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AR und Automation

Augmented Reality: Sofort mehr Realität

| Autor/ Redakteur: Rahman Jamal / Philipp Uhl

Auch wenn es die Idee von Augmented Reality (AR) bereits seit den 1960er-Jahren gibt, so hat dieses Phänomen doch erst mit dem Aufkommen des Internet of Things (IoT) einen richtigen Schub erhalten. Heute findet eine regelrechte Konvergenz von AR- und IoT-Anwendungen statt, die das Zeitalter einer neuen digitalen Realität einläutet.

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Eines der wesentlichen Ziele in der Prozessindustrie besteht darin, die Ausfallzeiten kritischer Industrieanlagen zu reduzieren. So steht und fällt in einer Raffinerie die Profitabilität mit der Verfügbarkeit des Prozesses.
Eines der wesentlichen Ziele in der Prozessindustrie besteht darin, die Ausfallzeiten kritischer Industrieanlagen zu reduzieren. So steht und fällt in einer Raffinerie die Profitabilität mit der Verfügbarkeit des Prozesses.
( Bild: Pexels / CC0 )

An was denken Sie, wenn Sie den Begriff Augmented Reality hören? Vielen von Ihnen kommen vielleicht Videospiele wie Pokémon Go in den Sinn, das sich im Sommer 2016 großer Beliebtheit erfreute. Anderen vielleicht Microsofts HoloLens oder Google Glass. Im Gegensatz zu Virtual Reality, in der es nur um die rein digitale, virtuelle Welt geht, überträgt AR die digitale Welt in die physische. Sprich, die für den Menschen wahrnehmbare Realität wird computergestützt angereichert, auf Englisch: augmented. Das Ergebnis ist eine erweiterte menschliche Wahrnehmung der Realität, die sich nicht nur für Videospiele nutzen lässt. Die erforderlichen Informationen, seien es Grafiken oder andere Daten, werden dem Nutzer auf seinem Tablet, Mobiltelefon oder in seiner Datenbrille eingeblendet – er sieht somit beide Welten gleichzeitig. Und genau das ist der Vorteil, den diese Technologie industriellen Anwendungen bietet.

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Es gibt sogar eine ganze Fülle von Beispielen, wie Augmented Reality auch industriellen Anwendungen einen weiteren Schub geben könnte. So können etwa die Wartung und Bedienung von Maschinen benutzerfreundlicher gestaltet werden. Ebenso lassen sich durch schnelle Wartung und Reparatur die Maschinenstillstandszeiten reduzieren. Zudem verhilft AR dem hochqualifizierten Mitarbeiter schnell zu den erforderlichen Daten. Musste er früher Handbücher wälzen, so kann er sich die nötigen Informationen nun auf das Display seines Tablets oder seine Datenbrille spielen und sich direkt vor Ort die nächsten Arbeitsschritte anzeigen lassen.

Die zwei nachfolgenden Beispiele aus dem Umfeld des industriellen IoT (IIoT), nämlich aus der Prozessindustrie und der Fabrikautomation, sollen den Einsatz dieser neuen Technologie praxisnah veranschaulichen.

Augmented Reality in der Prozessindustrie

Eines der wesentliche Ziele in der Prozessindustrie besteht darin, die Ausfallzeiten kritischer Industrieanlagen zu reduzieren. Alleine eine Reifenpanne beim Auto verdeutlicht einem hautnah, was ein Ausfall einer Komponente bedeuten kann. Nicht nur die verlorene Zeit, auch die Folgekosten sind ärgerlich. Dasselbe gilt auch für die Produktivität einer Industrieanlage wie zum Beispiel in der Petrochemie, der Stromerzeugung oder der Raffination. Hier steht und fällt die Profitabilität mit der Verfügbarkeit des Prozesses. Einer Untersuchung für das Jahr 2015 zufolge können sich Verluste aufgrund ungeplanter Ausfallzeiten auf bis zu 20 Milliarden US-Dollar für Anlagenbetreiber summieren – und das allein in Nordamerika.

Aus diesem Grund haben es sich Unternehmen wie Flowserve zur Aufgabe gemacht, Anwender dabei zu unterstützen, den Betrieb ihrer Anlagen aufrechtzuerhalten. Durch Einsatz neuester Online-Überwachungstechnologie und omnipräsenten Datenzugang ermöglicht das Unternehmen Anlagenbesitzern, kritische Geräte ebenso zu kontrollieren wie auch die vielzähligen Geräte, die für die Verfügbarkeit und damit den alltäglichen Betrieb relevant sind.

