Interview mit Dr. Karl-Dietrich Imkamp, VDMA GMS-Spezifikation verabschiedet: Vernetzung von Messsystemen vor dem Durchbruch

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Plug-and-play in der Messtechnik kommt näher: Mit dem Kommunikationsstandard OPC UA ist es bereits heute möglich, geometrische Messsysteme im Maschinen- und Anlagenbau zu vernetzen.

Technischer Fortschritt in der Messtechnik ist zunehmend mit Daten verbunden. Damit der Datenaustausch zwischen verschiedenen Maschinen funktioniert, sind standardisierte Kommunikationswege notwendig. Im Maschinenbau kommunizieren immer mehr Maschinen und Anlagen über den Kommunikationsstandard OPC UA. Mit der Companion Specification for Geometric Measurement Systems (GMS) wurde jetzt ein wichtiger Schritt zur Interoperabilität in der Messtechnik gemacht. Mitgliedsunternehmen des VDMA haben die Entwicklung der Schnittstelle in enorm kurzer Zeit zur Industriereife gebracht.

Dr. Karl-Dietrich Imkamp, Vorsitzender der OPC-UA-Arbeitsgruppe Geometrische Messsysteme beim VDMA und Leiter der Metrological Qualification bei Zeiss IQS (Industrial Quality Solutions), erläutert im Gespräch, was die Schnittstelle in der digitalen Datenkommunikation verbessert und was der Grund für sein großes Engagement bei der Standardisierung der Messtechnik ist.

Dr. Imkamp, Geometrische Messsysteme sind im Maschinen- und Anlagenbau eine Voraussetzung, um Bauteile und Komponenten innerhalb definierter Toleranzen zu fertigen. Auch wenn es bei der Übertragung von Daten aus der Konstruktion in Form von CAD-Daten mit Toleranzen große Fortschritte gab, werden andere Daten bisher oft manuell übertragen. Was ermöglicht die OPC-UA-Schnittstelle zu geometrischen Messsystemen?

Wir haben in der VDMA-Arbeitsgruppe speziell das Feld der geometrischen Messsysteme betrachtet. Das Spektrum der Geräte reicht vom Messschieber über Vielstellen-, Form- und Oberflächenmessgeräte bis zu Koordinatenmesssystemen. Diese Geräte stehen in der Produktion häufig im Bereich von Bearbeitungsmaschinen. In diesem Umfeld haben wir fünf Anwendungsbereiche (Use Cases) betrachtet: Bereitstellung statischer und dynamische Maschinendaten, Teile- und Auftragsdatenmanagement sowie die Bereitstellung von Messergebnissen.

Wann wird der Kommunikationsstandard OPC UA die erforderliche Akzeptanz finden?

Nur wenn gleichartige Vorgänge – Beispiele sind der Systemzustand oder ein Beladevorgang – auf verschiedenen Systemen wie Bearbeitungsmaschinen und Messsystemen, gleichartig im Standard abgebildet werden, kann effizient implementiert werden. Mit Blick auf OPC UA wird das durch aufeinander aufbauende Standards erreicht. Die Spezifikation für Cutting Tools, also Zerspanungswerkzeuge, wird auf der Spezifikation für geometrische Messsysteme aufbauen.

Die Spezifikation von OPC-UA für geometrische Messsysteme basiert wiederum auf der Spezifikation für Werkzeugmaschinen. Daher erfordert die Implementierung des Standards für ein System auch die genaue Kenntnis der Definitionen für die umgebenden Systeme. Damit wird auch gewährleistet, dass Systeme nahtlos integriert werden können. Das hat einen entscheidenden Einfluss auf die Akzeptanz.

Wie ist der Stand der Entwicklung der Schnittstelle OPC UA für geometrische Messsysteme?

