diff --git a/documentation/umatiConnect_Report.md b/documentation/umatiConnect_Report.md index 425ba4f..02de088 100644 --- a/documentation/umatiConnect_Report.md +++ b/documentation/umatiConnect_Report.md @@ -4,9 +4,29 @@ ### 1.1 AP 1: Konzepterstellung - Integration von MTConnect in das umati Ökosystem -In AP 1 wurde ein Konzept zur Einbindung von Daten aus einer MTConnect-Schnittstelle in eine OPC UA4MT-Schnittstelle entwickelt. Hierzu wurden zunächst die relevanten Companion Specifications (CS) OPC UA for Machinery, OPC UA for Machine Tools (UA4MT) sowie aufbauende CS eingehend analysiert [VDM24, VDM25]. OPC UA Server, die die genannten CS verwenden, werden im Nachfolgenden mit dem Begriff „OPC UA4MT “ bezeichnet. Parallel erfolgte eine detaillierte Untersuchung der Variablen sowie der Modellierungsvorgaben des MTConnect-Standards (Spezifikationen Version 2.2.0 (2023) Part 2.0 und Part 3.0 [MTC23a, MTC23b]) sowie der CS „OPC 30070-1 OPC UA for MTConnect“ [MTC19]. - -Ergänzend zur theoretischen Analyse wurden OPC UA4MT- und MTConnect-Schnittstellen experimentell untersucht. Für OPC UA4MT stehen am IFW vier DMG Mori-Maschinen sowie der auf GitHub bereitgestellte umati Sample Server [CHR23] zur Verfügung. Für MTConnect wurden die von Mazak veröffentlichten Beispielserver für Version 1.3 bis 2.0 analysiert [MAZ22]. In Abstimmung mit Mazak wurde die weitere Arbeit auf Version 1.3 fokussiert, da nur diese Version in den in der freien Wirtschaft verfügbaren Maschinen implementiert ist. Zusätzlich stellte Mazak den VPN-Zugang zu einer realen MTConnect-Maschine bereit. Ebenfalls wurden die MTConnect-Implementierungen der DMG-Maschinen am IFW untersucht. Die verfügbaren Variablen auf beiden Schnittstellen können nach Tabelle 1 entsprechend Ihrer Verfügbarkeit sowie ihrer Modellierungsvorgabe (_mandatory_, _optional_) (nur OPC UA) eingeteilt werden. +In AP 1 wurde ein Konzept zur Einbindung von Daten aus einer +MTConnect-Schnittstelle in eine OPC UA4MT-Schnittstelle entwickelt. Hierzu +wurden zunächst die relevanten Companion Specifications (CS) OPC UA for +Machinery, OPC UA for Machine Tools (UA4MT) sowie aufbauende CS eingehend +analysiert [[VDM24]](#vdm24),[[VDM25]](#vdm25). OPC UA Server, die die genannten +CS verwenden, werden im Nachfolgenden mit dem Begriff „OPC UA4MT “ bezeichnet. +Parallel erfolgte eine detaillierte Untersuchung der Variablen sowie der +Modellierungsvorgaben des MTConnect-Standards (Spezifikationen Version 2.2.0 +(2023) Part 2.0 und Part 3.0 [[MTC23a]](#mtc23a),[[MTC23b]](#mtc23b)) sowie der CS „OPC 30070-1 OPC +UA for MTConnect“ [[MTC19]](#mtc19). + +Ergänzend zur theoretischen Analyse wurden OPC UA4MT- und +MTConnect-Schnittstellen experimentell untersucht. Für OPC UA4MT stehen am IFW +vier DMG Mori-Maschinen sowie der auf GitHub bereitgestellte umati Sample Server +[[CHR23]](#chr23) zur Verfügung. Für MTConnect wurden die von Mazak veröffentlichten +Beispielserver für Version 1.3 bis 2.0 analysiert [[MAZ22]](#maz22). In Abstimmung mit +Mazak wurde die weitere Arbeit auf Version 1.3 fokussiert, da nur diese Version +in den in der freien Wirtschaft verfügbaren Maschinen implementiert ist. +Zusätzlich stellte Mazak den VPN-Zugang zu einer realen MTConnect-Maschine +bereit. Ebenfalls wurden die MTConnect-Implementierungen der DMG-Maschinen am +IFW untersucht. Die verfügbaren Variablen auf beiden Schnittstellen können nach +Tabelle 1 entsprechend Ihrer Verfügbarkeit sowie ihrer Modellierungsvorgabe +(_mandatory_, _optional_) (nur OPC UA) eingeteilt werden. Tabelle 1: Aufteilung der verfügbaren Variablen @@ -15,85 +35,231 @@ Tabelle 1: Aufteilung der verfügbaren Variablen | mandatory | A1 | B1 | C | | optional | A2 | B2 | C | -Auf Basis dieser Analysen wurde geprüft, welche Variablen mit beiden Schnittstellen verfügbar sind bzw. fehlen und wie MTConnect-Daten in die umati-Informationsmodelle integriert werden können. Hierfür wurde eine Mapping-Tabelle erstellt, die für jede Variable Variablenname, Datentyp, Datenpfad und Modellierungsvorgabe enthält. Fehlende Variablen wurden gekennzeichnet. Für die MTConnect-Implementierungen von DMG und Mazak wurde jeweils ein Informationsmodell mit _UaModeller_ auf Grundlage der _OPC UA for Machine Tools_ CS erstellt. MTConnect-Variablen ohne direkte Entsprechung (C) wurden nach fachlicher Bewertung durch VDW und IFW in die Struktur aufgenommen. Zusätzlich wurden diese in der Mapping-Tabelle auf einer Skala von 1 bis 5 hinsichtlich ihres Potenzials für künftige CS-Versionen bewertet. Mit Abschluss von AP 1 liegen zwei _UaModeller_-Projektdateien, die zugehörigen _NodeSet2.xml_-Informationsmodelle sowie eine vollständige Mapping-Tabelle zwischen _OPC UA for Machine Tools_ und MTConnect vor. +Auf Basis dieser Analysen wurde geprüft, welche Variablen mit beiden +Schnittstellen verfügbar sind bzw. fehlen und wie MTConnect-Daten in die +umati-Informationsmodelle integriert werden können. Hierfür wurde eine +Mapping-Tabelle erstellt, die für jede Variable Variablenname, Datentyp, +Datenpfad und Modellierungsvorgabe enthält. Fehlende Variablen wurden +gekennzeichnet. Für die MTConnect-Implementierungen von DMG und Mazak wurde +jeweils ein Informationsmodell mit _UaModeller_ auf Grundlage der _OPC UA for +Machine Tools_ CS erstellt. MTConnect-Variablen ohne direkte Entsprechung (C) +wurden nach fachlicher Bewertung durch VDW und IFW in die Struktur aufgenommen. +Zusätzlich wurden diese in der Mapping-Tabelle auf einer Skala von 1 bis 5 +hinsichtlich ihres Potenzials für künftige CS-Versionen bewertet. Mit Abschluss +von AP 1 liegen zwei _UaModeller_-Projektdateien, die zugehörigen +_NodeSet2.xml_-Informationsmodelle sowie eine vollständige Mapping-Tabelle +zwischen _OPC UA for Machine Tools_ und MTConnect vor. ### 1.2 AP 2: Softwareentwicklung: Adapter MTConnect nach OPC UA4MT -In AP 2 wurde eine prototypische Software zur Konvertierung von Daten aus MTConnect-Schnittstellen in OPC UA4MT-Schnittstellen entwickelt (_mtc2umati_). Die Implementierung erfolgte als .NET 9.0-Anwendung unter Verwendung der _UA-.NETStandard_-Bibliothek (OPCFoundation.NetStandard.Opc.Ua, Version 1.5.375.457), da diese den Import des aktuellsten _OPC UA for Machine Tools_ Informationsmodells (Stand 18.08.2025) unterstützt. - -Zunächst erfolgte die Einarbeitung in die _UA-.NETStandard_-Bibliothek, um die Grundlagen für die Entwicklung zentraler Adapterfunktionen zu schaffen. Dabei wurden Softwarefunktionen zum Import der in AP 1 erstellten Informationsmodelle sowie der zugehörigen Excel-Mappingtabelle (mapping.xlsx) entwickelt. Das Setzen erforderlicher Parameter (z. B. IP-Adresse und Port des MTConnect Quellservers sowie Pfad der Mappingtabelle) wurde über eine Konfigurationsdatei (config.json) umgesetzt. - -Bei Ausführung der Adapter-Software wird zunächst auf Basis der importierten Informationsmodelle ein OPC UA-Server aufgebaut und anschließend eine Verbindung zum MTConnect-Server hergestellt. Der Maschinenname ist nicht als reguläre Variable auf der MTConnect-Schnittstelle verfügbar. Stattdessen konnte gezeigt werden, dass er automatisiert aus dem _DeviceStream_-Namen der MTConnect-XML extrahiert werden kann. Hierfür wurde eine Funktion entwickelt, die den entsprechenden Maschinenordner im OPC UA-Server automatisch umbenennt. Die Variablen werden gemäß der Mappingtabelle ausgelesen und asynchron auf den OPC UA-Server geschrieben, wobei ausschließlich geänderte Werte übertragen werden. Für ausgewählte Variablen wurden spezifische Konvertierungsregeln konzipiert und implementiert. - -Zur Ergänzung fehlender _mandatory_-Daten (A1) wurde eine Funktion zum Einlesen statischer Werte entwickelt. Diese Werte können direkt in der Mappingtabelle definiert werden und werden in gleicher Weise auf den OPC UA-Server geschrieben. Für den Adapter stehen drei Betriebsmodi zur Verfügung: +In AP 2 wurde eine prototypische Software zur Konvertierung von Daten aus +MTConnect-Schnittstellen in OPC UA4MT-Schnittstellen entwickelt (_mtc2umati_). +Die Implementierung erfolgte als .NET 9.0-Anwendung unter Verwendung der +_UA-.NETStandard_-Bibliothek (OPCFoundation.NetStandard.Opc.Ua, Version +1.5.375.457), da diese den Import des aktuellsten _OPC UA for Machine Tools_ +Informationsmodells (Stand 18.08.2025) unterstützt. + +Zunächst erfolgte die Einarbeitung in die _UA-.NETStandard_-Bibliothek, um die +Grundlagen für die Entwicklung zentraler Adapterfunktionen zu schaffen. Dabei +wurden Softwarefunktionen zum Import der in AP 1 erstellten Informationsmodelle +sowie der zugehörigen Excel-Mappingtabelle (mapping.xlsx) entwickelt. Das Setzen +erforderlicher Parameter (z.B. IP-Adresse und Port des MTConnect Quellservers +sowie Pfad der Mappingtabelle) wurde über eine Konfigurationsdatei (config.json) +umgesetzt. + +Bei Ausführung der Adapter-Software wird zunächst auf Basis der importierten +Informationsmodelle ein OPC UA-Server aufgebaut und anschließend eine Verbindung +zum MTConnect-Server hergestellt. Der Maschinenname ist nicht als reguläre +Variable auf der MTConnect-Schnittstelle verfügbar. Stattdessen konnte gezeigt +werden, dass er automatisiert aus dem _DeviceStream_-Namen der MTConnect-XML +extrahiert werden kann. Hierfür wurde eine Funktion entwickelt, die den +entsprechenden Maschinenordner im OPC UA-Server automatisch umbenennt. Die +Variablen werden gemäß der Mappingtabelle ausgelesen und asynchron auf den OPC +UA-Server geschrieben, wobei ausschließlich geänderte Werte übertragen werden. +Für ausgewählte Variablen wurden spezifische Konvertierungsregeln konzipiert und +implementiert. + +Zur Ergänzung fehlender _mandatory_-Daten (A1) wurde eine Funktion zum Einlesen +statischer Werte entwickelt. Diese Werte können direkt in der Mappingtabelle +definiert werden und werden in gleicher Weise auf den OPC UA-Server geschrieben. +Für den Adapter stehen drei Betriebsmodi zur Verfügung: 1. Übertragung ausschließlich standardkonformer A- und B-Variablen, 2. Integration zusätzlicher C-Variablen in die OPC UA-Struktur, 3. Zusammenführung der C-Variablen in einem separaten Ordner „MTConnect“. -Der Adapter ist in der Lage, Ordner und Knoten im OPC UA-Server dynamisch anzulegen. Aufgrund der statischen MTConnect-Implementierungen ist diese Funktion jedoch in der Praxis nicht erforderlich. Die Praxistauglichkeit wurde durch die Anbindung der Referenzmaschinen an den umati-Showcase des VDW über das umatiGateway (Stand 26.06.2025) nachgewiesen. Zusätzlich liegt eine _Docker-Compose_-Implementierung bei, die eine automatisierte Verbindung zu einem Mazak-MTConnect-Referenzserver herstellt und sich mit einem einzigen Befehl ausführen lässt. +Der Adapter ist in der Lage, Ordner und Knoten im OPC UA-Server dynamisch +anzulegen. Aufgrund der statischen MTConnect-Implementierungen ist diese +Funktion jedoch in der Praxis nicht erforderlich. Die Praxistauglichkeit wurde +durch die Anbindung der Referenzmaschinen an den umati-Showcase des VDW über das +umatiGateway (Stand 26.06.2025) nachgewiesen. Zusätzlich liegt eine +_Docker-Compose_-Implementierung bei, die eine automatisierte Verbindung zu +einem Mazak-MTConnect-Referenzserver herstellt und sich mit einem einzigen +Befehl ausführen lässt. ### 1.3 AP 3: Softwareentwicklung: Adapter UA4MT nach MTConnect -In AP 3 wurde eine