Ein entsprechend umgesetztes Online-Überwachungssystem, das im Folgenden näher beleuchtet wird, ist nicht nur in der Lage, dem Wartungsteam mitzuteilen, welche Komponente ausfallen wird, sondern auch wann dies der Fall sein wird.

Die sogenannte Flowserve-Pumpe erfasst mit der Systemdesignsoftware LabVIEW und der FGPA-basierten Steuerungs- und Regelungsplattform CompactRIO Sensordaten zu Temperatur, Druck, Durchfluss, Erschütterungen und Leistung. Insgesamt geht es um 2,5 MB an Rohdaten pro Sekunde. Diese Daten werden auf dem CompactRIO weiterverarbeitetet, sodass lediglich Leistungsmerkmale mit ca. 80 KB pro Sekunde (über WebService) an die ThingWorx Analytics Engine von PTC weitergesendet werden. Dort wird dann neben der Datenkommunikation und -visualisierung eine weitere Software-Engine verwendet, um sogenanntes Machine Learning sowie Erkennung von Anomalien durchzuführen.

Im Fall einer Fehlfunktion, beispielsweise einer Kavitation, die für das Antriebsrad einer großen Pumpe verheerend sein könnte, sind auf dem Software-Dashboard Störfunktionen zu sehen, die behoben werden müssen. Hier wird etwa angezeigt, dass wir nur noch eine Lebensdauer von XX Tagen für das Antriebsrad haben.

Der eigentliche Clou an dem System ist jedoch, dass der Servicetechniker hierbei ein iPad und die Augmented-Reality-Technologie von PTC nutzen kann. Die Antwort auf die Fragen „An welcher Pumpe tritt der Fehler auf? Welches Teil ist defekt und was ist zu tun?“ erhält der Servicetechniker dann durch Überlagern eines durch eine Kamera aufgenommenen Videobilds mit zusätzlichen Informationen auf dem Tablet-PC. Mit PTCs AR-Technologie werden alle Sensordaten auf die Pumpe projiziert und der Anwender erhält ein vergrößertes CAD-Modell, das ihn durch den Austausch des defekten Teils führt. Für die Fachleute, die für Hunderte oder Tausende von Anlagen verantwortlich sind, ist dies eine enorme Erleichterung. Der Aufbau und das Handling werden in diesem Youtube-Clip veranschaulicht:

Augmented Reality in der Fabrikautomation

Doch auch in der Fabrikautomation, im Kontext von Industrie 4.0, ist die Nutzung von Augmented-Reality-Technologien von Vorteil. Im Folgenden soll dies anhand eines Beispiels aus dem Flugzeugbau, genauer gesagt von Airbus, näher erklärt werden.

Das heutige Flugzeugwerk hat nichts mehr mit der hektischen, lauten Produktionsstätte von einst gemein. Dank neuester Techniken, Designs und Ausstattung ist die moderne Fertigung effizient, organisiert und strukturiert. Aber was bedeutet dies für die Zukunft? Die Zukunft des Flugzeugwerks ist als Forschungs- und Technologieprojekt zu sehen, das darauf abzielt, neu aufkommende Technologien zu fördern, um die Wettbewerbsfähigkeit des Fertigungsprozesses bei Airbus zu verbessern. Der Fertigungsprozess wird derzeit noch von manuellen Arbeitsschritten beherrscht.

Zur Entwicklung eines Flugzeugs gehören unzählige Schritte, die Bediener befolgen müssen, und auch zahlreiche Prüfungen, um die Qualität sicherzustellen. Durch Erweiterung des Systems um Intelligenz erkennen die intelligenten Werkzeuge die Aktionen, die der Bediener als nächstes ausführen muss, und passen automatisch die Einstellungen der Werkzeuge an, wodurch sich die Aufgabe für den Bediener vereinfacht. Nach Abschluss der Aktion können die intelligenten Werkzeuge auch die Ergebnisse derselben überwachen und aufzeichnen, wodurch sich die Effizienz des Produktionsprozesses verbessert.

Eine bestimmte Teilbaugruppe eines Flugzeugs beispielsweise besitzt in etwa 400.000 Stellen, die verschraubt werden müssen. Dazu sind im gegenwärtigen Produktionsprozess über 1100 einfache Spannwerkzeuge nötig. Der Bediener muss eine Liste mit Schritten genau befolgen und die passenden Drehmomenteinstellungen für jede Stelle mithilfe des korrekten Werkzeugs sicherstellen. Aufgrund der manuellen Vorgehensweise stellt menschliches Versagen ein hohes Risiko bei der Produktion dar. Das spielt eine wichtige Rolle, da selbst eine einzige Stelle, die falsch verschraubt wurde, langfristig Kosten von Hunderttausenden US-Dollar verursachen könnte.

