atp edition Instandhaltungsstrategien für PLT-Schutzeinrichtungen (Vorschau)

11 / 2012

54. Jahrgang B3654

Oldenbourg Industrieverlag

Automatisierungstechnische Praxis

Instandhaltungsstrategien für

PLT-Schutzeinrichtungen | 28

In Echtzeit: RFID-gestütztes

Produktionsassistenzsystem | 36

Effizientes Testen heterogener

Leitsystemkonfigurationen | 46

Geräteintegration

mit FDI und OPC UA | 56

Print wirkt

„atp edition“ ist ein Printtitel auf höchster

Qualitätsstufe und mit Nachhaltigkeit im

Sinne wiederkehrender Nutzung. Der Titel

erfüllt den selbstgestellten Anspruch eines

anspruchsvollen und seriösen Magazins für

Top-Entscheider zwischen Wissenschaft

und Praxis konsequent.

Entsprechend der journalistischen Konzeption

ist Online hintenangestellt. Die Jury

sah hier „die beispielhafte Umsetzung einer

wissenschaftlich ausgerichteten Fachzeitschrift

mit Magazincharakter“.

EDITORIAL

„Von der Handdrossel

zum smarten Stellgerät“

Das ist das Motto der Namur-Hauptsitzung 2012. Stellgeräte-Aktorik ist heute

nicht mehr rein mechanisch, sondern mechatronisch: Mechanik, Elektronik

und Software bestimmen die Funktion. Aktoren sind komplexe Systeme, die

modular aufgebaut sind. Ihre sorgfältige Auslegung ist entscheidend, ihre Bestellung

aus dem Katalog oft unmöglich. Ein Beispiel behandelt der Beitrag

„Maschinenschutz für Axialverdichter“.

Sorgfältiges Engineering ist Grundvoraussetzung, um die Diagnosefunktionalitäten

beim digitalen kommunikationsfähigen Stellungsregler am Stellgerät

sinnvoll zu nutzen. Fehlerdiagnose und Condition Monitoring bieten viele Vorteile

für das Plant Asset Management, ermöglichen sie doch die gezielte Wartung

und im Idealfall längere Wartungsntervalle. Interessante Aspekte finden sich

hierzu im Beitrag „Instandhaltungsstrategien für PLT-Schutzeinrichtungen“.

Beschrieben wird der viel diskutierte Teilhubtest (PST) bei Sicherheitsarmaturen.

Natürlich gibt es auch andere Diagnosefunktionen bei Stellgeräten. Einen

Überblick über die wichtigsten erkennbaren Fehler und über Methoden zur

Fehlerfindung gibt die Namur-Empfehlung NE 107. In der Praxis wird die Fehlerdetektion

am Stellgerät jedoch noch nicht konsequent genutzt. Was sind die

Gründe?

Bei vielen digitalen kommunikationsfähigen Reglern sind die Namur-Forderungen

umgesetzt und liegen ausgewertet als Statusparameter mit Namur-Ampelkodierung

vor. Daran liegt es nicht. Aber Diagnosezuverlässigkeit und Diagnoseeindeutigkeit

sind nicht synonym.

Zwar wird das Symptom richtig erkannt, es können aber – vor allem bei komplexen

Stellgeräten – unterschiedliche Ursachen vorliegen. Mit FDI (Field Device

Integration) könnte die Geräteintegration einfacher werden, zumal sich an der

Normung fast alle Leitsystem-Hersteller beteiligen. Darauf geht der Beitrag „Modellierung

von Geräten mit OPC UA in FDI. Voraussetzung für interoperable

Geräteintegration“ ein. Die Nutzung von FDI in der Prozessautomatisierung ermöglicht

mit OPC UA eine standardisierte Zugriffsmöglichkeit, mit der die Gerätedaten

– unabhängig vom Asset Management und Leitsystem – permanent

erfasst und ausgewertet werden. Anders ist eine Optimierung der Anlagen-Performance

nicht möglich.

Neue Funktionen digitaler Stellungsregler, beispielsweise das Energie-Monitoring,

zeigen, wie bedeutsam die Aktorik ist – gewiss auch ein Grund die

Aktorik zum Thema der Namur-Hauptsitzung zu machen.

DR.-ING. JÖRG KIESBAUER,

Mitglied des Vorstandes

Forschung und Entwicklung

Samson AG

atp edition

11 / 2012

3

INHALT 11 / 2012

VERBAND

8 | Die Automatisierungs-Anwender in Europa vereinbaren

eine engere Zusammenarbeit

Verband für Start Ups in Berlin gegründet

9 | AMA: Innovationspreis 2013 ausgelobt

Baumtrog führt VDMA Robotik + Automation an

FORSCHUNG

10 | Energieautarke und drahtlose Sensoren für

Fertigungs- und Prozessautomatisierung entwickelt

TU München und TU Dresden als führende Hochschulen

für Nanotechnologie ausgezeichnet

11 | Expertinnen erforschen Mobilität der Zukunft

BRANCHE

12 | Neue Konzepte für das Anlagen-Monitoring

SPS IPC Drives 2012: Trendsession und Keynotes kostenfrei besuchen

13 | Sprechstunde: Fragen zu Explosionsschutz stellen

Smart Grid: Automatisierung der neuen Netze beachten

RUBRIKEN

3 | Editorial

66 | Impressum, Vorschau

4

atp edition

11 / 2012

TECHNOLOGIE

SCHAFFT

FORTSCHRITT

DART FELDBUS

PRAXIS

14 | Tradition und Moderne:

Klassische Whiskey-Brennerei profitiert von

moderner Feldkommunikation

18 | Biessenhofener Nestlé-Werk mit Ethernet/IP

modernisiert: Bei Inbetriebnahme viel Zeit gespart

20 | Maschinenschutz für Turboverdichter durch

Ventile mit großen Nennweiten und exakten

Regelgüten

24 | Produktion von Sammelheftern:

Kosteneffizienter Sensor lässt falschen Bögen

keine Chance mehr

HAUPTBEITRÄGE

28 | Instandhaltungsstrategien für

PLT-Schutzeinrichtungen

K. MACHLEIDT, L. LITZ,

36 | In Echtzeit: RFID-gestütztes

Produktionsassistenzsystem

R. LEPRATTI, G. HEINECKE, S. LAMPARTER,

J. SCHARNAGL, R. HANSEN

46 | Effizientes Testen heterogener

Leitsystemkonfigurationen

M. HOERNICKE, J. GREIFENEDER, M. BARTH

56 | Geräteintegration mit FDI und OPC UA

D. GROSSMANN, W. MAHNKE

DART Feldbus

Hohe Leistung + Eigensicherheit:

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Eigensicheres High Power-Trunk

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atp edition

11 / 2012

5

PRAXIS

6

atp edition

10 / 2012

VigilantPlant:

das Automatisierungskonzept von Yokogawa

Im Sinne der klassischen Automatisierungspyramide

stellen die vier Initiativen von VigilantPlant Ihren

Weg zur Operational Excellence sicher.

