atp edition Gamification in Kollaborationsnetzwerken (Vorschau)

201597.cww1x

3 / 2013

55. Jahrgang B3654

DIV Deutscher Industrieverlag GmbH

Automatisierungstechnische Praxis

Gamification in

Kollaborationsnetzwerken | 24

Vernetzte Apps für komplexe

Aufgaben in der Industrie | 34

Das Smartphone als

universelles Diagnosegerät | 42

Kontextsensitive

Benutzungsschnittstellen | 50

Smartphones und Tablets in der

industriellen Produktion | 58


Danke!

atp edition ist vom Verband Deutsche

Fachpresse als Fachmedium des Jahres

2012 in der Kategorie Industrie/Produktion/

Design ausgezeichnet worden. atp edition

ist eine Gemeinschaftsleistung aus der

Branche für die Branche. Hinter der hochwertigen

Publikation für Automatisierungstechnik

stecken viele kluge Köpfe. Nicht

nur Chefredakteur, Herausgeber und Beiräte

tragen mit ihrem Agenda-Setting dazu bei,

dass atp edition in ihrer seit über 50-jährigen

Tradition die maßgeblichen Themen der

Automatisierungstechnik bestimmt. Auch

die Fachredaktion leistet mit einem Peer-

Review-Verfahren für wissenschaftlich

fundierte Veröffentlichungen einen unverzichtbaren

Beitrag. Nicht möglich wäre dies

ohne unsere zahlreichen Fach-Autoren. Ein

großes Dankeschön an alle, die hinter atp

edition stehen und das Fachmagazin zu

einem Erfolg machen – und nicht zuletzt

an Sie, unsere Leser.

Ihre Entscheidung für die hochwertige

Publikation atp edition stärkt die Bedeutung

wissenschaftlicher Forschungsarbeiten

in der Automatisierungstechnik.


Print wirkt

atp edition“ ist ein Printtitel auf höchster

Qualitätsstufe und mit Nachhaltigkeit im

Sinne wiederkehrender Nutzung. Der Titel

erfüllt den selbstgestellten Anspruch eines

anspruchsvollen und seriösen Magazins für

Top-Entscheider zwischen Wissenschaft

und Praxis konsequent.

Entsprechend der journalistischen Konzeption

ist Online hintenangestellt. Die Jury

sah hier „die beispielhafte Umsetzung einer

wissenschaftlich ausgerichteten Fachzeitschrift

mit Magazincharakter“.


EDITORIAL

Apps, Smartphones und Tablets

im industriellen Einsatz

Vor nur sechs Jahren stellte Apple das erste Iphone vor, vor drei Jahren das

Ipad. Seither haben sich Smartphones und Tablets mit atemberaubender

Geschwindigkeit verbreitet. Der Anteil mobiler Geräte am gesamten Internetdatenverkehr

hat sich innerhalb von nur zwei Jahren verfünffacht und liegt

inzwischen bei etwa 13 Prozent. Die Hersteller althergebrachter PCs hingegen

haben große Absatzschwierigkeiten. Amazon verkauft bereits mehr Bücher in

elektronischer als in gedruckter Form. Gemeinsam mit sozialen Netzwerken

wie Facebook oder Twitter haben mobile Computer innerhalb kürzester Zeit

unseren Alltag sehr stark verändert. Die Art und Weise, wie wir uns koordinieren

oder Informationen miteinander teilen, befindet sich in einem tiefgreifenden

und raschen Wandel.

Diese fundamentalen Entwicklungen aus dem privaten Umfeld wirken sich

in zweierlei Hinsicht auf die Industrie aus. Zum einem entsteht bei Benutzern

die Erwartungshaltung, dass leistungsfähige Mechanismen, die von privater

Nutzung her bekannt sind, bei ähnlichen Aufgabenstellungen auch im beruflichen

Umfeld verfügbar sein sollten. Zum anderen stehen durch die hohen

Stückzahlen und den enormen Wettbewerbsdruck endlich Geräte zu Verfügung,

die sich in puncto Gewicht, Preis, Batteriekapazität und Konnektivität

für viele Aufgabenstellungen im industriellen Umfeld anbieten.

Smartphones und Tablets eignen sich ideal für in weitläufigen Fabrikanlagen

typische Aufgaben mit hohem Informations- und Kommunikationsbedarf. Der

Aufenthaltsort der mobilen Mitarbeiter lässt sich in der Regel gut lokalisieren.

Somit kann einerseits für jeden Ort maßgeschneiderte Information angeboten

werden, zum anderen ist im System bekannt, wer sich gerade wo aufhält. Den

faszinierenden neuen Möglichkeiten steht leider auch ein hohes Missbrauchspotenzial

entgegen. Sicherheit muss deshalb das wichtigste Designziel

für neue Lösungen im industriellen Einsatz sein.

Smartphones und Tablets können als komfortable Bediengeräte für die Inbetriebnahme,

Parametrisierung und Fehlerdiagnose von digitalen Feldgeräten

direkt vor Ort eingesetzt werden. Das so erfolgreiche Konzept der Apps, also

kleiner spezialisierter Programme für einen eng umrissenen Aufgabenbereich,

muss für industrielle Anwendungen erweitert werden. Geeignete Orchestrierung

sorgt dafür, dass Apps Hand in Hand miteinander arbeiten können.

Smartphones und Tablets werden den Alltag in der Industrie ähnlich stark

verändern, wie sie dies im privaten Bereich bereits getan haben. Das vorliegende

Heft vermittelt einen ersten Eindruck davon.

DR. MARTIN

HOLLENDER,

Principal Scientist,

ABB Forschungszentrum

Ladenburg

atp edition

3 / 2013

3


INHALT 3 / 2013

FORSCHUNG

6 | Steuerliche Forschungsförderung für Unternehmen:

Chemieorganisationen positionieren sich zur Wahl

Computersimulation des menschlichen Gehirns

Fünf Millionen Euro fließen in Oldenburger

Forschungszentrum für sicherheitskritische Systeme

7 | Call for Papers für MINT-Forscherinnen

VERBAND

8 | ZVEI: Produktion in der deutschen Elektroindustrie

sank im vergangenen Jahr auf Vorkrisenniveau

Klaus Meder wird neuer Vorsitzender

des ZVEI-Steuerkreises Automotive

9 | Johann-Philipp-Reis-Preis für Veröffentlichungen

der Ingenieur- oder Naturwissenschaften ausgelobt

BRANCHE

10 | Der Kongress Automation 2013 hebt ab in die Cloud

Internationales Gipfeltreffen zu Smart Grids

Call for atp experts – Wireless Communication

11 | AchemAsia rechnet mit steigenden Ausstellerzahlen

Verbände gründen gemeinsame „Plattform Industrie 4.0“

12 | FETS – Flexibles eingebettetes Telemetrie-System zur

Fernwartung in mobilen oder stationären Anwendungen

RUBRIKEN

3 | Editorial

66 | Impressum, Vorschau

4

atp edition

3 / 2013


PRAXIS

16 | „Handgefertigt von Maschinen“ in der

Schweiz – intelligente Automation schlägt

Low-Cost-Produktion

18 | RFID-Technik als Zugangsschlüssel in

explosionsgefährdeter Arbeitsumgebung

verwenden

20 | Britischer Chemiehersteller „erntet“

Energie für dezentrale Sensoren aus

Wärmeunterschieden

22 | Realtime-Prozesskontrolle korrigiert

automatisch die Schneidparameter und

steigert den Output

Produkte,

Systeme

und Service

für die

Prozessindustrie?

Natürlich.

HAUPTBEITRÄGE

24 | Gamification in Kollaborationsnetzwerken

P. HERZIG UND A. SALMEN

34 | Vernetzte Apps für komplexe

Aufgaben in der Industrie

J. PFEFFER, M. GRAUBE, J. ZIEGLER UND L. URBAS

42 | Das Smartphone als

universelles Diagnosegerät

A. FRIEDRICH UND P. GÖHNER

50 | Kontextsensitive Benutzungsschnittstellen

M. SEISSLER UND K. BREINER

58 | Smartphones und Tablets in der

industriellen Produktion

M. SCHMITT UND D. ZÜHLKE

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überzeugt durch hohe Luftleistung

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FORSCHUNG

Steuerliche Forschungsförderung für Unternehmen:

Chemieorganisationen positionieren sich zur Wahl

Weniger Hemmnisse bei Innovationen und eine stärker

geförderte Lehre und Forschung fordern Chemieorganisationen

anlässlich der bevorstehenden Bundestagswahl.

In einem aktuellen Positionspapier formulieren

der Bundesarbeitgeberverband Chemie (BAVC),

DIE DEUTSCHE

CHEMIEINDUSTRIE

gilt als Schlüsselbranche

zur

nachhaltigen

Verbesserung

des Lebens.

Bild: Gerd Altmann /

pixelio.de

die Deutsche Bunsen-Gesellschaft für Physikalische

Chemie (DBG), die Gesellschaft für Chemische Technik

und Biotechnologie (Dechema), die Gesellschaft Deutscher

Chemiker (GDCh), die Gesellschaft für Biochemie

und Molekularbiologie (GBM), die Industriegewerkschaft

Bergbau, Chemie, Energie (IG BCE), der Verband

angestellter Akademiker und leitender Angestellter der

chemischen Industrie (VAA) und der Verband der Chemischen

Industrie (VCI) Forderungen an die Politik: Um

die Spitzenposition der deutschen Chemieindustrie zu

sichern, solle die qualitäts- und leistungsorientierte Unterstützung

an Hochschulen und anderen Forschungseinrichtungen

fortgesetzt werden. Außerdem sprechen

sich die Organisationen für eine steuerliche Forschungsförderung

für Unternehmen aus. Ebenso sollte auf eigene,

sogenannte „Nano-Gesetze“ verzichtet werden, die

meist zusätzliche Hindernisse bedeuten. (ahü)

DECHEMA E.V.,

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Computersimulation des menschlichen Gehirns

Zum „europäisches Flagschiff“ ist es geworden, das

„Human Brain Project (HBP)“: Unter Leitung von Neurowissenschaftlern

aus Lausanne geht es darum, das

menschliche Gehirn mit einem Computermodell nachzubauen.

Insgesamt sind Forscher aus neun europäischen

Staaten an der Arbeit beteiligt. Die Erkenntnisse

sollen helfen, Heilmittel gegen Parkinson und Alzheimer

zu entwickeln. Die EU stellt für das Forschungsprojekt

eine Milliarde Euro zur Verfügung. Zum Einsatz kommen

Computertechnik, Assistenzsysteme oder ganze

virtuelle Patienten. Beteiligt sind neben den Neurowissenschaftlern,

Genetiker, Informatiker, Robotikexperten

auch Ethiker. Das Projekt gliedert sich in zehn Teilbereiche,

einige davon unter deutscher Führung. So koordiniert

die TU München gemeinsam mit dem An-Insitut

Fortiss den Bereich „Neurobotics Plattform“. (ahü)

TECHNISCHE UNIVERSITÄT MÜNCHEN,

Arcisstraße 21, D-80333 München,

Tel. +49 (0) 89 289 01, Internet: www.tum.de

6

Fünf Millionen Euro fließen in Oldenburger

Forschungszentrum für sicherheitskritische Systeme

Die Universität Oldenburg erhält ein interdisziplinäres

Forschungszentrum für sicherheitskritische Systeme.

Die Wissenschaftler setzten sich mit ihrem Antrag „Interdisciplinary

Research Center on Critical Systems Engineering

for Socio-Technical Systems“ bei der Ausschreibung

zur „Stärkung der Wettbewerbsfähigkeit niedersächsischer

Hochschulstandorte“, initiiert vom niedersächsischen

Wissenschaftsministerium und der

Volkswagen-Stiftung, durch.

Aus dem Förderprogramm „Niedersächsisches Vorab“

fließen fünf Millionen Euro in das Oldenburger Forschungszentrum.

Neben der Universität Oldenburg sind

das Informatikinstitut OFFIS, das Deutsche Zentrum

für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der Kompetenzcluster

beteiligt. Sprecher ist der Oldenburger Informatiker

Prof. Dr. Werner Damm. Sicherheitskritische Systeme

atp edition

3 / 2013

sind komplexe computerbasierte Systeme, die in der Automobilindustrie,

der Luft- und Raumfahrt, der Meerestechnik,

der Automatisierungstechnik, der Ener gieversorgung

und im Gesundheitswesen eingesetzt werden. Die steigende

Vernetzung dieser Systeme und die Einbeziehung

menschlichen Verhaltens schaffen sogenannte soziotechnische

Systeme, in denen Menschen und technische Geräte

gemeinsam Aufgaben für die Nutzer lösen. Um die Einhaltung

der geforderten Sicherheitsstandards zu garantieren,

sind neue, interdisziplinäre Ansätze nötig. (ahü)

CARL-VON-OSSIETZKY-UNIVERSITÄT OLDENBURG,

Department für Informatik, Prof. Dr. Werner Damm,

D-26111 Oldenburg, Tel. +49 (0) 441 972 25 00,

E-Mail: werner.damm@uni-oldenburg.de,

Internet: www.informatik.uni-oldenburg.de


Call for Papers für

MINT-Forscherinnen

Mit Sicherheit

kompetent

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MEORGA · Halle/Saale

20. März 2013

Halle Messe

Stand C6

EIN FORUM FÜR MINT-FORSCHERINNEN bietet

die VDE-Akademie „Mobilität der Zukunft“ vom

9. bis 12. Oktober in München. Bild: VDE

Vom 9. bis 12. Oktober 2013 findet in München das

VDE-MINT-Akademie-Fachsymposium statt. Der

Branchentreff richtet sich an Wissenschaftlerinnen

und Ingenieurinnen in Unternehmen, an Hochschulen

und Forschungseinrichtungen, die an Themen

zukünftiger Mobilität arbeiten. Die Akademie umfasst

Plenarveranstaltungen, Themen-Workshops mit Impulsvorträgen

und Podiumsdiskussionen. Bis 17.

April 2013 können Forscherinnen Beiträge als Abstract

an Catrina Grella (catrina.grella@vde.com) einreichen.

Die Manuskripte auf Deutsch oder Englisch

sollten technische Ergebnisse zu zukünftiger Mobilität

vorstellen und als Impulsvortrag dienen.

Insbesondere interessieren dabei Aspekte von Zukunftstechnologien

(wie Mikroelektronik, Informatik,

Mechatronik, Maschinenbau), von Produkten,

Infrastrukturen, Anwendungen und Diensten sowie

gesellschaftliche Herausforderungen und Entwicklungstrends

(Verbraucherverhalten, Urbanisierung

oder Mobilitätskonzepte, Nutzungskonzepte, Geschäftsmodelle

oder Rahmenbedingungen). Diskutiert

werden dazgehörige IKT-Infrastrukturen, Technologien,

Anwendungen und Dienste, Smart Cities

und Mobilität, Elektromobilität, Nachhaltigkeit oder

medizinische Herausforderungen

Die Veranstaltung soll eine Plattform zum fachlichen

Austausch sowie zur Karriereplanungen bieten.

Die VDE-MINT-Akademie spricht Frauen mit

langjähriger Berufserfahrung oder internationale

Teams an. Auch internationale Wissenschaftlerinnen,

die in ihrem Fachbereich Doktoranden betreuen

sowie Berufseinsteigerinnen oder Nachwuchswissenschaftlerinnen

kommen für die Teilnahme

an dem Kongress in Frage. Eine Kinderbetreuung

steht ebenfalls zur Verfügung. (ahü)

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VERBAND

ZVEI: Produktion in der deutschen Elektroindustrie

sank im vergangenen Jahr auf Vorkrisenniveau

KOMMUNIKATION und damit verbundene Elektrotechnik

erlebt zwar einen Aufschwung, die Industrie jedoch muss

Auftragseinbußen hinnehmen. Bild: S.Geissler / pixelio.de

Die deutsche Elektroindustrie strauchelt. Im vergangenen

Jahr gingen die Aufträge, laut vorläufigen Schätzungen

des ZVEI (Zentralverband Elektrotechnik- und

Elektronikindustrie e.V.), um neun Prozent im Vergleich

zum Vorjahr zurück. „Dieser Rückgang ist insoweit überzeichnet,

als es 2011 überdurchschnittlich viele inländische

Großaufträge gegeben hatte und 2012 fast keine“,

sagt Dr. Andreas Gontermann, Chefvolkswirt des ZVEI.

Die inländischen Orders waren vergangenes Jahr um

14 Prozent rückläufig, die ausländischen um drei Prozent.

Die europäischen Aufträge sind 2012 acht Prozent

unter Vorjahresniveau geblieben. Die Zahl der Bestellungen

aus Drittländern blieb gleich. Im vierten Quartal

2012 lagen die Auftragseingänge sieben Prozent unter

Vorjahr. Im Inland betrug der Rückgang elf Prozent, im

Ausland 2,5 Prozent (Eurozone: -7 Prozent, Nicht-Eurozone:

+0,5 Prozent). Ursache: weniger Arbeitstage im

Dezember.

Die Erlöse der deutschen Elektrounternehmen sind

2012 vorläufig um drei Prozent auf 173 Milliarden Euro

gesunken, nach Zuwächsen von neun Prozent im Jahr

2011 und 13 Prozent im Jahr 2010. Die Geschäfte mit

inländischen Kunden verringerten sich um vier Prozent

auf 91 Milliarden Euro und die mit ausländischen Kunden

um 2,5 Prozent auf 82 Milliarden Euro. Die um

Preiseffekte bereinigte Produktion der Elektroindustrie

verringerte sich um knappe drei Prozent. Laut Erhebungen

des ZVEI lag sie insgesamt so hoch wie im Vor-

Krisenjahr 2008.

Das Geschäftsklima in der deutschen Elektroindustrie

hat sich im Januar 2013 im Plus behauptet. Ihre aktuelle

wirtschaftliche Lage beurteilten Unternehmen leicht

besser als im Dezember 2012. Etwa 83 Prozent der Firmen

bewerten sie als gut oder stabil. Die allgemeinen Geschäftserwartungen

für die kommenden sechs Monate

sind im Januar dieses Jahres zwar etwas zurückgegangen,

befinden sich saldiert aber im positiven Bereich.

Rund 88 Prozent der Unternehmen gehen von anziehenden

oder gleich bleibenden Geschäften aus. Die Produktionspläne

der Elektrofirmen waren im Januar erstmals

seit dem Spätsommer 2012 wieder ausgeglichen.

Die Kapazitätsauslastung in der deutschen Elektroindustrie

ist zu Beginn des ersten Quartals 2013 weiter

geringfügig von 81,8 Prozent auf 81,1 Prozent der betriebsüblichen

Vollauslastung gesunken. „Sie befindet sich

damit aktuell immer noch etwas unter dem langjährigen

Mittelwert von 83 Prozent“, so Dr. Gontermann. (ahü)

ZVEI – ZENTRALVERBAND ELEKTROTECHNIK- UND

ELEKTRONIKINDUSTRIE E.V.,

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8

Klaus Meder wird neuer Vorsitzender

des ZVEI-Steuerkreises Automotive

atp edition

3 / 2013

Klaus Meder wurde vom ZVEI-Steuerkreis der Applikationsgruppe

Automotive zum neuen Vorsitzenden gewählt.

Er folgt Peter Gresch, der sich in der Applikationsgruppe

nun verstärkt beim Aufbau und der Bearbeitung

von Software-relevanten Themen engagiert.

Der Automotive-Experte Meder studierte in Darmstadt

Elektrotechnik und begann seinen Berufsweg 1987 bei

Bosch in Schwieberdingen. Dort leitete er in verschiedenen

Positionen in Deutschland und Japan die Entwicklung

von Steuergeräten unter anderen für elektrische

Lenksysteme, Airbagsteuergeräte und elektrische Bremsregelsysteme.

Zuletzt war er Vorsitzender des Bereichsvorstands

Automotive Electronics bei Bosch. Der scheidende

Vorsitzende Gresch hatte seit 2006 zunächst die

Applikationsgruppe und ab 2011 den Steuerkreis geleitet.

Er förderte den Ausbau der Applikationsgruppe

und deren Arbeitsgruppen,

sowie die Vernetzung

des Steuerkreises innerhalb des

ZVEI und in der gesamten Branche.

Sein Nachfolger Meder will nun

die zahlreichen Arbeitsergebnisse

in den Reihen der Tier-1- und Tier-

KLAUS MEDER

folgt auf Peter

Gresch. Bild: ZVEI

2-Zulieferer, sowie bei den Automobilherstellern noch

stärker zur Geltung bringen.

(ahü)

ZVEI – ZENTRALVERBAND ELEKTROTECHNIK- UND

ELEKTRONIKINDUSTRIE E.V.,

Lyoner Straße 9, D-60528 Frankfurt am Main,

Tel. +49 (0) 69 630 20, Internet: www.zvei.org


Johann-Philipp-Reis-Preis für Veröffentlichungen

der Ingenieur- oder Naturwissenschaften ausgelobt

Der Johann-Philipp-Reis-Preis wird in diesem Jahr wieder

vergeben. Die mit 10 000 Euro dotierte Forschungsauszeichnung,

die der VDE (Verband der Elektrotechnik

Elektronik Informationstechnik e.V.), die Deutsche Telekom

sowie die Städte Friedrichsdorf und Gelnhausen

gemeinsam ausloben, geht an Ingenieur- oder Naturwissenschaftler.

Die Bewerber sollten nicht älter als 40 Jahre

sein und über eine bedeutende nachrichtentechnische

Neuerung berichtet haben. Von den Forschungsergebnissen

wird erwartet, dass sie die Volkswirtschaft nachhaltig

beeinflussen.

Als Veröffentlichung gelten auch Beiträge in wissenschaftlichen

Fachzeitschriften. Dafür genügt die Annahmebestätigung

der Redaktion. Außerdem können Erfindungen

eingereicht werden, die bereits einen positiven

Prüfungsbescheid von der Patentbehörde erhalten hat.

Einzelautoren oder Teams mit bis zu drei Personen müssen

ihre Unterlagen bis zum 8. April 2013 bei der Informationstechnischen

Gesellschaft im VDE (VDE|ITG)

eingereicht haben. Die VDE|ITG ist auch verantwortlich

für die Ausschreibung sowie die sachliche Wertung und

Reihung der eingereichten Arbeiten.

Alle vier Stifter des Preises sind mit Johann Philipp

Reis verbunden. Der Erfinder Reis wurde 1834 in Geln-

hausen geboren, sein Telefon entwickelte er als Lehrer

in Friedrichsdorf. Generalpostmeister Heinrich Stephan

erkannte schon früh die Bedeutung des Telefons

und führte es zielstrebig ein.

(ahü)

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IM VDE (VDE|ITG),

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E-Mail: itg@vde.com,

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FORSCHUNG S-

ARBEITEN, die

die Volkswirtschaft

nachhaltig beeinflussen,

werden

von der ITG gesucht.

Bild: Dr. Klaus-Uwe

Gerhardt / pixelio.de

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BRANCHE

Der Kongress Automation 2013 hebt ab in die Cloud

Mit dem Motto „Automation (in the) cloud“ greift der

Kongress Automation 2013 die bevorstehende Nutzung

globaler Netze für automatisierungstechnische Anwendungen

ebenso auf wie die zunehmende lokale Vernetzung

von Komponenten und Softwarewerkzeugen. Die Tagung

am 25. und 26. Juni 2013 in Baden-Baden will dazu anregen,

Chancen, Herausforderungen und Risiken dieser offenen

Kommunikation der Automatisierungssys teme über die

klassischen Anlagengrenzen hinweg zu diskutieren. Denn

mit der Automation Cloud bieten sich neue Konzepte und

Geschäftsmodelle, betont die VDI/VDE-Gesellschaft Messund

Automatisierungstechnik (GMA) als Veranstalterin.

Das reicht von der Verlagerung von Diensten in die „cloud“

bis hin zu offenen, vernetzten Systemen der Automation.

Der Kongress soll mit einem Blick in die Zukunft zeigen,

wie IT-Technologien die Automation von morgen noch effizienter

und flexibler machen. In diesem Sinne solle der

Kongress zugleich etwas Licht in die vielschichtige Automation

Cloud bringen, betonen die Kongressleiter Dr.-Ing.

Peter Adolphs (Pepperl+Fuchs), Prof. Dr.-Ing. Ulrich Jumar

(ifak e.V.) und Dr.-Ing. Wilhelm Otten (Evonik Industries).

Wie in den Vorjahren ordnen sich die Beiträge auch beim

14. Automations-Kongress entlang des Lebenszyklus von

Lösungen der Automation vom Geräte- und Systementwurf,

über den Betrieb automatisierter Anlagen bis zu Wartung

und Diagnose an. Diese Struktur soll den branchenübergreifenden

Dialog befördern. Weitere Informationen sind

zu finden unter www.automatisierungskongress.de. (gz)

VDI/VDE-GESELLSCHAFT MESS- UND

AUTOMATISIERUNGSTECHNIK (GMA)

VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE E.V.,

VDI-Platz 1, D-40468 Düsseldorf,

Tel. +49 (0) 211 621 40, Internet: www.vdi.de

Internationales Gipfeltreffen zu Smart Grids

Smart Grids zählen weltweit zu den wichtigsten Zukunftsthemen

auch für die Automatisierungstechnik. Vor diesem

Hintergrund treffen sich am 24. und 25. September 2013

internationale Experten zum „World Smart Grid Forum

2013“ in Berlin, das von der IEC, der State Grid Corporation

of China (SGCC) und dem VDE (Verband der Elektrotechnik

Elektronik Informationstechnik e.V) organisiert wird. Werden

intelligente Stromnetze“ hierzulande vor allem im

Kontext der Energiewende diskutiert, so stehen andernorts

Aspekte wie Versorgungssicherheit, Energieeffizienz oder

eine integrierte Systemsicht im Vordergrund. Trotz aller

Unterschiede gibt es jedoch ein global gemeinsames Interesse

an der kommunikativen Vernetzung und Steuerung von

Stromerzeugern, Speichern, Verbrauchern und Netzbetriebsmitteln

in zuverlässigen, intelligenten Netzen.

Zu den Spitzenmanagern und -experten der internationalen

Smart-Grid-Szene, die beim World-Smart-Grid-

Forum vertreten sein werden, zählen unter anderem Prof.

Dr.-Ing. Klaus Wucherer, Präsident der Internationalen

Elektrotechnischen Kommission (IEC), Liu Zhenya, Präsident

und CEO der State Grid Corporation of China

(SGCC), sowie VDE-Präsident Dr.-Ing. Joachim Schneider.

Neben der Bewertung technischer, regulatorischer

und wirtschaftlicher Fortschritte und der Ermittlung

des Handlungsbedarfs stehen insbesondere die Zukunftspfade

für robuste und sichere Smart Grids, Smart

Communities und Smart Cities auf der Tagesordnung.

Weitere Informationen zum Kongress sind zu finden

unter www.worldsmartgridforum2013.org. (gz)

VDE VERBAND DER ELEKTROTECHNIK ELEKTRONIK

INFORMATIONSTECHNIK E.V.,

Stresemannallee 15, D-60596 Frankfurt am Main,

Tel. +49 (0) 69 630 80, Internet: www.vde.com

Call for atp experts – Wireless Communication

AUSGABE 55 (9) DER ATP EDITION im September

2013 diskutiert aktuelle Aspekte

drahtloser Kommunikation in der industriellen

Automatisierung. Die Themenpalette

reicht von normativen Bestimmungen, Interoperabilität

und Koexistenzmanagement von

Funklösungen über Aspekte der funktionalen

Sicherheit und der Datensicherheit bis hin zu

industrietauglichen Energie-Harvesting- und

Management-Konzepten. Ebenso sind Beiträge

über Messverfahren oder die Leistungsbewertung

für industrielle Einsatzumgebungen

willkommen. Wir bitten Sie, bis zum

1. Mai 2013 zu diesem Themenschwerpunkt

einen gemäß der Autorenrichtlinien der atp

edition ausgearbeiteten Hauptbeitrag an den

Chefredakteur der atp edition, Prof. Leon Urbas,

unter urbas@di-verlag.de einzureichen.

Die atp edition ist die hochwertige Monatspublikation

für Fach- und Führungskräfte

der Automatisierungsbranche. In den

Hauptbeiträgen werden Themen mit hohem

wissenschaftlichem und technischem Anspruch

vergleichsweise abstrakt dargestellt.

Der Journalteil stellt praxisnahe Erfahrungen

von Anwendern mit neuen Technologien,

Prozessen oder Produkten der

Automatisierungstechnik vor. Alle Beiträge

werden von einem Fachgremium aus Automatisierungsexperten

begutachtet. Sollten

Sie sich selbst aktiv an dem Begutachtungsprozess

beteiligen wollen, bitten wir um

kurze Rückmeldung. Für weitere Rückfragen

stehen wir Ihnen gerne zur Verfügung.

Ihre Redaktion der atp edition:

Leon Urbas, Anne Hütter

CALL FOR

Aufruf zur Beitragseinreichung

Thema: Wireless Communication

Kontakt: urbas@di-verlag.de

Termin: 1. Mai 2013

10

atp edition

3 / 2013


Achem Asia rechnet mit steigenden Ausstellerzahlen

Schon zwei Monate vor dem Start am 13. Mai 2013 erwarten

die Organisatoren der Achem Asia leicht wachsende

Ausstellerzahlen. Veranstaltet wird die Messe in Peking von

der Dechema in Kooperation mit chinesischen und internationalen

Partnern. Die neue Kongressstruktur mit Satellitensymposien,

die in enger Abstimmung mit chinesischen

und internationalen Partnern gestaltet werden, stößt ebenfalls

auf positive Resonanz,wie die Dechema meldet.

Die Organisatoren machen für das große Ausstellerinteresse

vor allem die aktuelle Wirtschaftslage in Europa und

das anhaltende Wachstum in Asien verantwortlich. „Außerdem

ergeben sich in China durch die Umstrukturierung

der Wirtschaft und die Vorgaben des Fünfjahresplans interessante

Möglichkeiten“, erläutert Dr. Thomas Scheuring,

Geschäftsführer der Dechema Ausstellungs-GmbH.

Die Achem Asia gilt als internationalste Veranstaltung für

die Prozessindustrie in Asien. Als wichtiger Treffpunkt für

chinesische und ausländische Anbieter und Interessenten

zieht sie mehr als 400 Aussteller aus über 20 Ländern und

mehr als 12 000 Besucher an. Das Ausstellungsprogramm

umfasst die gesamte Bandbreite von der Labor- und Analysentechnik

bis zum Anlagenbau und deckt alle Branchen

von der Lebensmittelindustrie, der pharmazeutischen Produktion

bis hin zu Petrochemie ab.

Das begleitende Kongressprogramm widmet sich in diesem

Jahr den Schwerpunkten Fügetechnik im Anlagenbau,

Alternativen zum Erdöl, Umweltschutz, Abwasser-

behandlung, Prozessanalytik und der chemischen Trenntechnik.

Gemeinsam mit Partnern werden dazu kompakte

Satellitensymposien organisiert. Durch die unmittelbare

Nähe von Kongress und Ausstellung in den modernen

Räumlichkeiten des China National Convention Center in

Beijing ist der fruchtbare Austausch zwischen Wissenschaft

und Anwendung gewährleistet. Weitere Informationen

sind zu finden unter www.achemasia.de. (gz)

DECHEMA GESELLSCHAFT FÜR CHEMISCHE TECHNIK

UND BIOTECHNOLOGIE E.V.,

Theodor-Heuss-Allee 25, D-60486 Frankfurt am Main,

Tel. +49 (0) 69 756 40, Internet: www.dechema.de

KONGRESS UND

AUSSTELLUNG, hier

ein Bild von der Messe

2010 finden bei der

AchemAsia in Peking,

in großer räumlicher

Nähe zueinander statt.

Bild: Dechema

Verbände gründen gemeinsame „Plattform Industrie 4.0“

Die Branchenverbände Bitkom, VDMA und ZVEI wollen

das Thema Industrie 4.0 voranbringen und gründen

dafür eine gemeinsame Geschäftsstelle. Die „Plattform

Industrie 4.0“ soll im April 2013 in Frankfurt am Main

ihren operativen Betrieb aufnehmen. Im Internet wird ein

gemeinsames Informationsportal eingerichtet. Hauptziel

ist die Entwicklung von Technologien, Standards, Geschäfts-

und Organisationsmodellen und ihre praktische

Umsetzung. Industrie 4.0 hat nach Ansicht der drei Verbände

eine herausragende Bedeutung für die Wettbewerbsfähigkeit

der deutschen Industrie. Der Begriff steht für

eine vernetzte, oft per Internet über Unternehmensgrenzen

hinweg verbundene industrielle Produktion.