Ein intelligentes Spannwerkzeug begreift, welche Aufgabe der Bediener ausführen will, indem Bilderfassung und -verarbeitung zum Einsatz kommen, anhand derer das Werkzeug seine Umgebung verarbeitet und automatisch das Drehmoment festlegt. Das Gerät kann das Resultat der Aufgabe in einer zentralen Datenbank speichern, um sicherzugehen, dass die Stelle korrekt verschraubt wurde. Mithilfe der Datenbank des zentralen Manufacturing Execution System (MES) und der verteilten Intelligenz der Geräte können Produktionsleiter die Verfahren und Prozesse präzise bestimmen, die während der Qualitätskontrolle und -zertifizierung überprüft werden müssen.

Dieses Anwendungsbeispiel war bereits auf der NI Week zu sehen. Hier wurde gezeigt, wie sich der RFID-Code einer Schraube mit dem intelligenten Festspannwerkzeug einscannen lässt, sodass das sogenannte Power Tool erkennt, um welche Schraube es sich handelt und welches Drehmoment angewandt werden soll. Zieht der Anwender die Schraube fest, zeigt das Tool das angewandte Drehmoment auf dem Tablet-PC an und liefert auch zugleich Live-Feedback, ob das für diese Schraube richtige Drehmoment erreicht wurde.

Airbus hat mit der Entwicklung von intelligenten Werkzeugfamilien begonnen, die verschiedene Fertigungsprozesse ausführen: Bohren, Messen sowie hochwertiges Datenloggen und Festspannen.

NI SOM als Basisplattform für intelligente Werkzeuge

Airbus testete das NI SOM (System on Module) als Basisplattform für alle diese intelligenten Werkzeuge, weil die Architektur und das Framework, die das System bereitstellt, um den Entwicklungsprozess vom Entwurf über die Prototypenerstellung bis hin zum Serieneinsatz zu beschleunigen, allgegenwärtig sind. Bevor das Unternehmen auf dem NI SOM entwickelte, konnte es auf Grundlage eines NI-CompactRIO-Controllers einen Prototyp erstellen, der es ermöglichte, IP aus bestehenden Airbus-Bibliotheken sowie quelloffene Algorithmen zu integrieren und so die betriebsinternen Konzepte schnell zu validieren.

Die Flexibilität, grafische und textbasierte Programmierung nutzen zu können, sowie die Wiederverwendung von Drittanbieterentwicklungen, die auf den Xilinx-Zynq und das Betriebssystem NI Linux Real-Time portiert wurden, sorgen für den perfekten Abstraktionsgrad für die Entwicklung dieser Werkzeuge. Jetzt konnte der Programmcode, der auf dem NI SOM entwickelt worden war, als verteilte Lösung genutzt werden, sodass es nicht nötig war, den gesamten Entwurfsprozess neu zu beginnen.

Ebenfalls auf unserem Kongress war ein Prototyp einer Datenbrille auf der Keynote-Bühne zu sehen, bei der Airbus das NI SOM als Messwerkzeug einsetzte. Auf diese Brille, die vom Bedienpersonal getragen und an das NI SOM angeschlossen war, wurde eine Kamera montiert, die es dem Nutzer ermöglichte, die Daten zu sehen, die das smarte Werkzeug während seiner Anwendung erfasste.

Fazit

Galt Augmented Reality bisher als technischer Schnickschnack für den Verbrauchermarkt, so entdeckt die Industrie mehr und mehr den Mehrwert, den diese Technologie für sie bringt. Gerade im Kontext von Industrie 4.0 bieten sich hier unzählige Möglichkeiten – ob bei der voraussagenden Wartung, frühzeitigen Fehlerbehebung, Simulation neuer Fahrzeugkonzepte, bei Kommissionierungsaufgaben in der Lagerlogistik oder gar im Werkzeugbau. Die Kombination von virtueller und realer Welt im Industriebereich ist längst nicht mehr Science-Fiction und hat das Potenzial, die klassische Industrie ordentlich auf den Kopf zu stellen.

Rahman Jamal ist Business & Technology Fellow bei National Instruments.
Rahman Jamal ist Business & Technology Fellow bei National Instruments.
( Bild: National Instruments )

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