Bedien-App, Fertigungsnahe Fernbedienung, OPC UA, Systemdiagnose

Maschinen per Smartphone überwachen

Was verbindet die alten Griechen und moderne Smartphones miteinander? Ganz einfach: die antiken Hellenen verehrten die Göttin Automatia, haben also den Begriff Automatisierung erfunden. Und Smartphones schicken sich heute an, die Automatisierung neu zu erfinden. Denn mit diesen mobilen Geräten lassen sich Maschinen und Anlagen überwachen und sogar steuern - intuitiv mit einem Touch.

Seit den 1970er Jahren bin ich Fan der Science-Fiction-Serie Raumschiff Enterprise. Captain Kirk, Spock und „Pille“ waren die Helden meiner Jugend. Fasziniert verfolgte ich wie Kirk und Spock bei ihren Abenteuern auf fernen Planeten mobile Geräte zur Kommunikation nutzten oder um sich von Chefingenieur Scottie von einem Ort zum anderen beamen zu lassen. Mit sogenannten Tricordern und Starfleet Padds diagnostizierten sie die Zusammensetzung von Gesteinen und Pflanzen oder den Zustand von Lebewesen und Maschinen. Diese Ideen Gene Roddenberrys taten viele Wissenschaftler als Fiktion ab oder belächelten sie als technischen Unsinn.

Wenn ich heute mit meinem Smartphone via App ein Taxi bestelle oder eine S-Bahnkarte kaufe, weiß ich, wie sehr es den Wissenschaftlern dieser Zeit an Fantasie und Weitsicht gefehlt hat. Die in der Serie und später in den Filmen gezeigte Alltagstechnik, also handliche Kommunikationsgeräte wie Mobiltelefone, Smartphones, Spracherkennungssysteme sowie kleine und tragbare Computer sind heute teilweise Normalität. Mehr noch, diese Geräte lassen sich auch so nutzen, wie es Kirk und Spock einst taten. Wenn mich das Taxi nach Hause gebracht hat, nutze ich mein Smartphone dazu, um die Haustechnik zu steuern und schalte darüber das Licht, die Stereoanlage oder den Fernseher ein.

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Und wenn es nach Professor Peter Göhner geht, zapfe ich mir bald auch meinen Espresso oder die Latte Macchiato via Smartphone. Der Direktor des Instituts für Automatisierungs- und Softwaretechnik (IAS) der Universität Stuttgart ist sich sicher, dass die mobilen Geräte schon bald Bedienungseinheiten an Kaffeeautomaten, Waschmaschinen oder anderen Haushaltsgeräten überflüssig machen. „Die Bedienung und Zustandsüberwachung von Waschmaschinen und anderen Haushaltsgeräten wird in Zukunft über Smartphones beziehungsweise Tablet PCs und die dazugehörigen Apps erfolgen“, ist Göhner überzeugt. Das vereinfache nicht nur die Bedienung, sondern, so der Ingenieur weiter, die Geräte würden dadurch auch günstiger. Die wissenschaftlichen Mitarbeiter des Instituts entwickeln derzeit entsprechende Diagnose-Apps. Andreas Friedrich, Doktorand am IAS, erläutert deren Funktionen am Beispiel eines Kaffeeautomaten: „Wir haben die Maschine mit einem intelligenten Typenschild, einem sogenannten NFC-Tag, ausgestattet. Wenn ich mein Smartphone in die Nähe des Kaffeeautomaten halte, öffnet sich automatisch die passende Anwendung und es findet ein Datenaustausch statt.“ Damit lassen sich laut Friedrich alle Informationen zum Kaffeeautomaten wie Hersteller, Typ und Seriennummer abrufen sowie dessen Zustand überwachen. Beim Auftreten einer Fehlermeldung lasse sich zudem eine Diagnose des Automaten vom Smartphone aus durchführen. Die App biete dem Benutzer an, den Defekt selbst zu beheben, einen Servicetechniker zu kontaktieren und diesem eine detaillierte Fehlerbeschreibung zu übermitteln oder die Anwendung informiert ihn, dass eine Reparatur unwirtschaftlich ist. „Mithilfe dieser App lässt sich ein erheblicher Kostenvorteil erzielen, denn wenn der Kundendienst kommen muss, kann er gleich das entsprechende Ersatzteil mitbringen – eine kostspielige Zweitanfahrt ist so überflüssig“, betont Institutsleiter Göhner. Und was für die weiße Ware gilt, trifft ebenso auf Maschinen und Anlagen im industriellen Bereich zu.