Die Präsidenten der drei Verbände Prof. Dieter Kempf

(Bitkom), Dr. Thomas Lindner (VDMA) und Friedhelm

Loh (ZVEI) betonen, die nächste industrielle Revolution

werde durch das Internet geprägt sein und zu einer engen

Verzahnung von ITK-, Automatisierungs- und Produktionstechnologien

führen. Deutschland habe beste Voraussetzungen,

um im Feld dieser Industrie 4.0 eine Führungsrolle

einzunehmen. Deutschland, so ein Ziel der

Initiative der drei Verbände, solle zum Leitmarkt und

Leitanbieter innovativer internetbasierter Produktionstechnologien

werden.

Die gemeinsame Geschäftsstelle wird die Arbeit des

Arbeitskreises „Industrie 4.0“ der Forschungsunion fortsetzen.

Dort haben im vergangenen Jahr Experten aus

Wirtschaft und Wissenschaft Empfehlungen erarbeitet,

wie Deutschland die vierte industrielle Revolution gestalten

und als Gewinner aus ihr hervorgehen kann. Die ge-

INDUSTRIE 4.0:

Vielmehr als heu t-

zutage werden mit

dem Internet über

Unternehmensgrenzen

hinweg

verbundene

Produktionsprozesse

Einzug halten.

Bild: VDMA

meinsame Plattform wird neben der Geschäftsstelle aus

einem Lenkungskreis, einem wissenschaftlichen Beirat

und mehreren thematischen Arbeitsgruppen bestehen. In

den Arbeitsgruppen können sich weitere Verbände und

Organisationen beteiligen. Dem Lenkungskreis werden

Mitgliedsunternehmen der drei Verbände angehören.

„Wir wollen die zentrale Anlaufstelle für das Zukunftsthema

Industrie 4.0 werden und dafür alle relevanten

Akteure aktiv einbinden und koordinieren“, sagt Rainer

Glatz, VDMA, Leiter der Geschäftsstelle.

(gz)

ZVEI – ZENTRALVERBAND ELEKTROTECHNIK- UND

ELEKTRONIKINDUSTRIE E.V.,

Lyoner Straße 9, D-60528 Frankfurt am Main,

Tel. +49 (0) 69 630 20, Internet: www.zvei.org

atp edition

3 / 2013

11


BRANCHE

FETS – Flexibles eingebettetes Telemetrie-System zur

Fernwartung in mobilen oder stationären Anwendungen

Technologie realisiert die Überwachung und Diagnose mobiler und stationärer Systeme

BILD 1: Struktur der FETS-Technologie

Die Fernwartungstechnologie FETS wurde von Forschern

des Fraunhofer-Institutsteils Angewandte

Systemtechnik (AST) des Fraunhofer Instituts für Optronik,

Systemtechnik und Bildauswertung (IOSB) als

eine Möglichkeit entwickelt, zeitkritische Kommandoabfolgen

mit latenzbehafteter Drahtloskommunikation

zu kombinieren. Die Abkürzung FETS steht für flexibles

eingebettetes Telemetrie-System. Im Folgenden wird das

Zusammenwirken der Einzelkomponenten, bestehend

aus einem mikrocontrollerbasierten Modul, einem Fernwartungsserver,

der Software für die Wartung des Systems

und einer Weboberfläche zur Darstellung von Informationen

beschrieben. FETS kann für mobile sowie

stationäre Systeme verwendet werden.

FETS FLEXIBEL ALS BAUKASTENSYSTEM KONZIPIERT

In der modernen Automatisierungs- oder Fahrzeugtechnik

kommen digitale Steuerungssysteme immer

öfter zum Einsatz. Im Bereich der mobilen Systeme

werden meist CAN-basierte Systeme eingesetzt, bei

denen strikte Timeouts einzuhalten sind. Hierbei werden

einzelne Module über den Systembus parametriert.

Diese Möglichkeit und die steigende Anzahl der Parameter

dieser Einzelmodule machen die Fernwartung

für mobile als auch stationäre Systeme zunehmend

interessant.

Infolge verschiedener Möglichkeiten der Datenübertragung

in den jeweiligen Einsatzgebieten sind abweichende

Latenzzeiten zu berücksichtigen. Dabei muss die

Sicherheit des Nutzersystems gewährleistet sein. Forscher

des Fraunhofer-Institutsteils Angewandte Systemtechnik

(AST) in Ilmenau entwickelten dafür die Fernwartungstechnologie

FETS.

Die Technologie wird bereits bei verschiedenen Systemen

eingesetzt. Verwendung findet sie als Fernwartungs-

und -diagnosetool bei hochwertigen Elektrorollstühlen

oder als Flottenmanagementsystem für den

Verleih von Pedelecs. Zudem wird sie für Forschungszwecke

zur Anbindung von Photovoltaik-Anlagen an

zentrale Diagnose- und Steuerungssysteme verwendet.

Die vielfältigen Verwendungszwecke erfordern eine

Technologie, die flexibel und mit minimalem Aufwand

an unterschiedliche Nutzersysteme adaptiert werden

kann. Um dies zu gewährleisten, wurde FETS als Baukastensystem

konzipiert. Die Nutzung verschiedener

Controllersysteme, die Möglichkeiten der drahtlosen

oder drahtgebundenen Kommunikation und die Nutzung

unterschiedlicher Schnittstellen, wie zum Beispiel

CAN, LAN oder RS485 ermöglichen zeitnah eine ressourcen-

und kosteneffektive Anbindung an verschiedene

Nutzersysteme.

KOMPONENTENBASIERTE STRUKTUR

Das Fernwartungssystem arbeitet auf Basis einer Server-

Client-Struktur. Jede System-Komponente meldet sich

an einem zentralen Server an (Bild 1). Die Zentrale des

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atp edition

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BILD 2: Interruptstruktur des Taskmanagements

beim Renesas M16C

BILD 3: Parametrier- und Diagnosesoftware für Elektrorollstühle

Systems ist eine Serveranwendung mit integrierter Datenbank.

Dieser Fernwartungsserver dient als oberste

Verwaltungsinstanz zur Authentifizierung der angemeldeten

Nutzer und zur Verwaltung der einzelnen Fernwartungsmodule.

Die zweite Komponente ist das Fernwartungsmodul,

das mit dem Nutzersystem verbunden ist und mit diesem

den zeitkritischen Datenaustausch realisiert. Zusätzlich

ermöglicht die Drahtlosverbindung die Kommunikation

zum Fernwartungsserver.

Die dritte Komponente ist die Fernwartungs-Software.

Sie stellt die Datenverbindung über den Server zum Fernwartungsmodul

her. Dies ermöglicht die Übertragung

von Messwerten und Parametern des Nutzersystems zur

Wartungssoftware sowie die Anzeige dieser Daten in

einer nutzerspezifischen Weboberfläche.

ZEITKRITISCHE KOMMUNIKATION ZUM NUTZERSYSTEM

Die Firmware des Fernwartungsmoduls muss auf die

Abarbeitung der zeitkritischen Kommandoabfolgen optimiert

werden. Bei E-Rollstuhlsystemen können solche

Komandoabfolgen aus mehreren 10 000 CAN-Nachrichten

bestehen. Hierbei dürfen keine Datenpakete bei der

Übertragung verloren gehen, was zum Beispiel durch

begrenzte Hardwareressourcen passieren kann. Zur Lösung

dieses Problems ist ein striktes Timing im Fernwartungsmodul

von enormer Bedeutung. Die Gestaltung des

Timings ist sehr stark von den Ressourcen der Hardware

und den laufenden Prozessen abhängig. In der Fernwartungstechnologie

wird hierfür ein „ereignisgesteuertes

Multitaskingsystem“ mit Taskprioritäts-Prozesszuweisung

genutzt. Es stellt eine Mischform aus kooperativem und

präemptivem Multitasking dar und kombiniert die Vorteile

von beiden. Dazu werden verschachtelte Interrupts verwendet.

Es handelt sich um Strukturen in Mikrocontrollern,

bei denen Interrupts von anderen mit höherer Priorität

unterbrochen werden können. In Bild 2 ist eine solche

Prioritätszuweisung der einzelnen Interrupts am Beispiel

des Mikrocontrollers M16C zu sehen. Die Zuweisung der

Taskprozesse auf unterschiedliche Interruptlevel ist

auch von den unterschiedlichen Mikrocontrollern abhängig.

Für FETS wurden diese Strukturen für Controller

unterschiedlicher Leistungsklassen entwickelt.

INDIVIDUELLE GESTALTUNG DER WARTUNGSSOFTWARE

Die Software für die Fernwartung und -diagnose dient

zur Parametrierung des Nutzersystems sowie zur Anzeige

dessen Parameter und Messwerte. Sie kann individuell

an die Anforderungen des Nutzers angepasst werden.

Hierbei kann auf bereits vorhandene Komponenten zurückgegriffen

werden. Außerdem kann die entsprechende

Schnittstelle dem Anwender zur Verfügung gestellt

werden, sodass er die Fernwartungssoftware in sein eigenes

System integrieren kann.

Am Beispiel eines Fernwartungs- und Flottenmanagementsystems

für moderne Elektrorollstühle wird eine

atp edition

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BRANCHE

mögliche Variante vorgestellt (Bild 3). Diese modernen

Rollstühle werden weltweit erfolgreich eingesetzt. Deren

Nutzer sind in der Regel permanent auf sie angewiesen.

Die modernen Elektrorollstuhlsysteme besitzen abhängig

von der Ausstattung für Spezialfunktionen rund 2000

unterschiedliche Parameter- und Messwerte. Der Vorteil

der Fernwartung liegt bei solch einem System darin, dass

diese Werte, etwa für spezielle Parametrierungen, beim

Anwender verbleiben können. Die Software ermöglicht

das Auslesen der gesamten Fehlerhistorie. Komplette

Datensätze können gesichert sowie neue in die Systemmodule

geladen werden.

Betriebe, die Rollstühle beziehungsweise Pedelecs

verleihen oder pflegende Betreuer von gehandicapten

Personen können zusätzlich eine Weboberfläche nutzen,

um Notfallsituationen zu erkennen und zu lokalisieren.

Allerdings unterliegt die Anwendung den

Datenschutzbestimmungen. Außerdem zeigt die Visualisierung

aktuelle Systemdaten, wie etwa Akkuzustand

oder Fehlermeldungen, an.

FAZIT UND AUSBLICK

Die beschriebene Fernwartungstechnologie FETS ist

flexibel einsetzbar und ermöglicht Wartungs- und Diagnosearbeiten

von einer Servicezentrale aus. Mit diesem

System wurde am Fraunhofer-AST eine Technologie zur

Realisierung der Fernwartung für mobile und stationäre

Systeme, aufbauend auf dem Baukastenprinzip, entwickelt.

Sie ermöglicht die ressourcen- und kosteneffektive

Anbindung an verschiedene Nutzersysteme sowie

eine Adaption an unterschiedliche Schnittstellen. Die

Wartungssoftware kann individuell an die Nutzeranforderungen

angepasst werden, wobei auf bereits bestehende

Komponenten zurückgegriffen werden kann.

In der Weiterentwicklung wird verstärkt der Sicherheitsaspekt

der Datenintegrität bei der Kommunikation

zwischen Fernwartungsmodul und Server untersucht.

Hierfür ist die Implementierung von Verschlüsselungsalgorithmen

bei der Datenübertragung vorgesehen. Zusätzlich

sollen Verfahren zur Serveridentifizierung integriert

werden.

AUTOREN

Dipl.-Ing. FRANK WEICHERT ist wissenschaftlicher

Mitarbeiter am Fraunhofer-

Instituts teil Angewandte Systemtechnik des

Instituts für Optronik, Systemtechnik und

Bildauswertung (IOSB). Seine Fachkenntnisse

sind die Entwicklung von Hard- und Software

für Eingebettete Systeme in den Bereichen der

Assistenzsysteme für Elektrorollstühle und

Fernwartungstechnologie.

Fraunhofer – Angewandte Systemtechnik,

Am Vogelherd 50, D-98693 Ilmenau,

Tel. +49 (0) 3677 46 11 45,

E-Mail: frank.weichert@iosb-ast.fraunhofer.de

Dipl.-Ing. ANDRÉ WEISKOPF ist wissenschaftlicher

Mitarbeiter am Fraunhofer-Instituts teil

Angewandte Systemtechnik des Instituts für

Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung

(IOSB). Seine Fachkenntnisse sind die Entwicklung

von Hard- und Software für Eingebettete

Systeme in den Bereichen der Fernwartungstechnologie

und mobile Roboter.

Fraunhofer – Angewandte Systemtechnik,

Am Vogelherd 50, D-98693 Ilmenau,

Tel. +49 (0) 3677 46 11 79,

E-Mail: andre.weiskopf@iosb-ast.fraunhofer.de

Prof. Dr.-Ing. ANDREAS WENZEL leitet die Gruppe

„Eingebettete Systeme“ am Fraunhofer-Institutsteil

Angewandte Systemtechnik des Instituts für

Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung

(IOSB). 2012 wurde er zum Professor für Eingebettete

Systeme an der Fachhochschule Schmalkalden

berufen. Seine Fachkenntnisse sind die Entwicklung

von Hard- und Software für Eingebettete

Systeme in den Bereichen Assistenzsysteme und

mobile Roboter.

Fraunhofer – Angewandte Systemtechnik,

Am Vogelherd 50, D-98693 Ilmenau,

Tel. +49 (0) 3677 46 11 44,

E-Mail: andreas.wenzel@iosb-ast.fraunhofer.de

M. Sc. NORBERT FRÄNZEL arbeitet als wissenschaftlicher

Mitarbeiter an der TU Ilmenau im Fachgebiet

Systemanalyse. Seine Fachkenntnisse sind die

Entwicklung von Hard- und Software für Eingebettete

Systeme in den Bereichen der Medizintechnik

und Assistenzsysteme.

TU Ilmenau,

Fakultät IA, FG Systemanalyse,

Helmholtzplatz 5, D-98684 Ilmenau,

Tel. +49 (0) 3677 69 14 16,

E-Mail: norbert.fraenzel@tu-ilmenau.de

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atp edition

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PRAXIS

„Handgefertigt von Maschinen“ in der Schweiz –

intelligente Automation schlägt Low-Cost-Produktion

BMC holt Produktion aus China zurück – Roboter stellen Carbonrohre für Hightech-Rennräder her

Konsequentes Automatisieren eröffnet oft bessere Wettbewerbschancen

als das Auslagern ganzer Fertigungslinien

in Billiglohnländer. Dem Schweizer Fahrradhersteller

BMC gelang es so, die Fertigung seines

Hightech-Produktes erfolgreich aus China zurück in die

Schweiz zu holen und dabei wertvolles Know-how im

Hause zu behalten. Die Herstellung der Carbonrohre für

den Rahmen erfolgt nicht mehr manuell, sondern robotergestützt.

Asic Robotics AG konzipierte und realisierte

die Automatisierung und Verkettung der einzelnen

Prozesse mit insgesamt fünf ABB-Robotern.

Andy Rihs, Geschäftsführer bei BMC, setzt Investitionsschwerpunkte

in Entwicklung, Design und Marketing.

Die Fertigung der Carbonrahmen für Rennräder

holte BMC aus China zurück, denn das Risiko von

Know-how-Verlusten sowie Qualitätsprobleme wirkten

nachteilig. Mängel resultierten ausschließlich aus der

manuellen Fertigung: Exakte Reproduzierbarkeit und

hohe Präzision sind mit den Arbeitsmethoden des Manufakturzeitalters

kaum zu realisieren. Wenn für ein

Carbonrohr verschiedene harzgetränkte Kohlefasermatten

in Formen einzulegen und zu laminieren sind, führen

schon geringe Lageabweichungen zu Einbußen bei

Festigkeit und Sicherheit. Auch alle manuell ausgeführten

Folgeschritte vom Zuschneiden und Verkleben der

Rohre über das Schleifen des Rahmens bis hin zum

Lackieren sind potenzielle Fehlerquellen und zudem

zeitaufwendig: Allein das Schleifen eines Rahmens erfordert

einen Manntag.

KERNPROZESSE LAUFEN VOLLAUTOMATISCH AB

Andy Rihs suchte ab 2005 nach einer Lösung für die

automatisierte Produktion. Er errichtete am Standort

Grenchen im Schweizer Kanton Solothurn die Linie

zum robotergestützten Bau von Carbonrahmen für

Rennräder. Die Technik-Manager von BMC kooperierten

mit der im schweizerischen Burgdorf ansässigen Asic

Robotics AG. Vier Jahre Entwicklungsarbeit und rund

40 Millionen Schweizer Franken (etwa 33 Millionen

Euro) Investitionen von BMC führten zum Erfolg. Für

das Ergebnis wirbt BMC denn auch mit dem Slogan

„Handgefertigt von Maschinen“.

Das Geheimnis der Perfektion des Rennrades „Impec“

liegt zum großen Teil in seinem leichten Rahmen. Die Einzelteile

weisen lastspezifische Profile und Wanddicken auf

– je nach der im Rahmenverbund zu erfüllenden Aufgabe.

Zwei der dafür bei BMC entwickelten Fertigungsverfahren

heißen Load Specific Weave (LSW) und Shell Node Concept

(SNC). Das LSW-Verfahren ist ein vollautomatischer

Prozess und besteht aus den drei Arbeitsschritten Flechten,

Verharzen und Ablängen der Rohre. SNC gewährleistet,

dass die Rohrverbindungen des Rahmens höchstmögliche

Steifigkeit und Stabilität aufweisen. Dazu werden

jeweils zwei spritzgegossene Halbschalen aus einem Carbon-Compound-Material

mit den Knotenpunkten verklebt.

Die Innenflächen dieser Halbschalen sind so gestaltet, dass

sie nach dem Verkleben einen maximalen Kraftschluss mit

den Rohrknoten erzielen.

ROBOTER POSITIONIERT DEN KERN IM FLECHTRAD

Den Transport der Werkstücke zwischen den einzelnen

Roboter-Arbeitsstationen leistet ein automatisiertes

Transfersystem für Werkstückträger. Für jeden

Rohrtyp gibt es eine begleitende Datenplakette, anhand

derer jede Arbeitsstation den Rohrtyp mittels

eines Code-Scanners identifiziert. Die für den jeweiligen

Prozess benötigten Parameter erhält die Arbeitsstation

von einem PC oder Server: Flechtparameter,

Harzeinspritzmenge, erforderliche Aushärtezeit, Werte

zur Drucküberwachung im Silikonkern oder über

das Mischungsverhältnis von Harz und Härter. Nach

Abschluss eines jeden Prozesses speichert das System

die realen Arbeitswerte der Maschinen für jedes Rohr

wieder auf dem Server. So ist die Rückverfolgbarkeit

gegeben.

Die Fertigung beginnt in der Flechtanlage. Mit einem

über drei Meter großen Flechtrad ist sie ein technisches

Novum für den Bau eines Rennrades. Bestückt ist sie je

nach zu fertigendem Rohrtyp mit 98 bis 128 Spulen zum

Flechten der Rohre aus hauchdünnen Carbon-Fäden. Ein

Roboter ABB IRB 4400 nimmt den Positivkern des zu

fertigenden Rohres von einem Werkstückträger und positioniert

ihn im Zentrum des Flechtrades. Dieser Kern

besteht aus Silikon mit einem glasfaserverstärkten Stabilisierungsdorn.

VOLLAUTOMATISCHE COMPOSITE-VERHARZUNG

Nach dem Einlesen der Produktionsdaten beginnt das

Flechtrad, automatisch einen nahtlosen Tubus aus Carbonfasern

um den formgebenden Kern herum aufzubauen.

Über die Vorschubgeschwindigkeit des Positivkerns,

seine Geometrie und die Geschwindigkeit des

Flechtrades lässt sich die Ausrichtung der Fasern bestimmen.

Die Wanddicke hängt von der Anzahl der

Flechtlagen ab. Ist die Carbonstruktur fertig, kappt eine

Diamant-Trennscheibe den Tubus ab, und der Roboter

hängt ihn mit dem darin befindlichen Positivkern zurück

in den Werkstückträger, der dann die nächste Station

ansteuert.

Den zweiten Schritt der Fertigung erledigt die laut

BMC weltweit erste vollautomatische Verharzungsanlage

für Composite-Werkstoffe. In ihrem Zentrum stehen

die Negativformen der für die unterschiedlichen

impec-Rahmen erforderlichen Rohre.

Das Handling in der Verharzungsanlage übernimmt

ein zweiter Roboter vom Typ IRB 4400. Er greift den

umflochtenen Positivkern vom Werkstückträger und

setzt ihn in die entsprechende Negativform ein. Anschließend

schließt die Spritzanlage die Form und

injiziert ein spezielles Zweikomponenten-Harz durch

ein im Formboden integriertes Mischrohr. Das Aushärten

des Formteils erfolgt zeitgesteuert in der noch

geschlossenen Form. Nach Ablauf der Aushärtezeit

öffnet sich die Form, der Roboter entnimmt den Rohling

und setzt ihn anschließend in den Werkstückträger

ein, um ihn zur dritten und letzten Station der

Fertigung zu transferieren.

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atp edition

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AUTOMATISIERTER

KLEBSTOFFAUFTRAG:

Der ABB-Roboter ist mit der

kompletten Klebe ausrüstung

und einem optischen Kontrollsystem

ausgestattet.

EIN NOVUM IM RENNRADBAU: IM ZENTRUM

dieses Flechtrads mit mehr als drei Metern

Durchmesser positioniert der Roboter den

Positivkern. Um ihn herum wird das Rohr aus

hauchdünnen Carbonfäden von bis zu 128

Spulen geflochten. Bilder: BMC

PERFEKT AUF PASSUNG GEARBEITET:

Die Innenflächen dieser aus einem

Carbon-Compound-Material spritzgegossenen

Halbschalen sind so

gestaltet, dass sie nach dem Verkleben

einen maximalen Kraftschluss mit

den Rohrknoten erzielen.

ABLÄNGEN AUF DEN ZEHNTELMILLIMETER GENAU

Das Ablängen schließt als letzter Arbeitsschritt das

LSW-Verfahren ab. Zum Schneiden auf Maß legt ein Industrieroboter

IRB 2400 das ausgehärtete Rohr in eine

Werkzeugaufnahme und entfernt den noch darin befindlichen

Positivkern. Anschließend fährt die Werkzeugaufnahme

mit dem Rohr in den Schneidraum, wo Diamantsägen

die Rohrenden auf den Zehntelmillimeter

genau abtrennen. Dazu ermittelten und programmierten

die BMC-Experten für jede der 36 Varianten der impec-

Rohre die Verfahrwege der Sägeachsen.

Die Produktion der für die Montage benötigten Halbschalen

(Shells) für die Knotenpunkte ist ein von der

Rohrfertigung unabhängiger Prozess. Von größter Bedeutung

für die Qualität der Halbschalen ist ihre innere

Gestaltung. Sie muss sich so an die Knotengeometrie

anfügen, dass beim Verkleben der Shells mit den Rohren

ein optimaler Kraftschluss entsteht. Das Material für die

Shells ist ein Verbundwerkstoff mit hohem Carbonanteil.

Er garantiert später die notwendige Festigkeit. Über

Mold-Flow-Analysen haben die BMC-Ingenieure die für

den Spritzguss wichtigen Parameter optimiert.

KLEBERAUFTRAG PER KAMERA KONTROLLIERT

Die Rahmenmontage erfolgt teilautomatisiert. Ein Werker

setzt die spritzgegossenen Halbschalen in die Einspannvorrichtungen.

Ein optisches Kontrollsystem

überprüft die Positionierung der Halbschalen. Dann

appliziert ein IRB 1600 den Zweikomponentenkleber

punktgenau auf die dafür vorgesehenen Stellen der

Halbschalen. Programmgesteuert wird die exakt richtige

Menge Composite-Kleber aufgetragen. Die am Roboterarm

montierte Kamera überprüft, ob an den vorgesehenen

Stellen Kleber haftet. Das anschließende Positionieren

von Halbschalen und Carbonrohren auf der

Montageplatte erfolgt manuell. Nach dem Justieren aller

Teile fährt der Werker die bestückte Montageplatte in

einen Ofen zum Aushärten.

Als letzter Schritt erfolgt die Nass-in-Nass-Lackierung

der Rahmen in einer Lackierkabine – ebenfalls automatisiert

durch einen Roboter. Hier führt ein sechsachsiger

IRB 580 die Spritzpistole. Er kann nahezu jede menschliche

Arm- und Handbewegung nachvollziehen.

AUTOR

Dipl.-Ing. HANS P. FRITSCHE

Barbarastr. 10,

D-61231 Bad Nauheim,

Tel. +49 (0) 6032 819 00

atp edition

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PRAXIS

RFID-Technik als Zugangsschlüssel in

explosionsgefährdeter Arbeitsumgebung verwenden

Grundlagen zur Funkkommunikation über Radiofrequenz und Anwendung in der Industrie

Feld H

Reader

Daten

RFID-Datenträger

Antenne

AKTIVIERUNG und Reaktion eines RFID-Datenträgers

AUF DIE ZULASSUNG der Datenträger

in explosions gefährdeten

Bereichen weist dieses

Zertifizierungszeichen hin.

BEISPIELE für fest zu montierende

Datenträger mit und ohne Mittelloch

Zahlreiche Arbeitsumgebungen befinden sich im explosionsgefährdeten

Bereich. Der Beitrag schildert

den Einsatz sicherer Zugangskennung mittels RFID in

explosionsgefährderter Arbeitsumgebung.

Explosionsgefahr entsteht, wenn brennbare Flüssigkeiten

oder Gase verarbeitet werden. Feinstäube in geschlossenen

Räumen, etwa im Bergbau oder bei Mahlvorgängen

in Getreidemühlen, sind beispielsweise solche

Risikoquellen. In diesen Umgebungen müssen die

Mitarbeiter durch umfangreiche Maßnahmen geschützt

werden. Insbesondere elektrische Schutzmaßnahmen

sollen Funkenbildung sicher verhindern.

KONTAKTLOSE KOMMUNIKATIONSTECHNIK

Kontaktlose Kommunikations- und Schalttechniken

sind sicherer auszuführen als kontaktbehaftete. Ein Beispiel:

Wenn jemand einen metallischen Schlüssel in ein

Schloss steckt, kann sich eine elektrostatische Aufladung

beim Kontaktschluss zwischen Schlüssel und

Schloss unmittelbar mit Funkenbildung entladen. Diese

Gefahrenquelle lässt sich vollständig ausschließen,

wenn man kontaktlos arbeitet. RFID-Technik kann sicher

in explosionsgefährdeter Umgebung eingesetzt werden,

da die Technik über Funk kommuniziert. Dazu kann der

Nutzer einen aktiven Sender und Empfänger verwenden.

Praktischer wäre aber ein aktives Lesegerät und ein

RFID-Datenträger, auch Transponder oder Tag genannt.

Das RFID-Schreib-/Lesegerät sendet Funkwellen aus, die

von der im RFID-Datenträger integrierten Antenne empfangen

werden. Mithilfe der so aufgenommenen Energie

wird der Chip im RFID-Datenträger aktiviert, sodass er

auf die Anforderung des Lesegerätes reagieren kann und

im einfachsten Fall seine UID (=Unique IDentification

number) zurücksenden kann. Die UID ist die Kennnummer

des Chips, die weltweit einmalig vom Chiphersteller

vergeben wird. Jeder RFID-Datenträger unterscheidet

sich also eindeutig von jedem anderen. So lässt sich

leicht eine Schlüsselfunktion realisieren.

RFID-DATENTRÄGER IN DER PRAXIS

Wie sehen RFID-Datenträger in der Praxis aus? Zum einen

kann das Lesegerät fest verbaut sein. Dann ist der

RFID-Datenträger mobil. Im industriellen Einsatz dagegen

werden vielfach Güter gekennzeichnet, die fest verbaut

sind. Dann ist der RFID-Datenträger fixiert und das

Lesegerät muss mobil sein. Für die fest zu montierenden

RFID-Datenträger gibt es beispielsweise runde Münzenformen

mit Mittelloch, die aufgeschraubt oder mit einem

Kabelbinder angebracht werden. Alternativ können runde

oder auch eckige Ausführungen aufgeklebt werden.

Die RFID nutzt drei Wellenlängen: LF mit 125 kHz, HF

mit 13,56 MHz und UHF mit 868 MHz bis 950 MHz. Jede

dieser Kenngrößen bringt Vor- und Nachteile. Die UHF-

Technik ist mit größeren Lesereichweiten verbunden, je

nach Antennenausführung bis zu einigen Metern. International

werden verschiedene Frequenzen im UHF-Bereich

verwendet. 868 MHz in Europa, 915 MHz in USA

und 950 MHz in Japan. Die LF-Technik ermöglicht mit

einfacher Antennentechnik Lesereichweiten im Zentimeter-Bereich

und verwendet in verschiedenen Anwendungsfeldern

zum Beispiel 125 kHz oder 134 kHz. Die HF-Technik

bietet den Vorteil, dass weltweit nur eine einzige Fre-

18

atp edition

3 / 2013


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quenz (13,56 MHz) zum Einsatz kommt. Die Lesereichweite

beträgt typischer Weise ebenfalls einige

Zentimeter, was man sich in der Anwendung zu Nutze

macht. Der Benutzer nähert sich beispielsweise mit seinem

Schlüsselanhänger oder Armband dem Lesegerät

auf wenige Zentimeter.

ZULASSUNG IN EXPLOSIONSGEFÄHRDETER UMGEBUNG

Sowohl die RFID-Datenträger wie auch die eingesetzten

Lesegeräte unterziehen sich einer speziellen Zertifizierung,

um für explosionsgefährdete Umgebungen

zugelassen zu werden. Nach Richtlinie 94/9/EG werden

nicht-elektrische Geräte in der Klasse II (Industrie),

oder in der Klasse I (Bergbau) geprüft und freigegeben.

Die Anwendung dieser Richtlinie zeigt häufig

ein genormtes Logo an. Diese Zertifizierung nach

ATEX Zone 1 in einem deutschen Prüflabor auszuführen

ist zwar aufwendig, bringt aber die höchstmögliche

Sicherheit und Einhaltung der vom Gesetz vorgeschriebenen

Bedingungen. Damit der Anwender am

Ende sicher sein kann, dass die einzusetzenden RFID-

Datenträger den Vorschriften entsprechen, wird jeder

RFID-Datenträger fälschungssicher mit der Prüfkennung

versehen.

Die Referenzklasse für die

Automatisierungstechnik

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automatisierungstechnischen Praxis nehmen außerdem

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EINSATZMÖGLICHKEITEN DER RFID-TECHNIK

Die Einsatzmöglichkeiten dieser Technik gehen natürlich

weit über das gewählte Beispiel der Zutrittskontrolle

hinaus. Inventarisierung, Lagerverwaltung,

Service und Wartung sind weitere Anwendungsfälle,

bei denen die RFID Technik ihren Einsatz findet.

Es ist verständlich, dass insbesondere die Auswahl

geeigneter RFID-Datenträger neben den Schreib-/Lesegeräten

den entscheidenden Erfolgsfaktor jeder RFID-

Implementation ausmacht. Umfassende Beratung zu

Einsatzmöglichkeiten und Integration in bestehende

IT-Umgebungen verhilft Unternehmen zum erfolgreichen

Einsatz.

AUTOR

BERND FRANKE ist

Business Development

Manager bei der Smart-Tec

GmbH & Co. KG in Oberhaching

bei München.

Smart-Tec GmbH & Co KG,

Kolpingring 3, D-82041 Oberhaching,

Tel. +49 (0) 89 61 30 07 95,

E-Mail: b.franke@smart-tec.com

atp edition erscheint in der DIV Deutscher Industrieverlag GmbH, Arnulfstr. 124, 80636 München


PRAXIS

Britischer Chemiehersteller „erntet“ Energie für

dezentrale Sensoren aus Wärmeunterschieden

Praxiserfahrungen mit Temperatur-Messung ohne externe Stromversorgung

eim britischen Chemiehersteller Robinson Brothers

B wurde ein drahtloser Temperaturmesser eingesetzt,

der sich über „Energy Harvesting“ selbstständig mit

Strom versorgt. Seit 2011 arbeitet der Hersteller ABB mit

seinen Kunden an der Lösung, die industrielle Energieversorgung

und Wireless verbindet und dabei Netzwerkzuverlässigkeit

bietet.

VERMASCHTE NETZWERKE SIND ENERGIEINTENSIVER

Drahtlose Lösungen sind keine Neuigkeit in der Prozessindustrie.

Tatsächlich wurden die ersten Systeme bereits

in den 1960er Jahren eingesetzt. Wie bei der Feldbustechnologie

benötigt auch die Wireless-Technologie globale

Standards, die von möglichst vielen Geräteherstellern

unterstützt werden, um sich zu etablieren.

