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DNC in verteilten Fertigungsleitsystemen

| Redakteur: MM

Durch den Einsatz zeitgemäßer Kommunikationsstandards bei der Verbindung zwischen NC-Steuerungen und Fertigungsleitsystemen kann der Informationsfluss in der Fertigung erheblich verbessert werden....

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( Archiv: Vogel Business Media )

Durch den Einsatz zeitgemäßer Kommunikationsstandards bei der Verbindung zwischen NC-Steuerungen und Fertigungsleitsystemen kann der Informationsfluss in der Fertigung erheblich verbessert werden. Durch die Verfügbarkeit aktueller und vollständiger Informationen über die Maschinenarbeitsplätze können die Steuerungs- und Überwachungsfunktionen der Fertigungsleitebene besser genutzt und die Arbeitsabläufe für Auftragsvorbereitung und -bearbeitung erheblich gestrafft werden.Moderne Werkzeugmaschinen verfügen über leistungsfähige Steuerungen, die neben den für die Werkstückbearbeitung erforderlichen Automatisierungs- und Überwachungsfunktionen auch umfangreiche Datenverwaltungsaufgaben bewerkstelligen und somit wertvolle Informationen für verschiedene Funktionsmodule EDV-gestützter Fertigungsleitsysteme bereitstellen könnten. Umso erstaunlicher ist es, dass die heute bereits verfügbaren Kommunikationsmöglichkeiten zwischen NC-Steuerungen und EDV-Systemen kaum genützt werden.DNC (Direct Numerical Control) als Konzept für die Verbindung von NC-Steuerungen und Rechnersystemen war bereits vor 30 Jahren ein Thema. Anlass waren damals die Probleme, die in Verbindung mit der Verwendung des Lochstreifens als Speichermedium standen. DNC-Systeme sollten durch eine gesicherte Übertragung vom Rechnerspeicher direkt in die NC Lese- und Lochstreifenfehler vermeiden, die durch den Lochstreifenbetrieb entstehenden Ausfallzeiten reduzieren und die Dauer des Änderungszyklus für NC-Teileprogramme verkürzen.In verschiedenen nationalen und internationalen Gremien wurde versucht, den Begriff DNC zu definieren. Die International Standards Organisation (ISO) versteht darunter ein Datenverteilsystem mit Massenspeicher für NC-Maschinen. Zusätzlich wird in einer Anmerkung zu dieser Definition die Möglichkeit für eine Teileprogrammkorrektur von einem Bedienfeld aus gefordert. Laut VDI 3424 versteht man unter DNC ein System zur Rechner-Direktführung von mehreren numerisch gesteuerten Arbeitsmaschinen durch Digitalrechner. Dabei ist das wesentliche Merkmal die zeitgerechte Verteilung von Steuerinformationen an mehrere numerisch gesteuerte Bearbeitungseinheiten, wobei Funktionen der numerischen Steuerung vom Rechner wahrgenommen werden können. Zusätzliche Merkmale können beispielsweise das Erfassen und Auswerten von Betriebs- und Messdaten sowie das Ändern von Steuerdaten sein.Grundsätzlich kann man die Aufgaben eines DNC-Systems in die Grundfunktionen NC-Programmverwaltung und -verteilung und die erweiterten Funktionen Maschinen- und Produktionsdatenerfassung und Fertigungssteuerung unterteilen, wobei diese Funktionen auf verschiedene Art und Weise und in unterschiedlichem Umfang realisiert werden können. Ohne auf die vielfältigen Gestaltungsmöglichkeiten von DNC-Systemen im Detail eingehen zu wollen, sollen die beiden heute am häufigsten anzutreffenden Arten von DNC-Systemen erläutert werden.Serielle Schnittstelle verbindet NC und RechnerDie Verbindung zwischen NC und dem Rechner erfolgt über eine serielle Schnittstelle (RS 232 oder 20 mA), wahlweise mit Software- oder Hardware-Handshake. Diese