Modulariteit in productietechnologie: Hoe gedetailleerd wilt u gaan??

14 mei 2020

Ad Oonincx

Machinebouwers en installateurs die een consistente modulaire aanpakes hanteren, zijn vaak bijzonder succesvol. Dit artikel trekt conclusies uit de ervaringen van werktuigbouwkundige klanten van de HARTING Technology Group en illustreert hoe zij de modularisering van hun producten zo efficiënt mogelijk konden maken. In deze concepten spelen interfaces een centrale rol.

Het principe van modulariteit is het best te verklaren door de Lego bouwstenen. Ontelbare objecten kunnen worden gemaakt van een paar basisstenen en gedefinieerde verbindingselementen. Deze aanpak is ook tot stand gekomen in de industrie voor producten met een veel grotere mate van complexiteit en variabiliteit: De platformstrategie van de auto-industrie is een typisch voorbeeld, volgens welke niet alleen motoren, transmissies en aandrijfassen, maar hele chassis worden gebruikt als schaalbare modules voor auto's van verschillende modellen, types en zelfs merken. Ook op het gebied van industriële besturingen en aandrijftechniek kunnen systemen zoals PLC, IPC, HMI en aandrijfcomponenten worden aangepast aan individuele "delen" of meerdere externe I/O-blokken en aangepast aan de te automatiseren machine of installatie. Ze kunnen worden gewijzigd of uitgebreid in hun verdere gebruik zonder enige belangrijke input.

Men kan stellen dat modularisering van complexe, industrieel vervaardigde producten vaak alleen succesvol kan blijken, zowel in technische als in economische zin, omdat ze worden geproduceerd in duizenden (industriële controles), of zelfs miljoenen (automotive) stuks. Maar kan een modulariseringsaanpak ook succesvol blijken als er hooguit een paar honderd machines van één type per jaar worden geproduceerd?

Het antwoord moet ja zijn. Er is momenteel geen alternatief voor modularisering in de machinebouw: "Standaardisatie en modularisering zijn gericht op een portfolio met minder variatie en complexiteit en een algemeen lager kostenniveau, zonder de breedte en individualiteit van het assortiment te verminderen”, zoals de VDMA stelt. ((1) Toekomstperspectieven voor de Duitse werktuigbouwkunde. VDMA, McKinsey 2014 / p. 59).

Om de betekenis van deze verklaring beter te begrijpen, zullen hier een aantal typische markteisen en voorwaarden uit markt voor productiesystemen worden gepresenteerd:

Er is een hoge mate van variabiliteit in de productiesystemen nodig, waardoor een breder scala aan producten kan worden geproduceerd, zelfs in kleine tot middelgrote eenheden (trefwoorden "industriële productie van afzonderlijke producten", "Industrie 4.0"). Om dit te bereiken, moeten de systemen schaalbaar zijn en opties bieden voor verdere uitbreiding in termen van capaciteit en output. Terwijl de belangrijkste focus vroeger op de netto productiviteit lag, wordt nu de aandacht van de machinebouwers meer gelegd op variabiliteit en uitbreidbaarheid. Met andere woorden, het zijn niet "zeer geavanceerde" systemen voor de productie van componenten in grote volumes waar veel vraag naar is, maar systemen waarmee verschillende producten flexibel kunnen worden vervaardigd in kleine tot middelgrote volumes. ((2) Productiesystemen 2020. Roland Berger / 2011)
De concurrentie in de machinebouw stimuleert nu de OEM-ers van productiesystemen om hun bedrijfsmodellen uit te breiden. In de huidige B2B-markt volstaat het niet langer om alleen maar goede producten te ontwikkelen, ze aan fabrikanten te verkopen en vervolgens te wachten op service- en onderhoudsopdrachten! TCO-modellen voor de winstgevendheid van investeringen, die in het verleden vaak werden gebruikt, worden steeds vaker uitgebreid met LCC-modellen (LCC = Levenscycluskosten). Hierdoor kunnen nieuwe bedrijfsconcepten, waaronder onderhoud, service, retrofit-diensten (bijvoorbeeld "predictive maintenance") zeer transparant worden aangeboden. Het is voor machinebouwers makkelijker om gebruikers ervan te overtuigen dat het uitgebreide aanbod in verband met de levenscyclus van een installatie voordeliger is. ((3) M. Bode, F. Bünting, K. Geißdörfer "Rechenbuch der Lebenszykluskosten") De stijgende vraag naar abonnementsmodellen aan klantenzijde ("Pay per Use", "Pay per Month", "Pay per Unit" enz.) bevestigt dat dit een algemene, overkoepelende trend is. Ook voor OEM-ers is het economisch zinvol om zich te wenden tot kostenvoordelige- en servicegerichte modellen. Waar de gemiddelde marge in de nieuwe machinebranche in 2018 5,4% bedroeg, lag de marge in de dienstensector, met meer dan 40%, vele malen hoger. ((4) Sectorrapport "Werktuigbouwkunde in Duitsland", Commerzbank). Bovendien is de vraag naar service veel minder cyclusafhankelijk dan de vraag naar machines!
Vooral in het geval van dure kapitaalgoederen is het voor gebruikers vaak veel kostenefficiënter om bestaande machines uit te breiden of individuele eenheden en subsystemen te vernieuwen, dan te investeren in een geheel nieuwe acquisitie.
In sommige klantensectoren van de machinebouwsector wordt over het algemeen verwacht dat machinemodules en subsystemen van verschillende leveranciers zonder extra inspanning - zonder enige bijkomende- technische of economische nadelen, kunnen worden gecombineerd tot een coherente productielijn.

