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Universal Machine Connectivity

Auf dem Weg zur einfachen Maschinenanbindung

Manufacturing Execution-Systeme haben sich in der Fertigungsindustrie als Instrumente für Effizienz und Qualität etabliert. Neben dem Ermitteln von Kennzahlen, Datenerfassung, Hilfestellung bei der Planung und Qualitätssicherung ist dabei die Kommunikation zum Unternehmensleitsystem sowie zur Produktionsebene eines der wichtigsten Elemente. War vor einigen Jahren die Kopplung zur Management-Ebene noch eine hohe Kunst, liegt die Herausforderung heutzutage in der Integration des Maschinenparks.

Bild: MPDV

Auftragsdaten von der Enterprise Resource Planning-Software (ERP) zum Manufacturing-Execution-System (MES) zu transferieren und Rückmeldungen zurück zu geben wird durch vielfältige Schnittstellen immer mehr zur Routine. Ganz anders verhält es sich bei der Kopplung zur Produktionsebene. An einfachen Maschinen, deren Steuerungen noch nicht mit Kommunikationsbausteinen ausgestattet sind, kann der Anwender heute mit Hilfe von Kleinst-SPS ganz einfach Takt- oder Betriebssignale abgreifen und daraus wichtige MES-Informationen ableiten.

In komplexeren Maschinen und Anlagen arbeiten hingegen üblicherweise speicherprogrammierbare Steuerungen, die über Kommunikationsbausteine verfügen. Diese beherrschen normalerweise eines oder mehrere der in der Industrie gängigen Busprotokolle oder auch Ethernetanschlüsse. In den letzten Jahren hat sich immer mehr die OPC-Schnittstelle als Verbindungselement zwischen Maschine, also Steuerung, und MES durchgesetzt. Damit hat sich jedoch nur ein Teil der Aufgabe vereinfacht. Dies ist vor allem vor dem Hintergrund wichtig, dass in der Vergangenheit viele proprietäre und maschinenspezifische Protokolle zu realisieren waren und diese Realisierung allein schon einen enormen Kostenblock darstellte.

Herausforderung Anwendungsschicht

Über eine OPC-Anbindung steht ein zunehmend gängiges Verbindungsmedium zur Verfügung, und so eine Transportschicht realisiert. Übrig bleibt bei der Kopplung die Frage nach der ‚Anwendungsschicht‘, also die Definition einer geeigneten Datenstruktur. Diese Situation wird oft noch missverstanden, weil viele Anwender davon ausgehen, dass Schnittstellen OPC sowohl als Transportschicht als auch als Anwendungsschicht eingesetzt werden.

Es gibt eine ganze Reihe von Bemühungen um die Definition einer Anwendungsschicht. In der Getränkeindustrie hat sich zum Beispiel der Weihenstephaner Standard etabliert. Für die allgemeine Anwendung hat der VDI mit Blatt 3 der Richtlinie VDI 5600 eine Empfehlung für eine Datenstruktur zwischen MES und Maschine herausgebracht. Der Verband deutscher Maschinen- und Anlagenbau (VDMA) arbeitet an einem vergleichbaren Dokument. All diesen Definitionen ist allerdings gemeinsam, dass es sich um sehr komplexe Konzepte handelt, deren praktische Umsetzung hohen Aufwand bedeuten kann. Denn Standardisierungsgremien gehen oft von einem allgemeinen Fall aus und definieren dazu nahezu alle Möglichkeiten von Datenstrukturen, die zwischen Maschine und MES übertragen werden könnten.

In der Praxis finden Anwender und Lieferant pro Anwendungsfall zwar eine breite Palette von Maschinentypen vor, da sich in der Anlage einfache Steuerungen genauso finden wie hochkomplexe Steuerungssysteme für Bearbeitungszentren und Anlagen. In den wenigsten Fällen ist es jedoch notwendig, komplexe Datenstrukturen zu übertragen. Meist genügen wenige Werte, um dem angeschlossenen MES bei der Erfüllung seiner Aufgabe zu helfen. Der Software-Anbieter MPDV hat mit dem System Hydra insgesamt rund 15.000 Maschinen in verschiedenen Branchen und Fertigungsszenarien angekoppelt. Bei diesen Installationen zeigte sich regelmäßig der Bedarf, ein pragmatisches Integrationsmodell zu entwicklen, mit dem sich im Durchschnitt der diskreten Fertigung etwa 80 Prozent der Anwendungsfälle für die Maschinenkopplung abdecken lassen.

Für die Transportschicht UMCM sind vier Varianten angedacht. Dabei wird der Datentransport etwa via ASCII- oder XML-Datei mit OPC oder OPC UA durchgeführt.

Niedrigere Investitionskosten im Fokus

Für eine solche Datenstruktur hat das Softwarehaus eine Empfehlung mit dem Namen Universal Machine Connectivity for MES (UMCM) entwickelt. Eine erste Version wurde in einem Forschungsprojekt mit der Universität Potsdam erprobt und hat sich nach Angaben der Wissenschaftler zur Reduzierung von Integrationsaufwänden als geeignet bewiesen. Entsprechende Marktakzeptanz von MES-Anbietern und Maschinenherstellern vorausgesetzt, könnte so das Ankoppeln einer Maschine mit einem geeigneten Transportmedium vergleichbar mit dem Einstecken eines Peripheriegerätes in einen USB-Anschluss erfolgen – die ‚Plug-and-play‘-Idee ließe sich auf die Kopplung zwischen Maschine und MES übertragen. Konsequent umgesetzt könnte dies eine deutliche Kostenreduzierung bedeuten. Die Empfehlung soll daher gerade nicht alle erdenklichen Fälle berücksichtigen, sondern einfache und mittelkomplexe Kopplungen behandeln, die in großer Zahl in der Industrie vorkommen.

Schnelle Umsetzung durch einfache Datenstruktur

Produktionsmengen, Produktionszustände und auch Messwerte können bereits auf Basis einer einfachen Datenstruktur übertragen werden. Das MES generiert daraus entsprechende Zeitverläufe. Als Kommunikationskanal für UMCM sind im Moment vier Varianten angedacht. Im einfachsten Fall erfolgt die Übertragung einer ASCII-Datei oder einer XML-Datei, dann eine Kopplung mit OPC oder OPC UA. Um die Empfehlung weiter voranzutreiben, hat der MES D.A.CH-Verband einen Arbeitskreis ins Leben gerufen.

Auch die OPC-Foundation begrüßt die Vorstellung des Ansatzes: „Mit dem Datenprofil UMCM wird der logische nächste Schritt zum einfachen standardisierten Zugriff auf die Produktionsdaten definiert. OPC-UA ist dazu die ideale performante Transportschicht mit integrierter Security vom kleinsten Embedded-Gerät bis zur MES/ERP-Enterprise-Ebene“, sagt etwa Stephan Hoppe, Präsident OPC Europe. Insgesamt könnte sich so die Einigung auf eine einfach gehaltene Lösung als wesentliches Mittel herausstellen, um die Kopplung zwischen MES und Maschine effizienter und damit kostengünstiger zu gestalten.


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