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Maschinenbau-Diskussion „Modularisierung spart Kosten“

10.07.2018

Modular aufgebaute Maschinen versprechen mehr Flexibilität und Zukunftssicherheit. Einzelne Funktionsblöcke lassen sich einfach tauschen, optimieren und wiederverwenden. Doch worauf kommt es für Maschinenbauer bei der Modularisierung wirklich an? Jürgen Pfeifer, Automation Account Manager bei Wago, und Oliver Merget, Leiter Geschäftsbereich Automation Systems bei Turck, konkretisieren im Gespräch mit A&D die Vorteile der Modularisierung.

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A&D:

Was verstehen Sie als Hersteller von Automatisierungslösungen unter Modularisierung im Maschinenbau?

Merget, Turck:

Modularer Maschinenbau heißt primär, kleine, einzelne Einheiten, die autark funktionieren. Das mündet zunehmend im schaltschranklosen Installieren der Automatisierungskomponenten und in dezentraler Intelligenz - weg von zentralen Steuerungskomponenten.

Pfeifer, Wago:

Modularisierung im Maschinenbau heißt neben den autarken Funktionseinheiten vor allem weg vom Schaltschrank und hin zu Dezentralität. Das erste modulare I/O-System hat Wago auch schon Mitte der 90er Jahre eingeführt. In die I/O-Systeme von heute, die auch als Feldbus-Controller agieren, wandert immer mehr Intelligenz, die Funktionseinheiten kommunizieren damit untereinander und passen sich gegenseitig an. Der Maschinenbauer kann so sehr einfach ein Modul, wie beispielsweise eine Kennzeichnungsvorrichtung, wechseln und muss nicht alles über eine zentrale Steuerung neu abstimmen.

Und was bedeutet Modularisierung für Ihre Kunden, die Maschinenbauer?

Merget:

Bei Maschinenbauern, die eine hohe Produktvarianz haben, zählen einzelne und autark funktionierende Einheiten. Das gilt sowohl für Hardware als auch für Software. Oft wollen unsere Kunden nur eine andere Software einspielen, die dann andere Funktionalitäten ermöglicht. Interessanterweise verstehen aber viele Kunden unter Modularisierung auch Puffer nach oben für künftige Anforderungen. Oft werden also Module für Maschinen nachgefragt, die noch zusätzliche unbelegte I/O-Kanäle haben, um eventuelle Erweiterungen anbauen und ansteuern zu können.

Pfeifer:

Maschinenbauer setzen schon lange einzelne Module ein, damit sie einfach unterschiedliche Maschinenvarianten aufbauen können. Der mechanische Weg ist also bei vielen Kunden schon geebnet. Unter Modularisierung verstehen die Maschinenbauer nun verstärkt den steuerungstechnischen Weg.

Profitieren somit insbesondere Sondermaschinenbauer von der Modularisierung, weil jede Maschine anders ist?

Merget:

Ja, das stimmt. Aber auch der Serienmaschinenbauer muss zunehmend angepasste Varianten liefern. Kundenbedürfnisse variieren oft, besonders im Bereich der Funktionen oder beim Einbinden in einen Verbund von weiteren Maschinen zu einer kompletten Fertigungseinheit. Beispielsweise bei CNC-Maschinen, hier will ein Kunde eine spezielle Funktion, eine zusätzliche Achse haben, ein anderer Kunde wieder andere eine Variation in der Antriebsbeschaltung. Denken Sie allein schon an die Verkabelung und Steuerung. Wäre alles zentral gesteuert und verkabelt, sind aufwendige Anpassungen notwendig. Je dezentraler die Intelligenz ist, desto flexibler ist der Maschinenbauer bei seinen Produktvarianten, und wenn es nur eine andere Achse ist.

Für modulare Komponenten benötigt man standardisierte Schnittstellen. Bleibt da nicht die Individualisierung der eigenen Produkte auf der Strecke?

Merget:

Nein, denn wir reden primär von standardisierten Schnittstellen, damit Geräte und Module untereinander kommunizieren können. Hier sind Standards absolut sinnvoll, sonst wären ständig aufwendige Anpassungen notwendig, um Komponenten oder Maschinen verschiedener Hersteller verwenden zu können. Die Individualisierung findet aber in der Intelligenz innerhalb des Moduls statt. Hier werden sich die einzelnen Hersteller immer unterscheiden, beispielsweise kann ich die Module per Webbrowser parametrieren, oder es lassen sich wie bei Turck mehrere Module schachteln. Hätten wir hier eine Standardisierung oder Austauschbarkeit, so würde der oft individuelle Kundennutzen auf der Strecke bleiben. Oft werden Module auch mit Anwendern zusammen entwickelt oder für einzelne Branchen angepasst. Würde man alles vereinheitlichen, würden die Kunden auf der Strecke bleiben, weil es an Innovationskraft fehlen würde.

