Digitale Fabrik wird Realität Software ermöglicht Vernetzung unterschiedlichster Produktionsmaschinen

Autor / Redakteur: Martin Wieland / Dipl.-Ing. (FH) Reinhold Schäfer

Obwohl fast täglich in Berichten zu lesen ist, was digitale Fabriken in Zukunft leisten könnten, ist in der Praxis derzeit noch wenig bis nichts zu sehen. Eine Münchner Entwicklung ermöglicht nun erstmals die einheitliche Verbindung von unterschiedlichsten Produktionsmaschinen mit Unternehmensanwendungen.

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Um die Wirtschaftlichkeit zu verbessern oder die Transparenz zu erhöhen, benötigen Fertigungsunternehmen detaillierte Informationen über ihre Fertigungsprozesse.
Um die Wirtschaftlichkeit zu verbessern oder die Transparenz zu erhöhen, benötigen Fertigungsunternehmen detaillierte Informationen über ihre Fertigungsprozesse.
(Bild: Siemens)

Um die Produktionskosten zu ermitteln, die produzierte Qualität nachzuweisen, die Kapazitätsauslastung festzustellen oder die Transparenz zu erhöhen, brauchen Fertigungsunternehmen detaillierte Informationen über ihre Produktionsprozesse (Bild 1). Obwohl viele Technologien eine einfache Lösung dieser Aufgabe versprechen, führt deren Einführung in der Praxis häufig zu unüberwindlichen Hürden.

Im Gegensatz zur mittlerweile sehr homogenen IT-Infrastruktur von Produktionsunternehmen zeigt sich auf der Fertigungsebene ein anderes Bild: Dort findet man eine gewachsene Struktur mit verschiedensten Maschinen von verschiedenen Herstellern. Diese Anlagen verfügen weder über eine standardisierte Hardware noch arbeiten sie mit Kommunikationsprotokollen, die es ihnen ermöglichen würden, Daten miteinander oder mit Unternehmenslösungen auszutauschen. Die Vernetzung erfolgt in vielen Betrieben oft noch nicht in dem Maße, wie es für Industrie 4.0 notwendig wäre (Bild 2).

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Stand der Technik

Bild 3 zeigt die bekannteste Technik, nämlich die Verwendung von Maschinendaten-Erfassungssoftware (1) und Zusatzgeräten (2), die mit digitalen und analogen Ein- und Ausgängen (3) der Maschine verdrahtet werden. Abgesehen von den Kosten für die Geräte und dem Aufwand, die Ein- und Ausgänge (I/O) zu suchen (wenn überhaupt noch vorhanden), liefern solche Lösungen nur einfachste Ausgabedaten.

Herstellerspezifische Lösungen

Für viele Maschinentypen sind auch Lösungen erhältlich, bei denen die Maschine mit der Software des jeweiligen Herstellers auf einem PC kommuniziert. Neben den Vorteilen, dass keine zusätzliche Hardware benötigt wird oder Änderungen an der Maschine notwendig wären, liefern solche Systeme auch hochwertige Ergebnisse. Oft ist es auch möglich, die Software so anzupassen, dass sie mit einer Unternehmensanwendung verbunden werden kann.

Wird nur ein Maschinentyp verwendet, ist das perfekt. Werden jedoch wie in Bild 4 zu sehen, Produkte von verschiedenen Herstellern (1, 2, 3) verwendet, erfordert das für jeden Gerätetyp eine eigene Lösung. Das führt zu vielen Systemen mit vielen Ausgaben, hohem Wartungsaufwand und teuren Anpassungen. Da diese Anwendungen nicht untereinander kommunizieren können, ist ein Datenaustausch zwischen verschiedenen Gerätetypen nicht möglich.

Standardprotokolle für die Kommunikation

Natürlich gibt es auch eine Reihe von Standardprotokollen für die Kommunikation von technischen Einrichtungen mit der IT-Infrastruktur (Bild 5). Neben OPC (2) ist zum Beispiel MT-Connect (1) für den US-Markt zu nennen. Diese Lösungen setzen jedoch voraus, dass alle Teilnehmer den jeweiligen Standard unterstützen, was bei älteren Maschinen oft nicht der Fall ist. Auch neueste Produkte unterstützen nur einen von vielen Standards.