Al deze eisen en voorschriften kunnen alleen zeer efficiënt worden vervuld, zowel technisch als economisch, als de productiesystemen consistent worden gemodulariseerd en genetwerkt en in verschillende uitbreidingsfasen als "slimme" systemen worden aangeboden. Onder verwijzing naar specifieke cijfers heeft ID-Consulting, München, onlangs in haar studie ((5) "Modularization Study 2018/2019") aangetoond dat modularisering in werktuigbouwkunde een bovengemiddelde succesvolle strategie is: Modularisering van producten stimuleert bedrijfssucces.

Op basis van ervaring met HARTING-klanten moeten OEM-ers eerst de volgende algemene vragen positief beantwoorden bij het bepalen van de voor- en nadelen van modulaire benadering:

De totale geraamde input en uitgaven voor een nieuwe, consequent modulaire productgroep of familie zullen maximaal zo hoog zijn dat deze binnen de voor de industrie gebruikelijke termijn plausibel kan worden ingevoerd en uitgaande van de ontwikkeling van de slechtste markt;
De technische uitdagingen van de geplande indeling van de machine of installatie in afzonderlijke modules met overgangen en interfaces moeten door alle betrokken hoofdpersonen (mechanische, elektrische, veiligheidstechniek) als algemeen haalbaar worden beoordeeld;
Alle operationele functies die betrokken zijn bij het toekomstige proces van dienstverlening - ontwikkeling en ontwerp, projectplanning & verkoop, productie & assemblage, documentatie, service & after-sales diensten, supply chain & marketing communicatie - moeten bereid zijn om hun werkmethoden af te stemmen op het modulaire concept van de machines en om deze methoden zowel inhuis als bij de klant op te volgen

In hoeverre moet een machine of installatie in modules worden verdeeld en wat is de algemene procedure die moet worden gevolgd? Het echte genie van LEGO stenen zit niet in de stenen zelf, maar in de interverbindingen. Deze bepalen de mogelijke granulariteit van de divisie, maar vertegenwoordigen ook de beperkende factor voor de verbinding van bouwstenen. De situatie is vergelijkbaar met betrekking tot de interfaces van individuele modules van een machine of systeem: De interfaces zorgen voor de coherente en doelmatige "samen te voegen". Tegelijkertijd garanderen ze de vlekkeloze en goede werking van een productiesysteem, een enkele compacte machine en van een hele productielijn. De kernvraag van modularisering is dan ook: Hoe zet u de componenten van een "compleet systeem" in de rij?

Bij het definiëren van de grenzen tussen de elektrische en elektromechanische vermogens-, signaal-, data- en communicatie-interfacesbeveelt HARTING de volgende procedure aan:

Om te beginnen moet het basissysteem in het algemeen worden overwogen in termen van zijn functies: kernfuncties, die de kerncompetentie van de OEM weerspiegelen; basisfuncties (bijvoorbeeld drager- of vervoerssystemen), die zich over het hele systeem uitstrekken, en add-on- of hulpfuncties, die meer in overeenstemming zijn met de algemene stand van de techniek en van secundair belang zijn voor de OEM. Een zekere mate van over-engineering in de machinemodules, waarin de eigen kerncompetenties gebundeld worden, is altijd een voordeel en daarom ook aanbevolen;
Vervolgens moeten de functies worden samengevat in modules - maar slechts zo gedetaileerd als nodig is; in dit verband moeten alle aspecten van de mogelijke optimalisatie-effecten en de noodzakelijke variantie van de apparatuur - zowel aan de fabrikant als aan de gebruikerszijde - worden meegewogen. Het is ook belangrijk om zoveel mogelijk fasen van de dienstverlening op te nemen in de levenscyclus van de machine en/of landspecifieke kenmerken van de eisen van de klant.
In het volgende, voor alle elementen van de machine die niet verder kunnen worden "gescheiden" - sensoren, actuatoren, HMI, schijven etc. - die elektrische / elektronische stroom, signaal of dataverbindingen vereisen, ...
- de functionele relevantie voor de respectieve nieuw gedefinieerde machinemodule wordt beoordeeld en het best grafisch weergegeven;
- toegewezen aan een overeenkomstige laag in de zin van de "typische" automatiseringspiramide;
- alle benodigde interfaces voor de verbinding van afzonderlijke elementen worden toegewezen aan de respectieve machinemodules en vermeld.
Het resultaat is een matrixweergave met alle modules van het toekomstige systeem. De hiërarchische indeling van de elementen met bijbehorende interfaces, inclusief relevantie voor een of meer machinemodules, is ook zichtbaar.

