Produktionsmittel modular zu konzipieren – diese Zielsetzung existiert seit über 20 Jahren. Dennoch konnte sich dieser Trend bis heute nicht wirklich durchsetzen. Woran liegt das? Um Modularisierung ganzheitlich zu betrachten, sind neben der Mechanik die Software und die Elektronik-Ebene tiefgreifend zu modularisieren. Doch genau bei diesen beiden letztgenannten Bereichen ist dies bis dato nicht mit der gebotenen Konsequenz geschehen. Entsprechend ist hier das Potenzial für Verbesserungen nach wie vor hoch.

Dass modulare Maschinen monolithischen Lösungen trotzdem immer mehr den Rang ablaufen, scheint außer Frage. So prognostiziert unter anderem eine Marktanalyse von Quest TechnoMarketing aus dem Jahr 2014 über die Entwicklung des Engineering der Maschinenautomation bis 2017, dass das künftige Wachstum vor allem aus der Herstellung modularer Maschinen resultieren wird und der Anteil monolithischer Lösungen gleichzeitig zurückgeht. So steigt die Anzahl der modularen Maschinen mit 36 % doppelt so stark wie die allgemeine Maschinenproduk­tion. Schon heute macht der Anteil überwiegend modularer Maschinen rund die Hälfte der Gesamtproduktion aus. Welche Rahmenbedingungen liegen dieser Entwicklung zugrunde?

Die Antwort auf diese Frage findet sich hier weniger in einem „Was hat sich verändert?“, sondern vielmehr im „Was ist hinzugekommen?“. Hierbei muss man wissen, dass Modularisierung – wie eingangs bereits angedeutet – sehr lange ein mechanisch geprägtes Thema war. Parallel dazu hat sich schließlich der mechatronische Ansatz entwickelt, der eine gleichzeitige Betrachtung von Mechanik, Hardware und Software beinhaltet. Es ist jetzt die kon­sequente Übertragung dieses mechatronischen Gedankens auf die Modularisierung, die zum Durchbruch führen wird.

Risiken und Restriktionen

Modularisierung von A bis Z zu betreiben heißt, sich von Anfang an eines Baukastens zu bedienen. Baukästen haben jedoch den Nachteil, dass das, was sich darin befindet, eine fest definierte Funktion besitzt – was aber die Flexibilität wiederum entsprechend eingrenzt. Zudem sieht das Ergebnis, welches ein und demselben Baukasten entstammt, nun einmal aus wie aus einem Baukasten. Dieser Effekt macht es schwieriger, sich gegenüber dem Wettbewerb zu differenzieren. Standardisierung bringt darüber hinaus den Effekt mit sich, dass beispielsweise Funktions- und Maschinenmodule fest umrissene Produkteigenschaften haben – und folglich immer das Risiko besteht, dass mehr drin ist, als für eine Applikation eigentlich erforderlich. Deshalb ist es so wichtig, die Module in sich zu skalieren. Und um noch etwas bei der eingeschränkten individuellen Anpassungsfähigkeit zu bleiben: Standardisierung auf Modul-Ebene birgt in der Praxis immer das Problem, dass es eigentlich zu wenig unterschiedliche Module gibt.

Angesichts der eingangs genannten Entwicklungen, die moderne Fertigungen heute mit den Mechanismen einer Industrie 4.0 nehmen, wirken sich auch die Schnittstellen ­limitierend auf die Freiheit im Maschinenbau aus. Wer vorhat zu modularisieren, muss bei den Schnittstellen nun mal einen Gleichklang herstellen – und dieser hat herstellerübergreifend zu klingen, damit sich Module unterschiedlicher Firmen einfach miteinander kombinieren lassen. Unter Schnittstellen sind hier mechanische Kopplungen genauso zu verstehen, wie die Anfangs- und Endpunkte einer Kommunikation. Auch wenn der Einsatz standardisierter Kommunikation und die Programmierung mit ebenfalls standardisierten beziehungsweise normkonformen Sprachen sicher die Freiheit bei der Arbeit beschränkt, so eröffnet sich damit der Weg, Maschinen unterschiedlicher Hersteller später zu einer effektiven Gesamtproduktion zu verbinden.

Differenzierung nicht über Standardfunktionen

So streng letztlich die Anforderungen bei der Konzeption von Modulen vor allem bei den Schnittstellen und der Software sind und so eng das Korsett im Engineering angelegt ist: Modularisierung lohnt sich – vor allem bei Standardfunktionen. OEMs sind deshalb gut beraten, ihre Maschinen schlüssig in Funktionseinheiten zu zerlegen, weil sie nur so in der Lage sind, wiederkehrende Aufgaben mit einer Lösung aus der Schublade zu bedienen. Diese Vorgehensweise spart Zeit für die Entwicklung und Testläufe. Zudem sinkt die Fehlerrate, weil standardisierte Funktionseinheiten fertig entwickelt und erprobt sind, und nicht zuletzt trägt diese Arbeitsweise dazu bei, dass die Maschinen schneller zur Auslieferung kommen können.