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atp edition

10 / 2012

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VERBAND

Die Automatisierungs-Anwender in Europa

vereinbaren eine engere Zusammenarbeit

Die europäischen Verbände von Anwendern der Automatisierung

in der Prozessindustrie wollen enger

zusammenarbeiten. Als ersten Schritt vereinbarten die

Verbände EI, Exera, WIB und Namur einen regelmäßigen

Informationsaustausch und die Einrichtung von gemeinsamen

Arbeitsgruppen für die Bereiche funktionale Sicherheit,

Wireless Automation, IT-Security, Auswahl von

Durchflussmessern und Alarm Management.

Darauf einigten sich die Vorstände der europäischen

Verbände bei einer ersten gemeinsamen Sitzung in

Brüssel. Die beteiligten Verbände repräsentieren mehr

als 200 der wichtigsten Anwenderfirmen der Automatisierungstechnik

in Europa und sehen große Chancen

im Erfahrungsaustausch und der Bündelung ihrer jeweiligen

Stärken. Denn die meisten Mitgliedsunternehmen

und auch die meisten Hersteller von Geräten und

Systemen sind heutzutage global aufgestellt. Daher

müssten auch die Verbände, die die Anwenderunternehmen

in den verschiedenen Regionen vertreten, eng

zusammenarbeiten.

Die EEMUA („Engineering Equipment and Materials

Users Association“), die internationale Organisation,

die wesentliche Anwender von Ausrüstung (einschließlich

Automatisierungstechnik) in der Prozessindustrie

repräsentiert, diskutiert zurzeit ebenfalls die Ausdehnung

der Zusammenarbeit mit den anderen Europäischen

Verbänden.

Der Termin für die Namur-Hauptsitzung im kommenden

Jahr steht bereits fest: Das Treffen der Interessensgemeinschaft

von Anwendern in der Automatisierungstechnik

in der Prozessindustrie findet 2013 vom 6. bis 8.

November 2013 in Bad Neuenahr statt. Im darauffolgenden

Jahr tagt die Namur vom 5. bis 7. November 2014 in

Bad Neuenahr.

gz

NAMUR-GESCHÄFTSSTELLE,

c/o Bayer Technology Services GmbH,

Gebäude K 9, D-51368 Leverkusen,

Tel. +49 (0) 214 307 10 34,

Internet: www.namur.de

Verband für Start Ups in Berlin gegründet

Der Bundesverband Deutsche Startups e.V. hat sich im

September in Berlin gegründet. Die Gemeinschaft

setzt sich für einen Dialog zwischen Entscheidungsträgern

der Politik und Selbstständigen ein. Außerdem will

die Initiative bürokratische Hürden bei der Gründung

eines Unternehmens einreißen.

In den Gründungsvorstand wurden die Start-up-

Unternehmer Thomas Bachem, David Hanf, Erik Heinelt

und Florian Nöll gewählt. Der Gründungsvorstand

berief Tobias Kollmann, Lehrstuhlinhaber für E-Business

und E-Entrepreneurship an der Universität Duisburg-Essen,

und den Unternehmer Marcel ‘Otto’ Yon

in den Beirat.

ahü

BUNDESVERBAND DEUTSCHE STARTUPS E.V.,

Liebenwalder Straße 11, D-13347 Berlin,

Tel. +49 (0) 30 609 89 59 10 ,

Internet: www.deutschestartups.org

Wandlungsfähigkeit industrieller AT-Systeme

DIE AUSGABE 55(5) DER ATP EDITION

im Mai 2013 verknüpft Methoden und

Werkzeuge von Ingenieurtechnik und Informatik

zur Konzeption und Implementierung

wandlungsfähiger Automatisierungssysteme.

Ein wandlungsfähiges System

zeichnet sich dadurch aus, dass die Aufwände

zur Anpassung an sich ändernde

Produktionsziele oder Randbedingungen

gegenüber dem Stand der Technik deutlich

reduziert sind. Ihr Beitrag beschreibt beispielsweise

eine Referenzimplementierung,

praxistaugliche Entwurfsmethoden

und Algorithmen oder betrachtet die theoretischen

Grenzen und Möglichkeiten des

Konzepts Wandlungsfähigkeit in verschiedenen

Domänen der Automatisierung.

Wir bitten Sie, bis zum 2. Januar 2013 zu

diesem Themenschwerpunkt einen gemäß

der Autorenrichtlinien der atp edition

ausgearbeiteten Hauptbeitrag per E-Mail

an urbas@oiv.de einzureichen.

Die atp edition ist die hochwertige Monatspublikation

für Fach- und Führungskräfte

der Automatisierungsbranche. In

den Hauptbeiträgen werden die Themen

mit hohem wissenschaftlichem und technischem

Anspruch und vergleichsweise

abstrakt dargestellt. Im Journalteil schlägt

atp edition die Brücke zur Praxis. Hier werden

Erfahrungen von Anwendern mit neuen

Technologien, Prozessen oder Produkten

beschrieben. Alle Beiträge werden von

einem Fachgremium begutachtet. Sollten

Sie sich selbst aktiv an dem Begutachtungsprozess

beteiligen wollen, bitten wir

um kurze Rückmeldung. Für weitere Rückfragen

stehen wir Ihnen selbstverständlich

gerne zur Verfügung.

Ihre Redaktion der atp edition:

Leon Urbas, Anne Hütter

CALL FOR

Aufruf zur Beitragseinreichung

Thema: Wandlungsfähigkeit industrieller

AT-Systeme

Kontakt: urbas@oiv.de

Termin: 2. Januar 2013

8

atp edition

11 / 2 012

AMA: Innovationspreis 2013 ausgelobt

Für den Innovationspreis 2013 des AMA Fachverbands

für Sensorik können noch bis zum 21. Januar

2013 Bewerbungen eingereicht werden. Den mit 10 000

Euro dotierten Preis verleiht der Verband für Forschungs-

und Entwicklungsleistungen mit erkennbarer

Marktrelevanz aus den Bereichen Sensorik und Messtechnik.

Bewerben können sich Einzelpersonen und

Entwicklerteams mit besonderen Forschungs- und Entwicklungsleistungen.

Im kommenden Jahr wird erstmals

zusätzlich ein Sonderpreis „Junges Unternehmen“

vergeben.

Die Bewerbungen – im Jahr 2012 waren es mehr als 70

Bewerbungen aus aller Welt – werden in einer Broschüre

des Fachverbandes veröffentlicht. „Die Broschüre präsentiert

alle Bewerbungen einer breiten Öffentlichkeit.

Die Industrie erhält so einen Einblick in die aktuellen

Entwicklungen der Sensorik und Messtechnik“, betont

AMA Geschäftsführer Thomas Simmons.