Ein solcher (Kommunikations-)Standard ist Wireless

Hart. Die Netzwerkzuverlässigkeit ist ein Hauptschwerpunkt

der Prozessautomatisierung. Vermaschte Netzwerke

innerhalb drahtloser Kommunikation sorgen für die

Zuverlässigkeit. Sie bieten räumlich redundante Kanäle

zwischen zwei Knoten innerhalb des Netzes durch Weiterleitung

von Nachrichten über verschiedene Wege. Dies

erhöht die Fehlertoleranz der Kommunikation und ermöglicht

die Realisierung von Netzwerken, die gegen

den Ausfall von Kommunikationsverbindungen und

Routergeräten tolerant sind. Die räumliche Redundanz

von vermaschten Netzwerken sichert auch in ISM-Bändern

(Industrial, Scientific, Medical) die zuverlässige

Kommunikation. Jedoch sind die Weiterleitung von

Nachrichten (infolge der vermaschten Netzstruktur) und

die erhöhten Anforderungen an die Datensicherheit mit

zusätzlichem Energiebedarf verbunden, der durch Energieoptimierung

ausgeglichen werden muss.

ENERGY HARVESTING STATT BATTERIEAUSTAUSCH

Der regelmäßige Austausch von Batterien ist keine Lösung,

da, je nach Konfiguration der Anlage, die durch

den Einsatz drahtloser Geräte erzielten Einsparungen

schnell relativiert werden. Stattdessen gilt Energy Harvesting

als mögliche Antwort bei der Realisierung (energie-)autarker

Geräte. Beim Energy Harvesting (wörtlich:

„Energie-Ernten“) wird Energie aus der Prozessumgebung

in nutzbare elektrische Energie umgewandelt. Diese

Energie wird dann zur Versorgung drahtloser Geräte

genutzt wird. Die am häufigsten eingesetzten Mechanismen

sind photovoltaische, thermoelektrische und kinetische

Wandler.

Thermoelektrische Generatoren (TEG) nutzen den

Temperaturunterschied zwischen heißen oder kalten

Prozessen und der Umgebung, um Wärmeenergie mithilfe

des Seebeck-Effekts in elektrische Energie umzuwandeln.

Der Wirkungsgrad von TEGs ist zwar recht

niedrig, die Technologie jedoch robust. Besonders in der

Prozessindustrie stehen häufig große Temperaturreservoire

und damit große Wärmemengen zur Verfügung.

Die von handelsüblichen TEGs bereitgestellte Leistung

reicht aus, um viele drahtlosen Sensorknoten in unterschiedlichen

Szenarios zu versorgen.

DRAHTLOSES THERMOMETER MIT

ENERGIEAUTARKER VERSORGUNG

Dem internationalen Team von Entwicklern und Wissenschaftlern

bei ABB ist es gelungen, einen autarken Temperatur-Messumformer

mit einem vollständig integrierten

Energy-Harvesting-System auf Basis thermoelektrischer

Generatoren zu realisieren. Die TEGs wurden so in

das Gerät integriert, dass die Handhabung, Stabilität und

der Formfaktor des Thermometers unverändert bleiben.

Die Lebensdauer und die Messwertaktualisierungsrate

werden gegenüber batteriegespeisten Geräten verbessert.

Der Energy Harvester verfügt über eine intelligente Pufferlösung,

die eine Versorgung sicherstellt, wenn die

Temperaturdifferenz einmal nicht ausreicht, um daraus

genügend Energie „abzuzweigen“. Aufgrund der vorgegebenen

Größe des gewählten Thermometers war eine Integration

herkömmlicher TEGs, die normalerweise eine

Größe von 10 cm² bis 20 cm² haben, nicht möglich.

Stattdessen wurden mikrothermoelektrische Generatoren

(Mikro-TEGs) eingesetzt, die in einem waferbasierten

Fertigungsverfahren hergestellt werden. Die größte

Herausforderung bei der Integration beider Geräte bestand

darin, die Stabilität und Robustheit des Messumformers

zu erhalten. In den meisten Fällen ist der Prozess

wärmer als die Umgebungsluft, sodass die „heiße“ Seite

der TEGs mit möglichst optimaler thermischer Leitfähigkeit

an den Prozess gekoppelt werden muss. Um den Wärmestrom

durch die TEGs zu maximieren, wurden umfangreiche

numerische Simulationen durchgeführt. Die

andere („kalte“) Seite muss gekühlt werden und ist daher

über einen Kühlkörper mit der Umgebungsluft gekoppelt.

Um Anwendungen gerecht zu werden, in denen das

Prozessrohr von einer dicken Isolierung umgeben ist,

muss der Kühlkörper in ausreichendem Abstand positioniert

werden. Bei einem Mindesttemperaturunterschied

zwischen dem Prozess und der Umgebung von etwa 30 K

ist das System in der Lage, genügend Energie sowohl für

die Messtechnik als auch die drahtlose Kommunikation

zu liefern. Bei Temperaturgefällen von mehr als 30 K

wird mehr Energie gewonnen als benötigt wird. Dieser

Überschuss könnte zum Beispiel genutzt werden, um

schnellere Aktualisierungsraten zu ermöglichen.

IN DER PRAXIS GEPRÜFT

Seit 2011 arbeitet ABB mit Kunden zusammen, um zu

einem möglichst früh Praxiserfahrungen zu sammeln

und Anwenderwünsche bei weiteren Produktentwicklungen

zu berücksichtigen. Als einer der ersten setzte

der britische Hersteller von Spezialchemikalien Robinson

Brothers auf Wireless-Technologie kombiniert mit

autarker Energieversorgung von ABB. Eingesetzt werden

die Thermometer zur Temperaturmessung im Pipelinenetz

der zentralen Dampfversorgung. Das Powermanagement

der Geräte erlaubt die pausenlose Auswertung

der momentan aktiven Energiequelle (Pufferbatterie oder

TEG). Zusammen mit der primären Messgröße Mediumstemperatur

und der sekundären Messgröße Elektroniktemperatur

sind Rückschlüsse auf die Leistungsfähigkeit

20

atp edition

3 / 2013


BEIM ENERGY HARVESTING wird Energie

aus Temperaturunterschieden, Bewegung

oder Strömung gewonnen. Alle drei Fälle

liegen in Industrieanlagen vor.

APPLIZIERTER

WIRELESS-

TEMPERATUR-MESSER

an der britischen

Chemie ka lienanlage.

Bilder: ABB

DER TEMPERATUR-

MESSER, der sich

selbst mit Energie

versorgt.

der Harvester-Einheit möglich. Das liefert Rückschlüsse

beispielsweise auf die Stabilität der Energieversorgung.

„Das Thermometer ist seit mehr als drei Monaten in

Betrieb und benötigt keinerlei Energie aus der Pufferbatterie“,

sagt Tom Rutter, Leiter der MSR-Technik am Standort.

„Es sieht so aus, als könnte es ewig so weiter arbeiten,

wenn nur Dampf durch die Leitung strömt.“ Das System

wurde vom Spezialisten ICA Services installiert, welcher

Energy Harvesting empfiehlt, um insbesondere den

Verdrahtungsaufwand zu minimieren.

INSTALLATIONSAUFWAND AUF WENIGER

ALS EINE STUNDE REDUZIERT

Die Harvester-Version zur Rohrmontage und indirekte

Messung über Oberflächentemperatur reduzierte den

Installationsaufwand auf weniger als eine Stunde bis zur

zentralen Anzeige der ersten Messwerte. Keine Verdrahtungspläne,

keine Kabel, kein Schutzrohr. Die Anlage

musste nicht abgeschaltet werden, um den zusätzlichen

Messpunkt zu erschließen. Das System bei Robinson

Brothers benötigt eine minimale Temperaturdifferenz

von etwa 30 K zwischen Rohroberfläche und Umgebung.

Das Thermometer sendet seine Messwerte alle acht

Sekunden aus der Produktionshalle an ein Wireless

Gateway, montiert auf dem Dach des gegenüberliegenden

Bürogebäudes. Von dort gelangen die Messwerte in das

Firmennetzwerk und per Modbus TCP weiter an einen

Schreiber SM500F von ABB. Dieser stellt die Messwerte

grafisch dar und archiviert sie über viele Wochen.

EINSPARPOTENZIAL IN DER APPLIKATION GETESTET

„Ich sehe keinen Grund, warum wir die Energy-Harvesting-Technologie

nach dieser erfolgreichen Erprobungsphase

nicht weiter einsetzen sollten“, sagt Tom Rutter.

„Wir haben immerhin um die 10 000 Signale am Standort,

aber bislang kaum Erfahrungen mit Wireless-Technologie.

Wir werden das in zukünftigen Projekten auf

jeden Fall berücksichtigen, da das Einsparpotenzial bei

Verdrahtungskosten und Installationsaufwand gegenüber

konventioneller Installation offensichtlich ist.“

Mit einem Anteil von 90 % entfällt auf Verdrahtung und

Installation der Löwenanteil bei der Realisierung von Temperaturmessstellen.

Der Einsatz von Wireless-Technologie

ist also auch wirtschaftlich interessant. ABB arbeitet an

der Erschließung weiterer Energiequellen, die in typischen

Installationen der Prozessindustrie zur Verfügung stehen,

wie Licht, Vibration, elektromagnetische Felder, kinetische

Energie von strömenden Medien oder bewegten Teilen.

AUTOREN

TILO MERLIN, Dr. PHILIPP

NENNINGER, HORST

SCHWANZER und GARETH

JOHNSTON arbeiten bei der

ABB Division Process Automation

in Alzenau, Frankfurt

und St. Neots (UK).

ABB Automation Products GmbH,

Borsigstraße 2,

D-63755 Alzenau,

Tel. +49 (0) 602 39 20

Dr. MARCO ULRICH

arbeitet im Bereich

Corporate Research am

ABB Forschungsinstitut

in Ladenburg.

ABB AG,

Wallstadter Straße 59,

D-68526 Ladenburg,

Tel. +49 (0) 6203 71 64 80,

E-Mail: marco.ulrich@de.abb.com

atp edition

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21


PRAXIS

Realtime-Prozesskontrolle korrigiert automatisch

die Schneidparameter und steigert den Output

Hersteller von SMD-Schablonen optimiert mit neuer Laseranlage Qualität und Produktivität

MODERNE LASER-

SCHNEIDTECHNIK:

Für die Herstellung

von SMD-Schablonen

setzt Photocad auf ein

High-Speed-System

von LPKF. Die Anlage

wurde eigens entwickelt,

um hochpräzise

Öffnungen zu erzeugen

und den Arbeitsprozess

zu beschleunigen.

Bilder: Photocad

Mit einer modernen Laseranlage, die in Echtzeit die

Präzision der Schnitte prüft und automatisch korrigierend

eingreift, konnte das Berliner Unternehmen Photocad

die Produktion von SMD-Schablonen um 20 Prozent

steigern. Das Unternehmen ist auf lasergeschnittene

Schablonen für das Surface-Mounted-Device-Verfahren

(SMD) spezialisiert, die seit 2008 auch mit Nanoveredelung

hergestellt und an rund 400 Kunden aus Elektronikindustrie

und Maschinenbau geliefert werden.

Mittels der SMD-Schablonen werden Platinen vor dem

Bestücken mit elektronischen Bauteilen mit Lötpaste

bedruckt. Um hochsensible Elektronikbauteile sicher auf

Leiterplatten aufzubringen, spielen saubere Kanten der

SMD-Schablone eine entscheidende Rolle. Sind die Öffnungen

nicht präzise ausgeschnitten, kann Lötpaste austreten,

was zur Brückenbildung und dadurch zu Kurzschlüssen

führen kann.

JEDER SCHNITT WIRD UNMITTELBAR GEPRÜFT

Als einer der führenden Spezialisten in der Produktion

von SMD-Schablonen, setzt Photocad daher auf die neue

Laserschneidtechnik und hat rund 300 000 Euro in ein

High-Speed-System von LPKF investiert: Der Stencil-

Laser G 6080 wurde entwickelt, um hochpräzise Öffnungen

zu erzeugen und dabei den Arbeitsprozess sogar

noch zu beschleunigen. Dafür ist die neue Anlage mit

dem patentierten Real Time Process Control System ausgestattet,

das jeden Schnitt in Echtzeit prüft. So lässt sich

die Produktionszeit deutlich verkürzen und der Output

erheblich steigern.

Um mit den stetig wachsenden Ansprüchen des Marktes

Schritt halten zu können, ist es entscheidend, bei der

Anlagentechnologie stets auf dem neuesten Stand zu

sein. Dieser Anforderung wurde der Anbieter mit dem

Kauf der neuen LPKF-Laseranlage gerecht. Überzeugt hat

dabei vor allem das innovative Kontrollsystem, das jede

geschnittene Schablonenöffnung sofort prüft, mit den

Produktionsdaten vergleicht und die Schneidparameter

gegebenenfalls anpasst – ohne Stillstandszeit. So können

Fehlerquellen unmittelbar erkannt und Mängel vermieden

werden.

ECHTZEITANALYSE VERMEIDET UNTERBRECHUNGEN

Außerdem kommt es dank der Echtzeit-Analyse zu keinerlei

Fertigungsunterbrechungen bei der Schablonenherstellung.

Im Vergleich zum herkömmlichen Scanverfahren

nach dem Schneidprozess ist diese Methode wesentlich

effektiver und um ein Vielfaches schneller.

Damit erreicht Photocad eine Steigerung der Produktionsmenge

um 20 Prozent.

Eine eigens entwickelte Software macht die Bedienung

der Anlage besonders einfach. Öffnungsformen und -größen

sind frei wählbar. Sie können individuell eingegeben

und nach Wunsch jederzeit modifiziert werden. Für Sonderlösungen

stehen außerdem Spezialprogramme zur

Verfügung.

Die automatische Rahmeneinstellung macht dabei einen

Schablonenadapter überflüssig. Der gewünschte

Rahmen wird einfach ausgewählt, die Halterung passt

sich dann in weniger als zehn Sekunden an die ge-

22

atp edition

3 / 2013


Herausforderung

Automatisierungstechnik

Mit dem atp-award werden zwei Autoren der atp edition für

hervorragende Beiträge ausgezeichnet. Ziel dieser Initiative

ist es, Wissenschaftler und Praktiker der Automatisierungstechnik

anzuregen, ihre Ergebnisse und Erfahrungen in Veröffentlichungen

zu fassen und die Wissenstransparenz in der

Automatisierungstechnik zu fördern. Teilnehmen kann jeder

Autor der zum Zeitpunkt der Veröffentlichung nicht älter als

35 Jahre ist. Nach Veröffentlichung eines Beitrags ist der Autor,

wenn er die Bedingung erfüllt, automatisch im Pool. Die

Auswahl des Gewinners übernimmt die atp-Fachredaktion.

Derjenige Autor, der im Autorenteam der jüngste ist, erhält

stellvertretend für alle Autoren die Auszeichnung. Der Preis

wird in zwei Kategorien ausgelobt: Industrie und Hochschule.

Die Kategorien ermittlung ergibt sich aus der in dem Beitrag

angegebenen Adresse des jüngsten Autors.

UNMITTELBARE KONTROLLE:

In der Laserschneidanlage werden die

Schablonen-Öffnungen in Echtzeit

gescannt und die Parameter gegebenenfalls

geändert – ohne Stillstand.

wünschte Form an. Es können Platten mit Stärken von

20 bis 1000 µm geschnitten werden. Der vergleichsweise

große Arbeitsbereich von 600 x 800 mm erlaubt es, zwei

Schablonen gleichzeitig zu bearbeiten, was zusätzlich

Zeit spart.

Darüber hinaus ist die Anlage mit einer Luftkühlung

ausgestattet, auf ein externes Kühlsystem kann daher

verzichtet werden. Dies hat den Vorteil, dass Stillstandszeiten

für Wartungsarbeiten an externen Geräten entfallen

und der Energieverbrauch um 30 Prozent gesenkt

werden kann.

AUTOR

ULF JEPSEN ist Geschäftsführer

von Photocad.

Photocad GmbH & Co. KG,

Landsberger Straße 225,

D-12623 Berlin,

Tel. + 49 (0) 30 56 59 69 80,

E-Mail: ulf.jepsen@photocad.de

Veröffentlichungen – Beitrag zum Wissenspool im

Fachgebiet Automatisierungstechnik

Die Entwicklung eines Wissensgebietes erfolgt durch einen

kooperativen Prozess zwischen wissenschaftlicher Grundlagenforschung,

Konzept- und Lösungsentwicklung und Anwendung

in der Praxis. Ein solcher Prozess bedarf einer gemeinsamen

Informationsplattform. Veröffentlichungen

sind die essentielle Basis eines solchen Informationspools.

Der atp-award fördert den wissenschaftlichen Austausch

im dynamischen Feld der Automationstechnik. Nachwuchsinge

nieure sollen gezielt ihre Forschungen präsentieren

können und so leichter den Zugang zur Community erhalten.

Der Preis ist mit einer Prämie von jeweils 2000€ dotiert.

Die Auswahl erfolgt in zwei Stufen:

Voraussetzung für die Teilnahme ist die Veröffentlichung

des Beitrags in der atp edition. Jeder Aufsatz, der als Hauptbeitrag

für die atp edition eingereicht wird, durchläuft das

Peer-Review-Verfahren. Die letzte Entscheidung zur Veröffentlichung

liegt beim Chefredakteur. Wird ein Beitrag veröffentlicht,

kommt er automatisch in den Pool der atp-award-

Bewerber, vorausgesetzt einer der Autoren ist zum Zeitpunkt

der Veröffentlichung nicht älter als 35 Jahre. Ausgezeichnet

wird der jüngste Autor stellvertretend für alle Autoren der

Gruppe. Eine Jury aus Vertretern der atp-Fachredaktion

und des -Beirats ermittelt schließlich den Gewinner in den

jeweiligen Kategorien Hochschule und Industrie.

Der Rechtsweg ist ausgeschlossen.

Beiträge richten Sie bitte an:

DIV Deutscher Industrieverlag GmbH

Herrn Prof. Leon Urbas

Chefredakteur atp edition

Arnulfstraße 124 • 80636 München

Tel. +49 (0) 89 203 53 66-58 • E-Mail: urbas@di-verlag.de

Beachten Sie die Autorenhinweise der atp edition für

Hauptbeiträge unter folgendem Link:

http://www.atp-online.de

Bitte senden Sie Ihre Beiträge an: urbas@di-verlag.de


HAUPTBEITRAG

Gamification in

Kollaborationsnetzwerken

Chancen und Risiken für die industrielle Produktion

Unternehmensübergreifende Kollaborationsnetzwerke, die als selbst-organisierende dezentrale

Einheiten fungieren, stehen vor der Herausforderung, Transparenz und Vertrauen

zu erzeugen, um eine möglichst effektive Nutzung zu erzielen. Gamification als Anwendung

von Spielemechanismen in nicht-spielerischen Kontexten bietet Potenzial,

diese Herausforderung zu erfüllen. Der Beitrag diskutiert an einem Beispiel, wie sich

Prinzipien von Gamification in einem dezentralen Produktionsnetzwerk anwenden lassen,

um Transparenz und Motivation bei Mitarbeitern zu erzeugen und gleichzeitig mittels

Netzwerkprofilen Wettbewerbsvorteile zu generieren, ohne dabei Unternehmensinterna

preiszugeben.

SCHLAGWÖRTER Gamification / Dezentrale Geschäftsnetzwerke / Motivation /

Kollaboration / Vertrauen

Gamification in decentralized B2B networks –

Risks and opportunities for industrial production

Inter-organizational networks which are controlled as decentralized self-organizing units

must establish transparency and trust in order to enable effective collaboration. Gamification,

the introduction of game mechanisms in non-gaming contexts, is a promising

approach to meeting this challenge. Using an example, we discuss how principles of gamification

can be applied in a decentralized network to increase employees’ trust and

motivation. At the same time, the evolving network profiles should generate competitive

advantages without divulging internal corporate information.

KEYWORDS gamification / decentralized networks / motivation / collaboration / trust

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atp edition

3 / 2013


PHILIPP HERZIG, ANGELIKA SALMEN, SAP Research, SAP AG

Aktuelle Trends verweisen auf Geschäftsmodelle,

die von dezentralen Kollaborationsnetzwerken

geprägt sind [7]. Klassische Zulieferermodelle

werden um offene Strukturen ergänzt,

die effiziente und sich selbst organisierende

Einheiten ermöglichen, wobei Konsumenten in Designund

Produktionsprozesse einbezogen werden können.

Zum Beispiel kann ein Webportal eine einheitliche

Schnittstelle zum Kunden bereitstellen, hinter der sich

jedoch diverse Produktionsnetzwerke verbergen, die sich

je nach Kundenwünschen individuell konfigurieren. Design

und Materialen können nach persönlichen Vorlieben

gewählt oder Produzenten nach Preis oder Lokation ausgesucht

werden. Ein anderes Modell ist, dass sich Partner

für die Dauer eines Projektes zusammenschließen und

eine temporäre Kollaboration eingehen. Ein schematisches

Beispiel für ein solches Netzwerk zeigt Bild 1.

Welchen komplexen Anforderungen eine Plattform

für dezentrale Kollaboration genügen muss, beantwortet

das EU-Projekt ComVantage (www.comvantage.eu).

Kollaboration verstehen wir als „den Prozess verschiedener

Stakeholder gemeinsame Entscheidungen über

eine Problemdomäne und deren Zukunft zu treffen“ [8].

Hierbei stellt sich die Frage, wie der Mehrwert einer

solchen Kollaboration den einzelnen Stakeholdern/

Partnern, sei es Kunde, Lieferant oder Produzent, aufgezeigt

werden kann. Da dezentrale Netzwerke häufiger

Veränderungen hinsichtlich der kollaborierenden Partner

unterworfen sind als traditionelle Zulieferermodelle,

gewinnt der Stellenwert von Vertrauen in die Kollaboration

deutlich an Relevanz. Wie später noch genauer

definiert, stellt Transparenz über die internen Geschäftsabläufe

einen wichtigen Faktor dar, welcher zu

höherem Vertrauen führen kann [17].

Gamification ist ein neuartiger Ansatz zur Nutzung

von Spielemechanismen in nicht spielerischen Kontexten.

Hauptziel von Gamification ist es, Engagement und

Partizipation von Nutzern in einer spezifischen Domäne

zu verbessern, beispielsweise im Kundenbeziehungsmanagement

[6]. Bei einer effektiven Anwendung von Gamification

erhalten alle Nutzer des Systems implizit einen

hohen Grad an Transparenz über die Aktivitäten

innerhalb des Systems, da große Mengen aktionsspezifischer

Daten gesammelt werden können.

Als Arbeitshypothese für diesen Beitrag formulieren

wir, dass Gamification zu einer erhöhten Transparenz

und damit zu höherem Vertrauen zwischen den Partnern

innerhalb eines dezentralen Kollaborationsnetzwerks

beitragen kann. Deshalb schlagen wir ein integriertes

Konzept beider Ansätze vor und diskutieren Chancen

sowie Risiken.

Die grundlegende Idee, mittels Spielemechanismen

das Vertrauen zu verbessern, ist nicht neu. Auf bekannten

Plattformen wie Ebay oder Amazon gibt es schon seit

langer Zeit einfache Spielemechanismen wie Punkte und

Auszeichnungen, die das Vertrauen in einen Händler

respektive ein Produkt untermauern sollen. Auf Ebay

finden sich zum Beispiel Punktmetriken wie die Anzahl

positiv bewerteter Transaktionen oder die absolute Zahl

aller Transaktionen eines Händlers. Darauf basierend

gibt es Sterne oder den Powerseller-Status als Auszeichnung

für besondere Aktivitäten.

Jedoch wird von [4] gezeigt, dass solche Ratingsysteme

in dezentralen Netzwerken keinen signifikanten Effekt

haben, was die Verfasser auf das Fehlen von Transparenz

zurückführen, wie diese Ratings zustande kommen. Daher

verfolgt unser Beitrag einen Ansatz, Transparenz

anhand von Gamification in dezentralen Kollaborationsnetzwerken

zu erzeugen.

1. TRANSPARENZ FÜR VERTRAUENSVOLLE

KOLLABORATION

Der Effektivität und Effizienz von dezentralen Kollaborationseinheiten

steht eine Skepsis gegenüber, die aus

einem Kontrollverlust gegenüber selbstorganisierten Einheiten

und aus allgemeinen Ressentiments gegenüber

Cloud-Computing resultiert [22]. Schließen sich Firmen

zu einem Kollaborationsnetzwerk zusammen, bleibt die

Frage offen, inwieweit diese Produktionskette Vorteile

gegenüber traditionellen Produktionsmodellen hat. Es

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HAUPTBEITRAG

werden Indikatoren benötigt, die Effekte und Wertschöpfungen

aus der Kollaboration transparent machen und

damit Vertrauen generieren.

Zum Thema Vertrauen (trust) finden sich interdisziplinär

wie intradisziplinär vielfältige Definitionen wieder.

Die Psychologie beispielsweise fokussiert auf persönliche

Aspekte, die Soziologie betrachtet das soziostrukturelle

Paradigma, die Ökonomie untersucht die

rationelle Dimension et cetera [15]. Innerhalb einer Disziplin

gibt es weitere Unterschiede, die sich an spezifischen

Fragestellungen orientieren. In der IT kann dies

Sicherheitsmechanismen und Zugangskontrolle in Computer-Netzwerken

betreffen, die Verlässlichkeit von verteilten

Systemen, oder die Nutzungsprinzipien von Applikationen

basierend auf individuellen Haltungen [1].

Einer der fachgebietsübergreifenden Aspekte ist, dass

Misstrauen stets mit Intransparenz und Unsicherheit einhergeht.

Pieters [17] beleuchtet hierbei Grade der Intransparenz

und Unsicherheit. Basierend auf Arbeiten von Luhmann

[13, 12] unterscheidet er zwischen Vertrauen und

Zutrauen in ein System. Während Zutrauen vom Unwissen

gegenüber Risiken und fehlenden Alternativen gekennzeichnet

ist, ist Vertrauen das Ergebnis abgewägter Risiken

und Alternativen. Darauf aufbauend vergleicht er diese

Systeme mit dem aus der IT bekannten Konzept der Black-

Box, das heißt die internen Strukturen und Abläufe des

Systems sind unbekannt und lediglich die Wechselwirkungen

mit dem System als Ganzes sind beobachtbar.

Für die Interaktion mit einer Black-Box ist demnach

Zutrauen erforderlich. Vertrauen hingegen ist erst dann

Schneiderei

Stickerei

Packer

Transporteur

Kunde

BILD 1: Beispiel für

ein dezentrales

Produktionsnetzwerk

BILD 2: Managementzyklus

nach [16]

Operationaler

Effekt

Metrik

Kosten Zulieferung Bestellkosten

Qualität

Qualität

Effizienz

Flexibilität

Innovation

Nachhaltigkeit

Vermarktung

und Vertrieb

Zulieferung

Operationale

Ebene

Operationale

Ebene

Fehlbestand

Geschäftsprozess

Beschaffungslogistik

Kundenbeschwerden

Auftragsdurchlaufzeit

Anzahl

neuer Designs

Distributionslogistik

Lieferzeitflexibilität

Produktionsausschuss

Beschreibung

Kosten von Rohmaterial über eine

bestimmte Dauer

Häufigkeit von Fehlbeständen über

eine bestimmte Dauer

Anzahl von Beschwerden über eine

bestimmte Dauer

Leerlaufzeiten zwischen Materialanforderung

und -lieferung

Pünktlich gelieferte Waren

Anzahl neuer Designs über eine

bestimmte Dauer

Menge an Ausschuss pro Produktionsschritt

über eine bestimmte Dauer

TABELLE 1: Beispiele

adaptiver Metriken

26

atp edition

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möglich, wenn die Black-Box geöffnet wird und Einblick

in Daten und Prozesse als Basis für eine Entscheidung

gibt. Die Öffnung der Black-Box erfordert dabei nicht die

Transformation in eine Glass-Box, das heißt in ein System,

bei dem alle Bestandteile und deren Interaktion von

außen beobachtbar sind und jegliche Intransparenz obsolet

würde, sondern den fokussierten Einblick in grundsätzliche

Funktionsweisen und Wirkprinzipien des Systems

(explanation-for-trust).

2. GAMIFICATION

Gamification ist definiert als die Nutzung von Spielemechanismen

in nicht-spielerischen Kontexten [6] mit dem

primären Ziel, Partizipation und Motivation von Nutzern

zu erhöhen. Im Rahmen des Kundenbeziehungsmanagements

wird versucht, mittels Spielemechanismen die

Loyalität der Kunden zu erhöhen. Im Kontext von Geschäftsprozessen

geht es darum das Engagement von

Mitarbeitern zu erhöhen.

Laut Jane McGonigal [14] ist jedes Spiel durch folgende

Merkmale gekennzeichnet: klare Ziele und Regeln, stetiges

Feedback bezüglich der vereinbarten Ziele entlang der

Regeln, sowie die Freiwilligkeit der Benutzung. Im Rahmen

von Gamification sollen diese Eigenschaften in nichtspielerischen

Kontexten ebenfalls realisiert werden.

Für die Herleitung eines sinnvollen und nachhaltigen

Gamification-Designs haben sich bereits einige Methoden

etabliert. [2] nennt grundsätzliche Spielertypen und

ihre Motivation (zum Beispiel erfolgs-, kooperativ-, kompetitiv-

oder sozialorientierte Typen). Außerdem postuliert

[21], dass der Komplexitätsgrad des Gamificationdesigns

stets mit den jeweiligen Fähigkeiten des

Nutzers im Gleichgewicht sein muss, damit ein produktiver

Flow-Zustand entstehen kann [5]. Darüber hinaus

existieren eine Vielzahl weiterer psychologischer Faktoren

im Unternehmenskontext, die sich auf die Motivation

auswirken können [11].

Hierbei lassen sich drei Herausforderungen identifizieren.

Erstens ist es nicht möglich, ein Gamification-

Design für alle Unternehmen gleich zu definieren, da

die Effektivität von Gamification von den individuellen

Motivationsbedürfnissen der jeweiligen Mitarbeiter

abhängig ist. Zweitens soll ausreichend Transparenz

über Regeln und Feedbackmechanismen, wie beispielsweise

Punktestände, erzeugt werden, um Vertrauen

und Motivation bei anderen Partnern zu erlangen. Andererseits

müssen Geschäftsinterna gewahrt bleiben,

um Verletzungen des Datenschutzes oder des Firmenimages

zu vermeiden. Die Entwicklung eines Gamification-Konzepts

muss daher auf eine Kompromisslösung

abzielen, wie etwa die Aggregation von Informationen,

die den Kollaborationspartnern in unterschiedlicher

Detailtiefe zur Verfügung gestellt wird [10]. Drittens

stellt sich die Frage, wie sich kollaborative Spielregeln

für Unternehmen erstellen lassen, die nebeneinander

stehen oder auch in unterschiedlichen Prozessen entkoppelt

voneinander funktionieren. Während bisherige

Gamification-Ansätze sich auf Regelverwaltung

durch eine zentrale Instanz fokussieren [9], sind für

dezentrale Netzwerke neue Ansätze zu diskutieren, die

eine Vergleichbarkeit zwischen verschiedenen Regelausprägungen

möglich machen.

3. MULTIDIMENSIONALES METRIK-SET

Bevor wir das Gesamtkonzept vorstellen, werden nun

die betrachteten betriebswirtschaftlichen Faktoren

eingeführt. Dazu wurde im Rahmen des EU-Projekts

ComVantage ein multidimensionales Metrik-Set erarbeitet

und evaluiert [18], das für das vorliegende Konzept

als Grundlage dient. Das Metrik-Set adressiert den

Mehrwert der Kollaboration, wobei die Auswirkungen

auf die Business-Performanz anhand von Kosten, Effizienz,

Qualität, Flexibilität, Innovation, und Nachhaltigkeit

gemessen werden. Die Business-Performanz

wird weiterhin nach Prozesskategorien innerhalb eines

Kollaborationsnetzwerks betrachtet. Die Kategorien

umfassen: Zulieferung, Beschaffungslogistik, operationale

Ebene, Distributionslogistik, sowie Vermarktung

und Vertrieb.

Um diese Metriken aussagekräftig zu gestalten, ist es

erforderlich, sie auf der Ebene von Geschäftsprozessen

zu konkretisieren. Am Beispiel unseres Netzwerks aus

Bild 1 können die Metriken, wie in Tabelle 1 gezeigt, auf

Prozesse heruntergebrochen werden.

Hierbei ist hervorzuheben, dass ein Mitglied des Netzwerkes

nicht alle Metriken gleichermaßen fokussieren

wird, da sich die Metriken aus betriebsökonomischer

Sicht teilweise widersprechen. Je nach Anforderungsprofil

müssen Metriken priorisiert oder ein Kompromiss

gefunden werden.

