Die Organisation von Veranstaltungen ist für viele unterschiedliche Organisationen relevant, u.a. auch für die TH Wildau. Dieser Prozess bietet vielfältige Realisierungsmöglichkeiten, von händisch bis voll automatisiert. Eine effiziente Realisierung des Prozesses verbessert nicht nur die Arbeit der Angestellten, sondern steigert auch die Zufriedenheit der Teilnehmer. Im Testbed des Innovation Hub 13 wurde ein solcher Prozess innerhalb kurzer Zeit digitalisiert und automatisiert, was die Vorteile eines modularen und flexiblen Testbeds darstellt.

Der Prozess beginnt mit der Vorbereitung der Veranstaltung und der Einladung der Teilnehmer. Dies wurde anfangs manuell als Briefversand realisiert, konnte aber in den letzten Jahren durch den Einsatz des „Astendo Eventmanager“ wesentlich vereinfacht werden. Dieses System automatisiert die Einladung, organisiert die Zusagen, stellt entsprechende Namensschildervorlagen zur Verfügung und bietet unterschiedliche Nachbearbeitungsfunktionen.

Für die eigentliche Anmeldung am Tag der Veranstaltung wurden meist Mitarbeiter benötigt, die die Begrüßung der Gäste übernehmen, das Einschreiben auf der Teilnehmerliste überwachen und das entsprechende Namensschild an die Teilnehmer aushändigen. Dieser Teil kann nun durch die Vernetzung im Testbed automatisiert werden. Der Mitarbeiter muss nun nur noch den QR Code der Einladung des Teilnehmers scannen, was sowohl die Anwesenheit in einer Datenbank dokumentiert, als auch das entsprechende Namensschild „on demand“ druckt.

Für die Nachbereitung im Anschluss an die Veranstaltung mussten stets die Teilnehmerlisten händisch in das entsprechende System eingepflegt und anonymisiert werden. Auch dieser Prozess kann hochgradig automatisiert durch Datenbanksynchronisation ablaufen. Dabei werden insbesondere die datenschutzrechtlichen Ansprüche an diese Art der Daten beachtet, da eine Anonymisierung vollautomatisch passieren kann und die Daten zu keinem Zeitpunkt von anderen Personen eingesehen werden müssen. Im Vergleich zu den öffentlich ausliegenden Teilnehmerlisten der meisten Veranstaltungen ist dies ein wesentlicher Schritt in die richtige Richtung.

Für eine noch weiterreichende Form der Digitalisierung kann der menschliche Mitarbeiter komplett ersetzt werden. Dafür steht an der TH Wildau ein „Pepper-Roboter“ zur Verfügung. Dieser kann die Begrüßung, das Scannen des QR Codes, den Druck des Namensschildes und die Datenverarbeitung komplett übernehmen, was die Effizienz des Prozesses sowie den „Marketing Effekt“ weiter verstärkt.

In einer Fertigungsanlage des Testfeldes Cyberphysische Produktionssysteme werden Produkte aus verschiedenen Einzelteilen gefertigt. Wenn eines der benötigten Einzelteile nicht mehr verfügbar ist, muss eine Bestellung für die benötigten Teile ausgelöst werden. Diese Bestellung könnte händisch geschehen, wird in diesem Fall aber automatisiert durch die Vernetzung von Fertigungsstrecke (Siemens S7-1500) und Warenwirtschaftssystem in der Cloud realisiert. Alternativ können hier auch Daten von anderen Speicherprogrammierbaren Steuerungen ausgelesen und genutzt werden.

