Diodenlaser Lasersysteme nahtlos in die Smart Factory einbinden

Autor / Redakteur: Alexander Arndt / Mag. Victoria Sonnenberg

Unter den Vorzeichen fortschreitender Digitalisierung müssen auch Laser in Industrie-4.0-Architekturen integriert werden können. Eine effektive Möglichkeit dazu bietet die Ausrüstung mit OPC-UA-Schnittstellen.

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Bei der Produktion des AUDI A4 in Ingolstadt werden Seitenwandrahmen und Dach mittels Laserlötverfahren zur sogenannten Dachnullfuge verbunden.
Bei der Produktion des AUDI A4 in Ingolstadt werden Seitenwandrahmen und Dach mittels Laserlötverfahren zur sogenannten Dachnullfuge verbunden.
(Bild: AUDI AG)

Die digitale Transformation hat mittlerweile auch das Feld der Industrielaser erfasst. In der vielzitierten Smart Factory, in der alle Prozessteilnehmer untereinander vernetzt sind und in permanentem Informationsaustausch stehen, dürfen auch sie nicht außen vor sein.

Sie müssen mit anderen Maschinen und Geräten, mit Verwaltungs- und Steuerungssystemen sowie nicht zuletzt mit den Servicetechnikern kommunizieren, um einen wirksamen Beitrag zum effizienz- und kostenoptimierten Industrie-4.0-Prozess zu leisten. Das gilt nicht allein in den vollautomatisierten Produktionsstraßen der Automobil- oder Halbleiterindustrie, wo die Digitalisierung nurmehr eine Vertiefung der Prozessautomatisierung darstellt. Es gilt genauso für kleine und mittelständische Lohnfertiger, die oft nur wenige Laser im Einsatz haben, diese aber wie die Großindustrie aus Verfahrens- und Kostengründen digital überwachen und steuern wollen. Hier wie dort müssen sich Industrielaser nahtlos in den digitalisierten Ablauf integrieren lassen und dem Anwender so die Möglichkeit geben, auch beim Lasereinsatz von der vierten industriellen Revolution zu profitieren. Diese technologische Anforderung ist durchaus existenziell. Denn es zeichnet sich inzwischen immer deutlicher ab, dass nur jene Industrielaser eine Zukunft haben werden, die mit digitalisierten Prozessen kompatibel sind.

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Kernaufgabe ist die IP-basierte M2M-Kommunikation

Die führenden Industrielaserhersteller sind denn auch schon seit einiger Zeit bestrebt, ihre Lasersysteme entsprechend anzupassen und so auf den Einsatz in der intelligenten Fabrik vorzubereiten. Kernaufgabe dabei ist, eine IP-basierte M2M-Kommunikation (Machine-to-Machine), also einen automatischen Informationsaustausch zwischen Lasersystem und anderen Maschinen beziehungsweise Steuerungseinheiten, auf Grundlage des Internetprotokolls möglich zu machen.

Dafür müssen im Wesentlichen drei Voraussetzungen erfüllt sein:

  • Erstens müssen IP-fähige inhaltliche Beschreibungen der Maschinendaten des Lasers realisiert werden, die ihrerseits maschinenlesbar sind, also von anderen Maschinen beziehungsweise Steuerungen verarbeitet werden können.
  • Diese semantischen Beschreibungen müssen dann zweitens ohne Gefahr für die Prozessstabilität mit den übrigen Maschinen und Steuerungssystemen ausgetauscht werden können, es sollten also weder verarbeitungsbedingte Latenzen noch ernste Datensicherheitsrisiken gegeben sein.
  • Und drittens sollte dieser Datenaustausch nicht dadurch beeinträchtigt werden, dass bei den beteiligten Maschinen und Steuerungseinheiten – die fast immer von unterschiedlichen Herstellern stammen – gewöhnlich verschiedene Betriebssysteme und Programmiersprachen eingesetzt wurden. Es sollte also ein inhaltlich zuverlässiger, IT-sicherer sowie betriebssystem- und programmiersprachenübergreifender Datenaustausch möglich sein.