Software zur Konvertierung von Daten aus der OPC UA4MT-Schnittstelle in das MTConnect-Format entwickelt (umati2mtc). Die Implementierung erfolgte als Python-Anwendung (3.11) in Kombination mit dem offiziellen C++ Agent des MTConnect Institute (Version 2.5.0.11). - -Zunächst wurde die vom MTConnect Institute bereitgestellte technische Dokumentation zur vorgesehenen Umsetzung von MTConnect-Schnittstellen analysiert [MTC25]. Diese sieht die Umsetzung einer Adapter-Agent-Architektur unter Verwendung des offiziellen C++ Agenten vor. Der Datenaustausch erfolgt über das SHDR-Protokoll (Simple Hierarchical Data Representation) und erfordert den Aufbau eines SHDR-Servers im Adapter. Das Informationsmodell des Agenten definiert die Struktur der XML-Dateien, bestehend aus _Device_- und _Component_-Streams sowie den Datentypen _Samples_, _Events_ und _Conditions_. Jede Variable wird durch einen Namen (_SpecName_) eindeutig gekennzeichnet. Zusätzlich werden Parameter des Agenten (z. B. IP-Adresse des SHDR-Servers) in der Konfigurationsdatei _agent.dock_ gesetzt. - -Mit dieser Ausgangslage wurde der Adapter entwickelt und implementiert. Um eine hohe Wartbarkeit durch die Verwendung von Standardkomponenten zu erzielen, wurde in Abstimmung mit dem VDW das _umatiGateway_ als Datenquelle genutzt. Dieses stellt bereits Funktionen bereit, um sich mit OPC UA4MT-Servern zu verbinden und die erfassten Daten gebündelt im JSON-Format über MQTT an einen Broker zu übertragen. Der entwickelte Adapter baut einen MQTT-Client auf, verbindet sich mit einem konfigurierten Broker und liest die Nachrichten an einem definierten „Topic“ zyklisch aus. Auf Grundlage der Mappingtabelle werden die Werte in den JSON-Nachrichten ausgelesen, bedarfsgerecht konvertiert und im Adapter zwischengespeichert. Parallel dazu wird ein SHDR-Server aufgebaut, der als Schnittstelle zwischen Adapter und C++ Agent fungiert. - -Es wurde untersucht, wie die Daten möglichst effizient über SHDR übertragen werden können. Dabei wurde festgestellt, dass das Protokoll die gleichzeitige Übertragung beliebig vieler Variablen unterstützt. Eine Funktion wurde entwickelt, die aus allen verfügbaren Daten eine einzelne Nachricht im SHDR-Format erstellt und diese an den SHDR-Server überträgt. +In AP 3 wurde eine Software zur Konvertierung von Daten aus der OPC +UA4MT-Schnittstelle in das MTConnect-Format entwickelt (umati2mtc). Die +Implementierung erfolgte als Python-Anwendung (3.11) in Kombination mit dem +offiziellen C++ Agent des MTConnect Institute (Version 2.5.0.11). + +Zunächst wurde die vom MTConnect Institute bereitgestellte technische +Dokumentation zur vorgesehenen Umsetzung von MTConnect-Schnittstellen analysiert +[[MTC25]](#mtc25). Diese sieht die Umsetzung einer Adapter-Agent-Architektur unter +Verwendung des offiziellen C++ Agenten vor. Der Datenaustausch erfolgt über das +SHDR-Protokoll (Simple Hierarchical Data Representation) und erfordert den +Aufbau eines SHDR-Servers im Adapter. Das Informationsmodell des Agenten +definiert die Struktur der XML-Dateien, bestehend aus _Device_- und +_Component_-Streams sowie den Datentypen _Samples_, _Events_ und _Conditions_. +Jede Variable wird durch einen Namen (_SpecName_) eindeutig gekennzeichnet. +Zusätzlich werden Parameter des Agenten (z. B. IP-Adresse des SHDR-Servers) in +der Konfigurationsdatei _agent.dock_ gesetzt. + +Mit dieser Ausgangslage wurde der Adapter entwickelt und implementiert. Um eine +hohe Wartbarkeit durch die Verwendung von Standardkomponenten zu erzielen, wurde +in Abstimmung mit dem VDW das _umatiGateway_ als Datenquelle genutzt. Dieses +stellt bereits Funktionen bereit, um sich mit OPC UA4MT-Servern zu verbinden und +die erfassten Daten gebündelt im JSON-Format über MQTT an einen Broker zu +übertragen. Der entwickelte Adapter baut einen MQTT-Client auf, verbindet sich +mit einem konfigurierten Broker und liest die Nachrichten an einem definierten +„Topic“ zyklisch aus. Auf Grundlage der Mappingtabelle werden die Werte in den +JSON-Nachrichten ausgelesen, bedarfsgerecht konvertiert und im Adapter +zwischengespeichert. Parallel dazu wird ein SHDR-Server aufgebaut, der als +Schnittstelle zwischen Adapter und C++ Agent fungiert. + +Es wurde untersucht, wie die Daten möglichst effizient über SHDR übertragen +werden können. Dabei wurde festgestellt, dass das Protokoll die gleichzeitige +Übertragung beliebig vieler Variablen unterstützt. Eine Funktion wurde +entwickelt, die aus allen verfügbaren Daten eine einzelne Nachricht im +SHDR-Format erstellt und diese an den SHDR-Server überträgt. SHDR-Nachricht = {Zeitstempel} | SpecName1 | Wert1 | SpecName2 | Wert2 | … -Der C++ Agent greift zyklisch auf diesen Server zu, integriert die Daten in die XML-Struktur und stellt sie im eigenen Dashboard live dar. Damit konnte der korrekte Datenaustausch verifiziert werden. Zusätzlich wurde die Funktionalität des Adapters mit der von Mazak bereitgestellten MTConnect-Dashboard-Software _Smooth Monitor AX_ validiert. Hierfür war es erforderlich, die C-Variable _Availability_ gesondert auf „AVAILABLE“ zu setzen. Inzwischen ist Mazak von _Smooth Monitor Ax_ auf die Dashboard-Software _iConnect_ umgestiegen, welche MTConnect nicht mehr unterstützt. Für das Teilprojekt _umati2mtc_ wurde zusätzlich ein Demo-Modus über eine _Docker-Compose_-Implementierung samt Simulationsumgebung umgesetzt. +Der C++ Agent greift zyklisch auf diesen Server zu, integriert die Daten in die +XML-Struktur und stellt sie im eigenen Dashboard live dar. Damit konnte der +korrekte Datenaustausch verifiziert werden. Zusätzlich wurde die Funktionalität +des Adapters mit der