07.05.2014

Tablets und Smartphones im industriellen Einsatz

Die Steuerung und Bedienbarkeit zählt künftig zu den wichtigsten Differenzierungsmerkmalen von Geräten, Maschinen und Anlagen. Beim Human Machine Interface, also der Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine, zeichnet die ITK-Branche den Weg bereits vor: Statt fest installierter Displays und Tastaturen werden mobile Tablets dominieren. Bediener und Servicetechniker tragen die Tablets mit sich herum; kleine Apps dienen der Steuerung. Dies eröffnet der Industrie viele neue Chancen. Jedoch stellen sich bei der Entwicklung solcher Systeme auch neue Herausforderungen, die adressiert werden müssen.

Autor: Thomas Sorg, Expleo Germany GmbH.


Bild 1: Industriesteuerung per Tablet-PC
Bild: istockphoto.com: uchar

In der Automobilindustrie entstehen heute 80% der Innovationen in der Software. Dieser Trend von Hardware zu Software ist auch beim Maschinen- und Anlagenbau stark auf dem Vormarsch. Dies ist allein schon aus der sich verschiebenden Aufteilung der Entwicklungs-Budgets zwischen Hardware und Software ersichtlich. Das Human Machine Interface (HMI) wird dabei immer mehr zum Verkaufsargument, da dieser Teil der Maschine mit dem Anwender direkt in Kontakt steht. Ein gutes HMI sorgt dafür, dass die Maschine intuitiv bedienbar und damit effizient und ohne aufwändige Schulungen einsetzbar ist. Ein Grund für den Erfolg von Smartphones und Tablets liegt genau in dieser intuitiven Bedienung. Solche Produkte mit ihren neuen, innovativen Interaktionskonzepten, werden insbesondere von Jugendlichen - den Maschinenbedienern von morgen - wie selbstverständlich verwendet. Konzepte für mobile Endgeräte wie das der typischen Wischbewegung oder des Verwendens des Gyrosensors wird deshalb von ihnen erwartet oder gar vorausgesetzt. Deshalb ist es naheliegend, nicht nur das Look & Feel von iPad und Co., sondern die Geräte selbst in industriellen Steuerungen zu verwenden. Jedoch ist nicht jedes mobile Endgerät geeignet für den Einsatz in industriellen Anwendungen. Ebenso macht nicht jede Anwendung auf einem Tablet oder Smartphone Sinn. So ist z.B. nicht jedes Display für die Bedienung mit Handschuhen geeignet und viele Geräte sind nicht für den harten industriellen Einsatz ausgelegt.

Neue Anforderungen in der Steuerungsentwicklung

Bediensoftware für Maschinensteuerungen als App für Tablet-Betriebssysteme zu konzipieren hat viele Vorteile. Die Geräte werden immer leistungsfähiger und günstiger, ihre Touch-GUIs setzen Maßstäbe in der Ergonomie. Ein Gerät kann zur Steuerung unterschiedlicher Maschinen und ganzer Anlagen oder Teilen von Anlagen dienen. Varianten und Updates von Steuerungen sind komplett in Software realisierbar und einfach zu verteilen. So kann z.B. die Infrastruktur von Google oder Apple (Playstore bzw. iTunes) für die Distribution verwendet werden. Das Gerät erkennt selbst, dass ein Update verfügbar ist und installiert dieses automatisch. Der größte Vorteil aber ist: Jeder Bediener und Servicetechniker hat sein eigenes, personalisiertes Bedien-Interface für die Maschine dabei und kann auf die Steuerung zugreifen - egal, wo er gerade an der Maschine steht. Unterschiedliche Maschinen und Anlagenteile lassen sich so über ein Device steuern. Zum einen sinken dadurch die Hardwarekosten, da die Maschine selbst keine Bedieneinheit mehr benötigt. Zum andern kann der Anwender auch sein gewohntes Gerät verwenden, auf dem alle Applikationen, die gegebenenfalls unterschiedliche Maschinen steuern, installiert sind. Diesen Ansatz nennt man BYOD (Bring Your Own Device). Die Arbeit lässt sich dadurch effizienter gestalten. Das eigene Tablet wird zur Zentrale, um verschiedene Anlagen zu steuern. Die Applikationen auf dem mobilen Gerät können miteinander kommunizieren und notwendige Daten austauschen. Zusätzlich zu der Herausforderung, fortschrittliche Touch-screen-Bedienkonzepte zu entwickeln - die bloße Portierung von herkömmlichen PC-GUIs führt hier in eine Sackgasse, weil auf die Besonderheiten dieser Geräte eingegangen werden muss - ergeben sich noch viele neue Fragen.

