Fallstudie: Erste Schritte in Richtung Industrie 4.0 in einer kleinen Produktionsstätte

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IIoT und Industry 4.0 sind allgegenwärtige Themen in den heutigen Industriemessen und Blogbeiträgen. Viele Produkte versprechen eine vertikale Integration von Produktionsfluss und Daten und Unternehmenssoftware wie ERP. Doch in der Regel gibt es auch einen Haken: Entweder Sie erhalten sehr komplexe Produkte mit einem ähnlich schockierenden Preisschild - oder trotz IIoT's Versprechen der vollständigen herstellerübergreifenden Interoperabilität werden Sie einlösen anbietergesperrtinsbesondere wenn man Softwarelösungen betrachtet, die von Herstellern von Produktionsmaschinen in Verbindung mit ihren Geräten verkauft werden.  

Für kleinere Unternehmen mit begrenzten Ressourcen und kleinen oder einköpfigen IT-Abteilungen ist dies ein Dilemma. Während solche Unternehmen auf Flexibilität angewiesen sind, um mit größeren Unternehmen konkurrieren zu können, und daher Paradigmen wie Industry 4.0 übernehmen müssen, ist dies in der Regel mit enormen Investitionen und einer Mauer scheinbar unüberwindbarer technischer Komplexität verbunden.  

In dieser Fallstudie möchte ich zeigen, wie die Connecting Software's Integrationsplattform Connect Bridge hilft, diese Lücke zu füllen und bietet ein einfach zu bedienendes Toolkit für den schnellen Einstieg in die Entwicklung kundenspezifischer IIoT-Lösungen.  

Über den Kunden und seine Anforderungen

Der Kunde ist ein kleiner Industriezulieferer, der hauptsächlich Blechprodukte aus rostfreiem Stahl liefert mit kleinen Losgrößen (bis hinunter zu einer) und einem komplexen Produktportfolio.  

Um in diesem Bereich mit anderen Herstellern konkurrieren zu können, braucht die Fabrik technologischen Fortschritt und eine ständige Weiterentwicklung des Produktionsprozesses. Deshalb hat der Kunde begonnen das robotergestützte Laserschweißen in den Produktionsprozess einzuführens. Während das Festkörper-Laserschweißen viele Vorteile wie geringere Verzerrung, wenig bis gar keine Nachbearbeitung von Schweißnähten usw. hat, ist es aufgrund der inhärenten Genauigkeitsanforderungen und anderer komplexer Anforderungen auch ein anspruchsvoller Prozess.  

Eine weitere Herausforderung ist die Integration einer solchen Roboterschweißlösung in die Produktionsplanung, die Beschaffung der notwendigen Daten für die (Nach-)Kalkulation der Kosten, die Qualitätskontrolle usw.  

Trotz des Aufkommens der kollaborativen Robotik und damit der Durchdringung solcher Anwendungen in der Produktion werden sie heute meist für sich stark wiederholende Aufgaben mit nur sehr geringen Änderungen an den behandelten Produkten/Prozessen eingesetzt. Daher ist die Wahl für eine Produktionsplanungssoftware, die die Bedürfnisse meines Kunden erfüllt, praktisch nicht existent, so dass der Bedarf an einer kundenspezifischen Lösung mit der kontinuierlichen Anpassung des Laserschweißprozesses in seine Fertigungskette wächst.  

Die Anforderungen kurz gesagt: 

  • Datenerfassung vom Schweißrobotersystem (bzw. seinen Komponenten) für Zwecke der (Nach-)Kostenberechnung, Qualitätskontrolle, Produktionsplanung
  • Integration dieser Daten in die kundenspezifische ERP-Umgebung des Kunden
  • Bereitstellung eines Produktionsplanungswerkzeugs für das Roboterschweißen, das für zukünftige Verbesserungen offen ist (z.B. Offline-Programmierung)
  • Anpassungsfähige Lösung, die mit dem Unternehmen wächst
  • Vermeiden Sie die Herstellerbindung und halten Sie die Komplexität und den Wartungsbedarf des gesamten Software-Ökosystems so gering wie möglich

Die IT-Umgebung des Kunden

Die IT-Landschaft des Kunden ist eine natürlich gewachsene und daher von Natur aus komplex. Auf ihrer Grundlage verwendet sie ein veraltetes ERP-System, das durch kundenspezifische webbasierte PHP-Anwendungen und Schnittstellen zu anderen Softwareprodukten (z.B. CAD, CAM wie Laserschachtelsoftware, ...) und Kundensystemen für den direkten Datenaustausch erweitert wird. All dies innerhalb einer gemischten Windows/Linux-Serverumgebung und einem fast ausschließlich Windows-basierten Client-Pool in einem Active Directory. Die Dateidienste basieren überwiegend auf Windows-Freigaben und (in geringerem Umfang) auf Dropbox.  