von Mazak bereitgestellten MTConnect-Dashboard-Software +_Smooth Monitor AX_ validiert. Hierfür war es erforderlich, die C-Variable +_Availability_ gesondert auf „AVAILABLE“ zu setzen. Inzwischen ist Mazak von +_Smooth Monitor Ax_ auf die Dashboard-Software _iConnect_ umgestiegen, welche +MTConnect nicht mehr unterstützt. Für das Teilprojekt _umati2mtc_ wurde +zusätzlich ein Demo-Modus über eine _Docker-Compose_-Implementierung samt +Simulationsumgebung umgesetzt. ### 1.4 Einbindung weiterer Maschinen -Mit _umatiConnect_ stehen Beispielimplementierungen für DMG- und Mazak-Maschinen bereit. Neue Maschinen lassen sich mit geringem Anpassungsaufwand integrieren. Im Folgenden ist beschrieben, wie die vorhandenen Adapter für zusätzliche Maschinen genutzt und Variablen hinzugefügt oder geändert werden können. Die Schritte beziehen sich namentlich auf die im Repository abgelegten Softwaremodule und Dateien. +Mit _umatiConnect_ stehen Beispielimplementierungen für DMG- und Mazak-Maschinen +bereit. Neue Maschinen lassen sich mit geringem Anpassungsaufwand integrieren. +Im Folgenden ist beschrieben, wie die vorhandenen Adapter für zusätzliche +Maschinen genutzt und Variablen hinzugefügt oder geändert werden können. Die +Schritte beziehen sich namentlich auf die im Repository abgelegten +Softwaremodule und Dateien. #### 1.4.1 Adaption der mtc2umati-Software (Anbindung einer MTConnect Maschine) -Um die Software optimal an die vorliegende, neue MTConnect Maschine anzupassen, kann es erforderlich sein, die bereitgestellten _NodeSet2_-Informationsmodelle zu verändern oder ein neues Informationsmodell entsprechend der individuellen MTConnect-Implementierung zu erstellen. Für das Informationsmodell sollte dabei ein neuer und eindeutiger _Address Space_ definiert werden. Zur Erstellung des Modells kann etwa _UaModeller_ eingesetzt werden. Die neue Modelldatei ist anschließend im Verzeichnis _mtc2umati/Nodesets_ abzulegen und über den _umatiNodeManager_ zu importieren. Danach sollte die bestehende _mapping.xlsx_-Datei aktualisiert oder durch eine neue Datei ersetzt werden, um die Variablenzuordnung anzupassen. In der Konfigurationsdatei _mtc2umati/config.json_ sind anschließend sowohl die neue Mapping-Datei als auch die Verbindungsdaten zum MTConnect-Server einzutragen. Falls für bestimmte Variablen besondere Umwandlungen notwendig sind, sind diese im Modul _DataConversion_ zu implementieren. +Um die Software optimal an die vorliegende, neue MTConnect Maschine anzupassen, +kann es erforderlich sein, die bereitgestellten _NodeSet2_-Informationsmodelle +zu verändern oder ein neues Informationsmodell entsprechend der individuellen +MTConnect-Implementierung zu erstellen. Für das Informationsmodell sollte dabei +ein neuer und eindeutiger _Address Space_ definiert werden. Zur Erstellung des +Modells kann etwa _UaModeller_ eingesetzt werden. Die neue Modelldatei ist +anschließend im Verzeichnis _mtc2umati/Nodesets_ abzulegen und über den +_umatiNodeManager_ zu importieren. Danach sollte die bestehende +_mapping.xlsx_-Datei aktualisiert oder durch eine neue Datei ersetzt werden, um +die Variablenzuordnung anzupassen. In der Konfigurationsdatei +_mtc2umati/config.json_ sind anschließend sowohl die neue Mapping-Datei als auch +die Verbindungsdaten zum MTConnect-Server einzutragen. Falls für bestimmte +Variablen besondere Umwandlungen notwendig sind, sind diese im Modul +_DataConversion_ zu implementieren. #### 1.4.1 Adaption der umati2mtc-Software (Anbindung einer OPC UA4MT-Maschine) -Die Software ist erweiterbar und kann zur Unterstützung von spezifischen MTConnect-Dashboards angepasst werden. Hierfür lässt sich das resultierende MTConnect-XML-Format mit minimalem Aufwand durch eine Anpassung des MTConnect-Informationsmodells in der Datei -_umati2mtc/Agent/Devices.xml_ flexibel ändern. Anschließend muss die bestehende _mapping.xlsx_-Datei entsprechend aktualisiert oder eine neue Datei erstellt werden, um die Zuordnung der Variablen festzulegen. Die neue Mapping-Datei ist in der Konfigurationsdatei _umati2mtc/config.json_ einzutragen. Danach wird eine Instanz des umatiGateway eingerichtet und mit dem umati-Server der Maschine verbunden. Die MQTT-Einstellungen des Gateways sind so zu konfigurieren, dass die Daten an den bereitgestellten MQTT-Broker gesendet werden (localhost:1883). Falls für bestimmte Variablen spezielle Umwandlungen erforderlich sind, sind diese im Programmcode im Modul _data_conversion_ zu implementieren. +Die Software ist erweiterbar und kann zur Unterstützung von spezifischen +MTConnect-Dashboards angepasst werden. Hierfür lässt sich das resultierende +MTConnect-XML-Format mit minimalem Aufwand durch eine Anpassung des +MTConnect-Informationsmodells in der Datei +_umati2mtc/Agent/Devices.xml_ flexibel ändern. Anschließend muss die bestehende +_mapping.xlsx_-Datei entsprechend aktualisiert oder eine neue Datei erstellt +werden, um die Zuordnung der Variablen festzulegen. Die neue Mapping-Datei ist +in der Konfigurationsdatei _umati2mtc/config.json_ einzutragen. Danach wird eine +Instanz des umatiGateway eingerichtet und mit dem umati-Server der Maschine +verbunden. Die MQTT-Einstellungen des Gateways sind so zu konfigurieren, dass +die Daten an den bereitgestellten MQTT-Broker gesendet werden (localhost:1883). +Falls für bestimmte Variablen spezielle Umwandlungen erforderlich sind, sind +diese im Programmcode im Modul _data_conversion_ zu implementieren. ## 2 Zusammenfassung und Ausblick -Durch die Analyse der OPC UA- und MTConnect-Spezifikationen sowie entsprechender Softwareumsetzungen und Bibliotheken konnten Lösungen zur Integration