Sind alle Konditionen erfüllt (z.B. Bezahlung), wird im Lager des Testfeldes Logistik der Logistik-Prozess angestoßen. Ein Mitarbeiter könnte manuell die Auftragsdetails erfassen und an die Kommissionierungsabteilung weiterleiten. Hier druckt allerdings das Warenwirtschaftssystem automatisch ein Barcode-Etikett, welches eine Verbindung zu sämtlichen Bestellungsdetails erhält. Anstelle von Barcodes wäre hier auch die Nutzung von RFID Tags denkbar. Das vorbereitete Paket wird mit Hilfe eines „smarten Förderbandes“ an die Kommissionierungsabteilung weitergeleitet.

Normalerweise müsste nun ein Mitarbeiter eine Teileliste ausdrucken und manuell die benötigten Komponenten aus dem Lager suchen. Hier kann allerdings direkt der Barcode gescannt werden, was automatisch die Pick-by-Light Anlage steuert, welche die zu kommissionierenden Teile anzeigt. Alternativ können hier auch andere Pick-Verfahren eingesetzt werden, wie z.B. Pick-by-Voice oder mobile Pick-by-Light-Anlagen. Sobald dieser Prozess abgeschlossen ist, wird das fertige Paket zur Qualitätssicherung weitergeleitet.

Auch hier ist normalerweise meist mindestens ein Mitarbeiter mit der Kontrolle der kommissionierten Ware beschäftigt. Im vernetzten Testbed wird dieser Prozess mit Hilfe von optischen Verfahren, die mit Systemen des Testfeldes Bildverarbeitung durchgeführt werden, der Inhalt geprüft, gespeichert und Meta-Daten der Bestellung werden generiert. Alternativ steht ein System der Firma Geutebrück zur Verfügung, welches ähnliche Funktionalitäten bietet. Sollte die Prüfung erfolgreich sein, wird das Paket automatisch zur Auslieferung weitergeleitet.

Die Auslieferung geschieht traditionell durch sog. KEP-Dienstleister, meist in Form von personengesteuerten LKW. In diesem Anwendungsfall kann das Paket mit Hilfe von fahrerlosen Transportsystemen (Weasel), welche die Zielkoordinaten direkt aus der Cloud erhalten, ausgeliefert werden. Alternativ kann auch ein selbstfahrender Truck des Testfeldes „Autonomes Fahren“ genutzt oder die traditionelle Auslieferung durch KEP-Dienstleister mit Hilfe von automatisierten Metadaten verbessert werden.

Da sämtliche Prozessschritte an die Cloud weitergeleitet werden, kann der aktuelle Prozessstatus jederzeit über ein Webinterface angesehen werden.

Zusammenfassung inkl. Alternativen:

Hier kommt eine praktische Anleitung hin 😀

Das Message Queue Telemetry Transport (kurz MQTT) Protokoll wird in diesem Projekt für die Kommunikation zwischen den verschiedenen Geräten genutzt. Der sowohl ISO- (ISO/IEC PRF 20922), als auch OASIS-Standard MQTT gilt mittlerweile als der de facto Standard des IoT und findet auch zunehmend Anwendung in industriellen Umgebungen. Das offene Nachrichtenprotokoll ist für die Machine-to-Machine-Kommunikation (M2M) konzipiert und hat einen kleinen Overhead, wodurch die Menge der transferierten Daten gering gehalten und das jeweilige Netzwerk nur wenig belastet wird. Diese ressourcenschonende Art der Kommunikation eignet sich bestens für die Kommunikation zwischen vielen Akteuren und ist daher prädestiniert für IoT-Szenarien, zu welchen auch der vorliegende Anwendungsfall – das vernetzte Testbed – zählt.

Die Übermittlung der Daten erfolgt eventbasiert über einen zentralen Broker. Eine MQTT-Nachricht besteht immer aus mindestens dem Topic und der Payload, dem eigentlichen Inhalt der Nachricht. Der Inhalt der Payload ist für den Broker irrelevant, denn alle Daten werden BASE64-codiert übertragen. Topics hingegen werden genutzt um die Kommunikation zwischen den unterschiedlichen Teilnehmern (Clients) zu organisieren und haben eine hierarchische Struktur (siehe Abbildung 1). Der Name der Topics ist prinzipiell frei wählbar. Andere Teilnehmer (Clients) können diese Topics abonnieren (subscribe) und empfangen jede Nachricht, die auf dem entsprechenden Topic veröffentlicht wird (publish), irrelevant von welchem Client diese stammt.

