Prozessdatenerfassung an Industrie-Maschinen

Die Prozessdatenerfassung ist der Bereich der Maschinendatenerfassung (MDE), der den direkten Zugriff auf die Steuerung einer Maschine oder Anlage erfordert. Wir betrachten im Folgenden die unterschiedlichen technischen Möglichkeiten und deren Einschränkungen zur Erfassung von Prozessdaten.

Die Steuerung

Das elektronische Herz einer Maschine oder Anlage ist seine Steuerungseinheit in Form einer SPS (Speicher-Programmierbare-Steuerung; engl. PLC). In komplexen Anlagen kommen mehrere SPS hierfür zum Einsatz. Für eine moderne MDE müssen Daten aus der SPS ausgelesen werden, da an dieser Stelle das digitale Wissen über die Steuerung der Maschine vorhanden ist. Die Steuerung hält die Prozessdaten, die wir im Rahmen der MDE erheben wollen.

Ein weiterer Ansatzpunkt ist das Auslesen von Daten aus dem Bedienterminal (HMI) einer Maschine. Im Bedienterminal sind in der Regel ebenfalls relevante Informationen verfügbar, die für die Maschinendatenerfassung abgegriffen werden können.

Betrachten wir zum Beispiel eine Fräsmaschine. Die Steuerung einer Fräsmaschine regelt den Ablauf des Fräsprozesses: den CNC-Programmablauf, die Drehzahlen der Spindel, die Ansteuerung der Stellmotoren und damit die Positionierung des Werkzeugs. Diese Prozessdaten und manche statistische Information wie Programmlaufzeiten fließen in der Steuerung zusammen.

Für die zielgerichtete MDE wird untersucht, welche Daten über welche Protokolle aus einer solchen Steuerung ausgelesen werden können. Nicht alle Daten sind unter Umständen verfügbar, da die Steuerung nicht alle Werte an der Schnittstelle anbietet. Umgekehrt ist nicht jeder verfügbare Wert für den Anwendungszweck der MDE von Interesse.

Da für die MDE das Hauptinteresse der Steuerung gilt, muss zwischen Hersteller einer Maschine oder Anlage und verbauter Steuerung unterschieden werden. Maschinenbauer setzen in derselben Anlagen-Serie oder für unterschiedliche Generationen oft auch unterschiedliche Steuerungen ein. Die Steuerungen können sich nun noch in der installierten Firmware-Version unterscheiden, die ebenfalls den entscheidenden Unterschied für die MDE ausmachen kann.

Es gibt Steuerungshersteller, die den Datenzugriff auf Informationen in der Steuerung bewusst sperren und nur gegen eine Zusatzgebühr freischalten. Manche Hersteller haben Erweiterungen im Angebot, die eine entsprechende Schnittstelle nachrüsten. Diese Aspekte können die Kosten für die MDE erhöhen und müssen in einer Voranalyse geklärt werden.

Abfrage

Der Idealfall zur Maschinendatenerfassung ist, wenn die Steuerung der Anlage eine Schnittstelle anbietet, über die alle relevanten Daten abgefragt werden können. Ist dies gegeben, greifen die Prinzipien zur MDE, die wir nachfolgend im Detail erläutern werden. Sind diese Voraussetzungen nicht gegeben gibt es weitere Möglichkeiten, um die gewünschten Daten zu erheben.

Je nach Situation sind zusätzliche Maßnahmen erforderlich, um Maschinendaten erfassen zu können. Diese Maßnahmen erfordern in der Regel einen mehr oder weniger tiefgreifenden Eingriff in die Maschine oder Anlage.

Umprogrammierung

In Fällen, in denen die Steuerung keine Daten-Schnittstelle anbietet, die man Abfragen könnte, gibt es die Möglichkeit das Programm auf der Steuerung so zu verändern, dass die Steuerung die relevanten Daten direkt an einen Datensammler sendet.

Betrachten wir zum Beispiel das ProfiNet Protokoll als weit verbreiteten Echtzeit-Feldbus. Es gibt die Möglichkeit, die MDE-Lösung als ProfiNet-Device im Automatisierungsnetz zu betreiben. Dann muss jedoch die Steuerung so umprogrammiert werden, dass die relevanten Daten an die MDE-Lösung gesendet werden. Ähnliches gilt für andere Echtzeit-Feldbusse, die in der Automatisierung zum Einsatz kommen.

Leider ist die Umprogrammierung in vielen Fällen keine Option, da die Programmierung fester Bestandteil der Anlage ist und jede Veränderung etwaige Garantien oder Gewährleistungen hinfällig machen würde. Darüber hinaus ist die Maschine häufig in einem bestimmten Setup und Programmierung zertifiziert worden und die Zertifizierung verbietet nachträgliche Veränderungen.

In Anlagen mit vollem Zugriff ist diese Option jedoch durchaus interessant. Für einen Maschinenbauer wäre diese Option naheliegend, um eine Daten-Schnittstelle für MDE-Lösungen anbieten zu können. Dasselbe gilt für den Sondermaschinenbau, wenn die Integration einer MDE-Lösung Teil der Kundenanforderung ist.

Lauschangriff

Besteht keine Möglichkeit zur Umprogrammierung der Steuerung, so gibt es noch die passive Variante des Mitlesens der Kommunikation. Wenn die Steuerung einer Anlage mit Aktoren und Sensoren in der Anlage über einen Feldbus kommuniziert, so kann diese Kommunikation abgegriffen und mitgelesen werden.

Voraussetzung für einen solchen Lauschangriff ist, dass man ein Gerät in das Netzwerk einfügt, um die Kommunikation technisch mitlesen zu können. Dieser Eingriff ist rückwirkungsfrei, so dass keine Veränderung an der Anlage vollzogen wird. Kann man die Daten mitlesen, muss nun identifiziert werden, welche Daten zwischen welchen Teilnehmern für die MDE relevant sind und wo diese in der Kommunikation zu finden sind.

Mit einem detaillierten Wissen des verwendeten Kommunikationsprotokolls und der Spezifikation der beteiligten Geräte lassen sich diese Daten ermitteln und für die MDE verwenden.

Nachrüsten mit Sensorik

Gibt es keine Möglichkeit die Daten von Interesse über die Steuerung zu erfassen, so besteht die Möglichkeit durch zusätzliche Sensorik das Gewünschte zu ermitteln. Das Nachrüsten zusätzlicher Sensorik ist selbstverständlich ein Eingriff in die Anlage, der nicht immer wünschenswert ist. Es gibt vielerlei Dinge zu berücksichtigen und die Maßnahme muss ggf. auch mit dem Hersteller abgestimmt werden.

Je nach Komplexität in der Sensorik kann diese Maßnahme zusätzliche Investitionen erfordern. Der Markt für Sensoren bietet für nahezu jedes Szenario eine passende Lösung an. Diese Sensoren haben wiederum eine Datenschnittstelle, die von der MDE-Lösung angesprochen werden kann.

Nach diesen Überlegungen zur MDE an industriellen Maschinen betrachten wir im Folgenden weiterführende Prinzipien, die bei der MDE zu beachten sind. Diese Prinzipien beziehen sich weniger speziell auf die MDE an Maschinen, sondern eher auf die Datenerfassung an technischen Schnittstellen und deren Daten-Protokollen im Allgemeinen.