Smart Devices
Vermittler zwischen Mensch, Maschine und Software

Florian Lindner, Kevin Nikolai Kostyszyn, Dennis Grunert, Karl Lossie und Robert Schmitt

Durch den rasanten Anstieg der Nutzung von Smart Devices im industriellen Umfeld entstehen neue Möglichkeiten einer optimalen Einbindung des Menschen in vernetzte Produktionssysteme. Für einen erfolgsversprechenden Einsatz der Smart Devices in der industriellen Kommunikation sind geeignete Schnittstellen zwischen Devices und Softwaresystemen, Maschinen und Mitarbeitern erforderlich. In diesem Beitrag werden neue mögliche Schnittstellen zu Smart Devices vorgestellt und entsprechende Anwendungsmöglichkeiten auf dem Shopfloor diskutiert.

Hoher Automatisierungsgrad, kundenindividuelle Produkte, große Variantenvielfalt – moderne Produktionssysteme, -maschinen und -abläufe sind äußerst komplex und ein genauer Überblick über den jeweils aktuellen Systemzustand auf dem Shopfloor ist nur schwierig zu erlangen. Zentralisierte Softwareanwendungen wie Enterprise Resource Planning (ERP), Manufacturing Execution Systems (MES) oder Computer Aided Quality (CAQ) planen, steuern und überwachen Produktionsabläufe. Da beispielsweise bei plötzlich auftretenden Störungen zeitnahe Handlungs- und Eingriffsmöglichkeiten unabdingbar sind, ist der Bedarf an Informationen auf dem Shopfloor besonders groß und zeitkritisch. 

Eine Folge dieser Entwicklung ist, dass sich neue Kommunikationsteilnehmer auf dem Shopfloor wiederfinden, da Smart Devices vermehrt Einzug in industrielle Anwendungen erhalten. Der Umgang mit solchen intelligenten Endgeräten, wie Smartphones, Tablets oder Smart Watches ist aus dem Alltagsleben längst bekannt. Neben dem privaten Gebrauch bieten diese Geräte enorme Möglichkeiten für industrielle Anwendungen. Sie können ihr Potential immer dann entfalten, wenn der Mensch in Arbeitsabläufe und Informationsflüsse eingebunden wird. Hier bieten vor allem Smart Glasses die Möglichkeit einer besonders effektiven und schlanken Informationsverarbeitung und -bereitstellung. Beispiele für Anwendungen in der industriellen Praxis finden sich in Logistikvorgängen wie dem Kommissionieren, in Serviceanwendungen wie Remote Support oder in der Qualitätssicherung [1]. Die Nutzung unterstützender Endgeräte wie Scanner liegt bei den Beschäftigten im produzierenden Gewerbe bereits bei 54 Prozent. Die Nutzung im Maschinen- und Fahrzeugbau liegt gegenwärtig bei 63 Prozent [2]. 

Eine konsequente Einbindung in die bestehende Systemlandschaft ist notwendig für einen erfolgreichen Einsatz von Smart Devices und einer daraus resultierenden optimalen Unterstützung der Mitarbeiter. Dafür werden, anstelle von Stand Alone-Lösungen, direkte Kommunikationsmöglichkeiten und Interaktionen mit Planungssystemen, Maschinensteuerungen, den Mitarbeitern selbst sowie den Smart Devices untereinander benötigt. Erst durch die direkten Kommunikations- und Interaktionsmöglichkeiten erreichen Smart Devices den Status eines vollständig vernetzten Akteurs in modernen vernetzten Produktionssystemen und sind nicht mehr nur ein Mittel zur Informationsübermittlung. Daraus folgt, dass der Mensch den Mittelpunkt der vernetzten Produktion einnimmt. Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT in Aachen erforscht hierbei neue Anwendungsmöglichkeiten für Smart Devices und den damit einhergehenden Erweiterungen herkömmlicher Schnittstellen in der industriellen Produktion. Die vollständige Integration mobiler Endgeräte in die Systemlandschaften wird neben den etablierten Schnittstellen zwischen Mensch-Maschine oder Maschine-Maschine vor allem durch die Schnittstellen Device-
Device, Mensch-Device sowie Device-Maschine ermöglicht. Weiterhin erschließen diese neuen Schnittstellen neue Anwendungen (Bild 1). 

