Ersetzen traditioneller Einachs-Antriebe! Wie viel Kosten können Multi-Achsen-EtherCAT-Lösungen Unternehmen sparen?

Warum die Architektur mit Multi-Achsen-Servoantrieben sofortige Infrastruktureinsparungen ermöglicht

Eliminierung redundanter Komponenten: Keine externen Switches, Hubs oder Daisy-Chain-Repeater

Mehrachsige Servoantriebe integrieren all diese Steuerungsfunktionen in einem einzigen Gerät, anstatt die zusätzliche Netzwerktechnik zu benötigen, die bei herkömmlichen Einachsanlagen standardmäßig zum Einsatz kommt. Durch die vollständige Integration entfällt der Bedarf an Switches, Hubs oder den lästigen Daisy-Chain-Repetern. Diese Komponenten verkomplizieren lediglich die Systemarchitektur, schaffen weitere potenzielle Fehlerquellen und verursachen langfristig deutlich höhere Kosten für Unternehmen. Die Integration mehrerer Achsen in einen einzigen intelligenten Antrieb ermöglicht Herstellern Einsparungen von rund 15 bis 20 Prozent allein bei den Komponentenkosten und macht ihre Systeme deutlich weniger anfällig für Verbindungsprobleme. Einige Automatisierungseffizienzberichte zeigen sogar, dass diese konsolidierten Systeme im Vergleich zu herkömmlichen Ansätzen die elektrischen Verbindungen um etwa drei Viertel reduzieren. Dies führt unmittelbar zu schnelleren Installationen und entfällt die Sorge um Wartung und Betrieb zusätzlicher Netzwerktechnik. Zudem verkürzt das einfachere Design die Validierung während der Inbetriebnahme um rund 40 Prozent gegenüber früheren Lösungen.

Schrankplatz und Verkabelung reduziert: Zweifach- und Vierfach-Achsen-Antriebe verringern die Stellfläche im Schrank um bis zu 60 %

Bei Antriebssystemen reduzieren konsolidierte Konfigurationen den Bedarf an physischer Infrastruktur erheblich. Die Modelle mit zwei und vier Achsen integrieren im Grunde mehrere Motorsteuerungen in einer Einheit, wodurch im Vergleich zur individuellen Installation separater Antriebe rund 60 % mehr Schrankplatz frei wird. Bei gemeinsamen Gleichstrom-Zwischenkreisen und integrierten Kommunikationsanschlüssen ist insgesamt deutlich weniger Verkabelung erforderlich. Gemeint ist eine Reduzierung der Kabelmenge um 70 bis 85 Prozent – das bedeutet weniger Leitungen durch Wände, weniger Aufwand für die Verdrahtung an den Anschlussstellen und natürlich Zeit- sowie Kosteneinsparungen bei der Installationsarbeit. Wie Feldtechniker berichten, verkürzen sich die Installationszeiten typischerweise um etwa 30 %. Es ergeben sich zudem weitere Kostenvorteile: Kleinere Steuerschränke senken die Kosten für Gehäusematerialien, und da weniger Wärme erzeugt wird, verringern sich auch die Kühlungsanforderungen für die Anlage. Für Hersteller mit beengten Platzverhältnissen ermöglichen diese kompakten Antriebslösungen beeindruckende Ergebnisse mit einem Verhältnis von drei Achsen pro Quadratfuß Raum. Dadurch lässt sich die Produktionskapazität deutlich einfacher erweitern, ohne dass größere Umbauten an den bestehenden Anlagen notwendig wären.

Die deterministische Leistung von EtherCAT als direkter Kostenersparnisfaktor

Jitter im Submikrosekundenbereich und verteilte Uhren ermöglichen eine präzise Synchronisation mehrachsiger Servoantriebe – wodurch Bewegungsfehler und kostspielige Hardware-Neuentwicklungen reduziert werden

Das System verteilter Uhren in EtherCAT erreicht eine Synchronisation von weniger als einer Mikrosekunde, wodurch zeitliche Ungenauigkeiten, die bei Mehrachsen-Bewegungssystemen die Ausrichtung stören, praktisch eliminiert werden. Bei dieser Genauigkeit verringern sich die Servopositionierungsfehler um rund 90 % im Vergleich zu älteren Feldbustechnologien; dies bedeutet weniger Neuentwicklungen aufgrund von Hardwareproblemen und deutlich weniger verschwendetes Material. Auch die Ergebnisse aus der Praxis sind beeindruckend: Verpackungsunternehmen verzeichnen seit dem Wechsel zu EtherCAT-basierten Servoantrieben etwa 40 % weniger bewegungsbedingte Anlagenstillstände. Laut dem Bericht des Ponemon Institute aus dem Jahr 2023 zu den Kosten industrieller Automatisierungs-Ausfallzeiten entspricht dies einer jährlichen Einsparung von rund 740.000 US-Dollar pro Produktionslinie.

