Automatisierung ohne Schaltschrank? Das ist möglich. Das Verler Unternehmen Beckhoff Automation GmbH & Co. KG hat mit dem MX-System ein dezentrales modulares System entwickelt, das alle Aufgaben eines Schaltschranks übernehmen kann.
Das neue System – die Abkürzung setzt sich zusammen aus: M für modular und X für die Vielfältigkeit des Systems – wurde bereits Ende 2021 im Rahmen der kurzfristig abgesagten Fachmesse SPS zum ersten Mal der Öffentlichkeit vorgestellt. „Mit dem MX-System gehen wir den nächsten Schritt und fassen 40 Jahre Beckhoff-Geschichte in einem System zusammen“, sagte Geschäftsführer Hans Beckhoff im Rahmen der Produktpräsentation. Daniel Siegenbrink, Produktmanager MX-System bei Beckhoff, war die vergangenen Monate auf vielen Messen und internen Veranstaltungen unterwegs, um die Neuheit im Detail vorzustellen. „Die Resonanz war jederzeit überragend“, freut sich Siegenbrink.
Positive Resonanz auf das schaltschranklose Konzept
Doch warum kommt das Konzept schaltschranklos so gut an? „Der Schaltschrank ist wie ein Alltagsgegenstand, den jeder hat und braucht, aber den keiner gerne hat. Ein Kunde hat das neulich mit einem Eiskratzer verglichen. Und die Kunden mögen den Schaltschrank aus vielen Gründen nicht: Er ist vom Bauen her volatil, die Planung ist sehr intensiv, er hat räumliche (hoher Platzbedarf) sowie optische und funktionale Nachteile. Der Schaltschrank als großer Kasten ist der Status Quo seit vielen Jahrzehnten. Die Resonanz, die wir bekommen, ist, dass dies nicht zu modularen Maschinenkonzepten, die flexible Automatisierungskonzepte benötigen, passt. Darin liegt großes Potenzial“, schildert der Produktmanager.
Vorteile des MX-Systems im Vergleich zum Schaltschrank
Mit dem MX-System hat Beckhoff vor allem Standardisierung geschaffen, wie die Verler selbst betonen. Dadurch sparten Anwender Zeit und würden entlastet. Siegenbrink erläutert die Vorteile anhand der vier Lebensphasen eines Schaltschranks: Engineering, Bau, Installation und Betrieb. Das Resultat des Engineerings sind Fertigungsunterlagen eines Schaltschranks mit in der Regel mindestens 100 Seiten Umfang. Diese könnten mithilfe des MX-Systems auf ein Viertel reduziert werden, so Siegenbrink. Des Weiteren sparen Anwender beim Zusammenbau des Schaltschranks Zeit: Waren es bisher beispielhaft 28 Stunden, ist es nun nur noch etwa eine Stunde. In beiden Phasen spiele auch der derzeitige Mangel an Fachkräften eine wichtige Rolle: „Wenn man für die Planung eines Schaltschranks sonst vielleicht zwei Wochen benötigt, lässt sich dies jetzt in zwei Tagen erledigen. Das heißt, dass die fehlenden acht Tage gut anders genutzt werden können: Der entsprechende Ingenieur oder die entsprechende Ingenieurin kann zum Beispiel vier weitere Schaltschränke planen. Beim Bau des Schaltschranks verhält es sich ähnlich und das gilt auch für die Phase der Installation an der Maschine. Insgesamt ist der Prozess deutlich schneller. Zudem entstehen kürzere Kabel- und Leitungswege, sodass auch Rohmaterial wie Kupfer oder Metall gespart wird und das Ergebnis keine Verdrahtungsfehler mehr aufweist“, erklärt Siegenbrink.
Gemeinsamer Entwicklungsprozess mit den Kunden
Diese Vorteile zeigen auch die Ergebnisse der Analysen, die der Hersteller gemeinsam mit Kunden durchgeführt hat: Auch im Betrieb bietet der Faktor der Zeitersparnis durch das MX-System einen Vorteil mit Blick auf den Fachkräftemangel in Deutschland. Wenn beispielsweise Service erforderlich sei, könne in dem MX-System schneller und einfacher ein Modul ausgetauscht werden als es bei einem klassischen Schaltschrank der Fall wäre, beschreibt Siegenbrink. „Diese Themen adressieren wir, denn hier ist auch der Leidensdruck unserer Kunden sowie der Endkunden sehr groß.“
Entstanden ist das schaltschranklose System aufgrund des Marktbedarfs. „Die Idee stammt von unserem Geschäftsführer Hans Beckhoff, der diese über einen längeren Zeitraum an Kunden herangetragen und deren Resonanz abgewartet hat. Aufgrund des sehr positiven Feedbacks haben wir ein Projekt aufgesetzt und uns von Beginn an auch sehr eng mit Kunden aus verschiedenen Branchen abgestimmt“, erzählt Siegenbrink.