Für Matthias Keinert vom Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen der Universität Stuttgart (ISW) spielt gerade in der industriellen Automatisierungstechnik in Sachen Smartphones und Tablets die Musik. Diese würden Keinert zufolge hier vielfältige Anwendungsmöglichkeiten eröffnen. Durch die intuitive Benutzerführung per Touchscreen sowie durch vielfältige Kommunikationsmöglichkeiten drängen sie sich für die Gebäudeautomatisierung oder zur Fernwartung geradezu auf. „Durch den Einsatz des industriellen Kommunikationsstandards OPC UA können wir eine allgemeingültige Anwendung für mobile Endgeräte schaffen“, erklärt der Doktorand. Er sieht vor allem zwei mögliche Einsatzarten: Apps ohne aktive Kommunikation für die Produktionsplanung, die sich zum Optimieren von Bearbeitungsprozessen oder zur Verwaltung von Werkzeugen, zur Berechnung von Vorschubgeschwindigkeiten und Spindeldrehzahlen sowie zur Visualisierung der Werkstückgeometrie einsetzen lassen. „Der zweite Art sind Apps mit aktiver Kommunikation zum Automatisierungsgerät, die sich als sogenannte SCADA-Systeme einsetzen lassen“, erläutert Keinert. „Durch den lesenden und schreibenden Zugriff auf das Steuerungssystem lassen sich Werkzeugmaschinen, Industrieroboter und Anlagen überwachen“, so der Ingenieur weiter (siehe Kasten). Die Forscher am ISW belassen es aber nicht nur bei der grauen Theorie. Für die Automatisierungsmesse SPS IPC Drives in Nürnberg haben Keinert und seine Kollegen im Rahmen einer Projektarbeit eine Anwendung zur herstellerunabhängigen Kommunikation mit Werkzeugmaschinen konzipiert. „Unser Ziel war es, proprietäre Kommunikationsprotokolle zu vermeiden und zudem war uns die weitreichende Modularisierung der App wichtig, um funktionale Erweiterungen möglich zu machen“, erklärt er.

Kommunikation mit Chips

Mit dem Thema OPC UA befassen sich auch die Forscher des Lemgoer Instituts für industrielle Informationstechnik (inIT) der Hochschule OWL. Sie haben die weltweit kleinste OPC-Schnittstelle realisiert, die über ein Steuerungsmodul, Smartphone oder Tablet-PC direkt mit dem Anwender kommuniziert. Bisher war der Einsatz von OPC-UA-Servern auf eingebettete Systeme mit ausreichender Speichergröße beschränkt, doch jetzt ist die Kommunikation auch mit Mikrochips möglich. Unter der Leitung von Professor Dr. Jürgen Jasperneite, Leiter des Lemgoer Fraunhofer-Anwendungszentrums für industrielle Automation (IOSB-INA) und des inIT, wurde der kleinste OPC-UA-Server entwickelt. Grundlage ist das sogenannte Nano Embedded Device Server Profile der OPC-Foundation - binäre Transportprofile werden genutzt und die Authentifizierung mit Hilfe von Zertifikaten unterstützt. Für die Serverfunktion mit bis zu vier Diensten oder Messwerten werden lediglich 15 Kilobytes RAM und 10 Kilobytes ROM benötigt. „Nach unserem Kenntnisstand ist das einer der weltweit kleinsten OPC-UA-Server. Damit ist eine einfach Softwareintegration von simpelsten Geräten in das Internet der Dinge möglich“, so Jasperneite. Ihre Erfahrungen wollen die Forscher nun in die sogenannte OPC-UA for Devices (DI)-Spezifikation einbringen. „Mit OPC-UA steht eine sehr skalierungsfähige Lösung zur Verfügung, um von der physikalischen Kommunikationstechnik zu abstrahieren und den Software-Anwendungen eine generische Kommunikationsschnittstelle zu bieten“, erklärt Jasperneite. Mittlerweile sind bereits zahlreiche Implementierungen von OPC-UA, unter anderem auch für Smartphones oder TabletPC, verfügbar. Neben den Forschern befasst sich längst auch die Industrie mit dem Einsatz solcher Geräte in der Automatisierung. So zum Beispiel Siemens. Rene Wolf, Leiter Produktmanagement HMI/IPC, Siemens-Division Industry Automation, glaubt zwar nicht, dass Smartphones oder Tablet PCs die klassischen, an der Maschine installierten HMI-Geräte ersetzen werden, zusätzliche Anwendungsfälle hält er aber für durchaus möglich. „Klassische HMI-Geräte sind fest an der Maschine installiert und laufen rund um die Uhr und zeichnen permanent Daten auf“, begründet er seine Meinung. Mobile Devices seien dagegen typischerweise nicht 24 Stunden im Betrieb. Gründe hierfür seien Akkulaufzeiten oder fehlender Empfang aufgrund der unterschiedlichen Bedingungen in einer Produktionshalle.