Schnittstelle wird von allen am Markt erhältlichen Steuerungen angeboten und ist frei konfigurierbar. Für eine Datenübertragung an die NC ist aber im Normalfall ein Bedienereingriff sowohl an der Steuerung (Anwahl ,,Programm einlesen") als auch am Rechner (Start der Programmausgabe) erforderlich. Daher wird in den meisten Fällen zwischen Leitrechner und Steuerung ein DNC-Terminal zwischengeschaltet. Diese Terminals, meist Industrie-PC, sind für den Einsatz in der rauen Werkstattumgebung geeignet. Sie werden in der Nähe der Maschinensteuerung montiert und mit dem Leitrechner über LAN oder Ringleitung, mit der Maschinensteuerung über die serielle Schnittstelle verbunden. Die Bedienung erfolgt über eine alphanumerische Tastatur und ein zumindest mehrzeiliges Display. Für eine rasche und einfache Eingabe von Maschinen- oder Auftragszuständen sind Funktionstasten vorgesehen.Soll ein Programm an die Steuerung übertragen werden, so stellt sie der Bediener auf Einlesen und wählt das zu übertragende Programm am DNC-Terminal aus. Das Terminal wiederum ruft das Programm vom Leitrechner ab und gibt es über die seriell arbeitende Schnittstelle aus. Neben der NC-Programmübertragung werden derartige Systeme auch für die Betriebsdatenerfassung eingesetzt. Über digitale und analoge Eingänge können beliebige Signalzustände direkt von der Maschine oder der Steuerung abgelesen werden. Die Eingänge werden im Terminal logisch verknüpft und lösen bei Zustandsänderung definierte Meldungen an den Leitrechner aus. Zur Vereinfachung der Auftrags- und Personaldatenerfassung können unterschiedliche Leseeinrichtungen (Barcode-, Magnetkartenleser) an das Terminal angeschlossen werden. Vorteile derartiger DNC-Systeme (auch Terminal-DNC genannt) sind die einfache Anbindung der Steuerungen und die zusätzliche Möglichkeit der Maschinen- und Produktionsdatenerfassung sowohl manuell (über Bedienereingabe am Terminal) als auch automatisch (durch Anschluss von Messwertgebern über digitale oder analoge Eingänge an das Terminal). Die automatisierte Maschinendatenerfassung ist aber nur sehr eingeschränkt möglich. Jede Datenübertragung muss vom Maschinenbediener angestoßen werden (NC-Programme einlesen oder ausgeben). Zustandsinformationen über Werkstücke und Werkzeuge können nicht selbsttätig von der NC gemeldet werden.DNC mit bedienerloser KommunikationDarunter versteht man DNC-Systeme, die unter Verwendung dialogfähiger Steuerungen aufgebaut werden. Die Kommunikation erfolgt in den meisten Fällen ebenfalls auf Basis der RS232-Schnittstelle, aber mit Einsatz geeigneter Kommunikationsprotokolle wie LSV2 oder CP3964. Rechner und Steuerung können auf diese Weise ohne Bedienereingriff Informationen austauschen, wobei die Initiative für den Datenaustausch vom Rechner oder von der Maschinensteuerung erfolgt. Der Einsatzbereich dieses DNC-Konzeptes war ursprünglich für automatisierte Fertigungssysteme gedacht, in denen ein Leitrechner nicht nur die Maschinenzustände überwacht, sondern auch die für die jeweilige Bearbeitung erforderlichen NC-Programme an den mannlos arbeitenden Maschinen auswählt und startet.Doch auch in der Werkstattfertigung eingesetzt, bietet dieses Konzept Vorteile. Dazu zählen beispielsweise die gesicherte Programmübertragung, die automatische und daher vollständige und aktuelle Maschinendatenerfassung und eine verbesserte Werkzeugorganisation durch automatische Werkzeug-Korrekturdatenübertragung und die selbsttätige Meldung von verschlissenen und gebrochenen Werkzeugen an den