Technische Daten zum MX-System von Beckhoff
Das MX-System ergibt mit einer robusten Baseplate und aufgesteckten Funktionsmodulen eine flexible Automatisierungslösung gemäß der Schutzart IP67. Das System bildet einen einheitlichen Automatisierungsbaukasten, mit dem der traditionelle Schaltschrank in vielen Anwendungsfällen durch Module ersetzt werden kann. Die Aluminium-Baseplate verfügt über integrierte Modulsteckplätze, die Ethercat zur Kommunikation nutzt und verteilt Schutzkleinspannungen (24 V AC und 48 V DC) und Niederspannungen (400 V AC und 600 V DC). Die Dimension der Baseplate lasse sich modular an die Anforderungen der jeweiligen Anwendung abstimmen. Indem die verschiedenen Module auf der Baseplate aufgesteckt und verschraubt werden, verbinden sie sich automatisch mit den unterschiedlichen Spannungsversorgungen und der Ethercat-Kommunikation. Die Slots der Baseplate sind universell, sodass sich Automatisierungskomponenten individuell und in beliebiger Reihung integrieren lassen. Für den Netzanschluss sowie weitere Funktionen eines Schaltschranks stehen entsprechende Module zur Verfügung. Ein fertig montiertes MX-System bestehend aus Baseplate und Modulen kann dann direkt an der Maschine montiert werden.
Solch ein komplettes MX-System vereint laut Beckhoff alle Aufgaben und Eigenschaften eines Schaltschranks: Energieeinspeisung, -absicherung und -verteilung, Erzeugung und Absicherung von Hilfsspannungen, Ablaufsteuerung mit den Ein- und Ausgängen, Ansteuerung von Motoren und Aktuatoren und die Anschlussebene für die Feldgeräte. Die Systemintegration aller Maschinenfunktionalitäten erfolgt über frei wählbare IPC-, Koppler-, I/O-, Antriebs-, Relais- und System-Module, die applikationsspezifisch ausgewählt und kombiniert werden können.
Mögliche Anwendungen für schaltschranklose Automatisierung
Das schaltschranklose System bietet sich laut Siegenbrink vor allem für klassische Automatisierungsaufgaben im Maschinen- und Anlagenbau an. Aber auch in der Windindustrie, auf Schiffen oder sogar in der Forschung ist ein Einsatz denkbar: „Ich habe immer gesagt, wir entwickeln das MX-System nicht für einen Teilchenbeschleuniger. Nun hatten wir neulich genau dieses Beispiel auf dem Tisch. Da in diesem speziellen Fall im Laborbereich wenig Platz zur Verfügung steht, kam der Kunde auf uns zu, da das MX-System aufgrund seiner Kompaktheit ideal passt“, erzählt Siegenbrink schmunzelnd.
Eine Grenze für das System stellen dagegen aktuell hohe Ströme dar: Der ideale Bereich für das MX-System liegt zwischen 10 und 100 A. Aber hier könnte sich laut des Produktmanagers ein guter Übergang schaffen lassen, indem das MX-System in Kombination mit dem Schaltschrank eingesetzt wird, bevor dann im Bereich der reinen Energieverteilung der Schaltschrank auch in der Zukunft zum Einsatz kommen wird.
Zukunftsausblick für das MX-System
Das Unternehmen befindet sich derzeit in den Zertifizierungsprozessen, das MX-System soll dann ab Herbst 2022 erhältlich sein. Auch eine zugehörige Diagnose-App zum MX-System, die die Maintenance vereinfachen soll, wird voraussichtlich auf der Messe SPS 2022 vorgestellt.
Parallel arbeitet der Anbieter daran, einen sogenannten Systemdesigner zu entwickeln. Mit diesem elektronischen Hilfsmittel kann sich der Kunde individuell sein passendes MX-System zusammenstellen. Das verschlanke den Prozess zusätzlich, betont Siegenbrink. Ergänzend werden Beckhoff-Kollegen aus dem Vertrieb oder dem Produktmanagement aber bei speziellen Fragen beratend unterstützen.
