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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Client-Vorrichtung zur Erfassung und Vorverarbeitung von prozessbezogenen Massendaten von mindestens einer CNC-Maschine (Computer Numerical Control) oder einem Industrieroboter sowie zum Senden der prozessbezogenen Massendaten an mindestens einen Datenempfänger, insbesondere an eine Cloud-Plattform, zur Datenanalyse durch Software-Anwendungen, die darauf ausgeführt/ablaufen gelassen werden.
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Mit Big-Data-Analytik wird allgemein der Prozess zum Sammeln, Organisieren und Analysieren großer Mengen von Daten zum Entdecken von Mustern und anderer nützlicher Informationen bezeichnet. Entlang dieser Linie kann Big-Data-Analytik beim besseren Verständnis der Informationen helfen, die innerhalb der Daten enthalten sind, und kann auch dabei helfen, die Daten zu identifizieren, die für das Geschäft und zukünftige Geschäftsentscheidungen am wichtigsten sind.
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In diesem Zusammenhang ist die große Menge an prozessbezogenen Daten, die durch industrielle Fertigungssysteme, z. B. durch eine CNC-Maschine, insbesondere durch ihre Steuereinrichtung, ihre elektrischen Antriebe und die in der Maschine eingebetteten Messvorrichtungen, erzeugt werden, zur Anwendung eines breiten Spektrums von Analytik auf Fertigungssystem und -prozesse prädestiniert. Die Bewertung, Analyse und Messung dieser Daten unter Verwendung zweckmäßiger Software-Anwendungen können die Diagnose der Werkstückqualität, der Prozessqualität oder des Produktivitätspotenzials des Fertigungsprozesses ermöglichen. Zum Beispiel kann die Angabe und Bewertung der Beziehungen zwischen Prozessvariablen, die ständig überwacht werden, wie beispielsweise Laserleistung und Vorschubgeschwindigkeit oder Werkzeugdrehzahl und Vorschubgeschwindigkeit einer CNC-Maschine, die Ableitung von Schlussfolgerungen über die Prozessqualität, Fertigungstoleranzen usw. ermöglichen. Auf ähnliche Weise kann die Analyse der Werkzeugwege eine Aussage bezüglich der Qualität des Werkstückes ermöglichen. Um die Analyse so genau und aussagekräftig wie möglich zu machen, erfordern viele dieser Anwendungen eine große Menge an Echtzeitdaten, die vorzugsweise das/den Fertigungssystem oder -prozess, das/der so detailliert wie möglich zu analysieren ist, vollständig kennzeichnen.
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Bislang ist der Zugriff auf diese industriellen Daten typischerweise lediglich auf eine beschränkte Datenmenge begrenzt, die das Anwenden einer ausgefeilten Anwendung, wie vorhergehend beschrieben, nicht ermöglicht. Darüber hinaus ist der Datenzugriff häufig auf Anwendungen und Vorrichtungen beschränkt, die lediglich ein gemeinsames Netzwerk mit den industriellen Steuereinrichtungen gemeinsam verwenden, die die Daten erzeugen. Der Hauptgrund für diese Einschränkungen liegt in der Beschaffenheit der meisten industriellen Fertigungssysteme selbst, z. B. CNC-Maschinen oder Industrieroboter, die durch sogenannte eingebettete Systeme gesteuert werden. Eingebettete Systeme sind Rechnersysteme mit einer dedizierten Funktion, die in einer großen Anzahl von Anwendungssegmenten, zum Beispiel Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie, Energieerzeugung und -übertragung und in der verfahrenstechnischen Industrie, verwendet werden. In allen diesen Segmenten bestehen die Hauptaufgaben des eingebetteten Systems in der Steuerung von Echtzeitprozessen. Um diese Steuerungsaufgabe auszuführen, lesen eingebettete Systeme Daten aus dem laufenden Prozess und vergleichen mit hoher Häufigkeit den Unterschied zwischen den gesteuerten und den tatsächlichen Daten. Wenn der Unterschied größer ist als definiert, berechnet das System einen neuen Befehl/gewünschten Wert, um den Prozess in dem definierten Zustand zu halten.
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Im Gegensatz dazu sind die Anforderungen von Datenanalytik im Zusammenhang mit Big Data im Vergleich zur Prozesssteuerung komplett verschieden. Insbesondere erfordern Big-Data-Anwendungen in Abhängigkeit von der Analyseanwendung das Aufzeichnen von Massendaten aus dem laufenden Prozess. Diese Massendaten müssen durch eine große und leistungsfähige Datenbank verwaltet werden. Dazu erfordert Big Data allgemein außergewöhnliche Technologien und hohe Rechenressourcen, um diese großen Datenmengen innerhalb von annehmbaren verstrichenen Zeiten effizient zu verarbeiten. Aus diesem Grund werden die meisten Big-Data-Anwendungen auf so genannten Cloud-Rechenplattformen ausgeführt, auf die die Massendaten zur Hochleistungsanalyse übertragen werden. Davon abgesehen ermöglichen Cloud-Plattformen gleichzeitigen Datenzugriff für mehrere Benutzer sowie für mehrere Anwendungen.
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In der Tat weisen die heutigen eingebetteten Systeme eine Anzahl von Defiziten auf, was die Verwendung zur Massendatenaufzeichnung zur Durchführung von Datenanalytikanwendungen im Zusammenhang mit Big Data betrifft. Die gegenwärtigen eingebetteten Systeme bieten keine ausreichenden Rechenressourcen zur zusätzlichen Aufzeichnung der Menge an Massendaten, die für die meisten Big-Data-Anwendungen erforderlich sind. Insbesondere ist die Rechenleistung, Speicherkapazität und Kommunikationsbandbreite von eingebetteten Systemen auf die eigentliche Steuerungsaufgabe beschränkt. Wenn von dem eingebetteten System erwartet wird, zusätzlich große Mengen an Daten zu lesen und aufzuzeichnen, verliert das System die Fähigkeit zur deterministischen Prozesssteuerung. Erstens würde der Prozessor durch das Lesen und Aufzeichnen von Massendaten überlastet; zweitens würde der lokale Speicher nicht ausreichen und schließlich ist die Kommunikationsbandbreite des Systems nicht leistungsfähig genug, um die Massendaten an einen Datenempfänger, z. B. eine Cloud-Plattform, über das Internet zu übertragen.
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Davon abgesehen sind beide Systeme, die eingebetteten Systeme einerseits und die Cloud-Rechenplattformen andererseits, vollkommen unterschiedliche IT-Systeme, die historisch völlig unabhängig voneinander jeweils auf der Grundlage ihrer eigenen Verfahren und Prozesse entwickelt wurden. Eingebettete Systeme sind darauf ausgelegt, Prozesse zu steuern, und nicht, um Massendaten zur Big-Data-Analyse bereitzustellen. Ferner sind eingebettete Systeme wie auch die meisten ihrer Schnittstellen von ihrer Beschaffenheit her immer noch proprietär. Eine Kommunikation mit einem Datenempfänger auf einer Ebene, wie sie die meisten Big-Data-Anwendungen erfordern, ist ohne irgendeine Brückentechnologie technisch nicht machbar.
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Insbesondere unterliegen beide Systeme unterschiedlichen Zeitordnungen. Eingebettete Systeme, die zur Steuerung von Aufgaben verwendet werden, unterliegen hartem Echtzeitrechnen, das die Gewährleistung einer strikten Reaktion innerhalb spezifizierter Zeitgrenzen, typischerweise in einer zeitlichen Größenordnung von einigen wenigen Millisekunden bis hinunter zum Millisekundenbereich, erfordert. Im Gegensatz dazu gehören Cloud-Rechenplattformen der Ordnung der Nicht-Echtzeit-Netzwerkkommunikationen an, die durch einen wiederholten Transfer von Datenpaketen gekennzeichnet ist. Daher sind die meisten eingebetteten Systeme, die in internen Werksnetzwerken integriert sind, nicht in der Lage, über das Internet zu kommunizieren, da ihre Kommunikationsinfrastruktur nur für die interne Kommunikation eingerichtet ist.
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Darüber hinaus sind die Sicherheitsanforderungen und Sicherheitsmittel von eingebetteten Systemen und Cloud-Plattformsystemen sehr unterschiedlich. Insbesondere gewinnt die Cybersicherheit in der Industrie eine viel höhere Priorität. Es sei erwähnt, dass bei der Betrachtung der Verfahren und Prozesse zur Umsetzung von Cybersicherheit in Rechensystemen die meisten Cybersicherheitsprozesse nicht in eingebetteten Systemen umgesetzt werden können, da das Verhalten der Sicherheitsprozesse die Integrität der eingebetteten Systeme beeinträchtigen wird. Darüber hinaus mangelt es den meisten eingebetteten Systemen an Aktualisierbarkeit, d. h. an der Fähigkeit, aktualisiert zu werden, was im Widerspruch zu jedem vernünftigen Cybersicherheitskonzept steht.
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Davon abgesehen erfordern viele Anwendungen zur Analyse industrieller Fertigungssysteme, z. B. Anwendungen für Prozess- und Produktivitätsanalytik von CNC-Maschinen, mehr Daten als die Steuereinrichtung der CNC-Maschine bereitzustellen in der Lage ist. Zum Beispiel kann für die Big-Data-Anwendung die Berechnung der durchschnittlichen Produktivität einer CNC-Fräsmaschine erwünscht sein, die indes nicht auf der Grundlage der Daten der heutigen Sensoren, auf die die CNC-Steuereinrichtung zugreifen kann, berechnet werden kann. Für diese spezifische Anwendung sind Daten über Fräskräfte erforderlich, um die verwendete Kapazität der Fräsmaschine zu bestimmen. Zur Steuerung einer Fräsmaschine in der heutigen Serienproduktion werden Fräskräfte indes weder gemessen noch durch die Steuereinrichtung der CNC-Maschine berücksichtigt.