von MTConnect in das umati-Ökosystem konzipiert und erfolgreich realisiert werden. Als zentrale Ergebnisse liegen Mappingtabellen zur bidirektionalen Konvertierung von Daten zwischen beiden Schnittstellen sowie zwei funktionsfähige Softwareadapter für die praktische Umsetzung vor. Der dokumentierte Quellcode wurde dem VDW bereitgestellt. Damit wurden die Kernziele des Forschungsvorhabens erreicht. Durch eine ausführliche technische Dokumentation sowie durch die zugängliche Gestaltung der Softwarelösungen samt Demo-Modus wurde die einfache Weiterverwendung und Weiterentwicklung der Ergebnisse sichergestellt. - -Das im Rahmen des Projekts erworbene Wissen zu _OPC UA for Machine Tools_ und MTConnect wird am IFW auch künftig genutzt. Darüber hinaus werden die erzielten Ergebnisse und Projekttätigkeiten aktiv in der Öffentlichkeitsarbeit des IFW kommuniziert. Aufbauend auf der gewonnenen Expertise wird das IFW auch zukünftig einen aktiven Beitrag zur weiteren Verbreitung und Etablierung von umati in der Industrie leisten. +Durch die Analyse der OPC UA- und MTConnect-Spezifikationen sowie entsprechender +Softwareumsetzungen und Bibliotheken konnten Lösungen zur Integration von +MTConnect in das umati-Ökosystem konzipiert und erfolgreich realisiert werden. +Als zentrale Ergebnisse liegen Mappingtabellen zur bidirektionalen Konvertierung +von Daten zwischen beiden Schnittstellen sowie zwei funktionsfähige +Softwareadapter für die praktische Umsetzung vor. Der dokumentierte Quellcode +wurde dem VDW bereitgestellt. Damit wurden die Kernziele des Forschungsvorhabens +erreicht. Durch eine ausführliche technische Dokumentation sowie durch die +zugängliche Gestaltung der Softwarelösungen samt Demo-Modus wurde die einfache +Weiterverwendung und Weiterentwicklung der Ergebnisse sichergestellt. + +Das im Rahmen des Projekts erworbene Wissen zu _OPC UA for Machine Tools_ und +MTConnect wird am IFW auch künftig genutzt. Darüber hinaus werden die erzielten +Ergebnisse und Projekttätigkeiten aktiv in der Öffentlichkeitsarbeit des IFW +kommuniziert. Aufbauend auf der gewonnenen Expertise wird das IFW auch zukünftig +einen aktiven Beitrag zur weiteren Verbreitung und Etablierung von umati in der +Industrie leisten. ## 3 Literaturverzeichnis -| | | -| -------- | ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- | -| [CHR23] | Christian von Arnim, et al. (2023): umati/Sample-Server: Release 1.1.1, online verfügbar unter: [https://github.com/umati/Sample-Server/releases/tag/v1.1.1](https://github.com/umati/Sample-Server/releases/tag/v1.1.1) | -| [MAZ22] | Mazak (2022): Demo Agents, online verfügbar unter: [http://mtconnect.mazakcorp.com/](http://mtconnect.mazakcorp.com/) | -| [MTC19] | MTConnect Institute (2019): OPC 30070-1: OPC UA for MTConnect® Part1: Device Model (Ver. 2.00.00) | -| [MTC23a] | MTConnect Institute (2023): MTConnect Standard. Part 3.0 - Observation Information Model - Version 2.2.0 | -| [MTC23b] | MTConnect Institute (2023): MTConnect Standard. Part 2.0 - Device Information Model - Version 2.2.0 | -| [MTC25] | MTConnect Institute (2025): MTConnect Standard, online verfügbar unter: [https://www.mtconnect.org/standard-download20181](https://www.mtconnect.org/standard-download20181), zuletzt aufgerufen am 12.08.2025 | -| [VDM24] | VDMA (2024): VDMA 40501-1. OPC UA for Machine Tools - Part 1: Machine Monitoring and Job Management | -| [VDM25] | VDMA (2025): VDMA 40001-1. OPC UA for Machinery - Part 1: Basic Building Blocks (Draft) | +| | | +| --------------------------- | ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ | +| [CHR23] | Christian von Arnim, et al. (2023): [umati/Sample-Server: Release 1.1.1](https://github.com/umati/Sample-Server/releases/tag/v1.1.1) | +| [MAZ22] | Mazak (2022): Demo Agents | +| [MTC19] | MTConnect Institute (2019): OPC 30070-1: OPC UA for MTConnect® Part1: Device Model (Ver. 2.00.00) | +| [MTC23a] | MTConnect Institute (2023): MTConnect Standard. Part 3.0 - Observation Information Model - Version 2.2.0 | +| [MTC23b] | MTConnect Institute (2023): MTConnect Standard. Part 2.0 - Device Information Model - Version 2.2.0 | +| [MTC25] | MTConnect Institute (2025): [MTConnect Standard](https://www.mtconnect.org/standard-download20181), zuletzt aufgerufen am 12.08.2025 | +| [VDM24] | VDMA (2024): VDMA 40501-1. OPC UA for Machine Tools - Part 1: Machine Monitoring and Job Management | +| [VDM25] | VDMA (2025): VDMA 40001-1. OPC UA for Machinery - Part 1: Basic Building Blocks | + +--- -## **Integration of MTConnect into the umati Ecosystem** +## Integration of MTConnect into the umati Ecosystem ## Disclaimer -This English translation is provided for informational purposes only. In case of discrepancies or conflicts, the original German version shall prevail. +This English translation is provided for informational purposes only. In case of +discrepancies or conflicts, the original German version shall prevail. ## 1. Description of Performed Activities -The following section describes the activities and results of the project "**umatiConnect – Integration of MTConnect into the umati Ecosystem**". Additional detailed graphics can be found in the document "**umatiConnectOverview**". +The following section describes the activities and results of the project +"**umatiConnect – Integration of MTConnect into the umati Ecosystem**". +Additional detailed graphics can be found in the document +"**umatiConnectOverview**". ### 1.1 WP 1: Concept Development – Integration of MTConnect into the umati Ecosystem -In WP 1, a concept was developed for integrating data from an MTConnect interface into an OPC UA4MT interface. This