atp edition Gamification in Kollaborationsnetzwerken (Vorschau)

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
Der PostionMaster EDP300
überzeugt durch hohe Luftleistung
(50 kg/h bei 10 bar), Diagnosefähigkeit
nach Namur und
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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.,
Theodor-Heuss-Allee 25, D-60486 Frankfurt/Main,
Tel. +49 (0) 69 756 40, Internet: www.dechema.de
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
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MEORGA · Halle/Saale
20. März 2013
Halle Messe
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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)
Mit den Stellventilen Typ 3241 von
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sicheren Seite. Dank ihrer hohen
MTBF brauchen Sie sich um einen
Ausfall nicht zu sorgen.
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Stellungsregler der Bauarten 3730 und
3731. Mit ihrem zertifizierten Magnetventil
und dem induktiven Grenzkontakt
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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.,
Lyoner Straße 9, D-60528 Frankfurt am Main,
Tel. +49 (0) 69 630 20, Internet: www.zvei.org
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)
INFORMATIONSTECHNISCHE GESELLSCHAFT
IM VDE (VDE|ITG),
Stresemannallee 15,
D-60596 Frankfurt am Main,
Tel. +49 (0) 69 630 83 60,
E-Mail: itg@vde.com,
Internet: www.vde.com/itg
FORSCHUNG S-
ARBEITEN, die
die Volkswirtschaft
nachhaltig beeinflussen,
werden
von der ITG gesucht.
Bild: Dr. Klaus-Uwe
Gerhardt / pixelio.de
Feldbusunabhängig
in den Ex-Bereich!
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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
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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
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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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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
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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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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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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
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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
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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
atp edition ist das Fachmagazin für die Automatisierungstechnik.
Die Qualität der wissenschaftlichen Hauptbeiträge
sichert ein strenges Peer-Review-Verfahren. Bezug zur
automatisierungstechnischen Praxis nehmen außerdem
die kurzen Journalbeiträge aus der Fertigungs- und Prozessautomatisierung.
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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
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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
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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
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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
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27

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
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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.
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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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Web Semant 5(2), S. 58-71, 2007
[2] Bartle, R.: Hearts, Clubs, Diamonds, Spades - Players Who Suit MUDs, 1996.
http://www.mud.co.uk/richard/hcds.htm
[3] Bjoerk, S.: Game Design Pattern Wiki, 2012.
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supported cooperative work (CSCW’10), S. 197-206. New York, ACM 2010
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New York, Harper 2008
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to Gamefulness: Defining Gamification. In: Proc. 15th Int. Academic MindTrek
Conference: Envisioning Future Media Environments (MindTrek’11), S. 9-15.
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[8] Gray, B..: Collaborating: Finding Common Ground for Multiparty Problems.
Jossey-Bass 1989
[9] Herzig, Ph., Ameling, M.: Motivationsschub: Geschäftsanwendungen durch
Spielelemente verbessern. iX - Magazin für professionelle Informationstechnik
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Gamification. In: Proc. 10th Working IEEE/IFIP Conference on Software
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[11] Kapp, K.M.: The Gamification of Learning and Instruction: Game-Based
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[12] Luhmann, N.: Trust and Power. Wiley 1979
[13] Luhmann, N.: Familiarity, Confidence, Trust: Problems and Alternatives.
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[14] McGonigal, J.: Reality is Broken: Why Games Make Us
Better and How They Can Change The World. New York, Penguin 2011
[15] McKnight, H.D., Chervany, N.L.: Trust and Distrust Definitions: One Bite at
a Time. In: Proc. Workshop Deception, Fraud, and Trust in Agent Societies,
S. 27-54. London, Springer 2001
[16] Mertens, P.: Die Wirtschaftsinformatik auf dem Weg zur Unternehmensspitze
– alte und neue Herausforderungen und Lösungsansätze. In: Uhr, W., Esswein,
W., Schoop, E. (Hrsg.) Wirtschaftsinformatik 2003 Band 1, S. 49-74. Heidelberg,
Physica Verlag 2003
[17] Pieters, W..: Explanation and trust: what to tell the user in security and AI?
Ethics and Inf. Technol. 13(1), S. 53-64, 2011
[18] Raphaeli, O., Fink, L., Naveh, G., Berman, S.: Multidimensional Metrics Set,
EC IP ComVantage Deliverable D9.2.2, 2012.
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[19] Salanova, M., Schaufeli, W.B., Xanthopoulou, D., Bakker, A.B.: The Gain Spiral
of Resources and Work Engagement: Sustaining a Positive Worklife.
In: Bakker, A.B., Leiter, M.P. (Hrsg.). Work Engagement: A Handbook of
Essential Theory and Research, S. 118-131. New York, Psychology Press 2010
[20] Schell, J.: The Art of Game Design: A Book of Lenses.
Elsevier 2008
[21] Zichermann, G., Cunningham, Ch.: Gamification by Design: Implementing Game
Mechanics in Web and Mobile Apps. O’Reilly Media, 2011
[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
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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
*
German language version coming soon
Order now by fax: +49 201 / 8 20 02 34 or detach and send in a letter
Yes, I place a firm order for the technical book. Please send me
Company/Institution
___ copies of Process Control Systems Engineering
1 st edition 2012 (ISBN: 978-3-8356-3198-4)
at the price of € 49,80 (plus postage and packing)
First name and surname of recipient
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
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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
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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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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
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3 / 2013
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

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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
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atp edition
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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
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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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55

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-
atp edition
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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).
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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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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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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,
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[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
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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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