In der Praxis sind zur Lösung dieser Kernaufgabe grundsätzlich mehrere Wege denkbar. Als einer der effektivsten Ansätze hat sich in der Industrie jedoch mittlerweile die Nutzung des plattformunabhängigen Datenaustauschstandards OPC UA (Open Platform Communication Unified Architecture) herauskristallisiert. Der OPC UA Standard ist eine Sammlung offener Protokollstandards, die sowohl eine maschinenlesbare semantische Beschreibung von Maschinendaten als auch einen sicheren Informationsaustausch ermöglichen und über alle gängigen Betriebssysteme und Programmiersprachen hinweg eingesetzt werden können. Integrierte Sicherheitsmechanismen, die mit dem Protokoll ausgeliefert werden, unterstützen eine gezielte Verschlüsselung und Zugriffskontrolle, sodass sich unautorisierte Zugriffe ausschließen lassen. OPC UA ist zudem in hohem Maße skalierbar, was diesen Standard für Anwendungen fast jeder Größenordnung qualifiziert – das Einsatzfeld reicht von Embedded Controllern bis zu kompletten Cloud-Infrastrukturen. In einer mittelständischen Lohnfertigung kann er somit ebenso sinnvoll genutzt werden wie in großindustriellen Produktionsanlagen.

Aufgrund dieser Vorteile sowie der weiten Verbreitung ist die Nutzung von OPC UA dann auch ein erfolgversprechender Ansatz, um Lasersysteme „smart-Factory ready“ zu machen. Diesen Weg beschreitet beispielsweise der Diodenlaserhersteller Laserline, der die aktuelle Generation seiner LDF-Hochleistungsdiodenlaser auf Wunsch mit OPC-UA-Schnittstellen ausliefert und für ältere Systeme dieses langlebigen Lasertyps eine Retrofit-Nachrüstung anbietet. Über diese Schnittstellenlösung, die in naher Zukunft auch für die kompakten 19‘‘-Einschubsysteme der Laserline-LDM-Serie verfügbar sein wird, lassen sich die Diodenlaser nahtlos in jede Industrie-4.0-Prozessarchitektur integrieren, die auf dem OPC-UA-Standard basiert.

Solche Architekturen finden sich beispielsweise sehr oft in den Fertigungslinien der Automobilindustrie und Automobilzulieferer, in denen Diodenlaser für Anwendungen wie Schweißen, Löten, Härten oder Beschichten eingesetzt werden. Tatsächlich wird die OPC-UA-Einbindung der Laserline-Diodenlasersysteme schon heute praktisch umgesetzt und im Produktivbetrieb im Automobilsektor genutzt, unter anderem im Karosseriebau der AUDI AG in Neckarsulm. Diese Einbindung ist aber genauso gut in jedem anderen Produktionsumfeld denkbar, in dem mit OPC UA gearbeitet wird. Pilotanwendungen für die LDM-Serie laufen bereits erfolgreich in der Lohnfertigung.

Lasersystem als geschlossene Komponente betrachten

Bei der OPC-UA-basierten Einbindung in eine Industrie-4.0-Prozessarchitektur wird das Lasersystem grundsätzlich als eine in sich geschlossene Komponente betrachtet, inklusive aller zugehörigen Subsysteme, wie etwa Steuerung, Optik oder Kühlaggregate. Die OPC-UA-Schnittstellen dienen dann zum unidirektionalen Auslesen von Laser- und Sensorwerten. Art und Anzahl der jeweils auslesbaren Werte hängen von der individuellen Systemausstattung ab; Daten, die ausgelesen werden, sind zum Beispiel: Laserleistung, Betriebstemperatur, Kühlmitteldurchfluss, Taupunktreserven und Luftfeuchtigkeit. Insgesamt sind bei den ab Werk OPC-UA-kompatiblen Lasern mehr als 300 Werte verfügbar, bei Lasern mit Retrofit-Lösung mehr als 150. Die aktuell ausgelesenen Variablen werden jeweils mit begleitenden Informationen bereitgestellt, wie eindeutiger Note-ID, Klartextbezeichnung, Zeitstempel und Statusmeldung. Die Werte können dadurch eindeutig identifiziert und lokal wie chronologisch zugeordnet werden, durch die Statusmeldung wird zudem sofort bekannt, ob sie möglicherweise kritisch sind.

