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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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