Aufgrund der zunehmenden Größe von Anlagen und der wachsenden Komplexität der Automatisierungstechnik wächst der Bedarf nach einer Verfügbarkeit von Informationen vor Ort: So müssen Dokumentationen überall zugreifbar sein anstatt in Papierform am anderen Ende der Fabrik gelagert zu werden. Auch Sensorinformationen und Kenndaten nutzen einem Anlagenbediener oft wenig, wenn sie nur in einer entfernten Leitwarte zur Verfügung stehen.

Mit der Verfügbarkeit industrieller Apps könnte sich dies in Zukunft ändern. Wenn dem Mitarbeiter dadurch relevante Daten direkt an der Maschine zur Verfügung stehen, wirkt dies zum einen der Informationsüberflutung des Leitstandpersonals entgegen. Zum anderen wird ein schnelleres Eingreifen in den fehlerhaften Prozess ermöglicht. Beispielsweise lässt sich einem Mitarbeiter direkt über die App signalisieren, dass ein Ventil zu lange offen steht, oder ein Antrieb einen ungünstigen Energieverbrauch zeigt, ohne dass er dazu über die Leitstelle informiert werden muss.

Typische Systemarchitektur für die Diagnose-Unterstützung

© Fraunhofer IOSB

Das Bild links zeigt eine typische Systemarchitektur für die Diagnose-Unterstützung wie sie beim Fraunhofer-Anwendungszentrum Industrial Automation (IOSB-INA) in Lemgo zum Einsatz kommt: Ziel der Architektur ist es, heterogene Prozesse und heterogene Visualisierungsplattformen zu unterstützen. Prozessdaten werden dazu zentral auf einem OPC-UA-Server (OPC Unified Architecture) gesammelt und auf einem Diagnoserechner analysiert. Dort erfolgt in einer Präsentationsschicht die Aufbereitung der Diagnose-Ergebnisse für die Anzeige auf verschiedenen Endgeräten (PC, Smartphone, Tablet). Beispielsweise bieten entsprechende Apps Automaten zur Visualisierung des generellen Anlagenzustands oder auf die wesentlichen Informationen reduzierte Prozessdaten an. Die Übertragung der Daten geschieht in Form von SVG-Grafiken (Scalable Vector Graphics). Hierdurch lassen sich verschiedene Endgeräte schnell anbinden. Aktuell führt das Fraunhofer IOSB-INA hierzu erste Projekte mit Unternehmen aus der Fertigungs- und Verfahrenstechnik durch.

Die Konfiguration von Anlagenteilen beziehungsweise Automatisierungskomponenten vor Ort ist ein weiterer relevanter Anwendungsfall. Heute ist für die Parametrierung von Buskopplern oder Messumformern ein Notebook mit gerätespezifischer Software und häufig ein spezieller Diagnose-Adapter notwendig. In Zukunft können mobile Endgeräte mittels drahtloser Übertragungsprotokolle direkt mit Automatisierungskomponenten und Anlagenmodulen kommunizieren und so eine Konfiguration oder Optimierung unterstützen.

Kurzum: Apps eröffnen in naher Zukunft Möglichkeiten für neue Mehrwerte und Alleinstellungsmerkmale im ansonsten klassischen Business-to-Business-Markt der Automation: Betreiber könnten Apps der Hersteller zur Gerätekonfiguration nutzen, Maschinenbauer können Diagnose-Apps zum Condition-Monitoring anbieten und Systemintegratoren können den Werksleitern mittels entsprechender Apps Hinweise zu Leistungskennzahlen (KPIs) geben.

Hierdurch verändern sich jedoch Wertschöpfungsketten. Plötzlich konkurrieren Firmen über Grenzen der Wertschöpfungskette hinweg um den Platz auf dem Smartphone des Endanwenders. Komponentenhersteller, die bisher meist voll integrierte Engineer­ing-Plattformen anbieten, könnten in Zukunft beispielsweise Apps mit einem begrenzten Funktionsumfang für genau einen Anwendungsfall anbieten. Vielleicht treten aber Systemintegratoren auch als Weitervermarkter von OEM-Anteilen auf, indem sie Softwarekomponenten von Geräte- oder Maschinenherstellern zu neuen Apps kombinieren. Hierzu bedarf es einer analogen Technologie wie FDT/DTM (Field-Device-Tool/Device-Type-Manager) für die App-Entwicklung.

Die Technologie-Aspekte

Ein Grund für den Erfolg moderner Apps ist die breite Verfügbarkeit entsprechender leistungsfähiger mobiler Plattformen. Der Startschuss für diese Technologierevolution war Apples erstes iPhone aus dem Jahr 2007. Schon heute besitzen in Deutschland über 27 Mio. Menschen ein Smartphone, wobei nicht jedes dieser Geräte einen Apfel auf der Rückseite trägt. Google hat mit dem Android-Betriebssystem in den letzten Jahren einen beachtlichen Marktanteil von 68 % erreicht (Apple 17 %). Seit 2010 gibt es auch erste Geräte mit dem Betriebssystem Microsoft Windows Phone, welches bisher jedoch nur einen geringen Marktanteil von 4 % erreichen konnte.