4. GAMIFICATION IN DEZENTRALEN NETZWERKEN

Im Kontext der Unternehmenskommunikation wird

zwischen der internen und externen Unternehmenskommunikation

unterschieden. Im Folgenden wird

diskutiert, wie sich Gamification übergreifend in einem

dezentralen Kollaborationsnetzwerk anwenden lässt.

4.1 Interne Unternehmenskommunikation

Bevor der kollaborative Ansatz weiter diskutiert werden

kann, sind zunächst die betriebsinternen Sichten

zu beleuchten. Klassische Verfahren verfolgen einen

top-down Ansatz, bei dem sich operative Maßnahmen

aus vorgelagerten strategischen Überlegungen im Rahmen

der Unternehmensziele ergeben (Bild 2). Die anschließend

zur Ausführungszeit von den Fachabteilungen

gesammelten Kennzahlen werden aggregiert

und der Ist-Zustand mit den gesteckten Zielen verglichen.

Dabei ist zu beachten, dass die operative Leistungsmessung

stets unidirektional gerichtet ist. Im

Rahmen von Gamification wird jedoch der stetige

Rückkanal zum Mitarbeiter gefordert, sodass Mitarbeiter

einen Sinn aus diesen Zahlen für die tägliche

Arbeit ableiten können [14].

atp edition

3 / 2013

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HAUPTBEITRAG

Demnach ergibt sich eine Diskrepanz zwischen den

strategischen Kennzahlen des Unternehmens und motivierenden

Kennzahlen für die Mitarbeiter. Die Autoren

argumentieren daher, dass ein ganzheitlicher Ansatz für

Gamification im Unternehmen ein Kompromiss aus beiden

Bestrebungen sein sollte, das heißt die operativen

Kennzahlen sind einerseits top-down durch die Unternehmensziele

sowie bottom-up durch die Motivationsbedürfnisse

der Mitarbeiter definiert worden, zum Beispiel

unter Berücksichtigung verschiedener Motivationstypen

nach [2]. Für die weitere Betrachtung wird angenommen,

dass ein geeignetes Gamificationkonzept in

einem Unternehmen definiert wurde. Die Aggregation

und Vereinigung der einzelnen Leistungen der Mitarbeiter

stellt somit den Ist-Zustand des gesamten Unternehmens

dar (Bild 2).

4.2 Externe Unternehmenskommunikation

Auf der einen Seite bilden die aggregierten Kennzahlen

und Auszeichnungen die Grundlage zur Darstellung des

Gesamtbeitrages von jedem Mitarbeiter. Auf der anderen

Seite ergibt sich für das Unternehmen ein gewisses Profil,

das transparent nach außen kommuniziert werden

kann. Somit ist jeder Teilnehmer des Netzwerkes durch

ein bestimmtes Gamification-Profil gekennzeichnet.

Die Emergenz eines konkreten Netzwerkes entsteht

dabei aus kooperativen respektive kompetitiven Bedürfnissen

der potenziellen Netzwerkteilnehmer. Beispielsweise

können Teilnehmer anhand bestimmter Profile

eine Zusammenarbeit anstreben, um sich gegenseitig zu

ergänzen oder bestimmte Metriken zu verstärken. Mikroökonomisches

Ziel dieser Komposition von Teilnehmern

ist dabei eine kompetitive Diversifikation von anderen

dezentralen Netzwerken. Das Gesamtprofil des

Netzwerks stellt somit die Vereinigungsmenge über die

Profile aller Knoten dar. Auf Unternehmensebene findet

ebenso eine kompetitive Selektion statt, zum Beispiel,

wenn ein Mitglied die Nachhaltigkeitsfaktoren über Effizienzfaktoren

bei seinen Lieferanten stellt.

4.3 Konzept

Obwohl eine, wie bisher übliche, zentrale Definition

von Zielen, Regeln und Feedbackmechanismen grundsätzlich

denkbar ist, so steht es doch mit dem dezentralen

Charakter im Widerspruch. Beispielsweise wird

die Spontanität einer Netzwerkausbildung dadurch

verringert, dass langwierige Vorabstimmungen getroffen

werden müssen (Tabelle 2). Auf der anderen Seite

argumentieren wir, dass eine vollständig dezentrale

Definition, in welcher jedes Unternehmen unabhängig

von anderen Partnern eigene Ziele, Regeln und Feedback-Mechanismen

erstellt, eine Unvergleichbarkeit

nach sich zieht, da zum Beispiel Punkte, Auszeichnungen

oder andere Fortschrittsmaße sowie die Regeln, die

zu ihnen geführt haben, kaum zu vergleichen sind. Dies

kann sich wiederum negativ auf Transparenz und Vertrauen

auswirken (Tabelle 3). Deshalb schlagen wir einen

hybriden Ansatz vor (Tabelle 4), der sich wie folgt

gestalten kann:

Unter der Menge aller potenziellen Netzwerkteilnehmer,

gibt es eine echte Untermenge dedizierter Unternehmen

(im Folgenden als Hub bezeichnet), denen die

gesonderte Rolle zukommt, die Menge der anderen

Unternehmen respektive Netzwerke zu konsolidieren

Vorteile

Einfache technische Realisierung

Hohe Vergleichbarkeit

Hohe Transparenz

Nachteile

Hoher Abstimmungsaufwand a priori

Aufwändiges Änderungsma-nagement

Gamification-Design gilt für alle gleich (Gießkanne)

TABELLE 2:

Zentrale Definition

von Gamification-

Inhalten

Vorteile

Einfache technische Realisierung

Kein Abstimmungsaufwand

Einfaches Änderungsmanagement

Nachteile

Kaum Vergleichbarkeit

Isolierte Transparenz

TABELLE 3:

Dezentrale Definition

von Gamification-

Inhalten

Vorteile

Individuelle Gamification-Designs

Moderate Vergleichbarkeit

Nachteile

Moderater Abstimmungsaufwand a priori

Definition von Übersetzungsregeln

Schwierige technische Realisierung

TABELLE 4:

Hybride Definition

von Gamification-

Inhalten

28

atp edition

3 / 2013


BILD 3: Motivationsklassifikation am Beispiel

nachhaltige Schneiderei nach [21]

und somit das zentrale Verwaltungs- und Wertesystem

zur Verfügung zu stellen. Am Beispiel der betrachteten

Produktionskette aus Abschnitt 1 könnte dies beispielsweise

der Betreiber des Webshops sein. Sollte

keiner der partizipierenden Partner diese Rolle einnehmen

können, so kann diese Konsolidierung im Verantwortungsbereich

der zentralen Software-Managementlösung

liegen.

Bevor Teilnehmer einem Netzwerk beitreten können,

muss der Hub die zentralen Spielemechanismen zur Verfügung

stellen. Dies umfasst die Definition von grundlegenden

Metriken (zum Beispiel Punktkategorien) oder

auch grundlegenden Regeln (zum Beispiel Transformationsregeln).

Da es nicht nur ein einziges Konzept geben

kann, können mehrere solcher Grundkonzepte (im Folgenden

Schablone genannt) definiert sein, die jeweils

durch eine Menge von Spielmechanismen, bestehend aus

beliebigen Regeln und Feedback-Mechanismen ohne

konkrete Ziele, determiniert sind. Dadurch erhalten die

Schablonen die Aufgabe, das für alle Netzwerkteilnehmer

geltende Wertesystem zu definieren.

Möchte nun ein neuer Teilnehmer dem Netzwerk als

Partner beitreten, so wählt er beim Hub eine oder mehrere

solcher Schablonen aus. Die Auswahl der geeigneten

Schablonen ergibt sich dabei durch den Kompromiss

der Unternehmensziele und Motivationsbedürfnisse

(Abschnitt 4.1).

Da jedoch die Schablonen keine konkreten Instanzdaten

und Ziele enthalten, obliegt es jedem Unternehmen

selbst, welche Daten tatsächlich zur Verfügung gestellt

werden, um die inhaltliche Aussage für das jeweilige

Profil zu treffen. Darüber hinaus hat das Unternehmen

die Aufgabe, selbst Ziele und Regeln auf Basis der vorab

gepflegten Informationen zu erstellen. Diese Art des Spieledesigns

wird in Unterhaltungsspielen oft auch als

Player-Defined-Goals-Muster bezeichnet und findet sich

in Spielen wie SimCity oder Die Sims wieder, vergleiche

[3]. Hierbei definiert das ausgelieferte Spiel eine Menge

allgemeiner Regeln sowie das Wertesystem. Die Definition

von konkreten Zielen und Belohnungen hingegen

obliegt dem Nutzer selbst, wobei diese meist latenten

Charakter haben und entweder durch Erfahrung beim

Spielen oder durch die Interaktion mit einer Community

emergieren [20].

4.4. Beispiel

Zur Illustration des Ansatzes sollen die vorgestellten

Metriken am Beispiel der kundenindividuellen Bekleidungsproduktion

operationalisiert werden (Abschnitt 1).

Hierbei ist zu beachten, dass es sich um ein hypothetisches

Beispiel handelt, das lediglich zur Veranschaulichung

dient.

Darin stellt der Webshop-Provider den Hub dar. In einer

vorgelagerten Analyse wird identifiziert, welche latenten

Faktoren für die Netzwerke im Allgemeinen relevant sind

und zwischen Unternehmen verglichen werden sollen.

Hierbei nutzen wir die identifizierten Faktoren aus Abschnitt

3. Für jeden dieser Faktoren werden Metadaten

von Spielemechanismen spezifiziert. Beispielsweise wird

definiert, dass der Faktor Nachhaltigkeit durch eine Metrik

Green Points operationalisiert wird und es verschiedene

Level/Abstufungen entlang dieser Metrik gibt. Darüber

hinaus können weitere Spielemechanismen zur

Motivationsförderung definiert werden. Beispielsweise

wird vom Webshop-Betreiber eine Portalseite definiert,

in der die Teilnehmer des Kollaborationsnetzwerks jeweils

verschiedene Auszeichnungen für besonders nachhaltige

Aktivitäten ablegen können. Hierbei ist jedoch

festzuhalten, dass die Definition dieses Portals ohne Ziel

und Zweck auskommt, da diese durch das jeweilige Unternehmen

spezifiziert werden müssen. Die Sammlung

aller Artefakte bezüglich des Faktors Nachhaltigkeit wird

in der Schablone abgelegt.

Eine Schneiderei des Kollaborationsnetzwerks verfolgt

einen stark ressourcenschonenden und ökologischen

Produktionsansatz (Materialverschnitt pro Produktionseinheit

kleiner 5%), der auch im Interesse der Mitarbeiter

ist. Eine beispielhafte Analyse der Motivationsbedürfnisse

ex ante ergab dabei Bild 3. In dieser Grafik sind die

vier Motivationstypen nach [2] in den jeweiligen Quadranten

abgetragen: Killer (kompetitivorientiert; circa

1%), Achiever (sammelorientiert; circa 10%), Explorer

(erkundungsorientiert; circa 10%) und Socializer (kooperativorientiert;

circa 80%).

Nach dieser exemplarischen Einteilung ergäbe sich

folgendes Profil: Die Mitarbeiter haben einen hohen individuellen

Anspruch an eine nachhaltige Produktion

(Achiever-Aspekt) sowie einen kollektiven Anspruch

(Socializer-Aspekt), das heißt Mitarbeiter sind zusätzlich

motiviert, wenn Kollegen und Geschäftsführung ebenfalls

konsequentes Engagement zeigen. Darüber hinaus

sind Mitarbeiter durch die hohe Qualität ihrer Erzeugnisse

stark motiviert.

atp edition

3 / 2013

29


HAUPTBEITRAG

Vor der Teilnahme am Netzwerk wählt demnach die

Schneiderei entsprechend die Ökoschablone beim Webshop

aus. Darauf aufbauend muss die Schneiderei nun

selbst konkrete Ziele und Regeln für die eigenen Mitarbeiter

definieren; etwa wie viele Green Points es für welche

Verhaltensweisen gibt. Zum Beispiel gibt es eine

Regel mit Bedingung: < 2 qm Materialverschnitt pro

Monat; Konsequenz: 5 Punkte oder eine Regel mit Bedingung

drei Monate infolge unter den besten drei; Konsequenz:

eine beliebige Auszeichnung. Außerdem hat

die Schneiderei obere Intervallschranken für beispielsweise

Punkte zu definieren, damit sich das Erreichte

respektive der Fortschritt relativ ermitteln und an den

Webshop-Betreiber übertragen lässt, siehe Tabelle 5. Hier

können die Soll- oder durchschnittlichen Ist-Werte als

Grundlage dienen.

Außerdem möchte die Schneiderei das durch die

Schablone definierte Portal (virtueller Raum) nutzen.

Dafür erstellt sie weitere Regeln, zum Beispiel welche

virtuellen Objekte es zu erlangen gibt und unter welchen

Bedingungen man diese erhält. Weiterhin gibt es Regeln,

die vorschreiben, was passiert, wenn dieser Raum von

einem Mitarbeiter (Achiever-Aspekt) oder gemeinsam

durch das gesamten Kollegium (Socializer-Aspekt) ausgefüllt

wurde. Im Fall der Schneiderei werden dann

beispielsweise Bäume in der näheren Umgebung finanziert

und gepflanzt. Alternativ könnten im Rahmen einer

Kampagne auch soziale Projekte unterstützt werden.

Diese Wechselwirkungen zwischen Bemühungen in der

realen und virtuellen Welt bewirken eine weitere Verstärkung

der Motivation [19].

Abschließend bleibt es aber stets die Aufgabe jedes

Netzwerkteilnehmers, das individuelle Design auf der

einen Seite und die Anpassung an das Schema der gewählten

Schablone vorzunehmen, also unterschiedliche

Prämiensysteme und Feedbackmechanismen einzusetzen.

Beispielsweise kann das Schema aus Bild 3 für eine

andere Design-Schneiderei völlig anders aussehen, da

insbesondere Innovationsfaktoren im Vordergrund stehen

(siehe Tabelle 6). Außerdem tritt ein ebenfalls ökologisch

orientiertes Transportunternehmen, dessen Fuhrpark fast

ausschließlich mit Hybridfahrzeugen ausgestattet ist, dem

Netzwerk bei. Neben den ökologischen Faktoren spielt für

dieses Unternehmen noch eine Reihe anderer Faktoren

eine wichtige Rolle, siehe Tabelle 7. Ebenfalls muss das

Transportunternehmen eine Anpassung der Ökoschablone

an die eigenen Bedürfnisse vornehmen, um genormte

Daten an die zentrale Plattform zu übermitteln.

Der Zusammenschluss der Schneiderei und des Transportunternehmens

kann zu einem Verstärkungseffekt

des ökologischen Gesamtprofils führen, was einen Wettbewerbsvorteil

erbringen und die Motivation der einzelnen

Mitarbeiter in den verschiedenen Unternehmungen

steigern kann, da ihr Anteil, der individuell wenig Gewicht

haben mag, in der Summe der Einzelbeiträge signifikante

ökologische Auswirkungen erreicht. Hierbei

lässt sich ein kollaborativer Motivationseffekt auslösen

(Socializer-Aspekt) [14].

Variable Faktoren Abstufung

Materialverschnitt

Materialverschnitt

Rückgabequote

Kosten

Nachhaltigkeit

Qualität


Schlussendlich führt der Webshop-Betreiber die nach

außen kommunizierten Metriken in einem Gesamtprofil

des Netzwerks zusammen. Tabelle 8 zeigt eine stark

vereinfachte Gegenüberstellung zweier Beispielnetzwerke

A und B anhand der Ausprägungen des Faktors

Nachhaltigkeit. Es zeigt sich, dass Netzwerk A im Vergleich

zu B im ökologischen Sinne deutlich besser aufgestellt

ist. Dass die prozentuale Summe hier nicht

100% beträgt, liegt daran, dass die anderen Faktoren

(Effizienz, Flexibilität) ebenfalls eine Rolle spielen. Für

eine vereinfachte Visualisierung wird in diesem Beitrag

auf eine univariate Darstellung zurückgegriffen. Die

Autoren weisen aber darauf hin, dass eine multivariate

Darstellung über alle Faktoren notwendig ist, um den

konsistenten Vergleich über alle Faktoren zwischen

Netzwerken herzustellen.

Kunden sind anhand dieser transparenten Gegenüberstellung

in der Lage, das für ihre Bedürfnisse passende

Netzwerk auszuwählen. Beispielsweise hat die Analyse

des Webshop-Betreibers gezeigt, dass die Zielgruppe der

nachhaltig orientierten Kunden dadurch noch besser

erreicht werden kann, da zusätzliche Transparenz hinsichtlich

der ökologischen Produktion geschaffen wird,

was zu höheren Verkaufszahlen in Netzwerk B führt.

Eine Auswahl solcher Motivationsfaktoren zeigt Tabelle

9. Es sei darauf verwiesen, dass hierbei auch ein B2C-

Gamification-Konzept, erstellt und gewartet durch den

Webshop-Betreiber, eingesetzt werden kann, um die

Kundenloyalität zu erhöhen.

ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK

In diesem Beitrag wurde die Anwendung von Gamification

in dezentralen Kollaborationsnetzwerken aus theoretischer

Sicht diskutiert. Dabei lag die Arbeitshypothese

zugrunde, dass Gamification die Transparenz und

somit das Vertrauen in das gesamte Netzwerk erhöhen

kann, in dem die Aktionen der Mitarbeiter und des Unternehmens

in aggregierter Form externen Interessenten

zugänglich gemacht werden. Hierzu haben die Autoren

einen potenziellen Integrationsansatz von dezentralen

Kollaborationsnetzwerken und Gamification diskutiert.

Durch einen hybriden Ansatz aus zentraler, durch einen

Hub spezifizierten Vorgabe, und dezentraler, unternehmensspezifischer

Anpassung ist es möglich, die Nachteile

der komplementären Ansätze gegenseitig zu kompensieren.

Dadurch ist es möglich, die Mitarbeiter des

jeweiligen Unternehmens zu motivieren, an den jeweiligen

Prozessen mitzuwirken und die verschiedenen

Parteien des Netzwerks zur Nutzung anzuregen.

Dennoch gibt es eine Reihe von Herausforderungen

und Risiken, die es in weiteren Arbeiten zu adressieren

und evaluieren gilt. Zum einen wurden in diesem Beitrag

Authentifizierungsprobleme außen vor gelassen, das

heißt, vorab muss eine Art Zertifizierung der Netzwerkteilnehmer

am Hub erfolgen, damit sich auch die Echtheit

der Daten garantieren lässt. Zum anderen ist zu

klären, wie die Integrität der Daten sichergestellt werden

kann, das heißt das Melden falscher Zahlen zur gezielten

Prozessschritt Netzwerk A Netzwerk B

Materialwirtschaft Shirt – Bereitstellungspauschale 7,5 % 10 %

Kundendesign 0 % 0 %

Schneidern des Shirts 20 % 0 %

Transport zur Stickerei 14 % 5 %

Besticken des Shirts – 5 %

Transport zur Schneiderei 20 % 10 %

Zusammennähen des Shirts 10 % 0 %

Bügeln des Shirts 2,5 % 0 %

Verpacken des Shirts 2,5 % 0 %

Transport zum Kunden 3,5 % 0 %

Summe 80 % 30 %

TABELLE 8:

Beispiel für

Webshop-Betreiber

Variable Faktoren Abstufung

Kaufverhalten soll ökologische

Materialien bevorzugen

Kunden sollen regionale Produkte

bevorzugen

Nachhaltigkeit

Nachhaltigkeit

>= 20 % tolerabel

>= 70 % ausgezeichnet


HAUPTBEITRAG

REFERENZEN

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[22] Zissis, D., Lekkas, D.: Addressing cloud computing security issues.

Future Generation Computer Systems 28(3), S. 583-592, 2012.

Imageverbesserung muss vermeidbar sein. Darüber hinaus

sollte es für jeden Netzwerkteilnehmer die Möglichkeit

geben, den Grad der Transparenz zu regulieren.

Einige Spielmechanismen sind eher nur für den internen

Gebrauch bestimmt, wohingegen andere zweifelsfrei

nach außen kommuniziert werden können.

Des Weiteren ist die Erstellung und Wartung der Inhalte

mit beachtlichem Aufwand verbunden, sodass genau

geprüft werden sollte, inwiefern sich ein Einsatz

bezogen auf Kosten und Nutzen lohnen kann. Hierfür

fehlt es derzeit noch an klaren Return-on-Investment

Studien.

DANKSAGUNG

AUTOREN

M.Sc. PHILIPP HERZIG

(geb. 1987) ist seit 2011 bei

SAP Research und Doktorand

im Bereich Enterprise

Gamification, Big Data &

Platforms an der TU Dresden.

Er hat an der TU Dresden

den Master in Wirtschaftsinformatik

erworben.

SAP Research, SAP AG,

Chemnitzer Straße 48, D-01187 Dresden,

Tel. +49 (0) 6227 75 25 00,

E-Mail: philipp.herzig@sap.com

MANUSKRIPTEINGANG

01.11.2012

Im Peer-Review-Verfahren begutachtet

Diese Arbeit wurde vom Seventh Framework

Programme der Europäischen Union, Grant Agreement

Nummer FP7-294928 ComVantage gefördert.

Dr. ANGELIKA SALMEN

(geb. 1966) ist seit 2009

Research Manager Human

Computer Interaction

bei SAP Research.

Ihr Arbeitsfeld ist die

Mensch-Maschine

Interaktion.

SAP Research, SAP AG,

Vincenz-Prießnitz-Straße 1, D-76131 Karlsruhe,

Tel. +49 (0) 6227 75 25 00,

E-Mail: angelika.salmen@sap.com

32

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KNOWLEDGE

for the FUTURE

Qualified reading

for automation

experts

Process Control Systems Engineering

Process Control Systems (PCS) are distributed control systems

(DCS) that are specialized to meet specific requirements of the

process industries.

The text book focuses on PCS engineering basics that are common

to different domains of the process industries. It relates to an

experimental research plant which serves for the exploration

of the interaction between process modularization and process

automation methods. This permits to capture features of highly

specialized and integrated mono-product plants as well as

application areas which are dominated by locally standardized

general-purpose apparatus and multi-product schemes. While

the text book’s theory is applicable for all PCS of different

suppliers, the examples refer to Siemens’ control system PCS 7.

Focusing on a single PCS enables readers to use the book in basic

lectures on PCS engineering as well as in computer lab courses,

allowing students to gain hands-on experience.

Editor: L. Urbas

1 st edition 2012, 204 pages, content in English * , hardcover

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German language version coming soon

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Street/P.O. Box, No.

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PAPCSE2012


HAUPTBEITRAG

Vernetzte Apps für komplexe

Aufgaben in der Industrie

Apps nutzerfreundlich und effizient orchestrieren

Die Spezialisierung auf eng umgrenzte Aufgaben ist ein Erfolgsfaktor für Apps auf Mobilgeräten,

kann aber bei komplexen Anforderungen zum Nachteil werden, wenn Teilaufgaben

häufige manuelle App-Wechsel erfordern. Dieser Beitrag stellt das Konzept der

App-Orchestrierung vor, das die Vernetzung von Apps unter Erhaltung des Arbeitskontextes,

zum Beispiel in Virtual Factories, erlaubt. Durch die Verwendung von Aufgaben-,

Arbeitsfluss- und Kontextmodellen kann dieser Vorgang automatisiert werden. Das entwickelte

Konzept wurde prototypisch implementiert und einer formativen Evaluation

unterzogen.

SCHLAGWÖRTER Mensch-Maschine-Schnittstelle / Appifikation / Orchestrierung /

Mobilgeräte / Virtual Factories

Networking apps for complex industrial tasks –

Orchestrating apps efficiently

Tailored to a specific task, mobile applications can offer high usability. However, they do

not yet support complex workflows, which require frequent manual switching between

apps. To overcome this limitation, we have developed the concept of App Orchestration.

This makes it possible to connect the apps with each other while maintaining the work

context, e.g. in Virtual Factories. The orchestration process can be automated with models

for tasks, workflows, and contexts. The concept was implemented in a prototype and

subjected to a formative evaluation.

KEYWORDS human-machine-interface / appification / orchestration / mobile devices /

virtual factories

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JOHANNES PFEFFER, MARKUS GRAUBE, JENS ZIEGLER, LEON URBAS, TU Dresden

Apps – kleine, für Mobilgeräte spezialisierte

Programme – unterstützen ihre Anwender

in vielen Lebensbereichen. Sie werden genutzt,

um beispielsweise den Weg zur nächsten

Postfiliale zu finden, eine Busverbindung

herauszusuchen, zur Kommunikation mit Freunden

und Geschäftspartnern oder für das Onlinebanking [1].

Für einen Großteil der Informationsbedarfe des täglichen

Lebens, ob privater oder beruflicher Natur, gibt es

mittlerweile die passende App. Apps haben die Nützlichkeit

von Mobiltelefonen und Tablets enorm erhöht.

Einer Studie der Firma Appsfire [2] zufolge sind auf

einem durchschnittlichen iPhone 108 verschiedene

Apps installiert. Diese Entwicklung hin zur Omnipräsenz

der kleinen spezialisierten Programme wird als

Appification bezeichnet.

Neben den eben genannten klassischen Anwendungen

gibt es bereits Ansätze, Apps in industriellen Umgebungen

einzusetzen. Beispiele dafür sind Apps, die

den Gerätezustand anzeigen oder Assistenten für die

Auswahl des passenden Produktes eines Herstellers

bereitstellen (siehe beispielsweise Automation App

Award [3]). Diese Spezialprogramme lassen sich gut mit

dem Limited-Purpose-Grundsatz von Apps vereinbaren:

Sie unterstützen den Nutzer bei bestimmten eng

umgrenzten Aufgaben sehr effizient. Was sie bisher

nicht bieten, ist umfassende Interoperabilität und Vernetzung

untereinander zur Unterstützung komplexerer

Aufgaben.

Virtual Factories, Schlüsselkonzept der Factories of

the Future des gleichnamigen Public-Private-Partnership-Programms

der Europäischen Kommission [4], sind

zeitlich befristete und definiert arbeitsteilige Kooperationen

zwischen realen Unternehmen unterschiedlicher

Größe zur Bewältigung spezifischer Projekte. Dabei kann

die Kooperation für einen kurzen Projektzeitraum, oder

für eine langfristige Zusammenarbeit angelegt sein. Die

Kooperation in solchen Virtual Factories umfasst komplexe

Aufgaben, die Daten von verschiedenen Teilnehmern

erfordern. Zudem besitzen die einzelnen Unternehmen

bereits Werkzeuge und Applikationen, die sie in

ihren eigenen Prozessen unterstützen. Um die inhärenten

Vorteile von Virtual Factories optimal nutzen zu

können, müssen diese Werkzeuge aber noch vernetzt und

gegebenenfalls für andere Stakeholder verfügbar gemacht

werden. Die aus der Vernetzung entstehenden

Unterstützungssysteme helfen dann bei der effizienten

Bewältigung der komplexen Gesamtaufgabe.

Im Rahmen dieses Beitrags soll exemplarisch ein Geschäftsbereich

innerhalb einer Virtual Factory betrachtet

werden, nämlich die Kooperation eines Anlagenbetreibers

mit einem Dienstleister zu Instandhaltung einer

Prozessanlage. Der Dienstleister muss auf alle für seine

Aufgaben relevanten Informationen zugreifen können.

Er führt komplexe Wartungsaufgaben im Feld durch und

wird dabei von einem mobilen Unterstützungssystem

assistiert. Der Fokus liegt in diesem Beitrag auf der Unterstützung

durch vernetzte Apps und dem dafür entwickelten

Konzept der App-Orchestrierung. Auf die Datenintegration

mittels Linked Data und Sparql in Virtual

Factories wird in [5] eingegangen.

1. DAS KONZEPT DER APP-ORCHESTRIERUNG

1.1 Grundlagen

Die durch Apps auf mobilen Endgeräten unterstützbaren

Arbeitsabläufe in der Industrie können komplex sein und

aus sehr verschiedenartigen Aufgaben bestehen. Allein

im Bereich der Instandhaltung reichen diese von der einfachen

Navigation in einer Anlagenhierarchie über die

Bearbeitung von Parameterlisten bis hin zur Cycle-Time-

Analyse von Produktionslinien. Manche dieser Aufgaben

werden noch vorwiegend mit Papier und Stift durch das

Ausfüllen und spätere Digitalisieren von Formularen bearbeitet,

andere werden durch hochentwickelte Desktopanwendungen

abgedeckt. Besonders letztere sind für

große Bildschirme mit Mausbedienung optimiert und

lassen sich unter Gewährleistung der nötigen Benutzerfreundlichkeit

und Flexibilität nicht direkt auf Mobilgeräte

übertragen. Um die Vorteile der Spezialisierung von

atp edition

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35


HAUPTBEITRAG

Apps für komplexe Aufgaben nutzbar zu machen, wurden

unter anderem Ideen aus der Service-Orchestrierung,

dem Model Driven Development und dem Component

Based Software Engineering aufgegriffen.

Innerhalb der Domäne der Automatisierungs- und Prozessleittechnik

wurden aufgaben- und datenspezifische

Invarianten identifiziert, die durch einen abgestimmten

Satz von Generic Apps bedient werden können. Jede Generic

App ist dabei auf die Erfüllung eines bestimmten

Informationsbedarfs auf Nutzer- oder Anbieterseite spezialisiert.

Die in den Informationsbedarfen enthaltenen

Invarianten umfassen beispielsweise semantische Nachbarschaftsverhältnisse

um einen Point of Interest, Positionsdaten,

Ereignisse, Zeitreihen, Wartungspläne oder

Aufgabenlisten. Durch Konzentration auf solche Invarianten

lassen sich die meisten Generic Apps auf vielfältige

Weise wiederverwenden.

Das App-Orchestrierungskonzept umfasst drei Hauptschritte

[6]:

Select (auswählen)

Adapt (anpassen)

Manage (verknüpfen und vermitteln)

Im ersten Schritt werden die Invarianten der zu unterstützenden

Aufgabe identifiziert. Auf dieser Grundlage

werden Apps ausgewählt, die diese Invarianten optimal

bedienen. Als zweites werden die Datenanbindung,

die Eingabemodalität und das visuelle Erscheinungsbild

der Anwendungen kontextabhängig adaptiert.

Im Selektions- und im Adaptionsschritt können

Darstellungsanforderungen aus externen Quellen (zum

Beispiel aus Engineering-Daten oder einem FDI Device

Package [7]) berücksichtigt werden. Im dritten und letzten

Schritt wird das dynamische Navigationsdesign

generiert und die Navigation zwischen Apps durch

Verknüpfungen in der Anwendung und in Kontextmenüs

realisiert.

1.2 Architektur

Im Folgenden wird eine Architektur für die Realisierung

des App-Orchestrierungskonzeptes vorgestellt. Sie besteht

aus einer Design-Time- und einer Runtime-Komponente

und ist eingebettet in die Infrastruktur einer Virtual

Factory.

Die eigentliche Orchestrierung findet zur Design-Time

statt und greift auf den gemeinsamen Informationsraum

der Virtual Factory zurück. Die von den Apps benötigten

Daten liegen in einem gemeinsamen Informationsraum, der

auf dem Linked-Data-Konzept [8] basiert und durch einen

Sparql Endpoint [9] zugänglich gemacht wird. Sie umfassen

verschiedene für die Orchestrierung relevante Modelle

(Aufgaben-, Arbeitsfluss- und Kontextmodelle), verwendete

Ontologien, Informationen über den Zugriff (Domain

Source Map) und die eigentlichen Unternehmensdaten.

In Bild 1 wird der Informationsfluss dargestellt; Funktionen

werden durch Kreise, Eingänge und Ausgänge

durch Rechtecke repräsentiert. Die erste Funktion (Select)

wird mit dem Aufgabenmodell, dem Kontextmodell

und den in einem App-Pool hinterlegten Beschreibungen

gespeist.Mit diesen Informationen lassen sich die passenden

Generic Apps auswählen. Dies kann teilweise

automatisch geschehen. Bei auftretenden Ambiguitäten,

beispielweise Apps mit identischer oder sehr ähnlicher

Funktion, ist jedoch ein manueller Eingriff notwendig.

Ist für eine modellierte Aufgabe noch keine passende

App im App-Pool vorhanden, so wird die Aufgabe übersprungen

und später im Navigationsdesign als nicht unterstützt

gekennzeichnet. Für diese Aufgabe kann dann

eine passende App entwickelt werden, oder sie wird wie

bisher ohne mobile Unterstützung durchgeführt. So werden

die Einstiegshürden gesenkt und Arbeitsabläufe

ermöglicht, welche herkömmliche Arbeitsweisen mit

mobiler Unterstützung verbinden.