Alle Produktionseinheiten so umzubauen, dass sie einen einzigen Standard unterstützen, führt außer zu astronomischen Kosten auch zu kundenspezifischen Maschinen mit allen bekannten Problemen im Hinblick auf Gewährleistung, Service und Erweiterbarkeit.

Auch dort verhindert die fehlende Datenaustausch-Möglichkeit wegen unterschiedlicher Standards eine Kommunikation zwischen den verschiedenen Endgeräten.

Bei allen möglichen Varianten ist zu berücksichtigen, dass technische Geräte in der Lage sind, eine Vielzahl von Daten aus verschiedensten Bereichen zu liefern.

Die Ausgabe erfolgt dabei als Antwort auf einen von hunderten möglichen Befehlen. Alle Informationen bei jeder Abfrage auszugeben, ist technisch kaum machbar und würde neben einer hohen Geräte- und Netzbelastung auch zu einer Unmenge an nicht benötigter Information führen. Plug-and-play-Lösungen geben deshalb eine begrenzte Anzahl an Daten aus, die aus Sicht des Lieferanten zwar sinnvoll sind, aber oft nicht den Anforderungen entsprechen.

Aufgabenstellung in den Unternehmen

  • Wie kann ein gewachsener Maschinenpark ohne teure Modifikationen überwacht werden?
  • Wie kann vermieden werden, dass für jeden Gerätetyp eine eigene Lösung gekauft werden muss?
  • Wie können Daten von verschiedenen Maschinen einheitlich und vergleichbar ausgegeben werden?
  • Wie kann sichergestellt werden, dass zukünftige Produktionsanlagen einfach eingebunden werden können?

Die Antwort auf diese Fragen entstand aus den Ergebnissen eines mehrjährigen Projekts der Münchner Softwareschmiede Inventcom bei einem der Top 500 am schnellsten wachsenden Produktionsunternehmen der USA. Die Aufgabe bestand dort darin, von mehr als 300 Maschinen von unterschiedlichen Herstellern Informationen zu Fertigungsverlauf und Produktqualität zu erhalten. Die größte Herausforderung war dabei: keine zusätzliche Hardware und keine Modifikation der Maschinen!

Nur die Ein- und Ausgaben umgewandelt

Die Suche nach einem Anbieter führte schließlich zu dem Münchner Softwareunternehmen. Das hatte eine Technik entwickelt, mit der ein vollkommen neuer Denkansatz realisiert werden konnte, der auch dem bayrischen Sprichwort „Leben und leben lassen“ entspricht: Anstatt die Maschinen mit teuren Zusatzgeräten auszurüsten oder sie zu modifizieren, wurde eine Abstraktionsebene für Kommunikationsmethoden verwendet. Dahinter verbirgt sich ein Verfahren, das es ermöglicht, die vom jeweiligen Hersteller vorgesehene Kommunikationsmethode unverändert zu verwenden und nur deren Ein- und Ausgaben so umzuwandeln, dass sie von IT-Standardanwendungen oder Geräten anderer Hersteller verstanden werden können. Das zum Patent angemeldete Verfahren wurde in der Standardsoftware mit der Bezeichnung CNC-Net-PDM implementiert.

Die modular aufgebaute Lösung (Bild 6) besteht aus einem Kern (1) und zuschaltbaren Erweiterungen (2, 3, 4) zur Anbindung von Produktionseinheiten. Die Erweiterungen sind dabei als Software-Plug-in ausgeführt, für jede Maschine kann dabei ein eigenes Modul verwendet werden. Die Plug-in können vom Anwender, dem Maschinenhersteller oder von Inventcom für den jeweiligen Gerätetyp erstellt und angepasst werden. Eine Änderung der Basissoftware ist nicht erforderlich. Maschinen, die mit herstellerspezifischen Lösungen oder unterschiedlichen Standardprotokollen arbeiten, können so erstmals über eine einzigen Lösung mit den Unternehmensanwendungen und miteinander verbunden werden.

Weil jedes Plug-in so mit der jeweiligen Maschine kommuniziert, wie diese es erwartet, nimmt diese an, mit seiner herstellerspezifischen Gegenseite verbunden zu sein. Die Kommunikation kann zeitgesteuert oder ereignisbasiert erfolgen. Bei der zeitgesteuerten Variante erhält das Plug-in in einstellbaren Intervallen den Befehl, Daten von der Maschine zu lesen oder sie zu schreiben. Sofern ereignisbasiert gearbeitet wird, werden diese Vorgänge durch Änderungen am angeschlossenen Gerät ausgelöst.