Leitrechner. Nachteile waren bisher die unterschiedlichen Übertragungsprozeduren und Dialoge bei verschiedenen Steuerungsfabrikaten, was zu einem hohen zeitlichen und finanziellen Aufwand für die Inbetriebnahme bei Einbindung unterschiedlicher Steuerungen führte. Im Bereich der Werkstattorganisation kam dieses DNC-Konzept daher nur selten zum Einsatz.Die im Office-Bereich heute selbstverständlichen Kommunikationsstandards beginnen nun aber in die Fertigung Einzug zu halten. Als Beispiel sei die Sincom- Schnittstelle für Sinumerik-Steuerungen angeführt, die auf den plattformunabhängigen Standards TCP/IP und RPC (Remote Procedure Call) basiert. Bei Einsatz der Betriebssysteme Windows 9x, NT oder 2000 auf dem DNC-Rechner kann die RPC-Schnittstelle zusätzlich noch durch die vom Steuerungshersteller gelieferte Sincom.OCX in COM-Aufrufe (Component Object Model) gekapselt werden (Bild 1). Die von der Schnittstelle angebotenen Dienste können somit durch die Module des Fertigungsleitsystems komfortabel über Active-X-Komponenten angesprochen werden.Der Ablauf der Kommunikation sei am Beispiel einer Werkzeugbeladung kurz dargestellt (Bild 2). Der Bediener stellt das neue Werkzeug für die Übernahme in das Magazin bereit und gibt die Identnummer am Bedienpanel des Werkzeugmagazins ein. Daraufhin fordert die Steuerung die Werkzeugdaten beim Leitrechner an. Dies geschieht mit dem Prozeduraufruf ,,T_DATA_H". Das ,,T" (Transmit) bedeutet eine Aufforderung an den Partner, Daten bereitzustellen. Das ,,H" (Host) gibt den Empfänger der Aufforderung an. Als Parameter werden ein Funktionscode (welche Daten sollen bereitgestellt werden? - in diesem Falle die in der Werkzeugvoreinstellung ermittelten Werkzeugdaten) sowie die Identnummer und Duplonummer des einzuwechselnden Werkzeuges mitgegeben. Der Leitrechner stellt die Daten in einem Textfile zusammen und meldet die Verfügbarkeit der Daten mit dem Prozeduraufruf ,,R_DATA_M" an die Steuerung. Als Parameter des Prozeduraufrufes wird der Name des Files, in dem die Daten hinterlegt sind, mitgegeben. Die Steuerung liest das File ein und quittiert den Erhalt der Daten mit dem Prozeduraufruf ,,R_REPORT_H". Das Werkzeug wird in das Magazin übernommen und auf einem freien Platz abgelegt. Danach meldet die Steuerung dem Leitrechner die Magazinnummer und den Magazinplatz, auf dem das Werkzeug abgelegt wurde. Sincom-Schnittstelle ist einfach zu implementierenDie Sincom-Schnittstelle ist im Vergleich zu den bisher eingesetzten Protokollen einfacher zu implementieren und zu testen und ermöglicht unter anderem die Übertragung von Programmen, die selbsttätige Meldung von Ereignissen und Zustandsänderungen an der Maschine sowie den Austausch von Werkstück- und Werkzeugdaten zwischen Steuerung und Leitrechner. Eine DNC Lösung auf Sincom-Basis, die bei einem weltweit operierenden österreichischen Maschinenbauunternehmen realisiert wurde soll dies verdeutlichen: Kernelement der vorgestellten Lösung ist der Maschinen-PC (Standard- oder Industrie-PC), der über Sincom die Kommunikation mit der NC abwickelt und die zur Datenerfassung, Beauskunftung und Funktionsauswahl erforderliche Bedieneroberfläche für den Werker bereitstellt (Bild 3). In diesem Rechner werden die von der Maschine selbsttätig gemeldeten Ereignisse und die vom Werker eingegebenen Meldungen zu Betriebsdaten verknüpft und alle für den Maschinenarbeitsplatz relevanten Objekte, deren Zustand und gegenseitige Zuordnung (Personal/Arbeitsplatz, Arbeitsgänge/Arbeitsplatz) verwaltet. Der