Die zusätzliche Auszeichnung für junge Unternehmen

werde ausgelobt, da sich unter den Bewerbungen stets

THOMAS SIMMONS, AMA Geschäftsführer,

betont: In einer Broschüre

werden alle Bewerbungen um den

Innovationspreis einer breiten

Öffentlichkeit präsentiert. Bild: AMA

„viele interessante Entwicklungen gerade auch von jungen,

innovativen Unternehmen finden, die manchmal

jedoch nicht die Entwicklungstiefe etablierter Institutionen

erreichen“, erläutert der Juryvorsitzende Professor

Andreas Schütze von der Universität des Saarlandes. Der

oder die Gewinner können ihre Entwicklung dann auf

der Fachmesse Sensor+Test im Mai 2013 einem ausgewiesenen

Fachpublikum präsentieren.

gz

AMA FACHVERBAND FÜR SENSORIK E.V.,

Sophie-Charlotten-Straße 15, D-14059 Berlin,

Tel. +49 (0) 30 221 90 36 20,

Internet: www.ama-sensorik.de

Baumtrog führt VDMA Robotik + Automation an

Mit guten Nachrichten konnte sich Hans-Dieter Baumtrog

als frisch gewählter Vorstandsvorsitzender

des VDMA-Fachverbands Robotik + Automation in sein

neues Amt einführen: „Unsere Branche befindet sich in

einer ausgezeichneten Verfassung und die weltweite

Nachfrage nach unseren Automatisierungsprodukten und

-lösungen bewegt sich weiterhin auf hohem Niveau. Die

Robotik und Automation wird auf Wachstumskurs bleiben:

Wir rechnen 2013 mit einem Rekord-Branchenumsatz

von 10,8 Milliarden Euro“, berichtete der Geschäftsführer

der Sortimat Assembly Technology in Winnenden.

Baumtrog wurde bei der Mitgliederversammlung des

VDMA Robotik + Automation zum Nachfolger von Dr.

Michael Wenzel, Geschäftsführer der Reis Group Holding,

gewählt, der nach drei Jahren in diesem Ehrenamt turnusmäßig

ausschied. Zum stellvertretenden

Vorsitzenden des Fachverbands

ist Dr. Norbert Stein, geschäftsführender

Alleingesellschafter der

Vitronic Dr.-Ing. Stein Bildverarbeitungssysteme,

gewählt worden. gz

VERBAND DEUTSCHER MASCHINEN-

UND ANLAGENBAU E.V.,

FACHVERBAND ROBOTIK+

AUTOMATION,

Lyoner Straße 18,

D-60528 Frankfurt am Main,

Tel. +49 (0) 69 660 30,

Internet: www.vdma.org

HANS-DIETER

BAUMTROG,

neuer Vorsitzender

des VDMA

Robotik + Auto

mation. Bild: VDMA

Durchflussmessung

auf engstem

Raum?

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der kompaktesten Coriolis Masse-Durchflussmesser.

Er benötigt keine Ein- und

Auslaufstrecken. Darum eignet er sich auch

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Sie, warum der CoriolisMaster die bessere

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Fax: 0800 111 44 22

E-Mail: vertrieb.messtechnik-produkte@de.abb.com

atp edition

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FORSCHUNG

Energieautarke und drahtlose Sensoren für

Fertigungs- und Prozessautomatisierung entwickelt

ZUVERLÄSSIGE GESCHWINDIGKEIT: ein Funksystem mit

Sensoren in einem industriellen Umfeld. Drahtlose Farbsensoren

sortieren farbige Kugeln.

Bild: Helmut-Schmidt-Universität/Universität der Bundeswehr Hamburg

Energieautark betriebene Sensoren für die Fabrik- und

Prozessautomatisierung wurden im Rahmen des

Projektes „MIKOA“ entwickelt. „MIKOA“ steht für „Miniaturisierte

energieautarke Komponenten mit verlässlicher

drahtloser Kommunikation für die Automatisierungstechnik“.

Es handelt sich um einen Zusammenschluss

von Firmen und Forschungsinstituten und

wird im Rahmen des Programms „Mikrosysteme“ vom

Bundesministerium für Bildung und Forschung

(BMBF) gefördert.

„Ziel des Projekts war die Miniaturisierung der Funktionsbaugruppen

sowie die Entwicklung einer störsicheren

und zuverlässig arbeitenden drahtlosen Kommunikation

auf Basis neuer Übertragungsverfahren“, sagt Bernd

Kärcher, Projektkoordinator der teilnehmenden Firma

Festo und Leiter Research Mechatronic Components. „Dabei

war die optimale Abstimmung des Leistungsverbrauchs

auf der einen Seite und der Energieversorgung

mit geeig neten Energiewandlern auf der anderen Seite

eine anspruchsvolle Entwicklungsarbeit“, betont Kärcher.

Die wartungsfreien Sensoren können Verbrauchswerte

an verschiedenen Stellen des Prozesses ermitteln. „Mit

den Ergebnissen des Projektes wird es möglich sein, ein

differenzierteres Bild des Energieverbrauches zu bekommen.

Auf dieser Informationsbasis können dann Methoden

zur Verbesserung der Energieeffizienz aufsetzen",

erklärt Professor Gerd Scholl von der Bundeswehr-Universität

Hamburg.

ahü

FESTO AG & CO. KG, ABTEILUNG CR-MC,

Ruiter Straße 82, D-73734 Esslingen,

Tel. +49 (0) 711 347 26 59, Internet: www.de.festo.com

10

TU München und TU Dresden als führende

Hochschulen für Nanotechnologie ausgezeichnet

Der deutsche Verband Nanotechnologie (DV Nano) hat

die Technische Universität München und die Technische

Universität Dresden als beste Hochschulen im

DER „NANO-MAIS“ belegt den zweiten Platz im Fotowettbewerb

„Nano-Momente“ 2012 und zeigt ein „Medikamententaxi“,

das Arzneistoffe in Lungenzellen transportieren

soll. Entwickelt wurde das System von Forschern der

Universität des Saarlandes.

Bild: Schneider et al./Deutscher Verband Nanotechnologie

atp edition

11 / 2012

Bereich Nanotechnologie ausgezeichnet. Beide Universitäten

sicherten sich in der Bewertungsskala 85 von

100 Punkten.

Außerdem zeichnete der Verband den besten Newcomer

des Jahres 2012 im Bereich Nanotechnologie aus.

Mit dem Unternehmenspreis wurde die Hannoveraner

Particular GmbH geehrt. Im Journalistenwettbewerb

„Gedankenstrich“, der vom DV Nano und dem NanoBio-

Net ausgelobt wird, setzte sich das Autorenteam Dino

Trescher, Aitziber Romero und Christian Meier mit ihrem

Text „Was es bedeutet, nano zu sein“ (Die Zeit,

43/2011) durch.

Zudem wurden die drei Platzierten des Fotowettbewerbs

ermittelt: Roy Goldberg (München), die Forschungsgruppe

der Universität Saarland im Bereich

„Nanotechnologie“ und Dr. Volker Presser (Leibniz-

Institut für neue Materialien Saarbrücken) sicherten

sich Preise. Die Ergebnisse wurden am 1. Deutschen

Nanotag, am 10. Oktober 2012, in Saarbrücken bekannt

gegeben.

ahü

DEUTSCHER VERBAND NANOTECHNOLOGIE E.V.,

Science Park 1, D-66123 Saarbrücken,

Tel. +49 (0) 681 685 73 64, Internet: www.dv-nano.de

Expertinnen erforschen

Mobilität der Zukunft

Explizit Forscherinnen sind gefragt, um neue Konzepte

für die Mobilität des 21. Jahrhunderts zu entwickeln.

Der VDE (Verband der Elektrotechnik Elektronik

Informationstechnik e.V.) hat ein Pilotprojekt

gestartet, das weibliches Fachkräftepotenzial nutzt, um

„Mobilität der Zukunft“ zu erforschen. Es wurde im

Rahmen der Hightech-Strategie der Bundesregierung

sowie der Exzellenzinitiative, des Paktes für Forschung

und Innovation und des Nationalen Paktes für Frauen

in MINT (Mathematik, Informatik, Naturwissenschaft

und Technik)-Berufen, ins Leben gerufen und vom

Bundesministerium für Bildung und Forschung

(BMBF) gefördert.