Des Weiteren arbeiten die Ingenieure daran, bestimmte Baugruppen im System immer weiter zu verbessern. „Wir wollen noch mehr Leistung erreichen und das Portfolio rundmachen“, fasst Siegenbrink zusammen.
Mehr Informationen finden Sie unter: www.beckhoff.com/mx-system
Kontakt:
Beckhoff Automation GmbH & Co. KG
Hülshorstweg 20
33415 Verl
www.beckhoff.com
Daniel Siegenbrink arbeitet als Produktmanager MX-System bei Beckhoff Automation.Bild: Beckhoff Automation
„Das MX-System erzeugt im Vergleich zum Schaltschrank nur ein Drittel Verlustleistung.“
Herr Siegenbrink, ist die Zukunft Ihrer Einschätzung nach schaltschranklos?
Eigentlich ist die Story andersherum: Wir haben erlebt, dass der Markt die Zukunft gerne schaltschranklos hätte. Denn der Schaltschrank hat einige Nachteile (siehe Fließtext). Die Zukunft kann schaltschranklos sein. Und dafür bieten wir einen Ansatz, zu dem wir die entsprechende positive Resonanz bekommen. Jetzt liegt es an uns oder an anderen Anbietern von Peripherie, dass sich schaltschranklose Maschinen durchsetzen werden.
Und wo bedarf es noch eines Schaltschranks?
Das kommt immer darauf an. Wenn ich sehr viel Infrastruktur – zum Beispiel in der Energieverteilung – habe, ist das MX-System rein von den Komponenten und vom Bauraum her nicht die optimale Lösung. In der Energieverteilung nutzt man hohe Ströme, teilweise im Bereich von mehreren hundert Ampere. Hierfür ist das MX-System mit seinen elektronischen Schaltungen nicht konzipiert. Aber bei klassischen Automatisierungsaufgaben – also da, wo Beckhoff zuhause ist –, ist das MX-System eine hervorragende Lösung. Bei sehr großen Motoren hingegen können das MX-System und ein klassischer Schaltschrank sehr gut miteinander kombiniert werden. Und es gibt zudem viele Maschinen mit einem großen Motor, die aber auch viele kleine Automatisierungsaufgaben beinhalten. Hier bietet sich das MX-System wiederum perfekt an.
Sie haben klassische Automatisierungsaufgaben als Anwendungen genannt. Gibt es schon erste Einsatzbeispiele aus der Praxis?
Wir haben bis heute keine Kunden, die das System aktiv einsetzen. Derzeit befinden wir uns noch in der Zertifizierungsphase und das System ist noch nicht erhältlich. Aber wir haben sowohl Kunden aus dem Verpackungsmaschinenbereich, mit denen wir Beispiele durchprojektiert haben, wo es wunderbar passen würde. Ebenso konnten wir in klassischen Bereichen wie Wind, Holz oder Werkzeugmaschinen feststellen, dass sich das MX-System gut eignet. Wir können bisher keinen der Bereiche ausschließen, in denen wir heute schon unterwegs sind.
Sie bieten neben der Basisplate Module für verschiedene Automatisierungsaufgaben an. Können Sie diese kurz definieren?
Am Ende bieten wir alle notwendigen Funktionen, um Maschinen und Anlagen zu automatisieren, als MX-System-Baugruppen an. Das ist neben der Grundplatte unser heutiges Portfolio, welches in Form von Modulen auf die Grundplatte aufgesteckt wird. Diese Module sind beispielsweise Industrie-PCs, Signalein- und -ausgänge, Antriebe sowie die Systemmodule. Man kann das MX-System kaskadieren: Um von einer Station A zu B zu gehen oder etwa in A Spannung zu bringen, dafür gibt es die Systemmodule. Diese basieren auf Funktionen wie Netzeinspeisung, Absicherung und Erzeugung von Schutzkleinspannung, die in jedem Schaltschrank zu finden sind. Die daraus abgeleiteten MX-Systemmodule sind in der Regel hybrid. Das heißt, wenn ich in einem Schaltschrank zum Beispiel fünf oder sechs Komponenten für eine bestimmte Funktion benötige, ist das beim MX-System in einem Gehäuse zusammen untergebracht. Das Modul ist dann eine vollständige Funktionseinheit.
