unter augmented reality (ar) versteht man · augmented-reality-system im netzwerk zusammen. die...
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Unter Augmented Reality (AR) versteht man
die Erweiterung der Realitätswahrnehmung
durch computergenerierte visuelle und
akustische Informationen.
Mithilfe der Augmented Reality werden der
eigentlichen Realität in Echtzeit zusätzliche
Informationen hinzugefügt. Daraus
ergeben sich die Vorteile einer besseren
Beurteilung von Situationen, einer besseren
Entscheidungsfindung und einer
korrekteren Handlungsweise.
Die Augmented Reality findet
verschiedenartige Anwendung. Auf
Smartphones oder Tablets können
Webcambilder je nach Erfordernis oder
geografischer Position mit zusätzlichen
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Bildern oder elektronischen Informationen
überlagert werden.
Durch die Wearable Devices erschließen
sich neue Bedienmöglichkeiten, die das AR-
Aktionsfeld ausdehnen.
Das vorliegende Dokument konzentriert
sich auf die Möglichkeiten der Augmented
Reality im industriellen Maschinen- und
Anlagenbetrieb, nicht auf den Einsatz im
persönlichen Alltag, in der Domotik oder in
der Unterhaltungselektronik.
Die Bedeutung von Augmented-Reality-
Lösungen in der Industrie hat in den letzten
Jahren enorm zugenommen. Die AR-
Technologie hat sich vor allem im Rahmen
der Wearable Devices weiterentwickelt. Der
große Mehrwert ergibt sich insbesondere
durch die Bewegungsfreiheit des Bedieners
bei gleichzeitiger Gewährleistung der
kontinuierlichen Echtzeit-Informationen im
jeweiligen Bedienkontext.
Tragbare AR-Systeme unterstützen und
vereinfachen die Bedientätigkeit. Sie lassen
sich hervorragend mit den bereits
bewährten Überwachungs- und
Visualisierungstechnologien in der
Automatisierung und Instandhaltung
kombinieren.
Die Augmented Reality findet in
zahlreichen Bereichen der produzierenden
Industrie und in der Prozesskontrolle
Anwendung. Sie integriert und unterstützt
die klassischen SCADA/HMI-Systeme bei
der Abwicklung der Prozessphasen, steigert
die Produktionseffizienz, reduziert das
Fehlerrisiko und minimiert
Maschinenausfälle und den
Wartungsaufwand.
Die Prozessbediener erhalten richtige
Wearable-Kits: Augmented-Reality-Brille
oder Kopfcomputer, Kamera und
Audiosystem, WLAN-Verbindung und
Akkus für die eigenständige und flexible
Verwendung dieser Geräte.
Diese AR-Systeme sind beispielsweise
imstande, im Sichtfeld des Benutzers
dynamische Echtzeit-Daten zum
Bedienkontext einzublenden (z. B.
Arbeitszyklus-Operationen, Benutzerstatus,
Alarminformationen, auszuführende
Handlungen, Kontexthilfen) und
gleichzeitig Befehle wie Start, Stopp,
Sollwertänderungen, alarmabhängige
Anweisungen auszuführen etc.
Da diese Geräte getragen werden, hat der
Bediener die Hände frei. Die AR-
Bedienphasen können flexibler und
schneller stattfinden. Die klassischen HMI-
Systeme bleiben am festen Arbeitsplatz für
traditionelle Bedienaufgaben auch
weiterhin bestehen.
Während der Instandhaltung kann sich der
Bediener mit AR-Devices auf die
eigentlichen Wartungstätigkeiten
konzentrieren, weil alle erforderlichen
Informationen zum betreffenden Bauteil im
Sichtfeld der Brille eingeblendet werden
und er in WLAN-Verbindung mit der
Zentrale kommunizieren kann. Risiken
durch Ablenkungen oder Bewegungsfehler
können dadurch stark reduziert werden.
