Wie bereit sind CNC-Steuerungen für OPC UA Companion Specifications?

In der Industrie 4.0 spielt OPC UA eine entscheidende Rolle bei der Vernetzung und Interoperabilität von Maschinen. Doch wie gut sind CNC-Steuerungen von führenden Herstellern wirklich für diesen Standard gerüstet? Lesen Sie in diesem Beitrag, was die verschiedenen Ansätze der Hersteller sind und warum die Wahl der CNC-Steuerung auch eine Frage der OPC-UA-Integration sein kann.  

Überblick über OPC UA

Wenn es um standardisierte und interoperable Datenerfassung von Maschinen und Anlagen in der Produktion geht, ist OPC UA die erste Wahl. Dieser Kommunikationsstandard ermöglicht sicheren und zuverlässigen Austausch von Daten zwischen Geräten und Anwendungen, unabhängig von Hersteller oder Betriebssystem. Ein Hauptmerkmal von OPC UA sind die Informationsmodelle, welche komplexe Datenstrukturen bieten und den Daten auch ihre Semantik, also den Kontext und die Bedeutung, zuweisen. Dies erleichtert die Integration von Geräten und Systemen und fördert die Interoperabilität. OPC UA unterstützt verschiedene Transportprotokolle für eine breite technische Anwendbarkeit und bietet zudem umfangreiche Sicherheitsfunktionen wie Authentifizierung und Verschlüsselung. Dank seiner skalierbaren und flexiblen Kommunikation ist OPC UA ein wesentlicher Baustein für die Umsetzung von Industrie 4.0.

Companion Specifications, umati und Machine Tools CS

Companion Specifications (CS) sind die Enabler für Interoperabilität. Diese standardisierten Erweiterungen des Informationsmodells definieren Strukturen und Vokabular, die für jeweilige Anwendungen oder Branchen von Bedeutung sind. CS werden von Industrie und Wissenschaft in Joint Working Groups entwickelt und sollen idealerweise die Anforderungen der Anwender präzise abbilden. Umati ist ein Subset aller unter der Federführung des VDMA für die Maschinenmodellierung entwickelten CS, welche besonders aufeinander abgestimmt („harmonisiert“) sind. Ein Beispiel für eine umati-CS ist die Machine Tools CS, die speziell für die Modellierung von Werkzeugmaschinen entwickelt wurde. In diesem Blogartikel liegt der Fokus auf Dreh- und Fräsmaschinen, obwohl auch andere Maschinentypen zu den Werkzeugmaschinen zählen.

Die Machine Tools CS wurde entwickelt, um die einfache Integration der Werkzeugmaschinen in übergeordnete IT-Systeme wie ERP, MES oder SCADA zu ermöglichen. Hierzu wird ein einheitliches Interface definiert, welches idealerweise auf jede Maschine anwendbar ist. Die übermittelten Daten können Monitoringdaten wie die aktuelle Spindeldrehzahl, Achsposition oder auch die aktuelle Auftragsnummer umfassen. Das Job-Management gemäß ISA95 ist ebenfalls Bestandteil der umati-Standards. Zudem ist die Maschinenidentifikation Teil des Informationsmodells.

Marktübersicht der CNC-Steuerungen

Die Computerized Numerical Control (CNC) ist das softwaretechnische Herzstück jeder Werkzeugmaschine. Ohne diese Steuerung würde sich kein Fräser drehen, keine Achse bewegen und auch kein Produkt gefertigt werden. Die CNC ermöglicht die Automatisierung von Fertigungsprozessen mit hoher Präzision und Reproduzierbarkeit. In Deutschland dominieren drei Hauptakteure den CNC-Markt: jeweils etwa ein Drittel der Maschinen wird mit Steuerungen von Siemens (37%) und Heidenhain (28%) betrieben, während etwa jede sechste Maschine mit einer FANUC-Steuerung (18%) ausgestattet ist. Der verbleibende Marktanteil wird von Herstellern wie Mazak, FAGOR, Haas, Okuma und Mitsubishi (nicht vollständig) abgedeckt. Betrachtet man die Segmente separat, führt Heidenhain mit 69% im Fräsbereich, gefolgt von Siemens mit 15%. Beim Drehen hat Siemens mit 49% den größten Anteil, gefolgt von FANUC mit 27%. [1, 2]

Im Folgenden wird die Integration von OPC UA in die CNCs der führenden Hersteller Siemens, Heidenhain und Fanuc analysiert.

Siemens SINUMERIK ONE / 840D sl

Siemens bewirbt die OPC-UA-Unterstützung und tatsächlich leistet die SINUMERIK ONE hier im Vergleich die beste Arbeit. Für rund 500€ für eine lebenslange Lizenz kann der OPC-UA-Server aktiviert werden. Siemens ermöglicht auf der Steuerung ein benutzerdefiniertes Informationsmodell mit 12 eigenen Namespaces und insgesamt maximal 10.000 eigenen Nodes [3]. Im Vergleich dazu ist die Anzahl bei der Sinumerik 840D sl auf 7 eigene Namespaces mit ebenfalls 10.000 Nodes beschränkt.

Die Machine Tools CS bringt in der aktuellen Version 1.02.0 mit all ihren Abhängigkeiten bereits insgesamt 6 Namespaces mit. Wenn der Maschinenhersteller zusätzlich sein eigenes Typenmodell und das Instanzmodell für die konkrete Maschine jeweils mit eigenem Namespace aufspielen möchte, wird bei der 840D sl die Grenze überschritten, während es bei der ONE funktioniert.

