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Das Beckhoff MX-System: Neuer Baukasten für die Automatisierung ersetzt den Schaltschrank

Das Beckhoff MX-System: Neuer Baukasten für die Automatisierung ersetzt den Schaltschrank
Das Beckhoff MX-System: Neuer Baukasten für die Automatisierung ersetzt den Schaltschrank

Seit langer Zeit sind Schaltschränke ein fester Bestandteil von Maschinen und Anlagen und aus diesen fast nicht mehr wegzudenken. Doch die Planung, Entwicklung und Verdrahtung von Schaltschränken kostet viel Zeit und ist zudem fehleranfällig. Es existieren bereits Ansätze, Schaltschränke automatisiert zu bauen und so den Ressourcenaufwand und auch die Zuverlässigkeit zu erhöhen. Aber auch dann bleibt das Problem, dass Schaltschränke an der Maschine wertvolle Produktionsfläche benötigen. Auch diesen Herausforderungen wird mit Lösungsansätzen wie dezentralen Klemmkästen, Antrieben oder z. B. den Beckhoff EtherCAT-Box-Modulen begegnet, die direkt an der Maschine außerhalb des Schaltschrankes angebracht werden können. Keines dieser Konzepte hat allerdings den Anspruch, den kompletten Schaltschrank zu ersetzen und die gesamte Welt der Automatisierungstechnik in kompakter und robuster Form an die Maschine zu bringen. Letztendlich benötigt noch fast jede Maschine einen oder mehrere separate Schaltschränke.

Schaltschranklose Maschinen- und Anlagenkonzepte in IP67

Mit dem neuen MX-System stellt sich Beckhoff Automation diesen Herausforderungen und schafft eine Revolution in der Automatisierungswelt. Mit dem ganzheitlichen, modularen und steckbaren Ansatz kann der Schaltschrank auf ein Minimum reduziert oder sogar substituiert werden. So lassen sich ab sofort Maschinen und Anlagen ganz ohne Schaltschränke konzipieren und steuern.

Das MX-System steht für die Systemintegration aller Maschinenfunktionalitäten, da es zugleich alle Vorzüge der PC- und EtherCAT-basierten Steuerungstechnik nutzt. Das kompakte System aus Metall ist durch die hochwertige Verarbeitung nicht nur staub- und wasserdicht, sondern auch robust und widerstandsfähig, wodurch es direkt an der Maschine platziert werden kann.

Das MX-System: Die System-Architektur

Mit dem ganzheitlichen modularen und steckbaren MX-System können unterschiedlichste Anwendungen und Maschinenkonzepte realisiert werden. Durch das umfangreiche Portfolio stehen Anwendern alle Vorzüge der PC- und EtherCAT-basierten Steuerungstechnik zur Verfügung.

Die robuste, aus einem Aluminiumprofil bestehende Baseplate bildet als Rückwand die Basis des MX-Systems. Sie bietet standardisierte Steckverbindungen, auf die die verschiedensten Funktionsmodule des MX-Systems einfach aufgesteckt und anschließend mithilfe von in den Modulen befindlichen, unverlierbaren Schrauben festgeschraubt werden können.

Die Baseplate kann in ihrer Größe variieren und bis zu drei Reihen mit je maximal 24 Steckverbindungen (Slots) beinhalten. Hinter jeder Slot-Reihe steckt eine Backplane, die je nach Art verschiedene Spannungen und EtherCAT als Kommunikationsbus unter den Slots verteilt. Somit kann die Baseplate nahezu beliebig auf die jeweilige Anforderung der Maschine angepasst werden.

Es wird zwischen zwei Arten von Backplanes und somit Slots unterschieden: Daten-Backplanes mit MX-C-Slots, über die die Module mit 24 V DC bzw. 48 V DC und mit EtherCAT versorgt werden, und Power-Backplanes mit MX-P-Slots, über die die Netzspannung (3-phasig + N 400…480 V) und der DC-Link-Bus (maximal 848 V DC) verteilt werden. Ein MX-P-Slot kann mit maximal 35 A belastet werden, während die zugrundeliegende Power-Backplane maximal 63 A zur Verfügung stellen kann.