Ein Client kann entweder ein (oder mehrere) spezifische Topics abonnieren oder mit Hilfe von Wildcards ganze Teile der Hierarchie auf einmal abonnieren. Das Zeichen „+“ gilt dabei als Wildcard für eine einzelne Hierarchieebene und das Zeichen „#“, welches immer am Ende eines Topics stehen muss, gilt für alle folgenden Hierarchieebenen inkl. aller Unterebenen. Folgende Beispiele veranschaulichen die Funktionsweise der Wildcards in Topics des MQTT-Protokolls: Beispiele von HiveMQ.

Optionale Eigenschaften eines MQTT-Clients

Persistent Session

Wenn ein Client die Verbindung zum Server verliert, gewollt oder ungewollt, sind normalerweise alle abonnierten Topics verschwunden und müssen neu hinzugefügt werden. Dieses Verhalten wird „Clean Session“ bezeichnet. In bestimmten Anwendungsfällen kann es allerdings sehr mühsam sein, zuvor abonnierte Topics wieder hinzuzufügen, wenn es sich z. B. um eine Vielzahl von Sensoren an unterschiedlichen Standorten handelt. Für diese Fälle gibt es die Möglichkeit einer „Persistent Session“. Hier werden nicht nur die Topics eines Clients vom Server vorgehalten, sondern auch alle Nachrichten mit dem QoS Level 1 und 2, die den Client seit dem letzten Verbindungsabbruch nicht erreicht haben.

Last Will & Testament

MQTT-Clients ist es möglich, dem Broker beim Verbinden eine „Last Will & Testament“ (LWT) -Nachricht bekannt zu geben. Diese Nachricht wird gesendet, falls der Client die Verbindung zum Server ungewollt verliert. Dadurch lässt sich z. B. eine Übersicht über den Verbindungsstatus eines Clients realisieren

Optionale Eigenschaften einer MQTT Nachricht

Quality of Service

MQTT bietet für die Spezifizierung der Semantik des Nachrichtentransfers drei Level von Quality of Service (QoS) an. Dafür sind im Header der Nachricht zwei Bit reserviert, die bei jeder Nachricht das Level angeben. Die Bedeutung der unterschiedlichen Level ist wie folgt:

• Level 0: Die Nachricht wird einmalig gesendet und anschließend verworfen. Damit ist nicht sichergestellt, dass diese ankommt.
• Level 1: Es wird sichergestellt, dass die Nachricht mindestens einmal beim jedem Subscriber ankommt. Es kann aber vorkommen, dass die Nachricht mehrfach von einem Subscriber empfangen wird.
• Level 2: Im höchsten Level der QoS wird sichergestellt, dass die Nachricht genau einmal von den Subscribern empfangen wird.

Je höher das Level der QoS, desto höher ist die benötigte Servicezeit des Brokers für die Nachrichtenverteilung. Die Verwendung des jeweiligen QoS-Levels hängt vom Einsatzfall ab und sollte nicht pauschal als Restriktion für alle vorgegeben werden.

Retained Messages

Nachrichten können vom sendenden Client als „Retained Message“ (aufbewahrte Nachrichten) markiert werden. Diese werden vom Broker zwischengespeichert und jeder Client, der das Topic mit der Retained Message abonniert, bekommt automatisch die letzte Nachricht mit einer Retained Kennzeichnung. Bei Temperaturdaten kann es beispielsweise sinnvoll sein Retained Messages zu aktivieren, damit ein neuer Subscriber nicht auf die nächste Änderung warten muss bis er den aktuellen Status empfängt, sondern sofort die letzte Meldung erhält.

