Ohne Daten keine Digitalisierung
Automatisierte Prozess- und Maschinenüberwachung mit Siemens Sinumerik Edge
Mit Sinumerik Edge steht Maschinenbetreibern eine offene, zukunftssichere Plattform zur Verfügung, mit der sich maschinennah hochfrequente Daten in Echtzeit erfassen lassen. Schon die erste Anwendung, die diese Daten nutzt, rechnet sich – und legt zugleich den Grundstein für eine schrittweise Digitalisierung.
DIE DIGITALISIERUNG in bestehenden Produktionen ist alles andere als trivial. Denn so beeindruckend die grafischen Auswertungen und Algorithmen vieler Software-anbieter auch sein mögen, eine Herausforderung bleibt: Bevor sich Daten verarbeiten lassen, muss man sie aus den Maschinen und Prozessen gewinnen. Digitalisierung kann im Feld nur schrittweise gelingen, denn gleichzeitig muss sichergestellt werden, dass die technologische Basis offen für weitere Digitalisierungsschritte bleibt.
Mit Sinumerik Edge adressiert Siemens diese Anforderungen für produzierende Unternehmen mit Werkzeugmaschinen. Die kompakte Hardware lässt sich an vorhandene Werkzeugmaschinen anschließen. Dabei interagieren die Geräte nicht nur mit den Sinumerik-steuerungen, sondern lassen sich beispielsweise über SPS- oder OPC-UA- und Umati-schnittstellen auch mit anderen Datenquellen sowie MES- oder Erp-systemen verbinden. Der Vorteil für den Maschinenbetreiber: Er führt mit Sinumerik Edge eine maschinennahe, aber von der Automatisierung unabhängige und einheitliche Infrastruktur für die Digitalisierung in der Produktion ein.
Die Hauptaufgabe von Edge Computing: Die Geräte nehmen maschinennah Echtzeitdaten aus der Steuerung (und anderen Signalgebern) auf. Und dies – das ist für die Funktionsfähigkeit der Maschinen wichtig – ohne Rückwirkung auf die Steuerung. Bei der optimierten Hardware der Sinumerik Edge gelingt dies auch bei hochfrequenten Daten (bis zu 1.000 Messwerte/ Sekunde) für bis zu 100 Variablen gleichzeitig. Dank der integrierten Computing-leistung lassen sich diese Daten bereits im Edge Device filtern oder über Rechenoperationen aufbereiten und reduzieren – noch bevor die Daten über eine Auswahl an Kommunikationsschnittstellen ausgegeben werden. Die Daten können auch auf Server im Firmennetzwerk und/oder in die Mindsphere, die cloud-basierende Iiot-lösung (Industrial Internet of Things) von Siemens, übertragen werden.
Sicherheit der Plattform gewährleistet
Doch Sinumerik Edge bietet mehr als nur Datensammlung und Kommunikation: Auf den Geräten lassen sich unterschiedliche Apps betreiben. Die Sinumerik-edge-plattform ist dabei offen. Die Anwender können verschiedene Apps zentral von Siemens beziehen. Weitere Anwendungen lassen sich ganz einfach über den Sinumerik Flow Creator erstellen oder über ein SDK (Software Development Kit) speziell auf die Anforderungen von Maschinenherstellern und -betreibern anpassen und selbst programmieren.
Wichtig für Unternehmen: Diese Offenheit endet, wenn es um Sicherheit und Zuverlässigkeit geht. Sinumerik-edge-geräte sind sogenannte Managed Devices. Das heißt, die Betreuung der Plattform verantwortet Siemens und gewährleistet damit die Sicherheit von Geräten, Daten, Kommunikation und Anwendungsumgebung. Dafür sind Sicherheitsfunktionen wie die Verschlüsselung von Daten und Kommunikation, Gerätekennungen, Zertifikate, Zugriffsrechte und Authentifizierung, Rollen- und Rechtevergabe, getrennte Netzwerk-layer, Sicherungen und Updates integriert und nicht von der einzelnen App abhängig. Software lässt sich nur über die Siemens Mindsphere zentral als Managementplattform einspielen. Damit wird ein externer, nicht autorisierter Zugriff auf Maschinen oder Daten unterbunden.
Beispiel Qualitätssicherung: Automatisiert und hocheffizient
Wie schlüssig dieses Gesamtkonzept ist, lässt sich am Beispiel der Sinumerik-edge-app „Analyze Myworkpiece/monitor“für die Qualitätsüberwachung darstellen. Der smarte Ansatz dieser App: Statt nur eine Auswahl von Werkstücken nach der Produktion aufwändig manuell oder in gesonderten Prozessschritten
zu prüfen, werden qualitätsrelevante Variablen während der Bearbeitung, direkt an der Werkzeugmaschine, automatisiert erfasst. Die Überprüfung erfolgt bei allen Werkstücken; somit ergibt sich eine hundertprozentige Testabdeckung. Die kontinuierliche Prozessüberwachung kann fehlerhafte Werkstücke zuverlässiger, früher und kostengünstiger identifizieren.