In der zweiten Funktion (Adapt to Context), beginnt

der Adaptionsschritt. Das Kontextmodell wird herange-

BILD 1:

Informationsfluss bei

der App-Orchestrierung

zur Entwurfszeit

36

atp edition

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zogen, um das visuelle Erscheinungsbild anzupassen

und die Interaktionsmodalität der gewählten Apps festzulegen.

Die nächste Funktion im Adaptionsschritt (Parametrize

Template) passt die in den App-Beschreibungen

hinterlegten Sparql Templates an die verwendete

Ontologie an, sodass die korrekten Begriffe, Typen und

Relationen in der Abfrage verwendet werden. Die Domain

Source Map enthält dabei die nötigen Informationen

zu den Sparql-Endpoints der Virtual Factory.

Das Resultat, ein Satz von Adapted Apps, wird an die

nächste Funktion weitergereicht (Create Navigation Design).

Unter Verwendung des in den App-Beschreibungen

definierten Interface und des Arbeitsflussmodells wird

ein Navigationsdesign erstellt, welches in die Managementkomponente

einfließt.

Die Ergebnisse der Orchestrierung, die adaptierten Apps

und die Managementkomponente (siehe Bild 2) werden auf

das mobile Gerät übertragen. Die Managementkomponente

ist zur Runtime für das Umschalten zwischen den orchestrierten

Apps (App Switcher), das Navigationsdesign

(Navigation Design), die Inter-App-Kommunikation (Message

Dash) und den Zugriff auf den gemeinsamen Informationsraum

(Linked Data Interface) zuständig. Ein

Linked Data Cache kann temporär auch das Arbeiten ohne

Netzwerkverbindung ermöglichen. Der App Switcher

nutzt das modellierte Navigationsdesign, um zwischen

den Apps umzuschalten, das Message Dash dient zum

Austausch zwischen Apps. Sie können dort Nachrichten

bestehend aus einem Zeitstempel, der App-ID und einem

einfachen Schlüssel-Wert-Paar hinterlegen. Typische

Nachrichten sind URIs, die zum nächsten Point of Interest

zeigen, generierte oder eingegebene Daten, die von der

nächsten App benötigt werden, oder andere in der App-

Beschreibung definierte Nachrichten. Alle Sparql Queries,

die eine App ausführen möchte, werden durch das Linked

Data Interface geleitet, welches sich beim passenden

Linked Data Endpoint authentifiziert, die gewünschten

Informationen abfragt oder aus dem lokalen Cache holt.

Das Orchestrierungskonzept lässt sich auf verschiedene

Arten implementieren. Dabei ist grundsätzlich zwischen

der Design-Time-Komponente und der Runtime-

Komponente zu unterscheiden. Erstere übernimmt den

eigentlichen Orchestrierungsprozess und wird außerhalb

des Mobilgerätes durchgeführt. Die Runtime-Komponente

dagegen managt unter anderem die Umschaltung

zwischen den Apps auf dem Gerät gemäß dem erstellten

Navigationsdesign und erlaubt die Inter-App-

Kommunikation (siehe Bild 2).

Die Design-Time-Komponente lässt sich beispielsweise

als Eclipse-Modul oder in Form von Build-Skripten

plattformunabhängig realisieren. Die Runtime-

Komponente muss dagegen plattformspezifisch für das

jeweilige Zielsystem implementiert werden. Primäre

Zielplattform für den vorgestellten Prototypen ist Android.

Dort bietet der Intent-Mechanismus eine gute

Grundlage für die Umsetzung des Orchestrierungskonzeptes

durch gesteuerten App-Wechsel. Für IOS

kann auf URL-Schemes zurückgegriffen werden und

unter Windows Phone auf die Launcher und Chooser,

wobei hier aufgrund des Sandbox-Konzeptes Einschränkungen

bestehen.

2. APP-ORCHESTRIERUNG IN DER INSTANDHALTUNG

Im folgenden Abschnitt wird ein Anwendungsbeispiel vorgestellt,

in dem das Konzept der App-Orchestrierung prototypisch

implementiert und anschließend evaluiert wurde.

2.1 Szenario

In dem gewählten Szenario aus der mobilen Instandhaltung

[11] ist ein externer Dienstleister für die Wartung

einer automatisierten chemischen Anlage zuständig. Ein

gemeinsamer Informationsraum auf Basis des Linked-

Data-Konzepts [5] enthält dabei die Planungsdaten, die

Wartungsinformationen und die aktuellen Betriebsparameter

der Anlage. Die von dem Dienstleister entsendeten

Wartungstechniker haben dadurch Zugriff auf Informationen,

die sie zur regelmäßigen Instandhaltung der Anlage

benötigen. Der Zugriff erfolgt mit mobilen Endgeräten,

sodass ein papierfreies Arbeiten ermöglicht wird.

2.2 Aufgaben- und Arbeitsflussmodelle

BILD 2: Runtime-Komponenten

der App-Orchestrierung

Eine Aufgabenanalyse mit Industriepartnern [12] hat

zu dem in Bild 3 dargestellten hierarchischen Aufgabenmodell

geführt. Das Ziel – Anlage warten – besteht

dabei aus zwei Aktivitäten und einem Teilziel, welches

sich wieder in fünf Aktivitäten aufteilt. Dabei werden

nur die tatsächlichen Arbeiten im Feld beachtet und

vorbereitende sowie nachfolgende Tätigkeiten vernachlässigt.

Die dazugehörigen Handlungspläne sind in Tabelle 1

dargestellt. Nach Plan 0 muss sich der Wartungstechniker

erst in der Anlage anmelden, bevor er die spezifizierten

Geräte warten und ein intelligentes Durchflussmessgerät

parametrieren darf. Plan 2 beschreibt den notwendigen

atp edition

3 / 2013

37


HAUPTBEITRAG

BILD 4: Sequenzdiagramm

des Navigationsdesigns

BILD 3: Hierarchisches

Aufgabenmodell des industriellen

Wartungsszenarios [10]

Handlungsplan Beschreibung

Plan 0

Führe 1 aus, danach (2 oder 3) in beliebiger Reihenfolge; Wiederhole 2 für jedes Gerät

Plan 2 Führe 2.1 aus, danach (2.2 oder 2.3), danach (2.4 oder 2.5)

TABELLE 1: Handlungsplanbeschreibung

Ablauf, um ein bestimmtes Gerät zu warten: Zuerst muss

die Aufgabenbeschreibung gelesen werden, um danach

entweder das Gerät inspizieren oder reparieren zu können.

Anschließend trägt der Wartungstechniker die Ergebnisse

in sein mobiles Unterstützungssystem ein, entweder durch

die Auswahl eines Elements aus einer vorgegebenen Liste

oder durch Nutzung einer geeigneten Eingabemaske.

Dieses Szenario wurde in einer realitätsnahen Umgebung

mit Geräten im industriellen Maßstab aufgebaut

und besteht aus fünf Kontrollpunkten, die jeweils Wartungen

oder Parametrierung nach dem vorgestellten

Aufgabenmodell erfordern.

2.3 Datenmodell

Als Datenquelle wurden die Planungsdaten der Anlagenteile

verwendet, die zuvor mithilfe des CAE-Systems Comos

entworfen wurden. Diese Daten wurden nach einem

Transformationsschritt in ein Linked-Data-Netzwerk eingespeist,

welches die Informationen zu den Wartungsaufgaben

und Geräten enthält. Die Informationen über die

Parametrierung der Geräte wurden zudem aus dem Prozessleitsystem

Simatic PCS 7 extrahiert und als Simatic-

PDM-Datei exportiert. Die darin enthaltenden Informationen

über den Parametersatz (inklusive Attributen wie Typ,

Einheit, Standardwerte, mögliche Eingabewerte, Minima

und Maxima) wurden ebenfalls exportiert und mit den

anderen Wartungsinformationen semantisch verknüpft.

2.4 Referenzimplementierung

Die Implementierung zu diesem Szenario enthält alle

relevanten Aspekte des Select-Adapt-Manage-Konzepts

der App-Orchestrierung (siehe Bild 1). Der Orchestrierungsprozess

ist hierbei noch nicht automatisiert; die

Orchestrierungsschritte wurden demnach manuell ausgeführt.

Der App Pool besteht für das Szenario aus vier

Generic Apps:

LogOn App: zur Identifikation des Nutzers und Anmeldung

im gemeinsamen Informationsraum der

Virtual Factory

Maintenance Support (MS) App: Bereitstellung von

relevanten Informationen zu den Wartungsaufgaben

und Möglichkeit, Resultate der Wartung zurückzuschreiben

Device Manager (DM) App: zur Verwaltung und Parametrierung

von intelligenten Feldgeräten.

Neighborhood Browser (NB) App: zum Navigieren

in der topologischen Struktur der Geräte, Rohre

und Instrumentierungen in einer chemischen Anlage

sowie in der technologischen Hierarchie [13]

38

atp edition

3 / 2013


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Die Orchestrierung des mobilen Unterstützungssystems

wurde in drei Schritten durchgeführt:

1 | Das Aufgaben- und Arbeitsflussmodell wurde analysiert,

um Informations- und Kommunikationsbedarfe

zu identifizieren. Mit diesen Informationen

konnten geeignete Apps aus dem App Pool

gewählt werden, wobei hier drei Apps als notwendig

für das Aufgabenmodell identifiziert wurden.

Die LogOn App übernimmt das Anmelden in der

Anlage. Die MS App unterstützt die Wartungsaufgaben

an den Geräten und die DM App erlaubt die

Parametrierung des Durchflussmessgeräts.

2 | Die gewählten Generic Apps wurden an die spezifische

Aufgabe angepasst, was unter anderem die Abstimmung

auf den Formfaktor des Zielgeräts, auf das

Corporate Design sowie die Einbindung der notwendigen

Datenabfragen umfasst. Die Sparql-Abfragen

wurden an die verwendete Ontologie angepasst.

3 | Das Arbeitsflussmodell erlaubte das Ableiten eines

Navigationsdesigns für die drei Adapted Apps.

Bild 4 zeigt die vier verschiedenen möglichen App-

Wechsel. Dabei sind die Transitionen (a) und (d), als

Wechsel von und zur LogOn App, fest vorgegeben

und die Transitionen (b) und (c), als Wechsel zwischen

der MS App und der DM App, zu jeder Zeit

zwischen Anmelden und Abmelden frei verfügbar.

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Automatisierungstechnik

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Die Transitionen (a) und (d) sind automatische Links,

die direkt nach der Anmeldung in der Anlage zu der MS

App führen und dabei alle relevanten Informationen

über den Nutzer, seine Rolle und Rechte übertragen beziehungsweise

nach Erledigung aller Wartungsaufgaben

automatisch zur LogOn App zurückkehren, den Nutzer

aus der Anlage abmelden und die Ergebnisse speichern.

Im Gegensatz dazu lassen sich die Transitionen (b) und

(c) jederzeit vom Nutzer aufrufen, um die Apps zu wechseln.

Dabei werden relevante Informationen wie der aktuelle

Point of Interest oder der Status der Aufgabe automatisch

übertragen. Daher wurden diese beiden Apps

im Adaptionsschritt um UI-Kontrollelemente für diese

Inter-App-Verknüpfung ergänzt. Sie befinden sich in einem

Kontextmenü, das manuell (durch Nutzereingabe)

und automatisch (orientiert an den Erfordernissen des

Arbeitsflussmodells) eingeblendet werden kann.

Somit hat die Orchestrierung zu einem mobilen Unterstützungssystem

geführt, das aus drei selbstständigen

Apps besteht, die durch zwei Navigationspfade und

einen Inter-App-Informationsaustausch eng aneinander

gebunden wurden und sich ergänzen. Manuelle

App-Wechsel sind nicht notwendig.

2.5 Evaluation

Die Referenzimplementierung wurde einer formativen

Evaluation unterzogen. Als Erhebungsinstrument wurde

der SUS-Fragebogen (System Usability Scale) [14] gewählt,

welcher zehn Aussagen enthält, die mittels einer 10-Punkte-Likert-Skala

bewertet werden. Das Ergebnis ist ein

Score zwischen 0 und 100. Um die SUS-Scores interpretieren

zu können, wurden sie auf der Bangor-Adjective-

Skala [15] eingeordnet. Ziel der Evaluation war es, zu

atp edition erscheint in der DIV Deutscher Industrieverlag GmbH, Arnulfstr. 124, 80636 München


HAUPTBEITRAG

BILD 5:

Boxplot der

SUS-Scores

ID 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11

Score 65,0 75,0 87,5 82,5 80,0 90,0 65,0 70,0 80,0 77,5 77,5

TABELLE 2: SUS-Scores (S mean : 77,3; Median: 77,5; SD: 8,17; Range: 25)

prüfen, ob der Prototyp unter Studenten der Ingenieurwissenschaften,

welche eine zukünftige Nutzergruppe repräsentieren,

eine Bewertung von mindestens „good“ erreicht.

Abhängige Variable:

S mean

… Mittlerer SUS-Score aller Teilnehmer

des Experiments

Die folgenden Hypothesen wurden formuliert:

H 0

: S mean

< S good

H 1

: S mean

≥ S good

H 0

wird verworfen, wenn das mobile Unterstützungssystem

mindestens einen mittleren SUS-Score S good

= 71,4

erreicht (siehe [15]).

Die Untersuchung wurde mit elf Studenten der Ingenieurwissenschaften

(22 bis 31 Jahre) durchgeführt. Sie

verfügen über technisches Vorwissen und haben Erfahrung

im Umgang mit Computern und Mobilgeräten. In

einer industrienahen Umgebung wurden mit dem System

eine Reihe vorgegebener Wartungsaufgaben bearbeitet

(Details siehe [10]) und danach der SUS-Fragebogen ausgefüllt

(Ergebnisse siehe Tabelle 2). Der Boxplot in Bild 5

zeigt, dass mehr als 75 % der Ergebnisse über S good

liegen.

Um die Hypothesen zu prüfen, wurde ein einseitiger

t-Test durchgeführt. Auf dem gewählten Signifikanzniveau

von α = 0,05 muss H 0

zugunsten von H 1

verworfen

werden (Konfidenzintervall 72,81 ≤ S < ∞). Folglich kann

das System als „good” auf der Bangor-Adjective-Skala

bezeichnet werden.

FAZIT UND AUSBLICK

Mit dem vorgestellten Konzept der App-Orchestrierung

lassen sich mehrere spezialisierte Apps zu einem kontextadaptierten

und integrierten Navigationsdesign vereinen.

Die Orchestrierung, bestehend aus einem Select-,

einem Adapt- und einem Manage-Schritt zur Entwurfszeit

und einer Management-Komponente zur Laufzeit

ermöglicht es, vorgefertigte und auf Gebrauchstauglichkeit

optimierte Apps für verschiedene komplexe Arbeitsprozesse

wiederzuverwenden. Das entstehende Gesamtsystem

kann komplexe Arbeitsprozesse in der Industrie

mobil unterstützen.

Der in der Evaluation des Prototyps erreichte Wert von

„good“ auf der Bangor-Skala bedeutet, dass die Usability

des getesteten Prototyps deutlich über dem in [15] beschriebenen

Durchschnitt von 70 Punkten liegt. Dieses Ergebnis

zeigt, dass durch das beschriebene Konzept der Einsatz

einfacher Apps für komplexe Aufgaben nicht nur möglich

wird, sondern dass die Apps sich so auch in einem gebrauchstauglichen

Gesamtsystem vereinen lassen.

Ein wichtiger Faktor für die Effizienz der App-Orchestrierung

ist der Grad der Automatisierung des Orchestrierungsprozesses

zur Entwurfszeit, welcher abhängig

von den verfügbaren Aufgaben-, Arbeitsfluss-, und Kontextmodellen

ist. Diese müssen zum Teil erst entwickelt

werden [1]; liegen sie jedoch beispielsweise als Teil von

Businessprozessmodellen vor, ist ein hoher Grad an Automatisierung

der Orchestrierung möglich.

Die vorgestellte Realisierung im Rahmen der Instandhaltung

ist nur eine von verschiedenen möglichen Implementierungen

des Konzeptes der App-Orchestrierung. Es

kann ebenso von einem einzelnen Unternehmen verwendet

werden, um die Effizienz, Vernetzung und Wiederverwendung

spezialisierter mobiler Werkzeuge zu erhöhen.

Gegenwärtig wird der vorgestellte Ansatz weiter ausgebaut

und in anderen industriellen Nutzungsszenarios

evaluiert. Dabei werden der Automatisierungsgrad und

die Komplexität des Navigationsdesigns stetig erhöht,

um die Skalierbarkeit des Konzeptes zu untersuchen.

DANKSAGUNG

MANUSKRIPTEINGANG

12.11.2012

Im Peer-Review-Verfahren begutachtet

Die diesem Beitrag zugrundeliegenden Arbeiten wurden

teilweise im 7. Rahmenprogramm der Europäischen

Union (FP7-284928 ComVantage) gefördert.

40

atp edition

3 / 2013


REFERENZEN

AUTOREN

[1] Urbas, L.: Hard-, soft-, net- und socialware – Chancen

und Herausforderungen für das useware-engineering.

In: Tagungsband useware 2010, S. 3-14.

Düsseldorf, VDI-Verlag 2010.

[2] appsfire SAS, Infographic: iOS Apps vs. Web Apps,

appsfire blog, 2011. http://blog.appsfire.com/

infographic-ios-apps-vs-web-apps

[3] Kunze, S., Back, M.: Automation App Award.

Elektrotechnik - Das Automatisierungs-Portal. Vogel

Business Media, Oktober 2012. http://www.

elektrotechnik.vogel.de/strategie-unternehmensfuehrung/articles/381562/

[4] European Commission: Factories of the Future, Public

Private Partnerships in research website, 2012.

http://ec.europa.eu/research/industrial_technologies/factories-of-the-future_en.html

[5] Graube, M., Pfeffer, J., Ziegler, J., Urbas, L.:

Daten- und Werkzeugintegration mit Linked Data für

die industrielle Datenverarbeitung. In: Tagungsband

Automation 2012, S. 89-93. Düsseldorf, VDI-Verlag

2012.

[6] Pfeffer, J., Graube, M., Ziegler, J., Urbas, L.: Einfache

Apps für komplexe Aufgaben. In: Tagungsband useware

2012, S. 109-120. Düsseldorf, VDI-Verlag 2012.

[7] FDI Cooperation: Field Device Integration Technology.

Whitepaper 2012. http://www.fdi-cooperation.com/

index.php/technology.html

[8] Berners-Lee, T.: Design Issues – Linked Data, W3C

Website, 2006. http://www.w3.org/DesignIssues/

LinkedData.html

[9] W3C: SPARQL Query Language for RDF, W3C

Recommendation, 2008. http://www.w3.org/TR/

rdf-sparql-query/

[10] Ziegler, J, Graube, M., Pfeffer, J., Urbas, L.: Beyond

App-Chaining: Mobile App Orchestration for Efficient

Model Driven Software Generation. In: Proc. 17th Int.

IEEE Conf. Emerging Technologies & Factory

Automation (ETFA’12), 2012.

[11] DIN 31051: Grundlagen der Instandhaltung, 2012.

[12] Urbas, L., Pfeffer, J., Ziegler, J.: iLD-Apps: Usable

Mobile Access to Linked Data Clouds at the Shop Floor.

In: Proc. Workshop Visual Interfaces to the Social and

Semantic Web (VISSW 2011 at IUI 2011), 2011.

http://ceur-ws.org/Vol-694/paper10.pdf

[13] Pfeffer, J., Graube, M., Urbas, L.: Browsing Reversible

Neighborhood Relations in Linked Data on Mobile

Devices. In: Proc. 2nd Int. Conf. Pervasive Embedded

Computing and Communication Systems (PECCS

2012), S. 150-155. SciTePress 2012.

[14] Brooke, J.: SUS – A quick and dirty usability scale. In:

Jordan, P.W., Weerdmesster, B., Thomas, A.,

Mclelland, I.L. (Hrsg.) Usability Evaluation in

Industry, S. 189-194. London, Taylor and Francis 1996.

[15] Bangor, A., Miller, J., Kortum, P.: Determining What

Individual SUS Scores Mean - Adding an Adjective

Rating Scale. Journal of Usability Studies 4 (3). S.

114-123, 2009.

Dipl.-Ing. JOHANNES PFEFFER (geb. 1982) ist seit Ende 2010

wissenschaftlicher Mitarbeiter an der TU Dresden und dort im

Bereich der Mensch-Maschine-Schnittstellen für die Prozessleittechnik

tätig. Seine Hauptforschungsgebiete sind mobile

Informationssysteme, besonders die Entwicklung und Evaluation

gebrauchstauglicher Bedienoberflächen sowie die modellgetriebene

Arbeitsunterstützung durch Mobilgeräte.

TU Dresden,

Institut für Automatisierungstechnik,

D-01062 Dresden, Tel. +49 (0) 351 46 33 33 87,

E-Mail: johannes.pfeffer@tu-dresden.de

Dipl.-Ing. MARKUS GRAUBE (geb. 1985) ist seit Ende 2010 wissenschaftlicher

Mitarbeiter an der TU Dresden und forscht dort im

Bereich der Informationstechnologie. Besonderes Interesse gilt

dabei der Problematik der Integration von industriellen Daten und

von Aufgabenmodellen in der Prozessindustrie mithilfe von

semantischen Technologien.

TU Dresden,

Institut für Automatisierungstechnik,

D-01062 Dresden, Tel. +49 (0) 351 46 33 33 87,

E-Mail: markus.graube@tu-dresden.de

Dipl.-Ing. JENS ZIEGLER (geb. 1982) ist seit Ende 2008 wissenschaftlicher

Mitarbeiter an der TU Dresden und leitet dort seit 2010 die

Arbeitsgruppe Mobile Informationssysteme. Seine Hauptforschungsgebiete

sind mobile Informationssysteme, besonders in den Bereichen

Aufgaben- und Kontextanalyse, Anforderungsspezifikation sowie der

Entwicklung und Evaluation gebrauchstauglicher Ein- und Ausgabegeräte

für körpernahe verteilte Benutzungsschnittstellen.

TU Dresden,

Institut für Automatisierungstechnik,

D-01062 Dresden, Tel. +49 (0) 351 46 34 23 67,

E-Mail: jens.ziegler@tu-dresden.de

Prof. Dr.-Ing. LEON URBAS (geb. 1965) ist Inhaber der Professur

für Prozessleittechnik an der Technischen Universität Dresden.

Seine Hauptarbeitsgebiete beim Engineering verteilter sicherheitskritischer

Systeme sind Funktionsintegration, modellgetriebenes

Engineering, Modularisierung, Informationsmodelle der Prozessindustrie

und Middleware in der Automatisierungstechnik. Einen

weiteren Schwerpunkt bildet die Gebrauchstauglichkeit von

mobilen Informationssystemen für die Prozessindustrie, Analyse,

Gestaltung und Bewertung von Alarmierungs- und Unterstützungssystemen

sowie Methoden der Benutzermodellierung zur

prospektiven Gestaltung von Mensch-Technik-Interaktion.

TU Dresden,

Institut für Automatisierungstechnik,

D-01062 Dresden, Tel. +49 (0) 351 46 33 96 14,

E-Mail: leon.urbas@tu-dresden.de

atp edition

3 / 2013

41


HAUPTBEITRAG

Das Smartphone als

universelles Diagnosegerät

Ein kundenzentriertes Konzept zur Fehlerdiagnose

Die Fehlerdiagnose stellt eine Disziplin dar, die heute fast ausschließlich Fachkräften

vorbehalten ist. Kaum ein Anwender kennt das detaillierte Innenleben eines automatisierten

Systems und die zugehörigen Diagnoseverfahren. Die Folge ist, dass Systeme mit

leicht behebbaren Defekten entsorgt werden oder ein aufwendiger Wartungsprozess mit

Anrufen bei diversen Service-Hotlines in Gang gesetzt werden muss. In diesem Beitrag

wird ein Diagnosekonzept vorgestellt, welches sich ohne explizites Diagnosefachwissen

anwenden lässt. Zentraler Bestandteil des Konzepts ist ein Smartphone, das mit einer

Diagnoseanwendung ausgestattet wird und damit als mobiles Diagnosegerät dient. Ein

benutzerfreundliches Bedienkonzept und die Anbindung an eine zentrale Wissensbasis

ermöglichen eine anwendergerechte Diagnose. Zudem deckt das beschriebene Konzept

die weitergehenden Schritte der Fehlerbehebung mit Hilfe interaktiver Assistenzfunktionen

ab, sodass das Diagnosegerät auch hierbei eine größtmögliche Unterstützung bietet.

SCHLAGWÖRTER Fehlerdiagnose / Fehlerbehebung / Benutzerfreundlichkeit /

Assistenzfunktionen

Using smart phones as a universal diagnostic tool –

A user-friendly fault diagnosis concept

Fault diagnosis is usually dealt with by experts. Ordinary users rarely understand the detailed

internal structure of an automated system and the associated diagnostic methods.

The result is that systems which could easily be made to work again are either thrown away

or an elaborate service process has to be started involving calls to various service hotlines.

This paper presents a diagnosis approach for ordinary users without diagnostic expertise.

A commercially available smart phone equipped with a diagnostic application serves as a

mobile diagnostic tool. An intuitive user interface concept and a connection to a central

knowledge base enable user-friendly diagnosis. Further steps are described for interactive

troubleshooting, so that the diagnosis tool provides maximum support here too.

KEYWORDS fault diagnosis / troubleshooting / usability

42

atp edition

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ANDREAS FRIEDRICH, PETER GÖHNER, Universität Stuttgart

Moderne automatisierte Systeme entwickeln

sich ständig weiter, die an sie gestellten Anforderungen

werden laufend größer. Dies

führt dazu, dass die Komplexität solcher Systeme

zunimmt, was sich auch auf das Gebiet

der Fehlerdiagnose erschwerend auswirkt, also das Auffinden

der Ursache von Fehlfunktionen. Kaum ein Anwender

ist heute noch selbst in der Lage, einen aufgetretenen

Fehler in einem automatisierten System zu lokalisieren

und diesen zu beheben. Der Anwender ist in der

Regel mit der Bedienung eines automatisierten Systems

vertraut, nicht jedoch mit den Details zu dessen technischem

Innenleben. Die Durchführung einer erfolgreichen

Fehlerdiagnose wird zudem durch die Benutzungsschnittstelle

erschwert, da die Interaktion zwischen Anwender

und System meist durch wenig verfügbare oder

geeignete Bedien- und Anzeigeelemente begrenzt ist. Dies

lässt keine detaillierte Aussage über Betriebszustände,

erkannte Fehler oder Abweichungen vom Normalzustand

in einer für den Anwender verständlichen Weise zu.

Die einzige Alternative ist daher, Techniker mit der Fehlerdiagnose

und Wartung zu beauftragen. Durch die steigende

Komplexität der Systeme ist ein immer höheres Fachwissen

nötig, welches von immer weniger Service-Technikern

beherrscht wird. Deshalb nimmt der Mangel an entsprechenden

Fachkräften bereits heute zu [1]. Der demografische

Wandel in Deutschland verstärkt diesen Effekt, sodass sich

der Mangel in den kommenden Jahren deutlich spürbar verschärfen

wird. Die Anwender werden sich an Situationen

gewöhnen müssen, wie sie von Arzt-Besuchen bekannt sind:

Um einen Termin bei einem Service-Techniker zu erhalten,

bedarf es mehrerer Wochen Wartezeit.

Die Entwicklung eines universellen Diagnosekonzepts

kann diesen Problemen entgegenwirken. Das Hauptziel

dieses Konzepts ist es, Anwendern ohne spezielles Wissen

über Diagnoseverfahren und den exakten technischen

Aufbau eines Systems eine selbstständige Durchführung

von Wartungsarbeiten zu ermöglichen. Dies gilt

für Produktautomatisierungssysteme, wie zum Beispiel

Haushaltsgeräte im privaten Umfeld, und für industrietechnische

Anlagen.

1. HERAUSFORDERUNGEN IN DER FEHLERDIAGNOSE

In der Automobilbranche ist der Einsatz moderner Diagnoseverfahren

weit vorangeschritten. Mit Hilfe universeller

mobiler Diagnosegeräte können Informationen

ausgelesen und entsprechende Änderungen am Fahrzeug

vorgenommen werden. Nahezu jede Werkstatt setzt solche

Geräte mittlerweile ein, ohne die eine Diagnose

kaum noch möglich wäre. In der Automatisierungstechnik

hingegen ist ein solcher universeller Diagnosestandard

bislang nicht vorhanden. Viele Systeme besitzen

keinerlei integrierte Diagnosefunktionalität, andere Systeme

verstecken diese hinter einer undurchschaubaren

Benutzungsschnittstelle. So müssen teilweise mehrere

Tasten parallel oder in einer bestimmten Reihenfolge

gedrückt werden, um in ein Diagnosemenü zu gelangen.

Die Bedienung der Diagnoseprogramme ist dadurch erschwert,

genauso wie die Auswertung der Ergebnisse:

Da nur selten große Displays vorhanden sind, um umfangreiche

Diagnoseergebnisse darzustellen, muss die

Ausgabe über einzelne Signallampen oder 7-Segment-

Anzeigen erfolgen. Die Zuordnung dieser Informationen

ist ausschließlich durch Fachpersonal möglich oder mit

großem Einarbeitungsaufwand verbunden.

Eine weitere Herausforderung in der Diagnose automatisierter

Systeme ist die zur Verfügung stehende Rechenleistung:

Aus Kostengründen ist die zentrale Steuerungseinheit

so klein dimensioniert, wie dies für den Anwendungszweck

tatsächlich notwendig ist. Der Rechenaufwand

für eine vollständige Diagnose eines automatisierten

Systems ist in der Regel um ein Vielfaches größer, als dies

für den normalen Betrieb der Fall ist. Hier sind für die

Durchführung der Diagnose also zusätzliche Rechenkapazitäten

nötig, die dauerhaft oder im Bedarfsfall flexibel

zur Verfügung gestellt werden müssen.

Ein weiteres Problem stellen veraltete Informationen dar:

Die Handbücher sowie sämtliche Software- und Diagnoseprogramme

sind auf dem Stand des Auslieferungszeitpunktes.

Spätere Erkenntnisse des Herstellers und darauf aufbauende

Schlussfolgerungen werden bei einer in das System

integrierten Fehlerdiagnose nicht berücksichtigt, was zur

atp edition

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43


HAUPTBEITRAG

Folge hat, dass die Fehlererkennungsrate schlechter ausfällt,

als dies mit aktuellem technischen Wissen möglich wäre.

Hier wäre eine Zugriffsmöglichkeit auf eine Wissensbasis

mit tagesaktuellen Informationen also zielführender.

2. MOBILES DIAGNOSEKONZEPT

Die genannten Herausforderungen bei der Diagnose von

automatisierten Systemen sollen durch den Einsatz eines

neuartigen Diagnosekonzepts berücksichtigt werden.

Zentraler Bestandteil des Konzepts ist ein universelles

mobiles Diagnosegerät. Es stellt die notwendige Rechenleistung

zur Verfügung und wird über eine Schnittstelle

an das automatisierte System angebunden (siehe Bild 1).

Das mobile Diagnosegerät besitzt eine Benutzungsschnittstelle,

über die der Anwender Eingaben tätigt und

über welches Resultate des Diagnosevorgangs zurückgemeldet

werden. Außerdem besitzt das mobile Diagnosegerät

eine weitere Schnittstelle zu einer zentralen Wissensbasis,

die in räumlicher Nähe oder auch im Internet

beheimatet sein kann, ähnlich dem in [2] vorgestellten

Konzept. Das bedarfsorientierte Nachladen von Daten

ermöglicht eine Diagnose mit tagesaktuellen Informationen.

Nicht vorhandene Daten über den Systemaufbau,

passende Diagnoseprogramme, Fehlerlisten, berechnete

Fehlerraten [3] und mehr können nachgeladen und müssen

nicht permanent in allen Varianten für alle Systeme

auf dem Diagnosegerät vorgehalten werden.

Damit das mobile Diagnosegerät mit dem automatisierten

System eine Verbindung aufbauen kann, braucht das

zu diagnostizierende System eine externe Schnittstelle

(Interface). Über diese Schnittstelle werden sämtliche

für die Diagnose relevanten Daten bereitgestellt und Befehle

entgegengenommen. Sofern die Diagnosefunktionalität

vollständig auf dem externen mobilen Diagnosegerät

abläuft, sind neben der Diagnoseschnittstelle keine

weiteren Anforderungen an die Hardware des automatisierten

Systems gegeben. Sollte aus strategischen Gründen

ein Teil der Diagnosefunktionalität direkt auf dem

automatisierten System ablaufen, ist zusätzliche Rechenkapazität

und Hardware erforderlich, zum Beispiel,

wenn Daten unter starken Echtzeitanforderungen verarbeitet

werden müssen. Grundsätzlich wird in diesem

Diagnosekonzept jedoch das Ziel verfolgt, möglichst

wenig Änderungen an der Hardware des automatisierten

Systems vornehmen zu müssen, um die Kosten und den

Aufwand auf einem minimalen Niveau zu halten.