JUNGE FRAUEN AUS DEN MINT-BEREICHEN forschen

im Auftrag des VDE im Bereich „Mobilität der Zukunft“.

Bild: VDE

Halle 7,

Stand 406

Die VDE-MINT-Akademie verfolgt zwei Ziele: innovative

und nachhaltige Ideen und Konzepte für die

Mobilität der Zukunft zu entwickeln und den weiblichen

wissenschaftlichen Nachwuchs zu fördern. Im

Rahmen des Themas „Mobilität der Zukunft" wird der

Frage nachgegangen, welche Mobilitätskonzepte sinnvoll

sind, um die räumliche, familien- und berufsbedingte

Mobilität zu ermöglichen und zu optimieren.

Außerdem soll eine fachliche und interdisziplinäre

Plattform geschaffen werden, auf der sich Expertinnen

austauschen können.

Das Projekt ist auf Teilnehmerinnen ausgerichtet, die

sich im universitären oder im unternehmerischen Kontext

mit dem Thema Mobilität und Technologie beschäftigen.

Angesprochen werden Nachwuchswissenschaftlerinnen,

die sich in ihrer Qualifizierungsphase befinden

und bei denen andererseits familiäre Aspekte zunehmend

in den Mittelpunkt rücken.

ahü

VERBAND DER ELEKTROTECHNIK ELEKTRONIK

INFORMATIONSTECHNIK E.V.,

Stresemannallee 15,

D-60596 Frankfurt am Main,

Tel. +49 (0) 69 630 80,

Internet: www.vde-mint.de

atp edition

11 / 2012

11

BRANCHE

Neue Konzepte für das Anlagen-Monitoring

Die sinkenden Emissionskonzentrationen werfen zahlreiche

Fragen zur Ermittlung und Bewertung von

Emissionen in Industrieanlagen auf: Was sind die optimalen

Einsatzmöglichkeiten für verschiedene Messverfahren?

Wie können die Messergebnisse interpretiert und

bewertet werden? Diese und weitere Fragen beantwortet

DIE BEWERTUNG VON EMISSIONEN in Industrieanlagen ist ein

zentrales Thema bei der VDI-Fachtagung zum anlagenbezogenen

Monitoring. Bild: VDI Wissensforum

die 1. VDI-Fachtagung „Anlagenbezogenes Monitoring:

Neue Anforderungen – neue Konzepte“ am 13. und 14.

November 2012 in Nürtingen. Fachlich unterstützt wird

die Tagung von der Kommission Reinhaltung der Luft

im VDI und DIN – Normenausschuss KRdL.

Neben den Auswirkungen der BREF-Novellierung

diskutieren Experten aus Industrie, Behörden und Untersuchungsstellen

die Umsetzung der IED-Richtlinie,

die Anforderungen an Genehmigung und Überwachung

von Anlagen regelt. Über innovative Ansätze zur

Emissionsermittlung und -auswertung berichten Fachleute

unter anderem vom Landesamt für Natur, Umwelt

und Verbraucherschutz und Aneco Institut für Umweltschutz.

Darüber hinaus präsentieren Experten aus renommierten

Messinstituten Entwicklungen in der kontinuierlichen

Messtechnik, wie beispielsweise bei der

Quecksilbermessung. Thematisiert werden dabei die

Funktionsprüfung, Kalibrierung, Eignungsprüfung und

die Messung.

gz

VDI WISSENSFORUM GMBH,

VDI-Platz 1, D-40468 Düsseldorf,

Tel. +49 (0) 211 621 42 01, Internet: www.vdi-wissensforum.de

SPS IPC Drives 2012:

Trendsession und Keynotes kostenfrei besuchen

Erstmals kostenfrei zugänglich sind in diesem Jahr Trendsession

und Keynotes des Kongresses für alle Messebesucher der SPS IPC

Drives. Am Dienstag, den 27. November 2012, bieten Vorträge zu

„Technologiewandel intelligent gestalten“ und „Vom Internet der Dinge

zur Smart Factory – Auf dem Weg zur 4. industriellen Revolution“

neue Ansätze. Die elektrische Automatisierungstechnik als Ursprung

des stetigen Technologiewandels wird von Dr. Thomas Bürger dargestellt,

sowie die Veränderungen der modernen Kommunikation durch

die Industrie 4.0 von Prof. Dr.-Ing. Detlef Zühlke untersucht. Eine

Cyber Physical Systems

Trendsession am Mittwoch, den 28. November 2012,

stellt nachhaltige Automatisierung vor. Unter Leitung

von Prof. Walter Schumacher Braunschweig wird über

die Analyse der Versorgung mit Rohstoffen, sowie deren

Recycling diskutiert.

sky

MESAGO MESSEMANAGEMENT GMBH,

Rotebühlstraße 83-85, D-70178 Stuttgart,

Tel. +49 (0) 711 61 94 60, Internet: www.www.mesago.com

DIE AUSGABE 55(4) DER ATP EDITION

im April 2013 diskutiert das Thema Cyber

Physical Systems (CPS). CPS sind Verbundsysteme,

die aus der domänenübergreifenden

Verknüpfung von vernetzungsfähigen

eingebetteten Systemen mit

webbasierten Diensten entstehen. Gesucht

sind praxisorientierte Beiträge zur Beschreibung

und Modellierung von CPS-

Komponenten und -Architekturen, den

Integrationsebenen sowie zum En gineering

und zur Implementierung von CPS.

Wir bitten Sie, bis zum 5. Dezember 2012

zu diesem Themenschwerpunkt einen

gemäß der Autorenrichtlinien der atp edition

ausgearbeiteten Hauptbeitrag per

E-Mail an urbas@oiv.de einzureichen.

Die atp edition ist die hochwertige Monatspublikation

für Fach- und Führungskräfte

der Automatisierungsbranche. In

den Hauptbeiträgen werden die Themen

mit hohem wissenschaftlichem und technischem

Anspruch und vergleichsweise

abstrakt dargestellt. Im Journalteil

schlägt atp edition die Brücke zur Praxis.

Hier werden Erfahrungen von Anwendern

mit neuen Technologien, Prozessen oder

Produkten beschrieben.

Alle Beiträge werden von einem Fachgremium

begutachtet. Sollten Sie sich selbst

aktiv an dem Begutachtungsprozess beteiligen

wollen, bitten wir um kurze Rückmeldung.

Für weitere Rückfragen stehen

wir Ihnen selbstverständlich gerne zur

Verfügung.

Ihre Redaktion der atp edition:

Leon Urbas, Anne Hütter

CALL FOR

Aufruf zur Beitragseinreichung

Thema: Cyber Physical Systems

Kontakt: urbas@oiv.de

Termin: 5. Dezember 2012

12

atp edition

11 / 2012

Sprechstunde: Fragen zu

Explosionsschutz stellen

Die 3. Explosionsschutz-Sprechstunde, organisiert von

Pepperl+Fuchs und dem Oldenbourg Industrieverlag,

findet am 14. und 15. November 2012 in Mannheim statt.

