App scannen. Das Smartphone verbindet sich dabei mit der Steuerung mittels drahtloser Technologie und zeigt die jeweiligen Diagnosedaten wie z. B. Modulstatus oder Fehlerspeicher an. Somit wird das Smartphone zum „Universal-Digitalvoltmeter und Scope“. Es ersetzt nicht nur die klassischen Messgeräte. Instandhaltungs- oder Servicefachkräfte werden genau über den Zustand einer Funktion oder Baugruppe informiert, ohne dass sie die Hardware ausmessen müssen. Dies wirkt sich insgesamt positiv auf den Anlagenbetrieb aus.
Die vereinfachte Wartung und Instandhaltung bieten viele Vorteile für den Betreiber der Maschinen und Anlagen, indem z. B. Reparaturen deutlich weniger Zeit beanspruchen, da das Instandhaltungspersonal mithilfe der Device Diagnose den Fehlerort (z.B. Kabel oder Modul) identifizieren kann. Die Steckbarkeit der Module erleichtert den eventuellen Austausch. Die Hot-Swap-Funktionalität ermöglicht diesen sogar im laufenden Betrieb. Die Kapselung einzelner Funktionen in einem Funktionsmodul bringt zusätzlich den Vorteil von nur wenigen Ersatzteilen, die bevorratet werden müssen. Die vollständige EtherCAT-Vernetzung des Systems sorgt dafür, dass die Anforderungen eines modernen Predictive-Maintenance-Managements vollständig erfüllt werden.
Insgesamt zeigt sich, dass die einzelnen Vorteile durch den Einsatz des MX-Systems sowohl den Anforderungen der Maschinenbauer als auch denen der Maschinenbetreiber entsprechen. Damit ist der Weg für eine Zukunft ohne Schaltschränke geebnet.