Durch die Zielvorgabe, dass die Diagnose nicht nur von

Fachpersonal, sondern auch vom klassischen Anwender

durchgeführt wird, ist ein intuitives Bedienkonzept [4]

erforderlich. Dies beinhaltet unter anderem, dass für den

Anwender sinnvolle Ergebnisse herausgefiltert und nur

diese in einer geeigneten Form ausgegeben werden. Dabei

muss der Fehler so exakt wie möglich benannt werden.

Intelligente Diagnoseprogramme sind dazu nötig, die automatisiert

ablaufen und als Resultat konkrete Ergebnisse

liefern, wie beispielsweise den Defekt eines Bauteils.

Eine Auswahl der großen Anzahl von Verfahren, die einen

Fehler genau eingrenzen können, wird in [5] beschrieben.

Durch gezielte Ansteuerung von Aktoren sowie

direktes Auslesen der im automatisierten System

enthaltenen Sensoren können Informationen über die

korrekte Funktionsweise der beteiligten Bauteile gewonnen

werden. Softwareprozesse innerhalb des Systems

können durch Steuerbefehle ebenfalls vom Diagnoseprozess

angestoßen und die resultierenden Ergebnisse weiterverarbeitet

werden (die auftretenden Datenflüsse sind

in Bild 2 abgebildet). Im Idealfall besitzt das automatisierte

System einen integrierten Fehlerspeicher, in dem

während der gesamten Betriebszeit Unregelmäßigkeiten

dokumentiert werden. Durch das Auslesen des Fehlerspeichers

stehen zusätzliche Informationen für den Fehlerlokalisationsprozess

zur Verfügung. Jeder erkannte

Fehler wird nach der erfolgreichen Lokalisierung einer

Fehlerklasse zugeordnet (siehe Tabelle 1).

Neben der Fehlerdiagnose wird im Rahmen dieses Konzepts

auch der weitere Fehlerbehebungsprozess betrachtet

und aktiv unterstützt. Je nach identifizierter Fehlerklasse

sieht der Fehlerbehebungsprozess unterschiedlich aus. Bei

Fehlern der Klasse 1 kann das Diagnosegerät zunächst versuchen,

den Fehler vollautomatisiert selbst zu lösen. Eine

erkannte Verschmutzung eines Leitungssystems könnte

beispielsweise durch einen Spülvorgang selbstständig beseitigt

werden. Tritt ein Fehler der Klasse 2 auf, ist ein

manueller Eingriff des Anwenders in das System nötig.

Dabei wird er mit Hilfe interaktiver Assistenzfunktionen

durch den Eingriff geführt und weitestgehend unterstützt.

Ein Beispiel hierfür ist die manuelle Reinigung eines Filters

von groben Schmutzpartikeln oder das Überprüfen einer

Wasserzuleitung. Wird ein Fehler der Klasse 3 gemeldet,

wurde ein Defekt einer austauschbaren Systemkomponente

festgestellt. In diesem Fall kann über das mobile Diagnosegerät

direkt ein passendes Ersatzteil beim Hersteller

bestellt werden. Hier entfällt also ein aufwendiger Bestellprozess

mit Kontaktaufnahme zu einem Händler. Der Einbau

des Ersatzteils kann dann mit Hilfe einer mitgelieferten

ausführlichen Einbauanleitung erfolgen, alternativ auch

über eine im Diagnosegerät enthalte interaktive Assistenzfunktion.

Fehler der Klasse 4 sind ohne geschulte Wartungskräfte

nicht zu beheben. In diesem Fall muss also ein

Techniker mit der Problemlösung beauftragt werden. In

einem ersten Schritt werden hierfür auf dem Diagnosegerät

die Kontaktdaten von Servicetechnikern angezeigt, die sich

mit dem passenden System auskennen und den Fehler beheben

können. Nach der Auswahl einer Firma wird ein

detailliertes Fehlerprotokoll erzeugt, welches die bereits

gewonnenen Informationen enthält, inklusive eventuell

benötigter Ersatzteile. Diese Daten werden direkt dem ausgewählten

Servicetechniker übertragen. Sowohl für den

Anwender als auch für den Techniker bietet dies Vorteile:

Dem Anwender bleiben zeitraubende Gespräche mit Service-Hotlines

erspart und der Techniker kann sich bestmöglich

auf seinen Einsatz vorbereiten. Fehler der Klasse

5 signalisieren, dass eine Reparatur nicht mehr unter wirtschaftlichen

Gesichtspunkten durchführbar ist. Diese Aussage

muss ausführlich begründet werden, um ihre Glaubhaftigkeit

zu unterstreichen.

3. SMARTPHONE ALS UNIVERSELLES DIAGNOSEGERÄT

Um das genannte Diagnosekonzept umsetzen zu können,

musste zunächst ein passendes mobiles Diagnosegerät

konzipiert werden. Wie in der Automobilbranche üblich,

könnte eine spezielle Hardware-Lösung entwickelt wer-

44

atp edition

3 / 2013


Automatisiertes System

Mobiles Diagnosegerät

Technischer Prozess

µC Speicher

Benutzungsschnittstelle

Benutzungsschnittstelle

Steuerung

externes

Interface

Diagnose

Fehler -

behebung

Betriebssystem

Software

externes

Interface

Wartung

Update

Zentrale Datenbank

Gerätedaten

Diagnosedaten

Fehlerbehebungsdaten

Bedienungsanleitungen

Technikerdaten

Firmwaredaten

Funktionsdaten

(im Netzwerk / Internet)

Anwender

BILD 1: Systemaufbau

des Diagnose-Konzepts

Automatisiertes System

Rückmeldungen

Sensorsignale

Aktorsignale

Fehlerspeicher

Steuerbefehle

Diagnose

Wartung

Software (Mobiles Diagnosegerät)

Fehlerbehebung

Update

Service -

anweisungen

Serviceergebnisse

Fehlerbehebungsmaßnahmen

Anwender

(Servicetätigkeiten)

BILD 2: Auftretende

Datenflüsse, die im

Rahmen der

Servicetätigkeiten

verarbeitet werden.

Geräte-&

Funktionsdaten

Interaktive

Bedienungsanleitungen

Fehler- &

Diagnosedaten

Firmwaredaten

Technikerdaten

Zentrale Datenbank

Hersteller,

Servicetechniker

Fehlerklasse

Fehlerart

1 Der Fehler kann möglicherweise vom Diagnosesystem selbst behoben werden.

2 Der Fehler kann nur durch einen manuellen Eingriff des Anwenders behoben werden.

3 Der Fehler kann durch den Austausch eines oder mehrerer Ersatzteile behoben werden.

4 Der Fehler kann ausschließlich von einem Service-Techniker behoben werden.

5 Eine Fehlerbehebung ist wirtschaftlich nicht durchführbar.

TABELLE 1: Fehlerklassen im Diagnosekonzept

atp edition

3 / 2013

45


HAUPTBEITRAG

den, die die gewünschten Anforderungen abdeckt. Das

Ergebnis wäre ein universelles Diagnosegerät, was jedoch

einen teuren Entwicklungsprozess und damit einen

hohen Stückpreis zur Folge hätte. Eine günstigere

Alternative bietet der Ansatz, bestehende mobile Computersysteme

zu analysieren und auf deren Eignung als

mobiles Diagnosegerät zu untersuchen. Einige Hersteller

setzen heute auf Diagnose-Software, die auf einem Laptop

installiert ist und beim Kunden vor Ort eingesetzt

wird. Der Einsatz eines Laptops als mobiles Diagnosegerät

wäre bei dem oben beschrieben Diagnoseverfahren

auch möglich, das Konzept würde sich jedoch nicht in

allen Punkten – Mobilität, Bedienkonzepte und Schnittstellenvielfalt

– umsetzen lassen. Als beste Hardwareplattform

für das vorgestellte Diagnosekonzept hat

sich das Smartphone herausgestellt.

Dabei handelt es sich um ein Mobiltelefon, das aus

funktioneller Sicht einen kleinen Computer darstellt. Die

Möglichkeit des Telefonierens spielt nur noch eine untergeordnete

Rolle; das Smartphone kann durch zahlreiche

Anwendungen (Apps) erweitert und an die eigenen

Bedürfnisse angepasst werden. Smartphones enthalten

von Grund auf eine große Anzahl an Sensoren und Aktoren,

die sich für vielfältige Anwendungszwecke nutzen

lassen. Zentraler Bestandteil ist ein großes berührungsempfindliches

Farbdisplay, auf welchem durch

Fingerbewegungen Eingaben getätigt werden können.

Diverse Lautsprecher und eingebaute Mikrofone lassen

auch andere Modalitäten in der Bedienung zu, beispielsweise

eine Steuerung über Spracheingabe, die besonders

im Rahmen von Wartungstätigkeiten, wenn beide Hände

für die Arbeiten benötigt werden, hilfreich ist. Smartphones

bieten eine Reihe an Schnittstellen, die sich dazu

eignen, eine Verbindung mit dem automatisierten System

aufzubauen. Davon sind besonders die Funktechnologien

wie WLAN, Bluetooth oder NFC (Near Field Communication)

[6] interessant, die einen flexiblen mobilen

Einsatz des Smartphones ermöglichen.

Der Einsatz von NFC-Technologie bringt zudem weitere

Möglichkeiten mit sich: So können intelligente Typenschilder

am automatisierten System angebracht werden,

die ein NFC-Tag enthalten. Bewegt sich ein angeschaltetes

Smartphone in die Nähe eines solchen Tags, wird

automatisch eine Diagnoseanwendung geöffnet und eine

Verbindung zum gewünschten System hergestellt. Der

Anwender muss sich dadurch keine Gedanken um die

Auswahl der richtigen Anwendung und Details zur Verbindungsherstellung

machen. Geräte ohne NFC-Technologie

müssen dennoch nicht auf diesen Komfort verzichten:

Über einen optischen QR- oder DataMatrix-Code, der

auf dem Typenschild ebenfalls angebracht ist, kann mit

der in Smartphones fast immer enthaltenen Kamera ein

ähnlicher Vorgang initiiert werden.

Das Smartphone bietet also die ideale Grundlage für

ein modernes, flexibles Diagnosegerät zur Umsetzung

des vorgestellten Konzepts. Die Diagnosefunktionalität

kommt in Form einer Smartphone-Anwendung (App)

auf das Gerät. Der Hersteller kann diese Anwendung

kostenfrei zur Verfügung stellen oder diese als zusätzliche

Service-Leistung über die bereits existieren App-

Stores verkaufen. Sie kann speziell auf ein bestimmtes

zu diagnostizierendes System ausgelegt sein oder auch

als universelle Diagnoseanwendung auf mehrere Systeme

eines Herstellers. Durch die Verbindung zum Internet,

die bei nahezu allen Smartphones ständig vorhanden

ist, können gerätespezifische Daten bei Bedarf nachgeladen

werden. Auch die automatische Bestellung von

Ersatzteilen oder das Versenden eines Service-Auftrags

an einen Wartungstechniker kann über das Internet bequem

durchgeführt werden (siehe Bild 3).

Die Verbreitung von Smartphones ist ein weiteres Argument,

welches für den Einsatz als Diagnosegerät

Datenkommunikation:

Geräte-Identifikation

Steuer-& Sensordaten

Diagnose-Daten

Bedienung:

Anzeige von Ergebnissen

Bedienung per Finger

Sprachein-/ausgabe

Anwenderrückmeldungen

Automatisiertes

System

mit Diagnoseschnittstelle

Smartphone

Anwender

(Person ohne

Fachwissen)

Wartungstechniker

Gerätedaten

Diagnosedaten

Fehlerbehebungsdaten

Bedienungsanleitungen

Technikerdaten

Firmwaredaten

Funktionsdaten

Zentrale Datenbank

(Wissensbasis)

Hersteller

BILD 3:

Datenkommunikation

bei der Smartphonebasierten

Diagnose

46

atp edition

3 / 2013


spricht: So ist die Hardware heute in vielen Haushalten

bereits verfügbar und muss nicht extra gekauft werden.

Laut [7] besitzen heute bereits mehr als 50% der unter

30-Jährigen ein Smartphone, der Trend geht stark nach

oben. Die Rechenleistung aktueller Geräte muss sich

nicht hinter gewöhnlichen PC-Systemen verstecken. Mit

teilweise 4 Prozessorkernen und hohen Taktraten ist die

Leistungsfähigkeit selbst für größere Rechenoperationen

ausreichend. Doch auch in diesem Punkt gibt es nach

oben keine Grenze. Durch das Cloud-Computing-Prinzip

Infrastructure as a Service [8] können sehr rechenintensive

Prozesse an zentrale Server ausgelagert werden. Die

dafür nötigen Voraussetzungen bringen alle gängigen

Smartphones vom Werk aus mit.

Der Preis in der Anschaffung eines Diagnosegeräts ist

letztlich auch ausschlaggebend, ob ein solches Konzept

eine Chance auf dem Markt hat. Selbst wer bisher noch

kein Smartphone besitzt, kann von den günstigen Preisen

dank der Massenproduktion profitieren. Spezielle Diagnosegeräte

mit vergleichbarer Funktionalität wären um ein

Vielfaches teurer und auf die Funktionalität der Diagnose

beschränkt. Wer ein aktuelles Smartphone besitzt, muss

nur noch die passende App herunterladen, vorausgesetzt,

das automatisierte System bietet eine entsprechende Diagnoseschnittstelle.

Der Aufwand zur Integration einer

solchen Diagnoseschnittstelle hält sich für den Hersteller

in Grenzen, im Idealfall beschränkt sich die Arbeit auf

geringe Software-Anpassungen zur Weiterleitung der gewünschten

Daten von und zu einer externen Schnittstelle.

Das Thema Sicherheit wird im Rahmen von Cloud

Computing und Vernetzung öfters angesprochen. Das

vorgestellte Diagnosekonzept hat den Vorteil, dass das

automatisierte System nicht direkt mit dem Netzwerk

oder Internet verbunden ist. Stattdessen stellt das Smartphone

die Verbindung während des Diagnosevorgangs

als Zwischenglied her und vermittelt nur diejenigen Informationen,

die für den Diagnosevorgang notwendig

sind. Je nach Auswahl der Funktechnologie muss der

Anwender bis auf 5 cm an das System herantreten, um

die Verbindung herzustellen. Der Zugriff Unbefugter ist

in diesem Fall also nahezu unmöglich.

4. MÖGLICHE NEUE BEDIENKONZEPTE

Neben der gesamten Diagnosefunktionalität stehen beim

Einsatz dieses Konzepts eine Reihe weiterer Einsatzmöglichkeiten

offen: Durch die Verbindung zwischen automatisiertem

System und Smartphone kann das Mobiltelefon

auch als flexibles Bediengerät genutzt werden. Dies

ermöglicht eine Vielfalt an neuen Interaktionsmöglichkeiten.

Einerseits ist in den meisten Fällen ein deutlich

größeres Anzeigedisplay vorhanden, auf dem zusätzliche

Informationen dargestellt werden können. Eine Steuerung

per Spracheingabe, die Bedienung durch Gesten

oder die Verwendung des Neigungssensors im Smartphone

sind nur einige der neuen Interaktionsmöglichkeiten.

Zudem kann das automatisierte System Nachrichten,

zum Beispiel über den aktuellen Betriebszustand, an den

Anwender senden, der zeitnah darauf reagieren kann.

Auch das Konfigurieren von Systemen stellt oft eine

große Herausforderung dar. Viele Optionen überfordern

den Anwender, da die Einstellmöglichkeiten aufgrund

begrenzter Displaygrößen nicht ausreichend genau erklärt

sind. Auf dem Smartphone lassen sich durch den

größeren Bildschirm zusätzliche erklärende Texte darstellen,

die jede Option kurz beschreiben. Weitergehende

Hilfeangebote können mit einem Klick erreicht werden.

Modelle zum flexiblen Firmware-Update sind durch

den Einsatz von Smartphones ebenfalls denkbar: Da der

Anteil an Software in heutigen automatisierten Systemen

immer weiter zunimmt, besteht hier die Möglichkeit,

diesen Teil auf einen neueren Stand zu bringen. Aktuell

scheitert dies meist an einer fehlenden Internetverbindung,

die nicht vorhanden oder auch nicht gewollt ist.

Das Smartphone stellt diese fehlende Komponente zur

Verfügung, es lädt einen neuen Softwarestand herunter

und überspielt diesen unter Berücksichtigung aktueller

Sicherheitsstandards auf das gewünschte System.

Im Home-Entertainment-Bereich sind solche Konzepte

heute schon gängig. Der Fernseher oder die Beleuchtung

zu Hause lassen sich bereits mit dem Smartphone

steuern und konfigurieren. In der Automatisierungstechnik

ist dieser Schritt längst überfällig.

5. PROTOTYPISCHE REALISIERUNG DES KONZEPTS

Am Institut für Automatisierungs- und Softwaretechnik

wurde das beschriebene Konzept bereits an zwei Demonstratoren

prototypisch umgesetzt. Ein handelsüblicher

Waschtrockner wurde mit einer Diagnoseschnittstelle

auf WLAN-Basis erweitert, die den Zugriff auf die

im System enthaltenen Sensoren und Aktoren im Rahmen

der Diagnose ermöglicht. Mit einem Smartphone

und der passenden darauf laufenden Anwendung kann

nun eine vollständige Diagnose des Waschtrockners

durchgeführt werden. Ein Teil der Diagnosefunktionalität

wird direkt vom Smartphone aus gesteuert, ein anderer

Teil wird in Form einer separaten Diagnose-Software-Komponente

vom Smartphone auf den Waschtrockner

übertragen, wo diese im Anschluss ausgeführt

wird. Künstliche in den Waschtrockner eingebaute

Hardware-Fehler werden von der Diagnosesoftware zuverlässig

erkannt und geeignete Schritte zur Fehlerbehebung

auf dem Smartphone-Display angezeigt.

Das Konzept wurde ebenfalls bei einem am Markt erhältlichen

Kaffeevollautomat angewandt. Der Kaffeevollautomat

hatte den entscheidenden Vorteil, dass er bereits

über eine auf CAN basierende Diagnoseschnittstelle

verfügte. So musste hardwareseitig lediglich ein Adaptermodul

entwickelt werden, welches eine drahtlose

Kommunikation mit dem Diagnose-CAN-Bus erlaubt.

Über eine entwickelte Smartphone-Software ist es möglich,

eine Fehlerdiagnose der Kaffeemaschine vom Mobiltelefon

aus durchzuführen. Zudem wurde hier eine

weitere Anwendung entwickelt, die auch die Bedienung

der Kaffeemaschine zulässt. So kann ein Kaffee mit den

gewünschten Parametern nun bequem vom Handy angefordert

werden. Durch eine im Smartphone enthaltene

Spracherkennungsfunktion kann der Kaffee auf Wunsch

verbal bestellt werden. Selbst unscharfe Aussagen, wie

„ich möchte einen großen lauwarmen Milchkaffee“ können

durch in der Software hinterlegte Mechanismen in

eine konkrete Anweisung umgesetzt werden, die per

Funk an die Kaffeemaschine übertragen wird.

atp edition

3 / 2013

47


HAUPTBEITRAG

FAZIT

Mit diesem neuartigen Diagnosekonzept ist es Anwendern

möglich, eine Fehlerdiagnose und -behebung eigenständig

durchzuführen. Der Einsatz von Smartphones aus dem

Bereich der Consumer Electronics ergibt eine kostengünstige

Lösung, die ohne weitere teure Hardware auskommt

[9]. Auf Seite der zu diagnostizierenden automatisierten

Systeme sind nur geringe Änderungen notwendig, die sich

neben dem Einbau einer geeigneten Hardwareschnittstelle

größtenteils auf Softwareanpassungen beschränken.

Herausforderungen ergeben sich noch in der Entwicklung

der Diagnoseanwendungen unter anderem dadurch,

dass zahlreiche Smartphone-Betriebssysteme auf dem

Markt vorhanden sind, für die jeweils eigenständige Anwendungen

entwickelt werden müssen. So müsste derzeit

jede Diagnose-Anwendung für Apples IOS und Googles

Android entwickelt werden, um 85% der Smartphone-

Besitzer zu erreichen [10]. Um hier die Entwicklungsarbeit

aus Sicht der Hersteller zu minimieren, werden am Institut

für Automatisierungs- und Softwaretechnik der Universität

Stuttgart Forschungsarbeiten durchgeführt, um

solche Diagnose-Anwendungen über ein Art Baukasten-

Prinzip plattformübergreifend erstellen zu lassen. Durch

einen hohen Grad an Wiederverwendung und komponentenbasierter

Entwicklung muss nicht für jedes System

eine vollständig neue Anwendung entworfen werden.

Für Anwender und Hersteller gilt es, Aufwand und

Kosten durch die Einführung des Diagnosekonzepts so

gering wie möglich zu halten. Es ist zu erwarten, dass die

entstehenden Mehrkosten von den Kunden durch den

deutlich erkennbaren Mehrwert getragen werden. Überflüssige

Anrufe bei Service-Hotlines gehören der Vergangenheit

an, ebenso unnötige Technikerbesuche oder lange

Ausfallzeiten. Letztlich trägt dies zu einer nachhaltig

höheren Lebensdauer von automatisierten Systemen bei.

MANUSKRIPTEINGANG

08.10.2012

Im Peer-Review-Verfahren begutachtet

AUTOREN

REFERENZEN

Dipl.-Ing. ANDREAS FRIEDRICH (geb. 1984)

arbeitet seit September 2011 als wissenschaftlicher

Mitarbeiter am Institut für Automatisierungs-

und Softwaretechnik (IAS) der

Universität Stuttgart auf dem Gebiet der

benutzerorientierten Automatisierung.

Er ist an der Durchführung mehrerer Industrie-Forschungsprojekte

beteiligt und hat sich

auf den Einsatz mobiler Endgeräte in der

Automatisierungstechnik spezialisiert.

Institut für Automatisierungs- und Softwaretechnik,

Universität Stuttgart,

Pfaffenwaldring 47, D-70550 Stuttgart,

Tel. +49 (0) 711 68 56 72 93,

E-Mail: andreas.friedrich@ias.uni-stuttgart.de

Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. PETER GÖHNER

(geb. 1950) leitet das Institut für Automatisierungs-

und Softwaretechnik (IAS) an der

Universität Stuttgart. Seine Hauptarbeitsgebiete

sind agentenorientierte Konzepte in der

Automatisierungstechnik, benutzerorientierte

Automatisierung, Energieoptimierung in

technischen Systemen, Lernfähigkeit von

automatisierten Systemen, Verlässlichkeit

von automatisierten Systemen und Wiederverwendungskonzepte

in der Automatisierungstechnik.

Institut für Automatisierungs- und Softwaretechnik,

Universität Stuttgart,

Pfaffenwaldring 47, D-70550 Stuttgart,

Tel. +49 (0) 711 68 56 73 01,

E-Mail: peter.goehner@ias.uni-stuttgart.de

[1] Bundesagentur für Arbeit: Perspektive 2025:

Fachkräfte für Deutschland, Januar 2011.

http://www.arbeitsagentur.de/zentraler-Content/

Veroeffentlichungen/Sonstiges/Perspektive-2025.pdf

[2] Jazdi, N.; Konnertz, J.; Traumüller, J.: Einsatz von

Web-Technologien bei der Entwicklung moderner

eingebetteter Systeme. In: Proc. 12th Int. IFIP Workshop

on Distributed and Parallel Embedded Systems (DIPES

2000), 2000.

http://www.ias.uni-stuttgart.de/forschung/veroeffentlichungen/pdf/iwk2000_paper_ja.pdf

[3] Jazdi, N.; Koller, O.; Hipp, U.; Liedtke, T.; Göhner, P.;

Mayer, A.: Ausfallraten unter Feldbedingungen

berechnen, atp edition – Automatisierungstechnische

Praxis 53(10), S.888-895, 2011

[4] Yazdi, F.; Vieritz, H.; Jazdi, N.; Schilberg, D.; Göhner, P.;

Jeschke, S.: A Concept for User-centered Development of

Accessible User Interfaces for Industrial Automation

Systems and Web Applications. In: Proc. 6th Int. Conf.

Universal access in human-computer interaction: applications

and services (UAHCI'11), S.301-310. Springer 2011

[5] Traumüller, O.: Flexible internetbasierte Ferndiagnose

eingebetteter Systeme, Dissertation Universität

Stuttgart, 03/2007

[6] Want, R.: Near Field Communication. In:

Proc. IEEE Pervasive Computing 10(3), S. 4-7, 2011

[7] BITKOM: Jeder Dritte hat ein Smartphone, 2012.

http://www.bitkom.org/de/presse/74532_71854.aspx

[8] NIST: The NIST Definition of Cloud Computing (Draft), 2011

[9] Schamari, U.-W.: Maschinensteuerung läuft jetzt per

Smartphone. VDI Nachrichten 8.6.2012

[10] the guardian uk: Android tightens grip on smartphone

market in second quarter of 2012, 2012.

http://www.guardian.co.uk/technology/blog/2012/

aug/10/android-smartphone-market-2012-apple

48

atp edition

3 / 2013


atp kompakt

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HAUPTBEITRAG

Kontextsensitive

Benutzungsschnittstellen

Interaktion für die Fabrik von morgen

Kontextsensitive Benutzungsschnittstellen bieten vielversprechende Möglichkeiten, um

heutige mobile, universelle Schnittstellen für die Instandhaltung von Produktionsanlagen

sicherer und komfortabler zu gestalten. In diesem Beitrag wird eine Modellierungsarchitektur

vorgestellt, die die systematische Entwicklung kontextsensitiver Benutzungsschnittstellen

unterstützt. Die Architektur definiert dabei drei Kernmodelle, die eine

Beschreibung der Benutzungsschnittstelle auf unterschiedlichen Abstraktionsebenen

unterstützt und die Adaption der Schnittstelle zur Laufzeit ermöglicht.

SCHLAGWÖRTER Kontextsensitive Benutzungsschnittstellen / Modellbasierte

UI-Entwicklung

Context-sensitive user interfaces –

Interaction for the tomorrow’s factories

Context-sensitive user interfaces promise to further increase the usability of mobile universal

user interfaces for maintenance tasks. A model-based architecture is presented that

describes a systematic approach for the development of such user interfaces. This architecture

defines three core-models that support the description of the user interface at different

levels of abstraction and allows the adaptation of the user interface during run-time.

KEYWORDS context-sensitive user interfaces / model-based user interface development

50

atp edition

3 / 2013


MARC SEISSLER, Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI), Kaiserslautern

KAI BREINER, Fraunhofer-Institut für Experimentelles Software Engineering (IESE)

Die Popularität von Smartphones und Tablets

hat zur Verbreitung mobiler interaktiver Systeme,

zum Beispiel in Form von universellen

Benutzungsschnittstellen, in Produktionsumgebungen

geführt. Dort eingesetzt, unterstützen

diese das Personal, Instandhaltungsaufgaben

durchzuführen, wie die Parametrierung von Feldgeräten

und Maschinen. Der durch die mobilen Benutzungsschnittstellen

ermöglichte zeit- und ortsunabhängige

Informationszugriff bietet dem Instandhaltungspersonal

einen neuen Grad an Flexibilität. Ebenfalls kann

durch diese universelle Schnittstelle ein homogenisiertes

Interaktionskonzept umgesetzt werden, bei dem die

häufig minimalistischen Benutzungsschnittstellen von

Feldgeräten durch eine konsistente Schnittstelle subsumiert

werden.

Die Mobilität und der allgegenwärtige Informationszugriff

bergen jedoch auch Gefahren. Im Gegensatz zu

stationären Benutzungsschnittstellen ist der Bedienort

der Benutzer nicht mehr festgelegt, wodurch unter Umständen

die Gefahr einer fehlerhaften Informationsbereitstellung

(beispielsweise Darstellung irrelevanter

Anlageninformationen) wächst. Im schlimmsten Fall

kann sich die zunehmende Informationsdichte auf die

Informationswahrnehmung der Benutzer auswirken und

die Identifikation wichtiger Funktionalitäten beeinträchtigen

(zum Beispiel entfernter Roboterzugriff).

Kontextsensitive Benutzungsschnittstellen, die den

Nutzungskontext in Form des aktuellen Bedienortes der

Benutzer bei der Informationsdarstellung berücksichtigen,

sind eine Möglichkeit, diesem Problem zu begegnen.

Jedoch ergeben sich aus der Entwicklung solch mobiler,

kontextsensitiver Benutzungsschnittstellen für die Entwickler

neue Herausforderungen. So muss bereits bei der

Gestaltung dieser Schnittstelle der spätere Nutzungskontext

der Benutzer erfasst und die Adaptionen der Benutzungsschnittstelle

formal spezifiziert werden. In den

folgenden Abschnitten wird eine modellgetriebene Entwicklungsmethodik

vorgestellt, welche kontextsensitive

und laufzeitadaptive Benutzungsschnittstellen systematisch

unterstützt.

1. INFORMATIONSFILTERUNG MITHILFE DES BEDIENORTS

In den letzten zehn Jahren wurde eine Vielzahl kontextsensitiver

Benutzungsschnittstellen vorgestellt, die die

Benutzer durch eine intelligente Informationsdarstellung

unterstützen. Eine populäre Ausprägung solcher

kontextsensitiver Schnittstellen ist die dynamische Anpassung

der Sortierreihenfolge von Menüeinträgen, zum

Beispiel anhand derer Aufrufhäufigkeiten [1] oder die

dynamische Anpassung der Größe von Interaktionsobjekten

der Benutzungsschnittstelle (beispielsweise Ribbon-Bar

in Microsoft Office). Neben der Anpassung der

Präsentationsaspekte wurde in verschiedenen Arbeiten

die Benutzungsunterstützung mittels einer dynamischen

Anpassung der Funktions- und Informationsdarstellung

untersucht [2].

In ambient-intelligenten Produktionsumgebungen, wie

der SmartFactory-KL [13], lassen sich ebenfalls Adaptionen

einsetzen, um die Sicherheit und Gebrauchstauglichkeit

von mobilen, universellen Benutzungsschnittstellen

zu steigern. So können mit Lokalisierungssystemen

Interaktionszonen definiert werden, in denen den

Benutzern die für ihre Aufgaben relevanten Informationen

eingeblendet und weniger relevante Informationen

ausgeblendet werden [3, 4]. Weiterhin lassen sich so auch

Wirkbereiche definieren, in denen bestimmte Funktionen

den Benutzern zugänglich gemacht werden. Die

Wirkbereichsbegrenzung stellt sicher, dass sicherheitskritische

Funktionen (zum Beispiel Roboterinteraktionen)

nur von einem als sicher definierten Ort ausgeführt

werden dürfen, siehe Bild 1.

Für die Erfassung der Ortsinformationen in industriellen

Umgebungen wurden in den vergangenen Jahren

unterschiedliche Technologien und Architekturen vorgestellt,

deren Vor- und Nachteile in anderen Vorarbeiten

näher betrachtet wurden [15, 5]. Während die Kontextbeschreibung

und Bereitstellung der Ortsinformationen

mittels eines offenen Lokalisierungssystems die Grundlage

für die Umsetzung einer kontextsensitiven Benutzungsschnittstelle

darstellt, ist es weiterhin notwendig,

die Auswirkungen des Nutzungskontextes auf die Be-

atp edition

3 / 2013

51


HAUPTBEITRAG

nutzungsschnittstelle spezifizieren zu können. Da diese

Anpassungen zur Laufzeit der Benutzungsschnittstelle

durchgeführt werden, bedarf es einer Architektur, die

den Entwicklern die Beschreibung der Kontextauswirkungen

auf die Gestaltungsaspekte ermöglicht.

2. ARCHITEKTUR

Um die Entwickler bei der Spezifikation der kontextsensitiven

Benutzungsschnittstelle zu unterstützen, wurde

eine Modellierungsarchitektur entwickelt, die die Beschreibung

der verschiedenen Schnittstellenaspekte

(Präsentations-, Verhaltens- und Adaptionsaspekte) in

getrennten Modellen ermöglicht. Während in früheren

Entwicklungsansätzen raumbasierte Benutzungsmodelle

(RUM) [3, 6] als Grundlage für die Modellierung eingesetzt

wurden, zeigten Evaluierungen mit einem Testsystem,

dass diese eine ungenügende Unterstützung bei

der Gestaltung der Benutzungsschnittstelle bieten. Defizite

des Ansatzes waren beispielsweise, dass die Präsentation

und das (Adaptions-)Verhalten der Benutzungsschnittstelle

nur implizit beschrieben werden konnten,

was die Gestaltungsflexibilität einschränkte und zur

Generierung von Schnittstellen mit einer geringen Gebrauchstauglichkeit

führte [7].

