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AR/VR

Augmented und Virtual Reality in der Automatisierung

| Autor / Redakteur: Christian Schlögel / Jürgen Schreier

Bearbeitungszelle goes Cloud...
Bearbeitungszelle goes Cloud... (Bild: Connyun)

Wer von Industrie 4.0 spricht, kommt an den Schlagworten Augmented, Virtual und Mixed Reality nicht vorbei. Die stark von der Spielebranche getriebenen Themen eröffnen der Industrie völlig neue Einsatzgebiete - zum Beispiel in der roboterbasierten Fertigung.

Industrie 4.0, Smart Factory, Internet der Dinge – das sind die Schlagworte, die die Wirtschaft bewegen. Von der vierten industriellen Revolution ist die Rede. Gemeint ist die intelligente Vernetzung von produktionsrelevanten Komponenten. Klar ist: Die Produktion von heute muss sich wandeln. Hardware, Software und IT wachsen in der Industrie immer schneller und enger zusammen. Die Verfügbarkeit immer größerer Rechnerkapazitäten, sei es lokal oder durch Cloud-Infrastrukturen, schafft völlig neue Möglichkeiten und treibt die Digitalisierung maßgeblich voran. Cloud Computing und Big Data ermöglichen es, riesige Datensätze zu speichern, zu verarbeiten und daraus logische Schlüsse zu ziehen.

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Übertragen auf die industrielle Fertigung heißt das: Maschinen und Anlagen verfügen über immer mehr Daten, historisches Wissen und Kontextinformationen. Maschinen und Anlagen bis hin zu automatisierten Lagerhäusern werden in der Lage sein, vielfältige Daten zu sammeln und diese mit Komponenten smarter Maschinen und IT-Systemen auszutauschen. Das gibt den Systemen die Fähigkeit, schnell zu lernen. Produktionsabläufe werden dadurch noch effizienter und die Systeme können schnell auf individuelle Kundenwünsche oder besondere Herausforderungen reagieren. Mitarbeiter können in Umgebungen agieren, die so noch gar nicht existieren oder Zusatzinformationen in die Realität einblenden. So wird rares Expertenwissen leichter zugänglich und komplizierte Technologien werden transparenter. Der Nutzen liegt darin, Prozesse effizienter zu planen oder Schadens- bzw. Störfälle im Detail zu erfassen und aus der Ferne zu beheben.

Digitale Technologien orchestrieren

Die wichtigste Voraussetzung dafür ist, dass der Datenaustausch zwischen den vernetzten Komponenten funktioniert. Diese Entwicklung hin zur „Fabrik 4.0“ funktioniert allerdings nur, wenn man bereits bestehende Anlagen, sogenannte Brownfield-Anlagen, berücksichtigt. In diesem Umfeld ist es wichtig, dass die neuen Technologien weitgehend ohne Eingriff in die verwendeten Steuerungen und Feldbuskonfigurationen eingebracht werden, um erste Schritte zu gehen und die Akzeptanz der Produktionsverantwortlichen zu erlangen. Es kommen in diesem Umfeld Edge und Cloud-Computing sowie Big Data und Data Science mit ersten Artificial-Intelligence-Anwendungen ins Spiel.

Elemente wie Edge Computing eröffnen dabei neue Funktionen: Die Konnektivität der Maschinen zu anderen Maschinen und in die Cloud, das Sammeln und Aggregieren von Daten, Edge Analytics, Remote Service, die Integration zusätzlicher Sensorik bei fehlenden Datenpunkten, Machine Identity und Cyber-Security-Erweiterungen oder Protokollkonvertierungen auf Standards –, um nur einige der vielfältigen Möglichkeiten und Aufgaben zu nennen. Die Verschmelzung von mechatronischem Know-how und hochintelligenter IT ist der Schlüssel zu noch effizienteren und flexibleren Produktionsprozessen. Beide Kompetenzen sind in diesem Umfeld entscheidend und auch nicht substituierbar.

Vernetzung aller Komponenten in der Cloud

Durch Vernetzung in der Cloud können alle Komponenten solcher Anlagen zentral überwacht werden. Möglich machen dies einfach implementierbare, App-basierte Software-Erweiterungen oder Cloud-basierte Funktionen. Diese reichen von Asset Management („Wo sind meine Maschinen und welche Softwareversion ist auf ihnen installiert?“), über den digitalen Zwilling („Wie ist das dynamische Verhalten meiner Maschine über die Zeit vor und während des Betriebs?“), Condition Monitoring („Wie geht es meiner Maschine? Wie sind der aktuelle Zustand und die Fehlersituation?“), bis hin zu Remote Service und digitalisiertem Expertenwissen („Wie kann ich schnell per Fernwartung Fehler beheben?“).

