Interview Auch das Testen gehört zu Industrie 4.0

Das IoT stellt ganze Branchen auf den Kopf und macht nicht nur das Design und Automatisieren von Systemen immer komplexer, sondern auch das Testen. Doch wo sind denn die Prüfstände in der ganzen Industrie-4.0-Diskussion? Unser Partnerportal Elektrotechnik hat bei Rahman Jamal von National Instruments nachgefragt.

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Technologische Megatrends haben tiefgreifende Auswirkungen auf ganze Industriezweige, auf Produktionstests und letztendlich auch auf die Firmen, die sich die Trends zunutze machen möchten. Die Redaktion der elektrotechnik AUTOMATISIERUNG sprach mit Rahman Jamal, Business & Technology Fellow bei National Instruments über die Trends, die die Mess- und Automatisierungsbranche beschäftigen, welche Herausforderungen damit verbunden sind und welchen Nutzen man aus ihnen ziehen kann.

elektrotechnik: Herr Jamal, National Instruments hat in seinem jährlichen Trendausblick „NI Trend Watch 2019“ die wichtigsten Trends vorgestellt und die damit verbundenen Herausforderungen untersucht. Um welche handelt es sich da?

Rahman Jamal: Die verschiedenen Facetten des Industrial Internet of Things – ob Smart Factory, Smart Mobility oder Smart Grids stellen ganze Branchen auf den Kopf. Denn nicht nur werden das Design, Testen und Automatisieren von Systemen immer komplexer, sondern immer mehr Funktionalität der IIoT-Systeme wird in Software abgebildet. Gleichzeitig sind sie aber auch Treiber für außergewöhnliche Innovationen. Dafür bedarf es jedoch eines fundamentalen Umdenkens von einem hardwareorientierten zu einem softwarezentrischen Plattformansatz. Nur so lassen sich Systeme schnell und kostengünstig an sich rapide ändernde Anforderungen anpassen und neue kommerzielle Technologien integrieren.

elektrotechnik: Und welche Trends zeichnen sich für die Mess- und Automatisierungsbranche 2019 ab?

Jamal: Zum einen wäre hier das autonome Fahren zu nennen und die Abwägungen, die dabei zu treffen sind. Das automatisierte Fahren könnte enorme Auswirkungen auf unsere Gesellschaft haben, die Industrie steht jedoch gewissen Herausforderungen gegenüber. So müssen Unternehmen beim Umstieg von Fahrerassistenzsystemen mit einzelnen Sensoren auf Multisensorsysteme aufkommende Kosten handhaben und Kompromisse hinsichtlich der eingesetzten Technologien und Strategien eingehen.

elektrotechnik: Was kennzeichnet solche Multisensorsysteme, wie werden die unterschiedlichen Sensoren zusammenspielen?

Jamal: Hier bekommt die Sensorfusion eine tragende Rolle. Unter Sensorfusion versteht man die Verknüpfung von Daten unterschiedlichster Sensoren, mit dem Ziel, fundiertere Entscheidungen treffen zu können. In selbstfahrenden Autos finden sich nämlich mittlerweile nicht mehr nur GPS-Sensoren, die die genauen Koordinaten des Fahrzeugs definieren, sondern zunehmend auch solche, die die Sicherheit steigern sollen – wie etwa Radarsensoren.

Doch auch Lidar-Sensoren, die mittels Infrarotlaserstrahlen die Umgebung abtasten, sowie Kamera- und Ultraschallsensoren haben mittlerweile in diesem Bereich Einzug gehalten. Letztere liefern vor allem dann wichtige Daten, wenn es um das Manövrieren in engen Umgebungen geht oder auch beim Rückwärtsfahren. Lidar-Sensoren dürften einerseits an Bedeutung gewinnen, wenn das Fahrzeug autark einparken soll, sie dienen aber auch als Alternative zu Radarsensoren bei der Überwachung des toten Winkels. Auch hier gilt es, all diese Sensoren miteinander zu synchronisieren, um wirklich sichere Systeme zu erhalten.

Abgesehen von den Vorteilen der Kombination all dieser Sensoren gibt es doch auch einige größere Herausforderungen bezüglich der Entwicklung und Integration, aber auch bei der Datensicherheit. Fahrzeughersteller stehen nun vor der Aufgabe, die richtige Balance zwischen drei wichtigen Faktoren zu finden: Kosten, Technologie und Strategie.

Ein weiterer Trend, den man natürlich nicht außer Acht lassen darf, ist 5G, das eine neue Ära der Mobilfunktests einläutet. Auch auf 5G basierende drahtlose Geräte werden komplexer sein als heutige Geräte. Die auf die bisherigen Generationen zugeschnittenen und hoch optimierten Testmethoden, müssen neu überdacht werden, damit 5G-Produkte und -Lösungen auch kommerziell genutzt werden können.