Ein-Kabel-, Ein-Rahmen-Kommunikation mit Skalierung auf über 10.000 Knoten – Reduzierung der Kommunikationslast pro Achse um ca. 70 %

Die Funktion der Echtzeitverarbeitung („on the fly“) von EtherCAT ermöglicht es, bis zu über 65.000 Geräte miteinander zu verketten, wobei jeweils nur ein Kabel pro Verbindung benötigt wird – bei einer End-zu-End-Anschlusskonfiguration. Damit werden jene komplizierten sternförmigen Netzwerktopologien durch eine deutlich einfachere Lösung ersetzt, die insgesamt wesentlich weniger Hardware erfordert. Unternehmen berichten über Kosteneinsparungen bei Kabeln in Höhe von 60 bis 80 Prozent im Vergleich zu herkömmlichen Punkt-zu-Punkt-Verbindungen und gleichzeitig über kürzere Laufzeiten für Nachrichten innerhalb des Systems. Die Kommunikationsverzögerung sinkt auf rund 30 Mikrosekunden pro tausend Ein-/Ausgabe-Punkte, und Ingenieure benötigen heute etwa die Hälfte der Zeit für die Inbetriebnahme dieser Netzwerke. Auch namhafte Hersteller konnten Erfolge verzeichnen: Einige geben an, dass sich ihre Kommunikationslast bei Systemerweiterungen über zehntausend Knoten hinaus um rund siebzig Prozent verringerte – ohne zusätzliche Hardware wie Switches oder Repeater. Diese Verbesserungen schlagen sich direkt in finanziellen Einsparungen nieder: Eine Fabrik berichtete nach fünf Jahren Einsatz hochachsiger Robotersysteme über Einsparungen in Höhe von nahezu zwei Millionen US-Dollar.

Gesamtbetriebskosten: Mehrachsiger Servoantrieb vs. Einachsige Feldbus-Installationen

Kabel- und Montageeinsparungen: 60–80 % weniger Kabel, Leitungsrohre und Anschlüsse im Vergleich zu CANopen/PROFIBUS

Bei Mehrachs-Servotriebantrieben vereinen diese Systeme die Steuerung von etwa 2 bis 4 Achsen in einer kompakten Einheit. Dadurch reduziert sich der Bedarf an physischer Infrastruktur erheblich. Gemeint sind Installationen, bei denen im Vergleich zu älteren CANopen- oder PROFIBUS-Systemen rund 60 % bis 80 % weniger Verkabelung erforderlich ist. Was bedeutet das konkret? Kein mühsames Verlegen von Kilometern an Leitungsrohren mehr, kein Umgang mit Hunderten von Anschlusspunkten und kein Kampf mehr mit den komplizierten Kabelbäumen, deren Montage früher stets viel Zeit in Anspruch nahm. Nehmen wir beispielsweise eine typische Produktionslinie mit 50 Achsen: Hier fallen Einsparungen in Höhe von rund 18.000 US-Dollar allein bei den Kosten für Kupferkabel an. Und auch die Montagezeit darf nicht außer Acht gelassen werden: Installateure müssen pro Antrieb jetzt nur noch ein Stromkabel und ein EtherCAT-Kabel verlegen – statt wie bei älteren Systemen separate Leitungen für jeden Motor zu verlegen. Auch die Montage der Schaltschränke erfolgt deutlich schneller, wodurch die Aufbauzeiten um 40 % bis 65 % verkürzt werden. Das bedeutet, dass die gesamte Anlage schneller in Betrieb genommen werden kann als je zuvor.