Wir sind 2019 gestartet und freuen uns, dass nach der Präsentation des Entwurfs 2022 jetzt die finale Version veröffentlicht wird. Wir werden, wie bei der Präsentation im vergangenen Jahr, die Messe Control im Mai in Stuttgart zur Vorstellung nutzen. Ich hoffe, dass dort noch mehr Systeme mit dem überarbeiteten umati-Dashboard auf umati.app im Internet verknüpft werden, um die Potenziale zur Integration aufzuzeigen. Das Release der OPC UA Companion Specification für geometrische Messsysteme, kurz GMS, ist somit bereits drei Jahre nach Arbeitsbeginn verabschiedet und veröffentlicht. Damit ist die selbst gestellte Aufgabe der Arbeitsgruppe erfüllt. Wir warten die Resonanz auf die Veröffentlichung ab, um zu sehen, ob Korrekturen notwendig sind.

Wenn die endgültige Version erscheint, ist die Freude groß. Bis dahin hat es wahrscheinlich viel Zeit und Energie gekostet?

Die Vorarbeiten sind aufwendig. Sie müssen finanziert werden. Jemand muss die Dokumente erstellen. Dazu muss man die Formate kennen. Dann wird nicht nur ein Stück Papier beschrieben, sondern das Dokument wird in maschinenlesbarer Form veröffentlicht. Das ist eine XML-Datei, die die gesamte Datenstruktur enthält. Die OPC-UA Foundation verlangt nicht nur, dass der Standard geschrieben wird, sondern auch, dass ein Prototyp vorgelegt wird.

Dieser wurde in unserem Fall vom Institut für Steuerungstechnik und Werkzeugmaschinen (ISW) der Universität Stuttgart als Simulation eines Messsystems realisiert und auf dem umati-Dashboard visualisiert. Damit werden wir die Arbeit auf der Control in großem Umfang präsentieren.

Bei der Initiative zur Standardisierung setzen Sie auf die Unterstützung durch den VDMA. Wie sieht Ihr Fazit der Zusammenarbeit aus?

Die Zusammenarbeit mit dem VDMA hat sich bewährt. Die wesentlichen Hersteller sind im VDMA vertreten und können deshalb am Zustandekommen des Standards mitwirken. Dadurch ergibt sich sehr schnell eine konstruktive Zusammenarbeit. Die Längenmesstechnik im VDMA hat die Finanzierung organisiert sowie die Zusammenarbeit mit der OPC-Foundation gesteuert. Diese Arbeit ist auch wichtig für den Standort Deutschland, um wettbewerbsfähig zu bleiben.

Wir hätten uns trotzdem mehr internationale Beteiligung gewünscht. Grundsätzlich sind aber alle Vertreter in der Arbeitsgruppe auch global unterwegs. Es hat sich eine effiziente Zusammenarbeit ergeben. Das kann man auch an der Schnelligkeit bei der Entwicklung des Standards erkennen. Innerhalb von drei Jahren ist er fertig und auf die Straße gebracht worden. Das schaffen viele Standardisierungsorganisationen nicht. Natürlich ist das nicht die Lösung für alle Probleme, aber es hat sich bewährt. Bei der Entwicklung der Werkzeuge für OPC UA Cutting wird es meiner Ansicht nach fortsetzbar sein.

Damit ist der erste Entwicklungsabschnitt für geometrische Messsysteme beendet?

Das kann man so sagen. Es ist jetzt dokumentiert, welche Use Cases wir abdecken wollen. Es geht im Wesentlichen um Informationen über den Gerätezustand, also was das Gerät gerade macht und alle Informationen, die die Einsatzfähigkeit beschreiben. Weiterhin können durch das Teile- und Auftragsdatenmanagement Automatisierungen unterstützt werden. Hier besteht noch weiterer Entwicklungsbedarf, um die Automatisierung über OPC UA zu steuern. Schließlich liefert die Bereitstellung der Messergebnisse die Basis für den Closed Loop.

Es handelt sich hauptsächlich um den Blick auf den aktuellen Zustand des Messsystems?

