Erschienen am: 29.01.2014, Ausgabe SPS-MAGAZIN 1+2 2014

Mobile Konsumergeräte in der Industrieanwendung

Das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz GmbH (DFKI) ist auf dem Gebiet innovativer Softwaretechnologien die führende Forschungseinrichtung in Deutschland. Der Forschungsbereich Innovative Fabriksysteme (IFS) des DFKI beschäftigt sich im Rahmen von Forschungsprojekten mit der Einbindung von Entwicklungen aus den Bereichen Künstliche Intelligenz, Ubiquitous Computing, Smart Objects und Serviceorientierte Architekturen in Anlagen und Systeme der Produktionstechnik. Dabei steht der Aspekt der Nutzerorientierung stets im Fokus und wird in der Entwicklung von modellbasierten, kontextadaptiven Benutzungsschnittstellen für Mensch-Maschine-Systeme auch im Rahmen von Forschungs- und Industrieprojekten weiter vertieft.

Autor: Mathias Schmitt, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Forschungsbereich Innovative Fabriksysteme (IFS)


Bild 1: Leitstand und Ausschnitt der Technologie-Initiative SmartFactoryKL e.V.
Bild: DFKI GmbH / Smart FactoryKL e.V

Insbesondere im Bereich der mobilen Bedienung blickt das IFS auf eine Reihe von Vorarbeiten zurück [2,5,6,8]. Als Umsetzungs- und Demonstrationsplattform für die entwickelten, mobilen Bedien- und Interaktionskonzepte dient dabei die vom IFS betriebene Smart-FactoryKL (Bild 1), welche die Vision von cyber-physischen Produktionssystemen verkörpert und in Europa die erste herstellerunabhängige Forschungs- und Demonstrationsplattform ihrer Art ist [3,4].

Die 4. Industrielle Revolution und die Bedeutung von gebrauchstauglichen

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Benutzungsschnittstellen

Durch die Integration eingebetteter, intelligenter Informationstechnologien, die drahtlos untereinander und mit dem Internet vernetzt sind, entstehen sogenannte Cyber-Physische Systeme (CPS). Diese Systeme können Informationen autonom austauschen und sich gegenseitig sowie selbstständig steuern [9]. Infolge der Ad-hoc-Vernetzung und der steigenden Autonomie dieser Systeme vergrößert sich aber auch die Menge an Informationen und damit die Komplexität der Aufgaben, denen sich der Anwender gegenübersieht. Nutzerfreundliche und gebrauchstaugliche Benutzungsschnittstellen in Kombination mit neuartigen Interaktionstechniken, wie z.B. Multi-Touch, gewinnen dadurch zunehmend an Relevanz. Stand der Technik sind bislang gerätegebundene und stationäre Benutzungsschnittstellen. Die zunehmende Miniaturisierung bei gleichzeitiger Leistungszunahme industrieller Feldgeräte (z.B. bei Sensorik und Aktuatorik) wird in vielen Anwendungsfällen dazu führen, dass aufgrund wirtschaftlicher und technologischer Aspekte, stationäre, proprietäre Benutzungsschnittstellen durch universelle, mobile Bediensysteme ersetzt werden [10]. Hinzu kommen u.a. der durch den demografischen Wandel zu erwartende Fachkräftemangel, die durch die Vermischung der Nutzerrollen verursachte Zunahme des Aufgabenspektrums sowie der steigende Mobilitätsbedarf (Business Mobility).

