Gemischter Maschinenpark: Siemens und Heidenhain, alt und neu, in einer Ansicht

In einem typischen Lohnfertiger stehen nebeneinander ein neues Bearbeitungszentrum mit SINUMERIK ONE, zwei ältere mit SINUMERIK 840D sl, eine Fräsmaschine mit HEIDENHAIN TNC 640 und eine mit iTNC 530. Jede Steuerung spricht anders, jeder Hersteller bietet eigene Software für Datenerfassung an. Wer Zustandsüberwachung im gemischten Maschinenpark einführen will, steht schnell vor der Frage: Brauche ich für jede Marke ein eigenes System? In unserem System lautet die Antwort nein. Dieser Artikel zeigt, wie wir Siemens und Heidenhain, alte und neue Steuerungen in eine gemeinsame Ansicht bringen und wo die Grenzen liegen.

Das Problem herstellerspezifischer Insellösungen

Steuerungshersteller und Maschinenbauer bieten eigene Lösungen für Datenerfassung und Zustandsüberwachung an. Jede für sich kann gut sein. Im gemischten Maschinenpark entstehen daraus aber Inseln:

• Mehrere Oberflächen: Der Instandhalter muss für die Siemens-Maschinen in ein System schauen und für die Heidenhain-Maschinen in ein anderes.
• Nicht vergleichbare Werte: Jedes System hat eigene Kennwerte, eigene Stufen und eigene Begriffe. „Gelb“ im einen heißt nicht dasselbe wie „Warnung“ im anderen.
• Mehrere Verträge und Zugänge: Jede Insel braucht eigene Lizenzen, eigene Benutzer und eine eigene Freigabe durch die IT.
• Lücken bei älteren Maschinen: Für Steuerungen ohne moderne Schnittstelle gibt es oft gar kein Angebot.

Für die Spindelüberwachung kommt ein grundsätzliches Problem hinzu: Die Standard-Schnittstellen der Steuerungen liefern Werte deutlich unter 1 kHz. Lagerschäden zeigen sich aber im Kilohertz-Bereich. Die eigentliche Diagnose kommt deshalb ohnehin vom Schwingungssensor am Spindelgehäuse, nicht von der Steuerung. Die Steuerung liefert den Zusammenhang: Drehzahl, Last, Programm, Alarme. Das ist eine gute Nachricht für den gemischten Maschinenpark, denn der Sensor ist bei jeder Marke derselbe.

Ein Datenvertrag für alle Steuerungen

Kern unserer Lösung ist ein einheitlicher Datenvertrag zwischen der Box an der Maschine und unserer Plattform. Er legt fest, welche Nachrichten die Box schicken darf und wie sie aufgebaut sind, unabhängig davon, welche Steuerung an der Box hängt. Es gibt vier Arten von Datensätzen:

Der Vertrag ist streng. Unbekannte Felder werden abgelehnt, ungültige Zahlenwerte ebenso. Jeder Datensatz trägt eine fortlaufende Nummer aus dem Puffer der Box. Die Plattform speichert jede Nummer genau einmal und bestätigt den Empfang. Erst dann löscht die Box die Daten. So entstehen nach einer Netzunterbrechung weder Lücken noch Doppelte. Mehr zum Transportweg steht im Artikel OPC UA oder MQTT für Produktionsdaten.

Die Entscheidung für herstellerneutrale Schlüssel hat einen einfachen Grund: Box und Plattform werden unabhängig voneinander weiterentwickelt, und neue Datenquellen sollen hinzukommen können, ohne dass sich der Vertrag ändert. Ob die Drehzahl von einer SINUMERIK oder einer TNC kommt, sieht die Plattform nicht. Sie sieht spindle.speed. Bewertung, Stufen und Meldungen sind deshalb für alle Maschinen gleich. Ein „Alarm“ an der Heidenhain-Maschine bedeutet genau dasselbe wie an der Siemens-Maschine.

Woher die Werte kommen: Herstellerpfade aus der Konfiguration

Siemens und Heidenhain legen ihre Werte in OPC UA unterschiedlich ab. SINUMERIK nutzt die Pfade der NC-Variablen, HEIDENHAIN ein eigenes Informationsmodell. Welcher Knoten an einer bestimmten Maschine die Spindeldrehzahl enthält, hängt zudem von Softwarestand, Optionen und Maschinenbauer ab.

Wir erraten solche Pfade nicht und schreiben sie nicht fest in die Software. Die Zuordnung „dieser Knoten ist spindle.speed“ steht in der Konfiguration der Box, je Maschine. Beim Termin vor Ort liest ein Werkzeug der Box den Adressraum der Steuerung aus, nur lesend und mit derselben Sperre wie im Betrieb. Aus dieser Tabelle entstehen die Einträge. Jeder Pfad wird an der echten Steuerung geprüft, bevor er in Betrieb geht.