Um diese Defizite zu adressieren, wurde eine Modellierungsarchitektur

entwickelt, die sich am Cameleon

Referenzframework (CRF) [8] orientiert. Mit dem CRF

wird eine zur Model-Driven-Architecture (MDA)-konforme

Vorgehensweise für die plattformunabhängige Entwicklung

von Benutzungsschnittstellen definiert, welche

die unterschiedlichen Schnittstellenaspekte auf vier

Abstraktionsebenen in expliziten Modellen getrennt

voneinander beschreibt. Diese werden wiederum mithilfe

von Transformationen und Abbildungen schrittweise

ineinander überführt und verfeinert.

Das Ergebnis dieser Anpassung ist die in Bild 2 dargestellte

Modellierungsarchitektur für die Entwicklung

kontextsensitiver Benutzungsschnittstellen, die sich aus

den ausgelagerten Analyse-, Anlagen- und Kontextmodellen

sowie drei Laufzeitmodellen zusammensetzt [4].

Die Analysemodelle dienen der informellen und semiformalen

Dokumentation der Nutzungsanforderungen,

die beispielsweise eine aufgabenorientierte Sicht auf die

zu entwickelnde Benutzungsschnittstelle geben.

BILD 1: Darstellung einer Wirkbereichseingrenzung

mittels Interaktionszonen

BILD 2: SmartMote-Modellierungsarchitektur

für die Entwicklung kontextsensitiver

Benutzungsschnittstellen

BILD 3: Struktur des

useDM-Meta-Modells

52

atp edition

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Neben den Analysemodellen zeichnet sich die Architektur

zusätzlich durch die Integration eines expliziten,

extern beschriebenen Funktionsmodells aus, das die von

den Feldgeräten und Maschinen bereitgestellten Dienste

und Funktionen definiert. Das ausgelagerte Kontextmodell

hingegen definiert den Nutzungskontext in Form

von Interaktionszonen, in denen sich der Benutzer bewegt,

welche durch einen Interpretation Server [5] zur

Laufzeit zur Verfügung gestellt werden.

Die Laufzeitmodelle repräsentieren den Kern der Architektur

und beschreiben die Benutzungsschnittstelle

konform zum CRF mittels eines abstrakten und konkreten

Benutzungsschnittstellenmodells sowie eines expliziten

Adaptionsmodells.

2.1 Das abstrakte Benutzungsschnittstellenmodell

Das abstrakte Benutzungsschnittstellenmodell (AUI-

Modell) dient der modalitätenunabhängigen Interaktionsbeschreibung

zwischen dem Benutzer und der Benutzungsschnittstelle.

Für die Spezifikation der AUI

wurde die XML-basierte Useware Dialog Modeling Language

(useDM) [4] eingeführt. Die Entwicklung der Sprache

baut auf den Kernkonzepten der Dialog and Interface

Specification Language (DISL) [10] auf und erweitert

diese für eine effektive Beschreibung von kontextsensitiven

Benutzungsschnittstellen.

Für die Beschreibung der statischen Benutzungsschnittstellenstruktur

und der Präsentationsaspekte

dienen in useDM Dialoge, deren Inhalt durch sechs abstrakte,

modalitätenunabhängige Interaktionsobjekte

beschrieben werden kann (vergleiche Bild 3). Die fünf

abstrakten Interaktionsobjekte (Elemente Input, Output,

Change, Select und Trigger) basieren dabei auf den elementaren

Benutzungsobjekten von useML [3, 9], die den

atomaren, modalitätenunabhängigen Informationsaustausch

zwischen dem Benutzer und der Maschine repräsentieren.

Das Container-Element dient zusätzlich der

Gruppierung und hierarchischen Strukturierung der

abstrakten Interaktionsobjekte und ermöglicht es so, den

untergeordneten Elementen eine weitere Bedeutung zuzuordnen.

So können beispielsweise Navigationsobjekte

in einem Container gruppiert und mittels einer Abbildungsregel

auf ein konsistentes Layout in der konkreten

Benutzungsschnittstelle abgebildet werden.

Während das Präsentationsmodell die Spezifikation

der statischen Benutzungsschnittstellenaspekte wie

Struktur und Inhalt erlaubt, dient das Dialogmodell zur

Beschreibung der dynamischen Aspekte. Hierzu steht in

useDM ein Event-Condition-Action (ECA)-basiertes Dialogmodell

zur Verfügung. Das Behavior-Element erlaubt

die Spezifikation von globalen Variablen und Bedingungen,

die in Transitionen referenziert werden können.

Transitionen stellen den Kern der Verhaltensbeschreibung

dar. Mit diesen Elementen lassen sich komplexe

Benutzungsschnittstellenverhalten mittels vier verschiedener

Aktions-Typen beschreiben.

Das Call-Element dient der Verknüpfung der Benutzungsschnittstelle

mit den Feldgeräte- und Maschinenfunktionen,

deren Anbindung im Funktionsmodell der

Architektur implementiert sind und durch Schnittstellen

in der Architektur bereitgestellt werden.

Das Statement-Element erlaubt die Anpassung von

Attribut-Werten der abstrakten Interaktionsobjekte des

Präsentationsmodells (zum Beispiel Titel eines abstrakten

Interaktionsobjekts) sowie von Variablenwerten des

Dialogmodells.

Das Navigation-Element ermöglicht die Spezifikation

absoluter und relativer Dialogwechsel der Benutzungsschnittstelle.

Die absolute Navigation dient dabei der Spezifikation

von gezielten Dialogaufrufen und wird mit dem

Absolute-Navigation-Element spezifiziert. Der aufzurufende

Zieldialog wird durch seine eindeutige ID angegeben.

Die relative Navigation hingegen dient der Spezifikation

von generischen Dialogaufrufen, die sich aus der

aktuellen Dialogordnung ergeben und mittels definierter

Symbole umgesetzt werden (beispielsweise next, parent).

Das Restructure-Element bildet die Grundlage für die

Implementierung von Strukturänderungen im Präsentationsmodell

der abstrakten Benutzungsschnittstelle. So

erlaubt das Element die dynamische Einbindung von

zuvor definierten Templates, die wiederverwendbare UI-

Strukturen beschreiben.

Der in Bild 4 dargestellte useDM-Modell-Ausschnitt

beschreibt einen einfachen Dialog für ein Platinen-Magazin,

in dem der Benutzer über das Element pcbStatus

informiert wird, ob eine Platine ausgeworfen wurde.

Über das Element pcbEject kann der Benutzer die Funktion

zum Auswerfen einer Platine auslösen, die über das

Call-Element in der Verhaltensbeschreibung mit der entsprechenden

Funktion des Funktionsmodells verknüpft

ist. Die Navigation zu weiteren Dialogen ist über die Elemente

homeDialog und nextModule und ihre relativen

Navigationen in der Verhaltensbeschreibung abgebildet.

2.2 Das konkrete Benutzungsschnittstellenmodell

Nach der Definition der abstrakten Benutzungsschnittstelle

gilt es, die in der abstrakten Schnittstelle definierten

Informationen und Funktionen in eine Zielmodalität

abzubilden und zu verfeinern. Hierzu dient nach dem

CRF das konkrete Benutzungsschnittstellenmodell (CUI-

Modell), welches die Schnittstelle in einer bestimmten

Zielmodalität (zum Beispiel grafische oder sprachbasierte

Benutzungsschnittstelle), jedoch möglichst unabhängig

von der späteren Zielplattform, beschreibt. Für ein

grafisches CUI-Modell bedeutet dies zum Beispiel, dass

die abstrakten Interaktionsobjekte des AUI-Modells auf

konkrete Interaktionsobjekte abgebildet (beispielsweise

ein Trigger-Element auf ein Button-Element) sowie in

einem Layout angeordnet werden müssen. Die CUI kann

dann zusätzlich um weitere Feingestaltungsaspekte (wie

Farbgestaltung, Bilder) verfeinert werden.

Für die plattformunabhängige Beschreibung der grafischen,

konkreten Benutzungsschnittstelle wird in der

vorgestellten Modellierungsarchitektur die User Interface

Markup Language 4.0 (UIML) [14] eingesetzt.

Da die konkrete Benutzungsschnittstelle, im Gegensatz

zu den in anderen Arbeiten vorgestellten Architekturen,

lediglich die Gestaltungsaspekte der im AUI-Mo-

atp edition

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53


HAUPTBEITRAG

BILD 6: Ausschnitt aus einem Adaptionsmodell

BILD 4: Ausschnitt aus einem useDM-Modell

BILD 5: Ausschnitt aus einem CUI-Modell

BILD 7: Ausschnitt der generierten, kontextsensitiven

SmartMote-Benutzungsschnittstelle

dell definierten Informationsarchitektur spezifiziert,

musste die Sprache um einen zusätzlichen Abbildungsmechanismus

erweitert werden, der eine Abbildung der

abstrakten Interaktionsobjekte des AUI-Modells auf die

konkreten Interaktionsobjekte im CUI-Modell erlaubt.

In Bild 5 ist eine Aufbereitungsregel für ein Container-

Element mit der ID dialog_info eines useDM-Modells

spezifiziert. Für alle useDM-Elemente, auf die diese Regel

zutrifft, wird der im Effect-Abschnitt spezifizierte

UIML-Ausschnitt angewandt und in ein globales UIML-

Dokument eingefügt, welches abschließend von einem

UIML-Renderer interpretiert wird.

Diese Verknüpfung der Elemente ist notwendig, um

eine redundanzfreie Verfeinerung der Elemente des AUI-

Modells zu gewährleisten. Durch diese Erweiterung der

Sprache lässt sich die konkrete Benutzungsschnittstelle

zur Laufzeit aus dem zugrunde liegenden AUI-Modell

erzeugen und anschließend interpretieren.

2.3 Das Adaptionsmodell

Für die Beschreibung der Laufzeitanpassung der Benutzungsschnittstelle

dient ein eigens entwickeltes Adapti-

54

atp edition

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onsmodell [4], das das durch den Interpretation-Server

bereitgestellte, assoziierte Kontextmodell mit dem AUIund

CUI-Modell in Form von Adaptionsregeln verknüpft.

Durch die Verknüpfung mit dem AUI- und CUI-Modell

können Adaptionen auf unterschiedlichem Abstraktionsniveau

beschrieben werden. So wirken sich modalitätenunabhängige

Adaptionsregeln, die der situationsgerechten

Informationsanzeige dienen, auf das AUI-Modell

aus, während modalitätenspezifische Adaptionsregeln,

die einen Einfluss auf die Informationsaufbereitung (zum

Beispiel Farbe, Größe, Layout) haben, sich auf das CUI-

Modell auswirken.

Die in Bild 6 dargestellte Adaptionsregel beschreibt

einen Warnhinweis des Benutzers, wenn er einen Gefahrenbereich,

beispielsweise des Roboters, betritt. Tritt der

Benutzer in die Interaktionszone Hazardous Interaction

Zone ein, so werden die Hintergrundfarbe und der Text

des Ausgabe-Interaktionsobjekts Current_IAZ des CUI-

Modells angepasst.

Während jedes der drei Kernmodelle einen Teilaspekt

der Benutzungsschnittstelle beschreibt, ergeben diese in

ihrer Gesamtheit die kontextsensitive Benutzungsschnittstelle,

die zur Laufzeit adaptiert wird. Für die

Erzeugung der finalen Benutzungsschnittstelle bedarf es

weiterhin eines Modellinterpreters, der im nächsten Abschnitt

vorgestellt wird.

3. SMARTMOTE-RENDERER

Für die Demonstration der zuvor vorgestellten Modellierungsarchitektur

wurde der prototypische SmartMote-

Renderer [11], entwickelt, welcher die Generierung einer

laufzeitadaptiven Benutzungsschnittstelle unterstützt.

Als Anwendungsfall der Architektur wurde eine kontextsensitive

Benutzungsschnittstelle für den durch das

Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz

(DFKI) sowie weitere Forschungspartner auf der Hannover

Messe 2012 vorgestellten Systemdemonstrator eines

cyber-physischen Produktionssystems [12] entwickelt.

Dieser setzt sich aus vier Modulen zusammen, die die

automatisierte Fertigung und Montage eines kundenindividuellen,

intelligenten Key-Finders demonstrieren.

Um die Kernaspekte der kontextsensitiven Benutzungsschnittstelle

in den Vordergrund zu stellen, wurde die

Interaktion mit dem Kommissionier- und Montagemodul

fokussiert, welche die Bauteile des Key-Finders mit einem

Roboter handhaben und automatisiert montieren.

Für die situationsgerechte Informationsbereitstellung

wurden um die beiden Systemmodule Interaktionszonen

definiert, in denen die Benutzungsschnittstelle jeweils

die entsprechenden Informationen für das Modul aufruft,

in dessen Wirkbereich sich der Benutzer befindet.

Als Ergebnis der Modellierung der Benutzungsschnittstelle

ergeben sich unter anderem die in Bild 7 dargestellten

Dialoge Montagemodul-Dialog und Kommissioniermodul-Dialog.

Für die Unterstützung des Benutzers wurde eine dynamische

Navigation zwischen den Dialogen Montagemodul-Dialog

und Kommissioniermodul-Dialog umgesetzt,

bei der die Dialoge in Abhängigkeit zu der aktuell

REFERENZEN

[1] Malinowski, U., Kühme, T., Dieterich, H., Schneider-Hufschmidt, M.:

Computer-Aided Adaptation of User Interfaces with Menus and Dialog

Boxes. In: Salvendy, G., Smith, M.J. (Hrsg.) Proc. 5th Int. Conf. Human-

Computer Interaction, S. 122-127. Elsevier, 1993

[2] Vanderdonckt, J., Calvary, G., Coutaz, J., Stanciulescu, A.: Multimodality

for Plastic User Interfaces: Models, Methods, and Principles. In:

Tzovaras, D. (Hrsg.) Multimodal User Interfaces. From Signals to

Interaction, S. 61-84. Berlin, Springer 2008

[3] Görlich, D., Breiner, K.: Intelligent Task-oriented User Interfaces in

Production Environments. In: Goetz Botterweck (Hrsg.) Proc. Workshop

Model-Driven User-Centric Design & Engineering (MDUCDE'07), 10th

IFAC/IFIP/IFORS/IEA Symposium on Analysis, Design, and Evaluation of

Human-Machine-Systems, CEUR-WS.org 2007

[4] Seissler, M., Meixner, G., Breiner, K.: SmartMote – A run-time adaptive

universal control device for ambient intelligent production environments.

2012: http://www.w3.org/wiki/images/0/06/2012-02-09_Smart-

Mote_Architecture_useML_useDM.pdf

[5] Stephan, P.: Entwicklung einer Referenzarchitektur zur Nutzung

semantisch interpretierter Ortsinformationen am Beispiel der

Instandhaltung. Dissertation TU Kaiserslautern, 2012

[6] Breiner, K., Görlich, D., Maschino, O., Meixner, G., Zühlke, D.: Run-Time

Adaptation of a Universal User Interface for Ambient Intelligent

Production Environments. In: Jacko, J.A. (Hrsg.) Proc. 13th Int. Conf.

Human-Computer Interaction. Part IV: Interacting in Various Application

Domains, S. 663-672. Berlin, Springer 2009

[7] Seissler, M., Meixner, G., Breiner, K.: Using HCI Patterns within the

Model-Based Development of Run-Time Adaptive User Interfaces. In:

Vanderhaegen, F. (Hrsg.) Proc. 11th IFAC/IFIPS/IFORS/IEA Symposium

on Analysis, Design, and Evaluation of Human-Machine Systems, S.

477-482. IFAC-PapersOnline 2010.

[8] Calvary, G., Coutaz, J., Thevenin, D., Limbourg, Q., Bouillon, L.,

Vanderdonckt, J.: A Unifying Reference Framework for multi-target

user interfaces. Interacting with Computers. 15(3) S. 289-308, 2003

[9] Meixner, G.: Entwicklung einer modellbasierten Architektur für

multimodale Benutzungsschnittstellen. Dissertation TU Kaiserslautern,

2010

[10] Müller, W., Schäfer, R., Bleul, S.: Interactive Multimodal User Interfaces

for Mobile Devices. In: Costabile, M.F. (Hrsg.) Proc. 37th Annual Hawaii

Int. Conf. System Sciences (HICSS'04), 2004. doi:10.1109/

HICSS.2004.1265674

[11] Seissler, M., Breiner, K., Diebold, P., Wiehr, C., Meixner, G.: SmartMote

- Ein HCI-Pattern-basiertes universelles Bediengerät für intelligente

Produktionsumgebungen. In: Tagungsband USEWARE 2010, S. 59-66.

Düsseldorf, VDI-Verlag 2010

[12] Schlick, J., Stephan, P.: Die vierte industrielle Revolution wird kommen,

2012: http://www.konstruktion.de/topstory/die-vierte-industriellerevolution-wird-kommen/

[13] SmartFactoryKL e.V. – The intelligent factory of the future: http://www.

SmartFactory.de

[14] OASIS: User Interface Markup Language (UIML) Version 4.0 – Committee

Draft, 23.01.2008: https://www.oasis-open.org/committees/

download.php/28457/uiml-4.0-cd01.pdf

[15] Stephan, P., Heck, I., Kraus, P., Frey, G.: Evaluation of Indoor Positioning

Technologies under industrial application conditions in the SmartFactoryKL

based on EN ISO 9283. In: Proc. 13th IFAC Symposium on

Information Control Problems in Manufacturing (INCOM 09), S. 870-875.

IFAC-PapersOnline 2009

atp edition

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HAUPTBEITRAG

betretenen Interaktionszone automatisch aufgerufen

werden und so der manuelle Navigationsaufwand reduziert

wird. Zusätzliche Adaptionsregeln spezifizieren die

Aktivierung und Deaktivierung von sicherheitskritischen

Funktionen abhängig vom Interaktionsbereich des

Benutzers. So deaktiviert die Benutzungsschnittstelle

zum Beispiel die Funktionen zur manuellen Steuerung

des Roboters im Kommissioniermodul-Dialog, wenn der

Benutzer die Interaktionszone sicher verlässt und keine

Sicht auf den Roboter hat (siehe Bild 7).

Die konkreten Adaptionsregeln dienen zusätzlich

dazu, die Präsentationsaspekte der grafischen Benutzungsschnittstelle

zur Laufzeit anzupassen. Durch die

Anpassung des Farbschemas kann die Aufmerksamkeit

des Benutzers gezielt gesteuert und beispielsweise auf

sich ändernde Umgebungseigenschaften, die einen Effekt

auf die Benutzungsschnittstelle haben, hingewiesen werden.

Im hier präsentierten Anwendungsfall dient die

dynamische Anzeige der aktuell aktiven Interaktionszone

mittels eines Farbschemas der direkten Informationsrückkopplung,

an welchem Ort sich der Benutzer in der

Anlage gerade befindet. Dadurch werden Adaptionen,

wie zum Beispiel der Dialogwechsel beziehungsweise

das De-/Aktivieren von Interaktionsobjekten für den Benutzer

besser ersichtlich und es kann leichter nachvollzogen

werden, wann welche Funktionen ausführbar sind

und wann die Adaptionen durchgeführt werden.

ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK

In diesem Beitrag wurde eine Modellierungsarchitektur

für die Entwicklung kontextsensitiver, universeller Benutzungsschnittstellen

für die Unterstützung der mobilen

Instandhaltung in ambient-intelligenten Produktionsumgebungen

vorgestellt. Durch die drei Kernmodelle,

die die getrennte Beschreibung der Präsentations- und

Adaptions-Verhaltensaspekte der Benutzungsschnittstelle

erlauben, wird eine systematische Modellierung von

kontextsensitiven Benutzungsschnittstellen für die Unterstützung

der mobilen Instandhaltung möglich. Als

Machbarkeitsstudie wurde der SmartMote-Renderer

entwickelt, der aus diesen drei Modellen zur Laufzeit die

kontextsensitive Benutzungsschnittstelle generiert.

Um den Benutzern zukünftig eine umfassendere Unterstützung

bei der Durchführung von Instandhaltungsaufgaben

zu bieten, eignet sich neben der reinen

Betrachtung des Bedienortes die Berücksichtigung weiterer

Kontexte bei der Informationsaufbereitung. So

lässt sich eine feingranularere Erfassung der Benutzungssituation

(zum Beispiel in Form des Anlagenzustandes)

zu einer Darstellung von präventiven Warnhinweisen

nutzen. Um die Anwendbarkeit des Ansatzes

sicherzustellen, bedarf es zudem einer stärkeren Berücksichtigung

von Sicherheitsaspekten, wie der Authentifizierung

der Benutzer.

DANKSAGUNG

MANUSKRIPTEINGANG

31.10.2012

Im Peer-Review-Verfahren begutachtet

Die dargestellten Ergebnisse wurden im Forschungsprojekt

„Generierung aufgabenorientierter

Benutzungsschnittstellen für intelligente Produktionsumgebungen“

(GaBi) entwickelt, welches von der

Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) unter

den Geschäftszeichen ZU 79/16-1 und -2 sowie

RO 3343/1-1 und -2 finanziert wurde.

AUTOREN

Dipl.-Inf. MARC SEISSLER

(geb. 1985) studierte Angewandte

Informatik an der

TU Kaiserslautern. Seit 2009

forscht er als Wissenschaftlicher

Mitarbeiter an der

TU Kaiserslautern sowie als

Researcher am DFKI an der

modellbasierten Entwicklung

von intelligenten Benutzungsschnittstellen

in smarten Produktionsumgebungen.

Deutsches Forschungszentrum

für Künstliche Intelligenz,

Trippstadter Str. 122, D-67663 Kaiserslautern,

Tel. +49 (0) 631 205 75 51 39,

E-Mail: marc.seissler@dfki.de

Dipl.-Inf. KAI BREINER

(geb. 1980) arbeitete von

2006 bis 2012 als wissenschaft

licher Mitarbeiter an

der TU Kaiserslautern.

2012 reichte er seine

Dissertation zum Thema

„Benutzungs inter aktion-

Forensik“ an der TU Kaiserslautern

ein. Seit 2012 arbeitet er als wissenschaftlicher

Mitarbeiter am Fraunhofer IESE.

Fraunhofer-Institut

für Experimentelles Software Engineering (IESE),

Fraunhofer-Platz 1, D-67663 Kaiserslautern,

Tel. +49 (0) 631 68 00 22 79,

E-Mail: kai.breiner@iese.fraunhofer.de

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Herausforderung

Automatisierungstechnik

Mit dem atp-award werden zwei Autoren der atp edition

für hervorragende Beiträge ausgezeichnet. Ziel dieser

Initiative ist es, Wissenschaftler und Praktiker der

Automatisierungstechnik anzuregen, ihre Ergebnisse

und Erfahrungen in Veröffentlichungen zu fassen und

die Wissenstransparenz in der Automatisierungstechnik

zu fördern.

Teilnehmen kann jeder Autor der zum Zeitpunkt

der Veröffentlichung nicht älter als 35 Jahre ist. Nach

Veröffentlichung eines Beitrags ist der Autor, wenn er

die Bedingung erfüllt, automatisch im Pool. Die Auswahl

des Gewinners übernimmt die atp-Fachredaktion.

Derjenige Autor, der im Autorenteam der jüngste ist,

erhält stellvertretend für alle Autoren die Auszeichnung.

Der Preis wird in zwei Kategorien ausgelobt:

Industrie und Hochschule. Die Kategorien ermittlung

ergibt sich aus der in dem Beitrag angegebenen Adresse

des jüngsten Autors.

Veröffentlichungen – Beitrag zum Wissenspool

im Fachgebiet Automatisierungstechnik

Die Entwicklung eines Wissensgebietes erfolgt durch

einen kooperativen Prozess zwischen wissenschaftlicher

Grundlagenforschung, Konzept- und Lösungsentwicklung

und Anwendung in der Praxis. Ein solcher

Prozess bedarf einer gemeinsamen Informationsplattform.

Veröffentlichungen sind die essentielle Basis

eines solchen Informationspools.

Der atp-award fördert den wissenschaftlichen Austausch

im dynamischen Feld der Automationstechnik.

Nachwuchsingenieure sollen gezielt ihre Forschungen

präsentieren können und so leichter den Zugang zur

Community erhalten. Der Preis ist mit einer Prämie

von jeweils 2000 € dotiert.

Die Auswahl erfolgt in zwei Stufen:

Voraussetzung für die Teilnahme ist die Veröffentlichung

des Beitrags in der atp edition. Jeder Aufsatz,

der als Hauptbeitrag für die atp edition eingereicht

wird, durchläuft das Peer-Review-Verfahren. Die

letzte Entscheidung zur Veröffentlichung liegt beim

Chefredakteur. Wird ein Beitrag veröffentlicht, kommt

er automatisch in den Pool der atp-award-Bewerber,

vorausgesetzt einer der Autoren ist zum Zeitpunkt

der Veröffentlichung nicht älter als 35 Jahre. Ausgezeichnet

wird der jüngste Autor stellvertretend für alle

Autoren der Gruppe. Eine Jury aus Vertretern der atp-

Fachredaktion und des -Beirats ermittelt schließlich

den Gewinner in den jeweiligen Kategorien Hochschule

und Industrie. Der Rechtsweg ist ausgeschlossen.

Beiträge richten Sie bitte an:

Prof. Dr.-Ing. Leon Urbas

Chefredakteur

c/o Technische Universität Dresden

Institut für Automatisierungstechnik

Professur für Prozessleittechnik

01062 Dresden

Tel. +49 351 463-39614, Fax -39681

M +49 177 466-5201

E-Mail: urbas@di-verlag.de

Beachten Sie die Autorenhinweise der atp edition

für Hauptbeiträge unter folgendem Link:

http://www.atp-online.de

Vom Wettbewerb ausgeschlossen sind Mitarbeiter des Deutschen Industrieverlags. Wird ein Beitrag von mehreren Autoren eingereicht, gelten die Bedingungen für den Erstautor. Der Preis

als ideeller Wert geht in diesem Fall an die gesamte Autorengruppe, die Dotierung geht jedoch exklusiv an den jüngsten Autor. Grundlage der Teilnahme am Wettbewerb ist die Einsendung

eines Hauptaufsatz-Manuskriptes an die atp-Chefredaktion.

www.atp-online.de


HAUPTBEITRAG

Smartphones und Tablets in

der industriellen Produktion

Nutzerfreundliche Bedienung von Feldgeräten

Die zunehmende Komplexität von flexiblen Produktionssystemen in der wandlungsfähigen

Fabrik der Zukunft stellt neue Herausforderungen an die sichere und intuitive Bedienung

heutiger Produktionssysteme. Dabei führt der Trend weg von stationären hin zu

mobilen, universellen Bediengeräten. Smartphones und Tablets haben sich zu multimedialen

Alleskönnern entwickelt und halten zunehmend Einzug in die industrielle Produktion.

Bei der initialen Inbetriebnahme oder Parametrisierung können die Vorteile

solcher mobiler Bediensysteme voll ausgeschöpft werden. In diesem Beitrag wird ein

Ansatz aufgezeigt, wie sich mittels mobiler Bediengeräte des Konsumgütermarkts eine

signifikante Verbesserung hinsichtlich der Gebrauchstauglichkeit und Anwenderakzeptanz

gegenüber konventionellen Bediensystemen erreichen lässt. Das generische Konzept

zur nutzerzentrierten Erstkommunikation zwischen industriellen Feldgeräten und mobilen

Endgeräten wurde am DFKI entwickelt, in verschiedenen Demonstratoren umgesetzt

und unter realitätsnahen Bedingungen in der SmartFactory-KL evaluiert.

SCHLAGWÖRTER Mobile Bediensysteme / nutzerfreundliche Erstkommunikation /

generische Geräteidentifikation / ubiquitous manufacturing

Smart phones and tablets in industrial production –

User-friendly operation of field devices

The increasing complexity of flexible production systems in the factory of the future

presents new challenges for a secure and intuitive operation of production systems. There

is a trend towards using universal mobile devices in the field of industrial production.

As multimedia-based all-rounders, devices such as smartphones and tablets offer significant

advantages compared to conventional devices, particularly during communication

initiation. A concept is presented for user-friendly communication initiation to reach

better usability and acceptance. This generic concept was developed by the German Research

Centre for Artificial Intelligence, implemented in several demonstrators, and evaluated

in the SmartFactory-KL.

KEYWORDS mobile devices / user-friendly communication initiation /

generic device identification / ubiquitous manufacturing

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MATHIAS SCHMITT, DETLEF ZÜHLKE, Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI), Kaiserslautern

Stationäre und proprietäre Bediensysteme beherrschen

derzeit den Markt bei industriellen

Anlagen. Jede Maschine besitzt ein eigenes auf

sie zugeschnittenes System mit oftmals herstellerspezifischen

Benutzungs- und Kommunikationsschnittstellen

sowie Bedienphilosophien. Da dem

Anwender keine einheitliche und universelle Schnittstelle

zur Verfügung steht, gibt es das Problem der Anbindung

des Bediengerätes an das Feldgerät. Mit der Anzahl

der Varianten von Bediengeräten steigt der Schulungs-

und Einarbeitungsaufwand der Nutzer für die

einzelnen Maschinen und die Gefahr von Fehlbedienungen.

Zudem kann der Ausfall eines Bediengerätes zum

unvermeidlichen Komplettausfall der jeweiligen Maschine

und gegebenenfalls zu erheblichen Einschränkungen

in der gesamten Produktionskette führen.

Seit einiger Zeit lässt sich jedoch im Bereich der industriellen

Bedienung ein Wandel erkennen. Der Trend

führt weg von stationären hin zu mobilen, universellen

Bediengeräten, die zunächst nur als Ergänzungen zu

stationären Lösungen eingesetzt wurden [5, 6]. Einen

Ansatz, um die Bedienkomplexität für den Menschen

signifikant zu reduzieren, stellt dabei der Transfer moderner

Informations- und Kommunikationstechnologien

(IKT) aus dem Konsumgütermarkt in die Fabrikwelt dar.

Dabei können moderne IKT, wie mobile Bediengeräte

und Funktechnologien, als eine der wichtigsten Schlüsselfaktoren

für die zukünftige Entwicklung der Produktionsautomatisierung

angesehen werden [4].

1. POTENZIALE MOBILER INTERAKTIONSSYSTEME

Einheitliche und universelle Bediensysteme lassen sich

zur Steuerung einer Vielzahl von Maschinen und Anlagen

nutzen ohne dass der Anwender die Bedienhardware

wechseln muss. Die Flexibilität und der hohe Sicherheitsstandard

ermöglichen eine effiziente Inbetriebnahme,

Steuerung und Wartung der Anlage sowie der Maschinenteile

[13, 18]. Neben den benötigten Ressourcen der

bedienten Maschine, wie beispielsweise die Benutzungsschnittstellen,

kann auch der Energiebedarf und die Anzahl

der Fehlbedienungen durch Vereinheitlichung vermindert

werden. Ein weiterer Vorteil solcher Bediensysteme

besteht in der verbesserten Ergonomie, welche

durch die Mobilität erreicht wird. Durch den Einsatz von

Funktechnologien, zum Beispiel Bluetooth, WLAN oder

ZigBee, als Schnittstelle zwischen Bediengerät und Anlage

kann eine Ortsungebundenheit erreicht werden [12].

Aufgrund der Mobilität und der universellen Einsetzbarkeit

können diese Bediengeräte von einem beliebigen Ort

aus verschiedene Maschinen in der Anlage ansteuern [6].

1.1 Transfer aus dem Konsumgütermarkt in die Industrie

Im Zusammenhang mit der zunehmenden Mobilität der

Nutzer und des Erfolgs heutiger mobiler, interaktiver Systeme

im Konsumgüterbereich, stellt die Verwendung mobiler

Interaktionssysteme einen vielversprechenden Lösungsansatz

für die Mensch-Maschine-Interaktion in der

Industrie dar. Die Etablierung und Verbreitung von persönlichen,

mobilen Geräten im Konsumgütermarkt führt

dazu, dass die Akzeptanz solcher Geräte für den industriellen

Einsatz steigt, weil unter anderem dem Anwender

fortlaufend neue Dienste und Möglichkeiten eröffnet werden

[5]. Die Kombination aus modernen Interaktionsparadigmen

(zum Beispiel Multitouch) und die Öffnung der

Interaktionsplattformen für neuartige Drittanwendungen

(zum Beispiel industrielle Apps) bieten dabei die Grundlage

für eine steigende Flexibilität bei der Funktionsbereitstellung.

Zusätzlich ergibt sich eine deutlich höhere

Gebrauchstauglichkeit und Anwenderfreundlichkeit [19].