Die jeweiligen MX-Module können je nach Funktion auch unterschiedliche Größen haben. So passt ein einfaches MX-I/O-Modul in der Regel auf einen einzelnen MX-C-Slot und wird so mit Leistung und Kommunikation versorgt, während größere Antriebsmodule über mehrere Slot-Reihen gehen können, da diese Module eine Steckverbindung zu einem MX-C-Slot für die Kommunikation und MX-P-Slot für die Leistung benötigen. Die Funktionsmodule können auch in ihrer Breite variieren und bis zu 3 Slots breit werden. So kann z. B. bei großen Leistungsmodulen die Leistung über zwei MX-P-Slots parallel eingespeist werden.

Dadurch, dass jedes auf der MX-Baseplate aufgestecke Funktionsmodul auch ein EtherCAT-Gerät ist, liegt grundsätzlich für das gesamte MX-System eine umfassende Diagnose vor. Des Weiteren verfügt die MX-Baseplate über ein komplettes Housekeeping-System, welches Umweltparameter wie die Temperatur dauerhaft überwacht.

Die MX-Baseplate lässt sich mithilfe von Schraubverbindungen ohne Probleme direkt an der Maschine befestigen und kann somit optisch und funktional in den Maschinenbauraum integriert werden.

Um das MX-System mit Leistung zu versorgen, sind Einspeisemodule für den Netzanschluss vorgesehen. Diese verfügen jeweils über eine eigene Absicherung, welche im stromlosen Zustand des Systems ausgetauscht werden kann. Für das Erreichen dieses Zustandes besitzen die Einspeisemodule einen Lasttrennschalter als Hauptschalter, sodass das MX-System auch unter Last stromlos geschaltet werden kann. Der Hauptschalter ist außerdem in der 0-Stellung abschließbar. Somit lässt sich das MX-System einfach und sicher warten.

Die Einspeisemodule speisen die drei Phasen sowie den Neutralleiter der Netzspannung in die Backplane; über die MX-P-Slots werden wiederum die jeweiligen Funktionsmodule mit der benötigten Spannung versorgt. Die Einspeisemodule existieren in unterschiedlichen Baugrößen für 16 A, 32 A oder 63 A.

Sofern eingespeist, werden die dreiphasige Netzspannung sowie die Zwischenkreisspannung über die gesamte Power-Backplane verteilt. Die davon abgehenden Steckverbinder der jeweiligen MX-Slots können die aufgesteckten Module mit beiden Spannungen versorgen und sind dabei mit bis zu 35 A belastbar. Die gesamte Backplane kann mit bis zu 63 A belastet werden.

Zusätzlich können die 400-V-AC- und 600-V-DC-Spannungen mithilfe von Leistungsabgangsmodulen aus dem MX-System herausgeführt und z. B. in weitere MX-Baseplate-Stationen eingespeist werden. So lassen sich ohne Probleme kaskadierte dezentrale Systeme aufbauen. Die Leistungsabgänge erfassen dabei die Ströme und verfügen über entsprechende Absicherungen zur Reduzierung der Leiterquerschnitte.

Alle Funktionsmodule, die die 400 V AC verwenden, sichern die Spannungen innerhalb des jeweiligen Moduls ab. Die Absicherung der 600-V-DC-Module geschieht über die elektronische Überwachung in den entsprechenden Backplane-Modulen.

Auch die Kleinspannungen 24 V DC und 48 V DC werden über die entsprechende Backplane und die MX-C-Slots in die Module gespeist. Dafür kann die Spannung direkt über ein Filtermodul in die Backplane gespeist werden oder alternativ ein Netzteilmodul auf das System gesteckt werden, welches aus den 400 V AC oder 600 V DC der 2-reihigen MX-Baseplate direkt die Kleinspannung erzeugt. Außerdem beinhalten die Einspeisemodule und Buskopplermodule direkt ein Netzteil und versorgen so die Daten-Backplane mit 24 V DC bzw. 48 V DC. Maximal können so 20 A über einen MX-C-Slot in die Backplane gespeist werden. Durch die Parallelschaltung von Netzteilen können auch größere Ströme bis zu 30 A über die Backplane verteilt werden. Die 24 V oder 48 V werden innerhalb der Funktionsmodule abgesichert, um auch hier die Querschnittsreduzierung der abgehenden Leitungen zu ermöglichen.

