Datenkommunikation CNC-Steuerungen einfach mit OPC UA integrieren

Von Stefan Riess

Eine durchgängige Vernetzung aller beteiligten Komponenten benötigt einheitliche Kommunikationsschnittstellen. Deshalb erweitert Sieb & Meyer seine CNC-Steuerungen um OPC UA.

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Einheitliche Kommunikationsschnittstellen sind die Voraussetzung für eine durchgängige Vernetzung der beteiligten Komponenten.
Einheitliche Kommunikationsschnittstellen sind die Voraussetzung für eine durchgängige Vernetzung der beteiligten Komponenten.
(Bild: Sieb & Meyer)

In den letzten Jahren ist der Bedarf für eine effiziente Optimierung und Flexibilisierung von Produktionsprozessen auch im Bereich Leiterplattenproduktion rasant angestiegen. Zu den Anforderungen gehören die:

  • effiziente Fertigungsplanung,
  • Messdatenerfassung und -analyse,
  • Prozessautomatisierung,
  • Stückzahl-1-Fertigung,
  • vorausschauende Wartung.

All diese Punkte werden auch unter dem Begriff Industrie 4.0 zusammengefasst. Voraussetzung dafür ist eine durchgängige Vernetzung der beteiligten Komponenten. Einheitliche Kommunikationsschnittstellen sind dabei ebenso wichtig, und zwar von der Unternehmensebene (ERP) bis hin zur Feldebene.

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Der Feldebene sind auch die CNC-Steuerungen von Sieb & Meyer für den Bereich der Leiterplattenbearbeitung (Bohren und Fräsen) zugeordnet.

Das Unternehmen ist bereits seit vielen Jahren damit vertraut, eigene Systeme an die Systeme von Drittanbietern anzubinden. Das sind z. B. DNC-Server für die Bereitstellung von Prozessparametern wie maschinenspezifische Teileprogramme, Werkzeugdaten und Fertigungsparameter sowie die Verbindung zu MES- und ERP-Systemen. Wie in vielen anderen Bereichen auch sind diese Schnittstellen über lange Zeit gewachsen und weiterentwickelt worden. Sie dienen dazu, branchenspezifische Anforderungen zu erfüllen und sind somit als proprietär zu bezeichnen. Ein durchgängiger Industriestandard war bisher nicht vorhanden. Dieser wird aber dringend für eine vernetzte Zukunft benötigt. Deshalb hat Sieb & Meyer seine CNC-Steuerungen mit der standardisierten Schnittstelle OPC UA ausgerüstet.

OPC UA setzt sich als Standard durch

Marktanalysen haben ergeben, dass sich OPC UA in unterschiedlichsten Bereichen als Standard für M2M-Kommunikation immer stärker durchsetzt. Darauf hat sich das Lüneburger Unternehmen konzentriert. Neben der einheitlichen Datenschnittstelle steht eine äußerst robuste und stabile Lösung im Fokus, die im 24/7-Betrieb zuverlässig arbeitet.

Das servicebasierte OPC-UA-Kommunikationsprotokoll (OPC Unified Architecture) ist der Nachfolger des klassischen OPC-Standards. Der OPC-UA-Standard ermöglicht, Maschinendaten hersteller- und plattformunabhängig zu beschreiben und auszutauschen. Damit können Daten zwischen allen angebundenen Systemen eines Unternehmens verfügbar gemacht werden.

Über die OPC-UA-Schnittstelle werden die Daten zur Laufzeit zwischen Client und Server weitergeleitet. Im OPC-UA-Server sind Variablennamen mit dem Variablentyp sowie viele verschiedene Objekte mit beliebigen Informationen und ihren Beziehungen zueinander dargestellt. Auf der Basis von Namen, Werten, Attributen, Methoden und Events werden Funktionen wie historische Daten oder Alarme definiert. Ein Objekt ist beispielsweise ein Kontrollmechanismus für die Abnutzung eines Bohrers mit Bohrhub‐Zähler, Alarmparametern und Alarmgrenzen.