Mobile, universelle Bediengeräte für den industriellen Einsatz

Mobile Bediengeräte, die eigens für den industriellen Einsatz entwickelt werden, stellen hierbei einen Lösungsansatz dar. Sie bieten dem Anwender die notwendige Flexibilität, um anlagenweit mobil arbeiten zu können. Die zusätzliche Rechenleistung dieser Geräte zusammen mit den erweiterbaren Darstellungs- und Interaktionsmöglichkeiten bei der Mensch-Maschine-Interaktion, versprechen eine bestmögliche Unterstützung der Anwender bei der Aufgabenbewältigung (z.B. durch kontextsensitive Aufbereitung von Informationen). Bereits seit einigen Jahren existieren solche Lösungen von unterschiedlichen Herstellern und sind auf dem Markt verfügbar. Die Siemens AG hat beispielsweise 2007 ein mobiles Bediengerät (Bild 2a) für Mensch-Maschine-Interaktionen speziell für die Industrie entwickelt und auf den Markt gebracht [1]. Ein weiteres Beispiel ist das mobile Bedienpanel (Bild 2b), welches in einem gemeinsamen Projekt mit der Firma unipo GmbH und dem DFKI entwickelt wurde. Das Bediengerät hat Ende 2009 den Prototypenstatus verlassen und wird seitdem durch die Firma unipo vertrieben [7]. Mit mobilen Bediengeräten wird ein flexibles Arbeiten direkt am Ort des Geschehens möglich [3]. Die Ortsungebundenheit zusammen mit der zusätzlichen Rechenleistung externer Bediengeräte und den erweiterbaren Darstellungsmöglichkeiten von Informationen sind nur wenige Beispiele, die zu einer signifikanten Flexibilitätssteigerung führen. Mobile Bediengeräte, die eigens für den industriellen Einsatz entwickelt wurden, gehen jedoch mit gewissen Nachteilen einher. Aufgrund der hohen Anschaffungskosten und den technologischen Randbedingungen stellen diese Bediengeräte oftmals nur Speziallösungen dar und sind deshalb aus wirtschaftlichen Gründen für die breite Masse ungeeignet.

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Transfer von Smartphones und Tablets aus dem Konsumgütermarkt in die Industrie

Seit der Einführung des iPhones von Apple im Jahre 2007 haben sich Smartphones und Tablets rasant verbreitet und weiterentwickelt. Diese mobilen, interaktiven Systeme aus dem Konsumgütermarkt sind bereits heute fester Bestandteil des Alltags und haben sich bei ihren Anwendern etabliert. Mobiles Internet und E-Mail-Funktionalitäten sind nur einige Beispiele, die bereits heute nicht mehr wegzudenken sind. Neuartige Interaktionstechniken (z.B. Multitouch-Gesten), integrierte Hardware zu geringen Anschaffungskosten (z.B. GPS-Sensor, Kamera) sowie offene Interaktionsplattformen für sogenannte Drittanwendungen (z.B. Apps) sind einige wesentlichen Vorteile mobiler Lösungen des Konsumgütermarktes gegenüber den industriellen Bediengeräten. In der Industrie wurden diese Potenziale teilweise erkannt und so tauchen nach und nach die ersten industriellen Apps in den bekannten App-Stores oder auf herstellereigenen Vertriebsplattformen auf. Oftmals handelt es sich bei diesen sogenannten Business-Apps bisher nur um Handbücher oder Produktkataloge, welche zunächst nur aus marketingorientierter Sicht einen Mehrwert für den Anwender bieten. Grund hierfür ist u.a. das Fehlen von standardisierten Kommunikationsschnittstellen zur Anbindung an die Feldgeräteebene bzw. an verknüpfte IT-Systeme der Produktion. Die Entwicklung von z.B. nativen Apps (speziell für eine Plattform) geht daher stets mit hohem Entwicklungsaufwand einher. Eine Möglichkeit der Heterogenität (z.B. iOS, Android) und der Diversität (Smartphone, Tablet) mobiler Plattformen zu begegnen, sind plattformübergreifende Entwicklungs-Frameworks [11,12]. In der Anwendungsentwicklung wird zwischen Cross-Platform-Apps (lauffähig auf verschiedenen Plattformen) und Web-Apps unterschieden. Während native Apps die technischen Möglichkeiten einer einzelnen Plattform voll ausreizen können, erlauben Web- Apps einen größeren Markt zu adressieren, sind aber in der Mächtigkeit der Funktionalität stark eingeschränkt. Cross-Platform-Apps stellen hier für viele Anwendungsszenarien einen guten Kompromiss dar, schränken aber dennoch die Entwickler (z.B. aufgrund mangelnder APIs und SDKs) ein. Das Aufgreifen mobiler, interaktiver Systeme aus dem Konsumgütermarkt und deren Anpassung an die domänespezifischen Gegebenheiten industrieller Umgebungen erscheint dennoch als äußerst sinnvoll. Neben den genannten Potenzialen, die sich durch den Einsatz von mobilen Lösungen in der Industrie ergeben, entstehen aber auch eine Reihe neuer Herausforderungen, denen Entwickler und Anwender dieser Systeme gegenüber stehen. Neben den bekannten Fragen zur Mehrnutzerverwaltung, Rechtevergabe und Sicherheit müssen auch Lösungen zur standardisierten Anbindung von mobilen Endgeräten an die Feldgerätebene sowie an IT-Systeme entwickelt und etabliert werden, um dadurch den Implementierungsaufwand signifikant zu reduzieren. Zusammenfassend ist zu verzeichnen, dass der Transfer von mobilen Lösungen aus dem Konsumgütermarkt bereits angestoßen wurde und langfristig gesehen hohe Potenziale bietet. Dennoch fehlt es bisher an Grundlagenarbeiten, die z.B. schlüssige Konzepte für den industriellen Einsatz von mobilen Geräten aus dem Konsumgütermarkt aufzeigen.