Für eine konsequente Modularisierung müssen die komplexen Bewegungs­abläufe konsequent in ihre funktionalen Einheiten zerlegt werden.

© Lenze

Eine wesentliche Voraussetzung für eine konsequente Modularisierung der Maschinen ist, dass die für die Maschinenmodule in Frage kommende Antriebs- und Automatisierungslösung ebenfalls funktional modularisiert und skaliert ist – in Mechanik, Hardware und Software. Mit anderen Worten: Es geht darum, häufig wiederkehrende Standardfunktionen wiederverwendbar zu gestalten. Denn kein OEM wird sich in seinem Markt mit Standardfunktionen differenzieren können. Diese Aussage lässt den Rückschluss zu, dass es in Zukunft verstärkt darum gehen wird, Automatisierungstechniken einzusetzen, mit der sich der Standard schnell erledigen lässt – und damit mehr Zeit für die wirklich wichtigen Arbeiten bleibt.

Modularisierung im Bereich der Hardware bedeutet im Wesentlichen, Technik in einem Baukasten bereit zu halten, die sich möglichst feingranular miteinander kombinieren lässt, um die Nachteile der genannten Überdimensionierung zu begrenzen. Die Studie von Quest TechnoMarketing belegt diese Aussage, indem die Mehrheit der Maschinenbauer Lieferanten bevorzugen, die ein komplettes Portfolio auf der Basis von Standardkomponenten bieten. Allerdings muss dieses auch eine anwendungsspezifische Anpassung erlauben. Das gilt insbesondere für die Softwarelösungen, die laut der Studie mittlerweile von 92 % der befragten Maschinenbauer als wichtiger Wettbewerbsvorteil gesehen werden!
Diesen Trends Rechnung tragend, geht zum Beispiel Lenze mit seinem FAST-Konzept den Weg, Standardfunktionen von Antrieben wie elektrische Welle, Positionieren oder Heben in miteinander kombinierbare Technologiemodule zu gießen. Diese sind zudem so aufgebaut, dass sich der Maschinenbauer auch eigene Module schreiben kann.

Während der geschilderte Ansatz sich auf vergleichsweise eng umrissene Maschinenfunktionen konzentriert, besteht der nächste Schritt der Modularisierung darin, diese Funktionen ebenfalls standardisiert miteinander zu verknüpfen. Auf der horizontalen Ebene greifen Kommunikationsstandards wie Ethercat oder CANopen, in vertikaler Richtung OPC UA oder zum Beispiel PackML der OMAC. Letztendlich kann die Modularisierung im Maschinenbau erst dann ihre gesamten Vorteile ausspielen, wenn die Datendurchgängigkeit innerhalb einer Produktion wirklich sichergestellt ist – womit wir wieder bei ­Industrie 4.0 wären.

Modulwechsel mit wenigen Klicks

In diesem Kontext wird es auch darum gehen, wie sich modulare Projekte künftig ohne aufwendige Software-Anpassungen realisieren lassen. Damit ein „Mal kurz raus – und dann wieder schnell rein“ eines Moduls in der ­Praxis mit wenigen Klicks möglich ist, sind konfigurierbare Maschinenkonzepte gefragt. Das heißt: Je nach Ausführung eines Maschinentyps wird die endgültige Ausbaustufe durch einen Konfigurator festgelegt, in dem sich bestimmte Funktionalitäten und damit Module wahlweise zusammenstellen lassen. Ergo müssen beispielsweise Busarchitekturen darauf vor­bereitet sein, dass hier bestimmte Module und damit Busteilnehmer op­tional hinzugefügt oder auch eliminiert werden können.

Auf Standards basierende Schnittstellen und Technologien sichern eine einfache, herstellerübergreifende Integration der Module in der Maschine und in die Linie.

© Lenze

Was heißt das in der Praxis? Bei klassisch konzipierten Bussystemen müssen Entwickler vorher wissen, welche Teilnehmer an Bord sind und auf welchem Platz sie sitzen. Das wiederspricht aber der geforderten Flexibilität eines modularen Maschinenbaus. Fehlt nämlich ein Teilnehmer, geht der Bus auf Fehler, wenn er nicht entsprechend neu konfiguriert wurde. Das macht die Modula­risierung in diesem Bereich so aufwendig. Um dem entgegenzuwirken, hat beispielsweise Lenze nun die Funktion ‚Optionale Teilnehmer‘ in Ethercat integriert. Mit diesem Prinzip sind Anwender in der Lage, die größte Grundkon­figuration anzunehmen – und daraus durch Aus- oder Abwahl eine kunden­individuell abgespeckte Variante zu definieren. Dieses Verfahren spart einerseits Zeit und macht andererseits den Weg frei für virtuelle Maschinen inklusive einer virtuellen Inbetriebnahme.