Die Anbindung selbst ist für alle Steuerungen gleich abgesichert: Die Box liest per OPC UA, im Normalfall einmal pro Sekunde und nie öfter als alle 0,1 Sekunden. Schreiben, Methodenaufrufe, Anlegen und Löschen sind technisch gesperrt, bevor eine Anfrage die Box verlässt. Details stehen in den Artikeln Nur lesen: Schreibschutz an der CNC-Steuerung und SINUMERIK und HEIDENHAIN per OPC UA anbinden.

umati und OPC 40501: Browse-Pfade statt fester NodeIds

Mit umati, technisch OPC UA for Machine Tools (OPC 40501-1), gibt es einen herstellerübergreifenden Standard für Werkzeugmaschinen. Er beschreibt Betriebsart, Zustand der Kanäle, Overrides, aktives Programm, Werkzeuge und Meldungen in einer einheitlichen Struktur. Für den Zusammenhang einer Messung ist das wertvoll: Läuft gerade ein Programm im Automatikbetrieb? Ist ein Testlauf aktiv?

Wer umati liest, sollte das über Browse-Pfade tun, nicht über feste NodeIds. Die Gründe sind praktisch:

• Namensraum-Indizes unterscheiden sich von Server zu Server. Die Box muss sie beim Verbinden über die Namensraum-URI auflösen.
• Kanäle und Spindeln tragen herstellerspezifische Namen im Namensraum der jeweiligen Maschine. Man findet sie, indem man den Knoten Monitoring durchsucht und nach Typ filtert, nicht über einen festen Pfad.
• Maschinen werden über den Ordner Machines aus OPC 40001-1 gefunden und am Typ MachineToolType erkannt.
• Die NodeId ist keine Maschinenidentität. Als eindeutiger Schlüssel dient die Eigenschaft ProductInstanceUri aus der Identifikation der Maschine.

Dazu gehört eine ehrliche Einordnung: Ein umati-Modell ist an den beiden großen Steuerungen nicht selbstverständlich. Bei SINUMERIK ist eine Maschine nur dann umati-fähig, wenn der Maschinenbauer oder ein Integrator ein entsprechendes Modell eingerichtet hat. Der OPC UA NC Server von HEIDENHAIN nutzt ein eigenes Modell, nicht umati. Die automatische Erkennung über umati ist in unserer Box-Software deshalb noch nicht umgesetzt. Heute arbeiten wir mit den geprüften Herstellerpfaden aus der Konfiguration, umati folgt als Ergänzung.

Welche Steuerung was liefert

Die folgende Übersicht fasst zusammen, was je Steuerung heute möglich ist. Der Schwingungssensor am Spindelgehäuse ist in allen Fällen nötig, denn nur er liefert die Signale für die Lagerdiagnose.

Welche Werte eine konkrete Maschine liefert, hängt von Softwarestand, freigeschalteten Optionen und dem Maschinenbauer ab. Deshalb prüfen wir das an Ihrer Anlage, bevor wir etwas zusagen. Bei HEIDENHAIN gilt zusätzlich: Jede Anwendung, die sich mit dem OPC UA NC Server verbindet, braucht eine eigene Option. Nutzen Sie dort schon ein MES über OPC UA, kann eine weitere Option nötig sein.

Ältere Maschinen ohne OPC UA: nur Sensorik

Die iTNC 530 ist in vielen Betrieben noch im Einsatz, ebenso die TNC 320. Beide haben keinen OPC UA NC Server. An diesen Maschinen arbeiten wir nur mit der Sensorik. Das heißt konkret:

• Was geht: Der Schwingungssensor misst am Spindelgehäuse, die Box berechnet die Kennwerte und sucht im Hüllkurvenspektrum nach Lagerfrequenzen. Bewertung gegen die Normallage, Stufen und Meldungen funktionieren wie an jeder anderen Maschine.
• Was fehlt: Drehzahl, Last, Programmname und Alarme aus der Steuerung. Ohne Programmname lässt sich eine Messung nicht einem Bearbeitungsprogramm zuordnen.
• Worauf es ankommt: Die Lagerfrequenzen sind proportional zur Drehzahl, und die Normallage wird je Drehzahlbereich gelernt. Wie die Drehzahl an einer solchen Maschine bestimmt wird, klären wir beim Termin vor Ort für die konkrete Maschine.

Für den Instandhalter ändert sich in der Ansicht nichts. Die iTNC-Maschine steht in derselben Übersicht wie die SINUMERIK ONE, mit denselben Stufen und Meldungen. Wie die Box aufgebaut ist und was sie vor Ort rechnet, steht im Artikel Aufbau der Edge-Box.

FANUC: später, über eine eigene Anbindung

Für FANUC-Steuerungen ist ein OPC UA Server in der Steuerung selbst nicht gesichert verfügbar. Der übliche Weg ist die FANUC-Schnittstelle FOCAS über Ethernet. Dafür entwickeln wir eine eigene Anbindung, die in dasselbe Datenformat schreibt wie die OPC-UA-Anbindung. Sobald sie fertig ist, erscheinen FANUC-Maschinen in derselben Ansicht. Bis dahin ist FANUC nicht im Angebot. Die Sensorik allein ließe sich auch dort einsetzen. Ob das an Ihrer Maschine sinnvoll ist, besprechen wir im Erstgespräch.

Einen Überblick über alle Leistungen für Fräszentren finden Sie auf der Seite CNC-Fräszentren. Was Sie für die Anbindung mitbringen müssen, steht unter Ablauf und Voraussetzungen.

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