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Aus diesen Gründen weisen die heutigen Steuereinrichtungen von CNC-Maschinen oder Industrierobotern aufgrund ihrer begrenzten Rechenressourcen lediglich eine begrenzte Kapazität zum Bereitstellen von prozessbezogenen Massendaten für einen Datenempfänger auf. Nach heutigem Stand spiegeln die Daten, die bereitgestellt werden können, lediglich ausgewählte Gesichtspunkte und begrenzte Zeitfolgen des Fertigungsprozesses, typischerweise in der Größenordnung von einigen Dutzend Sekunden, wider. Massendaten, die den gesamten Fertigungsprozess widerspiegeln, sind indes nicht verfügbar. Die nach heutigem Stand verfügbaren Lösungen versuchen, die Funktionen bestehender Steuereinrichtungen zu erweitern, um teilweise die Funktionen abzudecken, die durch cloud-basierte Big-Data-Anwendungen benötigt werden. Da diese Arten von Lösungen innerhalb ihrer Grenzen proprietäre Software und Hardware bleiben, weisen sie indes nicht das Potenzial zur Lösung der Aufgabe in einem breiteren Sinne auf.
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Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Lücke zwischen in hohem Maße proprietären industriellen Fertigungssystemen und Big-Data-Analysesystemen zu überbrücken. Insbesondere besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung im Bereitstellen einer Vorrichtung zur Erfassung und Vorverarbeitung von prozessbezogenen Massendaten für mindestens eine CNC-Maschine (Computer Numerical Control) oder einen Industrieroboter sowie zum Senden der prozessbezogenen Massendaten an mindestens einen Datenempfänger, insbesondere an eine Cloud-Plattform oder einen cloud-basierten Server, zur Datenanalyse durch Software-Anwendungen, die darauf ausgeführt werden.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Client-Vorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie durch ein System gemäß Anspruch 15 gelöst.
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Viele neue Vorschläge für die Datenanalyse von Fertigungsprozessen von CNC-Maschinen oder Industrierobotern, wie beispielsweise Anwendungen für Prozessqualität- oder Produktivitätsanalytik von CNC-Maschinen, stützen sich auf die Verfügbarkeit eines breiten Spektrums an prozessbezogenen Massendaten, die vorzugsweise den vollständigen Fertigungsprozess so detailliert wie möglich widerspiegeln und die typischerweise von verschiedenen Quellen des Fertigungssystems stammen. Einerseits müssen diese prozessbezogenen Massendaten harte Echtzeitdaten umfassen, da CNC-Maschinen und Industrieroboter sogenannte Echtzeitsysteme sind. Per Definition ermöglichen Echtzeitsysteme die Steuerung einer Umgebung durch Empfangen von Daten, ihre Verarbeitung und das Zurücksenden der Ergebnisse schnell genug, um die Umgebung zu einem Zeitpunkt zu beeinflussen, an dem es zwingend erforderlich ist, innerhalb einer strengen Frist auf ein Ereignis zu reagieren. Was eine CNC-Maschine betrifft, so können harte prozessbezogene Echtzeitdaten zum Beispiel Werkzeugwegparameter eines Verarbeitungswerkzeugs, z. B. eine gesteuerte und eine tatsächliche Position, Drehzahlen, Beschleunigungen, ruckartige Bewegungen, Drehmomente, Antriebskräfte, Antriebsströme, in Bezug auf eine spezifische lineare oder Drehantriebsachse der CNC-Maschine umfassen. Typischerweise sind diese harten Echtzeitdaten lediglich an einem spezifischen Zeitpunkt vorhanden und werden innerhalb der nächsten Schleife der Steuereinrichtung durch neue Werte ersetzt.
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Andererseits erfordern viele vorgeschlagene Analytikanwendungen auch Nicht-Echtzeitdaten, wie beispielsweise Programmcodes einer numerischen Steuerung (engl. Numeric Control – NC) und/oder NC-Programmkonfigurationsdaten, Maschinenkonfigurationsdaten, Antriebskonfigurationsdaten, Steuereinrichtungskonfigurationsdaten und Konfigurationsdaten von Verarbeitungswerkzeugen, insbesondere Bearbeitungsgeometrien und Bearbeitungseigenschaften, z. B. Materialentfernungseigenschaften.
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In dem ersten Fall stammen diese Echtzeit- und Nicht-Echtzeit-Prozessdaten typischerweise von der Steuereinrichtung der CNC-Maschine oder des Industrieroboters. Einige Daten können indes auch direkt von elektrischen Antrieben und Aktuatoren/Motoren der CNC-Maschine oder des Roboters oder von in der Maschine eingebetteten Messvorrichtungen empfangen werden.
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Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass es sein kann, dass die Rechenressourcen der heutigen industriellen Steuereinrichtungen zum Erfassen und Übertragen von prozessbezogenen Massendaten – wie vorhergehend beschrieben – normalerweise nicht durch die CNC-Maschine oder den Industrieroboter selbst bereitgestellt werden. Daher können für größere Datenvolumina und hohe Datenerfassungsraten diese Ressourcen lediglich durch ein separates/selbständiges autonomes System parallel zum eingebetteten System bereitgestellt werden, welches die Client-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ist, die die Fähigkeit zum direkten Aufzeichnen von prozessbezogenen Massendaten und zum Vorverarbeiten und Übertragen von Daten an einen Datenempfänger, z. B. einen Cloud-Server, bietet.
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Für diese Aufgabe umfasst die Client-Vorrichtung mindestens eine erste Datenkommunikationsschnittstelle mit mindestens einer Steuereinrichtung der CNC-Maschine oder des Industrieroboters zum ständigen Aufzeichnen harter prozessbezogener Echtzeitdaten über mindestens einen Echtzeit-Datenkanal und zum Aufzeichnen von prozessbezogenen Nicht-Echtzeitdaten über mindestens einen Nicht-Echtzeit-Datenkanal.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die erste Datenkommunikationsschnittstelle zur Datenkommunikation über einen Feldbus der CNC-Maschine oder des Industrieroboters, z. B. über Profinet, EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology), CAN (Controller Area Network), SERCOS (SErial Realtime COmmunication System), konfiguriert. Über diese standardisierten Feldbusse kommunizieren Steuereinrichtungen von CNC-Maschinen oder Robotern typischerweise mit elektrischen Linear- und Drehantrieben, in Maschinen eingebetteten Messvorrichtungen, Aktoren und anderen Peripherievorrichtungen innerhalb der Maschine oder sogar mit anderen Maschinen. Aus diesem Grund können die Feldbusse auch durch die Client-Vorrichtung nicht nur als Schnittstelle zur Steuereinrichtung selbst sondern auch als direkte Datenschnittstelle mit den elektrischen Antrieben und Motoren und in der Maschine eingebetteten Messvorrichtungen verwendet werden. Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung kann der Feldbus mindestens den Echtzeit-Datenkanal umfassen.
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Ferner wurde erkannt, dass jede aussagekräftige Datenanalyse von prozessbezogenen Massendaten sich strikt auf Rohdaten stützt, die richtig kontextualisiert oder referenziert/aufeinander abgebildet sind. Die Anforderung der Kontextualisierung/Abbildung beruht auf der Tatsache, dass die Rohdaten von verschiedenen Quellen innerhalb der CNC-Maschine sowie von externen Quellen, z. B. externen Sensoren usw., stammen. Darüber hinaus unterliegen die aufgezeichneten Rohdaten typischerweise unterschiedlichen Zeitordnungen, hauptsächlich Echtzeit- und Nicht-Echtzeitdaten. Ferner erzeugen innerhalb der Echtzeitdaten verschiedene Datenquellen, z. B. Positionsschleifen-Steuereinrichtungen, Interpolatoren und elektrische Antriebssteuereinrichtungen Echtzeitdaten mit unterschiedlichen Raten, z. B. unterschiedlichen Schleifenzeitniveaus. Um einen aussagekräftigen Einblick in die aufgezeichneten Massendaten bereitzustellen und überhaupt über die Fähigkeit zu verfügen, irgendwelche Muster oder Beziehungen zwischen Ursache und Wirkung zu entdecken, erfordern die meisten Analytikanwendungen eine Kontextualisierung der aufgezeichneten Rohdaten, insbesondere zwischen Nicht-Echtzeitdaten und harten Echtzeitdaten sowie innerhalb der Echtzeitdaten. Um zum Beispiel irgendeinen Kausalzusammenhang zwischen einem fehlerhaften NC-Programm und einem Fehler auf dem Werkstück zu identifizieren, ist es absolut wesentlich, einen Bezug zwischen den Echtzeit-Achsenpositionen der CNC-Maschine und der aktiven Nicht-Echtzeit-NC-Programmcodezeile und dem interpolierten Zyklus in dem NC-Programm herzustellen. Aus diesem Grund umfasst die Client-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung mindestens eine Datenverarbeitungseinheit zur Datenabbildung von zumindest den aufgezeichneten Nicht-Echtzeitdaten auf die aufgezeichneten Echtzeitdaten, um eine kontextualisierte Menge an prozessbezogenen Daten zu aggregieren. Die bekannteste Art der Referenzierung, Abbildung beziehungsweise Kontextualisierung ist die Verwendung von Zeitstempeln. Davon abgesehen kann die Client-Vorrichtung unterschiedliche Typen von prozessbezogenen Metadaten bereitstellen, um es Anwendungen, die auf dem cloud-basierten Server ausgeführt werden, zu ermöglichen, die Prozessdaten dementsprechend zu analysieren.
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Zuletzt umfasst die Client-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung mindestens eine zweite Datenkommunikationsschnittstelle zum Senden der kontextualisierten Menge an prozessbezogenen Daten an den Datenempfänger. Diese zweite Datenkommunikationsschnittstelle ermöglicht auch die weitere Datenkommunikation zwischen der Client-Vorrichtung und dem Datenempfänger.