Der Vorteil bei dem modularen System ist dessen Kompaktheit. Auf der anderen Seite ist es aber so: Wenn ein Teil ausfällt – und Sie haben gesagt, Sie vereinen beispielsweise fünf Funktionalitäten in einem Modul – ,dann müsste ich auch das ganze Modul austauschen, oder?
Ja, hier gebe ich Ihnen recht. Das Modul wäre dann auszutauschen, wobei wir im Design immer Wert darauf legen, dass alle Komponenten sehr robust ausgelegt und Bauteile wie Sicherungen auch für den Kunden einfach zugänglich beziehungsweise austauschbar sind. Dennoch kann es vorkommen, dass ein vollständiges Modul ausgetauscht werden muss, obwohl nur eine Teilfunktion fehlerhaft ist. Zum einen wird dies aber nur äußerst selten vorkommen und zum anderen bieten wir einen großen zusätzlichen Vorteil: Wir hatten an unserem Stand auf der Hannover Messe 2022 einen Schaltschrank, der aus ungefähr 150 verschiedenen Bauteilen bestand. Das entsprechende MX-System besteht hingegen aus nur 17 Bauteilen. Damit minimieren sich wiederum die Logistikkosten und der Betreiber muss auch nicht so viele unterschiedliche Bauteile vorhalten.
Apropos Logistik: Sie nutzen in den Modulen elektronische Bauteile wie Halbleiter. Haben Sie diese alle auf Vorrat oder haben Sie Lieferschwierigkeiten mit diesen Bauteilen?
Wir nutzen hier ähnliche Bauteile wie in unseren heutigen Baugruppen. Wir haben wie der gesamte Markt bei ganz wenigen Bauteilen Schwierigkeiten: von 100 Prozent sind 96 bis 97 Prozent der Bauteile ohne Probleme verfügbar, aber die drei Prozent machen den Ärger. Aber das ist ein Marktproblem, das gilt für alle Anbieter.
Jetzt hat man beim Schaltschrank auch das große Thema Wärme beziehungsweise Abluft. Wie lösen Sie das beim MX-System?
Zunächst lösen wir das sehr schlau, weil wir grundsätzlich weniger Verlustleistung erzeugen. Mehr als zwei Drittel der Verlustleistung werden zum Beispiel im normalen Schaltschrank durch konventionelle Leistungshalbleiter in Umrichtern erzeugt – das entfällt bei uns, weil wir diese gar nicht verbauen, sondern durchgehend modernste Siliziumkarbid-Leistungshalbleiter einsetzen, die deutlich weniger Wärme erzeugen. Dies erlaubt uns den Einsatz einer rein passiven Kühlung. Dadurch, dass unsere Gehäuse außen Kühlrippen aufweisen und wir die Leistungshalbleiter und die Leistungselektronik direkt dort angebunden haben, wird die Wärme durch die natürliche Konvexion direkt an die Umgebung abgegeben. Der Schaltschrank, der auf der Messe stand, erzeugte rund 600 W Verlustleistung und wir waren mit unserem MX-System bei knapp 210 W. Das war in etwa ein Drittel davon.
Einsparungen sind auch im Sinne der Nachhaltigkeit eine wichtige Diskussion. Zumal beim MX-System die einfache, steckbare Montage dazukommt, die personalorientiert einfacher umzusetzen ist – auch für nicht qualifiziertes Personal. Weiterhin vereinfacht sich die Wiederverwertung oder -verwendung der Module. Es wird sich niemand die Mühe machen, einen Schaltschrank auseinander zu bauen und alle Einzelverdrahtungen aufzulösen, um die Module wieder verwenden zu können. Schaltschränke werden nach Nutzung häufig weggeworfen. Beim MX-System sind die Module sehr gut wiederverwendbar, da lediglich die Verschraubung gelöst werden muss, um die Module einfach abnehmen zu können.
Vielen Dank, Herr Siegenbrink.
Wie setzt sich das MX-System zusammen?
Das Baukastensystem setzt sich zusammen aus:
- einer Aluminium-Grundplatte und
- verschiedenen Modulen: zum Beispiel Industrie-PCs als Herz jeder Steuerung, Signalein- und -ausgängen, etwa zur Ansteuerung von Motoren, und der ganzen Welt der Systemmodule, also alles, was Dinge untereinander vernetzt.
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