Bei Vorträgen wie „Typische Fehler bei unterschiedlichen

Zündschutzarten“, „Der korrekte Nachweis der Eigensicherheit“,

„Fachgerechte Reparatur und Prüfung

von explosionsgeschützten Betriebsmitteln“ und „Anforderungen

an die funktionale Sicherheit beim Explosionsschutz“

können sich Anwender aus der Prozessautomatisierung

über Feinheiten beim Explosionsschutz

informieren.

Bei der Sprechstunde haben Teilnehmer die einzigartige

Möglichkeit, Ihre Fragen vorab unter www.explosionsschutz-sprechstunde.de

einzureichen und so die

Themen der Veranstaltung mitzubestimmen. Die zweitägige

Veranstaltung beginnt mit Vorträgen zu dem Thema.

Experten des Explosionsschutzes befassen sich am

zweiten Tag ziel gerichtet mit indiduellen Fragen und

Anliegen rund um die Automatisierungstechnik. Die

Lösungen werden dann in den Workshops erarbeitet.

Weitere Informationen sowie den Veranstaltungsflyer

und die Anmeldung finden Sie auf der Internetseite

www.explosionsschutz-sprechstunde.de. ahü

Innovative

Temperaturmesstechnik.

OLDENBOURG INDUSTRIEVERLAG GMBH,

Rosenheimer Straße 145, D-81671 München,

Tel. +49 (0) 89 45 05 14 18,

Internet: www.explosionsschutz-sprechstunde.de

Smart Grid: Automatisierung

der neuen Netze beachten

Der Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik

(VDE) hat ein zweiteiliges Positionspapier

zu „Energieinformationsnetzen und -systemen“ veröffentlicht.

Ziel ist es, der Automatisierung von Verteilungsnetzen

bei neuen Energien mehr Aufmerksamkeit

zu schenken. Dem Verband geht es darum, standardisierte

Schnittstellen zwischen den im Energieinformationsnetz

verteilten Komponenten zu schaffen und diese

in eine gemeinsame Plattform zu integrieren.

Außerdem wird die strikte Begrenzung auf rein regulierte

Aufgaben durch den Verband in Frage gestellt.

Künftige Geschäftsmodelle sollten es dem Betreiber erlauben,

auch Aufgaben im „hybriden“ Zwischenbereich

und bei der Unterstützung des regionalen Marktumfelds

zu übernehmen. Das Positionspapier soll als Rahmen

dienen, um die Energiewirtschaft auf künftige Herausforderungen

vorzubereiten. Zusammenfassend fordert

der Verband jedoch, dass die Politik und Regulierungsbehörden

neue "Leitplanken" für Verteilungsnetzbetreiber

definieren.

ahü

VDE VERBAND DER ELEKTROTECHNIK ELEKTRONIK

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Messe SPS/IPC/DRIVES

Nürnberg 27.-29.11.2012

Halle 4A

Stand 235

atp edition

6 / 2012

13

PRAXIS

Tradition und Moderne: Klassische Whiskey-Brennerei

profitiert von moderner Feldkommunikation

Remote I/O Excom von Turck optimiert die Kommunikation bei Irish Distillers in der Ex-Zone 1

MICK MCCARTHY überwacht die Whiskey-Herstellung

mit aktuellen Anlagendaten, die über das Turck-Remote-I/O-System

excom an das Leitsystem übermittelt

werden.

HOHE KANALDICHTE: Neben der redundanten

Versorgung finden bis zu 128 binäre oder 64 analoge

Ein-/Ausgänge auf dem excom-Modulträger Platz.

Midleton gilt der Legende nach als Geburtsort des

irischen Whiskeys. Noch heute schlägt in dem kleinen

Ort im Süden von Cork das Herz der irischen Whiskey-Industrie.

In unmittelbarer Nähe der historischen

„Old Distillery“, die inzwischen als Museum fungiert,

produziert die Brennereigruppe Irish Distillers Limited

(IDL) die berühmtesten Destillate der Republik, darunter

Jameson, Paddy und Powers. Der taditionelle Herstellungsprozess

wird seit Kurzem von moderner I/O-

Technik unterstützt: Zwölf Excom-Remote-I/O-Stationen

von Turck sorgen für die sichere und transparente Kommunikation

zwischen Leitsystem und Feldgeräten in

Ex-Zone 1.

800 JAHRE WHISKEY-DESTILLATION IN IRLAND

Die Kunst der Whiskey-Destillation, sagt man, wurde von

irischen Wandermönchen nach Europa gebracht. Die Herstellung

von ‚Usice Beatha‘ (Gälisch für Wasser des Lebens)

begann vor über 800 Jahren. Zunächst verbreitete

sich die Kultur des Whiskey-Brennens innerhalb der Kirche.

Zu Beginn war das Ergebnis eher zu medizinischen

Zwecken bestimmt, bis das Wissen um die Herstellung

des Getränks die Klostermauern überwand und Brennereien

außerhalb von Klöstern entstanden. Die anregende

Wirkung der Spirituose trat nunmehr in den Mittelpunkt

und die Herstellungsverfahren des irischen Whiskeys

verbesserten sich bis hin zum klassischen Patent-Still-

Verfahren, einem Dreifach-Destillationsprozess, nach dem

irischer Whiskey noch heute hergestellt wird.

Der wohl wichtigste Brennerei-Standort Irlands ist

Midleton. Das Städtchen liegt im Süden, 20 km entfernt

von der Stadt Cork. Im frühen 19. Jahrhundert

rüsteten die Brüder James und Jeremiah Murphy dort

eine alte Wollspinnerei zur Whiskey-Brennerei um

und gründeten damit die Old Midleton Distillery. Im

Verlauf des Jahrhunderts erlebte der irische Whiskey

einen Boom. Der Betrieb in Midleton sicherte damals

schon mit einer Jahresproduktion von 1,5 Mio. Litern

bald 200 Mitarbeitern den Lebensunterhalt. Aus dieser

Zeit stammt auch der Stolz der Old Midleton Distillery:

Die größte Brennblase der Welt. Der rund acht Meter

hohe Kupferkessel fasst über 1211 Hektoliter (32 000

Gallonen) und steht heute vor der eigentlichen neuen

Brennerei in Midleton.

Aufgrund einer Krise im frühen 20. Jahrhundert

muss-ten sich die drei Brennereien Jameson Irish Whiskey,

Powers und Cork Distilleries (zu der auch die Old

Midleton Distillery gehörte) 1966 zur Irish Distillers

Limited (IDL) zusammenschließen. 1975 errichtete die

Gruppe neben der alten Brennerei die New Midleton

Distillery, die einen Großteil der Gesamtproduktion

bündelte. So stieg Midleton zu einem der wichtigsten

irischen Brennerei-Standorte auf.

1988 übernahm der französische Wein- und Spirituosenkonzern

Pernod-Ricard die IDL-Gruppe, die sich unter

neuer Führung schnell erholte. Die Produktionskapazität

der Brennerei in Midleton sollte langfristig verdoppelt

werden. Teil dieses Expansionsplans war, die

14

atp edition

11 / 2012

komplette Automatisierungstechnik auf den neuesten

Stand zu bringen. Vor kurzem wurde das neue System

fertig gestellt.

