21.08.2019

Standardisierte OPC-UA-Schnittstelle für Werkzeugmaschinen

Welchen Mehrwert bringt Umati?

Was verbirgt sich hinter dem Begriff Umati? Welche Rolle spielt OPC UA dabei? Und wie soll eine gemeinsame Maschinensprache die einfache Umsetzung von Digitalisierungsprojekten ermöglichen? Der folgende Beitrag gibt Antworten auf diese Fragen, beleuchtet Hintergründe und stellt die Inhalte der Schnittstelle vor.


Kern von Umati ist die Nutzung des Kommunikationsprotokolls OPC UA. Dieses umfassende Framework mit integrierter Security definiert gleichzeitig ein Informationsmodell hinter dem Protokoll. Das bedeutet, dass neben den ausgetauschten Informationen auch eine Grundstruktur der Inhalte durch sogenannte Types vorgegeben ist, in denen Parameter übermittelt werden können. Diese Parameter können entweder verbindlich oder optional vorliegen. Durch die Grundstruktur werden übermittelte Daten in einen Kontext gesetzt, der vorher fest definiert ist. Das stellt sicher, dass OPC-UA-Clients und -Anwender sowohl wissen, wo sie Informationen finden können, als auch welche Inhalte dort zu erwarten sind. Innerhalb dieser Strukturdefinitionen werden Vererbungskonzepte verwendet, sodass z.B. auch herstellerspezifische Erweiterungen auf Basis von bestehenden Grundstrukturen möglich sind. Viele Grundstrukturen sind durch die OPC Foundation bereits zentral vorgegeben. Hier gibt es neben den klassischen Datenhaltungstypen auch Funktionen wie Events, das Ausführen von Methoden und State-Machines. Es beginnen aber auch immer mehr Branchenverbände, Grundstrukturen für ihre Technologien und Anwendungen zu definieren. Diese werden in sogenannten Companion Specifications branchenspezifisch veröffentlicht.

Standard für Mehrwert

Umati will eine solche branchenspezifische Grundstruktur als Schnittstelle für Werkzeugmaschinen entwickeln. Doch hinter dem Konzept und Markennamen verbergen sich noch weitere Dimensionen. Die Companion Specification definiert nicht nur ein Kommunikationsprotokoll, sondern auch ein Informationsmodell der übermittelten Inhalte. Zusätzlich bestimmen sogenannte Profiles, welche Anforderungen bezüglich Verschlüsselung, Authentifizierung und Server Performance erfüllt sein müssen. Daneben sind auch Testwerkzeuge und Qualitätssicherungstest für die Umati-Schnittstelle geplant. Das zugehörige Markenlogo soll nach der finalisierten Spezifizierung Produkte mit der Werkzeugmaschinenschnittstelle deutlich sichtbar kennzeichnen. Doch Umati wird nicht nur für neuartige Produkte eingesetzt. Mithilfe angepasster Umfänge sollen sowohl Retrofitmaschinen als auch technologiespezifische Erweiterungen der Schnittstelle mit Sonder-Labels umgesetzt werden. Zudem ist auch die Definition eines herstellerunabhängigen Konfigurations-Tools vorgesehen, das die Transformation von Rohdaten nach Kundenbedarf ermöglicht. Hier sollen Steuerungsinformationen, Maschinensignale oder externe Sensordaten mit einer zur Verfügung stehenden Funktionsbibliothek auf dem OPC-UA-Server frei konfiguriert werden können.