Zu guter Letzt das Thema IoT: Hier wird viel über die Herausforderungen diskutiert, zum Beispiel die steigende Komplexität. Doch was dabei überhaupt nicht zur Sprache kommt, ist, wie sich die IoT-Technologien sowohl für automatisierte Maschinen als auch für automatisierte Prüfstände nutzen lassen. Nehmen wir beispielsweise mal den Bereich Testen von IoT-Systemen. Fakt ist, das IoT macht das Testen komplexer. Aber warum drehen wir denn den Spieß nicht um und fragen uns, wie das IoT dem Test und den damit einhergehenden automatisierten Prüfständen nutzen kann?

elektrotechnik: Prüfstände sind in der Fertigung doch von großer Bedeutung. Warum kommen dann Testsysteme bei der Debatte rund um Industrie 4.0 so gut wie nie vor?

Jamal: Test war für viele schon immer ein notwendiges Anhängsel. Oft nimmt man ihn auch gar nicht so richtig wahr, weshalb er häufig nur als Kostenfaktor angesehen wird. Unsere Kunden aber, die sich in erster Linie mit Messen und Testen beschäftigen, fragen uns immer häufiger, wie sich der Test, also Test-Asset-Verwaltung, Teststandardisierung, Testarchitekturen etc., in der gesamten Industrie-4.0-Diskussion einordnen lässt.

elektrotechnik: Inwiefern lassen sich denn IoT-Plattformtechnologien dafür nutzen?

Jamal: Nun, da es gibt viele Parallelen: In IIoT-Systemen, also bei komplexen Maschinenanlagen, fallen große Datenmengen an. Clevere Analytics erlauben es dann, die Anlage zu überwachen, Predictive Maintenance durchzuführen etc. Genau dasselbe passiert auch beim automatisierten Testen: Auch hier entstehen Unmengen an Daten; auch hier sind ein Asset- beziehungsweise Systemmanagement erforderlich. Data Analytics werden dort ebenfalls für die vorausschauende Wartung und die Zustandsüberwachung genutzt. Der Unterschied besteht lediglich darin, dass es sich hier um automatisierte Prüfstände und somit um Testdaten handelt.

elektrotechnik: Und welche IoT-Plattformtechnologien sind das, von denen Sie sprechen?

Jamal: Typische Technologien, die hier zum Einsatz kommen wären zum einen die Verwaltung und Vernetzungsmöglichkeiten von IoT-Endpunkten. Zum anderen der Zugriff auf die Daten, aber auch die so genannte Data Ingestion: das Priorisieren von Datenquellen, die Validierung der Dateien und deren sinnvolle Weiterleitung.

Weitere Technologien, die für IoT-Plattformen charakteristisch sind, sind die Visualisierung und Analyse von IoT-Daten und das Erstellen und Managen von IoT-Anwendungen. All diese Technologien könnten dem automatisierten Testen Vorteile bringen, insbesondere für das Systemmanagement, Datenmanagement, Data Analytics und Applikationsentwicklung und Applikationsmanagement.

elektrotechnik: Können Sie das bitte etwas genauer erläutern?

Jamal: Ja, nehmen wir einmal das Systemmanagement: Wie der Begriff Internet of Things schon andeutet, sind IoT-Geräte grundsätzlich gut vernetzt und verwaltet – das liegt in der Natur der Sache. Dies ist bei Testsystemen aber in der Praxis keineswegs üblich, obwohl sie mehr und mehr global verteilt sind. Viele ältere Messgeräte und Prüfstände sind eben nicht vernetzt. Erschwert wird das Systemmanagement auch noch dadurch, dass es unzählige unterschiedliche Schnittstellen gibt. Man denke an GPIB, VXI, LXI und serielle Protokolle. Oftmals gibt es kaum Möglichkeiten, festzustellen, welche Software auf welcher Hardware ausgeführt wird. Allein einen Überblick darüber zu haben, wo die einzelnen Systeme sich befinden, kann sich schwierig gestalten – ganz zu schweigen vom Nachverfolgen ihrer Leistung, ihrer Auslastung und ihres Gesundheitszustands.

Bewerkstelligen lässt sie sich mithilfe moderner PC- oder PXI-basierter Testsysteme, die eine bessere unternehmensweite Vernetzung ermöglichen. Dies gestattet die Verwendung zusätzlicher Funktionen beispielsweise für die Verwaltung von Hard- und Softwarekomponenten, die Nutzungskontrolle und die vorausschauende Wartung, sodass Testinvestitionen optimal ausgeschöpft werden können.