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Der Datenempfänger kann mindestens einen Server eines internen Netzwerks und/oder mindestens einen Server eines offenen Netzwerks, z. B. des Internets, umfassen. Wie vorhergehend beschrieben, kann der Datenempfänger vorzugsweise mindestens einen Server einer Cloud-Infrastruktur umfassen, auf der mehrere Datenanalyseanwendungen ausgeführt sind. Die Cloud-Infrastruktur selbst kann in ein internes Netzwerk, z. B. innerhalb des Werks, oder in ein offenes Netzwerk integriert sein. Zum Beispiel kann das interne Netzwerk ein bestehendes lokales Netzwerk innerhalb des Werks sein, in dem das eine oder die mehreren eingebetteten Systeme integriert sind und das bereits zur Übertragung von Daten, z. B. Befehlen, Befehlsprogrammen und anderen Daten, verwendet wird. Zusätzlich oder alternativ zu der internen lokalen Netzwerkkommunikation kann die Client-Vorrichtung eine Internet-Schnittstelle umfassen. Dazu verwendet die Kommunikation der Client-Vorrichtung mit dem Internet aus Sicherheitsgründen vorzugsweise strikt ausgehende Kommunikation. Das bedeutet im Grunde, dass jede Kommunikation immer durch die Client-Vorrichtung eingeleitet wird und dass dieser Client nicht adressierbar ist.
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Zusätzlich kommuniziert die Client-Vorrichtung vorzugsweise nur mit autorisierten Servern. Insbesondere hat es sich als günstig erwiesen, dass die Server-Adressen während der Zeit einer Kommunikationssitzung nicht geändert werden können. Die Kommunikation zwischen der Client-Vorrichtung und dem Datenempfänger (Server) kann nur durch die Client-Vorrichtung eingeleitet werden. Darum wird die Vorrichtung als „Client” bezeichnet. Sämtliche Kommunikation ist vorzugsweise verschlüsselt. Die Client-Vorrichtung lässt keinerlei lokalen Software-Updates sondern nur durch authentifizierte Server zu. Darüber hinaus ist die Client-Vorrichtung vorzugsweise durch eine lokale Firewall, Systeme zur Erkennung des unbefugten Eindringens und einen Viren-Scanner geschützt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Client-Vorrichtung auch verantwortlich für die Cybersicherheit der eingebetteten Steuereinrichtung der CNC-Maschine oder des Industrieroboters. Die Client-Vorrichtung stellt vorzugsweise die folgenden Sicherheitsfunktionen für die verbundene Steuereinrichtung bereit:
- – Überwachung sämtlicher Kommunikation der Steuereinrichtung auf unregelmäßige Kommunikation;
- – wahlweise Sperren der eingebetteten Steuereinrichtung gegen irgendeine bedrohliche Server-Kommunikation.
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Folglich weist die Steuereinrichtung der CNC-Maschine oder des Industrieroboters keine direkte Verbindung mit dem Internet auf, wodurch wiederum die Ressourcen und die Komplexität der Steuereinrichtung verringert werden. Darüber hinaus erfüllt die Verwendung einer separaten/autonomen Client-Vorrichtung in der Nähe der Steuereinrichtung für die Internet-Kommunikation der lokalen Automatisierungsausrüstung auch die Einschränkungen der IT-Richtlinien des Kunden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Client-Vorrichtung auch eine webserver-ähnliche Schnittstelle mit den verbundenen Vorrichtungen (z. B. CNC-Steuereinrichtung, in die Maschine eingebettete und externe Mess/Abtastvorrichtungen, Peripherievorrichtungen, wie beispielsweise Aktuatoren) bereitstellen, die die Vorrichtungen vollständig von dem direkten Netzwerkzugang auch in einem lokalen Netzwerk (engl. Local Area Network – LAN) trennt. Auf diese Art von Vorrichtungen kann nicht direkt in ihrem lokalen Netzwerk zugegriffen werden, sondern sie werden immer eine LAN-Kommunikation über die Client-Vorrichtung in Richtung ihres Kommunikationspartners einleiten.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die zweite Datenkommunikationsschnittstelle der Client-Vorrichtung zur Datenkommunikation mit dem Datenempfänger zumindest teilweise über drahtgebundene Kommunikation und/oder drahtlose Kommunikation konfiguriert. Dazu kann die Client-Vorrichtung einen Ethernet-Port und/oder Port eines drahtlosen lokalen Netzwerks (Wireless Local Area Network – WLAN) umfassen. Ferner kann die Client-Vorrichtung TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) und/oder http/https (Hypertext Transfer Protocol/Hypertext Transfer Protocol Secure) fähig sein.
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Obgleich die meisten heutigen Steuereinrichtungen eine integrierte Datenaufzeichnungsfunktion für Echtzeitdaten bereitstellen, die bereits für viele Anforderungen der Datenaufzeichnung genügen kann, weist die eingebettete Steuereinrichtung nicht die Ressourcen für Massendatenaufzeichnung auf, ohne die Hauptaufgabe der Steuereinrichtung, die in der Prozesssteuerung besteht, im Laufe der zunehmenden Big-Data-Anforderungen zu beeinträchtigen. Für diese extremen Datenaufzeichnungsanforderungen kann der Client direkt mit den Sensoren und Aktoren kommunizieren. Dazu wie auch zum Bereitstellen von so vielen relevanten Daten wie möglich für potenzielle Datenanalyseanwendungen kann die Client-Vorrichtung ferner mindestens eine weitere Datenschnittstelle mit mindestens einer externen Abtastvorrichtung und/oder mindestens einer Peripherievorrichtung, z. B. einem Aktor, einem elektrischen Antrieb oder einer in die Maschine eingebetteten Messvorrichtung der CNC-Maschine oder des Industrieroboters zum direkten und kontinuierlichen Aufzeichnen von prozessbezogenen Echtzeitdaten unter Umgehung der Steuereinrichtung der CNC-Maschine oder des Industrieroboters umfassen. Dazu kann die Client-Vorrichtung ein spezifisches Untersystem umfassen, das für die Datensammlung von externen Abtastvorrichtungen und/oder Peripherievorrichtungen der CNC-Maschine oder des Industrieroboters über verschiedene Schnittstellen verantwortlich ist, z. B. einen A/D-Wandler, eine Bluetooth-Schnittstelle, eine digitale E/A-Schnittstelle, eine Feldbus-Schnittstelle. Insbesondere kann dieses Untersystem in der Lage sein, Sensordaten von einer großen Anzahl von Sensoren parallel zu sammeln, und kann diese Sensoren mit hohen Frequenzen ablesen. Diese Sensoren und Peripherievorrichtungen können Linearwaagen, Drehwaagen, Linearantriebe, Drehantriebe und/oder Kraftsensoren umfassen.
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In Bezug auf die Anforderung der Datenabbildung ist die mindestens eine Datenverarbeitungseinheit vorzugsweise auch zur Datenabbildung der über die weitere Datenschnittstelle aufgezeichneten harten prozessbezogenen Echtzeitdaten auf die über die erste Datenschnittstelle aufgezeichneten harten prozessbezogenen Echtzeit- und Nicht-Echtzeitdaten konfiguriert, um eine kontextualisierte Menge von prozessbezogenen Daten zu aggregieren.
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Was die Erfassungsraten betrifft, kann die Client-Vorrichtung – gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung – konfiguriert sein, um prozessbezogene Echtzeitdaten mit einer Abtastrate gemäß dem niedrigsten Schleifenzeitniveau der Steuereinrichtung der CNC-Maschine oder des Industrieroboters zu erfassen und aufzuzeichnen. Insbesondere kann die Datenerfassung und -aufzeichnung bei einer Abtastrate gemäß dem niedrigsten Schleifenzeitniveau der schnellsten Untersteuereinrichtung, falls die Steuereinrichtung mehrere Untersteuereinrichtungen umfasst, vorzugsweise gemäß dem Schleifenzeitniveau einer Positionsschleifen-Steuereinrichtung der CNC-Maschine oder des Industrieroboters, erfolgen.
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Numerisch kann die Client-Vorrichtung konfiguriert sein, um prozessbezogene Echtzeitdaten bei einer Abtastrate von mindestens 20 Hz, insbesondere von mindestens 33 Hz, vorzugsweise von mindestens 50 Hz, am meisten zu bevorzugen von mindestens 100 Hz, zu erfassen und aufzuzeichnen. Oder umgekehrt beträgt die Abtastzeit höchstens 50 ms, insbesondere höchstens 30 ms, vorzugsweise höchstens 20 ms, am meisten zu bevorzugen höchstens 10 ms.
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Die Aufzeichnung von Echtzeitdaten kann sehr schnell eine große Menge an Daten erzeugen, von denen nicht erwartet wird, dass sie schnell genug über die zweite Datenkommunikationsschnittstelle und z. B. das Internet an eine Cloud-Plattform kommuniziert werden. Somit kann die Client-Vorrichtung ein breites Spektrum an Verfahren zur Datenkomprimierung bereitstellen. Daher kann gemäß einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung die Client-Vorrichtung für verschlüsselte und/oder komprimierte Datenkommunikation mit dem Datenempfänger, insbesondere zum Verschlüsseln und/oder Komprimieren der kontextualisierten Menge der abgebildeten prozessbezogenen Daten, konfiguriert sein.
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Wie vorhergehend beschrieben, gehören das Maschinensystem und das System des Datenempfängers zu unterschiedlichen Zeitordnungen. Daher werden die Massendaten auf der Seite der Steuereinrichtung mit einer spezifischen Größe und Geschwindigkeit/Häufigkeit erzeugt, die sich von der Häufigkeit und Größe auf der Datenempfängerseite unterscheiden. Aus diesem Grund hat es sich als nützlich erwiesen, dass der Client in der Lage sein kann, ein Gleichgewicht zwischen der Datenerzeugung von Prozessdaten auf der Seite der Steuereinrichtung und der Datenannahme auf der Seite des Datenempfängers herzustellen. Daher ist es zu bevorzugen, dass die Client-Vorrichtung genügend Kommunikationsressourcen bereitstellt, um die Kommunikationslast zur/zum CNC-Maschine/Industrieroboter und zum Datenempfänger handzuhaben. Ferner hat es sich als nützlich erwiesen, dass die Client-Vorrichtung das temporäre Speichern der Daten in einem lokalen Speicher zulässt, insbesondere in dem Fall, in dem die Kommunikation zwischen der Client-Vorrichtung und dem Datenempfänger unterbrochen wird. Daher umfasst gemäß einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung die Client-Vorrichtung ferner Speichermittel zur Datenpufferung der aufgezeichneten prozessbezogenen Echtzeitdaten, der prozessbezogenen Nicht-Echtzeitdaten und/oder der kontextualisierten Menge der prozessbezogenen Daten.