Minimale Ausfall- und Servicezeiten

Bei einer Störung kann zum Beispiel die Fehlermeldung sofort mit allen Details in die Cloud geschickt und automatisch ein Reparaturauftrag bei den zuständigen Servicetechnikern ausgelöst werden. Durch die umfangreichen Daten erhalten die Techniker sofort eine exakte Beschreibung und den Kontext des Fehlers. Alle Störungen, Ausfälle und deren Behebung werden in der Cloud in einer Wissensdatenbank abgelegt und ergänzen das digitale Expertenwissen für zukünftige ähnlich gelagerte Fälle. Techniker können so ohne aufwendige Recherchen sofort reagieren. Sollte ein Ersatzteil benötigt werden, was manuell angereichert mit diesem digitalen Expertenwissen oder per Predictive Maintenance erkannt wurde, kann es mit einem Klick bestellt werden. Die Seriennummer jeder Komponente ist in der Cloud gespeichert und mit einem direkten Link zum zuständigen Onlineshop versehen.

Das minimiert Ausfall- und Servicezeiten und spart Kosten. Auch Softwareupdates sind einfach und schnell durchführbar. Der Update-Stand jeder Anlagenkomponente wird dargestellt. Ein Klick reicht, um alles auf den aktuellen Stand zu bringen, denn die Software steht sofort zum Download und zur Installation zur Verfügung. Alle notwendigen Freigabeprozesse können natürlich auch in diesem Fall eingesetzt werden.

Alles auf einen Blick

Die Sammlung der Daten einer bereits laufenden Anlage ist die Grundlage für den Einsatz von Augmented Reality – der erweiterten Realität. Zero-Touch-Installationen für Connectivity erleichtern den Einstieg in das Thema. Computergenerierte Zusatzinformationen oder virtuelle Objekte ergänzen Live-Bilder oder Videos in Form von Einblendung oder Überlagerung. Monteure können sich ihren nächsten Arbeitsschritt direkt in das Sichtfeld einblenden lassen. Bei komplexeren Aufgaben geben zusätzlich eingeblendete Informationen Hilfestellungen.

Auch, dass einzelne Teile in einer automatisierten Anlage zur Wartung oder Reparatur hervorgehoben oder beschriftet werden, ist durchaus möglich. So kann ein Mechaniker vor Ort Arbeitsanweisungen von einem ortsunabhängigen, erfahrenen Experten erhalten. Das steigert die Service-Effizienz bzgl. Schnelligkeit und Kosten. Was mit solchen Cloud-basierten Softwarekomponenten beginnt, könnte am Ende in komplette Plattformen münden, die die Produktionsprozesse flexibel steuern, autonom optimieren und an äußere Einflüsse anpassen – und das über die gesamte digitale Wertschöpfungskette hinweg.

Upgrades für bestehende Anlagen

Ein realistischer nächster Entwicklungsschritt mit Einsatz von Augmented Reality hin zur Fabrik der Zukunft ist die Cloud-Anbindung einer bereits bestehenden Anlage. Sie ermöglicht es – auch um eine bereits bestehende vollautomatisierte, vernetzte Produktionszelle – neue Konzepte zu implementieren und sich mit den gewonnenen Erfahrungen im Sinne der immerwährenden Optimierung und Flexibilisierung auf die jeweiligen Marktbedingungen einzustellen.

Ein produktives Beispiel dieser Technologie, das im Rahmen einer Zusammenarbeit zwischen Kuka, Connyun und Device Insight entstanden ist, findet sich in der Kuka-eigenen Produktion. Es handelt sich um eine roboterbasierte Fertigungszelle in der Zerspanung, um die Lösung zu validieren, marktreif zu machen und im Sinne der Endkunden zu optimieren. Der Connyun i4 Cell Optimizer umfasst dabei die Vernetzung der Zelle an die Cloud als Basis für eine darauf aufbauende Kundenwert- und Optimierungspyramide, die veranschaulicht, welche Stufen ausgehend von der Sammlung der Daten auf dem Weg zur Virtual Reality bis zur AI-optimierten Fertigung zurückgelegt werden können.

