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Mobile Geräte dienen in Arbeitsumfeld als grafische Benutzerschnittstellen, um hochkomplexe Systeme von überall und jederzeit überwachen zu können. Bild: National Instruments
Bewegliche Systeme

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Mobile Geräte in der Mess- und Regeltechnik

Text: Martin Lienau, National Instruments
Das Zeitalter der mobilen Datenverarbeitung ist in vollem Gange. Smartphones gehören inzwischen zu den Gegenständen, ohne die keiner mehr aus dem Haus geht. Tablet-PCs werden bald weiter verbreitet sein als Standard-PCs. Mobile Geräte können so vielfältig eingesetzt werden. Auch im Arbeitsumfeld, wenn die richtige Systemarchitektur dahinter steckt.

Die mobile Technik für den privaten Gebrauch hat einen großen Einfluss auf Mess-, Steuer- und Regelsysteme. Dieser ist aber erst dann zu verstehen, wenn Entwickler die Herausforderungen solcher sich ständig erweiternden Systeme aufgrund der Erwartungshaltung der Anwender in den Fokus stellen. Durch die Integration der unterschiedlichen mobilen Plattformen in den Alltag hat der gewöhnliche Benutzer in kurzer Zeit Ansprüche an Freiheitsgrade, die solche Technik im Privatleben bietet, auch auf sein Arbeitsumfeld übertragen.

Mobile Telefone dienen nicht mehr nur zur Sprachkommunikation, sondern bieten, mit leistungsstarken Vierkernprozessoren ausgestattet, eine Palette an Möglichkeiten: Sei es, den Zustand des Bankkontos einzusehen, die Abfahrtszeiten eines Zuges nachzuschlagen oder sogar die Temperatur einer Wohnung zu regeln. Der Benutzer braucht nicht mehr persönlich vor Ort zu sein, um beispielsweise die Temperatur im Wohnzimmer einzustellen, sondern kann dies über internetfähige Thermostate mit dem Smartphone steuern.

Kennzeichen eines modernen Systems

Benutzerschnittstellen mit mehreren Zugangspunkten über ein Netzwerk kennzeichnen ein modernes System. Hierbei kann der Benutzer die Entscheidung treffen wie, wann und wo er mit dem System interagieren möchte. Die touchbasierten Oberflächen der mobilen Geräte sind ein perfekter Ausgangspunkt, um dezentrale Benutzerschnittstellen zu erstellen.

Genauso wie beim Konsumenten bietet diese moderne Architektur auch für Mess-, Steuer- und Regelsysteme einen Mehrwert dadurch, dass ein System dezentral und mobil verwaltet werden kann. Hier gibt es drei Gruppen, in die Architekturentwickler Anwender solcher Systeme einteilen können: Bediener, Techniker und Manager. Dabei sind Aufgabenbereich und Interaktion bei allen unterschiedlich. Der Bediener arbeitet alltäglich vor Ort direkt an einem System. Der Techniker ist meist für die Wartung zuständig und betreut mehrere Systeme. Ein Manager hingegen überwacht all diese von einer Zentrale mit Fernzugang. Darum besteht die Herausforderung des Entwicklers darin, eine Systemarchitektur zu erstellen, die alle drei Gruppen abdeckt.

Subsysteme der Systemarchitektur

Mess-, Steuer- und Regelsysteme bestehen aus Sensoren, Aktoren, Recheneinheiten und Benutzerschnittstellen. Die Architektur wiederum kann mehrere Subsysteme haben, die Programmierer meistens getrennt betrachten. Der erste Bereich ist das Messsystem selbst. Hierbei muss sich der Entwickler um Treiberaufrufe und Kommunikation mit der Hardware zur Datenerfassung über die Sensoren kümmern.

