MX-System: steckbare Systemlösung ersetzt Schaltschrank

Mit dem MX-System als modularem Automatisierungsbaukasten verpackt Beckhoff sein bisheriges Produkt-Portfolio in ein neues Gehäusesystem und ersetzt damit vollständig den traditionellen Schaltschrank an der Maschine.

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 werden von einer 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.

Vergleicht man die Schaltschranktechnik der vergangenen Jahrzehnte, wird deutlich, dass der prinzipielle Aufbau 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 ersetzen. Dazu wurde mit dem MX-System ein modularer Baukasten entwickelt, bei dem steckbare Baugruppen mit standardisierten elektrischen und mechanischen Schnittstellen über eine Basiseinheit miteinander verbunden werden.

Die technologische Grundlage für die Standardisierung der Schnittstellen bietet der Industrial-Ethernet-Feldbus EtherCAT. Der vor 20 Jahren von Beckhoff entwickelte und auf den Markt gebrachte weltweite Kommunikationsstandard eignet sich durch sein besonderes Funktionsprinzip der Datenverarbeitung im Durchlauf perfekt dazu, eine große Anzahl von I/O-Baugruppen, Antriebsreglern und anderen Komponenten in nahezu beliebiger Topologie und Reihenfolge an eine Steuerung anzubinden.

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.

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 IP 67 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.

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. Die Stromtragfähigkeit der Baseplate von 63 A für Leistung und 30 A für die Schutzkleinspannungen deckt den überwiegenden Anteil der Anforderungen ab.

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 Prozent 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.