Für den Benutzer bieten alle drei Plattformen ähnliche Funktionen an, die durch Apps erweiterbar sind. Für die Erstellung dieser Apps liefern die Hersteller jedoch für die eigene Plattform angepasste Werkzeuge und verwenden unterschiedliche Programmiersprachen. So ist für die Entwicklung einer iOS-App zwingend ein Apple-Computer notwendig, um die Entwicklungsumgebung Xcode ausführen zu können. Die Implementierung erfolgt hier mit Objective-C, Tests können direkt auf einem iPhone- beziehungsweise iPad-Simulator durchgeführt werden. Android setzt für den gleichen Zweck auf Eclipse und verwendet die Programmiersprache Java.

Diese unterschiedlichen Philosophien bei Entwicklung und Betriebssystemen führen dazu, dass eine App für jede Plattform neu entwickelt werden muss. Dies hat jedoch den Vorteil, dass plattformtypische Konzepte und Ansichten – etwa Oberflächen und Gestensteuerung bei iOS – in allen Applikationen zur Verfügung stehen.

Jedoch ist es aus Unternehmenssicht nicht besonders effizient, für jede Plattform ein eigenes Entwicklungsprojekt mit unterschiedlichen Programmiersprachen und Konzepten durchführen zu müssen. Da jedes Smartphone einen Browser besitzt, entstand die Idee, Apps im Browser auszuführen und so auf mehreren Plattformen verfügbar zu machen. Dieses Verfahren verlangt allerdings eine Online-Verbindung und kann nur schwer auf plattformspezifisches Look & Feel eingehen. Darüber hinaus sind grafikaufwendige Oberflächen oft wenig performant. Die Abrechnung der Apps ist hier ebenfalls separat zu entwickeln.

Der Vorteil hybrider Apps

Die Möglichkeit, Vorteile beider Verfahren zu vereinen, bieten hybride Apps. Hier wird der eigentliche Inhalt der App wie eine Webseite entwickelt. Das plattformspezifische Look & Feel entsteht durch die Verwendung von JavaScript-Bibliotheken wie zum Beispiel PhoneGap, die auf native Elemente verweisen. Die erstellte „Webseite“ wird abschließend in eine native App eingebettet, die aus einem einfachen Browserfenster besteht. Auf diese Weise entsteht eine App, die für die jeweilige Plattform nativ ist, deren Inhalt jedoch webbasiert und dadurch auf verschiedenen Plattformen verwendbar ist.

Apps im Maschinenbau, Vergleich der drei Ansätze zur App-Entwicklung

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Ein weiterer wichtiger technologischer Grund für den Erfolg moderner Apps in der Automation ist die Verfügbarkeit von relevanten Daten wie Sensorinformationen, Diagnosedaten und anderen Kenndaten. Die Verfügbarkeit ist dabei vor allem durch transparentere, das heißt von der Netzwerk-Topologie unabhängige Protokolle wie etwa Webservices gebunden.

Aktuell wird diese Datenverfügbarkeit allerdings noch stark durch die heterogenen Echtzeit-Protokolle, durch fehlende Vernetzungen und durch pro­prietäre Schnittstellen behindert. Einen ersten Ansatz für ein einheitliches Prozessdaten-Interface stellt das OPC-DA-Protokoll (OPC Data Access) dar. Derzeit gibt es Bestrebungen, durch den Nachfolgestandard OPC UA (OPC Uni-fied Architecture) eine weitergehende horizontale und vertikale Integration zu erreichen.

OPC UA ist ein geeigneter Ansatz, um Daten verschiedenster Geräte (SPS, Energiezähler etc.) einheitlich zu erfassen. Hierzu kann OPC UA die Semantik der Daten mittels eines expliziten Informationsmodells integrieren, sodass die Dateninterpretation vereinfacht wird. Außerdem verwendet OPC UA zur Datenübertragung plattformunabhängige Standards wie Webservices auf Basis von SOAP/XML (Simple Object Access Protocol/Extensible Markup Language).

Ressorucenbedarf hält sich in Grenzen

In einem Projekt zwischen dem Fraunhofer-Anwendungszentrum IOSB-INA und dem Institut für industrielle Informationstechnik der Hochschule OWL in Lemgo wurde die Skalierungsfähigkeit von OPC UA im Hinblick auf ressourcenbeschränkte Geräte untersucht, wie sie in der Feldebene anzutreffen sind. In diesem Zusammenhang ließ sich nachweisen, dass ein OPC-UA-Server mit reduziertem Funktionsumfang bei einem Speicherbedarf von nur wenigen 10 kByte realisierbar ist. Da in der Feldebene zunehmend Echtzeit-Ethernet zum Einsatz kommt, lassen sich auf elegante Weise die echtzeitkritischen Daten über den entsprechenden Echtzeit-Kanal und OPC UA über den IP-Kanal übertragen. Damit ist es nun möglich, Informationen aus der Feldebene über OPC UA ohne Projektierung durch die Automatisierungsebenen hindurch bis in das Internet zu übertragen – ein wichtiger Schritt hin zu einem „Internet der Dinge“.