Im Unterschied zu anderen Spezifikationen steuern wir den Messablauf nicht. Wir informieren darüber, welcher Messvorgang aktuell stattfindet, aber wir geben dem Messsystem keine Befehle zur Bewegung und Messpunktaufnahme. Das ist nicht Teil der Spezifikation. Dafür eignet sich die I++-DME-Schnittstelle, die in einem anderen Teil dieser Serie behandelt wird.

Das Wissen um den Systemzustand der Messmaschine ist der Ausgangspunkt. Dann folgt die Frage danach, was die Maschine denn erfahren hat durch die Messung?

Es gibt einen weiteren Use Case in der Companion Specification. Da geht es um die Messergebnisse. Wir müssen den Zugriff auf die Messresultate vereinheitlichen, aber wir wollen kein neues Format für Messergebnisse entwickeln. Deshalb informieren wir darüber, dass es Messergebnisse gibt, und wir informieren auch darüber, wo die Messergebnisse zu finden sind, aber wir geben – mit einer Ausnahme – keine einzelnen Messergebnisse aus. Das haben wir nicht als unsere Aufgabe angesehen.

Genügt den Anwendern die formelle Information, dass Daten vorhanden sind?

Wir haben in einem kleinen Umfang vorgesehen, Messergebnisse zur Realisierung sogenannter Closed-Loop-Implementierungen auszugeben. Das bedeutet, wenn direkt aus dem Messgerät eine Bearbeitung gesteuert werden muss. Dann können wir in begrenztem Umfang Informationen, die zur Korrektur gebraucht werden, weitervermitteln. Wie eine Korrektur zu behandeln ist, das legt allerdings die Bearbeitungsmaschine fest und nicht die Messmaschine.

Daraus resultiert das häufige Missverständnis, dass von der Messmaschine ein Korrekturwert erwartet wird. Zwar haben wir es Correction Value genannt, weil der Wert die Basis für eine Korrektur darstellt. Es ist aber nur die Bereitstellung der Informationen für die Korrektur an sich, die wiederum die Bearbeitungsmaschine ausführen muss.

Was leistet die Schnittstelle zu OPC UA?

Mit dieser Schnittstelle wird es möglich sein, dass jedes Gerät mindestens seine Grundinformationen zur Verfügung stellt. Das Gerät teilt beispielsweise mit, dass es sich um ein Koordinatenmessgerät handelt, das mit einer bestimmten Sensorik arbeitet und ein bestimmtes Messvolumen hat. Ich vermute, dass die Bereitstellung von Informationen dieser Art in den nächsten Jahren zum Standard wird. Jedes Messgerät hängt heute mindestens an einem firmeninternen Netzwerk und kann in dem Netzwerk Informationen zur Verfügung stellen. Darauf aufbauend kann man dann auch kundenspezifische Erweiterungen mit OPC UA erstellen. Bereits heute gibt es Messgeräte, die über OPC UA in einer digitalen Produktion kommunizieren. Aber sie kommunizieren nicht nach einem Standard.

Was ist die Perspektive?

Wenn man diese Standardisierung fortführt und die Informationen einheitlich ablegt, dann wird man hoffentlich einen Status erreichen, der Plug-and-Play erlaubt. Dann kann sich das Koordinatenmesssystem automatisch in die digitale Produktion integrieren. Mit bestimmten Grundinformationen, die zum verpflichtenden Umfang der Companion Specification gehören, geht es voraussichtlich heute schon. Darauf aufbauend kann man sich vorstellen, dass man über ein Messgerät, ohne es konfigurieren zu müssen, sehr viele Informationen erhält und diese für weitere Anwendungen nutzen kann. Somit kann das Messsystem in kurzer Zeit produktiv arbeiten und kontinuierlich optimiert werden.

Weiterhin ergibt sich für den Provider der OPC-UA-Implementierung das Potenzial, Standardmodule zu entwickeln, die wiederverwendbar und fortlaufend erweiterbar sind. Damit wird sich der Ausbau und die Erweiterung der Use Cases für OPC UA beschleunigen.

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