Was das Datenmanagement anbelangt, so findet sich in der Praxis eine Vielzahl an Datenformaten wie parametrische Messungen oder rohe Analog- und Digitalsignalverläufe im Zeit- und -Frequenzbereich vor. Auch die Datenquellen sind zahlreich – angefangen bei unterschiedlichen Schnittstellen wie GPIB und VXI über LXI und PXI bis hin zu Datenerfassungskarten. Erschwerend kommt hinzu, dass die Daten häufig auch in unterschiedlichen Standards und vor allem lokal gespeichert werden. Infolgedessen sie nicht im gesamten Unternehmen verfügbar, sprich, manchem Anwender in einer anderen Phase des Produktlebenszyklus fehlen diese für ihn eigentlich wertvollen Einsichten.

Auch hier gilt wieder: Setze ich IoT-Technologien ein, kann ich meinen automatisierten Prüfstand auf Vordermann bringen. In diesem Fall lassen sich Softwareadapter dazu nutzen, sich um die Data Ingestion zu kümmern. Damit es möglich ist, immer wieder neue und individuelle Datenformate wie beispielsweise Daten aus der Design- und Fertigungsphase zu integrieren, müssen die Softwareadapter auf einer offenen, dokumentierten Architektur basieren. Darüber hinaus müssen Testsysteme in der Lage sein, ihre Daten mit IoT- und IIoT-Standardplattformen auszutauschen, damit auch andere Unternehmensbereiche von diesen Daten profitieren können.

Auch bei Data Analytics und Applikationsmanagement gibt es ähnliche Beispiele.

elektrotechnik: Was bedeutet all dies nun in einem unternehmensweiten Kontext?

Jamal: Ein softwarezentrischer Ansatz kombiniert mit einem hohen Grad an Modularität ist zunächst einmal die Basis eines jeden automatisierten Prüfstands. Dann folgen die verschiedenen Datenformate: Applikations-, Mess-, parametrische Daten etc. Der springende Punkt ist hier aber, dass nicht nur die Prüfstände jede Menge Daten produzieren, sondern auch selbst auf den Prüfstand gestellt werden müssen! Schließlich muss ja auch der Gesundheitszustand des Testequipments beobachtet werden, damit eine optimale Auslastung erreicht, der Zustand der Testkomponenten überwacht und eventuelle Systemausfälle vorausschauend erkannt werden können.

Daraufhin können nun die IoT-Plattform-Fähigkeiten auf das automatisierte Testen angewandt werden. Das heißt, die vielfältigsten Dienstleistungen lassen sich beim automatisierten Test einsetzen, seien es simple Messaging Services oder gar komplexes Deep Learning oder KI-Algorithmen, mit denen der Arbeitsablauf des Ingenieurs – der Workflow – verbessert werden kann. Die Aussage, dass die Zukunft im so genannten ‚Internet of Services‘ liegt, kommt nicht von ungefähr.

Auf dieser Grundlage kann der Anwender überlegen, was in die Cloud verlagert werden muss, was in ERP-Systeme gespeichert werden soll oder welche Reports er erstellen möchte etc. – eben all das, was für Business-Entscheidungen eine große Rolle spielt.

elektrotechnik: Das ist sicher alles schöne Zukunftsmusik, oder?

Jamal: Keineswegs! Unsere Anwendungssoftware für die Verwaltung global verteilter Testsysteme namens SystemLink geht genau in diese Richtung. Diese Software, die wir kürzlich auf den Markt gebracht haben, wartet mit einer zentralen, webbasierten Oberfläche auf, auf die von überall aus zugegriffen werden kann und mit der sich Geräte, Software und Daten verwalten lassen. Dies trägt zu effizienteren Abläufen und erhöhter Produktivität bei. Anwender sind so in der Lage, Software über das Netzwerk zu konfigurieren und zu verteilen, den Zustand und die Leistung von Geräten und Anlagen zu überwachen, Alarme zu verwalten und Anwendungsparameter anzuzeigen.

Aufgrund seiner offenen Architektur ist SystemLink nicht nur mit NI-Produkten einsetzbar, sondern ermöglicht auch die Integration zahlreicher Software- und Hardwaretechnologien von Drittanbietern. Über einen NI-gehosteten Cloud-Dienst können Daten auf grafischen Dashboards veröffentlicht werden, Web-VIs lassen sich in einer sicheren und leistungsstarken Umgebung bereitstellen. Zentrale Überwachungsfunktionen, konfigurierbare Alarme und E-Mail-Benachrichtigungen sorgen außerdem für verbesserte Systemlaufzeiten und eine höhere Leistung, wodurch ein Remote-Management und eine Zustandsüberwachung aller Testgeräte gewährleistet sind. Darüber hinaus lassen sich Teststrategien an unterschiedlichen Fertigungsstandorten direkt miteinander vergleichen und die entsprechenden Produktionsprozesse optimieren.

Dieser Beitrag ist ursprünglich auf unserem Partnerportal Elektrotechnik erschienen.

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