Wenn es um CNC-Steuerungen im Bereich der Leiterplattenbearbeitung (Bohren und Fräsen) geht, ist Sieb & Meyer einer der größten Anbieter. Das Unternehmen ist bereits seit vielen Jahren mit der Anbindung der eigenen Produkte an die Systeme von Drittanbietern vertraut. 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.
In den vergangenen Jahren ist der Bedarf für eine effiziente Verbesserung und Flexibilisierung von Produktionsprozessen auch im Bereich Leiterplattenproduktion rasant angestiegen. Zu den Anforderungen gehören die effiziente Fertigungsplanung, Messdatenerfassung und -analyse, Prozessautomatisierung, Fertigung in Losgröße 1 sowie eine vorausschauende Wartung. Im Allgemeinen werden diese Punkte auch unter dem Begriff „Industrie 4.0“ zusammengefasst. Voraussetzung für das Erreichen dieses Ziels ist eine durchgängige Vernetzung der beteiligten Komponenten. Einheitliche Kommunikationsschnittstellen sind dabei ebenso wichtig, und zwar von der Unternehmensebene (ERP) bis hin zur Feldebene, der in diesem Fall die CNC-Steuerung zuzuordnen ist. Aus diesem Grund hat Sieb & Meyer seine CNC-Steuerungen mit einer standardisierten Schnittstelle ausgerüstet, um auch hier offen für zukünftige Anforderungen zu sein.
Marktanalysen haben ergeben, dass sich OPC UA in unterschiedlichsten Bereichen als Standard für M2M-Kommunikation durchsetzt. Darauf hat sich das Lüneburger Unternehmen konzentriert. Neben der einheitlichen und zukunftsweisenden Datenschnittstelle steht eine 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 es, 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 mittels Bohrhub-Zähler, Alarmparametern und Alarmgrenzen. Der OPC-UA-Standard ist definiert von der OPC Foundation (IEC62541) und umfasst in der Umsetzung von Basis-Datentypen, Einheitensysteme und Übertragungsprotokolle, Zugriff auf aktuelle Daten (DA), historische Daten (HA) sowie 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 der OPC-UA-Standardbibliotheken in diversen Programmiersprachen (z.B. C#, Python, Node.js) einfach umzusetzen. Ein spezifisches Knowhow proprietärer Schnittstellen ist nicht mehr erforderlich: Der Anwender kann sich ganz auf die Daten und deren Verarbeitung konzentrieren.
Die Möglichkeiten der Schnittstelle
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 OEM hat also auch hier die Möglichkeit, seine Maschinen in standardisierte Infrastrukturen einzubinden und sich dennoch gegen den Wettbewerb abzugrenzen, z.B. durch Features wie 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 zu laden. Damit lässt sich eine automatisierte Datenversorgung umsetzen, die eine hohe Prozesssicherheit schafft.
Neben der beschriebenen Lösung bietet der Hersteller auch eine serverorientierte Schnittstellenlösung an: Die ‚SM IIoT Platform‘ ist mit diversen CNC-Steuerungen (also Maschinen) verbunden und stellt deren Daten mit allen Features dar. Diese Variante bietet sich auch für das Retrofitting älterer (CNC 8x.00-gesteuerter) Maschinen an. Die technische Eigenschaften der Lösung sind umfangreich: Ein selbstbeschreibendes Datenmodell in Baumstruktur organisiert bildet die Grundlage. Die moderne Microservice-Architektur orientiert ihre Dateninhalte am JSON-Format, wobei dank einer internen Broker-Architektur Datenquellen (CNC) von Datensenken (OPC-UA-Server) entkoppelt sind. Ein Service Manager als Kernkomponente verwaltet das Datenmodell ebenso wie zahlreiche Dienste (9x Connector in der CNC 93.00 und CNC 95.00 sowie 8x Connector in der CNC 82.00, CNC 84.00 und CNC 82AS). Auch der OPC-UA-Server und weitere Dienste wie Sensorics, OPC HA oder interne Dienste kommen aus dieser Komponente.
Fazit
OPC UA ist für Sieb & Meyer die zukünftige Standard-Datenschnittstelle, die bei Bedarf auf aktuellen CNC 95.00- und CNC 93.00-Systemen verfügbar ist. Auch für die Vorgängersysteme CNC 8x.00 kann die Schnittstelle seit Februar 2021 (Softwareversion 21.02.003) ergänzt werden, sodass auch Bestandsanlagen ganzheitlich angebunden werden können. Damit lassen sich die CNC-Steuerungen einfach in zukunftsorientierte Infrastrukturen integrieren. So ist sichergestellt, dass Kunden flexibel auf die wachsenden Anforderungen moderner Produktionsumgebungen reagieren können.