Gemeinschaft in der CNC-Branche

Hinter Umati steht eine internationale Gemeinschaft an Werkzeugmaschinenherstellern, die sich zu dem Standard bekennen und ihn im Moment in einer sogenannten Joint Working Group mit der OPC Foundation spezifizieren. Zusätzlich finden sich auch zuliefernde Steuerungshersteller sowie Softwarefirmen und Endanwender im Standardisierungsgremium, sodass alle Sichten vertreten sind. Nicht zuletzt ist der VDW in seinen Standardisierungsaktivitäten eng vernetzt mit VDMA-Fachgruppen, die ebenfalls OPC UA Companion Specifications entwickelt haben oder aktuell dabei sind. Fachgruppenübergreifend entwickelt der VDMA gerade, im Austausch mit Umati als Standard für Werkzeugmaschinen, eine allgemeine OPC-UA-Grundstruktur für Maschinen aller Art. Ein Showcase auf der EMO in Hannover bündelt die Beteiligung von mehr als 50 Unternehmen und demonstriert welche Vorteile die Einigung auf eine gemeinsame Maschinenschnittstelle über OPC UA bringt. Hier sind sowohl Steuerungshersteller als Zulieferer, Werkzeugmaschinenhersteller und auch Mehrwertanbieter mit Dashboards und Cloudlösungen beteiligt. Die Messedemo soll mit einem vereinfachten Modell zeigen, wie Umati als gemeinsame und volldefinierte Schnittstelle den Schritt in die Digitalisierung für alle Anwender vereinfacht.

Integration und Interaktion

Heterogene Produktionsstrukturen können mit Umati ungeachtet von Maschinenbauer oder integrierter Steuerung ohne zusätzliche Sonderentwicklungen miteinander gekoppelt werden. Die Integration und Interaktion mit anderen OPC-UA-Applikationen wird vereinfacht, egal ob es sich um weitere Produktionsmittel oder On-Premise- oder Cloudlösungen handelt. Auch auf individuelle Inhalte muss nicht verzichtet werden: Die Erweiterung um herstellerspezifische Details wird so unterstützt, dass auch firmenspezifisches Knowhow als Mehrwert übermittelt werden kann. Die Anwender sparen aufwändige Entwicklung von spezifischen Schnittstellen zwischen Maschinen, die unterschiedliche proprietäre Protokolle ineinander wandeln und können aufgrund des bekannten Informationsmodells ihre Anwendungen direkt auf die zugesicherten Inhalte der Schnittstelle anpassen. Applikationen, die bereits über OPC UA laufen erhalten im Informationsmodell die Kontexterläuterung der übermittelten Inhalte. Entwicklungsaufwände für die Interoperabilität zwischen Werkzeugmaschinen und Anwendungen können deutlich verringert werden.

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Use-Cases der Schnittstelle

Die Schnittstelle soll strukturiert Informationen und Parameter der Werkzeugmaschine anbieten. Welche Informationen über OPC UA bereitgestellt werden, wurde mithilfe gemeinsam abgestimmter Use-Cases definiert. Hierfür wurden grundlegende Anforderungen an die Schnittstelle formuliert und benötigte Parameter abgeleitet. Das gilt auch für drei Use-Cases, die die Themen Identifikation der Werkzeugmaschine, Darstellung des Produktivitätsstatus und Fehleranzeige betrachten. Ein Anwender von Umati kann auf der OPC-UA-Schnittstelle allgemeingültige Parameter wie den aktuellen Steuerungsmodus, den Kanalstatus oder den Override abrufen und daraus ableiten, ob die Maschine produktiv arbeitet. Im einfacheren Fall der Fehleranzeige stehen dem Anwender alle auf der Maschine anstehenden Fehler direkt über OPC UA als Übersicht zur Verfügung. Mit OPC UA Clients können Anwendungen standardisiert befüllt und Darstellungen nach anwenderspezifischen Kriterien erstellt werden. Mithilfe der standardisierten Schnittstelle lassen sich heterogene Maschinenparks also unabhängig von Werkzeugmaschine und Steuerung auf eine gemeinsame Oberfläche bringen, ohne dass für unterschiedliche Maschinen unterschiedliche Konfigurationen notwendig sind.

Erste Ergebnisse in Aussicht

Die Ziele für Umati sind gesteckt und die breite Unterstützung zeigt, dass eine einheitliche Schnittstelle für Werkzeugmaschinen sinnvoll und notwendig ist. Erste Ergebnisse werden im kommenden Jahr erwartet, doch Umati soll auch in den folgenden Jahren durch Erweiterungen der Schnittstelle und der Bereitstellung unterschiedlicher Versionen z.B. für Retrofitversionen oder technologiespezifische Erweiterungen weiter begleitet werden.

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