Zu den Zwecken der Augmented Reality
gehören:
1. Visualisierung der Echtzeit-
Informationen des
Automatisierungssystems
2. Sofort-Information zu den
auszuführenden Arbeiten
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3. Alarmmeldung und entsprechende
Anweisungen
4. HMI-Interaktivität für Sprach- oder
Gestenbefehle
5. Assistierte Instandhaltung
6. Ablesen von Strichcodes oder QR-
Codes mit sofortigem Kontext-
Feedback
7. Verbindung und Kommunikation
mit anderen Bedienern in Leitwarten
8. Interaktive, auch holografische 3D-
Anzeigen der
Automatisierungssysteme
9. Zugriff auf Webinformationen
Diese Anwendungsbeispiele stellen nur
einige der möglichen Szenarien in einer
industriellen Umgebung dar. In nächster
Zukunft wird die Technologie immer
fortschrittlichere, leistungsstärkere und
funktionalere Geräte herausbringen.
Dadurch werden neue Lösungen - auch für
besondere Anforderungen - möglich.
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Die Augmented Reality birgt neues
Potenzial für die Welt der
Automatisierung. Wearable Devices
revolutionieren die Bedienung,
Steuerung und Visualisierung von
Produktionsprozessen. Sie steigern
die Produktivität und reduzieren
Anlagenstillstände.
Eine ‹getragene› Bedienoberfläche
macht die Bedienhandlung sofort,
präzise und kontextabhängig im
Produktionsprozess ausführbar und
kontrollierbar.
Szenen, in denen ein Bediener mit
der Maschine verbal und mit Gesten
kommuniziert, Informationen anfordert oder
Befehle erteilt, sind keine Science-Fiction
mehr. Außerdem kann die Maschine den
Bediener bei der Befehlsausführung oder bei
manuellen Bedienhandlungen leitend
unterstützen, ganz ohne Fehler und ohne
Zeitverluste.
Aus der Sicht der Mensch-Maschine-
Schnittstelle ist dies eine Riesenrevolution.
Sie erfordert ein neuartiges Engineering der
Automatisierungssysteme, um die neuen
Möglichkeiten auf das Beste zu nutzen.
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Augmented-Reality-Lösungen können sehr unterschiedlich ausfallen, je nach Art des
tragbaren Gerätes, des Automatisierungskontextes und des Projektziels.
Damit ein AR-Projekt Erfolg haben und eine Produktivitätssteigerung bewirken kann,
müssen die HMI-Systeme neu projektiert werden. Die zu visualisierenden
Informationen müssen kontextgemäß und sichtfeldbedingt gesteuert werden. Jede
Information und ihre Visualisierungsstelle müssen gut durchdacht sein. Auch die
Interaktivitätsfunktionen des Bedieners müssen an die eingesetzte Hardware
angepasst werden (Text-to-Speech und Spracherkennung).
Außerdem bieten die neuen Technologien außerordentliche grafische Möglichkeiten,
wie sie in HMI-Systemen bisher unbekannt waren. 3D-Grafik und Holografie lassen in
einigen AR-Devices Maschinen oder Maschinenteile in 3D-Hologrammen visualisieren
und mit Echtzeitinformationen dynamisch animieren.
AR-Wearables setzen neue Bedien- und Interaktionskonzepte
zwischen Mensch und Maschine in der Industrie um
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Microsoft HoloLens ist ein tragbarer
holografischer Kopfcomputer, der es
dem Benutzer erlaubt, mit der
Unterstützung durch ein Natural User
Interface interaktive 3D-Projektionen in
der direkten Umgebung darzustellen.
HoloLens beinhaltet neben CPU
(Prozessor), GPU (Grafikprozessor) auch
eine neuartige HPU (Holographic
Processing Unit), ist eine eigenständige
Recheneinheit und allein lauffähig:
HoloLens ist akku-betrieben, benötigt
also weder Kabel zur Verbindung mit
einem PC noch andere Geräte.
Prototypen mit Stromkabel existieren
zwar, aber das Ziel von Microsoft ist es,
ein nicht kabelgebundenes Produkt
anzubieten.
