Edge Computing ermöglicht die intelligente Digitalisierung von CNC-Maschinen

Edge-Geräte verbessern intelligente CNC-Maschinen, ohne den Steuerungsbetrieb zu beeinträchtigen, und sorgen so für Maschinenleistung und Produktivität.

Ein intelligentes Edge-Computing-Gerät für CNC-Maschinen ist ein robuster Industrie-PC, der für den Betrieb in Industrie-/Fertigungsumgebungen entwickelt wurde. Die Edge-Device-Software konsumiert Daten von Maschinen in der Fertigung, verarbeitet diese Daten und liefert wertvolle Erkenntnisse oder Informationen direkt zurück an die Maschine, übergeordnete Systeme, Server oder Data Lakes. „Denn Edge-Computing-Geräte sind von der eigentlichen Maschine getrennt.“ Mithilfe des Controllers können diese Geräte im laufenden Betrieb verwaltet und aktualisiert werden, ohne dass die Maschine unbedingt aus der Produktion genommen werden muss, was sich auf die Produktivität auswirken würde. Es ermöglicht Benutzern, neue Anwendungsfälle anzugehen, ohne die Maschinenleistung zu beeinträchtigen“, sagte Gus Gremillion, Lösungsberater bei Siemens.

Die primären Verbindungen auf einem Edge-Gerät nutzen standardmäßiges Industrial Ethernet für die Kommunikation mit den sogenannten Southbound- und Northbound-Verbindungen (Abbildung 1). Die Südverbindung bindet das Edge-Gerät über einen Switch an die Maschine. Die Verbindung nach Norden – ebenfalls über einen Switch – ermöglicht es Benutzern, Daten vom Edge-Computing-Gerät zu sammeln und mit ihm zu interagieren.

Durch die Ausführung erweiterter Anwendungen auf dem Edge-Computing-Gerät wird die Rechenlast der CNC-Steuerung erheblich reduziert. Beispielsweise erfordert die Kollisionsvermeidung einen erheblichen Rechenaufwand. „Wenn unsere Edge-Geräte verwendet werden, führt dies aus rechnerischer Sicht zu einer sehr geringen zusätzlichen Belastung der CNC“, erklärt Gremillion. „Dadurch eignen sich [Edge-Geräte] gut für bestehende Maschinen in der Werkstatt.“ „Ein Edge-Gerät belastet die CPU der Maschine weniger als fünf Prozent“, fuhr Gremillion fort. Er sagte, dass einige Benutzer befürchten, dass der Einbau von Edge-Geräten in ihre vorhandenen Maschinen die Leistung oder das Verhalten der Maschine beeinträchtigen würde. „Diese [Bedenken] können wir zerstreuen, weil wir die CNC nicht so stark belasten; Die gesamte Berechnung wird auf dem Edge-Gerät durchgeführt.“

Eine laufende CNC erzeugt „Vorschau“-Werte für den Weg der Maschine in der nahen Zukunft, die das Edge-Gerät erfassen kann. Vorausschauende Werte erleichtern die Kollisionsvermeidung, indem sie den Echtzeitbetrieb mit einem 3D-Modell des Maschinenraums – einschließlich der Vorrichtung und des Werkstücks – vergleichen, das auf das Edge-Gerät geladen ist. „Das Edge-Gerät prüft immer, wo sich die Maschine in 800 befinden wird.“ Millisekunden beim Laufen oder sogar Joggen der Maschine“, erklärte Gremillion. „Wenn die Maschine gegen das Werkstück, die Vorrichtung oder den Tisch stößt, löst das Kantengerät einen Not-Aus-Schalter an der Maschine aus, bevor die Maschine tatsächlich zusammenstößt.“ „Denn Kollisionsvermeidung läuft an der Kante.“ „Mit dem Gerät“, fuhr Gremillion fort, „sind wir in der Lage, die Maschine, die Vorrichtung, das Teil und sogar das vom Teil entfernte Material zu modellieren.“ Anwender erhalten 3D-Simulation und Kollisionsvermeidung, da sie die genaue SINUMERIK-Maschinenraumkonfiguration im Handumdrehen sehen können.“ Der digitale Zwilling kann in das Edge-Gerät importiert werden. Dies trägt dazu bei, sowohl die Modellierung als auch die Kollisionsvermeidung zu beschleunigen. Typischerweise erstellen Maschinenbauer den digitalen Zwilling, weil sie ihre Maschinen kennen; Sie verfügen über die 3D-CAD-Dateien ihrer Maschinen. Sie nutzen den digitalen Zwilling häufig zur Unterstützung der Inbetriebnahme und des Engineerings ihrer Maschinen. Anschließend können sie die Modelldatei auf das Edge-Gerät exportieren.

Kantengeräte können den Bearbeitungsprozess optimieren. Beispielsweise verfügt Siemens über eine Anwendung, die die Maschine überwacht und Rückmeldung an sie gibt, die auf der Grundlage historischer Daten anzeigt, ob der Prozess nominal ist. Wenn während des Bearbeitungsprozesses eine Anomalie wie ein Spitzenwert der Spindellast oder eine harte Stelle auftritt (Abbildung 2), kann die Rückmeldung an die Steuerung einen Vorschubstopp an der Maschine auslösen, eine Meldung oder einen Alarm an einen Bediener senden oder eine Unterroutine auslösen.

Edge-Geräte spielen eine Rolle bei der Analyse von Daten von CNC-Maschinen. „In Einrichtungen verhalten sich manche Maschinen anders, sie haben unterschiedliche ‚Persönlichkeiten‘“, sagte Gremillion. „Durch das Sammeln der Daten [von jeder Maschine] können Benutzer Maschine mit Maschine vergleichen, um Abweichungen zu identifizieren. Basierend auf diesen Daten können sie eine bestimmte Maschine neu abstimmen oder mechanische Komponenten austauschen, um ihre Leistung zu verbessern.“ Gremillion sagte, dass ein Benutzer manchmal eine Maschine als „Problemkind“ meldet. „Durch das Sammeln von Daten können Benutzer herausfinden, warum eine bestimmte Maschine ein Sorgenkind ist. Dadurch können sie Vergleiche anstellen, um ihre Prozesse besser zu verstehen und sie dann zu optimieren“, sagte er.

„Mit Edge Computing können Benutzer eine Flottenüberwachung aller ihrer Maschinen durchführen“, erklärte Gremillion. „Bei jedem Lauf sammelt das Edge-Gerät Daten, die einen mechanischen Fingerabdruck der Maschine liefern, der Parameter wie statische und dynamische Reibungswerte, Spiel, Steifigkeit des Antriebsstrangs usw. liefert. Es ermöglicht Benutzern, einzelne Maschinen im Laufe der Zeit zu verfolgen, um ihren mechanischen Zustand zu verstehen und möglicherweise eine vorausschauende Wartung einzuleiten.“

Jack Smith ist leitender Redakteur für Automation.com und das InTech-Magazin von ISA. Er war mehr als 20 Jahre lang in der Industrie tätig – von der Stromerzeugung über Instrumentierung und Steuerung bis hin zur Automatisierung und von der elektronischen Kommunikation bis hin zu Computern – und ist seit mehr als 25 Jahren als Fachjournalist tätig.

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