Um Daten zu erfassen, werden Kommandos aus dem maschinenspezifischen Protokoll über das vorhandene Übertragungsmedium zur Standard-Kommunikationsschnittstelle des Endgeräts gesendet. Die daraufhin empfangene Antwort wird geprüft, in standardisierte Telegramme übersetzt und an die IT-Lösung des Anwenders gesendet.

Maschinensteuerung und Maschine-zu-Maschine-Kommunikation

Zum Setzen von Parametern oder zur Steuerung von Maschinen werden standardisierte Anweisungen ebenfalls in Kommandos aus dem verwendeten Protokoll übersetzt und an den Empfänger übertragen. Das ermöglicht zum Beispiel die Speicherung von Auftragsdaten oder Eingriffsgrenzwerten als Parameter auf dem Gerät. Diese Daten können dann gemeinsam mit den Maschinendaten gelesen und ausgegeben werden.

Zum Synchronisieren von Maschinen verschiedener Hersteller untereinander werden Eingangsdaten eines ersten Gerätes in standardisierte Anweisungen umgewandelt, die außer der Nummer des zu steuernden zweiten Gerätes eine Kennung der auszuführenden Befehle enthalten. Der empfangende Gerätetreiber wählt anhand der Kennung Kommandos aus dem gerätespezifischen Protokoll des Empfängers aus und sendet sie an ihn. Dadurch können Geräte verschiedener Hersteller kommunizieren, ohne die „Sprache“ der anderen Geräte zu kennen.

Die Software CNC-Net-PDM kann gleichzeitig mehrere Parameter lesen und so kombinieren, dass ein eindeutiger Maschinenzustand identifiziert und ausgegeben wird. Bei CNC-Maschinen sind das zum Beispiel eingestellter Betriebsmodus, Programm- und Fehlerstatus. Die Möglichkeit, diese Definition individuell für jeden Maschinentyp zu erstellen, gewährleistet, dass die ausgegebenen Resultate für alle Maschinen einheitlich sind.

Obwohl die Informationen zur gefertigten Menge praktisch an jeder Maschine erfasst und gespeichert werden, kann der Bereich zur Ablage dieser Daten vom jeweiligen Hersteller frei gewählt werden. Deshalb lässt sich die Software daraufhin konfigurieren, diese Werte für jede einzelne Maschine von verschiedenen Quellen abzufragen. Die Ausgabe kann entweder als Mengenänderung seit der letzten Abfrage oder als insgesamt produzierte Menge erfolgen (Bild 7).

Zustands-, Stückzahl- und Qualitätsdaten

Um die Ursachen von Produktmängeln sowie übermäßiger Werkzeugabnutzung festzustellen oder um die behördlichen Dokumentationspflichten zu erfüllen, können Qualitäts- und Prozessdaten erfasst werden. Die Software CNC-Net-PDM kann dazu Informationen von mehreren Quellen gleichzeitig abfragen und gegebenenfalls miteinander kombinieren und diese auch rückmelden. Durch die Möglichkeit zur gemeinsamen Ausgabe mit Statusinformationen können die Gründe für Ausfälle und Stillstände präzise festgestellt werden.

Betriebsdaten

Obwohl sie der Maschine üblicherweise nicht bekannt sind, können über die Software auch Auftragsdaten erfasst werden. Bei Verwendung einer bestehenden Lösung zur Betriebsdatenerfassung kann bei jedem Lesen von Maschinendaten auch die externe Anwendung abgefragt werden.

Die zurückgelieferten Informationen können dann gemeinsam mit den Maschinendaten übertragen werden. Über die Funktionen zum Schreiben von Daten an die Maschine können solche Informationen auch direkt auf der Steuerung gespeichert und von ihr rückgemeldet werden.

Der Beitrag erschien zuerst auf unserem Schwesterportal Maschinenmarkt.de.

* Martin Wieland ist Geschäftsführer der Inventcom GmbH in 80797 München, Tel. (0 89) 12 19 03-19, info@inventcom.net

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