involved an in-depth analysis of the relevant Companion Specifications (CS) – OPC UA for Machinery, OPC UA for Machine Tools (UA4MT), as well as additional related CS [VDM24, VDM25]. OPC UA servers that implement these CS will hereafter be referred to as **OPC UA4MT**. In parallel, the variables and modeling guidelines of the MTConnect standard were examined in detail (Specifications Version 2.2.0 (2023) Part 2.0 and Part 3.0 [MTC23a, MTC23b], as well as CS “OPC 30070-1 OPC UA for MTConnect” [MTC19]). - -In addition to theoretical analysis, OPC UA4MT and MTConnect interfaces were experimentally evaluated. At IFW, four DMG Mori machines as well as the umati sample server available on GitHub [CHR23] were used for OPC UA4MT. For MTConnect, example servers for versions 1.3 to 2.0 published by Mazak were analyzed [MAZ22]. In consultation with Mazak, work was focused on version 1.3, as this is the only version implemented in machines currently available in the industry. Mazak also provided VPN access to a real MTConnect machine. MTConnect implementations on the DMG machines at IFW were also examined. The available variables on both interfaces can be categorized according to their availability and modeling requirements (_mandatory_, _optional_) (OPC UA only), as shown in Table 1. +In WP 1, a concept was developed for integrating data from an MTConnect +interface into an OPC UA4MT interface. This involved an in-depth analysis of the +relevant Companion Specifications (CS) – OPC UA for Machinery, OPC UA for +Machine Tools (UA4MT), as well as additional related CS [[VDM24]](#vdm24),[[VDM25]](#vdm25). OPC UA +servers that implement these CS will hereafter be referred to as **OPC UA4MT**. +In parallel, the variables and modeling guidelines of the MTConnect standard +were examined in detail (Specifications Version 2.2.0 (2023) Part 2.0 and Part +3.0 [[MTC23a, MTC23b]](#mtc23a), as well as CS “OPC 30070-1 OPC UA for MTConnect” [[MTC19]](#mtc19)). + +In addition to theoretical analysis, OPC UA4MT and MTConnect interfaces were +experimentally evaluated. At IFW, four DMG Mori machines as well as the umati +sample server available on GitHub [CHR23](#chr23) were used for OPC UA4MT. For +MTConnect, example servers for versions 1.3 to 2.0 published by Mazak were +analyzed [MAZ22](#maz22). In consultation with Mazak, work was focused on version 1.3, +as this is the only version implemented in machines currently available in the +industry. Mazak also provided VPN access to a real MTConnect machine. MTConnect +implementations on the DMG machines at IFW were also examined. The available +variables on both interfaces can be categorized according to their availability +and modeling requirements (_mandatory_, _optional_) (OPC UA only), as shown in +Table 1. Table 1: Classification of available variables @@ -102,55 +268,119 @@ Table 1: Classification of available variables | mandatory | A1 | B1 | C | | optional | A2 | B2 | C | -Based on these analyses, it was determined which variables are available on both interfaces or missing, and how MTConnect data can be integrated into the umati information models. A mapping table was created containing for each variable: name, data type, data path, and modeling requirement. Missing variables were marked. For the MTConnect implementations from DMG and Mazak, an information model based on the **OPC UA for Machine Tools** CS was created using _UaModeller_. MTConnect variables without a direct equivalent (C) were included in the structure after technical evaluation by VDW and IFW. These were also rated on a scale from 1 to 5 in the mapping table regarding their potential for future CS versions. At the end of WP 1, two _UaModeller_ project files, the associated _NodeSet2.xml_ information models, and a complete mapping table between OPC UA for Machine Tools and MTConnect were available. +Based on these analyses, it was determined which variables are available on both +interfaces or missing, and how MTConnect data can be integrated into the umati +information models. A mapping table was created containing for each variable: +name, data type, data path, and modeling requirement. Missing variables were +marked. For the MTConnect implementations from DMG and Mazak, an information +model based on the **OPC UA for Machine Tools** CS was created using +_UaModeller_. MTConnect variables without a direct equivalent (C) were included +in the structure after technical evaluation by VDW and IFW. These were also +rated on a scale from 1 to 5 in the mapping table regarding their potential for +future CS versions. At the end of WP 1, two _UaModeller_ project files, the +associated _NodeSet2.xml_ information models, and a complete mapping table +between OPC UA for Machine Tools and MTConnect were available. ### 1.2 WP 2: Software Development – Adapter MTConnect to OPC UA4MT -In WP 2, a prototype software for converting data from MTConnect interfaces to OPC UA4MT interfaces was developed (**mtc2umati**). The implementation was done as a .NET 9.0 application using the _UA-.NETStandard_ library (OPCFoundation.NetStandard.Opc.Ua, version 1.5.375.457), which supports importing the latest **OPC UA for Machine Tools** information model (as of 18.08.2025). - -Functions were implemented for importing the information models created in WP 1 as well as the associated Excel mapping table (_mapping.xlsx_). Parameters such as the MTConnect server IP address and mapping file path were configured via _config.json_. Upon execution, the adapter sets up an OPC UA server based on the imported models and connects to the MTConnect server. Machine names are