Der Server unterstützt die klassischen OPC-UA-Funktionen Read, Write, Subscribe für Variablen, Alarme und Events zur Weiterleitung der SINUMERIK-Alarme sowie den File Transfer für Programmcode und Auswahl der Dateien über Methoden. Für eine Werkzeugmaschine erscheint diese Auswahl an Funktionen angemessen. Komplexere Funktionen, wie beispielsweise die Historisierung zur Aufnahme von Zeitreihendaten, fehlen jedoch. Es ist jedoch zu bedenken, dass die Hauptaufgabe der CNC nicht die OPC-UA-Kommunikation ist und eine eingeschränkte Featureauswahl Performance für die Hauptaufgabe freimacht: die Steuerung der Maschine.

HEIDENHAIN TNC

Auch Heidenhain bietet für alle Steuerungen der 600er-Serie sowie für die TNC7 und TNC7 basic einen OPC-UA-Server mit den Funktionen Read, Write, Subscribe, Methoden, Events und File Transfer an [4]. Ein kundenspezifisches Informationsmodell ist jedoch nicht möglich; Heidenhain stellt hierfür ein eigenes Modell bereit, das alle Maschinen teilen [5]. Dies fördert die Standardisierung innerhalb des eigenen Heidenhain-Maschinenparks, führt jedoch auch zu einem gewissen Anbieter-Lock-in. Das anwendungsorientierte Informationsmodell umfasst alle Aspekte der Werkzeugmaschine, von der Identifikation über Daten zu den CNC-Kanälen und -Programmen bis hin zu Werkzeugdaten und Fehlerereignissen. Der Maschinenhersteller kann an definierter Stelle eigene Erweiterungen zum Informationsmodell hinzufügen; das Heidenhain-Basismodell ist jedoch verpflichtend. Eine Verwendung der umati-CS bzw. das Einlesen von Nodesets im XML-Format allgemein ist nicht möglich und auch nicht geplant. Eine von Heidenhain durchgeführte Umfrage ergab, dass die Kunden das „semantisch schärfer definierte“ Heidenhain-Informationsmodell gegenüber externen Informationsmodellen bevorzugen.

FANUC

Bei Fanuc existiert auf der CNC selbst kein OPC-UA-Server; stattdessen wird ein OPC-UA-Server als Applikation für einen externen oder maschineninternen PC angeboten, welcher OPC UA in FOCAS (eine FANUC-eigene API für CNCs) und zurück übersetzt. Ein OPC-UA-Client kommuniziert somit nie direkt mit der Maschinensteuerung, sondern immer mit dem Gateway, das den direkten Zugang hat. Diese Strategie mit einem externen PC bietet den Vorteil, dass ein einziger Server bis zu 100 CNC-Steuerungen aggregieren und unter einer einzigen Adresse verfügbar machen kann. Die Machine-Tools-CS wird nicht unterstützt. FANUC entwickelt derzeit jedoch an einer neuen OPC-UA-Server-Generation, die neue Features bietet und dann auch direkt auf jeder Maschine laufen können soll. Bis dahin ist jedoch noch ein klein wenig Geduld gefragt.

Retrofit mit Edge-Devices

Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, die OPC-UA-Konnektivität über externe Geräte einzurichten, die über verschiedene Schnittstellen mit der Maschine verbunden sein können. Fanuc verfolgt diesen Ansatz von Haus aus und Heidenhain empfiehlt dies beim Wunsch nach umati-Verwendung. Es gibt eine Vielzahl von Anbietern solcher Gateway-Lösungen. Insbesondere für die Digitalisierung bestehender Anlagen (Retrofit) mit alten Maschinensteuerungen, die OPC UA nicht unterstützen, stellt dies eine praktikable Lösung dar. Diese Gateway-Server sind meist auch weniger in den Features beschränkt als die steuerungseigenen Server. Ein Nachteil besteht jedoch in einer zusätzlichen Kommunikationsschicht mit anderen Protokollen, einem erhöhten Mappingaufwand und möglicherweise höheren Kosten, da der Gateway-Hersteller ebenfalls vergütet werden möchte.

Fazit und Einordnung

Von den verglichenen drei Steuerungsherstellern bieten Siemens und Heidenhain OPC-UA-Server direkt auf der Steuerung an. Fanuc stellt im Grunde ein OPC-UA-Gateway für die eigene Maschine bereit, analog den Retrofit-Gateways. Auch dies hat Vorteile, jedoch bietet die Steuerung selbst keine OPC-UA-Integration. Die Lösung von Siemens bietet größere Flexibilität und die Möglichkeit für eigene Modelle. Dies erfordert gegebenenfalls mehr Aufwand, um alles korrekt einzurichten. Siemens ist damit auch der einzige der verglichenen Hersteller, der von Haus aus die Verwendung von OPC UA CS ermöglicht. Die Steuerungen von Heidenhain bieten mit dem vorkonfigurierten Informationsmodell eine standardisierte, pragmatische Lösung, jedoch mit geringer Anpassbarkeit. Gerade im Zusammenspiel mit anderen Produktionsanlagen sind Skaleneffekte bei der Integration in übergeordnete IT-Systeme nur bei weiteren Heidenhain-NC-Produkten gegeben. SINUMERIK-Maschinen können hingegen mit umati-CS ausgestattet werden und fügen sich so nahtlos in die weiteren Produktionsanlagen, ob CNC oder SPS, ein. Probleme können durch die Limitierungen der Namespace- und Nodesetanzahl auftreten. Wie damit umgegangen werden kann, erfahren Sie demnächst in einem neu erscheinenden Beitrag hier auf unserem Blog.

Bei Fragen zu Ihrer eigenen Maschinendigitalisierung mit OPC UA bietet Ihnen das Team des OPC UA LABs vielfältige Unterstützung an, kontaktieren Sie uns dazu gern!

Headerbild: © freeimages.com/ozgurari