Bearbeitungszelle goes Cloud...
Bearbeitungszelle goes Cloud... (Bild: Connyun)

Bei der Fertigungszelle, in die zwei Bearbeitungszentren integriert sind, wird dieses Konzept bereits im harten Produktionsalltag erprobt und die virtuelle Welt mit der physischen zu einem Gesamtsystem verbunden. In der realen Welt produziert diese Zelle Bauteile für einen Industrieroboter. Die Verbindung zur digitalen Welt erfolgt durch die Vernetzung aller beteiligten Komponenten miteinander über eine Zero-Touch Edge-Komponente mit der Cloud. In der Cloud stehen Services wie Authentifizierung, Datenspeicherung und -verarbeitung, Verwaltung der Komponenten, vorausschauende Wartung, Alarming- und Benachrichtigungsmeldungen zur Verfügung. Sämtliche Daten der Maschinen, der Roboter und der Werkzeuge werden dem Werker, der Instandhaltung und dem Management in konfigurierbaren Übersichten (sogenannte Dashboards) visuell dargestellt. Hierbei werden die speziellen Bedürfnisse der unterschiedlichen Mitarbeitergruppen (Servicepersonal mit Fokus auf Wartungseffizienz, Bedienpersonal mit Fokus auf Produktionseffizienz) mit spezialisierten Übersichten und Funktionen berücksichtigt.

Alle Beteiligten haben zu jeder Zeit und an jedem Ort die volle Übersicht und Kontrolle über den Produktionsprozess. Hierfür eingesetzte AR-Brillen ermöglichen eine ortsunabhängige Transparenz über die Overall Equipment Effectiveness (OEE) der Zelle – also den Prozentsatz, zu der eine Anlage in einer vorgegebenen Geschwindigkeit Qualitätsprodukte produziert – und steigern die bereits thematisierte Effizienz von Serviceeinsätzen erheblich. Als eine Erweiterung der AR-Brille wäre es denkbar, Servicetickets direkt über ein Spracherkennungssystem einzusprechen. Ein Szenario, das gar nicht mehr so weit in der Zukunft liegt.

Mixed Reality für Human Machine Interface

Auch Technologien wie Smartphone und Tablet haben innerhalb weniger Jahre einen beeindruckenden Siegeszug hingelegt, vom unhandlichen und teuren Gerät zum multifunktionalen Begleiter im Alltag. Nach dem Siegeszug von Smartphones und Tablets als Computing Interfaces zeichnen sich Mixed-Reality-Anwendungen als der nächste große Trend für Human Machine Interfaces (HMI) ab. Gerade im Industrieumfeld bieten sich sehr interessante Smart Services mithilfe von Mixed Reality an. Schnelleres, günstigeres Prototyping, „lebendige“ Produktdemonstrationen und besseres Training von Mitarbeitern sind naheliegende Beispiele dafür. Aus IoT-Sicht sind vor allem Anwendungen interessant, die aufgezeichnete Maschinen- und Anlagendaten aus der IoT-Plattform mit vor Ort erhältlichen Daten wie Ton- und Bildinformationen kombinieren. Speziell im Remote-Service-Umfeld lassen sich mithilfe von Augmented Reality neue Smart Service Angebote für Datenbrillen und Smartphones/Tablets konzipieren.

Dabei sind verschiedenste Anwendungsfälle im Fokus. Techniker vor Ort können sich mit entsprechenden Experten per Videotelefonie über Smart Glasses oder mit einem anderen Endgerät wie Smartphone oder Tablet vernetzen. Für den gewünschten Anwendungsfall werden die aufgezeichneten Videodaten und Audiodaten des Technikers direkt von der Brille oder dem Device an den jeweiligen Experten übertragen. Das Personal vor Ort ist durch die audiovisuelle Unterstützung des Experten in der Lage, Probleme selbst zu beheben. Die Experten sparen sich dadurch sehr viel Reisezeit und stehen für mehr Einsätze als zuvor zur Verfügung.

Ein weiterer Anwendungsfall: Das Einblenden von Maschinendaten durch das Scannen von entsprechenden Markierungen (z.B. QR-Codes an der Maschine). Vor Ort kann ein Nutzer auf Informationen zurückgreifen, die nicht über das HMI einer Maschine abgerufen werden können, da sie durch Anreicherung in der Cloud entstehen.

Dezentrales Datenmanagement

Der Nutzer einer Datenbrille oder eines Tablets bekommt durch das Betrachten einer Markierung über die Kamera des Endgeräts Informationen zu dieser Maschine oder Anlage eingeblendet. Ein Beispiel hierfür wäre die Darstellung von KPIs, wie OEE-Daten, häufigste Fehler o.Ä. Außerdem könnten Daten zu Sensoren (z. B. Temperaturen) visualisiert werden, die über kein eigenes HMI verfügen. Ein Beispiel wäre die Visualisierung des Wartungsbedarfs in Form einer Ampeldarstellung. Device Insight hat ein Projekt umgesetzt, bei dem Sensorik die Degradation von Rohrleitungen und Chemieanlagen langfristig überwacht. Bei einer Begehung mit Datenbrille kann so der „Gesundheitszustand“ des Rohrs direkt am entsprechenden Rohrabschnitt mit der Datenbrille abgelesen werden. Die nächste Stufe wäre, erkannte Fehlerzustände per Alarm in die IoT-Plattform zu übertragen und das fehlerhafte Teil mit der Möglichkeit zur Innenansicht direkt in der Brille an der betroffenen Stelle zu markieren. Die Fehlerbehebung erfolgt dank zugeordneter Anweisungen zielgenau und schnell.