extracted from the _DeviceStream_ name in MTConnect XML and automatically assigned to the OPC UA server folder. Variables are read according to the mapping table and written asynchronously to the OPC UA server, transmitting only changed values. Specific conversion rules were implemented for selected variables. - -To supplement missing _mandatory_ data (A1), a function was implemented for reading static values defined in the mapping table. The adapter supports three operation modes: +In WP 2, a prototype software for converting data from MTConnect interfaces to +OPC UA4MT interfaces was developed (**mtc2umati**). The implementation was done +as a .NET 9.0 application using the _UA-.NETStandard_ library +(OPCFoundation.NetStandard.Opc.Ua, version 1.5.375.457), which supports +importing the latest **OPC UA for Machine Tools** information model (as of +18.08.2025). + +Functions were implemented for importing the information models created in WP 1 +as well as the associated Excel mapping table (_mapping.xlsx_). Parameters such +as the MTConnect server IP address and mapping file path were configured via +_config.json_. Upon execution, the adapter sets up an OPC UA server based on the +imported models and connects to the MTConnect server. Machine names are +extracted from the _DeviceStream_ name in MTConnect XML and automatically +assigned to the OPC UA server folder. Variables are read according to the +mapping table and written asynchronously to the OPC UA server, transmitting only +changed values. Specific conversion rules were implemented for selected +variables. + +To supplement missing _mandatory_ data (A1), a function was implemented for +reading static values defined in the mapping table. The adapter supports three +operation modes: 1. Transfer of standard-compliant A and B variables only. 2. Integration of additional C variables into the OPC UA structure. 3. Grouping C variables in a separate folder “MTConnect”. -The adapter supports dynamic creation of nodes, although this is rarely required in practice due to static MTConnect implementations. Its practical suitability was validated by connecting reference machines to the VDW umati showcase via the umatiGateway (as of 26.06.2025). A _Docker-Compose_ implementation was added for automated setup and execution against a Mazak MTConnect reference server. +The adapter supports dynamic creation of nodes, although this is rarely required +in practice due to static MTConnect implementations. Its practical suitability +was validated by connecting reference machines to the VDW umati showcase via the +umatiGateway (as of 26.06.2025). A _Docker-Compose_ implementation was added for +automated setup and execution against a Mazak MTConnect reference server. ### 1.3 WP 3: Software Development – Adapter UA4MT to MTConnect -In WP 3, software for converting data from an OPC UA4MT interface into the MTConnect format was developed (**umati2mtc**). It was implemented as a Python (3.11) application combined with the official MTConnect C++ Agent (version 2.5.0.11). +In WP 3, software for converting data from an OPC UA4MT interface into the +MTConnect format was developed (**umati2mtc**). It was implemented as a Python +(3.11) application combined with the official MTConnect C++ Agent (version +2.5.0.11). -The adapter follows the MTConnect adapter-agent architecture using SHDR (Simple Hierarchical Data Representation) protocol, requiring an SHDR server within the adapter. Data from the umatiGateway (already providing OPC UA4MT data as JSON via MQTT) was consumed, mapped using the mapping table, converted, and transmitted to the SHDR server. The C++ agent then integrated these values into XML structure and displayed them in its dashboard. +The adapter follows the MTConnect adapter-agent architecture using SHDR (Simple +Hierarchical Data Representation) protocol, requiring an SHDR server within the +adapter. Data from the umatiGateway (already providing OPC UA4MT data as JSON +via MQTT) was consumed, mapped using the mapping table, converted, and +transmitted to the SHDR server. The C++ agent then integrated these values into +XML structure and displayed them in its dashboard. -Efficiency tests confirmed that SHDR supports sending multiple variables in a single message. The solution was validated with Mazak’s MTConnect dashboard software **Smooth Monitor AX** and later adapted for environments where iConnect replaced MTConnect dashboards. A Docker-based demo mode with simulation was also provided. +Efficiency tests confirmed that SHDR supports sending multiple variables in a +single message. The solution was validated with Mazak’s MTConnect dashboard +software **Smooth Monitor AX** and later adapted for environments where iConnect +replaced MTConnect dashboards. A Docker-based demo mode with simulation was also +provided. ### 1.4 Adding Additional Machines -With umatiConnect, example implementations for DMG and Mazak machines are available. New machines can be integrated with minimal adjustment effort. The following section describes how the existing adapters can be used for additional machines and how variables can be added or modified. The steps specifically refer to the software modules and files included in the repository. +With umatiConnect, example implementations for DMG and Mazak machines are +available. New machines can be integrated with minimal adjustment effort. The +following section describes how the existing adapters can be used for additional +machines and how variables can be added or modified. The steps specifically +refer to the software modules and files included in the repository. #### 