Gleiches gelte für Scada-Systeme. Hier käme es im Wesentlichen darauf an, die Runtime-Daten der Maschine, etwa Alarme und Messwerte, permanent aufzuzeichnen. „Hier geht es um Themen wie Robustheit für das industrielle Umfeld, sichere Netzwerkverbindungen und Akkulaufzeiten“, gibt Wolf zu bedenken. Zudem würde hier ein riesiges Datenvolumen anfallen und dabei handele es sich um wertvolle Produktionsdaten. Noch, so der Siemens-Experte, seien Smartphones und Tablets nicht soweit und deswegen in seinen Augen keine reelle Alternative in diesem Bereich. Allerdings könne man sein iPhone oder iPad und die darauf installierten Apps dazu nutzen, um auf die vom HMI aufgezeichneten Daten zuzugreifen. „Zum Beispiel kann sich ein Schichtführer, wenn er durch die Produktionsanlage läuft, mal schnell auf seinem Tablet über entsprechende Kennzahlen informieren – ohne Daten individuell an jeder Maschine abrufen zu müssen“, nennt der Physiker eine mögliche Anwendung.

Vereinfachte Gerätetaufe

Ein weiteres Szenario ist laut Wolf der Service. „Normalerweise haben Servicetechniker ein Handy, typischerweise ein Smartphone“, sagt er. Damit können sie Handbücher aufrufen und im Servicefall schnell Informationen nachschlagen sowie schnell und einfach auf Prozesswerte von den Geräten zugreifen. „Der Servicemitarbeiter kann diese Prozesswerte oder andere Informationen auch als Video oder Audiodatei aufzeichnen, die er dann später Offline analysieren kann“, ergänzt der Siemens-Manager.

Und schließlich beschäftigt sich der Automatisierungsspezialist in diesem Zusammenhang mit sogenannten Konfigurationstests während der Inbetriebnahmephase. Wolf: „Schaltschränke verfügen über teilweise sehr komplexe Hardwarestrukturen, die PLC ist aber noch nicht in Betrieb, so dass ich in dieser frühen Phase nicht prüfen kann, ob der Elektriker alles richtig verdrahtet hat. Um zu prüfen, ob alles fehlerfrei läuft, muss die PLC vollständig programmiert sein – falls nicht, bedeutet das einen erheblichen Zusatzaufwand.“ Eine App, die dies bereits vorab prüfen kann, würde den „harten“ Testfall abfedern und dadurch Zeit und Kosten sparen. Mit einer entsprechenden App könne man auch die Gerätetaufe vereinfachen. „Heute erfolgt die Zuweisung von IP-Adresse und Name über ein Programmiergerät und Spezialsoftware“, weiß Wolf. Ein Elektriker oder Techniker könne dies nicht machen; mit einem Smartphone sei dies möglich, weil er nur einen entsprechenden Namen vergeben müsste. Sogar die IBS des Netzwerks mit den entsprechenden Hardware-Baugruppen wäre so gewährleistet. „Über diese Szenarien denken wir nach und wollen dafür konkret Apps entwickeln“, skizziert Rene Wolf die Pläne der Nürnberger Automatisierer. Diese bieten unter anderem auch bereits eine kostenlose App an, mit der Anwender auf ihre Simatic S7-1200-Steuerung zugreifen können, um beispielsweise den Betriebsmodus zu ändern, Diagnose-Informationen abzurufen oder mehrere Netzwerk-CPUs zu identifizieren und sich mit ihnen zu verbinden.

Auch Hans Wimmer, Managing Director des österreichischen Automatisierungsunternehmens B&R, glaubt daran, dass Smartphones und Tablet PCs inklusive der dazugehörigen Software die Automatisierungstechnik verändern werden. „Wir haben bereits auf der vergangenen SPS/IPC/Drives einen Systemdiagnose-Manager vorgestellt, der diese Geräte und die damit verbundene Technik nutzt“, erklärt er. Anwendern ist es laut Wimmer möglich, per Knopfdruck alle Daten aus dem B&R-Steuerungssystem auf dem Display eines Smartphones zu visualisieren. „Damit lassen sich beispielsweise Seriennummer und eventuelle Fehlermeldungen jedes einzelnen Moduls im Steuerungssystem visualisieren, ohne eine Software zu installieren und ohne ein Experte zu sein“, verdeutlicht der Topmanager.

Mit dem iPhone lässt sich so ein kompletter Abzug des Automatisierungssystems abbilden. Auf Basis dieses Abzugs kann der Anwender ferndiagnostizieren, welche Fehler oder welche Bedienerinteraktionen es wann beziehungsweise wo gab. „Mit der Funktion System-Snapshot werden diese Informationen innerhalb weniger Sekunden in einer Datei gespeichert“, so Wimmer weiter. Grundlage ist das neue Programm Automation Studio 4, in dem die Zero-Mouseclick-Function realisiert ist. Zur diesjährigen Automatisierungsmesse will das Unternehmen auf Basis dieser Technologie eine Visualisierungsschnittstelle vorstellen. Mittels Smartphone habe der Anwender dann die Möglichkeit, die Visualisierung einer gesamten Maschine oder Anlage zu realisieren. „Das ist eine völlig neue Art der Visualisierung“, ist Wimmer überzeugt. „Wir haben uns entschieden, diese Visualisierung auf Basis von HTML 5 in den Mainstream der IT-Technologie einzubinden und erwarten hier einen massiven Schub, der uns nach vorn bringen wird.“

Mit dem französischen Automatisierungsspezialisten Schneider Electric beschäftigt sich ein weiteres führendes Unternehmen aus diesem Bereich mit dem Thema. Das Unternehmen hat für seine Magelis-Touchpanel gleich zwei HMI-Apps entwickelt. Zum einen die Applikation Vijeo Design Air mit der sich via Smartphone Maschinen in Betrieb nehmen lassen oder man diese Warten kann. Auch zur Fehlersuche ist die Vijeo Design Air geeignet. Die zweite App der Franzosen ist für die Produktion ausgelegt. Mit Vijeo Desgin Air Plus lassen sich Produktionsdaten visualisieren und somit überwachen. Ein weiteres Feature der Software ist das Einstellen einer Maschine oder eines Gerätes.

Die Experten sind sich einig, Smartphones und Tablets sowie die dazugehörigen Apps bieten viele neue Möglichkeiten. Allerdings birgt das Nutzen mobiler Geräte auch einige Gefahren. Denn diese nutzen das Internet und kommunizieren über drahtlose Netze, was sie für Cyber-Attacken anfällig macht. „Durch Funkübertragung haben es Angreifer deutlich einfacher, Informationen abzugreifen, zu manipulieren oder gar eigene Daten einzuschleusen“, warnt Professor Göhner. US-Forscher etwa haben sich via Smartphone und WLAN in die Wartungsschnittstelle eines Autos eingeklinkt und eine Bremsung ausgelöst. Zusammen mit der Wirtschaft arbeitet das IAS hier daran, diese Systeme vor einem Zugriff von außen zu schützen. Insgesamt sieht Göhner beim Thema Sicherheit die Hersteller in der Pflicht. Das Thema müsse von Beginn an in die Entwicklung einbezogen werden und der Arbeitsaufwand dafür sei nicht zu unterschätzen. Beispielhaft sei hier der für die Industrie von Siemens angepasste IWLAN-Standard, der zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen umfasst. Und der Automatisierungsspezialist geht noch weiter. „Wir nehmen das Thema sehr ernst und werden entsprechende Sicherheitsmechanismen in unsere Produkte einbauen, damit man nicht unbefugt auf eine unserer Steuerungen zugreifen kann“, verspricht Siemens-Manager René Wolf. „Insbesondere beim Zugriff auf kritische Produktionsdaten müssen wir maximale Sicherheit gewährleisten.“

Gelingt dies, bergen diese mobilen Technologien ein immenses Potenzial – für die Industrie aber auch für die Gesellschaft insgesamt. „Mobile Endgeräte werden unser Leben verändern“, sagt Professor Peter Göhner voraus. Bedenkt man den rasanten technischen Fortschritt der letzten Jahre, benötige ich vielleicht in einigen Jahren auch keine Taxi-App mehr – dann kann ich mich direkt vom Bahnhof in die Wohnung beamen lassen.

Johannes Gillar

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