Microsoft HoloLens hat ein Head-
mounted-Display mit integrierten
Sensoren und Surround-Lautsprechern
(Spatial Sound zur Feststellung der
Soundrichtung). Der Kopfcomputer setzt
kein echtes Display vor den Nutzer;
dieser kann hindurchsehen und so
Objekte in seiner Umgebung
wahrnehmen. Zu den Sensoren gehören
der Trägheitssensor, der Lichtsensor und
vier Videokameras für die
Umgebungsanalyse (‹Environment
Understanding Cameras›). Dazu kommt
eine Tiefenkamera zur visuellen
Repräsentation der Umgebung und eine
HD-Kamera mit 2-Megapixel-Sensor zur
Foto- und Videoaufnahme. Die
Sprachbefehle werden mit vier im Device
verbauten Mikrofonen verwaltet. Laut
Aussagen von Microsoft prozessiert
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HoloLens Terabytes von Daten, die von
den Sensoren in Echtzeit erfasst werden.
Das Gerät erfasst die Blickrichtung,
erkennt Gesten und unterstützt
Sprachbefehle. HoloLens arbeitet mit
dem fortschrittlichsten Microsoft-
Betriebssystem: Windows 10.
Mit der innovativen HMI-Technologie
von Progea können HMI-Applikationen
für HoloLens entwickelt werden.
Movicon.NExT ist die skalierbare
SCADA/HMI-Plattform, die auch das
Microsoft-Betriebssystem Win10
HoloLens unterstützt. Die HMI-
Applikationen von Movicon.NExT
können mit Prozessbildern, Symbolen,
Grafikobjekten höchster Qualität und in
3D realisiert werden. Durch die in die
HoloLens-App eingebaute 3D-
Technologie werden die Funktionen des
fortschrittlichen SCADA-Systems sowie
die Holografie-Technologie des Gerätes
genutzt, um eine unvergleichliche HMI-
Erfahrung zu bieten.
Die HMI-Grafik wird von der App im
HoloLens-CPU ausgeführt und
visualisiert. Dort werden auch die lokalen
Logiken ausgeführt. Die Kommunikation
mit dem Movicon.NExT-SCADA-
Datenserver wird mit WLAN und OPC UA
garantiert. Nicht nur: HoloLens kann
auch als eigenständige Rechnereinheit
arbeiten, als ein an das Netzwerk
angebundenes AR-Gerät mit IIoT-
Lösungen (über PubNub- oder MQTT-
Protokoll).
Mit HoloLens können auch HTML5-
Webseiten visualisiert werden. Das
System wird dabei in
Browserkonfiguration unter Einsatz der
Webclient-Technologie von
Movicon.NExT genutzt. In diesem Fall
zeigt das AR-System in Webarchitektur
die grafischen Seiten der realisierten
Prozessbilder des SCADA-Servers an.
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Unter dem Begriff
‹Smartglasses› verstehen
sich tragbare Geräte für
die erweiterte Realität in
Form einer Brille (auch
Augmented-Reality-
Brille (AR-Brille)
genannt). Sie fügen
dynamische
Informationen zum
Sichtfeld hinzu (Head-
up-Display). Am Markt
sind verschiedene AR-Brillen erhältlich. In
der Folge werden die von Progea
getesteten Modelle aufgelistet.
Die bekannteste AR-Brille ist Google
Glass. Softwareentwickler haben die
Möglichkeit, einen Prototyp mit dem
‹Standard Development Kit (SDK)›
basierend auf Android 4 für die
Entwicklung eigener
Softwareapplikationen zu kaufen. Die
integrierte Digitalkamera, die
Trägheitssensoren, Lautsprecher und das
Mikrofon für die Sprachbefehle über
Google Glass machen zahlreiche
Zusatzfunktionen möglich. Diese AR-Brille
ist ein eigenständiges Wearable Device,
das die Applikation über ein Glasprisma
in das Blickfeld des Benutzers projiziert.
Das Produkt befindet sich immer noch in
der Testphase, weil Google auf der
Grundlage der Feedbacks der Benutzer
strukturelle Änderungen anbringt.
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Moverio ist die
intelligente
Multimedia-Brille von
Epson für
Augmented-Reality-
Anwendungen. Sie
eröffnet nahezu
unbegrenzte AR-
Möglichkeiten. Die
Bildauflösung ist
entschieden höher als
im Durchschnitt, und
das Bild wird für beide Augen projiziert.
