模块化机器

模块化工作原理

机械设计模块化的核心理念是将复杂的机器拆分为不同的模块,从而可以单独装配更多的相同零件。不同模块的组合形成了各种机器类型间的差异。凭借这种设计带来的规模化效应,模块化机器可以更快且更具成本效益地生产。此外,还可以将它们更快地投入运行并更灵活地扩展。

为了确保各单元能够轻松快速组合,需要使用标准化接口。这不仅包括机械接口,还包括电力传输接口、通信接口以及压缩空气接口(若必要)等。模块化特征不通过是或否来定义和归类,而是划分为低模块化到绝对模块化。

分布式自动化技术推动模块化发展

在中央控制柜内通过点对点接线无法实现一致的模块化设计。在这类中央架构中很难更换模块或扩展机器。机器模块要求采用自主结构。这可在带IP20组件的模块上的小型现场控制盒中实现。

Multi-part modular machine with IP67 decentralized I/O components.

IP67分布式I/O模块不仅方便互连,还显著降低了接线成本

IP67防护等级组件无需任何其他安全防护装置即可直接安装在机器中,但它们的接线和安装通常更为复杂。如果某些组件额定防护等级不是IP67,或具有卫生设计、食品级或耐化学品方面的特殊要求,则防护外壳通常需达到IP20防护等级。

IP67自动化组件方便了模块之间的互连。分布式I/O组件可在现场直接安装,从而实现了在信号生成点直接采集信号,并通过以太网连接在模块之间耦合,而完全无需控制柜。这可降低安装成本并缩短终端客户侧的调试时间。

利用IP67链路模块转换以太网协议

利用链路模块可以直接在现场轻松连接采用不同以太网协议的机器和模块。通过使用常规通信标准,调试和连接更加简单高效。在模块化机械工程设计中尤为如此。

Three gray, stylized machines are each positioned on a panel with the logo of the Ethernet protocols PROFINET, Ethernet/IP and Modbus TCP

让国际化更加简单:使用spanner转换以太网协议

分布式安全理念

具有安全自动化要求的应用也可采用模块化设计策略进行规划和实施。利用相同的电力和数据供应理念,可以轻松高效地采集任何传感器或急停开关的安全信号。

Sketch shows the schematic structure of a safety application with HMI, , Ethernet connection lines, icons for safety functions and I/O modules for connecting them

安全模块控制每个模块的安全功能,而HMI/PLC则控制标准应用

安全功能也可由直接安装在模块上的IP67安全控制器进行分布式控制。这可避免中央安全控制的长循环时间,并最终减少机器上的安全距离。关于分布式安全解决方案的其他优势,请参见我们机器安全的技术页面。

视频:模块化机器如何实现更大的灵活性

控制解决方案的模块化

一致的模块化还要求将不同的控制功能迁移到机器模块上。这些功能可通过带集成逻辑控制器的I/O系统或实际的紧凑型PLC来执行。两种产品组(I/O模块和控制器)都可以设计为IP20防护等级,应用于控制盒中,或设计为IP67防护等级,直接安装在现场。相对而言,无需控制柜的IP67版本在接线和灵活性方面优势更加明显。由于无需中央安全控制器或F-CPU,将安全逻辑迁移到I/O模块上还有其他优势,例如快速执行安全功能以及整体而言更具性价比的安全架构等。

出于控制、存档或可视化目的,现场控制器可与更高层级的控制器或HMI通信。控制解决方案的选择取决于机器的类型和尺寸。因此,可以规避尺寸过大的控制解决方案。由于机器的效率得到提升,用户的工作量仍然很小。现场逻辑模块还可对数据进行预处理,因此仅相关的过程信息需要传输至更高层级的控制器。

将智能迁移到现场层级

将智能迁移到现场必须由工程部门在软件侧进行映射。机器模块将作为自主系统处理临近模块的输入,并相应决定其动作。根据模块的复杂性不同,这可使用带逻辑功能的I/O组件或采用现场PLC来实现。然后,仅临近模块所需的信息会在2个机器模块之间的接口传输。

a triangular graphic of the automation pyramid in five layers; center: the triangular graphic with machine functions as icons; right: machine functions are freely connected to each other

分布式智能打破了传统自动化金字塔的固有结构

迁移软件功能具有众多优势:

  • 减轻了主通信链路上的负荷
  • 减轻主控制器的负荷 – 甚至可完全取代主控制器
  • 在调试和连接前进行模块测试
  • 由于中央控制器可以保持不变,因此有利于第三方模块的集成
  • 轻松扩展设备

机器的模块化和智能分布化程度越高,自动化金字塔的固有结构就越不稳固。架构将变得更加透明,尤其是传感器/执行器和I/O以及控制层。

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