Ideale Aufgabe für Sinumerik Edge
In der Software werden die zu erfassenden qualitätsrelevanten Variablen per Klick ausgewählt und deren Echtzeitaufzeichnung in der Sinumerik Edge angewiesen. Variablen können jede Art von Antriebs-, Achs- oder Spindelparameter sowie Daten zusätzlicher Sensoren oder Messfühler sein. Die Auswahl erfolgt in grafischen Oberflächen; Programmierkenntnisse sind nicht erforderlich.
Aufzeichnungsläufe dieser Signalwerte aus fehlerfreien Bearbeitungen dienen der Software als Training Data Units (TDU). Über statistische Verfahren wird aus diesen TDUS ein Überwachungsmodell mit maximal erlaubten Abweichungen errechnet. Das Überwachungsmodell bildet die Grundlage für die konkrete Überwachungsaufgabe. Die App Analyze Myworkpiece/monitor legt dann für jedes Werkstück einen Prüfauftragsbericht ab und dokumentiert so das Einhalten des Prozessfensters. Wird eine unzulässige Abweichung im Prozess registriert, löst diese Anomalie einen Alarm aus, und das möglicherweise fehlerhafte Werkstück kann sofort nachbearbeitet oder gegebenenfalls aussortiert werden.
Gerade dort, wo kleine Ursachen große Wirkung entfalten können, zeigt sich der Gewinn der kontinuierlichen Prozessüberwachung via Sinumerik-edgeapp sehr schnell. Ein Beispiel aus der Praxis sind Gewindebohrungen in einem Getriebebauteil, bei denen man Fehler ohne eine manuelle oder gesonderte Prüfung erst bei der fortgeschrittenen Montage entdecken würde, was entsprechende Kosten verursacht.
Skalierbar in viele Richtungen
Der Ausbau der Sinumerik-edge-infrastruktur lässt sich schrittweise vornehmen – in viele Richtungen. Das ist ein großer Vorteil. Beispielsweise kann man zunächst nur einzelne Maschinen mit Edge Devices anbinden. Ein nächster Schritt könnte die Anbindung weiterer Maschinen und/oder der Einsatz weiterer Apps auf den bestehenden Sinumerik Edge Devices sein. Allein Siemens bietet eine Vielzahl von Apps an.
So funktioniert auch die App „Analyze Mymachine/condition“mit einem Referenzmodell. Die Anwendung generiert aus hochfrequenten Daten zu Achsbewegungen, Steifigkeit, Reibung, Umkehrspiel usw. einen mechanischen Fingerabdruck individueller Maschinen. Die Beobachtung der Maschine erfolgt regelmäßig und langfristig, aktuelle Daten werden stets mit dem Referenzmodell verglichen. Zeigen sich Abweichungstrends und Hinweise auf Verschleiß, wird ein Alarm ausgelöst. Eine Wartung lässt sich so bedarfsgerecht und frühzeitig planen. Bedarfsgerechte Wartung gilt als Schlüssel, um die Verfügbarkeit von Werkzeugmaschinen zu optimieren und die Instandhaltung mit schnell wechselnden Produktionsanforderungen zu synchronisieren.
Datenaustausch – einfach gemacht
Die Daten von App-lösungen wie Analyze Mymachine/condition lassen sich auch in die Mindsphere übertragen und dort in korrespondierenden Mindsphere-apps standortübergreifend und ortsunabhängig nutzen, zum Beispiel zum standortübergreifenden Vergleichen von Daten baugleicher Maschinen. Damit kann man die Maschinen unternehmensweit überwachen und Service-teams an anderen Standorten sowie den Maschinenhersteller in die Wartung und Instandhaltung einbinden – automatisch, ortsunabhängig und ohne Zusatzaufwand.
Ob maschinennah (in Machine), maschinenübergreifend (in Line) oder gar standortübergreifend (in Cloud) – Siemens hat mit seinen Plattformen für die unterschiedlichsten Ebenen und Handlungsfelder ein durchgängiges, skalierbares Konzept entwickelt. Über die Standardschnittstellen OPC UA und Umati lassen sich auch Steuerungen anderer Hersteller über Sinumerik Edge anbinden.
Die Prozessüberwachung oder die bedarfsgerechte Wartung via App kann für viele Unternehmen ein erster, schnell nutzenstiftender Einstieg in die Auswertung von Zustands- und Prozessdaten sein. Mit Sinumerik Edge lässt sich damit optimal in eine weitergehende Digitalisierung der Produktion starten.