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Ferner wurde erkannt, dass die Aussagekraft der Datenanalyse von prozessbezogenen Massendaten im Wesentlichen auf der Integrität und der Vollständigkeit der aufgezeichneten Massendaten beruht. Daher ist es in hohem Maße zu bevorzugen, dass die CNC-Maschine oder der Industrieroboter in der Lage ist, die Rohdaten, insbesondere die Echtzeitdaten, mit einer Wahrscheinlichkeit von im Wesentlichen 100% bereitzustellen. Dementsprechend ist es auch in hohem Maße zu bevorzugen, dass die Client-Vorrichtung konfiguriert ist, um die prozessbezogenen Echtzeitdaten mit einer Wahrscheinlichkeit von im Wesentlichen 100% zu erfassen und aufzuzeichnen.
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Da die Client-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ein autonomes System ist, das von dem eingebetteten System der CNC-Maschine oder des Industrieroboters auf der einen Seite und von dem Datenempfänger auf der anderen Seite getrennt ist, ermöglicht dieser Ansatz die Ausführung sämtlicher vorhergehend genannten Funktionen und Merkmale parallel in dem eingebetteten System der CNC-Maschine oder des Industrieroboters, ohne seine Integrität zu beschädigen. Die Client-Vorrichtung kann als Fat-Client-Vorrichtung, z. B. als ein Industrie-Personal-Computer mit einem Standard-Betriebssystem, wie beispielsweise Windows oder Linux, ausgeführt werden, die vorzugsweise einen direkten Zugangspunkt für Internet-Kommunikation aufweist. Der Fat-Client kann die folgenden drei Haupt-Untersysteme umfassen: Zuerst ein Untersystem, das ein Standard-PC-Betriebssystem (Linux, Windows) ausführt. Dieses Untersystem ist verantwortlich für die LAN/WAN-Integration, es ist die Laufzeitumgebung möglicher lokaler Anwendungen und trägt wichtige Teile der Sicherheitsinfrastruktur der Client-Vorrichtung. Es ist auch die Plattform für sämtliche höheren Verwaltungsaufgaben der Client-Vorrichtung, z. B. Konfigurationsverwaltung, Versionskontrolle, Benutzerverwaltung usw. Zweitens ein Untersystem, das für Netzwerkkommunikation verantwortlich ist (LAN/WAN/UMTS/Bluetooth usw.). Drittens ein Untersystem, das in der Lage ist, Echtzeitaufgaben auszuführen und als ein Front-End für die verbundenen Steuereinrichtungen und Echtzeit-Feldbusse dient und auch die direkte Datenschnittstelle zu externen Abtastvorrichtungen und/oder Peripherievorrichtungen ist.
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In Fällen, in denen sehr kurze Reaktionszeiten für begrenzte Analytikfunktionen erforderlich sind, kann die Client-Vorrichtung autonome Datenanalytikfunktionen bereitstellen. Die Ergebnisse dieser Funktionen können direkt an LAN-Vorrichtungen (Automatisierungsausrüstung, PCs, Server usw.) kommuniziert werden. Die autonomen Fähigkeiten können insbesondere für den Fall, in dem die Client-Vorrichtung mit Netzwerken mit sehr begrenzter Bandbreite verbunden ist, oder in Fällen vorgesehen werden, in denen lediglich zeitweilig Verbindungen mit dem Datenempfänger, z. B. einer Cloud-Plattform, bestehen. Daher ist die Client-Vorrichtung gemäß einem anderen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung konfiguriert, um die Datenanalyse der kontextualisierten Menge von prozessbezogenen Daten lokal durchzuführen. Insbesondere kann die Client-Vorrichtung konfiguriert sein, um lokal eine Echtzeit-Datenanalyseaufgabe der kontextualisierten Menge von prozessbezogenen Daten durchzuführen, um den laufenden Prozess der CNC-Maschine oder des Industrieroboters in einer geschlossenen Schleife durch das Ergebnis der lokalen Echtzeit-Datenanalyse zu beeinflussen. Die Rückmeldung in der geschlossenen Schleife kann insbesondere über eine Echtzeit-Kommunikationsschnittstelle in einer geschlossenen Schleife und/oder einen Echtzeit-Feldbus in einer geschlossenen Schleife bewerkstelligt werden.
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Unterschiedliche Big Data können Rohdaten erfordern, die sich in Größe/Volumen, Häufigkeit und Datenkontextinformationen voneinander unterscheiden. Daher kann gemäß einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung eine Menge von Befehlen an die Steuereinrichtung der CNC-Maschine oder des Industrieroboters durch die Client-Vorrichtung vorhanden sein, um die Steuereinrichtung zum Aufzeichnen spezifischer Daten gemäß einer spezifischen Datenanalyseanwendung zu konfigurieren. Diese Befehle in Richtung der Steuereinrichtung sind in hohem Maße proprietär und hängen auch von der Funktionalität der Steuereinrichtung ab. Diese Datenerfassungsbefehle können vorzugsweise durch ausführbare Software-Anwendungen ausgeführt werden, die über die zweite Datenkommunikationsschnittstelle von dem Datenempfänger, z. B. einer Cloud-Plattform, heruntergeladen werden. Die ausführbaren Software-Anwendungen können eine Treiber-Software-Schicht der Client-Vorrichtung verwenden, die die Spezifikationen der eingebetteten Steuereinrichtung vor den heruntergeladen Anwendungen versteckt. Daher kann gemäß einem anderen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung die Client-Vorrichtung konfiguriert sein, um ausführbare Software-Anwendungen und/oder Software-Updates, insbesondere ausführbare Software-Anwendungen, die die Client-Vorrichtung anweisen, eine spezifische Datenaufzeichnungsaufgabe und/oder lokale Datenanalyseaufgabe durchzuführen, von dem Datenempfänger über die zweite Datenkommunikationsschnittstelle zu empfangen und auszuführen.
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Um die Aussagekraft der Datenanalyse weiter zu verbessern, kann die Client-Vorrichtung ferner eindeutige Identifikationsmittel in Bezug auf die mindestens eine Steuereinrichtung, die mindestens eine externe Abtastvorrichtung oder die mindestens eine Peripherievorrichtung der CNC-Maschine beziehungsweise des Industrieroboters umfassen, wodurch es dem Datenempfänger ermöglicht wird, die von der Client-Vorrichtung empfangenen Daten mit ihrer entsprechenden Quelle zu verknüpfen.
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Abgesehen von der ersten und der zweiten Datenkommunikationsschnittstelle sowie von der weiteren direkten Datenschnittstelle mit den externen Abtastvorrichtungen und/oder Peripherievorrichtungen der/des CNC-Maschine/Industrieroboters, kann die Client-Vorrichtung ferner eine Schnittstelle zwischen Clients zur Datenkommunikation mit mindestens einer anderen Client-Vorrichtung umfassen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird auch durch ein System zum Bereitstellen von prozessbezogenen Massendaten von einer Steuereinrichtung von mindestens einer numerisch gesteuerten industriellen Verarbeitungsmaschine oder einem Industrieroboter für mindestens einen Datenempfänger gelöst. Das System umfasst Folgendes:
- – mindestens eine Client-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
- – mindestens eine Steuereinrichtung von mindestens einer/einem CNC-Maschine oder Industrieroboter in Datenkommunikation mit der mindestens einen Client-Vorrichtung zum kontinuierlichen Aufzeichnen von prozessbezogenen Echtzeitdaten über mindestens einen Echtzeit-Datenkanal und von prozessbezogenen Nicht-Echtzeitdaten über mindestens einen Nicht-Echtzeit-Datenkanal;
- – mindestens einen Datenempfänger in Datenkommunikation mit der Client-Vorrichtung über die mindestens eine zweite Datenkommunikationsschnittstelle zum Empfangen der kontextualisierten Menge von prozessbezogenen Daten, die durch die Client-Vorrichtung bereitgestellt werden.
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Wie vorhergehend beschrieben, kann der Datenempfänger mindestens einen Server eines internen Netzwerks, mindestens einen Server eines offenen Netzwerks, z. B. des Internets, und/oder mindestens einen Server einer Cloud-Infrastruktur umfassen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Systems stellt der Datenempfänger eine cloud-basierte Benutzerplattform, insbesondere für verschiedene Benutzer, bereit, um Analyseanwendungen auf der kontextualisierten Menge von prozessbezogenen Daten durchzuführen, die durch die Client-Vorrichtung bereitgestellt werden. Im Hinblick auf eine Topologie mit mehreren Benutzern bedeutet dies, dass Analyseanwendungen auf der Cloud durch verschiedene Benutzergruppen verwendet werden können. Gleichzeitig kann die Cloud-Datenbank durch verschiedene Benutzergruppen verwendet werden, um ihre eigenen Anwendungen auszuführen. Die Benutzergruppen können IT-Unternehmen, OEMs (Maschinenbauer, Automatisierungs-, Antriebs-, Überwachungssteuerungs- und Datenerfassungslieferanten (Supervisory Control And Data Acquisition – SCADA)), Endbenutzer (Fertigungsunternehmen), Dienstleister, Bauteillieferanten, Ingenieurbüros und/oder Universitäten/Forschungsorganisationen sein.
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Software-Anwendungen, die durch verschiedene Benutzergruppen entwickelt werden, können auf die Cloud-Plattform durch eine offene Architekturschnittstelle der Cloud-Plattform hochgeladen werden. Im Allgemeinen können die Anwendungen in Server-Anwendungen und Client-Anwendungen unterteilt werden. Server-Anwendungen sind typischerweise analytische Algorithmen, die die durch die Client-Vorrichtung hochgeladenen Daten verwenden, während Client-Anwendungen auf die Client-Vorrichtung heruntergeladen werden, um den Client für eine spezifische Datenaufzeichnungsaufgabe anzuweisen.