Versteckte TCO-Treiber: Engineering-Aufwand, Validierungszyklen, Ersatzteilbestand und langfristige Wartung

Über die Hardware-Einsparungen hinaus reduzieren Mehrachs-Servotriebe versteckte Kosten über den gesamten Betriebslebenszyklus hinweg:

• Engineering-Aufwand sinkt um 30–50 % durch standardisierte Topologien und reduzierte individuelle Programmierung
• Validierungszyklen verkürzen sich durch die Eliminierung von Signalintegritätsrisiken bei kaskadierten Verbindungen
• Der Ersatzteilbestand verringert sich um 60 % – ein Antrieb ersetzt 2–4 Einachs-Geräte
• Vorausschauende Wartung wird durch zentrale Zustandsüberwachung mittels EtherCAT-Diagnose vereinfacht

Betriebe berichten über jährliche Wartungskosten, die um 35 % niedriger liegen, da es weniger Ausfallstellen gibt. Ungeplante Ausfallzeiten aufgrund von Steckerkorrosion oder Kabelschäden gehen deutlich zurück – entscheidend für Branchen mit hohen Verfügbarkeitsanforderungen wie der Verpackungsindustrie, bei der Ausfallzeiten geschätzte Kosten von 740.000 USD pro Stunde verursachen (Ponemon Institute, Industrial Automation Downtime Cost Benchmark Report , 2023).

Überwindung von Einführungsbarrieren: Warum OEMs zögern – und wie die Lücke geschlossen werden kann

Obwohl Studien zeigen, dass sich bei der Implementierung von Mehrachs-Servotriebwerken Gesamtkosteneinsparungen zwischen 35 und 42 Prozent erzielen lassen, tun sich viele OEMs weiterhin schwer damit, diese Systeme branchenweit in ihren Betrieben einzuführen. Grundsätzlich stehen vier zentrale Hindernisse im Weg. Erstens die Schwierigkeit, neue Technologien mit älteren Anlagen zu integrieren, die unterschiedliche Kommunikationsstandards verwenden. Zweitens stellt sich immer wieder die finanzielle Frage – niemand möchte gerne über die anfänglichen Investitionskosten sprechen, die auf den ersten Blick hoch erscheinen, ohne dass sich innerhalb weniger Monate messbare Renditen abzeichnen. Drittens fehlt den Wartungsteams häufig die notwendige Schulung im Umgang mit EtherCAT-Technologie, was eine weitere Hürde darstellt. Und schließlich darf man nicht vergessen, was für alle das größte Albtraum-Szenario darstellt: Produktionsausfälle während des Nachrüstens bestehender Maschinen mit dieser neueren Technologie. All diese Faktoren zusammen führen zu erheblicher Zurückhaltung – trotz der langfristigen finanziellen Vorteile, die am Ende des Tunnels warten.

Der beste Ansatz? Beginnen Sie mit kleineren Schritten, indem Sie Änderungen zunächst auf weniger kritischen Produktionslinien umsetzen. Dadurch können Unternehmen testen, wie gut die neuen Lösungen funktionieren, bevor sie sich vollständig darauf einlassen – was potenzielle Risiken reduziert. Auch die Zusammenarbeit mit zertifizierten Partnern ist sinnvoll: Diese Experten verfügen über fundierte Kenntnisse bei der Integration neuer Systeme und der fachgerechten Schulung des Personals. Ihre Erfahrung im Bereich Motion Control kann den Implementierungsprozess deutlich beschleunigen. Bei der Betrachtung der Gesamtkosten über die Zeit lohnt es sich, einen Aspekt zu beachten: den Vergleich von Mehrachsen-Servotriebwerken mit Einachs-Optionen. Studien zeigen allein bei Verkabelungs- und Montagekosten Einsparungen von rund 60 bis 80 Prozent. Das summiert sich rasch. Die meisten Pilotprojekte, die wir gesehen haben, amortisieren sich innerhalb von etwa eineinhalb Jahren – dank geringerer Lagerbestände und weniger Wartungsstunden für die Behebung von Störungen. Und vergessen wir nicht die modularen Antriebskonzepte: Sie ermöglichen problemlose Austauschvorgänge während regulärer Wartungsphasen, ohne den Betrieb vollständig stilllegen zu müssen. Zudem sind sie kompatibel mit älterer Ausrüstung – es besteht also vorerst keine Notwendigkeit, bestehende Komponenten zu entsorgen.