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Vernetzte Produktion

IoT-Basics: Selbstbeschreibung von Maschinen und Anlagen

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Standardisierte maschinenbauaffine Sicherheitstechnologien fehlen

Für die Unternehmen besteht zunächst die Schwierigkeit, dass bisher keine auf Standards basierenden maschinenbauaffinen Sicherheitstechnologien zur Absicherung von Steuerungssoftware existieren. Auf dem Markt sind heute nur Lösungen, die separat manuell konfiguriert und auf der Steuerung eingespielt werden müssen, was zu so erheblichen Aufwänden führt, so dass sie darum oftmals einfach nicht genutzt werden. Aufgrund der zunehmenden Kommunikation der Teilnehmer in der Fabrik der Zukunft ist es erforderlich, dass diese Kommunikation sicher ist und die Teilnehmer authentifiziert sind. Tatsächlich ist der aktuelle Stand, bezogen auf verfügbare Sicherheitstechnologie für Industrie 4.0, wie folgt gekennzeichnet:

Security-Mechanismen, die per OPC-UA-Standard zwar spezifiziert sind, lassen sich in der Praxis nur mit zusätzlichem IT-Administrationsaufwand an den abzusichernden Steuerungskomponenten bewerkstelligen. Auch diese Arbeit erfolgt bisher manuell und ist eine Implementierungshürde für das Ausrollen und Verwalten von Zertifikaten für Steuerungskomponenten.

Selbstbeschreibung von Maschinenkomponenten

Die Inbetriebnahme von (Werkzeug-)Maschinen ist heute einer der zeitaufwendigsten Schritte und in ihrem Aufwand oftmals schwer im Voraus zu kalkulieren. So folgt bei einer modernen Produktionsstraße auf die bis zu sechs Wochen dauernde Fertigung und Montage der Einzelmaschinen ein annähernd gleich zeitaufwendiger Prozess zur Inbetriebnahme der Gesamtanlage, der je nach Projektlage beim Hersteller oder bereits beim Kunden auf der Baustelle stattfindet. Einen Großteil dieser Zeit benötigt der Maschinenbauer, um Komponenteneigenschaften manuell in der Maschinensteuerung zu ermitteln und zu hinterlegen, z.B. den Steigungsfehler von Kugelgewindetrieben, aufgrund der oben beschriebenen Form der Datenweitergabe als pdf-Datei oder auf Papier.

Bei der Inbetriebnahme von Komponenten in einer Werkzeugmaschine müssen Spezifikationen wie beispielsweise die Steigung des Kugelgewindetriebs (KGT), die Lagerabstände und die elektrischen Kennwerte der Hauptspindel in der Maschinensteuerung manuell hinterlegt werden. Durch den manuellen Anteil ist dieser Vorgang zeitaufwendig und fehlerbehaftet. Um die geforderte Prozessfähigkeit zu gewährleisten, müssen bauteilspezifische Fehler kompensiert werden. Beispielsweise werden geometrische Fehler bei Kugelgewindetrieben durch Kreisformtests identifiziert und die daraus ermittelten Kompensationswerte in der Steuerung hinterlegt. Bei einer Hauptspindel müssen Verschiebungen des Bearbeitungswerkzeuges aufgrund von temperaturbedingten Einflüssen durch entsprechende externe Messeinrichtungen identifiziert und kompensiert werden.

Bei Prüfmessungen werden unterschiedliche Datenformate erzeugt

Beispielsweise befindet sich zur Identifizierung von Kugelgewindetrieben auf der Mutter ein Zahlencode. Dieser mit einem Laser aufgebrachte Code wird benötigt, um die Kugelgewindetriebe mit den Inbetriebnahmedaten der jeweiligen Komponenten zu verbinden. Hier sind z.B. Steigungsfehlerschriebe, Reibmomentkurven, Steifigkeiten, Geometriedaten bis hin zu Prüfzeugnissen für die jeweiligen Kugelgewindetriebe notwendig. Diese Daten werden in unterschiedlichen Datenformaten, separat vom Kugelgewindetrieb, an den Kunden weitergegeben.

Die Daten aus den Prüfmessungen an den Prüfständen werden in unterschiedlichen Datenformaten erzeugt. Der dabei entstehende hohe manuelle Aufwand ist heute ein Kostentreiber bei der Inbetriebnahme von Werkzeugmaschinen. Auch die Inbetriebnahme von Erweiterungssystemen wie Greifersystemen, die für Werkstückmanipulationen zum Einsatz kommen, ist heute noch aufwendig. Hier müssen beispielsweise die möglichen Bewegungsräume in der übergeordneten Steuerung hinterlegt werden. Außerdem wird für hochgenaue Positioniervorgänge die Positionierungsgenauigkeit im Arbeitsraum hinterlegt. Eine Werkzeugmaschine kann mit verschiedenen Werkzeugmagazinen (WZMM) ausgestattet werden. Bei der Inbetriebnahme müssen hierbei die Anzahl, Position und der Zustand der einzelnen Werkzeuge, bei großen Magazinen bis zu 100, manuell in der Steuerung hinterlegt werden.