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Gemäß einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung kann eine Entwicklungsumgebung für diese Arten von Anwendungen bereitgestellt werden, die insbesondere die Verwendung von Anwendungsprogrammierschnittstellen (Application Programming Interface – API) für Server-Anwendungen und Client-Anwendungen abdecken. Die Entwicklungsumgebung kann auch einen PC-basierten Simulator enthalten, um beide Arten von Anwendungen zu integrieren und zu testen, ohne dass die Anwendungen zunächst auf den Zielsystemen ausgeführt werden müssen. Die Fähigkeit zum Hochladen und Ausführen von Software von verschiedenen Benutzergruppen ist für das Konzept Big Data ausschlaggebend, da dies die Grundlage einer großen Anzahl von Anwendungen von verschiedenen Technologien ist, die verschiedene Prozesse und Vorrichtungen abdecken.
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Da die Anforderungen an neue Big-Data-Analytik steigen, ist es zu bevorzugen, dass die Client-Vorrichtung ständig durch Software aktualisiert werden kann. Aus diesen Gründen können die Cloud-Plattform sowie die Client-Vorrichtung eine Infrastruktur zum Aktualisieren von Drittanwendungen bereitstellen. Aus Sicherheitsgründen werden Software-Uploads auf den Cloud-Server und/oder die Client-Vorrichtung durch eine zentrale Autorität gesteuert und durchlaufen ein System von zentralen Verwaltungs-Servern.
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Wie vorhergehend beschrieben, kann das System im Hinblick auf die weitere Datenschnittstelle der Client-Vorrichtung ferner mindestens eine externe Abtastvorrichtung und/oder mindestens eine Peripherievorrichtung der CNC-Maschine oder des Roboters umfassen, z. B. mindestens einen Aktuator der CNC-Maschine oder des Industrieroboters, die mit der Client-Vorrichtung über mindestens eine weitere Datenschnittstelle in Datenkommunikation steht. Diese weitere Datenschnittstelle kann einen A/D-Wandler, eine Bluetooth-Schnittstelle, eine digitale E/A-Schnittstelle, eine Feldbus-Schnittstelle umfassen. Daher kann die Client-Vorrichtung konfiguriert sein, um prozessbezogene Echtzeitdaten direkt und kontinuierlich von der externen Abtastvorrichtung und/oder dem Aktuator aufzuzeichnen.
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Im Hinblick auf die Kontextualisierung der aufgezeichneten Rohdaten kann die mindestens eine Steuereinrichtung konfiguriert sein, um ein Kontext-Tag als eine Art von Metadaten, z. B. ein Zeit-Tag, an die prozessbezogenen Echtzeitdaten sowie an die prozessbezogenen Nicht-Echtzeitdaten anzuhängen. Dieses Zeit-Tag wird der Client-Vorrichtung über die Echtzeit- und Nicht-Echtzeitkanäle bereitgestellt, wodurch es der Client-Vorrichtung ermöglicht wird, das Kontext-Tag, z. B. das Zeit-Tag, das durch die Steuereinrichtung bereitgestellt wird, auch an die aufgezeichneten prozessbezogenen Echtzeitdaten von externen Abtastvorrichtungen und/oder Peripherievorrichtungen anzuhängen. Im Hinblick auf die Funktionalität der Client-Vorrichtung zur Datenabbildung ist die Client-Vorrichtung oder ihre mindestens eine Datenverarbeitungseinheit zur Datenabbildung konfiguriert, um die verschiedenen Datenkanäle unter Verwendung des Kontext-Tags zusammenzuführen, um eine konsistente Menge an kontextualisierten Daten zu bilden, die dem Datenempfänger für irgendwelche Datenanalytikanwendungen bereitgestellt werden.
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Gemäß einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung kann das System mehrere Client-Vorrichtungen und mehrere Steuereinrichtungen umfassen, wobei jede Client-Vorrichtung von den mehreren Client-Vorrichtungen in Datenkommunikation mit einer entsprechenden von den mehreren Steuereinrichtungen und in Datenkommunikation mit dem mindestens einen Datenempfänger steht. Darüber hinaus können die mehreren Client-Vorrichtungen miteinander, z. B. innerhalb eines LAN, vorzugsweise über ihre entsprechenden Schnittstellen zwischen Clients, miteinander in Datenkommunikation stehen.
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Diese Konfiguration kann die gemeinsame Verwendung von Ressourcen unterstützen. Zum Beispiel können in dem Fall, in dem eine Client-Vorrichtung über keinen Pufferspeicher mehr verfügt, andere Client-Vorrichtungen in dem LAN zusätzlichen Pufferspeicher bereitstellen. Auf ähnliche Weise können in dem Fall, in dem die Kommunikation zwischen einer Client-Vorrichtung und dem Datenempfänger unterbrochen wird, andere Client-Vorrichtungen als Verbindungsbrücke oder Umgehungsleitung dienen. Falls Datenabbildung über mehrere Client-Vorrichtungen und die damit verbundenen CNC-Maschinen/Industrieroboter erforderlich ist, kann eine Client-Vorrichtung ein Master-Kontext-Tag, z. B. ein Master-Zeit-Tag, für alle miteinander verbundenen Client-Vorrichtungen innerhalb des Systems bereitstellen. Darüber hinaus kann in dem Fall, in dem der Datenempfänger, z. B. ein Cloud-Server, die Verbindung mit einer spezifischen Client-Vorrichtung verloren hat, er eine andere Client-Vorrichtung innerhalb des Systems fragen, diese spezifische Client-Vorrichtung zu überprüfen. Ferner kann der Datenempfänger auch konfiguriert sein, um den Neustart einer spezifischen Client-Vorrichtung ohne direkte Verbindung zwischen dieser spezifischen Client-Vorrichtung und dem Datenempfänger einzuleiten.
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Im Allgemeinen ist es auch möglich, dass das System mindestens eine Client-Vorrichtung umfasst, die in Datenkommunikation mit mehreren CNC-Maschinen oder Industrierobotern steht.
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Im Hinblick auf cloud-basierte Anwendungen zur Datenanalyse kann die folgende Infrastruktur durch die Client-Vorrichtung bereitgestellt werden und durch die cloud-basierten Anwendungen verwendet werden, um ihre Datenanalytikfunktionen auszuführen:
- – Herunterladen von Software-Anwendungen auf die Client-Vorrichtung auf Anforderung durch die Client-Vorrichtung;
- – Software-Anwendungen können gestartet, gestoppt und gelöscht werden;
- – Bereitstellen von APIs zur Kommunikation mit den Anwendungen;
- – System-Software und Anwendungen der Client-Vorrichtung können durch den Cloud-Server aktualisiert werden.
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Die Client-Vorrichtung stellt für die lokalen Anwendungen eine Laufzeitumgebung für APIs bereit:
- – Die Vorrichtungs-API ermöglicht es den Software-Anwendungen, Zugriff auf die Daten des verbundenen eingebetteten Systems, z. B. die CNC-Maschine oder den Industrieroboter, zu erlangen;
- – Anwendungen können Daten und Befehle durch die Server-API austauschen;
- – Eine Laufzeitbibliothek auf der Client-Vorrichtung stellt für die Anwendungen eine breite Palette an Funktionalität bereit.
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Eine Laufzeit-Engine auf der Client-Vorrichtung steuert die Verwaltung und Ausführung von Anwendungen und steuert weitere Aufgaben, wie beispielsweise Sicherheitsverwaltung und Systemaktualisierung. Die Laufzeit-Engine ist in der Lage, mehrere Anwendungen auszuführen. Eine Treiberschicht der Client-Vorrichtung entkoppelt die spezifischen Protokolle und Datenformate von den verschiedenen eingebetteten Vorrichtungen.
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Die Client-Vorrichtung weist keine verbundene Benutzeroberflächenvorrichtung (z. B. einen Monitor) auf, da die Client-Vorrichtung in den meisten Fällen in die Maschine integriert ist, in einem geschlossenen Rack versteckt ist usw. Andererseits ist es für die Benutzer in vielen Fällen wichtig, direkt mit der Client-Vorrichtung zu kommunizieren, wie beispielsweise bei Konfiguration und Einrichtung, Wartung, Notsituationen usw. Die Client-Vorrichtung kann diese Benutzeroberfläche über ein Netzwerk (LAN, WLAN) für Handvorrichtungen, wie beispielsweise Smartphone oder Tablets, und auch für verbundene PCs, bereitstellen. Diese Benutzeroberfläche kann durch eine spezielle Anwendung auf der entfernten Vorrichtung unterstützt werden.
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Die Client-Vorrichtung kann ferner eine Einrichtungsumgebung bereitstellen, die während der anfänglichen Einrichtung der Vorrichtung zum Konfigurieren ihrer Laufzeitumgebung verwendet werden kann. Die folgenden Funktionen können Teil dieses Werkzeugs sein:
- – Netzwerkkonfiguration und -einrichtung;
- – E/A-Konfiguration (Sensoren, Aktoren);
- – Einrichtung von Feldbus-Systemen;
- – Systemkonfiguration der Client-Vorrichtung;
- – Automatische Einrichtung der Vorrichtung („Plug and Play”);
- – Sicherheitseinrichtung.
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Die Client-Vorrichtung kann auch eine Verwaltungsschnittstelle bereitstellen, um ihre Software und Hardware in verschiedenen Umgebungen zu verwalten. Dieses Werkzeug kann mindestens eine von den folgenden Funktionen bereitstellen: Vorrichtungszustand; Netzwerktopologie, Software-Aktualisierungsverwaltung und/oder Sicherheitsverwaltung.
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Für lokale und entfernte Wartungstätigkeiten der Client-Vorrichtung selbst kann sie eine Menge von Selbstdiagnosefunktionen bereitstellen: Hardware-Diagnose (z. B. Speicherplatte, Temperatur, Gesundheitszustand usw.), Netzwerkzustand, Konfigurationsüberprüfung und/oder Kommunikationsstufen im Hinblick auf Sensoren und verbundene Vorrichtungen. Die Sebstdiagnose-Software wird als eine Anwendung betrachtet und ist aus diesem Grund nicht Teil der System-Software der Client-Vorrichtung. Sie kann beim Systemstart der Client-Vorrichtung auf die Client-Vorrichtung heruntergeladen werden. Eine Anwendung auf der Seite des Datenempfängers/Servers kann die Daten verwenden, um Zustandsüberwachungsfunktionen als Teil einer Menge von Systemverwaltungswerkzeugen des Datenempfängers/Cloud-Servers bereitzustellen. Die Selbstdiagnosefunktion kann auch über die lokale grafische Benutzeroberfläche verwendet werden, um Zugriff auf Diagnosedaten und Funktionen für lokale Diensttätigkeiten zu ermöglichen, ohne dass dazu auf den Cloud-Server zugegriffen werden muss.