Der sichere Betrieb der OPC-UA-Schnittstelle wird über eine verschlüsselte Verbindung gewährleistet, die zugleich zur sicheren Authentifizierung der Strahlquelle im Netzwerk dient. Als Nachrichtenverschlüsselungsalgorithmus wird darüber hinaus Basic256Sha256 verwendet und unterstützt. Sowohl das Lasersystem (als OPC UA Server) als auch die auslesende Einheit (als OPC UA Client) müssen sich dann gegenseitig über ein „Public-Key“-Verfahren unter Verwendung von Zertifikaten authentifizieren.

Die via OPC-UA-Schnittstelle gewonnenen Daten lassen sich vom Anwender grundsätzlich für Analysen unterschiedlichster Ausprägung nutzen. Sofort greifbar werden die Vorteile aber beispielsweise im Wartungsbereich. Hier sorgt der Datenzugriff für eine signifikant erhöhte Transparenz, die effektivere Wartungsstrategien ermöglicht. Wurden in der Vergangenheit periodische Wartungen vorgenommen, die sich meist an Systemalter oder Betriebsstunden orientierten, so lässt sich künftig anhand echtzeitbasierter Daten und Statusmeldungen und mithilfe Künstlicher Intelligenz (KI) eine vorausschauende beziehungsweise zustandsbedingte Wartung umsetzen. Bei dieser Wartungsstrategie wird der Laser nur noch dann gewartet, wenn es sein aktueller Zustand erforderlich macht beziehungsweise wenn anhand der Daten absehbar ist, dass in naher Zukunft ein kritischer Zustand erreicht wird.

Dieser Ansatz macht zielgerichtete und kostengünstige Instandhaltungsmaßnahmen möglich, die unvorhergesehene Betriebsunterbrechungen konsequent verhindern und so einen wesentlichen Beitrag zur Prozessoptimierung leisten. Darüber hinaus lässt sich eine automatisierte Servicekoordination realisieren. Ist der Servicedienstleister mit dem Anwender vernetzt, erhält er bei Wartungsbedarf einen automatischen Hinweis – und eventuell auch schon einen Wartungstermin.

Mittel- und langfristige Datenanalysen bestimmen

Insgesamt reicht der Wert der OPC-UA-Schnittstellen aber weit über den Wartungsbereich hinaus. So können Anwender die ausge­lesenen Maschinendaten auch an vielen anderen Stellen zur Prozessoptimierung nutzen und beispielsweise anhand mittel- und langfristiger Datenanalysen zur Temperatur-, Leistungs- und Feuchtigkeitsentwicklung ideale Betriebszeiträume des Lasers ermitteln. Auch kritische Systemstörungen – wie etwa durch einsatzbedingte Faserbrüche oder gelöste Faserkopplungen – lassen sich leichter erkennen und gegebenenfalls mit sofortiger Systemabschaltung beantworten. Auf jeden Fall aber ist mit der Verfügbarkeit von OPC-UA-Schnittstellen eine entscheidende Voraussetzung für die Einbindung der Lasersysteme in Industrie-4.0-Prozessarchitekturen geschaffen – unabhängig von der Branche, den Dimensionen des Produktionsprozesses oder der konkreten Anwendung. Das ist nicht zuletzt ein wichtiger Beitrag zum Investitionsschutz, da der Anwender sicher sein kann, sein Diodenlasersystem auch unter den Vorzeichen der Digitalisierung bis zum Ende seines Lebenszyklus betreiben zu können. Vor allem aber sichert die Industrie-4.0-Kompatibilität die industrielle Verfügbarkeit der auf vielen Gebieten bewährten Diodenlasertechnik. Denn in Abwandlung eines Zitats von Bill Gates lässt sich heute sicher sagen, dass es in nicht allzu ferner Zukunft nur noch zwei Sorten von Industrielasern geben wird: diejenigen, die Industrie- 4.0-kompatibel sind – und diejenigen, die es nicht mehr gibt.

* Dr. Alexander Arndt ist Manager Digitalization and Process Design and Management Assistant bei der Laserline GmbH in 56218 Mülheim-Kärlich, Tel. (0 26 30) 96 44 00-0, info@laserline.com

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