 


Bild 1: Smart Devices als Vermittler auf dem Shopfloor

Aktueller Forschungsschwerpunkt ist die Definition und Umsetzung dieser neuen Schnittstellen sowie die Entwicklung sinnvoller Anwendungen. Beim Datenaustausch Device-Maschine ist die Echtzeitfähigkeit der Kommunikation die Grundlage zur Erstellung geeigneter Applikationen zur maschinennahen Interpretation und Analyse von Rohdaten. Außerdem ist Echtzeitfähigkeit erforderlich, um im Bedarfsfall schnelle Handlungs- und Eingriffsmöglichkeiten für den Mitarbeiter schaffen zu können. Durch die Kommunikation der Smart Devices untereinander (Device-Device), entsteht die Möglichkeit, neuartige Informationen durch die verteilte Datenaufnahme im Sensor-Netzwerk der mobilen Endgeräte zu generieren. Ein kostengünstiges und effizientes Shopfloor-Monitoring kann auf Grundlage von Ansätzen zur Indoor-lokalisierung umgesetzt werden. Hauptaspekt der Mensch-Device Kommunikation ist die maßgeschneiderte Bereitstellung von Informationen, um die bestmögliche Flexibilisierung des Mitarbeiters zu erreichen und ihn besonders bei unbekannten und variablen manuellen Tätigkeiten zu unterstützen. In den folgenden drei Abschnitten werden aktuelle Forschungsergebnisse für alle drei skizzierten Schnittstellen zwischen Smart Devices und anderen Akteuren vorgestellt. 


Monitoring mittels Kommunikation zwischen Devices 

Durch direkte Kommunikation von Smart Devices untereinander können Smart Devices eigenständig Informationen aus den verteilten Einzeldaten auf dem Shopfloor generieren. Diese Informationen können beispielsweise für eine kostengünstige Indoor-Lokalisierung mittels mobiler Endgeräte genutzt werden. Informationen zu Produktion, Maschinen oder Bauteilen werden von einem vernetzten System aus Smart Devices ortsabhängig bereitgestellt, wodurch ein schlankes Shopfloor Monitoring ermöglicht wird. Um die mobilen Endgeräte lokalisieren zu können, wird ein flächendeckendes System sogenannter Beacons erstellt und referenziert. Beacons sind Signalgeber, die in definierten Frequenzen bestimmte gespeicherte Informationen, wie beispielweise ihre individuelle Position in der Halle, senden. Sie basieren auf der Bluetooth Low Energy (BLE)-Technologie, haben etwa die Größe einer Streichholzschachtel und ihr Preis liegt im niedrigen Eurobereich. Über die Bluetooth-Signale mehrerer Beacons können die absoluten Positionen mobiler Endgeräte (Glasses, Watches, Tablets) auf dem Shopfloor berechnet werden. Dazu wird über die jeweilig empfangene Signalstärke eine relative Distanz zum jeweiligen Beacon berechnet. Diese Distanzwerte werden anschließend genutzt, um durch Transformationsregeln die Positionswerte der mobilen Endgeräte zu berechnen (Bild 2). 
 


Bild 2: Device-Device-Kommunikation für ein
effizientes Monitoring der Produktion 