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In vielen Fällen ist die Client-Vorrichtung das Datensammlungs-Frontend eines Cloud-Server-Systems und der Datenbankanwendungen, die auf diesen Cloud-Servern ausgeführt werden. Aber für kleine Installationen und in Notfällen ist die Client-Vorrichtung auch in der Lage, einige verminderte Funktionalitäten bereitzustellen, die normalerweise durch das Cloud-Server-System bereitgestellt werden. Die Benutzeroberfläche für diese Funktionen wird über die lokale grafische Benutzeroberfläche, wie vorhergehend beschrieben, bereitgestellt.
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Die Client-Vorrichtung kann eine Vielzahl an Funktionen für die Verwaltung der Konfiguration von sich selbst, die verbundenen Vorrichtungen und die verbundenen Sensoren und Aktoren unterstützen. Sämtliche Konfigurationsdaten der verbundenen Vorrichtungen werden gespeichert und können über den Cloud-Server und die lokale Benutzeroberfläche angefordert werden. Sämtliche Änderungen an diesen Daten werden verfolgt und mit zweckmäßigen Bezugsdaten gespeichert. Überprüfungen der Hardware/Software-Kompatibilität können ausgeführt werden, um Informationen für Update/Upgrade/Wartungsfälle bereitzustellen. Auf alle diese Daten kann über die lokale Benutzeroberfläche zugegriffen werden und sie können manuell mit den zweckmäßigen Verfolgungsinformationen geändert werden.
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Die Client-Vorrichtung kann eine Menge von internen Sensoren als Teil ihrer eigenen Hardware umfassen. Diese Sensoren unterstützen die Zustandsüberwachung und einige Verwaltungsfunktionen der Client-Vorrichtung. Zum Beispiel können interne Sensoren interne Temperatursensoren, GPS-Sensoren (Global Positioning System) oder LPS-Sensoren (Linearpositionssensor) umfassen.
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Für Standard-LAN-Dienst-Software, wie beispielsweise Produktionsleitsysteme (Manufacturing Execution System – MES), kann die Client-Vorrichtung eine Datenschnittstelle bereitstellen, die kein Herunterladen von Software auf die Client-Vorrichtung erfordert. Diese Datenschnittstelle kann vorinstallierte Schnittstellen-Software auf der Client-Vorrichtung umfassen, die die gleiche Laufzeitumgebung verwendet wie die Software, die normalerweise von dem verbundenen Datenempfänger/Cloud-Server heruntergeladen wird. Dieser Ansatz erleichtert das Erfassen von Daten von der Client-Vorrichtung durch bestehende Server-Software, da diese Server lediglich ihre standardmäßige Art des Zugriffs auf Daten auf Vorrichtungen verwenden müssen und keine Infrastruktur zum Herunterladen von Software für ihre verbundenen Vorrichtungen bereitstellen müssen.
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In vielen Konfigurationen können mehrere Client-Vorrichtungen Teil eines LAN/WLAN-Systems sein. Da diese Client-Vorrichtungen vorzugsweise in der Lage sind, miteinander zu kommunizieren, stellen sie verschiedene Funktionen bereit, die auf dem Zusammenwirken verschiedener Client-Vorrichtungen basieren. Diese zusammenwirkende Fähigkeit kann zum Fuhrpark-Management, zur Sicherheits- und Verfügbarkeitssteuerung zwischen den Client-Vorrichtungen in dem Netzwerk und/oder zum Ersetzen von Kommunikationsfunktionen in Notfällen verwendet werden.
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Die Client-Vorrichtung kann Zugriff auf sämtliche Konfigurationsdaten ihrer verbundenen eingebetteten Systeme, d. h. CNC-Maschinen oder Industrieroboter, aufweisen und kann eine dedizierte Infrastruktur umfassen, um Software-Update- und -Upgrades zu verwalten. Infolgedessen kann die Client-Vorrichtung in der Lage sein, Funktionen zum Update/Upgrade sämtlicher Software-Systeme auszuführen, auf die die Client-Vorrichtung Zugriff hat.
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Ferner kann die Client-Vorrichtung eine Hardware- und Software-Infrastruktur umfassen, die zur direkten Verbindung mit Mobilfunknetzen (z. B. UMTS) konfiguriert ist. Diese Art von Verbindungsfähigkeit kann in verschiedenen Situationen verwendet werden, z. B. zur Systemeinrichtung, während ein LAN-Zugriff nicht verfügbar sein könnte, oder in Notfällen, in denen der LAN-Zugriff verloren gehen könnte. Die Software der Client-Vorrichtung kann auch eine Hot-Spot-Fähigkeit bereitstellen, derart, dass verschiedene Client-Vorrichtungen einen Client als ein Internet-Gateway verwenden könnten.
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Weitere Vorteile und Details der vorliegenden Erfindung gehen aus der Verwendung der beispielhaften Ausführungsform hervor, die in dem folgenden Text und in Verbindung mit den Figuren veranschaulicht wird; es zeigen:
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1 eine beispielhafte Ausführungsform einer Client-Vorrichtung und eines Systems gemäß der vorliegenden Erfindung; und
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2 eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die ein System veranschaulicht, das mehrere Client-Vorrichtungen umfasst.
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Eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung – wie schematisch in 1 veranschaulicht – wird als ein beispielhaftes System 100 beschrieben, das eine Client-Vorrichtung 1 zum Bereitstellen von prozessbezogenen Massendaten von einer Steuereinrichtung 11 einer CNC-Maschine 10 für einen cloud-basierten Server 20 zur Datenanalyse unter Verwendung von Software-Anwendungen verwendet, die auf dem cloud-basierten Server 20 ausgeführt werden.
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Obgleich eine CNC-Maschine als ein Hauptbeispiel für den Typ von Automatisierungssystem beschrieben ist, mit dem die vorliegende Erfindung verwendet werden kann, könnten das System 100 und die Client-Vorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem beliebigen Automatisierungssystem verwendet werden, das eine Echtzeitsteuerung von industrieller Ausrüstung, z. B. eines Industrieroboters, beinhaltet.
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1 veranschaulicht ein Beispiel eines 5-Achsen-CNC-Fräszentrums. Die CNC-Maschine 10 wird durch eine CNC-Steuereinrichtung 11 betätigt und umfasst elektrische Antriebe 13.1 bis 13.5 für jeden Aktor 15.1 bis 15.5 der entsprechenden Maschinenachsen. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform umfasst die CNC-Maschine drei lineare kartesische Maschinenachsen mit den Linearaktuatoren 14.1 bis 14.3 und zwei zusätzliche Maschinendrehachsen mit den Drehaktuatoren 14.4 und 14.5, wobei zum Beispiel eine von den Drehachsen zum Drehen eines Arbeitstischträgers verwendet werden kann und die andere Drehachse in einem Werkzeugwechsler verwendet werden kann.
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Die Bearbeitung eines spezifischen Werkstücks durch die CNC-Maschine basiert auf den Bearbeitungsbefehlen eines entsprechenden NC-Programms, die durch die CNC-Maschine 10 in Bearbeitungsvorgänge, z. B. in Bewegungen der Aktoren 14.1 bis 14.5 der verschiedenen Maschinenachsen und in eine Drehbewegung eines Spindelaktors 16 des Fräswerkzeugs, umgewandelt werden. Diese Aktoren gehören zum mechanischen/Bearbeitungsteil 18 der CNC-Maschine 10. Dazu erzeugt die CNC-Steuereinrichtung 11 entsprechende Befehlswerte für jede Achse und das Fräswerkzeug, die über einen lokalen Feldbus 12, z. B. Profinet, an die elektrischen Antriebe 13.1 bis 13.5 aller Achsen und den elektrischen Spindelantrieb 17 des Spindelaktors 16 kommuniziert werden. Der Feldbus 12 ist ein Echtzeit-Kommunikationsfeldbus, der zur internen Kommunikation der CNC-Maschine 10 zwischen der CNC-Steuereinrichtung 11 und den elektrischen Antrieben 13.1 bis 13.5 und 17 verwendet wird. Die in die Maschine eingebetteten Messvorrichtungen/Sensoren 15.1 bis 15.5, die zum Messen der tatsächlichen Positionen von jeder Achse verwendet werden können, können auch mit dem Feldbus 12 verbunden werden. Die elektrischen Antriebe 13.1 bis 13.5 sind elektrische Vorrichtungen, die Steuerungsmittel sowie Verstärker umfassen, die befohlene Achsenpositionen und Achsengeschwindigkeiten von der CNC-Steuereinrichtung 11 empfangen und sie in elektrische Leistung/Strom zum Antreiben der Aktuatoren 14.1 bis 14.4 der entsprechenden Achse umwandelt. Zum Steuern der Bewegung entlang jeder Achse messen die in die Maschine eingebetteten Messvorrichtungen 15.1 bis 15.5, z. B. Linearwaagen mit hoher Auflösung, kontinuierlich die tatsächliche Position zur Rückmeldung über den Feldbus 12 an die Steuereinrichtung innerhalb der elektrischen Antriebe 13.1 bis 13.5 beziehungsweise der CNC-Steuereinrichtung 11.