Maschinen-PC steht darüber hinaus mit den Softwaremodulen des zentralen Fertigungsleitsystems (NC-Programmverwaltung, Auftragsmanagement, Tool Management, Monitoring, Personal) in Verbindung. Er kann von diesen Anwendungen die für den Arbeitsplatz relevanten Informationen (für den Arbeitsplatz eingeplante und freigegebene Arbeitsgänge, Zustand der Bereitstellungsaufträge für Material und Fertigungshilfsmittel, NC-Programme) abrufen. Er versorgt diese Anwendungen mit aktuellen Daten über den Arbeitsplatz und die an diesem Arbeitsplatz in Arbeit befindlichen Aufträge bzw. dafür eingesetzten Bearbeitungs-, Spann-, Mess- und Prüfmittel und kann darüber hinaus die von diesen Anwendungen angebotenen Dienste nützen. Alle Statusänderungen und Ereignisse wie technische Störungen oder organisatorische Unterbrechungen am Arbeitsplatz werden im Monitoring Modul zentral aufgezeichnet und können für diverse Auswertungen herangezogen werden. So fließt beispielsweise. der für die Maschinen berechnete Nutzungsgrad in die Lohnfindung für die Mitarbeiter ein.Der Maschinenbediener bekommt damit ein Kommunikationswerkzeug in die Hand, das ihn bei der Organisation seines Maschinenarbeitsplatzes unterstützt und ihm aktuell alle für seine Tätigkeit benötigten Informationen liefert. Die Funktionsweise des Gesamtsystems soll mittels einer kurzen Beschreibung der Arbeitsabläufe dargestellt werden.Auftragsvorbereitung ordnet Arbeitsgänge entsprechend zuWährend die NC-Maschine den aktuellen Auftrag abarbeitet, bereitet der Bediener die nachfolgend zu fertigenden Aufträge vor. Die für den Arbeitsplatz oder die Arbeitsplatzgruppe zur Bearbeitung vorgesehenen Arbeitsgänge werden vom Auftragsmanagement aktuell abgerufen und am Bedienterminal angezeigt, wobei natürlich auch Informationen über den Vorgänger- und Folgearbeitsgang zur Verfügung gestellt werden. Der Bediener wählt einen oder mehrere Arbeitsgänge aus und markiert sie. Diese Arbeitsgänge werden dem Auftragsmanagement gemeldet und mit dem Status ,,Auftrag in Vorbereitung" gekennzeichnet. Die Arbeitsgänge sind nun dem Arbeitsplatz zugeordnet und werden, da nun die erforderlichen Vorbereitungsarbeiten beginnen, terminlich eingefroren.Der Bediener kann nun die Vorbereitung der benötigten Betriebsmittel, insbesondere der Werkzeuge, anfordern, indem er an seinem Bedienterminal einen Werkzeug-Bereitstellungsauftrag anlegt. Der Maschinen-PC nützt dazu die Dienste der Tool-Management-Anwendung, die für die zur Bearbeitung vorgesehenen Arbeitsgänge den Werkzeugbedarf errechnet, wobei die aktuelle Werkzeugmagazinbelegung der Maschine berücksichtigt wird. Dies ist möglich, da das Tool-Management-Modul über die Sincom-Schnittstelle und den Maschinen-PC laufend über alle Veränderungen des Werkzeugvorrates (Werkzeugbe- und -entladung, Werkzeugbruch und Reststandzeit) informiert wird. Der Bereitstellungsauftrag kann vom Bediener geprüft, modifiziert und freigegeben werden. Der Bereitstellungsauftrag wird in der Werkzeugausgabe abgearbeitet. Die Werkzeuge werden zusammengebaut und vermessen, die Werkzeugkorrekturdaten an das Tool-Management-Modul übertragen. Der Maschinenbediener erhält jederzeit Informationen über den Zustand der Bereitstellungsaufträge.Rüsten der Maschine nach BetriebsmittelbereitstellungSind alle erforderlichen Betriebsmittel bereitgestellt, kann die Maschine gerüstet werden. Der Bediener stößt die NC-Programmübertragung am Bedienterminal an. Der Maschinen-PC greift auf das Programmarchiv der NC-Programmierung zu und