Sicherheit

Da das MQTT Protokoll auf dem TCP/IP Stack basiert, besteht die Möglichkeit einer standardisierten Verschlüsselung auf Transportebene mit Hilfe von TLS/SSL. Um diese Art der Verschlüsselung zu nutzen, benötigt der MQTT Broker ein X509 Zertifikat, bevorzugt von einer offiziellen Zertifizierungsstelle signiert, um die spätere Verifizierung des Servers durch den Client zu erleichtern. Des Weiteren wird für die verschlüsselte Kommunikation ein separater Listener auf einem extra Port erstellt, standardmäßig ist dieser Port 8883. Nun können Clients, die die Möglichkeit der verschlüsselten Kommunikation via TLS/SSL unterstützen, über diesen Port verschlüsselt mit dem MQTT Broker Nachrichten austauschen.

Eine weitere Möglichkeit die Kommunikation mit dem MQTT Broker abzusichern besteht darin, durch einen Authentifizierungsmechanismus die Nutzer zu begrenzen. Das Protokoll verfügt dafür über Nutzernamen und Passwort Felder in der „CONNECT“ Nachricht. Der Abgleich des Nutzernamens mit dem Passwort erfolgt brokerseitig, eine Methodik dafür ist nicht standardisiert und muss vom Administrator händisch eingerichtet werden. Hierbei empfiehlt es sich ausdrücklich auf standardisierte, öffentlich zugängliche Sicherheitsmechanismen zurückzugreifen und keine eigenen Mechanismen zu programmieren!

Eine weitere Möglichkeit der brokerseitigen Absicherung der MQTT Kommunikation besteht in der Erstellung von Autorisierungskonzepten. Diese Autorisierung kann jede erdenkliche Form annehmen, z. B. nutzerspezifisch, nutzergruppenspezifisch oder zertifikatsbasierend. Die Implementierung der Logik liegt erneut vollkommen frei in der Hand der Administratoren.

Abschließend besteht noch die Möglichkeit der Nachrichtenverschlüsselung auf Applikationsebene. Diese ist abhängig von den jeweiligen Clients und kann unabhängig vom Broker von jedem Client eingesetzt werden.

Es ist hierbei, wie bei allen übrigen Sicherheitsmechanismen, zu beachten, dass jegliche Erhöhung der Sicherheit immer zu Performanceeinbußen führt. Es kann daher Sinn machen, bei besonders zeitkritischen Anwendungsfällen komplett auf Sicherheitsmechanismen zu verzichten um die Leistung des Gesamtsystems zu optimieren. Es empfiehlt sich in jedem Fall die Besonderheiten des jeweiligen Anwendungsfalles zu betrachten und die Sicherheitsanforderungen individuell zu bestimmen.

Da das Testbed Systeme und Technologien aus unterschiedlichen Bereichen integriert, bietet sich eine architektonische Orientierung am Internet-of-Things (IoT) an. Hier gibt es eine Vielzahl von unterschiedlichen Möglichkeiten, die jeweils spezielle Soft- und Hardwarestacks einsetzen. Die Entscheidung für entsprechende Stacks ist zwar anwendungsfallabhängig und kann nicht pauschal getätigt werden, aber die grundlegende Architektur ist meist gleich und kann auch im Kontext des Testbeds angewandt werden. Folgende Grafik veranschaulicht die Verknüpfung der einzelnen Bereiche:

Quelle: https://iot.eclipse.org/white-papers/iot-architectures/

Devices sind Sensoren bzw. Aktoren, die bestimmte Daten erheben bzw. Aktionen ausführen, wie beispielsweise ein Temperatursensor und eine Klimaanlage. Die Gateways steuern die Aktoren und lesen die Daten der Sensoren aus, speichern diese und leiten sie ggf. an die Cloud oder andere Aktoren weiter. Sollte z. B. der Temperatursensor eine Temperatur über 30° messen wird die Klimaanlage eingeschaltet und ein Logbucheintrag (Zeit, Temperatur, Klimaanlage an oder aus) darüber angelegt.