Auch in diesem Fall ist ein
standardmäßiges Android-SDK für die
App-Entwicklung erhältlich. Die Apps
können im Moverio Apps Market
veröffentlicht werden.
Moverio BT-200 ist am Markt um rund
600 Euro erhältlich. Die Version BT-300 ist
etwas teurer, bietet jedoch interessante
Merkmale: Sie verwendet das innovative
OLED-Display (Organic Light Emitting
Diode), wodurch sie zur
leichtgewichtigsten Brille mit der besten
Bildqualität am Markt wird. Die
Augmented Reality wird auch durch die
hochkontrastreiche HD-Auflösung zu
einer intensiven Erfahrung.
Neben der herausragenden Bildqualität
mit 3D-Funktion bietet Moverio eine
Front-Kamera mit HD-Auflösung für
Bilder und Videos in HD-Qualität aus der
Ich-Perspektive und eine Akkulaufzeit von
bis zu sechs Stunden.
Der Prozessor Intel® Atom™ x5 Quad
Core 1,44 GHz sichert höchste
Leistungen, auch kombiniert mit
komplexen und inhaltsreichen
Applikationen. Zahlreiche Sensoren
einschließlich der im Display und im
Controller integrierten
Bewegungssensoren, GPS, Mikrofon und
Videokamera lassen hochkarätige
Applikationen realisieren.
Progea hat eine App für das Android-
Betriebssystem zur Visualisierung von
Bildern und Echtzeitdaten aus dem
Movicon.NExT-SCADA-Datenserver
entwickelt.
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Ein Augmented-Reality-Projekt muss
seine dynamischen Informationen von
einem Datenserver abrufen. Es muss
physisch mit der Anlage oder der
Maschine kommunizieren. Dabei
verwendet es
Kommunikationsprotokolle für den
Zugriff auf die Daten von Steuergeräten
wie SPS, CNC, Sensoren, etc.
Eine Serverplattform muss die
Anlagendaten veröffentlichen und sie
für das AR-Device verfügbar machen.
Wahrscheinlich benötigt die Anlage
eine SCADA/HMI-Überwachungs- und
Visualisierungsstation, ganz
unabhängig vom Augmented-Reality-
Device. Diese verwaltet alle
erforderlichen Ressourcen:
1. I/O-Datenserver
2. Ereignis- und
Prozessdatenaufzeichnung
3. Alarmmanagement und
Ereignismeldung
4. Datenanalyse
5. Verwaltung der Steuerungslogiken
Das AR-Device muss mit dem
Überwachungssystem bzw. mit der
Plattform, die die Echtzeitdaten der
Anlage verwaltet, kommunizieren. Aus
diesem Grund arbeiten das
Überwachungssystem und das
Augmented-Reality-System im
Netzwerk zusammen. Die ideale Lösung
ist eine offene, einfach zu verwendende
Standard-Plattform. Sie muss das
gewählte Industrieprotokoll
unterstützen, muss modular und
erweiterbar sein und alle erforderlichen
SCADA/HMI-Funktionen sowie
Augmented-Reality-Systeme
implementieren.
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Movicon.NExT ist eine revolutionäre,
moderne und innovative SCADA/HMI-
Plattform. Sie wurde von Progea
entwickelt, dem Fachunternehmen mit
über 25 Jahren Erfahrung in
Softwaretechnologien für die
Automatisierung. Das bekannteste
Progea-Produkt - Movicon - zählt über
130.000 Applikationen und
Installationen in aller Welt.
Movicon.NExT basiert auf der
modularen Softwareplattform-
Technologie ‹Automation
Platform.NExT› mit .NET-Frameworks
für die Automatisierung in
industriellen PC- und Embedded-
Architekturen. Die Plattform verwendet
das OPC-UA-Informationsmodell.
Sowohl die Client- als auch die
Serverseite bieten somit maximale
Offenheit und Modularität.
Dadurch ist sie die ideale Lösung für
die flexiblen und offenen IIoT-Projekte.