Sehen Sie das auch so Herr Pfeifer?

Pfeifer:

Ja, denn Kunden wollen Module einfach mit Ihren Maschinen und Anlagen „verheiraten“ und nicht tage- oder wochenlang Schnittstellen programmieren oder vorher spezifizieren. Deshalb ist an der Modulgrenze die Standardisierung und Spezifizierung sehr zielführend. Auf der Modulebene selbst wird eine „Austauschbarkeit“ aber Theorie bleiben. Denn es werden immer Lösungen gemeinsam mit Kunden erarbeitet und Produkte individuell für die verschiedensten Einsatzzwecke und Branchen angepasst. Hier wird es auch immer Alleinstellungsmerkmale geben, durch die sich die Hersteller unterscheiden.

Einige Hersteller bieten modulare Automatisierungsbaukästen an – optimal aufeinander abgestimmt. Nutzen Maschinenhersteller lieber alles aus einer Hand oder ist ein offenes System für hohe Flexibilität, um auch Produkte anderer Hersteller einbinden zu können, der kundenfreundlichere Ansatz?

Merget:

Gerade kleinere und mittlere Maschinenbauer wollen sich nicht abhängig machen. Baut jemand nur 10 Sondermaschinen im Jahr, so sind die Kundenwünsche oft so individuell, hier lassen sich nicht alle Komponenten aus einer Hand nehmen. Offenheit und ein herstellerunabhängiges Konzept sichern die Wettbewerbsfähigkeit dieser Maschinenbauer. Hier sind wir wieder bei den Kundenwünschen nach standardisierten Schnittstellen. Die internen Funktionen des Moduls können dann wieder individuell sein – hier differenzieren wir Hersteller von Automatisierungslösungen uns untereinander. Was nicht sein darf, ist, dass eine übergelagerte Engineering-Software aus einem Automatisierungsbaukasten nur mit den eigenen Komponenten und Modulen optimal funktioniert und offene Lösungen sich nur rudimentär einbinden lassen. Von diesem Ansatz gehen unserer Erfahrung nach die Kunden weg, weil sie nicht von einem Hersteller abhängig sein wollen.

Pfeifer:

Die Abhängigkeit, die will unser Kunde reduzieren und dadurch wird natürlich auch die Flexibilität und Innovationskraft, wie bereits erwähnt, erhöht. Keiner möchte sich mehr auf einen Einzigen Anbieter verlassen. Wenn bei der Feldbuskommunikation alles durchstandardisiert ist, dann ist es egal, welches Engineeringsystem oben aufsetzt. Wird Profinet gesprochen und die Komponentenlieferanten arbeiten in der Profibus Nutzerorganisation mit, dann funktioniert die Kommunikation und Interoperabilität und es muss nicht alles aus einem Hause sein.

Ist die Zeit von zentralen Steuerungen durch die Modularisierung im Maschinenbau vorbei?

Merget:

Nein, denn beispielsweise bei einer klassischen Werkzeugmaschine, die nur eine Funktion hat, braucht es nicht für unterschiedliche Vorgänge jeweils eine eigene dezentrale Automatisierung - der Koordinationsaufwand wäre bei Standardmaschinen zu hoch. Hier wird über eine zentrale Steuerung alles geregelt, allerdings, und dann sind wir wieder bei der Modularisierung, über modulare Softwarepakete. Bei Bedarf kann über die Software auch zusätzliche Funktionalität freigeschaltet werden. Solange Maschinen in ihrer Komplexität überschaubar sind, bleibt meines Erachtens auch der zentrale Steuerungsansatz zielführend.

Herr Pfeifer, sind Sie ebenfalls der Meinung, dass nicht jedes Modul einer Werkzeugmaschine wie die Materialzuführung eine eigene Intelligenz benötigt?