Beim Verfahren ‚Optionale Teilnehmer‘ kann die Identifikation der angeschlossenen Teilnehmer durch den Vergleich mit der Konfiguration erfolgen. Damit können bestimmte, zulässige Bustopologien flexibel mit einem einzigen Maschinenprogramm betrieben werden. Weiterhin ist es möglich, durch ein ‚Scannen‘ des tatsächlichen Ethercat-Netzwerkes eine Identifikation zu ermöglichen – und dann über Geräteparameter individuelle Erkennungsmerkmale abzufragen. Auf diese Weise lässt eine sehr große Anzahl möglicher Bustopologien mit einigen wenigen Regeln beschreiben. Das erhöht die Flexibilität für Erweiterungen oder Veränderungen und spart folglich wertvolle Engineering-Ressourcen während der Maschinenlebensdauer.
Das in die Master-Steuerung von Lenze implementierte Verfahren beruht auf dem bei der ETG standardisierten Verfahren ‚Second Slave Adress‘. Weil alle Ethercat-Teilnehmer über eine Datei in Klartext konfigurierbar sind (*.CSV-Datei), lassen sich unterschiedliche Ausbaustufen mit vorbereiteten Konfigurationen ohne Programmierkenntnisse erstellen.

Wer gibt den Takt vor?

Wenn in einem Bus alle an ihrem Platz sitzen, bleibt noch die Frage des Fahrers zu klären, der sowohl die Richtung, als auch die Abfahrzeiten vorgibt. Oder anders ausgedrückt: Es muss Stellen geben, die den Takt samt des einzig gül­tigen Zeitstempels vorgeben. Diese für eine synchrone Produktion unerlässliche Funktion wird bei Lenze über die Verwendung einer Ethercat-Bridge gelöst. Diese technische Einheit synchronisiert die Uhren unterschiedliche Teilnehmer, die für sich zwar ebenfalls in Echtzeit arbeiten, dessen Verbund es aber an einer Masteruhr fehlt. Die ‚Sync Bridge‘ wird damit zur Instanz, die für alle auf die Uhr schaut.

Technisch betrachtet verbindet die ‚Sync Bridge‘ Ethercat-Segmente, indem sie dazu separate Ethercat Slave Interfaces implementiert. Auf diese Weise wird ein Datenaustausch zwischen den einzelnen Netzwerken möglich. Um die Taktgeber der Einzelsegmente – der Distributed Clocks (DC) – zu synchronisieren, stellt die Bridge die genaue Differenz zwischen den Zeitstempeln als CoE-Objekt zur Ver­fügung. Somit können die jeweiligen Master der einzelnen Netzwerke ihre Zeiten aufeinander abstimmen. Auf diese Weise ist es jetzt möglich, konsequent auf allen drei genannten Ebenen – Hardware, Elektronik, Software – ohne Restriktionen zu modularisieren.

Zusammenfassend lässt sich festhalten: Der Neuigkeitswert liegt in der Möglichkeit, nun konsequent auf allen drei genannten Ebenen zu modularisieren und die genannten Restriktionen aufzuheben. Liegt der Fokus aktuell noch darauf, Motion-Control-Funktionen wie Kurvenscheiben, Fliegende Sägen oder elektrische Welle als individuell anpassbare Standardbausteine ins Engineering zu integrieren, so gehen künftige Entwicklungen dahin, einzelne Technologiefunktionen zu größeren Funktions­einheiten zu verbinden.

Gesprochen wird dann beispielsweise von fertigen Lösungen für ein Förderband, eine Siegelstation, einen kompletten Wickler oder einer Stanzeinrichtung. Dies wirft die Frage auf: Graben die Hersteller von Antriebs- und Automatisierungstechnik damit ihren Maschinenbau-Kunden durch die Ausweitung der Wertschöpfung mehr und mehr das Wasser ab? Mitnichten! Vielmehr kann die Branche angesichts des sich verstärkenden Fachkräftemangels auf diese Weise aus der Not eine  Tugend machen. Denn wenn bei der Modularisierung ‚größer‘ gedacht wird, öffnet sich der Weg, zeitfressende Standard-Tätigkeiten einzusparen – und so mehr Luft dafür zu haben, sich wirklich zu differenzieren.

Autor: Kay Willerich ist verantwortlich für den Produktbereich Controls bei Lenze Automation.