Het voordeel van een dergelijke aanpak is dat het een basis vormt voor de evaluatie van haalbaarheid, technische risico's en het vereiste ontwerp van interfaces. Bovendien wordt transparantie verkregen d

oor het belang van de modules voor het toekomstige systeem af te wegen. Op basis van de lijst kunnen alle betrokken fracties en verdere specificaties en stappen voor module- en procesontwikkeling worden afgeleid.

De matrixweergave helpt ook bij de beslissing in hoeverre de besturing van een modulaire machine of installatie centraal of decentraal moet worden ontworpen. Onze opmerkingen tonen aan dat:

systemen met een hoge mate van variabiliteit van de apparatuur in hun sleutelfuncties en een grote ruimtelijke uitbreiding zijn doorgaans consistent uitgerust met gedecentraliseerde I/O-systemen;
gecombineerde structuren worden gekozen voor kleinere, zeer variabele systemen: in deze systemen wordt de controle van sleutel- en basisfuncties gecentraliseerd; extra functies centraal worden geregeld (eenvoudige functies) of decentraal (via complexe interfaces), afhankelijk van hun complexiteit;
in het geval van kleinere systemen en/of eenvoudige systemen met een lage variabiliteit is een zuiver centrale besturingsoplossing technisch eenvoudiger en kostenefficiënter.

Bij de beslissing over een structuur moet worden opgemerkt dat centrale systemen over het algemeen lagere kosten met zich meebrengen voor componenten of materialen. Dit verhoogt daarentegen de kosten en middelen die nodig zijn voor zowel de productie als de installatie bij de eindklant. Verbeteringen en retrofits kunnen ook tijdrovender en kostenintensiever zijn, terwijl hetzelfde geldt voor service en onderhoud.

Een positief aspect vanuit het OEM- en eindgebruikersperspectief is het feit dat alle moderne besturings-, aandrijf- en HMI-systemen de volledige scheiding van het fysieke niveau van de logische niveaus mogelijk maken. Dit geldt zowel voor bijzonder snelle en nauwkeurige sequenties als voor zeer gevoelige veiligheidsrelevante of onderling verbonden systemen. De (vrijwel) absolute vrijheid die de modularisering van productie systemen biedt, wordt doortastend gekarakteriseerd en beïnvloed door de interfaces. De HARTING Technology Group biedt oplossingen en producten voor alle soorten stroom-, signaal- of data-interfaces die ...

kan altijd worden ontworpen om op een kosten geoptimaliseerde manier te voldoen aan de noodzakelijke eisen (elektrische, EMC-eigenschappen) van het transmissiepad;
kan stapsgewijs worden geschaald, zowel in de technische parameters als in termen van grootte en aantal op elke machinemodule;
in staat zijn om te voldoen aan verschillende eisen met betrekking tot contact, assemblage en bescherming type evenals de respectieve materiaals en kan alternatieve transmissie media zoals glasvezel en perslucht te integreren.

Conclusie

Consistente modularisering op basis van de gerichte optimalisatie van alle kosten- en service processen gedurende de gehele levenscyclus (LCC-model) stellen OEM-ers in staat om machines te produceren volgens een modulair ontwerpprincipe - wat aanzienlijk lagere kosten en tijdsbesparing met zich meebrengt. Tegelijkertijd vergroot deze strategie de ruimte voor aangepaste configuraties. Gebruikers hebben ook baat bij modularisering, omdat ze een kosten- en vraag geoptimaliseerde machine ontvangen die tegelijkertijd transparant is ontworpen. HARTING biedt oplossingen voor alle interfaces die nodig zijn op het gebied van moderne besturing, aandrijving, HMI en communicatietechnologies voor productiesystemen om modularisering zonder functionele beperkingen te implementeren. HARTING demonstreert dit al jaren op indrukwekkende wijze in de praktijk, zowel in de fabrieken van haar machinebouwdochter HARTING Applied Technologies als in HARTING's Smart Factory "HAII4YOU" pilot- en demonstratiefabriek, die innovatieve toepassingsgebieden omvat zoals “digital twin” en “AI” intelligence door middel van fundamentele meetbare analysefuncties, de visualisatie van geselecteerde machine parameters en veilige toegang tot de machine van buitenaf.

Verwijzingen: