Augmented Reality in der Fertigung

Intelligente Datenbrillen bieten Mehrwert

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Über Intelligente Datenbrillen in der Produktion wird derzeit viel diskutiert und mit der wachsenden Verfügbarkeit auch industriell nutzbarer Datenbrillen in der Fertigung spielt das Thema eine zunehmend wichtige Rolle. Welche Bedeutung Unternehmen den innovativen Wearables beimessen und welche Herausforderungen es zu meistern gilt, haben wir in den Mittelpunkt unserer Trendbefragung gestellt.

Johannes Gillar, Redakteur elektro AUTOMATION

elektro AUTOMATION: Smart Wearables wie intelligente Datenbrillen werden Experten zufolge die industrielle Fertigung revolutionieren – nicht zuletzt deswegen, weil sie den Zugriff auf Informationen im Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) vor Ort an der Maschine ermöglichen. An welcher Stelle der Wertschöpfungskette (Design, Entwicklung, Produktionsengineering, Produktion/Logistik oder Service/Instandhaltung) sehen Sie das größte Potenzial für diese Technologie?
Ralf Güthoff (Lenze): Das größte Potenzial für den Einsatz von Datenbrillen sehen wir in der Logistik. Der Vorteil: Mit den Brillen können Warenströme sehr einfach dargestellt werden. Das funktioniert beispielsweise dann, wenn Barcodescanner in die Brillen eingebaut sind. Der Kommissionier braucht nur noch auf das Gerät schauen, welches er bucht, der Scancode wird erfasst und direkt an das MRS-System gesendet – alles vollautomatisch.
Der zweite wichtige Bereich in dem Datenbrillen einen wertvollen Mehrwert bieten, ist der Service: mit den Brillen ist es möglich, Field Service-Personal auch dann zum Kunden zu senden, wenn dieser noch nicht die volle Fachkompetenz aufgebaut hat. Über die Brille kann er beim Kunden durch einen Fachingenieur angeleitet werden. Das spart wertvolle Zeit und Ressourcen. Nützlich ist der Einsatz der Brillen auch in Service-Werkstätten, wenn Mitarbeiter bei einer Reparatur „ferngesteuert“ werden können. Lernvideos auf der Brille unterstützen dabei, den Reparaturprozess angeleitet Schritt für Schritt durchzuführen.
Marius Kahmen (Beckhoff): Wir beraten unsere Kunden in all diesen Bereichen. So bieten Wearables das Potenzial, die Bedienphilosophie an der Maschine zu ergänzen. Kontextabhängige Benachrichtigungen kommen heutzutage bereits mittels unserer IoT-Lösungen für Smart Devices zum Einsatz. Zudem wird sehr oft nach den Themen Wartung und Remote-Support via Smart Glasses gefragt. Des Weiteren wünschen sich einige unserer Kunden Lösungen, die aus einer CAD-Zeichnung einer Maschine ein 3D-Hologramm erzeugen. Dies erleichtert die Kommunikation einzelner Abteilungen mit dem Design-&-Engineering-Team erheblich. Änderungen können somit „on-the-fly“ getestet und visualisiert werden.
Dr. Bernhard Quendt (Siemens): Alle Phasen der Wertschöpfungskette profitieren von Smart Wearables. Kontextsensitive und nutzergerechte Bereitstellung von Information bietet Potenzial in vielfältigen Anwendungsbereichen. Optimierungen in frühen Phasen betreffen verbesserte Arbeitsabläufe beim Design von Produkten bis hin zur Planung von Fertigungsprozessen und Produktionsanlagen. Das noch größere Potenzial liegt im Breiteneinsatz in späteren Phasen, in denen sachgerechte Informationsbereitstellung für die Verfügbarkeit und Qualitätsverbesserung von Produkten und Maschinen von Vorteil ist.
Dr.-Ing. Christoph Runde (VDC): Das größte Einsatzpotenzial sehe ich dort, wo der Werker mit variablen Informationen versorgt werden muss, etwa in der Reparatur und Wartung komplexer, variantenreicher Sondermaschinen. In der Logistik sieht man bereits hier und da Datenbrillen, in der Produktion könnte man sich ihren Einsatz in der Anlernphase vorstellen oder aber bei stark variierenden – damit fehlerträchtigen – Tätigkeiten.
Prof. Dr.-Ing. Robert Schmitt (WZL): Wenn wir zwei Arten der Wearables unterscheiden, so ist die eine Gruppe Input-, die andere Output-orientiert. Die erste Gruppe wird uns mehr Informationen über die tatsächliche Bewegung am Arbeitsplatz liefern und so logistische, aber auch besonders ergonomische Daten liefern. Die zweite Gruppe hilft, kognitive Leistungen zu verbessern wie „identifizieren“, „merken“ oder „erinnern“. Sie bietet aber auch die Möglichkeit, einen anderen Modus, eine „andere Wirklichkeit“ bereit zu stellen – und damit verändern sich die Planungs- und Entscheidungsprozesse in zeitlicher Hinsicht, vielmehr aber noch in ihrer Sequenz. Daher bin ich überzeugt, dass nicht die Frage nach dem richtigen Ort in der Wertschöpfungskette den Erfolg der Wearables ausmachen wird, sondern die Veränderung der Wertschöpfungskette mit der einhergehenden Erhöhung der Kollaborationsqualität den messbaren Nutzen generieren wird.
elektro AUTOMATION: Welche Vorteile haben intelligente Datenbrillen gegenüber herkömmlichen mobilen Steuerungswerkzeugen wie Tablets oder Smartphones; wo liegen die Herausforderungen der derzeitigen Brillengeneration?
Güthoff (Lenze): Ein Vorteil der Datenbrillen liegt ganz klar darin, dass die Mitarbeiter bei ihrer Arbeit die Hände frei haben. So kann man die Datenbrille beispielsweise problemlos bei arbeiten auf einer Leiter nutzen, was mit Tablets und Smartphones nicht zu empfehlen ist. Um diesen Vorteil allerdings auch wirklich nutzen zu können, sind an den Datenbrillen noch einige Verbesserungen notwendig. Die Herausforderungen liegen beispielsweise in der Akkulaufzeit, in einer zu langen Latenzzeit, so dass die entscheidenden Situationen nur Zeitverzögert ankommen bzw. zu früh kommentiert werden (Bild und Ton stimmen nicht überein). Und bei zu kleinen oder für Brillenträger nicht lesbaren Displays. Zudem sind die heutigen Datenbrillen oft nicht robust genug für einen Einsatz in der Fertigung oder im Feld.
Kahmen (Beckhoff): Hier glänzt eindeutig das sogenannte „Hands-Free“-Bedienkonzept. Das heißt ein Service-Mitarbeiter kann an der Maschine arbeiten, während er sein Blickfeld an einen Support-Mitarbeiter via Video-Stream in Echtzeit sendet. Viele Maschinenbauer müssen heutzutage Experten weltweit auf Reisen schicken, da vor Ort meist das Know-how fehlt. Durch solch neue Technologien lassen sich Zeit und Kosten auf längere Sicht teils drastisch reduzieren. Des Weiteren lassen sich Datenbrillen mit Augmented-Reality-Software ausstatten. Dies bietet die Möglichkeit, Prozessdaten der Maschine in der echten Welt grafisch darzustellen. Der ein oder andere Gang zur Visualisierung könnte dadurch eingespart werden.
Quendt (Siemens): Verglichen mit Tablets und Smartphones bleiben die Hände frei für die eigentliche Tätigkeit. Zudem sind angezeigte Inhalte vor Einblick geschützt, was zum Datenschutz beiträgt. Herausforderungen eher technischer Natur sind Akkukapazität sowie Rechen- und Grafikleistung und ein hinreichend großes Sichtfeld. Andere betreffen die Umsetzung einer möglichst intuitiven Interaktion. An die Verwendung von Brillen angepasste Nutzungsmetaphern brauchen Algorithmen zur schnellen und sicheren Erkennung von Gesten und eine robuste Sprachinteraktion.
Runde (VDC): Der größte Vorteil der Datenbrillen gegenüber handgehaltenen Geräten ist sicher, dass Datenbrillen beide Hände freilassen. Alles andere wie Informations-Browsing, Telekonferenzen und Augmented Reality könnte ich auch mit einem Tablet-PC oder einem Smartphone machen. Die Hardware-Entwicklung der nächsten Jahre wird die gewünschten größeren Displays und längere Akkulaufzeiten bringen. Die größten Herausforderungen liegen in der automatisierten Content-Versorgung und in Industrie-tauglichen Interaktionsmechanismen.
Schmitt (WZL): Brillen sind direkt an den Visus, den sinnlichen Informationskanal mit den meisten Reizen, adaptiert. Das lässt ganz banal die Hände für Tätigkeiten frei, wie sie auch ohne Brillen erledigt werden. Die Herausforderung bleiben dabei natürlich die Auflösung und der Kontrast auf der einen, die Latenzzeit der Darstellung auf der anderen Seite. Auch die Steuerung bietet noch Raum für Verbesserungen, wenn auch diesbezüglich schon viel erreicht wurde und das Innovationstempo hoch ist.
Dr. Markus Aleksy (ABB): Datenbrillen ermöglichen dem Benutzer freihändiges Arbeiten. Dadurch lassen sich zusätzliche Anwendungsszenarien realisieren, welche mit Geräten, wie z.B. Tablets oder Smartphones nicht abgedeckt werden können. So sind beispielsweise Anwendungen mit Augmented Reality (AR) möglich, bei denen dem Betrachter zusätzliche Informationen über das eigentliche Sichtfeld angezeigt werden. Damit können Wartungs- oder Installationsarbeiten im industriellen Umfeld realisiert werden, die es ermöglichen, trotz der digitalen Vernetzung und der überlagerten Anzeige beide Hände frei zur Arbeit zu behalten. Dies kann verwendet werden, um dem Ingenieur im Feld technische Unterstützung zu bieten – bei gleichzeitig erhöhter Sicherheit. Die Herausforderungen der aktuellen Geräte liegen insbesondere in den technischen Einschränkungen und umfassen z.B. die geringe Auflösung der Datenbrillen, die oftmals zu kurze Akkulaufzeit oder die eingeschränkten Interaktionsmöglichkeiten.
elektro AUTOMATION: Welche Voraussetzungen müssen erfüllt sein, um die Technologie beispielsweise bei der Bedienung, Wartung und Reparatur von Automatisierungsanlagen oder Maschinenkomponenten nutzen zu können? Sind insbesondere die Grundlagen für Augmented-Reality-Anwendungen (AR) bereits gelegt, existiert der oft zitierte „Digital Twin“ bereits in ausreichendem Maße?
Sven Goldstein (Beckhoff): Als wichtige Voraussetzungen bei der Nutzung dieser Technologien sind Themen wie Skalierbarkeit, Sicherheit, Standortunabhängigkeit, sowie Usability zu nennen. Die im Hintergrund arbeitenden Mechanismen und Dienste müssen standortunabhängig zur Verfügung stehen und sich hierbei auf einfache und vor allem sichere Art und Weise in existierende IT-Infrastrukturen integrieren lassen. Standardisierte, Publisher-/Subscriber-basierte Kommunikationsprotokolle wie MQTT und AMQP helfen dies zu realisieren und werden von den meisten gängigen Cloud-Systemen unterstützt. Ein zentrales Nachrichtenverteilsystem, der sogenannte Message Broker zur Bereitstellung der Datenkonnektivität für Wearable Devices und Steuerungen, kann hierbei entweder bei einem Cloud-Anbieter angemietet oder im Firmen- bzw. Maschinen-Netzwerk betrieben werden. Denn auch im letzteren Fall lassen sich solche Systeme auf einfache Art und Weise etablieren, wodurch sich die Kommunikation zwischen Wearable Device und Steuerung im eigenen Netzwerk halten lässt. Dank Twincat IoT steht die Nutzung der entsprechenden Protokolle nun auch für Automatisierungsprojekte zur Verfügung, sodass sich Anwendungsszenarien – wie der digitale Zwilling – einer Maschine realisieren lassen.
Güthoff (Lenze): Wir als Spezialist für Antriebs-und Automatisierungslösungen finden in den Fertigungen immer wieder neue Applikationen, die mit Augmented Reality nicht abdeckbar sein werden, denn diese Technik lässt sich nur bei wiederkehrenden Applikationen einsetzen. Am Einsatz eines digitalen Zwillings arbeiten wir momentan. Dies wird zukünftig sicherlich eine sehr wichtige Rolle spielen. Hier wird ein großer Vorteil sein, dass künftig Materialnummern, Dokumentationen etc. digital abgerufen werden und damit Störungen behoben und Bestellungen zielgerichtet in Auftrag gegeben werden können sowie eine Anlagenunterstützung an der Maschine erfolgen kann.
Quendt (Siemens): Zur effizienten Unterstützung dieser Tätigkeiten muss insbesondere kontextabhängige Information vorliegen. Dafür greifen AR-Anwendungen auf a-priori Wissen der Realität in digitaler Form zu. Hier spielt der Digital Twin eine große Rolle. Er ist Spiegel der Realität und kennt den Zustand eines Produkts, einer Anlage oder gar einer Fabrik. Realisierung und Pflege von Digital Twins ist mit heute verfügbaren Engineering-Werkzeugen faktisch möglich. Viele Unternehmen müssen ihre Prozesse aber erst dafür anpassen bzw. bestehende Anlagen digitalisieren, um deren Wertschöpfungseffizienz mit Blick auf die neuen Technologien zu steigern.
Runde (VDC): Augmented Reality als Technologie funktioniert: wir haben Software-Anbieter am Markt, die Marker-loses Tracking und SLAM beherrschen. Der digitale Zwilling, wie ihn beispielsweise Triebwerkshersteller seit Jahren betreiben, ist im Maschinenbau noch die große Ausnahme, wird aber in den nächsten Jahren kommen. Profan aber unerlässlich ist, die notwendige Netzwerkinfrastruktur im Shopfloor bereitzustellen. Rechtliche und technische Fragen des Zugriffs auf Maschinendaten und der Verbindung über die Unternehmens-Firewall (etwa zum Maschinenlieferanten) müssen geklärt sein.
Schmitt (WZL): In der Tat adressiert der zweite Teil der Frage den eigentlichen Kern: wie ist eine entsprechende Systemarchitektur aufgebaut? Kann ich überhaupt die Daten erzeugen, deren Visualisierung einen Mehrwert generiert? Hier sind durchgängige Prozessketten gefragt, die es bisher erst ansatzweise gibt – der punktuelle Einsatz bleibt ein nettes Überraschungsmoment, dessen Reiz sich schnell abnutzen kann. Den Aufbau eines „Digital Twins“ unterstützen in zunehmenden Maße moderne PLM-, ERP- und MES-Systeme. Noch spannender ist aber die Frage: Woher kommen die relevanten Daten? Wie werden aus „Raw Data“ „Smart Data“, mit denen Menschen oder Maschinen umgehen können? Dies nennen wir gerne den „digitalen Schatten“. Und je nach Anwendungsdomäne kann der gleiche „Twin“ durchaus auch unterschiedliche Schatten werfen. Damit beschäftigt sich die Forschung derzeit intensiv.
Aleksy (ABB): Die mobilen Endgeräte müssen sich mit vorgeschriebener Sicherheitsausstattung der Mitarbeiter, wie z.B. mit einer Sicherheitsbrille kombinieren lassen oder entsprechende Komponenten bereits enthalten. Gleichzeitig darf das Mehrgewicht (z.B. für Akkus, etc.) nicht einschränkend sein. Darüber hinaus muss die nahtlose Integration der Geräte in die vorhandene Informations- und Kommunikationsinfrastruktur des Unternehmens gewährleistet sein, damit keine Medienbrüche entstehen. Letztere sollte mittels drahtloser Netzwerke umgesetzt werden, damit die Mobilität der Nutzer weitgehend uneingeschränkt möglich ist.
Es existieren bereits viele Demonstratoren und Pilot-Anwendungen unterschiedlicher Datenbrillen-Typen. Den vollen Durchbruch hat die Technologie jedoch noch nicht erlangt. Hier hat sich die technische Machbarkeit unter Laborbedingungen noch nicht ausreichend in der realen industriellen Umgebung bewiesen. Faktoren sind z.B. die Netzabdeckung als auch die Störeinflüsse wie Verschmutzungen oder wechselnde Lichtverhältnisse.
elektro AUTOMATION: Wie bei allen neuen internetfähigen Technologien spielen auch in diesem Bereich die Themen Sicherheit und Datenschutz eine wichtige Rolle. Was ist aus Ihrer Sicht nötig, um die erforderliche Sicherheit und den Datenschutz zu garantieren? Wie kann insbesondere bei Wartungsarbeiten sichergestellt werden, dass keine Gefährdungen des Personals auftreten?
Goldstein (Beckhoff): Zunächst einmal müssen wir die Begriffe “Sicherheit” und “Safety” klar voneinander unterscheiden. Themen wie Sicherheit (hier: nicht Safety) und Datenschutz müssen ganzheitlich und auf allen Ebenen betrachtet werden. Aus Sicht der reinen Datenkonnektivität wird durch Verwendung der oben genannten Kommunikationstechnologien bereits „auf dem Draht“ eine Absicherung der Kommunikationsverbindung durch gängige Kryptografie-Hilfsmittel, wie z. B. TLS, ermöglicht. Über digitale Zertifikate kann man sowohl die Datenpakete verschlüsseln als auch eine Authentifizierung zwischen Client und Message Broker vornehmen. Das Thema Sicherheit im Sinne von Safety – als Vermeidung von unvertretbaren Risiken – muss in einem gesonderten Prozess entsprechend der normativen Anforderungen betrachtet werden.
Güthoff (Lenze): Um hier auf Nummer sicher zu gehen sind unsere Service-Mitarbeiter in der Helpline zu den Themen Datenschutz und Sicherheit geschult. Bei der Videoübertragung wird der Kunde über einen gezielten Anwendungsprozess über entsprechende Besonderheiten im Datenschutz und für die auszuführende Handlung mittels unserer allgemeinen Servicebedingungen hingewiesen. Nur wenn der Kunde dieses akzeptiert, kann eine Videotelefonie durchgeführt werden. Werden in der Produktion vor Ort Aufzeichnungsmedien eingesetzt, empfehlen wir unseren Kunden entsprechende Hinweisschilder aufzustellen, so dass Mitarbeiter die nicht aufgezeichnet werden möchten, diesen Bereich meiden. Beim Thema Datensicherheit setzt Lenze zukünftig auf ein TÜV-geprüftes System. Zudem werden die Daten dann auch über einen gesicherten Lenze-Server geleitet.
Quendt (Siemens): Wichtig für die Akzeptanz ist der sensible Umgang mit personenbezogenen Daten. Arbeitnehmervertreter sind dazu frühzeitig einzubeziehen, wenn die Einführung dieser neuen Technologien geplant ist. Die Kommunikation zwischen mobilen Geräten und Anwendungsserver muss sichere Kanäle nutzen. Abgreifen oder verändern von Daten kann schwerwiegende Folgen für Mitarbeiter und Unternehmen haben. Bei der Gestaltung der Nutzerinteraktion ist die Arbeitssicherheit zu beachten. Ein gestreckter Arm für einen Gestikbefehl darf beispielsweise nicht mit dem Aktionsraum eines Roboters kollidieren.
Runde (VDC): Das Thema Sicherheit in all seinen Facetten ist bei Datenbrille heute sehr spärlich beleuchtet. Entspricht der physische Aufbau der Brille den Erfordernissen der Arbeitssicherheit, hat sie etwa Sicherheitsglas? Kann ich die virtuellen Menüs fix im realen Raum positionieren, und zwar außerhalb des Bereichs, in dem ich mit meinen Händen arbeite – andernfalls liefe ich Gefahr meine Sicht in einem sehr wichtigen Bereich einzuschränken. Die Frage, in wessen IT-Netzwerk die Brille eingebunden ist, hängt auch vom Geschäftsmodell zur Brillennutzung ab. Wahrscheinlich wäre es besser, wenn der Maschinenbetreiber und nicht der Maschinenlieferant die Brille in sein Netzwerk integriert. Er behält damit die Sicherheit in der eigenen Hand. Das bedeutet wiederum, dass Standards hermüssen, damit ein Maschinenbetreiber nicht beispielsweise sechs Datenbrillen für seine sechs unterschiedlichen Maschinen beschaffen muss. Diese Frage wird mit den sich abzeichnenden Brillen-Software-Ökosystemen spannend: Wir haben bereits Brillen unter Windows, Android, Linux und wahrscheinlich demnächst iOS.
Schmitt (WZL): Das Thema der Datenintegrität bleibt eine Herausforderung. Denn die Datenqualität hängt ja nicht nur von der Validität, sondern der zeitlichen Synchronität ab. Und das verschärft sich, wenn wir nicht nur vom Normalbetrieb ausgehen, sondern insbesondere den Fall einer „unfreundlichen Aktion“ berücksichtigen. Im Prinzip gelten die gleichen Herausforderungen, die für alle festvernetzten Produktionsanlagen bereits gelten. Aber natürlich stellen frei vernetzte, über mehrere Wertschöpfungsstufen verkettete Systeme, die noch eine variable Anzahl spontan vernetzter Komponenten bewältigen können, besondere Anforderungen. An dieser Herausforderung, die ja auch ein hohes Datenvolumen bei geringer Latenz sicherstellen muss, arbeiten bereits viele kluge Köpfe, ein aussichtsreicher Kandidat dafür ist die Block-Chain Technologie. Ich bin überzeugt, dass dies nicht der Flaschenhals für die Einführung der Technologie sein wird.
Aleksy (ABB): Neben der Nutzung von State-of-the-art-Sicherheitstechnologien, wie z.B. aktuellen Verschlüsselungsalgorithmen, sollte man im Vorfeld eine Sicherheitsanalyse durchführen. Hierbei sollten verschiedene Angriffsszenarien betrachtet und bewertet werden und entsprechende Gegenmaßnahmen getroffen werden.



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