Auf den Schaltschrank verzichten

Wie der Traum vom Fliegen, sei die Idee einer schaltschranklosen Fabrik. Der Schaltschrank, in dem alle elektrischen Anschlusskomponenten, Steuerungen und Schutzeinrichtungen übersichtlich angeordnet sind, steht im Weg, kostet Manpower bei Bau und Installation vor Ort und er nimmt zu viel Platz ein. „Der Maschinenbauer konstruiert eine Maschine. Dann kommt der Elektrotechniker mit seinem Gehäuse für die elektrische Anschlusstechnik. Dieses Gehäuse ist im Laufe der Jahre immer aufwendiger und größer geworden und das passte dem Maschinenbaukonstrukteur selten“, sagt Daniel Siegenbrink, Produktmanager MX-System bei Beckhoff.

Für die Energieverteilung gibt es schon seit vielen Jahren Verteilerboxen fürs Feld. Weidmüller ist einer der Hersteller, die so etwas anbieten. „Ziel bei Weidmüller war es damals bei längeren Strecken in der Intralogistik mehrere Verbraucher – klassischerweise Motoren – mit Strom zu versorgen“, erklärt Max Steinbacher, Produktmanager Fieldpower-System bei Weidmüller. Statt für viele Dutzend Motoren jeweils separate Leitungen zu verlegen, kann eine Hauptleitung mit mehreren Abzweigen genutzt werden.

Stromversorgung weiterhin im Schaltschrank

Das Fieldpower-System heute kann weit mehr als die reine Energieverteilung: entstanden ist über die Jahre ein modularer Baukasten, der nicht nur die dezentrale Stromversorgung unterstützt, sondern auch die Integration von Funktionen wie Schutz- und Steuerungskomponenten erlaubt. „Das ersetzt nicht den Schaltschrank, in dem weiterhin die Stromversorgung und Sicherheitsgeräte sind. Vielmehr können die Schaltschränke kompakter gebaut werden. Und vor allem reduzieren sich die Kabellängen deutlich“, sagt Steinbacher.

2021 gab es einen weiteren Entwicklungssprung und Murrelektronik brachte zur Fachmesse Interpack Vario-X auf den Markt. „Vario-X ist eine dezentrale, modulare und offene Automatisierungsplattform, die alle Automatisierungsfunktionen erstmals komplett schaltschranklos und rein elektrisch realisiert“, erklärt Olaf Prein, Business Unit Automation, Murrelektronik. Unmittelbar danach folgte Beckhoff mit dem MX-System: „Wir haben mit dem MX-System eine Lösung entwickelt, die den Schaltschrank ersetzt und direkt in die Maschine integriert wird“, sagt Produktmanager Siegenbrink.

Nur noch wenige steckbare Kabel

Beide Systeme sind in sich geschlossen, sie widerstehen rauen Umgebungsbedingungen, die Feldgeräte lassen sich per Plug & Play direkt an der Maschine im Feld anschließen. „Statt vieler Adern und komplizierter Verdrahtung im Schaltschrank genügen wenige steckbare Kabel“, erklärt Prein. Die Systeme sind außerdem deutlich kleiner als ein herkömmlicher Schaltschrank. „Etwa ein Drittel der Baugröße“, so Siegenbrink, „Für alles, was im Schaltschrank elektromechanisch geschaltet wird, mit Ausnahme des Hauptschalters, gibt es bei uns elektronische Lösungen. Dadurch benötigen wir weniger Komponenten als klassischerweise im Schaltschrank verbaut werden.“

Im Maschinenbau vereinfachen die Lösungen von Murrelektronik, Beckhoff und Weidmüller vieles. Besteht eine Anlage beispielsweise aus mehreren Arbeitsstationen, kann der Anwender in jede seiner Arbeitsstationen eines der kompakten MX-Systeme integrieren. Die Arbeitsstationen lassen sich so versetzen, erweitern – ohne dass Änderungen am Gesamtsystem notwendig wären. Bei Beckhoff sind bereits 60 Module als Serienprodukte verfügbar.