PROFIBUS FÜRS VAT HOUSE

Das alte Automatisierungssystem im so genannten „Vat

House“ bestand aus drei Leitsystemen mit klassischer

Punkt-zu-Punkt-Verdrahtung bis in den Ex-Bereich. Da

IDL bereits in anderen Bereichen der Brennerei gute Erfahrungen

mit Profibus-Netzwerken gemacht hatte, entschieden

sich die Verantwortlichen wieder für eine Feldbuslösung

auf Basis von Profibus DP. Die Motorsteuerungen

sollten mit Devicenet angesprochen werden. Insgesamt

umfasst das neue System 800 I/Os, die an ein

neues Allen-Bradley-Leitsystem angebunden werden

mussten. Als Remote-I/O-Lösung zwischen Leitsystem

und Feldgeräten wählte Irish Distillers Turcks Excom-

System für Zone 1. Turcks irischer Vertriebspartner Tektron,

mit Sitz in Cork, unterstützte und beriet IDL bei der

Auswahl und Installation des I/O-Systems.

Um die zahlreichen I/Os zu integrieren, lieferte Turck

zwölf Excom-Remote-I/O-Stationen und vier Segmentkoppler

SC12Ex. So konnten vier redundante, eigensichere

Profibus-Segmente ins Feld geführt werden, die

die maximale Übertragungsrate von 1,5 Megabaud nutzen.

Die Ingenieure mussten dazu allerdings sicherstellen,

dass keines der verwendeten Profibus-DP-Kabel länger

als 200 m ist. Die Excom-Stationen mussten so im

Feld positioniert werden, dass jede von ihnen gut erreichbar

ist und trotzdem die Kabellänge zu den Feldgeräten

möglichst kurz bleibt.

HOHE KANALDICHTE UND HOT-SWAP

Mick McCarthy, E&I-Manager bei IDL, entschied sich

nach einem Vergleich mehrerer Wettbewerbsprodukte

für den explosionsgeschützten Bereich für Turcks Excom-System,

„unter anderem wegen der hohen Signaldichte

des M18-Modulträgers. Weiterhin überzeugte uns

die Hot-swap-Funktionalität. Dadurch können wir alle

Module der Excom im laufenden Betrieb ziehen und

stecken – ohne die Feldkommunikation zu stören“, so

McCarthy. Ein weiterer Vorteil: Die digitalen Ausgangsmodule

DO40-Ex stellen sich automatisch auf die richtige

Leistung ein – ungeachtet der anliegenden Spannung

und der Stromstärke. So konnte IDL mit einem

einzigen I/O-Kartentyp alle digitalen Ausgänge bestücken.

Das vereinfachte die Anlagenplanung und den

-aufbau erheblich.

Einfach zu realisieren war für McCarthy auch die redundante

Kommunikations- und Leistungsversorgung:

„Eine redundante Kommunikationsanbindung der Feldebene

war für uns von vornherein eine Grundvoraussetzung.

Allerdings hatten wir uns noch nicht auf Leistungs-Redundanz

festgelegt. Die Leistungsversorgung ist

zurzeit noch einfach ausgeführt. Um Versorgungsredundanz

herzustellen, brauchen wir jetzt aber nur ein weiteres

Netzgerät am Modulträger nachzurüsten. In dieser

konsequenten modularen Bauweise und der resultierenden

Flexibilität sehe ich den größten Vorteil der Excom.“

Die Wartungsingenieure bei IDL schätzen besonders

die LED-Anzeige an jedem einzelnen Modul. Durch das

Sichtfenster in den mitgelieferten Schaltkästen können

sie auf einen Blick den Status jeder Karte erkennen, ohne

den Kasten zu öffnen. IDL hat zusätzlich eine Schaltplanmatrix

außen am Kasten angebracht, die Karten und

Kanäle den jeweiligen Feldgeräten zuordnet.

Die Hochschule Ostwestfalen-Lippe ist mit mehr als 6.000 Studierenden

und über 500 Beschäftigten an den drei Standorten Lemgo, Detmold,

Höxter und dem neuen Studienort Warburg ein wichtiger Bestandteil der

dynamischen Wissenschafts- und Wirtschaftsregion Ostwestfalen-Lippe.

Unsere Markenzeichen sind exzellente Lehre und Forschung.

Im Fachbereich Elektrotechnik und Technische Informatik am

Standort Lemgo ist folgende Professur zum nächstmöglichen Zeitpunkt

zu besetzen:

W2-Stiftungsprofessur

für das Lehrgebiet

„Nutzergerechte Gestaltung

von technischen Systemen

mit Schwerpunkt Informatik“

Kennziffer 5.4

Die Professur wird in den ersten fünf Jahren von den Unternehmen

PHOENIX CONTACT GmbH & Co. KG, WINCOR NIXDORF International

GmbH sowie dem Fraunhofer-Anwendungszentrum Industrial

Automation IOSB-INA und der Stiftung Standortsicherung Kreis Lippe

unterstützt. In dem deutschlandweit einmaligen Science-to-Business-

Center CENTRUM INDUSTRIAL IT (CIIT) forschen mit dem Institut für

Industrielle Informationstechnik (inIT) der Hochschule und dem Fraun hofer

Anwendungszentrum Industrial Automation derzeit über 60 Wissenschaftler/innen

zusammen mit Technologieunternehmen unter einem

Dach an Themen der industriellen Kommunikation, dem Entwurf und der

Simulation von Automatisierungssystemen sowie der Diagnose und dem

CIIT sind wesentlicher Bestandteil des BMBF-Spitzenclusters „Intelligente

Technische Systeme Ostwestfalen-Lippe (It‘s OWL)“. Die beteiligten

Unternehmen und Einrichtungen sind insbesondere an einer Ausweitung

der Forschungsaktivitäten auf das Gebiet der Mensch-Maschine-Schnittstelle

und der Usability intelligenter technischer Systeme interessiert. Zur

Durchführung dieser Forschungs- und Entwicklungsaufgaben ist daher die

.

Von der Stelleninhaberin/dem Stelleninhaber wird weiterhin die Übernahme

von Grundlagenveranstaltungen in dem Bachelor-Studiengang

„Technische Informatik“ erwartet. Zusätzlich sollen im internationalen

Erfahrungen aus den Bereichen moderner Mensch-Maschine-Interaktionstechnologien

und Kognition im Kontext der industriellen Auto mation werden

vorausgesetzt. Hilfreich sind vertiefende Kenntnisse in den Bereichen

Wahrnehmungspsychologie oder Arbeitswissenschaften.

Die Bereitschaft zur teilweisen Durchführung der Lehrveranstaltungen

auch in englischer Sprache und die aktive Beteiligung am Ausbau internationaler

Studiengänge und der Kooperationsbeziehungen zu ausländischen

Hochschulen werden erwartet.

Die Hochschule Ostwestfalen-Lippe vertritt ein Betreuungskonzept,

bei dem eine hohe Präsenz der Lehrenden am Hochschulort und die

Bereitschaft zur Übernahme von Aufgaben in der Selbstverwaltung der

Hochschule vorausgesetzt werden. Die Verlegung des Wohnsitzes

als Lebensmittelpunkt an den Hochschulstandort oder in die nähere Umgebung

ist deshalb erforderlich.