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Wie vorhergehend beschrieben, konzentrieren sich neue Vorschläge zur Datenanalyse im Zusammenhang mit Big Data, dem Internet der Dinge und Industrie 4.0 auf Fertigungsprozesse von CNC-Maschinen oder Industrierobotern, wie beispielsweise Anwendungen zur Prozessqualität oder Produktivitätsanalytik von CNC-Maschinen. Die meisten dieser Analytik-Anwendungen, die auf dem Big-Data-Ansatz basieren, stützen sich auf die Verfügbarkeit eines breiten Spektrums an prozessbezogenen Massendaten, die vorzugsweise den gesamten Herstellungsprozess einer CNC-Maschine so detailliert wie möglich widerspiegeln und die typischerweise von unterschiedlichen Quellen des Fertigungssystems stammen. Einerseits wird von diesen prozessbezogenen Massendaten erwartet, dass sie harte Echtzeitdaten, die den Fertigungsprozess der CNC-Maschine betreffen, z. B. Werkzeugwegparameter eines Verarbeitungswerkzeugs, z. B. gesteuerte und tatsächliche Positionen, Drehzahlen, Beschleunigungen, ruckartige Bewegungen, Drehmomente, Antriebskräfte, Antriebsströme, in Bezug auf jede lineare oder Drehantriebsachse der CNC-Maschine umfassen. Typischerweise sind diese harten Echtzeitdaten lediglich zu einem spezifischen Zeitpunkt vorhanden und werden innerhalb der nächsten Schleife der Steuereinrichtung durch neue Werte ersetzt. Andererseits erfordern viele Analytikanwendungen auch Nicht-Echtzeitdaten, wie beispielsweise Programmcodes einer numerischen Steuerung (engl. Numeric Control – NC) und/oder NC-Programmkonfigurationsdaten, Maschinenkonfigurationsdaten, Antriebskonfigurationsdaten, Steuereinrichtungskonfigurationsdaten und Konfigurationsdaten von Verarbeitungswerkzeugen, insbesondere Bearbeitungsgeometrien und Bearbeitungseigenschaften, z. B. Materialentfernungseigenschaften. Wie vorhergehend weiter beschrieben, sind die Rechenressourcen der heutigen CNC-Steuereinrichtungen begrenzt, da sie lediglich in der Lage sind, diejenigen Daten aus dem Prozess aufzuzeichnen, die direkt die Hauptaufgabe der Steuereinrichtung – d. h. die Steuerung des Prozesses – betreffen. Lediglich wenn eine begrenzte Menge an Daten erfasst werden muss, kann eine Pufferungsverfolgungsfunktion das parallele Erfassen von Daten zum Steuern des laufenden Prozesses und ihr Bereitstellen an einer Schnittstelle, jedoch lediglich bis zu den Grenzen der Ressourcen im Hinblick auf die Leistung und den Speicher der CNC-Steuereinrichtung, ermöglichen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde erkannt, dass das Bereitstellen von prozessbezogenen Massendaten aus einer CNC-Maschine 10 für einen Datenempfänger 20, wie beispielsweise einen cloud-basierten Server für Big-Data-Analytik nur unter Verwendung einer separaten autonomen Vorrichtung parallel zur Steuereinrichtung 11 der CNC-Maschine 10 bewerkstelligt werden kann, die einerseits zur Datenerfassung und Vorverarbeitung von prozessbezogenen Massendaten von der CNC-Maschine 10 und andererseits zum Senden der prozessbezogenen Massendaten an einen entsprechenden Datenempfänger 20, wie beispielsweise einen cloud-basierten Server, in der Lage ist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist diese separate Vorrichtung als Client-Vorrichtung 1 ausgeführt, die ein Zusammenschaltungs-Gateway zwischen dem Datenempfänger 20, d. h. in der vorliegenden Ausführungsform einem cloud-basierten Server, und der CNC-Maschine 10, ist. Dafür umfasst die Client-Vorrichtung 1 eine erste Datenkommunikationsschnittstelle 2 mit der Steuereinrichtung 11 der CNC-Maschine 10 zum kontinuierlichen Aufzeichnen von harten prozessbezogenen Echtzeitdaten über mindestens einen Echtzeit-Datenkanal 7 sowie zum Aufzeichnen von prozessbezogenen Nicht-Echtzeitdaten über mindestens einen Nicht-Echtzeit-Datenkanal 8. Diese erste Datenkommunikationsschnittstelle 2 ist zur Datenkommunikation über den Feldbus 12 der CNC-Maschine 10 konfiguriert, d. h. die Client-Vorrichtung 1 koppelt sich direkt an den Feldbus 12, um mindestens die harten Echtzeitdaten aufzuzeichnen, die innerhalb der CNC-Maschine 10 über den Feldbus kommuniziert werden, wie vorhergehend beschrieben. Die prozessbezogenen Nicht-Echtzeitdaten können indes auch über den Feldbus 12 aufgezeichnet/kommuniziert werden. Alternativ können die prozessbezogenen Nicht-Echtzeitdaten, die über den Nicht-Echtzeitkanal kommuniziert werden, über eine separate Leitung, die sich von dem Feldbus unterscheidet, z. B. über einen separaten Kanal basierend auf Ethernet und TCP/IP, übertragen werden, wie in 1 bildlich dargestellt.
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Die heutigen Feldbusse sind für kleine Datenpakete, Befehle und Zustandsinformationen ausgelegt. Die Feldbusprotokolle können indes einfach durch Befehle und Verfahren erweitert werden, um größere Datenvolumina zu kommunizieren. Was die Protokolle betrifft, kann die Client-Vorrichtung 1 mit der CNC-Maschine 10 über TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) kommunizieren.
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Um so viele relevante Daten wie möglich für potenzielle Datenanalyseanwendungen bereitzustellen, ist die Client-Vorrichtung 1 konfiguriert, um die prozessbezogenen Echtzeitdaten bei einer Abtastrate gemäß dem niedrigsten Schleifenzeitniveau der CNC-Steuereinrichtung 11, insbesondere gemäß dem niedrigsten Schleifenzeitniveau der schnellsten Untersteuereinrichtung, zu erfassen und aufzuzeichnen, die die sogenannte Positionsschleifen-Steuereinrichtung der CNC-Maschine 10 ist. Was die vorliegende Ausführungsform betrifft, ist die Client-Vorrichtung 1 konfiguriert, um prozessbezogene Echtzeitdaten bei einer Abtastrate von mindestens 20 Hz, am meisten zu bevorzugen mindestens 100 Hz, zu erfassen und aufzuzeichnen.
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Erfindungsgemäß umfasst die Client-Vorrichtung 1 ferner eine zweite Datenkommunikationsschnittstelle 3 zum Senden der aufgezeichneten prozessbezogenen Massendaten an den Datenempfänger 20 und zur weiteren Datenkommunikation mit dem Datenempfänger 20. Was die vorliegende Ausführungsform betrifft, ist diese zweite Datenkommunikationsschnittstelle 3 zur Datenkommunikation mit dem cloud-basierten Server 20 über das Internet konfiguriert. Dazu kann die Client-Vorrichtung 1 einen Ethernet-Port und/oder Port eines drahtlosen lokalen Netzwerks (Wireless Local Area Network – WLAN) umfassen. Ferner ist die Client-Vorrichtung 1 TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) und/oder http/https (Hypertext Transfer Protocol/Hypertext Transfer Protocol Secure) fähig. Daher verwaltet die Client-Vorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung die Internetkommunikation der CNC-Maschine 10, wodurch die Verringerung der Rechenressourcenanforderungen und der Komplexität der CNC-Steuereinrichtung 11 erleichtert wird. Zusätzlich ist, da die CNC-Steuereinrichtung 11 keine direkte Verbindung mit dem Internet aufweist, die Integrität der CNC-Steuereinrichtung 11 im Hinblick auf die Cybersicherheit gemäß den IT-Richtlinien des Kunden gewährleistet. Darüber hinaus ermöglichen die Rechenressourcen der Client-Vorrichtung 1 zusätzliche Sicherheitsfunktionen in der Nähe der CNC-Maschine 10, wodurch die Cybersicherheit der CNC-Steuereinrichtung 11 weiter erhöht wird. Die Kommunikation der Client-Vorrichtung 1 mit dem Internet verwendet aus Sicherheitsgründen strikt ausgehende Kommunikation. Das bedeutet im Grunde, dass jede Kommunikation immer durch die Client-Vorrichtung 21 eingeleitet wird, die wiederum nicht adressierbar ist.
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Wie vorhergehend beschrieben, besteht die Hauptaufgabe der CNC-Steuereinrichtung 11 in der Steuerung des Echtzeit-Bearbeitungsprozesses. Für diese Aufgabe umfasst die CNC-Maschine 10 in die Maschine eingebettete Sensoren 15.1 bis 15.5, auf die die Steuereinrichtung 11 über den Feldbus 12 zugreifen kann. Viele Big-Data-Anwendungen benötigen indes mehr Rohdaten als die heutigen eingerichteten Sensoren bereitzustellen in der Lage sind. Aus diesen Gründen kann die Client-Vorrichtung 1 mindestens eine weitere Datenschnittstelle 4 mit mindestens einer externen Abtastvorrichtung und/oder mit mindestens einer Peripherievorrichtung, z. B. einem Aktor, einem elektrischen Antrieb oder einer in die Maschine eingebetteten Messvorrichtung, der CNC-Maschine oder des Industrieroboters zum direkten und ununterbrochenen Aufzeichnen von harten prozessbezogenen Echtzeitdaten unter Umgehung der Steuereinrichtung 11 der CNC-Maschine 10 umfassen. Was die vorliegende beispielhafte Ausführungsform betrifft, die in 1 gezeigt ist, ist ein zusätzlicher Kraftsensor 30 im Spindelaktor 17 des Fräswerkzeugs 16 eingerichtet, der direkt mit der Client-Vorrichtung 1 über die weitere Datenschnittstelle 4 verbunden ist. Das Vorhandensein von Zugriff auf diese Fräskraftdaten kann es einer spezifischen Anwendung auf dem cloud-basierten Server 20 ermöglichen, die durchschnittliche Produktivität der Maschine zu berechnen und ungenutztes Produktivitätspotential offenzulegen. Die mindestens eine weitere Datenschnittstelle 4 kann vorzugsweise einen A/D-Wandler, eine Bluetooth-Schnittstelle, eine digitale E/A-Schnittstelle und/oder eine Feldbus-Schnittstelle umfassen.
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Die Client-Vorrichtung 1 kann als Fat-Client-Vorrichtung, z. B. als ein Industrie-Personal-Computer mit einem Standard-Betriebssystem, wie beispielsweise Windows oder Linux, ausgeführt werden, die vorzugsweise einen direkten Zugangspunkt für Internet-Kommunikation und eine Datenverarbeitungseinheit 5 aufweist.