Bei einer laufenden Migration auf Microsoft Windows 10 und Office 365 können Themen wie die Implementierung von SharePoint oder OneDrive in die IT-Prozesse des Unternehmens von Interesse sein.   

Im Allgemeinen besteht die Strategie des Kunden darin, die Komplexität seiner IT-Infrastruktur zu reduzieren, indem er versucht, die Menge der verschiedenen verwendeten Technologien (LAMP-Stacks, AD, Windows, O365, Legacy-Systeme usw.) zu verringern und so die Verwaltbarkeit zu erhöhen und die Wartungskosten des gesamten Ökosystems zu senken.

Die Produktionsumgebung

Produktionsmaschinen haben in der Regel eine lange Nutzungszeit. Daher sind nicht alle Maschinen für Industry 4.0-Anwendungen ausgerüstet oder bieten in diesem Bereich nur eine sehr eingeschränkte Funktionalität. Dieses Papier konzentriert sich daher ausschließlich auf die Roboterschweißanwendung und deren Integrationsbedarf. 

Das Schweißsystem ist eine schlüsselfertige Lösung eines namhaften deutschen Herstellers, bestehend aus einer Festkörperlaserquelle, einem Roboter mit Dreh-Schwenk-Tisch, einem Bearbeitungskopf mit Kamerasystem, einer für Hochleistungslaseranwendungen benötigten Schutzzelle, Steuerungssystemen und Hilfssystemen (Absaugung, Staubabscheidung, Kühlung).  

Die Komponenten dieses Systems kommunizieren über eine Vielzahl von Standard-Industrie-Verbindungen (digitale IOs, Profinet, EtherCat, Standard-Ethernet). Gemäß den Spezifikationen des Herstellers ist nur eine Standard-Ethernet-Schnittstelle zur Netzwerkinfrastruktur des Kunden offengelegt. Diese Schnittstelle ist mit dem gesamten PLC-System des Maschinenherstellers verbunden und bietet nur einen sehr eingeschränkten Zugriff auf die Maschinendaten und das Steuerungssystem. Es bietet eine OPC UA-Schnittstelle mit nur sehr wenigen verfügbaren Datenpunkten (unter 10). Und sie werden nur bestückt, wenn die Fabrik die Produktionsplanungssoftware des Maschinenherstellers verwendet, die auf der SPS der Maschine läuft. Daher erwies sich diese Schnittstelle für meinen Kunden jetzt als nicht allzu nützlich. Diese Situation könnte sich ändern. Da diese exponierte OPC-UA-Schnittstelle jedoch noch in Arbeit ist, wird sie wahrscheinlich mit zukünftigen Aktualisierungen weitere nützliche Funktionen erhalten. 

Da aber viele der Maschinen-Unterkomponenten Standard-Ethernet als Kommunikationsmethode verwenden, ist mehr Zugriff möglich. Innerhalb der maschineninternen Netzwerke sind die SPS des Roboters, die Laserquelle und das Kamerasystem der Schweißköpfe erreichbar. Aber ohne weitere Modifikationen bieten nicht alle die notwendigen Werkzeuge für einen einfachen OPC-UA-Zugang.  

Die ersten Schritte

Als erster Schritt war es das Ziel, Daten direkt von den Komponenten der Maschine zu erfassen.  

Die direkte Steuerung dieser Systeme über die Connect-Bridge (CB) ist kein Ziel, da sie möglicherweise das für die Maschinensicherheit erforderliche Prinzip des "Single Point of Control" verletzen könnte.  CB bietet eine einfach zu bedienende Schnittstelle zum OPC UA-Standard, der in den heutigen SPS und Maschinen immer häufiger anzutreffen ist. Dieser Standard kann zwar zum Aufbau einer Echtzeitkommunikation verwendet werden und somit Funktionen ersetzen, die derzeit von industriellen Feldbussystemen implementiert werden, in unserem Szenario sind Echtzeitfähigkeiten jedoch nicht erforderlich. Zwar gibt es SDKs für die direkte Integration des OPC UA Stacks in die Anwendung meines Kunden, aber sie sind in der Regel kompliziert und widersprechen damit dem Ziel der Komplexitätsreduzierung.  