Die vorgestellte Methode zur Indoor-lokalisierung wurde im Rahmen des Exzellenzclusters „Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer“ in eine Software zum intelligenten Shopfloor-Monitoring implementiert [3]. Dadurch können den Mitarbeitern nun aktuelle Produktionskennzahlen, wie Bearbeitungsfortschritt, Maschinenverfügbarkeit, Qualitäts-Kennzahlen etc. beim Rundgang über den Shopfloor an der jeweiligen Bearbeitungsstation auf dem Smart Device angezeigt werden. Das traditionelle Kennzahlen-Dashboard wird also durch die mobile Anzeige entsprechender Kennzahlen abgelöst. Eine eindeutige Zuordnung der eingeblendeten Informationen zu den jeweiligen Produktionsanlagen ist auch bei dicht gestellten Maschinen durch einen integrierten digitalen Kompass, welcher in der Lage ist die Blickrichtung des Device-Trägers zu identifizieren, möglich. Das System blendet die relevanten Informationen ein, wenn die vom Device-Träger anvisierte Produktionsanlage erkannt wurde. Da kommerzielle Systeme in der Regel zur hochgenauen Positionsbestimmung für Indoor-Lokalisierung ausgelegt und kostenintensiv sind, ist der große Vorteil des neu entwickelten Systems die geringen Kosten zur Installation. Außerdem ist eine hochgenaue Positionsbestimmung für ein reines Monitoring von Maschinen nicht notwendig, sodass die BLE-Technologie mit ihren Ungenauigkeiten für diesen Zweck vollkommen ausreichend, und ein Lokalisierungssystem durch Smart Devices entsteht. Dazu entfällt das manuelle Abrufen über QR-Codes an den Produktionsanlagen, da das System automatisch durch kontinuierliche Analyse von Position und Blickrichtung des Device-Trägers die jeweilige Anzeige wechselt. 


Smart Devices zur Flexibilisierung des Werkers 

Eine grundsätzliche Komponente einer vernetzten Produktion ist die Versorgung des Mitarbeiters mit denjenigen Softwarefunktionalitäten und Informationen, die ihm die effiziente Ausübung seiner Tätigkeiten unter Berücksichtigung geltender Qualitätsstandards ermöglichen. Benutzerfreundliche Schnittstellen zwischen Mitarbeiter und Smart Device sind dafür essentiell. Zu diesen Schnittstellen zählt neben der kontextabhängigen Informationsbereitstellung auch die Möglichkeit der Digitalisierung gesammelter Informationen ohne großen Zusatzaufwand. Als Beispiel sei hier der Einsatz von Smart Devices zur Speicherung von Prüf- oder Messdaten, welche drahtlos in übergeordnete System, wie z. B. CAQ, übertragen werden, genannt. Smart Devices können durch integrierte Sensoren, wie zum Beispiel Kameramodule, auch als Prüf- oder Messwerkzeug zum Einsatz kommen. Sicht- oder Vollständigkeitsprüfungen montierter Produkte werden durch Softwareanwendungen zur kamerabasierten Bildanalyse ermöglicht, auch an Arbeitsplätzen, an denen nicht-ideale Lichtverhältnisse herrschen. Automatisch dokumentierte Quittungen in Kommissionierungs- oder Produktionsprozessen können durch das Scannen von QR-Codes oder über NFC-Tags umgesetzt werden.

Besonders bei variantenreichen manuellen Produktionsprozessen spielt der Einsatz personalisierter Assistenzsysteme auf Smart Devices eine große Rolle. Grund dafür ist, dass Unternehmen mit hoher Mitarbeiterfluktuation oder eingeschränkten personellen Kapazitäten häufig vor der Herausforderung stehen ihre Produktionsaufträge termingerecht zu bewältigen, obwohl sie nicht über ausreichend verfügbare und erfahrene Mitarbeiter verfügen. Personalisierte Assistenzsysteme können in diesem Fall dazu genutzt werden, die verfügbaren Mitarbeiter zur effizienten und qualitätsgerechten Ausübung dieser Prozesse zu befähigen und somit langfristig zu flexibilisieren (Bild 3).
 


Bild 3: Mensch-Device-Kommunikation für eine Wiedergabe
von Erfahrungen am Arbeitsplatz 


Eingesetzt werden derart gestaltete Systeme beispielsweise in der frei vernetzten Montage, deren Grundlagen derzeit im Forschungsprojekt freeMoVe untersucht und ausgestaltet werden [4,5]. 

