OPC UA für Werkzeugmaschinen und Umati: Einblick in die Entwicklung
Eine Schnittstelle für alle Maschinen
Die Welt der Werkzeugmaschinen hat im September dieses Jahres einen großen Schritt in Richtung Digitalisierung gemacht: OPC 40501-1 UA for Machine Tools, als lange erwarteter OPC-UA-Standard für Daten der Maschine wurde final veröffentlicht. Die größten Namen der Werkzeugmaschinen-Branche haben in dieser Standardisierung eine einheitliche Schnittstelle zur Maschinenanbindung entwickelt. Deren Potenzial wird bereits von zahlreichen Anwendern belegt.
 Das OPC-UA-Informationsmodell definiert thematische Untergruppen, die je nach vorhandenen Daten und geplanter Verwendung der Daten auf der Werkzeugmaschine angeboten werden können.
Das OPC-UA-Informationsmodell definiert thematische Untergruppen, die je nach vorhandenen Daten und geplanter Verwendung der Daten auf der Werkzeugmaschine angeboten werden können.Bild: ISW Institut für Steuerungstechnik der

Auf der EMO Hannover 2019 war der Standard für Werkzeugmaschinen, der damals noch in den letzten Zügen der Ausarbeitung stand, bereits in aller Munde. Ein Showcase zeigte die Anbindung von 110 Maschinen von 70 verschiedenen Herstellern. Dieser heterogene Maschinenpark mit ganz verschiedenen Technologien wurde auf der Messe mit OPC UA for Machine Tools über eine identische Datenstruktur vernetzt. Den Messebesuchern wurde per Dashboard einen Einblick in die standardisierte Datenwelt gegeben.

Anders als geplant: Messesaison 2020

Für die Konnektivitätsinitiative des VDW, die den OPC-UA-Standard für Werkzeugmaschinen initiierte, sollte im Frühjahr diesen Jahres eine weitere intensive Messesaison an internationalen Standorten starten. Dafür war die Infrastruktur der Fachmesse in Hannover über den Jahreswechsel erweitert und für weitere Showcases vorbereitet worden. Ebenfalls folgte im April diesen Jahres die Erweiterung der Marke Umati vom „Universal Machine Tool Interface“ zum „Universal Machine Technology Interface“, in der der VDMA die OPC-UA-Aktivitäten seiner Fachverbände vereinigt. Das Ziel: Die Umati-Community weiter auszuweiten und OPC UA zur Weltsprache der Produktion zu machen. Entsprechende Plug&Play-Lösungen sollen dann nicht nur Werkzeugmaschinen, sondern unterschiedliche Maschinen, Anlagen, Roboter und Systeme auf dem Shopfloor verbinden. Die Messeabsagen seit Frühjahr bedeuteten für die Aktivitäten der Standardisierungsgruppe für Werkzeugmaschinen den Fokus voll auf die Finalisierung der Spezifikationen zu legen. Trotz spürbarer Einschränkungen konnte noch im Mai der Release Candidate als finaler Entwurf für eine Norm veröffentlicht werden. Die Offenlegungs- und Kommentierungsfrist über den Sommer bot Gelegenheit zur Erprobung auf Herz und Nieren: Im Rahmen von zwei Plug-Festen wurden Werkzeugmaschinen entsprechend des Standards implementiert und unter Nutzung der Demonstratoren-Infrastuktur der Umati-Community live vernetzt. Doch was findet sich im Standard denn nun im Detail?

Strukturierung der Inhalte des Standards

Das Informationsmodell für Werkzeugmaschinen ist in übersichtliche Unterbereichen gruppiert: Identification, Monitoring, Production, Equipment und Notification. Anwender nutzen üblicherweise nicht in jedem Bereich alle verfügbaren Datensätze aus. Es wurden daher zusätzlich Facetten definiert, die zusammengehörige Datensätze gruppieren. Facetten bezeichnen in OPC UA Anforderungen an Dateninhalte und Funktionen der Schnittstelle. Compliance Testing ermöglicht es, die korrekte Umsetzung von Facetten zu überprüfen. Ein Maschinenhersteller kann sich also aussuchen, welche Facetten er anbieten oder kombinieren möchte. Der Entscheidung liegt zugrunde, welche Daten auf der Maschine überhaupt verfügbar sind und wie die geplante Weiterverwendung der Daten aussieht. Retrofit-Maschinen werden in vielen Fällen den Basisdatensatz mit nur wenigen Erweiterungen anbieten, während Neumaschinen die Möglichkeiten des Informationsmodells voll ausnutzen können. Neben dem Basisdatensatz, der als Grundvoraussetzung für alle OPC-UA-Server nach der Spezifikation verlangt wird, gibt es Facetten für Monitoring, Tools (sowie die Erweiterung ToolLife), Production (sowie die Darstellung des Production Plan mit dynamischen Produktionsplänen), Errors and Alerts und Prognosen. Die benötigte Funktionalität des OPC-UA-Servers ist in den Facetten jeweils passend ergänzt um State Machines, OPC-UA-Events und dynamische Listen.

 Eine Messemaschine ist mit Verlauf des Maschinenstatus über die Zeit auf dem Umati-Dashboard zu sehen.
Eine Messemaschine ist mit Verlauf des Maschinenstatus über die Zeit auf dem Umati-Dashboard zu sehen.Bild: ISW Institut für Steuerungstechnik der

Sichten auf Facetten

Für einige der Facetten bietet das Umati-Dashboard unter umati.app ausgewählte Anwendersichten für einzelne Maschinen an. Im Dashboard wird der Showcase aktuell virtuell angeboten, sodass alle verfügbaren, beteiligten Maschinen, unabhängig vom Hersteller oder Betreiber, direkt angewählt und in identischen Sichten betrachtet werden können. Das Dashboard soll neben Werkzeugmaschinendaten mittelfristig auch OPC-UA-Spezifikationen für weitere Produktionsmaschinen wie Roboter oder Spritzgussmaschinen nach ihren jeweiligen Spezifikationen abbilden. Für unterschiedliche Technologien werden vereinfachte Sichten angeboten, die als Inspiration für Anwendungsszenarien dienen können. Das Basic-Profil ist Grundlage für die einheitliche Identifikation der Werkzeugmaschinen. Hier wird eine Darstellung genutzt, die mit anderen VDMA-Fachgruppen gemeinsam in der Spezifikation OPC 40001-1 UA for Machinery erarbeitet wurde. Die Verarbeitung der Daten eines heterogenen Maschinenparks für Produktionsmittel aller Art kann so in gleicher Weise umgesetzt werden. Weitere Daten im Basic-Profil sind Statuswerte des laufenden Bearbeitungsprogramms. Diese können sowohl als Produktionsübersicht wie im Showcase Dashboard als auch als Grundlage zur Berechnung von Produktionskennzahlen genutzt werden. Analog dazu wird im Rahmen der Machinery-Arbeitsgruppe an einer einheitlichen Statusdarstellung der gesamten Maschine gearbeitet. Spezifisch für den Werkzeugmaschinenstandard werden Daten des aktuellen Bearbeitungsprogramms und des wirkenden Overrides als veränderliche Live-Daten in einer Häufigkeit von ca. 1Hz bereitgestellt. Wird die Facette Tools umgesetzt, so sind auch die verwendeten Werkzeuge über die Schnittstelle sichtbar.

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