Daher fiel die Wahl auf die Connect Bridge mit seinen Vorteilen von einfache Einrichtung, problemloses SQL basierte Schnittstelle nicht nur zu OPC UA, sondern auch zu anderen lokalen und Cloud-basierten Diensten, und extrem wettbewerbsfähiger Preis

Häufigkeit der Datenabfrage

In dieser Fabrik durchläuft die neue Technologie den Anpassungsprozess, so dass das Roboterschweißsystem nur in einer einzigen Schicht arbeitet und die Maschine auch während der Arbeitszeit nicht ständig in Betrieb ist. Daher können die zu diesem Zeitpunkt gewonnenen Daten nützlich sein, sich aber auch als unzuverlässig für den zukünftigen Einsatz oder für Vorhersagen erweisen. Dies beruht auf den Erfahrungen des Kunden mit Daten, die er mit anderen Produktionsmaschinen, z.B. Laserschneidmaschinen, gesammelt hat. Bestimmte Faktoren - ob der Maschinenbediener am Ende eines Produktionszyklus anwesend war, als die Datenerfassung ausgelöst wurde - bewiesen, dass selbst scheinbar hochgenaue Daten ein falsches Bild zeichnen können und dass eine feine Granularität nicht immer notwendig ist, um die Effizienz des Produktionsprozesses zu beurteilen. 

Also, eine relativ niedrige Abfragefrequenz von 30 Sekunden wird derzeit für die Datenerfassung verwendet.  

In diesem ersten Schritt möchte der Kunde Daten aus diesen 3 Hauptkomponenten abfragen:  

  • die Laserquelle, 
  • die SPS des Roboters,
  • das Kamerasystem. 

Im Moment kann jedoch nur die Laserquelle angeschlossen werden, wobei die SPS des Roboters und das Kamerasystem aus ihren Gründen nicht verfügbar sind.  

Warum die Roboter-SPS keine Verbindung herstellen kann

Die Roboter-SPS ist über Ethernet zugänglich, verfügt jedoch über eine ältere OPC-Schnittstelle. Aufgrund von Softwarebeschränkungen des Herstellers kann sie nicht mit OPC UA betrieben werden. Eine OPC-OPC-UA-Schnittstelle könnte diese Situation vielleicht retten, aber ohne grünes Licht des Maschinenherstellers hinsichtlich der Kompatibilität schien die Installation einer solchen Software nicht durchführbar. GegenwärtigDer Kunde entwickelt einen Workaround: Die digitalen IOs der Roboter-SPS werden über einen Industrie-PC verbunden, um genaue Informationen zu erhalten (z.B. wann ein Produktionsprozess gestartet oder beendet wurde) und um ein engeres Datenerfassungsfenster auszulösen.  

Warum die Kamera keine Verbindung herstellen kann

Das Kamerasystem ist an die SPS der gesamten Maschine gebunden und scheint für externe Kunden nicht zugänglich zu sein. Da die Bildverarbeitung für die Qualitätskontrolle und die Prozessdokumentation nützlich wäre, wird derzeit der Einsatz eines zusätzlichen, externen Kamerasystems evaluiert, um dieses Problem zu lösen.

OPC UA für die Laserquelle

Es verbleibt die Laserquelle. Glücklicherweise ist dieses System ausgestattet mit ein hochmoderner Controller, der eine hochentwickelte OPC-UA-Schnittstelle enthält mit mehreren Zugriffsebenen: anonymer Zugriff mit begrenzten Lesefähigkeiten, schreibgeschützt, lesend und schreibend. Wie bereits erwähnt, kam ein Lese- und Schreibzugriff aus Gründen der Maschinensicherheit nicht in Frage. Daher wurde der Nur-Lese-Zugriff gewählt.  

Diese Schnittstelle bietet eine Fülle von Daten:  

  • Gesamtzustand des Lasersystems
  • Betriebszeiten, verbrauchte Leistung, ...
  • Fehler- und Wartungsmeldungen

Mit dem CB entwickelte der Kunde einen Windows-Dienst in C#, um die Daten periodisch abzufragen und sie für die zukünftige Verwendung in mehrere SQL-Datenbanktabellen zu kompilieren. Die Tabellen können Informationen wie allgemeine Daten, Ausrüstungsnutzung, Tabellen für Wartungs-/Fehlermeldungen, die von der Laserquelle erzeugt werden, enthalten.  

Aber wie sollen diese Daten angewendet werden? 

Eine große Frage: Wie werden Maschinendaten verwendet?

Die erste wertvolle Erkenntnis ist die Kompilierung der Maschinenprotokollnachrichts. Die Erfahrung meines Kunden in der Vergangenheit war, dass nicht alle Maschinen ihre Protokolldateien durch Neustarts behalten. Außerdem melden die Maschinenbediener ihren Vorgesetzten nicht immer präzise Störungen und Fehler. Dies kann dazu führen, dass die Maschinen länger als nötig stillstehen, wenn eine schwerwiegende Störung auftritt. Wenn die Maschine an diesem Tag überhaupt lief - ist eine wichtige Frage. 

Für den einfachen Zugriff durch die technische Leitung des Unternehmens werden solche täglichen Berichte als PDF-Dateien generiert und in einer gemeinsamen Dropbox gespeichert, falls ein Support-Anruf an den Maschinenhersteller geöffnet werden muss.  