Das personalisierte Assistenzsystem blendet dem Mitarbeiter dabei prozessbegleitende Anleitungen, technische Dokumente und digitalisierte Prozesserfahrungen auf dem Display des Smart Devices ein. Die digitalisierten Prozesserfahrungen werden zuvor durch Prozessexperten am Arbeitsplatz unter der Verwendung von Smart Devices in Form von Beschreibungselementen wie z. B. Video-, Bild- oder Tonaufnahmen aufgenommen. Die Auswahl der Informationen, welche dem Mitarbeiter bereitgestellt werden, kann auf Basis gewünschter Qualitätsanforderungen und mitarbeiterbezogener digitaler Kompetenz- und Erfahrungsprofile getroffen werden. Diese Informationen können außerdem mit Zielen der Erfahrungs- und Kompetenzsteigerung verknüpft werden, um anschließend die Mitarbeiterprofile nach erfolgter Flexibilisierung automatisch aktualisieren zu können. Die Assistenzsysteme werden mittels einer zentralen Softwareanwendung personalisiert und anschließend auf das Ziel-Device geladen. Da eine handfreie Nutzung der Smart Devices die bestmögliche Flexibilität und geringe Einflüsse auf den Prozessablauf liefert, empfiehlt sich in diesem Anwendungsszenario zur Werkerflexibilisierung der Einsatz von Smart Glasses. 

Eine zeiteffiziente, kostengünstige sowie mitarbeiterspezifische In-house-Flexibilisierung wird durch die systemgeführte Aufnahme interner Prozesserfahrung und personalisierte Weitergabe an noch nicht ausreichend qualifizierte und kompetente Mitarbeiter durch die Schnittstelle Mensch-Device ermöglicht. Selbstgesteuertes Lernen, z. B. durch den Einsatz digitaler Medien auf Smart Devices, weist im Vergleich zu externen oder internen Schulungen oder Einweisungen durch andere Mitarbeiter, laut Studienergebnissen, Kosteneinsparungen von 75 Prozent auf [6]. Ein weiterer Vorteil ist, dass bestehendes und dokumentiertes Wissen auch bei hoher Mitarbeiterfluktuation nicht mehr verloren gehen kann. Der Einsatz von Smart Devices greift dementsprechend auch Aufgaben des Wissensmanagements auf. 


Schnittstellen zwischen Maschine und Smart Device 

Die direkte Kommunikation zwischen Smart Device und Maschine bietet zwei Vorteile: Zum einen können weitere Komponenten und Zwischenvermittler umgangen werden, sodass schnelle Reaktionszeiten für den Anwender ermöglicht werden. Zum anderen erfolgt der Datenaustausch zwischen Smart Device und Maschine unverfälscht, was die Möglichkeit einer vollständigen Kontrolle bietet und ermöglicht, dass die Daten nach Bedarf gefiltert und aufbereitet werden können. 

Die Einbindung der mobilen Endgeräte erfolgt durch die Bereitstellung von Schnittstellen direkt an der Maschinensteuerung. Zum Transfer der Maschinendaten werden normierte und verbreitete Kommunikationsprotokolle (z. B. OPC Unified Architecture) verwendet. Außerdem können herstellerspezifische Protokolle aufgrund eines interfacedriven Designs ebenfalls verwendet werden. Die Daten werden mittels einer Transporttechnologie wie z. B. WLAN oder Bluetooth und einer Kommunikation über Sockets übertragen. Die Datenaufbereitung (Analyse, Interpretation und Darstellung) wird auf jedem Smart Device selbst durchgeführt; das Zwischenschalten weiterer Komponenten, wie z. B. Server, entfällt vollständig (Bild 4). 
 


Bild 4: Device-Maschine-Kommunikation zur Echtzeitanalyse

Ein direkter Lese- und Schreibzugriff auf die einzelnen Register der Maschine sorgt dafür, dass das Lesen und Schreiben von Maschinendaten durch die Devices direkt auf der Steuerung selbst stattfinden kann. Außerdem besitzen die Devices dadurch die Möglichkeit, wie die Maschine selbst „zu sehen und zu fühlen“, sodass ein Erhalt unverfälschter Daten garantiert werden kann. Grundvoraussetzung, um die Daten und die beteiligten Geräte vor
Manipulation zu schützen, sind aufgrund dieser direkten Vorgehensweise eine sichere Kommunikation und sichere Schnittstellen. 