Allgemein vereinfachen standardisierte Schnittstellen, die die Bedeutung der Daten ebenfalls übermitteln, folgende Anwendungsfälle erheblich:

  • Ein neues vernetzbares Feldgerät, z.B. ein Antrieb, mit einer neuen Firmware-Version wird in das Produktionssystem eingebracht. Das neue Gerät muss automatisch Netzwerkkonnektivität erhalten und in sämtlichen angeschlossenen Teilsystemen als autorisiertes – weil eindeutig identifizierbares – Feldgerät bekannt gemacht werden. Die beteiligten Systeme sind entsprechend zu aktualisieren.
  • Ein standardisiertes Datenformat beschreibt die Fähigkeiten der Feldgeräte, z.B. Kugelgewindetriebe, Spindel, aber auch komplette Maschinen. Somit sind die Komponenten selbstbeschreibend und verfügen über alle für die Inbetriebnahme notwendigen Daten. Dafür ist beispielsweise in einem Entwicklungsprojekt ein existierender Prüfstand für Kugelgewindetriebe entsprechend erweitert worden. Der bisherige manuelle Übertrag der Messwerte des KGT, z.B. Positionsabweichungen aufgrund von Spindelsteigungsfehlern, ist durch die automatisierte Abspeicherung ersetzt worden.
  • Das Feldgerät verfügt über eine kryptographisch verifizierbare Identität, die nicht oder nur schwer, d.h. mit hohem Kostenaufwand, zu «klonen» sein soll. Diese Eigenschaft erstreckt sich auch auf mechatronische Komponenten, damit nur Originalteile eines Herstellers Verwendung finden können. Identitäten werden fälschungssicher und mit unverwechselbaren Eigenschaften erkannt. Beispielsweise kann die RFID-Chip-Technologie hier eine probate Lösungshilfe zur sicheren Identifikation mechanischer Bauteile bieten.
  • Ein noch nicht konfiguriertes Feldgerät wird in eine Einzelmaschine oder eine verkettete Anlage eingebracht, z.B. in dem Fall, dass es aufgrund eines Fehlers des alten Geräts schnell ausgetauscht werden muss. Das Feldgerät muss nun aufgrund der in den Softwarekomponenten geschützten Informationen sicher und individualisiert parametrisiert werden, um im System registriert und als autorisiertes Feldgerät eingebunden zu werden.

In einem weiteren Beitrag werden Werkzeuge und Standards wie AutomationML, OPC UA sowie industrielle IoT-Adapter vorgestellt, mit denen eine automatische Konfiguration von Fertigungsmanagement-Systemem möglich ist..

Dr.-Ing. Olaf Sauer studierte Wirtschaftsingenieurwesen an der Universität Karlsruhe. Nach beruflichen Stationen am Fraunhofer IPK, bei Bombardier Transportation und in der METROPLAN-Gruppe leitete er von 2004 bis 2012 den Geschäftsbereich Leitsysteme am Fraunhofer IOSB, wo er jetzt Stellvertreter des Institutsleiters ist. Er ist Lehrbeauftragter am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und an der Universität Kassel, Vorsitzender des Fachbereichs Informationstechnik des VDI sowie Mitglied des Vorstandes der Wirtschaftsstiftung Südwest.

Quellen/Literatur

[III.1] VDI-Richtlinienreihe: VDI 5600 Fertigungsmanagementsysteme (Manufacturing Execution Systems – MES). Blatt 1–6. Berlin: Beuth Verlag GmbH, 2012-2016.

[III.2] BISCHOFF, JÜRGEN; BARTHEL, HOLGER.; EISELE, MICHAEL.: Automobilbau mit Zukunft. Konzept und Bausteine für Produktion und Logistik. Stuttgart: Log X Verlag GmbH, 2007.

[III.3] WIENDAHL, HANS-PETER; ELMARAGHY, HODA; NYHUIS PETER, et al.: Changeable Manufacturing – Classification, Design and Operation. In: CIRP Annals – Manufacturing Technology, Band 56 (2007), Nr. 2, S. 783–809. ^

[III.4] VDI 5600 Fertigungsmanagementsysteme (Manufacturing Execution Systems – MES) – Blatt 3: Logische Schnittstellen zur Maschinen- und Anlagensteuerung. Berlin: Beuth Verlag GmbH, Juli 2013.

[III.5] SCHLEIPEN, MIRIAM; BROHL, ALEXANDER; KÖVARY, LARS: Automatisierter Austausch und semantische

Anreicherung von CAD-Planungsdaten in der Fördertechnik mit AutomationML. Automation 2015, Baden-Baden, Juni 2015.

Fachbuch „Industrie 4.0: Potenziale erkennen und umsetzen“ Dieser Beitrag stammt aus den dem Fachbuch „Industrie 4.0: Potenziale erkennen und umsetzen“ von Thomas Schulz (Hrsg.) Das Buch bietet dem Professional einen praxisorientierten und umfassenden Einblick in die Digitalisierung der Fertigung und der Produktion. Das Buch „Industrie 4.0“ kann hier versandkostenfrei oder als eBook bestellt werden.

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