Pfeifer:

Geht es um Zuführeinheiten, die unabhängig von der Werkzeugmaschine genutzt werden können, dann ist tatsächlich eine eigene dezentrale Steuerung sinnvoll. Aber ich kann auch zustimmen, dass es immer wirtschaftliche und auch mechanische Gründe geben wird, auf eine zentrale Steuerung zu setzen - gerade, wenn eine mechanische Modularisierung bei einer Maschine nicht geht oder einfach keinen Sinn macht. Hier sollten Maschinenbauer die einzelnen Feldgeräte und E/A-Module aber dahingehend flexibilisieren oder modularisieren, dass sie die Funktionalitäten, die sie künftig benötigen, nur noch über Software parametrieren müssen. Aber genau am Beispiel Werkzeugmaschine mit autarker Materialzuführung und Entnahmeeinheit sieht man sehr gut, wo Modularisierung Sinn macht. Ich denke, ein ganz wichtiger Punkt für den Maschinenbauer ist auch, autarke Funktionstests von unterschiedlichen Modulen durchführen zu können, weil er diese vielleicht unterschiedlich fertigen lässt. Bei einem zentralen Steuerungskonzept sind schon die Tests und Inbetriebnahme viel zeitaufwendiger.

Bekommen also einzelne Module zunehmend Intelligenz, die Synchronisation der kompletten Maschine wird aber immer eine zentrale Steuerung erledigen?

Pfeifer:

Nein, das sehe ich nicht zwangsläufig so, das ist unterschiedlich vom Maschinentyp und abhängig davon, was tatsächlich synchronisiert werden muss. Wir automatisieren inzwischen Maschinen komplett ohne zentrale Steuerung, weil es durch die Signalverknüpfungen zwischen den Modulen überhaupt keine weiteren Koordinierungsaufgaben mehr gibt. Modul A übergibt an Modul B das Produktionsgut, die Kommunikation erfolgt über standardisierte Schnittstellen. Eine Koordination einer übergeordneten Steuerung ist nicht notwendig.

Merget:

Das haben wir genauso mit unseren dezentralen PLCs. Kunden setzen bis zu acht dieser Steuerungen ein, weil jedes Modul innerhalb einer großen Maschine für sich abgeschlossen und autark arbeitet. Es müssen nur Grundwerte von drei Signalen von Modul zu Modul übergeben werden – beispielsweise, wenn ein Stopp durch die Wartung eines Moduls erfolgt. Der Maschinenbauer hat den Vorteil, er kann seine Kernmaschine testen und in Betrieb nehmen, die drei Signale einzelner Module lassen sich einfach simulieren. Das erhöht die Time-to-Market erheblich.

Pfeifer:

…und das führt dann an so vielen Stellen zu einer Erhöhung der Flexibilität und der Unabhängigkeit. Wird beispielsweise von einem Modul oder einer Bearbeitungszelle ein höherer Output oder zusätzlicher Bearbeitungsschritt benötigt, dann ändere, programmiere, teste und optimiere ich das Modul autark und führe es dann in die Gesamtproduktionsmaschine wieder ein. Wenn ich dagegen auf ein zentrales Automatisierungskonzept setze, muss alles wieder an die zentrale Steuerung angepasst werden. Das erhöht nicht nur die Komplexität, auch die Stillstandzeiten nehmen deutlich zu.

Merget:

Auch das Laufzeitverhalten bei der zentralen Steuerung von Highspeed-Prozessen ist kritisch. Viele Anwender frieren den Firmware-Stand ihrer Steuerung deshalb ein, weil jede Zeile Code-Änderung den ganzen Prozess aus dem Takt bringen kann. Das sind natürlich extreme Fälle, wo es auf jede Millisekunde ankommt, aber es zeigt die Komplexität, wenn alles zentral gesteuert wird. Schnell mal Anpassungen sind hier nicht möglich. Bei dezentraler Steuerung der Module können sie an den einzelnen Einheiten viel einfacher Innovationen vornehmen, ohne die anderen Module zu beeinflussen.

Ein zentraler Bestandteil der Modularisierung sind Softwaremodule, die auf zentralen oder dezentralen Steuerungen dem Maschinenbauer fertige Funktionen wie Kurvenscheiben oder Fliegende Säge bereitstellen. Wird damit ein Kernproblem vieler Unternehmen adressiert, weil diese oft keine Software-Experten haben oder bekommen?

Merget:

Ja, die Tendenz ist auf jeden Fall da. Natürlich haben die großen Industrieunternehmen ihre eigenen Programmierer, aber die vielen kleinen und mittelständischen Maschinenbauer, deren primäre Expertise in der Mechanik liegt, wollen neben Steuerungen auch fertige Softwaremodule für Standardfunktionen mitgeliefert bekommen. Das gilt speziell auch für die funktionale Sicherheit. Natürlich können wir als Anbieter von Automatisierungslösungen nur Softwaremodule und Bibliotheken für Standardfunktionen liefern. Oft sind die Anforderungen der Kunden aber sehr speziell, so dass wir hier spezielle Anpassungen zusammen mit dem Kunden machen müssen.