Ein Beispiel für eine Anwendung der Device-Maschine-Kommunikation zur Echtzeit-Datenanalyse zeigt eine Kooperation des Fraunhofer IPT mit dem Steuerungshersteller Mitsubishi Electric [7, 8]. Die Lösung adressiert zur Unterstützung des Werkers vielfältige Bereiche wie Training, Monitoring, Service & Support, Wartung, Augmentierung und Vorhersage. Ein Hauptaugenmerk liegt auf der sogenannten Augmentierung, einer Erweiterung des gesehenen Bildes, welche gewissermaßen einen „Röntgenblick“ auf die Produktionsmaschine ermöglicht, sodass variable Echtzeit-Zustandsinformationen aus der Maschinensteuerung oder aus CAD-Modellen von Einzelkomponenten direkt ins Blickfeld des Device-Trägers auf die Maschine projiziert werden können. Die direkte Anbindung der Devices an die Maschine macht diese Art der Informationsbereitstellung möglich. Dadurch kann die Maschine z. B. im Störfall direkt alle verfügbaren Informationen und relevanten CAD-Dateien bzw. den digitalen Schatten bereitstellen. Auf dem Smart Device werden dem Device-Träger Fehlermeldungen und Störungen über Pop-up Windows eingeblendet. Darüber hinaus können dem Device-Träger auch detailliertere Informationen zum Fehlerfall, sowie die räumliche Position des Fehlers an der Maschine selbst mittels Augmentierung angezeigt werden. 


Danksagung

Die Autoren danken der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG für die freundliche Unterstützung innerhalb des Exzellenzclusters „Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer“, dem Bundesministerium für Bildung und Forschung für die Unterstützung im Rahmen des Forschungsprogramms „Innovationen für die Produktion, Dienstleistung und Arbeit von morgen“ und dem Projektträger Karlsruhe (PTKA) für die Betreuung des Projekts freeMoVe (02P15A146).


 

 

Schlüsselwörter:

Smart Devices, Tablets, Smart Glasses, Werkerflexibilisierung, Echtzeit-Analyse, Indoor- Lokalisierung

Literatur:

[1] Schmitt et al.: Qualität und IT. In: Reinhart, G. (Hrsg.): Handbuch Industrie 4.0, Geschäftsmodelle, Prozesse, Technik, Hanser Verlag, München
[2] Institut DGB-Index Gute Arbeit: Der Report 2016, Wie die Beschäftigten die Arbeitsbedingungen in Deutschland beurteilen, November 2016, S. 6
[3] Sun, J. et al.: Enhancement of Personnel Competence in Industry 4.0 Production Environment by using Smart Devices. In: Proceedings of the International Scientific Conference Industry 4.0, Volume 28/214, Dezember 2016, S. 31-33
[4] Schmitt, R. et al: Frei verkettete wandlungsfähige Montage. In: AWK. Internet of Production für agile Unternehmen, 2017, S. 339-368
[5] Hüttemann, G. et al.: Montage. Automatisiert und flexibel. WGP, 2017
[6] Dummert, S.; Leber, U.: IAB Expertise - Betriebliche Berufsausbildung und Weiterbildung in Deutschland. Bundesinstitut für Berufsbildung, Institut für Arbeitsmarkt- und Berufsforschung, 6, 2016
[7] Lindner, F. et al.: Smarte Informationssysteme für den Maschinenbediener. In: ZWF, Jg. 112, Nr. 7-8, 2017, S. 515-517
[8] Lindner, F. et al.: Echtzeit-Maschinendaten auf mobile Endgeräte bringen. In: Elektronik, Jg. 66, Nr. 1, 2018, S. 38-41