Einstellungsvoraussetzungen:

Bewerber/innen müssen die Voraussetzungen des § 36 Hochschulgesetz

Auszug aus dem Hochschulgesetz NRW“ auf der Homepage unter

www.hs-owl.de/karriere. Telefonische Auskünfte erhalten Sie unter

05261 702-4068. Weitere Informationen erhalten Sie darüber hinaus

unter www.init-owl.de/stiftungsprofessur.

Die Hochschule Ostwestfalen-Lippe ist im Sinne einer

beim wissenschaftlichen Personal zu erhöhen, und begrüßt

es deshalb besonders, wenn sich Frauen bewerben.

Schwerbehinderte Bewerber/innen werden bei gleicher

Eignung vorrangig eingestellt.

Ihre Bewerbung richten Sie bitte mit den üblichen Unterlagen bis zum

26. November 2012 unter Angabe der Kennziffer 5.4 an den Präsidenten der

Hochschule Ostwestfalen-Lippe, Dezernat III, Liebigstraße 87, 32657 Lemgo.

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PRAXIS

IDL HAT ALLE ZWÖLF EXCOM-SCHRÄNKE mit einem

Belegungsplan bestückt, der jeden Ausgang einem

Feldgerät zuordnet.

MICK MCCARTHY (links) zeigt sich mit der Unterstützung

durch Tektron-Vertriebsspezialist Adrian

O’Mahony (rechts) hoch zufrieden.

Im Vat House läuft der zentrale Teil der Whiskey-Destillation

ab. Da der Prozess nicht ohne weiteres einfach

für ein paar Stunden gestoppt werden kann, war es für

IDL von zentraler Bedeutung, dass der Großteil der Installation

und Tests vor der eigentlichen Inbetriebnahme

ausgeführt werden konnte. Das bestehende System musste

solange in Betrieb bleiben, bis ein schneller Wechsel

zum neuen System möglich war. Mit Excom stellte das

kein Problem dar, da die Modulträger und die Verkabelung

installiert werden konnten, ohne die Produktion zu

beeinträchtigen.

Heute profitiert Irish Distillers von den Diagnose-

Tools der Excom. Über das Profibus-DP-Netzwerk können

für jeden einzelnen Kanal, die Module oder den

gesamten M18-Modulträger Diagnosen ausgeführt werden,

die per Allen-Bradley-Master im neuen Leitsystem

visualisiert werden.

FAZIT

Irish Distillers hat heute am historischen Whiskey-

Standort Midleton eine neue effiziente Prozessteuerung,

mittels derer die Ingenieure die Anlage und die verschiedenen

Destillationsstufen besser im Blick haben

als je zuvor. Vorhersagende Wartungsroutinen unterstützen

die IDL-Mitarbeiter dabei, die Effizienz der

Anlage zu erhöhen und die Qualität schon vor der Endkontrolle

zu sichern.

Nachdem das Projekt abgeschlossen war und das Kesselhaus

wieder in vollem Betrieb lief, entfernte IDL alte

überflüssige Kabelkanäle, Kabel und die Schalttafeln des

alten Systems. Allein die alten Kabel füllten vier große

Container. Bereiche, die vorher von riesigen Kabelsträngen

versperrt wurden, lassen sich nun betreten. So hat

man nicht nur die Kommunikation optimiert, sondern als

Nebeneffekt gleichzeitig die Gebäudenutzung verbessert.

Das Projekt zeigt, dass traditionelle Herstellungsverfahren

und moderne Automatisierungstechnik sich keineswegs

ausschließen. Irish Distillers und andere Traditionsunternehmen

zeigen, dass sie nur deshalb eine so

lange Tradition besitzen, weil sie im Verlauf ihrer Geschichte

immer wieder bereit waren, ihr Geschäft und

ihre Produktion dem Stand der Zeit anzupassen. Immer

gleich blieb allein die Qualität der irischen Whiskeys.

AUTOR

Tektron,

Tramore House, Tramore Road,

Cork, Ireland,

Tel. 00353 21 4313331,

E-Mail: webenquiry@tektron.ie

FRANK URELL ist Geschäftsführer

der irischen Turck-

Vertretung Tektron.

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ENTWICKLUNGEN

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PRAXIS

Biessenhofener Nestlé-Werk mit Ethernet/IP

mo der nisiert: Bei Inbetriebnahme viel Zeit gespart

Standort mit Automatisierungslösung von Rockwell Automation und Endress+Hauser ausgerüstet

CORIOLIS S-M MESSGERÄTE an der Molke-

Annahmestation

NESTLÉ-WERK IM ALLGÄU: Verfügbarkeit erhöht.

Bilder: Endress+Hauser

Mit 650 Mitarbeitern zählt das Nestlé-Werk in Biessenhofen

zu den größeren Standorten des Nestlé-

Konzerns in Deutschland. Das Werk produziert hypoallergene

Säuglingsnahrung. Zudem werden Zerealien-

Breis der Marke Alete und Beba sowie klinische Trinknahrung

hergestellt. Weitere Produkte sind Kaffeedrinks

der Marke Nescafé Xpress und Thomy-Saucen.

Um die Produktionskapazitäten zu erweitern, sollte

eine ganzheitliche Lösung konzipiert, ein neuer Werksteil

gebaut und von Grund auf automatisiert werden.

Sowohl der Prozessbereich als auch Abfüllung und

Verpackung waren in das Projekt involviert. Die Automatisierungslösung

von Rockwell Automation und

Endress+Hauser erhöht nun zeiteffektiv die Verfügbarkeit

der Anlage.

HOHE LEISTUNGSSTANDARDS DER SYSTEME

Rockwell Automation und Nestlé blicken auf eine lange,

strategische Partnerschaft zurück. „Die Vorteile von

Rock well Automation liegen in dem hohen Leistungsstandard

der Automatisierungssysteme und der globalen

Verfügbarkeit der Systeme und Komponenten“, erklärt

Florian Schreyer, Automation Engineer bei Nestlé

in Biessenhofen. „Rockwell Automation liefert damit

die Basistechnologie, mit der Nestlé eigenes Prozess-

Know-how automatisierungstechnisch standardisieren

kann, ein wesentlicher Schritt, um die Produktsicherheit

zu verbessern und Ingenieurleistungen effizienter

zu nutzen.“

Um dem Anspruch an eine ganzheitliche Lösung zur

Prozessautomatisierung zu genügen, ermöglicht die

strategische Allianz von Endress+Hauser und Rockwell

Automation die Integration intelligenter Geräte

und Ins trumente in die Lösung, sodass die vollständige

Nutzung präziser Daten und Interoperabilität

sichergestellt sind.

KOMPLETTE ÜBERWACHUNG UND DOKUMENTATION

Schnelle Reaktionen auf neue Situationen, Kostenbewusstsein

und der Erhalt von Transparenz bei der

ständig steigenden Komplexität im Produktionsgeschehen

sind zentrale Anforderungen in der Nahrungsmittelindustrie.

Es gibt strenge Hygienevorschriften,

vor allem bei der Produktion von Pulverprodukten

für Frühgeborene und Säuglinge. Der komplexe

Herstellungs prozess für hypoallergene Babynahrung

ist ohne die rechnergestützte Prozessführung in sehr

engen Toleranzen sehr schwierig. Es müssen komplette

Prozessabläufe geführt, überwacht und dokumentiert

werden.