Kunden sehen auf einen Blick alle Komponenten ihrer Anlage und können sämtliche relevanten Produktionsdaten und Prozessgrößen abrufen. Der sichere Umgang mit großen Datenmengen spielt dabei eine grundlegende Rolle, ebenso wie einheitliche Standards an den Schnittstellen der Systeme. Anwendbar ist dieses Prinzip nicht nur bei neuen Produkten und Lösungen. Auch Roboter, Zellen und Anlagen, die bereits im Einsatz sind, können auf diese Art verbunden werden. Die Vernetzung moderner Produktionsanlagen erfolgt aktuell meist mithilfe von internen Leitrechnern am Standort. In der Fabrik der Zukunft reicht das nicht mehr aus: Prozessdaten werden nicht mehr stationär vor Ort gespeichert und ausgetauscht, sondern in einer virtuellen Umgebung. Das spart dem Unternehmen Kosten und IT-Ressourcen. Und es ermöglicht, von überall auf der Welt auf die Daten zuzugreifen, um den Produktionsstand zu überwachen, die Verfügbarkeit von Kapazitäten abzurufen oder das Servicemanagement aktiv zu gestalten.

Die virtuelle Produktionsanlage

Automatisierte Systeme basieren auf komplexen Prozessen. Augmented und Virtual helfen, das System leichter zu durchdringen, es im Detail zu verstehen und weiteren Personen zu erklären. Anlagen, die nicht zugänglich sind, können anhand der in der Cloud gespeicherten Informationen sogar während des laufenden Betriebs eingesehen werden. In der Logistik beispielsweise existieren Planungsprozesse, die derart komplex sind, dass hier der Einsatz von VR äußerst sinnvoll ist. Eine Produktionsanlage oder ein Warenlager mithilfe von Virtual Reality zu planen, noch bevor der Grundstein gelegt wird, bietet sowohl für Unternehmen intern als auch für den Kunden enormes Potenzial.

In der virtuellen Welt sind sämtliche Elemente, vom Roboter über die Fördertechnik und Regale bis hin zu der exakten Breite von Durchgängen genauso abgebildet, wie sie später in der realen Welt wieder zu finden sein würden. Der gesamte Planungsprozess wird dadurch effizienter. Während der Planungen kann der Fokus dabei sowohl auf der reinen Platzierung von Maschinen oder Lagerausstattung liegen, natürlich können aber so auch die ergonomischen Bedingungen eingehend getestet werden – denn unter Einsatz modernster Sensorik kann man sich auch in der virtuellen Welt wie im wahren Leben bewegen.

Auf Kundenseite ermöglicht die virtuelle Inbetriebnahme Mitarbeiterschulungen, obwohl die Anlage noch gar nicht existiert. Das spart nicht nur Zeit, sondern ermöglicht auch, dass direktes Feedback aller Beteiligten in den Planungsprozess mit einfließen kann. Mithilfe von VR können somit zukünftig Planungs- aber auch Inbetriebnahmezeiten verkürzt werden. Dabei werden auch Simulations- beziehungsweise Emulationsmodelle das Einsatzgebiet ausweiten. So kann durch die Emulation von Stoßzeiten die zukünftige Leistungsfähigkeit der Anlage 1:1 dargestellt werden, um ebendiese zu validieren oder Erweiterungen detailgetreu zu planen. Für die Fabrik der Zukunft bieten AR und VR vielversprechende Möglichkeiten und erweitern das Feld der Optionen noch einmal deutlich.

Während im Automobilbereich das autonome Fahren die Zukunft ist, wird es im industriellen Umfeld die autonome Produktion sein. Spracherkennungen wie Alexa oder Siri, AR und Virtual Reality werden als Werkzeuge genutzt, um die Produktion zu überwachen und zu steuern. Die digitale Reise hat begonnen. Fahren Sie aktiv mit!

Dr. Christian Schlögel ist Chief Digital Officer der KUKA AG.
Dr. Christian Schlögel ist Chief Digital Officer der KUKA AG. (Bild: KUKA)

Der Artikel erschien zuerst auf unserem Schwesterportal Industry of Things.

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