Eine Neuentwicklung dedizierter, mobiler Geräte- und

Softwareplattformen für den industriellen Einsatz stellt

unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten aufgrund geringer

Absatzmengen und hoher Entwicklungskosten nur

bedingt einen Lösungsansatz dar. Die Adaption und Integration

bestehender Hardware- (zum Beispiel Smartphone,

Tablet) und Software-Technologien (zum Beispiel

Android, IOS, Windows) aus dem Konsumgütermarkt

erweisen sich als vielversprechend, um den Einsatz neu-

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59


HAUPTBEITRAG

artiger Interaktionstechnologien in der Industrie zu ermöglichen.

Die im Konsumgüterbereich etablierten

Technologien und Interaktionskonzepte müssen daher

für den industriellen Einsatz erweitert werden [19].

Funkbasierte Kommunikationstechnologien sind bereits

seit einigen Jahren in der Produktionsautomatisierung

im Einsatz. Hierfür wurden mobile, industrielle

Bediengeräte entwickelt, die am Markt erhältlich sind;

unter anderem das Siemens Simatic Mobile Panel 277

IWLAN oder das UCP 450 von der Firma unipo. Weitverbreitete

Standards wie Radio Frequency Identification

(RFID) und Near Field Communication (NFC) ermöglichen

zudem eine direkte Interaktion mit Feldgeräten

auf der Automatisierungsebene. Demnach sind die

technologischen Voraussetzungen für eine Integration

mobiler Interaktionstechniken in die industrielle Produktion

gegeben [12].

1.2 Herausforderungen im Produktionsumfeld

Neben den genannten Potenzialen ergeben sich neue Herausforderungen,

denen sich diese Bediensysteme im

industriellen Umfeld, zum Beispiel aufgrund ihrer Flexibilität

und Mobilität, stellen müssen [2, 3]. Für den

wirtschaftlichen Einsatz mobiler Bediensysteme muss

eine ad hoc Kommunikation gewährleistet sein. Zum

Beispiel indem der erste, zeitaufwändige Schritt der Konfiguration

durch einen automatischen Kommunikationsaufbau

ersetzt wird. Im Bereich der industriellen Steuerungstechnik

ist dies bislang nicht Stand der Technik.

Die Problematik liegt in der Identifikation des zu bedienenden

Feldgerätes. Anders als bei kabelgebundenen

existiert bei den mobilen Bediensystemen keine physische

Verbindung. Da moderne Feldgeräte oftmals mehr

als eine Schnittstelle besitzen, besteht eine weitere

Schwierigkeit in der Auswahl und Konfiguration einer

geeigneten Kommunikationsschnittstelle.

Ziel ist es, einen generischen Ansatz zu etablieren, der

eine automatisierte Konfiguration und Inbetriebnahme

einer industriellen Kommunikationsschnittstelle unterstützt,

unter Berücksichtigung der Anforderungen eines

universellen Bediengerätes [7].

1.3 Bisherige Forschungsergebnisse

Im Forschungsbereich für Innovative Fabriksysteme des

Deutschen Forschungszentrums für Künstliche Intelligenz

(DFKI) wurde bereits eine Vielzahl an Vorarbeiten

im Bereich der mobilen und universellen Bedienung im

industriellen Umfeld durchgeführt. Entstanden sind realitätsnahe

Demonstratoren, die auf technologisch unterschiedlichen

Wegen den Kommunikationsaufbau und

die Interaktion realisieren [13, 14, 15].

Mobile Bediensysteme für den industriellen Einsatz

unterscheiden sich durch zwei wesentliche Identifikationsprinzipien:

Die erste Gruppe betrachtet konventionelle

Identifikationsmethoden, basierend auf mobilen

Bediengeräten, die speziell für den industriellen Einsatz

entwickelt wurden und auf dem Markt verfügbar sind.

Der Kommunikationsaufbau zwischen dem Bediengerät

und dem zu identifizierenden Feldgerät in der Anlage

wird beispielsweise über die Auswahl aus einer Geräteliste

durch den Anwender initiiert. Die Geräteliste muss

dafür statisch im Bediengerät hinterlegt werden [13].

Eine weitere Möglichkeit ist die skizzenhafte Darstellung

relevanter Anlagenteile über eine grafische Benutzungsschnittstelle.

Die Auswahl der Feldgeräte findet

hierbei über einen berührungssensitiven Bildschirm oder

über Softkeys statt [12]. Für den Datenaustausch werden

funkbasierte Technologien verwendet (Bild 1). Beide Interaktionsprinzipien

sind in der Industrie im Einsatz.

Die zweite Gruppe von Identifikationsprinzipien basiert

auf mobilen Bediengeräten, die aus dem Konsumgüterbereich

stammen. Für die mobile Inbetriebnahme, Parametrisierung

und Steuerung von industriellen Feldgeräten nutzen

Unternehmen gewöhnliche Smartphones und Tablets.

Zur Initiierung eines Kommunikationsaufbaus benötigen

diese Identifikationsmethoden zum Beispiel einen Berührungskontakt

zwischen Bedien- und Feldgerät. Dadurch

wird sichergestellt, dass der Datenaustausch mit dem richtigen

Kommunikationspartner stattfindet. Diese Art von

Berührungskontakt wird auch als Touch-and-Connect-

Prinzip bezeichnet. Zur Realisierung stehen unterschiedliche,

passive Datenspeicher, wie magnetische und elektrische

Identifier zur Verfügung (RFID, NFC, WLAN). Alternativ

dazu lassen sich optische Datenspeicher (1D/2D-Barcode,

QR-Code) verwenden, die mit der im Bediengerät

integrierten Kamera erfasst werden. Dadurch wird ein

ad-hoc-Kommunikationsaufbau unterstützt, ohne dass eine

Vorkonfiguration oder -programmierung notwendig ist.

Die wesentlichen Aspekte der zweiten Methodengruppe

sind die intuitive Identifikation der Feldgeräte, die

automatische Konfiguration der Kommunikationsschnittstelle

sowie die Organisation von Mehrnutzerverhalten

und die sichere Handhabung von N:M-Kommunikationsverbindungen

[1, 7].

2. ANSATZ ZUR INTUITIVEN ERSTKOMMUNIKATION

Der Verbindungsaufbau mittels eines universellen Bediengeräts

zwischen Nutzer und Feldgerät stellt den

ersten Schritt der Interaktion dar. Hierfür muss das zu

verbindende Feldgerät durch das Bediengerät identifiziert

werden. Heute sieht der Ablauf für den Aufbau

einer industriellen Erstkommunikation zu einem Feldgerät

vor, dass der Typ des Feldgeräts anhand Dokumentationen

oder Typenschildern ermittelt, die Konfigurationsparameter

nachgeschlagen und diese Parameter in

die oftmals proprietären Konfigurationsumgebungen

der beiden Kommunikationsparameter eingetragen werden.

Dies geschieht meist textuell über Auswahllisten,

wobei vorkonfigurierte, verfügbare Geräte zur Auswahl

stehen, oder alternativ mittels einer grafischen Darstellung

der Anlage.

Ist die Erstkommunikation aufgebaut, ergeben sich für

den Spezialfall mobiler Bediengeräte weitere Herausforderungen

(zum Beispiel Zugriffsrechte und Mehrnutzerverhalten).

Aufgrund des mobilen Charakters dieser

Geräte ist es einem Nutzer nicht möglich, festzustellen,

ob noch ein weiterer Nutzer mit dem industriellen Feldgerät

verbunden ist. Diese Unsicherheit birgt viele mögliche

Fehlerquellen. Im Fall der simultanen Bedienung

(zum Beispiel Interaktion mit Robotern im Gefahrenbereich)

können sich diese von Produktionsausfällen bis

hin zu Gefahrensituationen erstrecken (Bild 2).

60

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Es hat sich gezeigt, dass ein Informationsdefizit für den

Einsatz von mobilen Bediengeräten zur Kommunikation mit

zuvor unbekannten industriellen Geräten für den Anwendungskontext

einer wandlungsfähigen Fabrik besteht. Die

notwendigen Voraussetzungen müssen geschaffen werden,

um ein mobiles Bediengerät intuitiv und effizient in einer

wandlungsfähigen Fabrikumgebung an zuvor unbekannte,

industrielle Geräte und deren Kontext unter Berücksichtigung

der funktionalen Sicherheit zu adaptieren (Bild 3).

2.1 Konzeptionelle Anforderungen

Der intuitive und sichere Verbindungsaufbau zwischen

Feldgeräten und mobilen Bediengeräten stellt ein wesentliches

Kriterium dar, um die notwendige Akzeptanz von

mobilen Systemen zu erreichen. Deshalb muss die Frage

nach der automatischen Konfiguration der Kommunikationsschnittstelle

beantwortet werden. Dafür müssen

generische Attribute erhoben werden, welche die verschiedenen,

direkten und indirekten Zugangsmöglichkeiten

zu industriellen Feldgeräten, deren Kommunikationsschnittstellen

und zusätzlich den aufgabenspezifischen

Kontext berücksichtigen, wie die Nutzeranforderungen

und das Mehrnutzerverhalten. Auf Grundlage

der erhobenen Attribute lässt sich ein generisches Datenformat

entwickeln, welches den Anforderungen eines

automatischen Kommunikationsaufbaus genügt [7].

Bei der technischen Realisierung gilt es, die beiden

grundlegenden Anforderungen der intuitiven Identifikation

und der automatischen Konfiguration zu einer gemeinsamen

Methode zu überführen: Auf Grundlage des

generischen Datenformats soll ein gerätespezifisches Datenformat

abgeleitet werden, welches im Moment der

Identifikation übertragen wird. Diese Informationen werden

auf passiven Datenspeichern direkt am Feldgerät

hinterlegt. Diese kombinierte Methode wurde in der

SmartFactory-KL umgesetzt und evaluiert.

2.2 Technologischer Ansatz

Kern des Konzeptes zur nutzerfreundlichen Erstkommunikation

zwischen einem stationären Feldgerät und mobilen

Bediengeräten ist ein Referenzmodell, welches alle

für den initialen Kommunikationsaufbau relevanten Informationen

in Form eines passiven Datenspeichers direkt

am Feldgerät hinterlegt [16, 17].

Die Etablierung des generischen Kommunikationsaufbaus

zwischen zwei unbekannten Feldgeräten stellt eine

vielschichtige Herausforderung dar. Es wurde ein Konzept

erarbeitet, welches die wesentlichen Informationen für

den Kommunikationsaufbau zwischen einem industriellen

Feldgerät und einem mobilen Bediengerät zusammenstellt

und dadurch den automatischen Kommunikationsaufbau

ermöglicht.

Konventionell

textuell

Touch-and-

Connect

Touch-and-

Connect

elektronisch

BILD 1: Übersicht

Identifikationsmethoden

mobiler Bediensysteme

grafisch

Touch-and-

Connect

optisch

1. Identifizieren

2. Konfiguration

Schnittstelle und

Kommunikationsaufbau

3. Kommunizieren

BILD 2: Vernetzte Automatisierung und

Einsatz mobiler Bediensysteme [11]

BILD 3: Vorgehensweise zur generischen

Geräteidentifikation mittels Touch and Connect [15]

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61


HAUPTBEITRAG

BILD 4: Universeller Geräte-Identifier

BILD 5: Ermittlung des Kommunikationskontexts [15]

BILD 6: Realisierung in der

SmartFactory-KL

BILD 7:

Exemplarisches

Bewertungsportfolio

der evaluierten

Bediengeräte [20]

Grundlagen digitaler Datenspeicher

Die Kommunikationsschnittstelle sowie das Feldgerät

selbst werden durch das generische Schnittstellenmodell

beschrieben. Hierbei ist es wichtig, alle relevanten

Informationen einzubeziehen. Der Nutzer kann dadurch

identifiziert und die Zugriffsrechte innerhalb eines

Mehrnutzersystems verwaltet werden. Alle Informationen

werden auf einem passiven Datenspeicher hinterlegt,

welcher direkt an dem entsprechenden Feldgerät

angebracht wird.

Die neuen Identifikationsmethoden basieren auf einem

generischen Referenzmodell. Unterschiedliche, passive

Datenspeicher unterstützen einen ad hoc Kommunikationsaufbau,

ohne dass dabei eine Vorkonfiguration oder

-programmierung notwendig ist. Diese Identifikationsmethoden

benötigen lediglich einen physikalischen Verbindungsaufbau

zwischen Bediengerät und dem jeweiligen

Identifier. Es wird zwischen elektrischen und optischen

Identifikationsmethoden unterschieden.

Ein großer Vorteil von Barcodes und RFID- beziehungsweise

NFC-Technik ist, dass Daten oder Informationen

codiert und von einem Lesegerät schnell eingelesen

werden können [9]. Da der Aufbau und die grundsätzliche

Vorgehensweise bei RFID- und NFC-Systemen

identisch sind, findet zwischen den beiden passiven

Datenspeichern keine Differenzierung statt. Im Gegensatz

zur RFID-Technologie muss im Fall der optischen

Datenspeicherung mittels eines Barcodes eine Sichtverbindung

bestehen, um eine Datenübertragung zu initialisieren

(Bild 4).

Optische und elektrische Identsysteme

Optische Identsysteme, wie sie in der Industrie zum Einsatz

kommen, dienen meist zur automatischen Datenspeicherung

und -erfassung. Es gibt eine Vielzahl solcher

Systeme, die sich in ihrer Leistungsfähigkeit und in den

Kosten stark unterscheiden. Altbewährte und kostengünstige

Systeme für die Massenanwendungen im Be-

62

atp edition

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eich der Warenkennzeichnung sind ebenso vorhanden

wie zuverlässige und fälschungssichere Systeme in der

Personenidentifikation [8].

RFID ist wie die 1D-/2D-Codierverfahren für die Erfassung,

Speicherung und Weitergabe von Informationen verwendbar

und ermöglicht mittels eines elektromagnetischen

Feldes [9] eine berührungslose Kommunikation, die keinen

Sichtkontakt erfordert. Informationen werden über dieses

Feld durch den Sender an den Empfänger übertragen [10].

NFC ist ebenfalls eine kontaktlose Technologie zum Austausch

von Daten und Nachrichten über kurze Distanzen.

NFC verwendet bestehende Standards im Bereich von

RFID-Technologien und Chipkarten und basiert somit auf

einer erprobten und ausgereiften Methode. Im Gegensatz

zu Bluetooth oder anderen drahtlosen Kommunikationsnetzwerken

sieht der Einsatz vor, dass jede Aktion mit einer

bewussten Annäherung an ein NFC-Tag verbunden ist und

somit mit einer eindeutigen und willentlichen Zuordnung

[8]. Ein NFC-Tag ist ‐ entsprechend dem RFID-Tag ‐ ein

passiver Datenspeicher, auf dem Daten hinterlegt werden,

die ein NFC-fähiges Smartphone lesen kann.

2.3 Kontextinformationen

Bei der Kommunikation mit einem Feldgerät mittels Smartphone

und Tablet müssen unterschiedlichste Randbedingungen

beachtet werden, bevor eine Bedienung möglich

ist. In der industriellen Praxis werden viele dieser Bedingungen

durch den Maschinenbediener überprüft, und falls

die Voraussetzungen nicht gegeben sind, mit Hilfe seines

Expertenwissens nachträglich bereitgestellt. Ist dieses Expertenwissen

nicht vorhanden, ist eine Bedienung oft nur

mit erhöhtem Zeitaufwand zu realisieren. Ausgehend von

einem automatischen Kommunikationsaufbau mittels eines

mobilen Bediengeräts resultiert die Anforderung, dieses

Wissen formal zu beschreiben (Bild 5).

Nutzerspezifischer Kontext

Die Interaktion mit industriellen Feldgeräten setzt die Berücksichtigung

von unterschiedlichen Nutzerqualifikationen,

Zugriffsrechten der Nutzer und Aufgabenprioritäten

voraus (Wer ist berechtigt eine Aufgabe durchzuführen?).

Die Integrität, Vertraulichkeit und Verfügbarkeit von Informationen

soll sichergestellt werden. Safety und Security

spielen dabei eine übergeordnete Rolle. Die Zugriffsberechtigungen

der verschiedenen Anwender müssen bei Mehrnutzersystemen

zentral geregelt werden (Wie viele Nutzer

dürfen gleichzeitig interagieren?). Dabei werden die Anwender

in Nutzergruppen eingeteilt, denen über Prioritätsklassen

Zugriffsrechte erteilt werden. Die Ausprägungen

der Zugriffsrechte sind unter anderem von der Qualifikation

des Anwenders und der aktuell durchgeführten Aufgabe

abhängig. So hat zum Beispiel ein Wartungstechniker

andere Aufgabenbereiche als der Maschinenführer.

Gerätespezifischer Kontext

Die Konfiguration einer sicheren Kommunikationsschnittstelle

spielt vor allem in Bezug auf eine auszuführende

Aufgabe eine große Rolle (Wie muss eine Kommunikationsschnittstellen

parametrisiert sein?). Dies beinhaltet die

Störsicherheit der Verbindung und die zugesicherten Laufzeiten

der Signale. Für industrielle Feldgeräte bedeutet

dies die Berücksichtigung einer Vielzahl von möglichen

Kommunikationsschnittstellen. Unter der Annahme, dass

ein universelles Bediengerät alle diese Schnittstellen bereitstellen

kann, wurde eine Möglichkeit geschaffen, universelle

Bediengeräte automatisch entsprechend den Anforderungen

der Kommunikationsschnittstelle des Feldgeräts

zu konfigurieren.

Die Frage nach der Aufgabenfreigabe hängt meist von

dem aktuellen Zustand der gesamten Produktionseinheit

ab (Wann darf interagiert werden?). Eine reine Beobachtungsaufgabe

des Nutzers ist bei jedem Anlagenzustand

möglich. Die Änderung von Parametern ist jedoch nur unter

gewissen Randbedingungen und die Bedienung von

sicherheitskritischen Funktionen nur bei Anlagenstillstand

erlaubt, zum Beispiel bei Instandhaltungsarbeiten in

einer Roboterzelle.

2.4 Mehrnutzerverhalten und Rechtevergabe

Durch den mobilen Charakter des universellen Bediengeräts

ist eine Freigabe für einen einzelnen Nutzer nicht

ausreichend. Deshalb wurde eine Mehrnutzerverwaltung

konzipiert, welche den Grundstein legt, um eine simultane

Bedienung industrieller Anlagen zu ermöglichen.

Dazu ist es notwendig, den aktuellen Status bezüglich

der Nutzerinteraktion eines Feldgeräts zu kennen. Durch

die Server-Anmeldung des Nutzers mittels eines universellen

Bediengeräts und der Anfrage auf Freigabe eines

spezifischen Feldgeräts ist lediglich die Information vorhanden,

dass ein Nutzer ein Gerät durch sein universelles

Bediengerät identifiziert hat. Der Nutzer-Server hat

jedoch keinerlei Informationen darüber, ob ein Nutzer

tatsächlich mit dem Feldgerät interagiert. Daher müssen

zwischen dem Bediengerät und dem Nutzer-Server weitere

Informationen bezüglich des Nutzerverhaltens übermittelt

werden. In einem ersten Schritt genügt es, den

Nutzer-Server über den Zeitpunkt zu informieren, wann

ein Nutzer in Interaktion mit dem Feldgerät getreten ist

und zu welchem Zeitpunkt er diese Operation abgeschlossen

hat. Das heißt, ein Nutzer ist über eine reine

Beobachtung von Prozessparametern hinaus mit der

Prozessbedienung, der Parametrierung oder der Konfiguration

des Feldgeräts beschäftigt [7].

Alleine auf Basis dieser Information ist der Server in der

Lage, weiteren Nutzern, die über die reine Prozessbeobachtung

hinaus Operationen an dem Feldgerät durchführen

wollen, den Zugriff zu verweigern und diese über den

aktuellen Nutzer zu informieren. Durch diese Information

können zusätzliche Nutzer mit dem aktuellen Nutzer in

Kontakt treten und die nächsten Schritte planen.

3. EVALUATION MOBILER BEDIENKONZEPTE

Bei der Interaktion mit Feldgeräten in der wandlungsfähigen

Fabrik muss der Mensch als Nutzer die bestmögliche

Unterstützung erhalten, um die flexible Produktion

effizient und zuverlässig zu gestalten. Daher sollte die

nutzerfreundliche Gestaltung zukünftiger Produktionssysteme

im Vordergrund jeglicher Entwicklung stehen

[1, 2]. Das Konzept der generischen Geräteidentifikation

wurde deshalb unter realitätsnahen Bedingungen hinsichtlich

der Gebrauchstauglichkeit und der Nutzerfreundlichkeit

evaluiert.

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63


HAUPTBEITRAG

3.1 Testumfeld SmartFactory-KL und Testbedingungen

Die SmartFactory-KL ist eine Technologieinitiative mit

dem Ziel, innovative Industrieanlagetechnik mit einer

weiten Bandbreite von Anwendungen in den verschiedensten

Wirtschaftsbranchen zu entwickeln. Zusätzlich

soll deren Anwendung und Verbreitung gefördert

und die Grundlage für eine breite Nutzung innovativer

Techniken in Wissenschaft und Praxis geschaffen werden.

Dabei verkörpert sie die Visionen modernster Produktionsumgebungen

der nächsten Generation (Bild 6).

Durch die Implementierung der Methoden zur Geräteidentifikation

und die Durchführung der experimentellen

Untersuchung in der SmartFactory-KL wurde für ein

realistisches Testumfeld gesorgt. Die experimentelle

Untersuchung wurde mit repräsentativen Testpersonen

durchgeführt.

Für die Usability-Tests wurden Hypothesen aufgestellt,

die im Zusammenhang mit der experimentellen Untersuchung

überprüft wurden. Die generelle Hypothese,

dass die Methoden zur Geräteidentifikation, die auf dem

Touch-and-Connect-Prinzip basieren, eine höhere Gebrauchstauglichkeit

beziehungsweise Nutzerfreundlichkeit

aufweisen als die konventionellen Methoden zur

Geräteidentifikation, konnte im Rahmen dieser experimentellen

Untersuchung überprüft werden.

3.2 Usability-Evaluation

Gegenstand der experimentellen Untersuchung war der

aufgabenbasierte Erstkommunikationsaufbau zu einem

industriellen Feldgerät, weshalb die Untersuchungsschwerpunkte

ausschließlich auf dem Identifikationsvorgang

und dem initialen Kommunikationsaufbau lagen.

Messgrößen

Um aussagekräftige Ergebnisse hinsichtlich der Usability

zu erzielen, wurden gemäß DIN 9241-11 die Messgrößen

Effektivität und Effizienz, die zusammen Auskunft

über die Robustheit geben, und Zufriedenstellung berücksichtigt.

REFERENZEN

[1] Floerchinger, F., Schmitt, M.: A Concept for a user-friendly

first Communication Initiation between Stationary Field

Devices and Mobile Interaction Devices. In: Proc. 18th IFAC

World Congress, S. 1614-1619, IFAC 2011

[2] Zuehlke, D.: SmartFactory – From Vision to Reality in

Factory Technologies. In: Proc. 17th IFAC World Congress,

S. 82-89, IFAC 2008

[3] Zuehlke, D.: SmartFactory – Towards a factory-of-things.

Annual Reviews in Control 34, S. 129-138, 2010

[4] Terwiesch, P., Ganz, C.: Trends in Automation. In: Nof

(Hrsg.), Springer Handbook of Automation, S. 127-143,

Springer, Berlin, 2009.

[5] Roussos, G., Marsh, A. J., Maglavera, S.: Enabling

Pervasive Computing with Smart Phones, IEEE Pervasive

Computing 4(2), S. 20-27, 2005

[6] Joehnssen, O.: Flexibilität und Verfügbarkeit erhöhen

- Anlagenweites mobiles Bedienen und Beobachten. IT

Production 9, S. 22-24, 2010

[7] Flörchinger, F.: Entwicklung einer generischen Geräteidentifikation

zur Erstkommunikation mit industriellen

Feldgeräten mittels mobiler Bediensysteme. Dissertation

TU Kaiserlautern, 2012

[8] Kern, C. J.: Anwendung von RFID-Systemen. Berlin,

Springer 2007

[9] Ziegler, J., Urbas, L.: Advanced Interaction Metaphors for

RFID-Tagged Physical Artefacts. In: Proc. IEEE Int. Conf. on

RFID-Technologies and Applications, S. 73-80, doi:10.1109/

RFID-TA.2011.6068619

[10] Finkenzeller, K.: RFID-Handbuch : Grundlagen und

praktische Anwendungen induktiver Funkanlagen,

Transponder und kontaktloser Chipkarten. München,

Hanser 2006

[11] Zuehlke, D.: SmartFactory - A Vision becomes Reality. In:

Proc. 13th IFAC Symposium on Information Control Problems

in Manufacturing (INCOM 09), S. 31-39, ICS/RAS 2009

[12] Schnurrer, M., Görlich, D.: Entwicklung eines universellen

Bediengerätes zur drahtlosen und mobilen Interaktion. In:

Tagungsband AUTOMATION 2010, S. 401-405, Düsseldorf,

VDI 2010

[13] Görlich, D., Stephan, P., Quadflieg, J.: Demonstrating

Remote Operation of Industrial Devices using Mobile

Phones. In: Proc. 4th Int. Conf. Mobile Technology,

Applications and Systems, S. 482-485, ACM 2007

[14] Meixner, G.: Mobile Interaktionstechniken in der Fabrik der

Zukunft. atp edition - Automatisierungstechnische Praxis

54(12), S. 48-54, 2011

[15] Floerchinger, F., Seißler, M.: A concept for a first communication

initiation for ambient intelligent industrial environments.

In: Proc. 1st Int. Joint Conf. on Ambient Intelligence,

S. 270-275., Springer, Berlin, 2011

[16] Wahlster, W., Kröner, A., Schneider, M., Baus, J.: Sharing

Memories of Smart Products and their Consumers in

Instrumented Environments, it – Information Technology

50(1), S. 45-50, 2008

[17] Stephan, P., Flörchinger, F.: Das Produkt als Informationsträger

– Digitale Produktgedächtnisse als Medium zur

Kommunikation in heterogenen Wertschöpfungsketten. In:

Tagungsband AUTOMATION 2010, S. 343-348, Düsseldorf,

VDI 2010

[18] Meixner, G., Petersen, N., Koessling H.: User Interaction

Evolution in the SmartFactoryKL. In: Proc. 24th BCS Int.

Conf. Human Computer Interaction, S.211-220, BCI 2010

[19] Verclas, S., Linnhoff-Popien, C. (Hrsg): Smart Mobile Apps.

Mit Business-Apps ins Zeitalter mobiler Geschäftsprozesse.

München, Springer, 2010

[20] Hassenzahl, M., Burmester, M., Koller, F.: AttrakDiff: Ein

Fragebogen zur Messung wahrgenommener hedonischer

und pragmatischer Qualität. In: Tagungsband Mensch &

Computer 2003, S. 187-196, Teuber, 2003

64

atp edition

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Effektivität: Wurde die Anwendungsaufgabe

korrekt und vollständig ausgeführt?

Effizienz beziehungsweise Produktivität:

Wurde die Aufgabe innerhalb eines akzeptablen

Zeitrahmens abgeschlossen?

Zufriedenheit: Sind die Anwender mit der

Interaktion zufrieden?

Die Interaktion bezeichnet in diesem Zusammenhang

das wechselseitige Aufeinanderwirken von Benutzer

und Bediensystem. Sicherheitsaspekte spielten im Zuge

dieser Untersuchung keine Rolle und wurden deshalb

nicht als Messkriterium aufgenommen.

Evaluationsauswertung

Die Auswertung der experimentellen Evaluation zeigte

deutliche Unterschiede zwischen den beiden Gruppen

von Identifikationsmethoden, hinsichtlich der festgelegten

Untersuchungskriterien. Die im Vorfeld aufgestellten

Hypothesen zur Benutzerfreundlichkeit, Robustheit und

Attraktivität der evaluierten Geräteidentifikationsmethoden

konnten alle durch auswerten der erhobenen Messgrößen

bestätigt werden.

Die Identifikationsmethoden, die auf dem Touch-and-

Connect-Prinzip beruhen, lagen dabei bei allen Bewertungskriterien

deutlich vor den konventionellen Identifikationsmethoden

(Bild 7). Die Tatsache, dass der Kommunikationsaufbau

alleine durch die Informationen des Referenzmodells

initiiert wird, geht mit einem großen

Verbesserungspotenzial hinsichtlich der Ergonomie, der

Fehlerhäufigkeit und dem Ressourcenverbrauch einher [7].

Während der Evaluation wurde ebenfalls die Zeit erfasst,

die jeder Teilnehmer benötigte, um die Aufgaben

effektiv zu lösen. Die Zeiterfassung diente als Maß der

zeitlichen Effizienz. Im Hinblick auf die Effektivität war

von Interesse, wie hoch die Genauigkeit und die Vollständigkeit

bei der eigentlichen Aufgabenlösung ist. Die

Auswertung zeigte, dass die Touch-and-Connect-basierten

Methoden hinsichtlich der Effizienz und Effektivität

deutlich besser abschneiden, als die konventionellen

Methoden [7].

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Touchand-Connect-basierten

Identifikationsmethoden einen

vielversprechenden Ansatz darstellen, der das universelle

und mobile Bedienen in Industrieanlagen grundlegend

verändern kann. In der Fabrik von morgen können

sich Bedien- und Feldgeräte ohne Konfigurationsaufwand

verbinden und dem Anwender alle Funktionen

entsprechend seiner Qualifikation bereitstellen [1, 7].

FAZIT UND AUSBLICK

Die generische Geräteidentifikation mittels mobiler Bediengeräte

für einen nutzerzentrierten und aufgabenbasierten

Kommunikationsaufbau stellt einen weiteren

Schritt in Richtung intuitiver Mensch-Maschine-Interaktion

und damit in Richtung der nutzerfreundlichen

Fabrik der Zukunft dar. Das Kernelement der Geräteidentifikation

bildet dabei ein Referenzmodell, welches auf

passiven Datenträgern abgelegt ist und als eine Art „Anker

der realen Welt“ Kontextquellen referenziert. Das

angestrebte Ziel der generischen Geräteidentifikation ist,

Daten nicht wie bisher üblich zu sammeln und dem stän-

digen Aufwand der Datenpflege anheim zu fallen, sondern

die Daten zum benötigten Zeitpunkt an ihrer Quelle

zu ermitteln und zu bewerten. So ist die Schnittstellenbeschreibung

direkt am Feldgerät hinterlegt. Die

Nutzerqualifikation ist wiederum der Personaldatenbank

zu entnehmen.

Die Ergebnisse der Evaluation haben gezeigt, dass sich

weiteres Engagement im Bereich der generischen Geräteidentifikation

lohnt. Der Einsatz von mobilen Bediengeräten,

insbesondere von Smartphones und Tablets, bietet

den Vorteil, dass kostspielige, stationäre Schnittstellen

eingespart werden können. Außerdem ist die Akzeptanz

des Nutzers durch die weite Verbreitung solcher Geräte

auf dem Konsumermarkt gewährleistet. Damit stellt die

Verwendung von Smartphones und Tablets einen vielversprechenden

Ansatz zur mobilen und universellen

Bedienung im industriellen Umfeld dar.

ANMERKUNG

AUTOREN

MANUSKRIPTEINGANG

01.10.2012

Im Peer-Review-Verfahren begutachtet

Das Konzept der generischen Geräteidentifikation zur Erstkommunikation

wurde im Rahmen der Dissertation von Herrn Dr.-Ing.

Flörchinger entwickelt und umgesetzt. Er ist seit Oktober 2011 für

die BASF SE im Arbeitsgebiet Manufacturing Execution Systems der

Fachzentren für Automatisierung und Elektrotechnik tätig.

Dipl.-Wirtsch.-Ing. MATHIAS SCHMITT

(geb. 1983) ist wissenschaftlicher Mitarbeiter

am Deutschen Forschungszentrum für

künstliche Intelligenz (DFKI) in Kaiserslautern.

Im Bereich Innovativer Fabriksysteme

beschäftigt er sich unter anderem

mit der Entwicklung von innovativen

Bedien konzepten im industriellen Umfeld.

Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz GmbH,

Trippstadter Straße 122, D-67663 Kaiserslautern,

Tel. +49 (0) 631 205 75 34 16, E-Mail: mathias.schmitt@dfki.de

Prof. Dr.-Ing. DETLEF ZÜHLKE (geb. 1949)

leitet den Forschungsbereichs Innovative

Fabriksysteme (IFS) am Deutschen Forschungszentrum

für Künstliche Intelligenz

(DFKI) in Kaiserslautern. Er ist Inhaber des

Lehrstuhls für Produktionsautomatisierung

(pak) an der Technischen Universität in

Kaiserslautern.

Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz GmbH,

Trippstadter Straße 122, D-67663 Kaiserslautern,

Tel. +49 (0) 631 205 75 34 01, E-Mail: detlef.zuehlke@dfki.de

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