1.4.1 Adapting the mtc2umati Software (Connecting an MTConnect Machine) -To optimally adapt the software to the given new MTConnect machine, it may be necessary to modify the provided NodeSet2 information models or create a new information model according to the individual MTConnect implementation. A new and unique Address Space should be defined for the information model. Tools such as _UaModeller_ can be used to create the model. The new model file should then be stored in the directory `mtc2umati/Nodesets` and imported using the `umatiNodeManager`. Afterwards, the existing `mapping.xlsx` file should be updated or replaced with a new file to adjust the variable mapping. In the configuration file `mtc2umati/config.json`, both the new mapping file and the connection details for the MTConnect server must be entered. If specific variable conversions are required, they must be implemented in the `DataConversion` module. +To optimally adapt the software to the given new MTConnect machine, it may be +necessary to modify the provided NodeSet2 information models or create a new +information model according to the individual MTConnect implementation. A new +and unique Address Space should be defined for the information model. Tools such +as _UaModeller_ can be used to create the model. The new model file should then +be stored in the directory `mtc2umati/Nodesets` and imported using the +`umatiNodeManager`. Afterwards, the existing `mapping.xlsx` file should be +updated or replaced with a new file to adjust the variable mapping. In the +configuration file `mtc2umati/config.json`, both the new mapping file and the +connection details for the MTConnect server must be entered. If specific +variable conversions are required, they must be implemented in the +`DataConversion` module. #### 1.4.2 Adapting the umati2mtc Software (Connecting an OPC UA4MT Machine) -The software is extendable and can be adapted to support specific MTConnect dashboards. The resulting MTConnect XML format can be modified with minimal effort by adjusting the MTConnect information model in the file `umati2mtc/Agent/Devices.xml`. Afterwards, the existing `mapping.xlsx` file must be updated or replaced with a new file to define the variable mapping. The new mapping file must then be specified in the configuration file `umati2mtc/config.json`. Next, an instance of the `umatiGateway` should be set up and connected to the machine’s umati server. The gateway’s MQTT settings must be configured so that the data is sent to the provided MQTT broker (`localhost:1883`). If specific variable conversions are required, they must be implemented in the program code in the `data_conversion` module. +The software is extendable and can be adapted to support specific MTConnect +dashboards. The resulting MTConnect XML format can be modified with minimal +effort by adjusting the MTConnect information model in the file +`umati2mtc/Agent/Devices.xml`. Afterwards, the existing `mapping.xlsx` file must +be updated or replaced with a new file to define the variable mapping. The new +mapping file must then be specified in the configuration file +`umati2mtc/config.json`. Next, an instance of the `umatiGateway` should be set +up and connected to the machine’s umati server. The gateway’s MQTT settings must +be configured so that the data is sent to the provided MQTT broker +(`localhost:1883`). If specific variable conversions are required, they must be +implemented in the program code in the `data_conversion` module. ## 2 Summary and Outlook -The project successfully developed concepts and software solutions for bidirectional data exchange between MTConnect and OPC UA4MT. Results include complete mapping tables, two fully functional adapters, and extensive technical documentation to enable reuse and extension. The knowledge gained will be leveraged at IFW and actively communicated to the public, supporting the broader adoption of umati in the industry. +The project successfully developed concepts and software solutions for +bidirectional data exchange between MTConnect and OPC UA4MT. Results include +complete mapping tables, two fully functional adapters, and extensive technical +documentation to enable reuse and extension. The knowledge gained will be +leveraged at IFW and actively communicated to the public, supporting the broader +adoption of umati in the industry. ## 3 References -| | | -| :------- | :--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- | -| [CHR23] | Christian von Arnim, et al. (2023): umati/Sample-Server: Release 1.1.1, online verfügbar unter: [https://github.com/umati/Sample-Server/releases/tag/v1.1.1](https://github.com/umati/Sample-Server/releases/tag/v1.1.1) | -| [MAZ22] | Mazak (2022): Demo Agents, online available under: [http://mtconnect.mazakcorp.com/](http://mtconnect.mazakcorp.com/) | -| [MTC19] | MTConnect Institute (2019): OPC 30070-1: OPC UA for MTConnect® Part1: Device Model (Ver. 2.00.00) | -| [MTC23a] | MTConnect Institute (2023): MTConnect Standard. Part 3.0 - Observation Information Model - Version 2.2.0 | -| [MTC23b] | MTConnect Institute (2023): MTConnect Standard. Part 2.0 - Device Information Model - Version 2.2.0 | -| [MTC25] | MTConnect Institute (2025): MTConnect Standard, online available under: [https://www.mtconnect.org/standard-download20181](https://www.mtconnect.org/standard-download20181), last accessed 12.08.2025 | -| [VDM24] | VDMA (2024): VDMA 40501-1. OPC UA for Machine Tools - Part 1: Machine Monitoring and Job Management | -| [VDM25] | VDMA (2025): VDMA 40001-1. OPC UA for Machinery - Part 1: Basic Building Blocks (Draft) | +see above.