Die Cloud übernimmt mehrere Funktionen: hier werden die erzeugten Daten langfristig gespeichert, die unterschiedlichen Gateways, Sensoren und Aktoren verwaltet (Übersicht, Zugriffskontrolle etc.); und sie stellt eine universale Schnittstelle für weitere Services zur Verfügung. Zum Beispiel könnten hier alle Temperatursensoren und Klimaanlagen eines Gebäudes verwaltet werden und deren Logbucheinträge vorgehalten werden.

Die Applications sind unabhängige Systeme, die die erzeugten bzw. gespeicherten Daten nutzen, um Mehrwerte für entsprechende Nutzergruppen zu generieren. Diese variieren stark und können daher nicht generalisiert werden. Ein Beispiel dafür könnte eine „Klimamanagement App“ sein, welche einen Überblick über die aktuelle und historische Klimatisierung eines Gebäudes gibt sowie die gezielte Überwachung und Steuerung einzelner Klimaanlagen erlaubt.

Die gestrichelten Linien symbolisieren die Vernetzung zwischen den Systemen, welche auch stark variieren und je nach Anwendungsfall/Infrastruktur zu evaluieren sind. Zum Beispiel könnte in dem bisher beschriebenen Anwendungsfall die Übertragung zwischen Sensor und Gateway drahtlos über Bluetooth erfolgen. Das Gateway ist über ein TCP/IP-Netzwerk mit dem Internet verbunden, worüber die Cloud, welche sich in einem separaten Rechenzentrum befindet, erreichbar ist. Die App befindet sich auf dem Tablet der Hausverwaltung, welches über WLAN mit dem Internet und somit der Cloud verbunden ist.

Das Testfeld Bildverarbeitung verfügt über eine umfangreiche technische Ausstattung für professionelle Anwendungen in der Bildverarbeitung und Videoanalyse. Mit den unterschiedlichen Anlagen lassen sich realitätsnahe Umgebungen und komplexe Szenarien simulieren und dabei mit verschiedenen Geräten analysieren. Die Entwicklung von Prototypen und professionellen Anwendungen wird durch die verschiedenen technischen Komponenten erheblich vereinfacht und verbessert.

Das Testfeld bietet eine große Auswahl an Hardware, mit der die Entwicklung von robusten Bildverarbeitungslösungen und Prototypen effizient und innovativ gestaltet werden kann. Zur Simulationsumgebung gehören die Erzeugung unterschiedlicher Lichtverhältnisse, komplexe Anordnung von Kamerasystemen sowie das Aufzeichnen und Auswerten von Versuchsergebnissen. Darüber hinaus können mit Hilfe eines 3D-Druck- und Laserschneidesystems Prototypen und Objekte für eigene Simulationen, beispielsweise Objekterkennung, erstellt werden. Weitere Spezialkomponenten im Labor sind Hochgeschwindigkeits- und Wärmebildkameras, die mittels ihrer vorteilhaften Eigenschaften sehr sichere und eindeutige Ergebnisse liefern und dadurch auch als Kontrollwerkzeuge für Bildverarbeitungslösungen dienen können, die mit handelsüblichen Kameras arbeiten. Die Geräte zum Erstellen von Modellprototypen und die vielfältigen Möglichkeiten der visuellen Erfassung mittels unterschiedlicher Kameratypen bietet einen On-the-Fly Ansatz, der das Erstellen prototypischer Resultate erheblich beschleunigt. Zur Präsentation von Ergebnissen sowie für den Bereich e-Learning gehören Präsentationstechniken wie multimediale Eingabegeräte, Tablet-PCs und Datenbrillen zur Ausstattung des Labors.