Beispiel einer Augmented-Reality-Applikation. Im Sichtfeld werden
dynamische Informationen des Überwachungssystems und des
Datenservers überlagert eingespielt
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Ein industrielles SCADA-Projekt beginnt bei der Datensammlung. Es erfordert einen
Kommunikationsserver wie den I/O-Datenserver von Movicon.NExT, der die Verbindung
mit den Geräten mit Automatisierungsprotokollen wie Modbus, Siemens, Rockwell,
Schneider, Mitsubishi, Omron, Panasonic und Feldbussen wie Profinet, BACNet,
Ethernet/IP, EtherCAT, etc. herstellt.
Außerdem garantiert Movicon.NExT die OPA-UA-Konnektivität nativ, weil das
Framework-Datenmodell OPC-UA-basiert ist. Im IIoT-Bereich verbindet sich der
Movicon.NExT-Server mit Devices oder Applikationen auch über die PubNub- und
MQTT-Protokolle, während Azure IoT auf einfache Weise implementiert werden kann.
Daneben bietet der Server alle fortschrittlichsten und komplettesten Alarmmanagement-
und Historian-Funktionen für die Datenaufzeichnung in Datenbanken oder in der Cloud.
Das Clientmodul von Movicon.NExT bietet die innovativsten
Datenvisualisierungsfunktionen. Die neue grafische, WPF-basierte Layout-Engine
verwendet Vektorgrafik von außerordentlicher XAML-Qualität. Die Grafik ist unabhängig
von der Bildschirmauflösung und multi-touch-fähig.
Umfassende Symbol- und Objektbibliotheken der neuesten Generation unterstützen das
Grafikpotenzial und lassen animierte Prozessbilder zur optimalen Darstellung der
modernen Automatisierungstechnologien realisieren. Die 3D-Grafik mit dynamischer 3D-
Interaktivität lässt fortschrittliche HMIs entwickeln, vor allem in Bezug auf die neuen
holografischen Displays.
Das Clientmodul unterstützt außerdem das Alarmmanagement und die Datenanalyse
anhand von Trendmodellen, Diagrammen und Reporting-Funktionen.
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Die ersten Demo-Applikationen in Augmented-Reality-Umgebung wurden von Progea
mit der Google-Glass-Brille getestet und auf den Fachmessen der industriellen
Automatisierung vorgeführt. Sie haben großes Interesse geweckt.
Für die Realisierung eines Projektes mit Augmented-Reality-Funktionen hat Progea Apps
entwickelt, die mit dem Movicon.NExT-SCADA-Server kommunizieren und mit der
Anlage über ein AR-Device interagieren.
AR-Device (Smartglasses oder HoloLens) im WLAN-
Netzwerkverbund mit den Anlagen
Eine Android-basierte App wird vom AR-Device-Prozessor ausgeführt und kommuniziert
im Netzwerk mit dem Movicon.NExT-SCADA-Server. Das AR-Device visualisiert im
Sichtfeld die für das Gerät entwickelten Prozessbilder. Es zeigt für jede Seite die
vorgesehenen Informationen an und interagiert mit dem SCADA-Rechner.
Das System ist konfigurierbar, damit der Anwender sowohl die Informationen als auch
die Interaktivität mit dem SCADA-Rechner frei gestalten kann. Die Progea-App kann für
alle Individualisierungs- und Interaktionserfordernisse vom Anwender (mit SDK) oder mit
der Unterstützung von Progea geändert und integriert werden.
Seit der Verfügbarkeit von ‹Microsoft HoloLens› hat Progea basierend auf dem
Betriebssystem Windows 10 für HoloLens eine App für Windows 10 HoloLens entwickelt,
die imstande ist, mit Movicon.NExT realisierte Projekte auszuführen. Die App unterstützt
die Movicon.NExT-Prozessbilder, allerdings noch ohne 3D-Technologie, die erst in
zukünftigen Versionen verfügbar sein wird. Mit der App können HoloLens-fähige HMI-
Projekte entwickelt werden, die ihre Projektvariablen im WLAN-Netzwerk mit Geräten
oder SCADA-Rechnern verbinden. HoloLens ist in seinen Holografie- und
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Zeigertechnologien revolutionär und verleiht den zukunftsorientierten HMI-Lösungen
einen hohen Mehrwert.
AR-Devices (nur HoloLens) im Netzwerkverbund mit den
Anlagen
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