An zweiter Stelle stehen Datenanalyse und -verwaltung, wo die Zustände des Systems berechnet werden. In diesem Subsystem muss der Entwickler anhand der gewünschten Aufgaben entscheiden, welche Daten er benötigt, und im Falle eines Regelsystems sogar mit welcher Rate die Schleifendurchläufe erfolgen müssen. Dabei ist das Betriebssystem der Zielplattform entscheidend. Benötigt er beispielsweise ein deterministisches Regelsystem, so kommt nur eine echtzeitfähige Plattform infrage, die aber gleichzeitig sowohl eine Steuerung von Datenerfassungskarten als auch die Kommunikation mit weiteren Überwachungssystemen über Netzwerk erlauben muss.

An dritter Stelle steht die Schnittstelle zum Menschen. Die einfachste Form einer solchen Schnittstelle ist ein Monitor oder Touchscreen, der über ein VGA-Kabel mit dem System vor Ort verbunden ist und dem Bediener zur Visualisierung der Daten und Parameter dient. Viele Programmiersprachen bieten mittlerweile schon hinterlegte grafische Bibliotheken, um analysierte Daten benutzerfreundlich darstellen zu ­können.

Der Techniker als Anwender

Die Herausforderung des Technikers ist es, meist mehrere, verteilte Systeme warten zu müssen. Dafür benötigt er ein eigenes portables Gerät, das mit jedem System kommunizieren kann. Oft kommt ein Laptop zum Einsatz, der über USB- oder Ethernet-Kabel mit dem Messsystem verbunden wird, um Protokolldateien von der lokalen Festplatte des Systems zu sichern. Kabellose Schnittstellen wie Bluetooth und WLAN können von einem Smartphone oder Tablet-PC bedient werden, um unterschiedliche Zustände zu überprüfen. Auch RFID-Technik und QR-Codes kommen über die mobilen Geräte zum Einsatz. Aus einem QR-Code kann mit der Kamera eines Smartphones die Seriennummern von Maschinen ausgelesen werden und über ein RFID-Tag, wann die letzte Wartung stattgefunden hat und wer der zuständige Techniker war. Bei solchen kabellosen Verbindungen steht die Sicherheit der Software-Architektur an erster Stelle. Gibt es nämlich eine offen zugängliche Stelle, ist das komplette System gefährdet.

Der Manager als Anwender

Die Sicherheit eines Systems ist auch beim Zugang des Managers sehr wichtig, der mehrere Systeme mittels Ferndiagnose überwacht. Eine in einem Webbrowser eingebettete Benutzerschnittstelle ermöglicht ihm den Datenaustausch über das Netzwerk. Die üblichste Form dieses Zugangs sind die Webservices auf Basis von HTML-Anfragen und -Antworten mittels Parametern. So wird schnell verständlich, dass Entwickler es nicht mehr mit einem reinen Mess- oder Regelsystem zu tun haben, sondern mit einer viel komplexeren Problemstellung.

Mobile Geräte als Benutzerschnittstelle

National Instruments bietet eine Plattform bestehend aus modularer Hardware und der Software NI Labview. Diese Plattform löst das Hauptproblem der Entwickler, ein System vom Entwurf der Architektur an einheitlich zu gestalten und nicht drei separate Systeme erstellen zu müssen, wie es der Fall in anderen klassischen Programmiersprachen ist. Wenn beispielsweise ein Zugang zu Parametern der Steuerung und Regelung über mobile Geräte, aber auch über andere Kanäle möglich sein soll, kann dies direkt über einen Tablet-PC mit einer mobilen Applikation ohne weitere Entwicklung realisiert werden. Der Einsatz dieser Plattformen reduziert die Entwicklungszeit deutlich, da die Architektur nicht aufgeteilt wird und beim Erweitern des Systems über mobile und dezentrale Schnittstellen dennoch die gleiche Plattform und Programmiersprache verwendet werden kann.

Mobile Geräte sind nicht mehr wegzudenken. Techniker und Manager können flexibel und standortunabhängig Systeme überwachen. Über mobile Geräte von überall und jederzeit als Benutzerschnittstelle verfügen zu können, ergibt eine Interaktion mit hochkomplexen Systemen, die für alle Teilnehmer einfacher und produktiver ist.

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