überträgt selbständig die den vorbereiteten Aufträgen zugeordneten Programme an die NC. Die bereitgestellten Werkzeuge werden in das Magazin eingewechselt. Dazu gibt der Bediener am Bedienpanel des Werkzeugmagazins für jedes Werkzeug die Identnummer und Duplonummer ein. Die NC meldet diese Nummer selbsttätig an den Maschinen-PC, der daraufhin die dem Werkzeug zugeordneten Daten im Tool-Management-Modul abruft und per Sincom an die NC übermittelt. Die Maschinensteuerung wählt entsprechend der Werkzeuggröße einen freien Magazinplatz und übernimmt das Werkzeug in das Magazin. Der durchgeführte Beladevorgang wird an den Maschinen-PC gemeldet.Auftragsbearbeitung steuert AbarbeitungsreihenfolgeIst der Vorgängerauftrag abgeschlossen, kann die Bearbeitung des neuen Auftrages beginnen. Der Bediener meldet den Bearbeitungsstart für den neuen Auftrag durch Eingabe am Bedienterminal an das Auftragsmanagement. Weil an Poolmaschinen oder Bearbeitungszentren mit Palettenwechsler gelegentlich auch unterschiedliche Werkstücke mehrerer Aufträge alternierend bearbeitet werden, können auch mehrere Aufträge angemeldet werden. Um eine exakte Auftragszeiterfassung für die Nachkalkulation zu ermöglichen, wird der jeweils gerade bearbeitete Auftrag im Maschinen-PC bei Bearbeitungsstart automatisch aktiv gesetzt. Dies erfolgt aufgrund des von der NC gemeldeten Programmstartes. Über die bei der Meldung mitgelieferte Programmnummer kann der entsprechende Auftrag zugeordnet werden. Alle von der Maschine danach erfassten Meldungen werden auf den aktiven Auftrag gebucht. Alle während der Bearbeitung erfassten Meldungen werden vom Maschinen-PC auch an das zentrale Monitoring-Modul weitergereicht, über das von jedem berechtigten Arbeitsplatz im Unternehmen die aktuellen Zustände und zugeordneten Aufträge beauskunftet werden können. Die von der Maschinensteuerung nach dem Einsatz für die laufende Bearbeitung von der Spindel in das Magazin zurückgewechselten Werkzeuge werden mit ihrer aktuellen Reststandzeit an den Maschinen-PC gemeldet, der diese Information dem Tool-Management-Modul zur Verfügung stellt. Tritt während der Bearbeitung des Auftrages ein nicht vorhergesehener Werkzeugbruch auf, kann der Werker von seinem Bedienterminal aus einen Eilauftrag an die Werkzeugvorbereitung absetzen oder sich ein Ersatzwerkzeug von einer benachbarten Maschine ,,ausborgen", wenn es dort für die gerade laufende Bearbeitung nicht benötigt wird. Die Werkzeugdaten werden beim Entladen aus dem Magazin an den Tool Management Modul gemeldet und werden beim Beladen an der Zielmaschinen per Sincom-Schnittstelle automatisch wieder bereitgestellt. Bei langen Auftragszeiten kann der Bediener Teilfertigmeldungen an das Auftragsmanagement absetzen. Nach Fertigstellung des Auftrages wird er vom Werker am Bedienterminal mit Eingabe der Stückzahl rückgemeldet. Der Maschinen-PC überträgt die Meldung mit den aufgezeichneten Zeiten an das Auftragsmanagement, das daraufhin den Folgearbeitsgang für den nächsten Arbeitsplatz freigibt.Es wurde gezeigt, dass durch den Einsatz zeitgemäßer Kommunikationsstandards bei der Verbindung zwischen NC-Steuerungen und Fertigungsleitsystemen der Informationsfluss in der Fertigung erheblich verbessert werden kann. Durch die Verfügbarkeit aktueller und vollständiger Informationen über die Maschinenarbeitsplätze können die Steuerungs- und Überwachungsfunktionen der Fertigungsleitebene besser genutzt und die Arbeitsabläufe für Auftragsvorbereitung und -bearbeitung erheblich gestrafft werden.