Pfeifer:

Um dem Anwender auch die schnelle Adaption unserer Automatisierungslösungen zu ermöglichen, werden zunehmend fertige und leicht anpassbare Softwaremodule benötigt. Wie Herr Merget auch schon andeutete, ist eine breite Abdeckung aller Funktionalitäten im Maschinenbau durch die große Heterogenität sehr schwierig. Das haben wir bei Wago erkannt und investieren deshalb auch stark in die applikative Unterstützung von Maschinenbaukunden. Über unser Solution- und Supportcenter bieten wir Softwarekompetenz an und führen zusammen mit dem Kunden die Inbetriebnahme von Maschinen durch. Daraus entstehen auch wieder neue fertige Softwaremodule, die wir dem Markt wieder zur Verfügung stellen können – sofern es keine Exklusivlösung für den Kunden war. In anderen Branchen als dem Maschinenbau ist die Gleichheit der Funktionalitäten dagegen viel größer, hier haben fertige Softwaremodule eine noch höhere Bedeutung.

Auf welche Plattform setzen Sie bei Steuerungen, um hier auch Modularität in der Software anbieten zu können?

Pfeifer:

Die meisten typischen Automatisierungs- und SPS-Anwender nutzen nach wie vor Codesys als Programmiersprache, aber sehr stark wachsend ist der Bedarf an Hochsprachenprogrammierbarkeit – vor allem bei Hochschulabgängern. Dadurch, dass wir mit Linux ein offenes System für die Steuerungen nutzen, können wir sowohl Codesys als auch Hochsprachen auf einer Plattform vereinen.

Merget:

Codesys ist inzwischen ein international anerkanntes Engineering-Werkzeug und wird der Standard bleiben. Damit ist eine Visualisierung ebenso programmierbar wie Safety oder Motion Control, alles gibt es auch in fertigen Modulen aus Softwarebibliotheken. Gleichzeitig sehen wir den Bedarf, parallel auch Hochsprachen auf Steuerungen zu unterstützen. Gerade mit Hinblick auf Industrie 4.0 wollen sie intelligente Algorithmen direkt im Feld haben, um beispielsweise Informationen für Predictive Maintenance an der Maschine zu generieren. Hierfür eignen sich Hochsprachen einfach am besten. Mit Linux als Plattform auf der Steuerung lassen sich verschiedenste Softwaremodule einfach kombinieren.

Erreichen wir in der Modularisierung durch Standards Plug & Play auch über Anbietergrenzen hinweg?

Merget:

Genau deshalb wird in Gremien wie dem ZVEI oder der PNO sehr eng zwischen den Anbietern von Automatisierungslösungen zusammengearbeitet. Am Ende geht es einfach darum, Schnittstellen zu definieren, damit Kunden Komponenten verschiedener Hersteller einfach miteinander kommunizieren zu lassen. Standardisierung erzeugt Akzeptanz beim Kunden und kommt somit allen Lösungsanbietern zu Gute. Modulare Systeme benötigen also standardisierte Schnittstellen, und das geht nur, wenn wir als Automatisierungsanbieter untereinander über die Gremien an einem Strang ziehen.

Pfeifer:

Richtig! Deshalb haben wir bei Wago beispielsweise für die Prozesstechnik auf einer NAMUR-Empfehlung aufsetzend das DIMA-Konzept entwickelt, eine herstellerunabhängige Lösung für die Automatisierung wandlungsfähiger Produktionsanlagen. Die unterschiedlichsten Modullieferanten möchten sich ja auf ihr Kerngeschäft konzentrieren und sicherstellen, dass alle Schnittstellen für die Einbindung in die Anlage funktionieren. Von daher ist an der Modulgrenze die Standardisierung und Spezifizierung sehr zielführend für die einzelnen Modul- oder Maschinenbauer.

Dieser Artikel ist Teil des Fokusthemas „Modularisierung im Maschinen- und Anlagenbau" aus der A&D-Ausgabe 7+8 2018.

Bildergalerie

  • Oliver Merget ist Leiter des Geschäftsbereichs Automation Systems bei Turck.

    Bild: Turck

  • Jürgen Pfeifer ist Automation Account Manger bei Wago.

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