Heterogenes Umfeld

Smartphones und Tablets gibt es in vielen Größen und mit unterschiedlichen Bildschirmauflösungen. Ebenso sind die zugrundeliegenden Technologien sehr unterschiedlich. Noch ist nicht abzusehen, ob sich eine Technologie durchsetzen wird. Ein Ansatz, diese Unsicherheit in den Griff zu bekommen, ist die Erstellung von HTML5-basierten Web-Apps. Diese sind in der Theorie plattformunabhängig und passen sich an das native Design des zugrundeliegenden Betriebssystems an. Der Nachteil dieser Web-Apps besteht jedoch darin, dass sie nicht auf alle Ressourcen des Geräts zugreifen und dadurch manche Use Cases nicht umgesetzt werden können. Die unterschiedlichen Displaygrößen lassen sich mit einem auf Responsive Design basierenden Ansatz bis zu einem gewissen Grad in den Griff bekommen. Die Datendichte und das Layout der Oberflächenelemente passen sich dabei selbständig an den zur Verfügung stehenden Platz an.

Safety and Security

Die Kommunikation zwischen Tablets und den zu steuernden Geräten erfolgt in der Regel drahtlos. Folglich bedarf diese Schnittstelle besonderen Schutzes, um unbefugten Personen und Geräten den Zugriff zu verwehren. Im einfachen Fall kann das ein geschütztes WLAN sein. Jedoch bietet sich auch die Möglichkeit, über das Mobilfunknetz eine Anlage remote zu überwachen oder gar zu steuern. Während die Kommunikation über ein lokales WLAN noch einfach in den Griff zu bekommen ist, entstehen bei Verwendung des Mobilfunknetzes ganz neue Anforderungen aufgrund des Weges über das Internet. Das vormals geschlossene System der Produktionsanlage wird zu einem offenen System, welches prinzipiell für jedermann zugänglich ist. Technologien zur Absicherung wie das Verwenden von VPN-Tunneln sind vorhanden, erfordern jedoch einiges an Verwaltungsaufwand, um möglicher Schadsoftware oder Hackern den Zugriff zu verweigern. Der Security-Aspekt wird noch wichtiger, wenn in neuen Workflows Cloud-Applikationen genutzt werden, um z.B. Daten zu speichern. Die Frage nach der Sicherheit von Cloud-Applikationen muss im Einzelfall beantwortet werden. Viele Daten in der Produktion sind so sensibel, dass die Verwendung von Clouds von vorneherein ausgeschlossen werden muss. Sind die Daten jedoch für das Speichern in der Cloud geeignet, so können sich neue, effiziente Workflows ergeben, da von überall auf die Daten zugegriffen werden kann. Ein nicht zu vernachlässigender Aspekt in der drahtlosen Kommunikation ist die Frage nach der 'Quality Of Service'. Ist also das drahtlose Netz in der Umgebung, in der sich die Anlage befindet, auch verfügbar und stabil? Insbesondere bei Anlagen, die weltweit vertrieben werden, ist dies zu beachten. Die Betriebssicherheit (Safety) einer Tablet-gesteuerten Maschine ist ein zentrales Thema bei Tablet-basierten Steuerungen. Bisher bieten Maschinen z.B. Hardware-Schalter, um Safety-Anforderungen zu erfüllen. Werden Safety-relevante Funktionen innerhalb der mobilen Applikation umgesetzt, so muss die Frage nach der Zertifizierbarkeit beantwortet werden.

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Mehr als reine App-Entwicklung

So leicht, wie die Gerätebedienung am Ende wirkt: Ihre Entwicklung erfordert Erfahrung weit über die reine App-Programmierung hinaus und verlangt im industriellen Umfeld viel mehr Know-how als im Consumerbereich. Die mobile Applikation ist nur noch Teil eines Gesamtsystems, das aus Software und Hardware besteht. Die Entwicklung des HMI muss deshalb frühzeitig auf die Entwicklung der zu steuernden Embedded-Systeme abgestimmt sein. Die Anforderungen an die Qualitätssicherung und den Testprozess sind ebenfalls nicht zu unterschätzen. Fehler in der Applikation haben hier weitaus gravierendere Auswirkungen als beim Smartphone zu Hause. Sieht man jedoch die Chancen, die aus diesem ganz neuen Markt resultieren, so lohnt es sich auf jeden Fall, die sich ergebenden Herausforderungen in den Griff zu bekommen.

Zusammenfassung

Industriesteuerungen per Tablet-PC sind ergonomischer, dienen als Verkaufsargument und sparen Kosten ein. Die HMI-Entwicklung wird hardwareunabhängiger. Berner & Mattner hat als Entwicklungspartner die dabei neu entstehenden Security- und Safety-Fragen methodisch im Griff und beantwortet offene Fragen zur Architektur und zum Testen solcher Systeme.

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