Was die OPC-UA-Schnittstelle von Sieb & Meyer umfasst

Der OPC-UA-Standard ist definiert von der OPC Foundation (IEC 62541) und umfasst in der Umsetzung von Sieb & Meyer:

  • Basis-Datentypen, Einheitensysteme und Übertragungsprotokolle,
  • Zugriff auf Daten (DA),
  • Historische Daten (HA),
  • Alarme und Benachrichtigungen (AC).

OPC UA ist geräteunabhängig. Am Markt sind diverse Standard-Werkzeuge für die Handhabung von Daten aus einem OPC-UA-Server verfügbar. Diese lassen sich direkt mit den OPC-UA-Servern der Steuerungen verbinden. Eine Kenntnis des OPC-UA-Standards reicht aus, um Datenkommunikation mit den CNC-Steuerungen zu ermöglichen. Automatisierung ist mittels OPC-UA-Standardbibliotheken in diversen Programmiersprachen (z. B. C#, Python, Node.js) einfach umzusetzen.

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Standard-Datenschnittstelle
Technische Eigenschaften der OPC-UA-Lösung:
  • Selbstbeschreibendes Datenmodell als Baumstruktur organisiert,
  • Microservice-Architektur,
  • Dateninhalte am JSON-Format orientiert,
  • interne Broker-Architektur entkoppelt Datenquelle (CNC) von Datensenke (OPC UA-Server),
  • Service Manager verwaltet Datenmodell,
  • Service Manager verwaltet Dienste wie 9x Connector (CNC 93.00, CNC 95.00), 8x Connector (CNC 82.00, CNC 84.00, CNC 82AS, OPC UA-Server, Sensorics, OPC HA sowie interne Dienste.

Die Idee hinter OPC UA ist, jedes Gerät in einem eigenen Datenmodell abzubilden. Dieses Modell beschreibt sich selbst und wird über einen OPC-UA-Server veröffentlicht. Genau das macht Sieb & Meyer: Jede CNC-Steuerung stellt ein eigenes Datenmodell bereit. Das Modell lässt sich um Daten anreichern, die durch zusätzliche Sensorik an einer Maschine bereitgestellt werden. Das erfolgt durch den mitgelieferten OPC UA Integrator. Der Originalgerätehersteller, OEM, hat also auch hier die Möglichkeit, seine Maschinen in standardisierte Infrastrukturen einzubinden und sich dennoch vom Wettbewerb abzugrenzen, z. B. durch die Möglichkeit der kontinuierlichen Zustandsanalyse mittels Vibrations- und Temperaturdaten. Frei verwendbare Datenendpunkte erlauben zudem das Einbinden kunden- und produktionsspezifischer Daten wie Auftragsnummer, Chargennummer etc. Des Weiteren bieten Funktionen die Möglichkeit, notwendige Prozessparameter wie z. B. das Teileprogramm und Werkzeugparameter in die CNC Steuerung zu laden. Damit lässt sich eine automatisierte Datenversorgung umsetzen, die eine hohe Prozesssicherheit schafft.

Mit serverorientierter Lösung auch Retrofitting möglich

Neben dieser Lösung bietet Sieb & Meyer eine serverorientierte Schnittstellenlösung an: Die SM IIoT Platform ist mit diversen CNC-Steuerungen verbunden und stellt deren Daten mit allen Merkmalen dar. Diese Variante bietet sich auch für das Retrofitting älterer (CNC 8x.00-gesteuerter) Maschinen an.

OPC UA ist für den Anbieter von CNC-Steuerungen die zukünftige Standard-Datenschnittstelle, die bei Bedarf auf aktuellen CNC-95.00- und CNC-93.00-Systemen verfügbar ist. Auch Bestandsanlagen können angebunden werden, da seit Februar 2021 die Schnittstelle auch für die Vorgängersysteme CNC 8x.00 ergänzt werden kann. So lassen sich CNC-Steuerungen einfach in zukunftsorientierte Infrastrukturen integrieren.

* Stefan Riess, Senior Applikationsingenieur CNC, Sieb & Meyer

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