Ausblick

Das DFKI erforscht deshalb schon seit einigen Jahren den Einsatz von Smartphones und Tablets aus dem Konsumgütermarkt in der Industrie (Bild 3). In enger Zusammenarbeit mit weiteren Partnern aus Forschung und Industrie wurden bereits eine Reihe von Projekten erfolgreich umgesetzt und evaluiert. Dennoch gibt es weitere Herausforderungen, die bis dato nicht hinreichend untersucht werden konnten. Dazu gehören u.a. auf technologischer Ebene die Schaffung standardisierter Kommunikations- und Benutzungsschnittstellen. Auf entwicklungstechnischer Ebene stellt die Etablierung standardisierter Entwicklungsprozesse für industrielle Apps eine Herausforderung dar. Auf wirtschaftlicher und organisatorischer Ebene werden App-Konzepte benötigt, die nicht nur Geschäftsmodelle liefern, sondern auch Konzepte für das Marketing und den Vertrieb von industriellen Apps aufzeigen. Das übergeordnete Ziel des DFKI ist dabei stets der Transfer von neuartigen Informations- und Kommunikationstechnologien in die Produktionstechnik.

Literatur

[1] Siemens AG: Simatic Mobile Panel 277 IWLAN / 277F IWLAN Version 2. URL: http://www.automation.siemens.com/mcms/human-machine-interface/ de/hmi-panel/mobile- panel/270er-serie/simatic-mobile-panel-277-iwlan/seiten/default.aspx - Überprüfungsdatum 07.05.2013.

[2] Schnurrer, M. ; Görlich, D.: Ein Bediengerät für alle Fälle. In: IEE (2010), Nr. 11, S. 56#58.

[3] Zühlke, D.: SmartFactory - Towards a factory-off-things, Annual Reviews in Control 34 (2010), S. 129-138.

[4] Zühlke, D.: SmartFactory - From Vision to Reality in Factory Technologies. Proc. of the 17th International Federation of Automatic Control (IFAC) World Congress, Seoul, Süd Korea (2008), S. 82-89.

[5] Görlich, D., Meixner, G., Stephan, P.: Einsatz von Mobiltelefonen als universelle Bediengeräte in Fabrikanlagen. USEWARE 2008, VDI-Bericht 2041, VDI/VDE-Gesellschaft für Mess- und Automa tisierungstechnik, VDI-Verlag (2008), S. 193-203.

[6] Flörchinger, F., Schmitt, M.: A Concept for a user-friendly first Communication Initiation between Stationary Field Devices and Mobile Interaction Devices. Proc. of the 18th International Federation of Automatic Control (IFAC) World Congress, Mailand, Italien (2010).

[7] Schnurrer, M., Görlich, D.: Entwicklung eines universellen Bediengerätes zur drahtlosen und mobilen Interaktion. In: Tagungsband Automation 2010, VDI-Verlag (2010), Düsseldorf, S. 401-405.

[8] Görlich, D., Stephan, P., Quadflieg, J.: Demonstration Remote Operation of Indstrial Devices using Mobile Phones. In: Proc. 4th International Conference Mobile Technology, Applications and Systems, S. 482-485, ACM 2007.

[9] Broy, M. (Hrsg.): Cyber-Physical Systems. Innovation durch softwareintensive eingebettete Systeme. acatech Diskutiert. Springer Verlag. Berlin. Heidelberg. 2010.

[10] acatech (Hrsg.): Cyber-Phyical Systems. Innovationsmotor für Mobilität, Gesundheit, Energie und Produktion. acatec Position. Springer-Verlag. Heidelberg u.a. 2011.

[11] PhoneGap open source framework - online verfügbar: http://phonegap.com - Überprüfungsdatum 08.05.2013.

[12] Appcelarator Titanium Mobile - Create native, hybrid, and mobile web apps through a JavaScript-based SDK - online verfügbar: http://www.appcelerator.com/platform/titanium-sdk - Überprüfungsdatum am 08.05.2013.