Auch EtherCAT läuft als Feldbus in der Daten-Backplane und wird über die MX-C-Slots in die Module geleitet. Durch die bewährte, robuste und schnelle EtherCAT-Kommunikation lassen sich auch die kompliziertesten Maschinen mithilfe des MX-Systems realisieren und Zykluszeiten << 1 ms erreichen. Des Weiteren sind Funktionen wie Hot-Swap direkt integriert, sodass auch während des Betriebs Module ausgetauscht oder weitere Subsysteme oder MX-Baseplate-Stationen angeschlossen werden können.

Da jedes Funktionsmodul somit automatisch ein EtherCAT-Teilnehmer ist, liegen umfassende Diagnosedaten für alle Module und somit für das gesamte MX-System vor, die bequem auf der zentralen Steuerung eingesehen und analysiert werden können.

Durch die konsequente Nutzung von EtherCAT in jedem MX-C-Slot stehen auch jedem Modul tendenziell die bewährten und leistungsfähigen TwinSAFE-Safety-Funktionalitäten zur Verfügung. Dementsprechend stehen sichere I/O- und Motion-Module mit bekannten Sicherheitsfunktionen wie STO/SS1 oder Safe Motion im MX-System zur Verfügung.

Des Weiteren verfügen auch Baugruppen wie ein IO-Link Class B Master über eine sichere Abschaltung der Versorgungsspannungen der Aktoren.

Produkte

MBxxxx | Baseplates

Skalierbare Baseplates bilden die Grundlage für das schaltschranklose Automatisierungssystem.

MCxxxx | IPC-Module

Robuste Industrie-PCs verschiedenster Leistungsklassen als Basis aller Automatisierungsanwendungen.

MOxxxx | I/O-Module

Umfassendes Produktspektrum an steckbaren I/O-Modulen für alle Signale der Automatisierungswelt.

MDxxxx | Motion-Module

Innovatives Antriebspaket zur Realisierung modularer und sicherheitsgerichteter Maschinenkonzepte.

MRxxxx | Relais-Module

Vielfältige Relais-Module ermöglichen das Schalten von großen Strömen und Leistungen.

MSxxxx | System-Module

Systemmodule wie Einspeise-, Netzteil-, Koppler- und Netzabgangsmodule runden das modular steckbare Automatisierungssystem ab.

Fünf Systemvorteile für den Maschinen- und Anlagenbau

Maschinen- und Anlagenbauer können mit dem MX-System nicht nur ihren Engineering- und Installationsaufwand, sondern auch den Maschinen-Footprint deutlich reduzieren. Zudem erhöhen sich Anlagenverfügbarkeit und -flexibilität bei minimiertem Wartungsaufwand. Entscheidend für diese Anwender-Benefits sind die fünf Systemvorteile dieses neuen und schaltschranklosen Automatisierungsansatzes:

Die mechanische und elektrische Modularisierung des Systems wird zum neuen Engineering-Standard. Das optimal aufeinander abgestimmte Produktportfolio ermöglicht es, die elektrische Ausrüstung von Maschinen und Anlagen nach dem Baukastenprinzip zu konzipieren. Da deutlich weniger Komponenten als im klassischen Schaltschrankbau zur Realisierung der gleichen Anforderungen benötigt werden, wird das gesamte MX-System folglich bedeutend kompakter. Mit diesen Vorteilen überzeugt das MX-System im Bereich Engineering:

  • geringer technischer Aufwand
  • weniger Komponenten: kein Gehäuse, keine Verschraubung für die Verkabelung
  • Dezentralisierung und Modularisierung
  • eine Lösung für UL, CSA und IEC
  • integrierte Funktionen: Sicherheit, Diagnose, elektronische Sicherung

Anders als in einem klassischen Schaltschrank ist keine zeitaufwendige und fehleranfällige Installation in Form von Einzeldrahtverbindungen notwendig. Die standardisierten Schnittstellen des MX-Systems ermöglichen ein müheloses Plug-and-Play-Prinzip, indem sich alle Funktionsmodule unkompliziert auf die Baseplate stecken lassen. Es ergeben sich daraus folgende Benefits:

  • enorme Verringerung der Montagezeit: von 24 Stunden auf 1 Stunde
  • die Montage des Schaltschranks kann auch inhouse von Nicht-Elektrikern durchgeführt werden
  • kein externer Schrankaufbau und keine Logistik erforderlich
  • hohe Qualität: keine Fehler bei der Verkabelung des Schaltschranks
  • drastische Verringerungen der Komplexität der Lieferkette

Das MX-System lässt sich, im Gegensatz zu herkömmlichen Lösungen, aufgrund seiner erheblichen Kompaktheit optisch und funktional in den Maschinenbauraum integrieren. Dadurch verkleinert sich der Maschinen-Footprint um ein Vielfaches. Zudem ergeben sich deutlich kürzere Kabelwege bis zur Prozessebene und dadurch Kosteneinsparungen.

Durch die standardisierten Schnittstellen ist das MX-System hochskalierbar und lässt sich im Handumdrehen um weitere MX-Systeme erweitern oder mit bestehenden Maschinenkonzepten mit vorhandenen Schaltschranklösungen kombinieren.

  • einfache Montage der vormontierten Grundplatte an der Maschine
  • Plug-and-Play-Installation aller Kabel dank EtherCAT P-Kabel und -Stecker
  • keine Installationsfehler durch vorkonfektionierte Kabel
  • Elektroinstallationen können von mechanischen Fachkräften im Rahmen der mechanischen Installation durchgeführt werden
  • keine Elektrofachkräfte bei der Montage erforderlich
  • kürzere Montagezeit, geringerer Platzbedarf für elektrische Komponenten und Kabel

Neben den Vorteilen für den Endanwender zur einfachen Erweiterung des MX-Systems ergeben sich für den Systemnutzer auch im Bereich Service und Wartung weitere Vorteile. Das MX-System besteht aus durchgehend intelligenten EtherCAT-Komponenten, so dass zu jeder Zeit eine umfangreiche Systemdiagnose möglicht ist. Jedes Funktionsmodul verfügt neben klassischen Status-LEDs über eine eindeutige Seriennummer in Form eines Datamatrix-Codes. Dieser Code kann per Smartphone-App gescannt werden, wodurch sich das Smartphone mit der Steuerung verbindet und Diagnosedaten zum entsprechenden Funktionsmodul ausgibt.

Das Baukastensystem und das einfache Plug-and-Play-Prinzip ermöglichten einen unkomplizierten und schnellen Austausch eines defekten Moduls. Dies bietet gerade für den Endanwender/Maschinenbetreiber einen enormen Zeitvorteil.

  • voll integrierte, nicht-intrusive EtherCAT-Geräte für die Systemdiagnose
  • Diagnose kann von Nicht-Elektrofachkräften durchgeführt werden – es muss kein Schaltschrank geöffnet werden.
  • einfache Fehlerlokalisierung: Modul, Kabel oder Gerät
  • Module können von Laien ausgetauscht werden.
  • einfacher Austausch defekter Module dank Hot-Swap-Funktion
  • Diagnose mit eindeutigen Teilenummern

Maschinen- und Anlagenbauer können mit dem MX-System nicht nur ihr gesamtes Engineering vereinfachen, sondern auch die gesamte Installation und Verdrahtung der Komponenten an der Maschine selbst. Durch das unkomplizierte Plug-and-Play-Prinzip lassen sich die Funktionsmodule im Handumdrehen auf der Baseplate montieren und das gesamte System in Betrieb nehmen. Die Summe an Anwender-Benefits ist groß:

  • enorme Verringerung der Systemkomplexität, des Platzbedarfs und der Aufbau-, Montage- und Installationszeit
  • enorme Reduzierung der Kabellänge und der Komplexität bei der Verkabelung der Maschine
  • enorme Verringerung des Aufwands für die Verwaltung der Lieferkette
  • Kompatibilität mit allen wichtigen internationalen Normen (CE, UL, CSA, IEC, ...)
  • robustes Metallgehäuse mit außergewöhnlicher EMV-Stabilität
  • einfache Wartung durch den Endkunden
  • einfache Erweiterung der Anwendung
  • Kompatibilität mit allen wichtigen Geräte- und Kommunikationsstandards
  • EtherCAT, EtherCAT G, EtherCAT P
  • Koppler für ProfiNET, Ethernet/IP, …
  • Kommunikationssteuerung für alle wichtigen Feldbusse
  • hochwertige TwinCAT-Unterstützung
  • Wiederverwendung aller Komponenten für neue Anwendungen
  • geringere Kosten