生产工程中的模块化：模块化可以有多细？

以乐高积木为例，模块化原则可以得到最好的解释：几块基本积木和确定的连接元素可以用来创造出无数具有不同功能的物体。这种方法在工业领域也已得到确立，适用于复杂性和可变性较高的产品。在控制和驱动技术中，PLC、IPC、人机界面和驱动组件等系统可由单独的 "切片 "或多个远程 I/O 块组装而成，以适应相应的机器。其优点是：在进一步使用过程中，可以不费吹灰之力对其进行扩展或修改。

目前，在机械工程领域，模块化是无可替代的，因为相应的概念旨在减少产品组合的差异和复杂性，并在不降低产品的广度和个性的前提下降低总体成本水平(1)。如果考虑到制造系统的典型要求，这句话就更容易理解了：

1. 个性化产品 "和 "工业 4.0 "等概念需要高度可变的生产系统，这样才能生产出更多种类的产品，甚至是更小批量的产品。为此，系统必须具有可扩展性，并提供后续扩展选项 (2)。

2. 机械制造公司要想赢得客户，光靠开发和销售好产品--以及等待服务/维修订单--是远远不够的。这是因为生命周期成本（LCC）在投资的经济分析中发挥着越来越重要的作用。LCC 可用于以非常透明的方式展示和销售新的业务概念，包括维护、服务和改造服务。这样，设备制造商就更容易让用户相信扩大服务范围、覆盖设备整个生命周期的优势 (3)。对 "按使用付费"、"按月付费 "和 "按单位付费 "等订购模式的需求不断增长，也证实了这一趋势。毕竟，以使用和服务为导向的模式也具有经济吸引力：2018 年，新机器销售的平均利润率为 5.4%，而服务的利润率为 40%(4)。

3. 特别是在高价资本货物方面，扩充现有机器 和更新组件往往比购买全新的机器 和组件更经济。

4. 至少有些客户希望来自不同供应商的机器模块或子系统能够不费吹灰之力地集成到现有系统中。

不过，在原始设备制造商决定推进产品和制造模块化之前，他们应该能够肯定地回答以下问题：

• 一个新的、始终如一的模块化产品组的估计总成本能否在行业通常的时间框架内，并根据市场进一步发展的最坏情况假设，合理地收回？

• 所有相关部门是否都认为重新设计机器或系统的计划所带来的挑战是可行的？

• 所有受影响的业务部门是否都准备好根据新的模块化概念调整其工作方法？

明确机器或系统应在多大程度上划分为模块也很重要。乐高的天才之处不在于积木本身，而在于积木之间的联系。这决定了分割的可能粒度，同时也是组件连接的限制因素。机器中的接口也是如此：它们通过保证机器部件和生产线的正常运行，确保 "整体结构 "的一致性。因此，"整体系统 "各组成部分之间的正确分离对于模块化的成功至关重要。

• 首先，根据功能构建初始系统：分为反映核心竞争力的关键功能、贯穿整个系统的基本功能（如载体或运输系统）以及附加或辅助功能。

• 现在，将这些功能组合到模块中，但只能根据需要进行细化！考虑所有可能优化的方面和必要的设备差异。在机器生命周期内尽可能多地包含提供服务的各个阶段。

• 评估无法进一步 "分割 "的所有机器元素（传感器、执行器、人机界面、驱动器等）对新定义的机器模块的重要性，这些元素需要电气/电子电源、信号或数据连接。

• 将这些元素分配到合适的机器层。

• 分配所有必要的接口，以便将各个元件连接到相应的机器模块。

最终形成一个矩阵，列出未来系统的所有模块：各部分的层次安排，包括接口及其模块相关性，都应清晰可见。根据矩阵，您可以评估机器设计的可行性、技术风险和后果。当你权衡模块对整个系统的重要性时，透明度就会增加。矩阵不仅显示了所涉及的分数，还显示了模块和流程开发的进一步步骤。

现在，为机器或设备 选择合适控制系统的 问题也更容易解决了。浩亭 在这方面的观察表明...

• 关键功能变化大、空间范围广的系统往往都配备了分散式输入/输出系统。

• 组合式结构适用于规模较小、变化较大的系统。然后，对关键功能和基本功能进行集中控制，对其他功能则根据其复杂程度进行集中控制（简单）或分散控制（复杂界面）；

• 对于规模较小和/或变异性较低的简单系统，纯粹的中央控制更简单、更经济。

与模块化生产系统相关的几乎绝对的自由度 受到接口的决定性影响。这些组件提供的传输能力和行动选择有助于确定系统的模块化程度。因此，接口应...

• 在设计时，应根据传输路径的相应要求（电气、电磁兼容性），优化成本；

• 在每个机器模块的技术参数、尺寸和数量方面都可以逐步扩展；

• 能够满足材料、接触、安装和保护类型等方面的不同要求，并集成光纤电缆和压缩空气等替代传输介质。

_参考资料

1. 德国机械设备制造业联合会、麦肯锡，2014 年、"德国机械工程的未来前景

2. 罗兰-贝格，2011 年、"2020年生产系统"

3. M.Bode, F. Bünting, K. Geißdörfer, "Rechenbuch der Lebenszykluskosten", VDMA Verlag, ISBN 978-3-8163-0617-7

4. 德国商业银行，2019 年、"德国的机械工程"

5. ID-Consult、"2018/2019年模块化战略：模块化产品架构对企业成功的影响"