Durch Fortschritte in der Halbleiterindustrie und bei Feldbusprotokollen, insbesondere den Sicherheitsfunktionen, ist heute eine hohe Integrationsdichte möglich. Dem Anwender eröffnet dies eine größere Flexibilität bei der Gestaltung seiner Automatisierungslösung. Neben zentralen Lösungen bieten sich nun dezentrale Aufbau-Varianten. „Der Trend geht zur dezentralen Bauweise: Möglichst viele Komponenten werden aus dem Schaltschrank direkt ins Feld gebracht", meint dazu Steinbacher.

Wohin mit der Wärme?

Technisch limitierender Faktor ist dabei allerdings die Verlustwärme: „Aktive Elektronik erzeugt Abwärme. Wenn die Leistung zu groß wird – beispielsweise bei Netzteilen – kann die Wärme in einer kleinen Box nicht mehr abgeführt werden. Es gibt technische Grenzen“, so Steinbacher. Um die Wärme abzuführen, gibt es FieldPower-Gehäuse mit Aluminiumdeckel – diese sind bspw. für Netzteile bis ca. 480 W Ausgangsleistung geeignet.

Strategisch limitierend ist die fehlende Kompatibilität. Das MX-System und Vario-X sind jeweils eigenständige, in sich geschlossene Systemlösungen, deren Komponenten weder untereinander noch mit Systemkomponenten dritter Hersteller kompatibel sind. „Für den technischen Einkauf, der eine Second Source haben will, ist das womöglich im ersten Moment eine Hürde“, meint Siegenbrink. Demgegenüber stünden allerdings die Vorteile einer durchgängigen Systemlösung.

Zusätzlich entfallen Schaltschrankbau und Installationsaufwand: Bei einer fiktiven Anlage mit zwölf Bearbeitungsstationen würde ein Elektriker für den Bau der beiden Schaltschränke etwa drei Wochen benötigen. „Das MX-System aufzubauen, dauert drei Stunden. Alle Steckverbinder haben einen 1 zu 1 Bezug", rechnet Siegenbrink vor. Statt circa 2.000 Einzelteile sind es nur noch 100 Teile in Summe. Prein ergänzt: „Die Kombination aus dezentraler Steuerungsintelligenz, Plug & Play-Installationstechnik und digitalem Zwilling reduziert den Installationsaufwand um bis zu 40 Prozent und die Inbetriebnahmezeit um bis zu 70 %."

Auch das Fieldpower-System führt zu einer Reduktion des zentralen Schaltschrankes und kann als Einzelkomponente, vorassembliert oder bereits fertig verdrahtet geliefert werden. Typische Einsatzgebiete bei Weidmüller sind weit verzweigte Anlagen mit vielen Motoren: Ein Beispiel ist eine große Stallanlage mit vielen Ventilatoren, oder ein Lager: „Bei größeren Automatisierungslager im Einzelhandel mit etwa 1500 Motoren können nicht alle Motoren über eine einzige Leitung versorgt werden. Es braucht mehrere Abgriffsstränge, die zentral zusammenlaufen“, erklärt der Produktmanager. 

Das Vario-X System ist laut Prein neben dem Maschinenbau prädestiniert für die Branchen Packaging und Intralogistik. „Auch für New Energy-Lösungen, wie beispielsweise Elektrolyseure auf Wasserstoff-Basis oder Windkraftanlagen, hat das System großes Potenzial“, sagt Prein.

Die Chancen für dezentrale Lösungen auf dem Markt stehen laut Steinbacher gut: „Gerade wenn es um Redesign oder Neubauten geht, ist es heute Gang und Gäbe mehrere kleinere Schaltschränke oder eben FieldPower-Systeme ins Feld zu setzen.“

 Schwieriger dürfte es sein, bestehende Anlagen zu verändern. Womöglich erhöht der Fachkräftemangel die Chancen für dezentrale Lösungen zusätzlich: „Der Markt nimmt es sehr gut an, besonders in lohnintensiven Ländern wie Europa und den USA", bestätigt Siegenbrink und ergänzt „Geht es um Automatisierungstechnik – nicht um extrem leistungsintensive Prozesse – werden sich solche Systeme in den nächsten Jahren bei 70 bis 80% der Lösungen durchsetzen.“

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