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Um einen aussagekräftigen Einblick in die aufgezeichneten Massendaten bereitzustellen und um überhaupt die Fähigkeit bereitzustellen, irgendwelche Muster oder Beziehungen zwischen Ursache und Wirkung innerhalb der Prozessdaten zu entdecken, erfordern die Analytikanwendungen eine Kontextualisierung der aufgezeichneten Rohdaten, insbesondere zwischen den Nicht-Echtzeitdaten und den harten Echtzeitdaten sowie innerhalb der harten Echtzeitdaten selbst. Dazu ist die CNC-Steuereinrichtung 11 der vorliegenden Ausführungsform konfiguriert, um ein Kontext-Tag als eine Art von Metadaten, z. B. ein Zeit-Tag, an die prozessbezogenen Echtzeitdaten sowie an die prozessbezogenen Nicht-Echtzeitdaten anzuhängen. Dieses Zeit-Tag wird der Client-Vorrichtung 1 über die Echtzeit- 7 und Nicht-Echtzeitkanäle 8 bereitgestellt, wodurch es der Client-Vorrichtung 1, d. h. ihrer Datenverarbeitungseinheit 5, ermöglicht wird, das Kontext-Tag, z. B. das Zeit-Tag, das durch die CNC-Steuereinrichtung 11 bereitgestellt wird, auch an die aufgezeichneten prozessbezogenen Echtzeitdaten von externen Abtastvorrichtungen und/oder Peripherievorrichtungen anzuhängen. Zuletzt ist die Datenverarbeitungseinheit 5 der Client-Vorrichtung 1 konfiguriert, um die verschiedenen Datenkanäle unter Verwendung des Kontext-Tags zusammenzuführen, um eine konsistente Menge an kontextualisierten Daten zu bilden, die dem cloud-basierten Server 20 zur Datenanalytik bereitgestellt werden. Zum Beispiel ist die Client-Vorrichtung 1 konfiguriert, um die Achsenpositionen (harte Echtzeitdaten) von der CNC-Maschine 10 über den Echtzeitkanal 7, der ein aufeinanderfolgendes Zeit-Tag umfasst, gemäß dem niedrigsten Schleifenniveau der Positionsschleifensteuereinrichtung der CNC-Maschine 10 aufzuzeichnen. Das Zeit-Tag wird auch dem aktiven NC-Programmcode bereitgestellt, der durch die Steuereinrichtung 11 der CNC-Maschine 10 verwendet wird. Sowohl die harten Echtzeit-Achsenpositionsdaten als auch die NC-Programmdaten werden durch die Client-Vorrichtung 1 über die erste Datenkommunikationsschnittstelle 2 einschließlich die angehängten Zeit-Tags aufgezeichnet. Obgleich die harten Echtzeit-Achsenpositionen kontinuierlich über den Echtzeitkanal 7 des Feldbusses kommuniziert werden, werden die NC-Programmdaten über den Nicht-Echtzeitkanal 8 kommuniziert. Darüber hinaus kann die Client-Vorrichtung 1 das durch die CNC-Steuereinrichtung 10 bereitgestellte Zeit-Tag an die harten Echtzeitdaten anhängen, die über die weitere Datenschnittstelle 4 von dem zusätzlichen Kraftsensor 30 aufgezeichnet werden, der mit dem Spindelaktor 17 verbunden ist. Als ein sehr wesentlicher Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung führt die Datenverarbeitungseinheit der Client-Vorrichtung 1 die verschiedenen Datenkanäle unter Verwendung des Zeit-Tags zusammen, um eine konsistente Menge an kontextualisierten Daten zu bilden, wobei die harten Echtzeit-Achsenpositionsdaten und die harten Echtzeit-Kraftsensordaten auf den spezifischen NC-Programmcode abgebildet/bezogen werden, der aktiv war, als die entsprechenden harten Echtzeitdaten erzeugt wurden.
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Das Aufzeichnen von harten Echtzeitdaten bei Abtastraten von mindestens 20 Hz erzeugt sehr schnell eine große Menge an Daten, die häufig nicht schnell genug über das Internet an die Cloud-Plattform 20 kommuniziert werden können. Daher ist die Client-Vorrichtung 1 zur Kommunikation von komprimierten Daten mit dem cloud-basieren Server konfiguriert. Ferner umfasst die Client-Vorrichtung Speichermittel 6 zur Datenpufferung der aufgezeichneten Massendaten auf Puffernetzwerkfehler. Davon abgesehen ist die Client-Vorrichtung konfiguriert, um die harten prozessbezogenen Echtzeitdaten mit einer Wahrscheinlichkeit von im Wesentlichen 100% zu erfassen und aufzuzeichnen, um die Aussagekraft der Datenanalyse zu gewährleisten.
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Darüber hinaus ist die Client-Vorrichtung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, das in 1 gezeigt ist, konfiguriert, um ausführbare Software-Anwendungen und/oder Software-Updates, insbesondere ausführbare Software-Anwendungen, die die Client-Vorrichtung 1 anweisen, eine spezifische Datenaufzeichnungsaufgabe und/oder lokale Datenanalyseaufgabe durchzuführen, von dem cloud-basierten Server 20 über die zweite Datenkommunikationsschnittstelle 3 zu empfangen und durchzuführen. Diese autonomen lokalen Datenanalyseaufgaben sind insbesondere in hohem Maße in dem Fall, in dem sehr kurze Zeiten für begrenzte Analysefunktionen erforderlich sind, oder in dem Fall zu bevorzugen, in dem die Kommunikationsbandbreite zwischen der Client-Vorrichtung 1 und dem cloud-basierten Server 20 sehr begrenzt ist. Insbesondere kann die Client-Vorrichtung 1 konfiguriert sein, um lokal eine Echtzeit-Datenanalyseaufgabe der kontextualisierten Menge von prozessbezogenen Daten durchzuführen, um den laufenden Prozess der CNC-Maschine oder des Industrieroboters in einer geschlossenen Schleife durch das Ergebnis der lokalen Echtzeit-Datenanalyse zu beeinflussen. Die Rückmeldung in der geschlossenen Schleife kann insbesondere über eine Echtzeitdaten-Kommunikationsschnittstelle in einer geschlossenen Schleife und/oder einem Echtzeit-Feldbus in einer geschlossenen Schleife bewerkstelligt werden.
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Wie in 1 veranschaulicht, führt das System 100 mit der Client-Vorrichtung 1 in Datenkommunikation mit dem Cloud-Server 20 über das Internet eine Topologie mit mehreren Benutzern aus, um Analyseanwendungen auf den aufgezeichneten Massendaten auszuführen. Das bedeutet, dass die Daten und die Analyseanwendungen auf dem Cloud-Server 20 durch verschiedene Benutzergruppen verwendet werden können und die Cloud-Datenbank gleichzeitig durch verschiedene Benutzergruppen verwendet werden kann, um ihre eigenen Anwendungen auszuführen. Die Benutzergruppen können IT-Unternehmen, OEMs (Maschinenbauer, Automatisierungs-, Antriebs-, Überwachungssteuerungs- und Datenerfassungslieferanten (Supervisory Control And Data Acquisition – SCADA)), Endbenutzer (Fertigungsunternehmen), Dienstleister, Bauteillieferanten, Ingenieurbüros und/oder Universitäten/Forschungsorganisationen sein.
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Nun ist unter Bezugnahme auf 2 eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, die schematisch ein System 100 zur Erfassung und Vorverarbeitung von prozessbezogenen Massendaten von mehreren CNC-Maschinen 10.1 bis 10.3 und zum Senden der prozessbezogenen Massendaten an einen Cloud-Server 20 zur Datenanalyse veranschaulicht. Dazu umfasst das System 100 mehrere Client-Vorrichtungen 1.1 bis 1.3 gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei jede Client-Vorrichtung 1.1 bis 1.3 über ihre erste Datenkommunikationsschnittstelle 2.1 bis 2.3 in Datenkommunikation mit einer entsprechenden Steuereinrichtung von einer entsprechenden von den mehreren CNC-Maschinen 10.1 bis 10.3 steht. Dementsprechend steht jede Client-Vorrichtung 1.1 bis 1.3, z. B. über Internet, durch ihre zweite Datenkommunikationsschnittstelle 3.1 bis 3.3 in Datenkommunikation mit dem Cloud-Server 20. Jede Datenleitung/Einheit, die aus einer CNC-Maschine 10.1 bis 10.3, einer verbindenden Client-Vorrichtung 1.1 bis 1.3 und dem Cloud-Server 20 besteht, kann im Grunde ähnlich oder gleich konfiguriert sein, wie in der Ausführungsform des Systems 100, wie unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. Darüber hinaus können die mehreren Client-Vorrichtungen 1.1 bis 1.3 miteinander, z. B. innerhalb eines LAN, über ihre entsprechenden Schnittstellen 9.1 bis 9.3 zwischen Clients, in Datenkommunikation stehen. Diese Konfiguration ermöglicht die gemeinsame Verwendung von Ressourcen. Zum Beispiel können in dem Fall, in dem eine Client-Vorrichtung über keinen Pufferspeicher mehr verfügt, die anderen Client-Vorrichtungen in dem LAN zusätzlichen Pufferspeicher bereitstellen. Auf ähnliche Weise können in dem Fall, in dem die Kommunikation zwischen der Client-Vorrichtung 1.1 und der Cloud 20 unterbrochen wird, die anderen Client-Vorrichtungen 1.2, 1.3 als verbindende Umgehung dienen. Darüber hinaus kann in dem Fall, in dem der Cloud-Server 20 die Verbindung mit einer spezifischen Client-Vorrichtung verloren hat, er eine andere Client-Vorrichtung innerhalb des Systems auffordern, diese spezifische Client-Vorrichtung zu überprüfen. Im Allgemeinen ist es auch möglich, dass mindestens eine von den Client-Vorrichtungen, z. B. die Client-Vorrichtung 1.2, in Datenkommunikation mit mehreren CNC-Maschinen steht. Dazu kann die spezifische Client-Vorrichtung 1.2 mehrere erste Datenkommunikationsschnittstellen 2.2, eine für jede CNC-Maschine, umfassen.