Eine App auf einem WLAN-fähigen Smartphone kann so direkt mit den Feldgeräten kommunizieren, ohne den zeitkritischen Prozessdatenaustausch negativ zu beeinflussen. Der IP-Kanal ist in allen verfügbaren Echtzeit-Ethernet-Systemen heute ausreichend breitbandig, so dass sich sehr gute Bedien­reaktionszeiten erreichen lassen.

Besitzt das Feldgerät eine lokale Funkschnittstelle (WLAN/Bluetooth), so sind mittels des oben beschriebenen Verfahrens Apps auf Smartphones sehr vorteilhaft als Projektierungs- oder Di­agnosetools verwendbar. Über Nahbereich-Kommunikationssysteme (NFC), die zunehmend in mobile Geräte Einzug halten, lassen sich beispielsweise in automatisierten technischen Prozessen sogenannte Point-of-Information (POI) realisieren. Hierbei wird dem mobilen Gerät über NFC-Tags, die an den Maschinenteilen angebracht sind, ein Link zu kontextsensitiven Informationen oder Diensten bereitgestellt.

Aktuell sind viele Daten aber noch nicht mittels OPC UA verfügbar, so dass oft andere Datenerfassungsansätze verwendet werden müssen: Um Daten einheitlich und zeitsynchronisiert zu erfassen, setzt das Fraunhofer-Anwendungszentrum in Forschungsprojekten deshalb auf einen eigens entwickelten Datenlogger für Industrial-Ethernet-Systeme. Dieser greift transparent, das heißt ohne Störung der bestehenden Netzwerk-Konfiguration, die Daten der Feld- und Steuerungsebene direkt auf Netzwerk-Ebene ab und unterstützt aktuell die Protokolle Modbus/TCP und Profinet. Die erfassten Ethernet-Frames bekommen direkt in der Hardware einen Zeitstempel, der für alle in dem betreffenden Ethernet-Frame enthaltenen Prozessvariablen gilt. Anschließend werden die Prozessvariablen aus den Ethernet-Frames extrahiert und mit dem hochgenauen Zeitstempel sowie den im Engineering verwendeten Namen wiederum über einen OPC-UA-Server zur Verfügung gestellt. Variablennamen sind hierbei aus Dateien einiger Exportformate (zum Beispiel Step7-Export, PLCopen-XML) von verbreiteten Engineering-Umgebungen importierbar.

In verteilten Anlagen sind mehrere solcher Datenlogger einzusetzen. Um aber ein zeitsynchrones Abbild der Prozessdaten analysieren zu können, muss die Datenerfassung zeitsynchronisiert werden. Diese Zeitsynchronisation basiert auf dem Precision Time Protocol gemäß IEEE 1588 und erlaubt generell eine Synchronisationsgenauigkeit von wenigen Mikrosekunden. Gerade in sehr schnellen Applikationen – etwa bei Motion Control – erlaubt solch eine hochgenaue Datenerfassung erst eine Analyse und eine Diagnose der Anlage.

Die aktuellen Herausforderungen

Um eine breite Akzeptanz von Apps an der Maschine zu erreichen, sind noch einige Fragen zu klären – unter anderem was die Themen Sicherheit und Echtzeit betrifft.

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Ergo lässt sich festhalten, dass aktuell sowohl Marktfaktoren als auch Technologie-Entwicklungen für einen Einsatz von Apps im Umfeld der industriellen Automation sprechen. Trotzdem stehen nach wie vor einige technologische Hindernisse einer breiten Umsetzung von Apps für die Konfiguration und die Diagnose in der Automation im Weg:

Zum einen müssen transparente Datenschnittstellen wie OPC UA auf breiter Front Einzug in die Automatisierungstechnik finden. Dies umfasst auch standardisierte Lösungen für Sicherheits- und Echtzeitfragen. Zum anderen müssen Unternehmen sicher sein, dass Investitionen in die App-Entwicklung langfristig gesichert sind. Dies setzt berechenbare und überschaubare Aufwände für Entwicklung und Wartung voraus. Hierzu bedarf es aber plattformübergreifender App-Entwicklungsumgebungen und einer gesicherten Kompatibilität der Plattformen.

Letztendlich wird allerdings für den Erfolg von Apps in der Automation die Fantasie der App-Entwickler entscheidend sein. Nur wenn die Endanwender einen klaren Mehrwert in ihrer täglichen Arbeit erkennen, werden sich Apps und damit entsprechende mobile Endgeräte in der Automation durchsetzen. Dazu müssen Apps mehr anbieten als die pure Wiedergabe von Dokumentationen und die Anzeige einzelner Kenndaten der Anlage. Hier lässt das Potenzial von ortsbezogenen Diensten, von 3D-Grafiken und von Augmented Reality auf interessante und innovative Apps hoffen.

Autoren:
Dr. Oliver Niggemann ist Professor für Technische Informatik an der Hochschule Ostwestfalen-Lippe im Lemgo,
Sebastian Faltinski arbeitet als Leiter Software-Entwicklung bei der Firma ISI Automation,
Jahanzaib Imtiaz ist als Wissenschaftler am Institut Industrial IT (inIT) tätig.