Das Testfeld Bildverarbeitung dient nicht nur Verbesserung der Forschungsaktivitäten an der TH Wildau, sondern bietet auch ansässigen Unternehmen die Möglichkeit innovative Lösungen in der Bild- und Videoverarbeitung in Kooperationsprojekten zu entwickeln und damit einen entscheidenden Wettbewerbsvorteil im Markt zu erlangen. Durch den großen Umfang an professioneller Technik ist das Testfeld Bildverarbeitung sowohl für KMU, als auch für größere Unternehmen die ideale Anlaufstelle zur Realisierung anspruchsvoller Lösungen. Der On-the-Fly Ansatz für die Fertigung von Prototypen, bringt einen sehr hohen Mehrwert in der Forschung, Lehre, zu Demonstrationszecken, im Wissenstransfer und insbesondere im Entrepreneurship. Gründerteams können mit den Werkzeugen zum Prototypenbau sehr leicht eigene Gegenstände erzeugen und somit ihre Produktidee im realweltlichen Kontext testen. Insbesondere lassen sich damit professionelle Prototypen entwickeln, die ein wichtiger Beitrag zur Demonstration einer Geschäftsidee sind, um so Interessenten, Kunden als auch Investoren zu überzeugen. Die Vernetzung der Test- und Simulationsanlage erfolgt innerhalb des Hochschulnetzes der TH Wildau und ist so auch für externe Unternehmen über das Internet erreichbar.

Die industrielle Produktion befindet sich in einem immanenten Wandel. Dieser als vierte industrielle Revolution vor fünf Jahren ausgerufene Prozess wird das Bild der industriellen Herstellung drastisch verändern und ebenso ein Überdenken der Einbettung des Menschen als Akteur im Prozess erfordern.

Ziel des Testfeldes Cyberphysische Produktionssysteme ist es, in diesem Umfeld Lösungen zu erarbeiten, die den Prozess des Wandels in der Industrie durch sensorische und aktorische Elemente (Entitäten) und deren Interaktion unterstützen helfen. Intelligente Produktionsketten werden das Bild zukünftiger Fabriksysteme prägen. Es wird also Wesen und Zweck des Vorhabens sein, eine Klärung derartige cyberphysischer Produktionssysteme (CPPS) und Fabrikorganisationen zu definieren und hierbei insbesondere die Rolle der Produktivfaktoren zu prüfen. Hierbei stellt der Mensch als bisheriger übergeordneter Entscheider, Ideengeber und Bediener das wesentliche Kriterium zur Beschreibung eines zukünftigen Wertschöpfungsprozesses dar. Durch die Neustrukturierung von automatisierter und menschlicher Arbeit muss das Zusammenspiel Fabrik/Mensch/Maschine sowohl räumlich auch als zeitlich neu optimiert werden.

Dazu stellt das Testfeld vielfältige Hard- und Softwarekomponenten zur Verfügung, angefangen bei PC Technik mit modernster Software, Speicherprogrammierbare Steuerungen unterschiedlicher Hersteller und deren Interaktionssoftware, eine Cyberphysische Testanlage inklusive Produktionsleitsystem, ein Energiemanagementsystem u.v.m.

Das Intralogistiklabor bietet eine umfassende praxisnahe Umgebung, in der Studierende an neuester Industrietechnik erste Erfahrungen sammeln können und vielfältige Möglichkeiten bekommen, Vor- und Nachteile, sowie Einsatzszenarien der verschiedenen Anlagen zu testen. Zudem bietet es für Firmen, insbesondere für KMU aus der Region, eine einzigartige Umgebung um sich über Neuentwicklungen zu informieren und diese in der Praxis zu testen.

Im folgenden Abschnitt wird eine Übersicht über die verfügbare Infrastruktur für den Teilbereich Logistik gegeben. Die Geräte werden dabei für eine bessere Übersichtlichkeit in verschiedene Kategorien eingeteilt.