Natürlich ist dies derzeit nur eine sehr begrenzte Anwendung der immensen Fähigkeiten des CB. Die nächsten Schritte, die der Kunde entwickelt, sind:  

  • Verbindung mit der SPS des Roboters (über digitale IOs, falls nicht anders möglich), um eine genaue Start-/Stopp-Taktung der Produktionszyklen zu erhalten. 

In Verbindung mit dem Stundenzettelsystem des Unternehmens wird dies ein besseres Verständnis darüber ermöglichen, wie viel Zeit die Maschine hat tatsächlich in Produktion und wie viel Zeit für das Unterrichten (Roboterprogrammierung) und/oder Be-/Entladen/Wartung verwendet wird; 

  • Zugang zum Kamerasystem: Da Laserschweißen ein anderes Schweißverfahren ist, müssen die Kunden meines Kunden diese Produktionsmethode zertifizieren lassen, bevor echte Produkte geliefert werden. Solche Prozesse lassen sich viel leichter erreichen, wenn eine vollständige Dokumentation des Schweißprozesses ständig und automatisch geliefert werden kann. 

Darüber hinaus steht mit der geplanten Reduzierung der Komplexität und der in Anspruch genommenen Dienstleistungen ein Wechsel von Dropbox-Shared zu OneDrive unmittelbar bevor, sobald dies bei allen betroffenen Kunden eingeführt ist. Der Kunde ist auch an einer möglichen Datenanalyse für die vorausschauende Wartung interessiert. 

Schlussfolgerung

Wie bereits erwähnt, befindet sich dieses Projekt in seiner Anfangsphase und ist noch weit davon entfernt, eine voll funktionsfähige IIoT-Lösung zu sein. Aber mit geringem Anfangsaufwand könnte ein nützlicher Demonstrator für den Kunden entwickelt werden, der die die mächtigen Fähigkeiten der Connect Bridge. Als Entwickler, es hat mir geholfen, indem es mir erspart hat, mich in die Details eines weiteren Verbindungsstapels einarbeiten zu müssen (wie OPC UA oder die Dropbox API). Und für meinen Kunden lieferte es einen zentralisierten Kommunikationsstapel für zukünftige Anwendungen, die auch im Vergleich zu Lösungen anderer Anbieter, die manchmal komplizierte Lizenzierungseinstellungen mit Lizenzen aufweisen, die auf der Anzahl der Geräte, auf die das Tool zugreift, und sogar auf der Anzahl der erworbenen Datenpunkte basieren, sehr wettbewerbsfähig ist. 

Verwendete Abkürzungen

CB - die Verbindungsbrücke Integrationsplattform

PLC - Speicherprogrammierbare Steuerung 
Im Allgemeinen ein echtzeitfähiges Computersystem mit relativ geringer Rechenleistung (im Vergleich zu Standard-PC-Geräten) mit industriellen Feldbusschnittstellen und digitalen IOs zur Steuerung von Maschinen. 

IIoT - das industrielle Internet der Dinge 

OPC UA - OPC Einheitliche Architektur 

CAD - Computergestützte Konstruktion 

CAM - Computerunterstützte Fertigung 

Hintergrund

Diese Fallstudie analysiert die Anwendung des OPC UA-Protokolls zur Erfassung aktueller Maschinendaten in einer kleinen Produktionsstätte in Österreich. Eine OPC UA-Stecker gebaut auf der Integrationsplattform Connect Bridge von Connecting Software wurde verwendet, um Maschinendaten in Berichtstabellen für die rechtzeitige Wartung der Ausrüstung in der Produktionsstätte zu ziehen. Die Integrationsplattform akzeptiert einfache Create, Read, Update and Delete (CRUD)-SQL-Abfragen über Standard-ODBC-, JDBC- und Web-Service-Treiber. Diese Abfragen sind then translated an die Standard-API calls native an das Zielsystem. Eine Reihe von vorgefertigten Konnektoren ermöglichen es, diese Daten an ERP-, MES-, CRM-, DMS-Systeme usw. zur weiteren Nutzung zu liefern. 

Über den Autor

Richard Majer, Gründer von flupo Systemtechnik e.U. spezialisiert auf industrielle IT und Automatisierungstechnik für KMUs. Vor der Gründung seiner eigenen Firma arbeitete Richard in einem Forschungs- und Entwicklungsinstitut für Hochleistungslaseranwendungen (sammelte Erfahrungen in der Lasertechnologie, FEM-Simulationen, Industrierobotik, SPS-Programmierung, industrielle Feldbussysteme) und verfügt über mehr als 10 Jahre Erfahrung in der allgemeinen IT mit Schwerpunkt auf der Softwareentwicklung in KMU-Umgebungen (Schnittstellen zwischen verschiedenen Softwareprodukten, Produktionsplanungsanwendungen). Er besitzt Meister Abschluss in Mathematik an der Universität Wien 

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