Rockwell Automation erhielt den Auftrag zur Lieferung

von Schaltschränken mit zirka 50 programmierbaren

Steuerungen Allen-Bradley Control Logix

(PACs), dazugehörigen Schaltern und etwa 150 PowerFlex

Frequenzumrichtern (0,75 KW–315 KW). Die

Automatisierungstechnik basiert auf der ControlLogix

und beinhaltet das Plant Asset Management Tool

FieldCare von Endress+Hauser, PowerFlex mit Safe-

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Torque-off, Flex/Point I/O, Ethernet TCIP, Stratix sowie

integrierte Schaltungen.

Ein strategisches beziehungsweise technologisches

Ziel bei der Automatisierung des Werks Biessenhofen

war die Optimierung von Toleranzen und der Re pro duzier

barkeit. Des Weiteren ging es darum, Qualitätssicherung,

Nachweisführung und Chargenverfolgung

zu verbessern. Nicht zuletzt sollten auch Maschinenund

Prozessfunktionen flexibilisiert werden.

Auf operativer Ebene sollten Verluste und Nachtarbeit

vermieden werden. Auch Durchlaufzeiten und Arbeitskosten

wollten die Biessenhofener reduzieren sowie zudem

ihre Bestände, ihren Flächenbedarf sowie die Überwachungskosten

im Allgemeinen optimieren.

Bei der sicheren Herstellung von Lebensmitteln sind

Mess-Systeme zur Erfassung von Prozess- und Produkteigenschaften

der Dreh- und Angelpunkt im Automatisierungskonzept.

Durch Energiespar- und präventive

Instandhaltungsinitiativen entstehen neue Messaufgaben,

die kostengünstig integriert werden müssen.

Hierzu gehört die Erfassung und Zuordnung von Energieverbräuchen,

Betriebsstunden und Maschinenzuständen.

NESTLÉ ENTSCHIED INSTALLATION VON ETHERNET/IP

Für Nestlé war die standardisierte Physik ausschlaggebend

für die Installation von EtherNet/IP. Dies hat

viele Vorteile bei der Planung und Installation der

gesamten Prozessvisualisierung. Die Überwachung des

gesamten Netzwerks durch den Einsatz zentral verwalteter

Switches ist auch im I/O-Netz von Vorteil, um die

Verfügbarkeit des Systems besser gewährleisten zu können.

Probleme werden so erkannt, bevor sie zu einem

Ausfall führen. Die Performance und Flexibilität bei

der Anbindung der Feldgeräte von Rockwell Automation

war nicht zuletzt auch eine Entscheidungshilfe für

die Projektbeteiligten bei Nestlé.

„Rockwell Automation und Endress+Hauser haben

ihre Produkte und Systeme auf die besonderen Anforderungen

der Nahrungsmittelindustrie ausgerichtet

und gewährleisten so die globale Verfügbarkeit zur Unterstützung

der Systeme und Anwendungen im Lebenszyklus“,

so Schreyer.

Geht es um neue Fertigungseinrichtungen, ist man

sich in Biessenhofen sicher, wird der Einsatz von Ether-

Net/IP bei unmittelbaren Erweiterungen der H.A.-Anlage

fortgesetzt. „Die konsequente Anwendung richtet

sich natürlich auch nach der breiten Verfügbarkeit

von Automatisierungskomponenten mit EtherNet/IP-

Schnittstelle.“

EtherNet/IP ermöglicht Durchgängigkeit im Prozessbereich

und auch die einfache Anbindung sämtlicher

Netz- und Feldgeräte in die Rockwell-Automation-Welt.

„Als das Thema EtherNet/IP bei Nestlé aufkam, ist man

ganz schnell auf Endress+Hauser aufmerksam geworden“,

erinnert sich Manfred Rothen, Sales Manager

Germany bei Rockwell Automation.

Da Endress+Hauser, ein Encompass und Alliance Partner

von Rockwell Automation, zum Projektstart mit der

Produktlinie Promass Coriolis neu die EtherNet/IP-Technologie

eingeführt hatte, passte auch von dieser Seite die

Zusammenarbeit mit Rockwell Automation hervorragend.

Mit dem Level 3 Add-on Profile (AOP) war schließlich

auch zertifiziert, dass die Endress+Hauser Durchfluss-

Messgeräte bestens in das Leitsystem von Rockwell

Automation integriert sind. Beide Partner können eine

ganzheitliche Lösung anbieten, die fast wie ein USB-Stick

plug-and-play-bereit geliefert wird.

„Der Anwender“, so erläutert Dion Bouwer, Product

Manager Fieldbus Systems von Endress+Hauser, „hat auf

diese Weise Daten aus der Anlage in Echtzeit in höher

gelegenen Auswertungssystemen verfügbar und kann so

seine Anlageneffizienz verbessern – das ist Transparenz,

die bares Geld wert ist.“

ERGEBNISSE UND AUSBLICK

Projektstart war im Sommer 2009, die Produktion läuft

seit Sommer 2011 – das Automatisierungsprojekt Biessenhofen

ist für beide Seiten ein Erfolg. Marc Scheremet,

Account Manager bei Rockwell Automation bestätigt aus

eigener Erfahrung: „Für ein Projekt dieser Größenordnung

verlief die Umsetzung verhältnismäßig problemlos.“

Rockwell Automation hat nicht nur die Hardware

geliefert, sondern mit seiner SSB-Systemgruppe (Solutions

und Services Business) das Ganze nach höchsten

Standards konzipiert und die Schaltschränke komplett

fertiggestellt übergeben. Insbesondere bei der Inbetriebnahme

der Hardware konnten hohe Zeitersparnisse

erreicht werden.

Die Verwendung von Industrie-Standards vereinfacht

Instandhaltungsmaßnahmen erheblich und das in Biessenhofen

implementierte Asset Management erhöht die Verfügbarkeit

der Anlagen und beschleunigt die Dynamik bei

jeder Veränderung der Fertigungsanlagen.

„Darüber hinaus“, ist Florian Schreyer zuversichtlich,

„erwarten wir eine zukunftssichere Verfügbarkeit der

EtherNet/IP-Technologie. Der Aufwand, die Geräte möglichst

effektiv einzubinden, hat den riesigen Vorteil,

möglichst viele Informationen von zentraler Stelle aus

abfragen zu können.“

AUTOR

Endress+Hauser Messtechnik GmbH+Co. KG,

Colmarer Straße 6,

79576 Weil am Rhein,

Tel.: +49 (0) 7621 975 410,

E-Mail: www.de.endress.com

atp edition

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PRAXIS

Maschinenschutz für Turboverdichter durch Ventile

mit großen Nennweiten und exakten Regelgüten

Stahlwerk im indischem Rourkela mit Anti-Surge-Ventilen von Samson ausgerüstet

Die Samson AG, ein Anbieter für Stellgeräte, hat die

MAN Turbo AG für ein indisches Stahlwerk mit einem

aufwendigen Anti-Surge-Ventil ausgerüstet. Anti-

Surge-Ventile werden eingesetzt, um Turboverdichter vor

einer Zerstörung zu bewahren und damit den unversehrten

Zustand der gesamten Anlage zu sichern.

ANTI-SURGE-VENTIL SICHERT DEN VERDICHTER

Axial- und Radialverdichter sind Strömungsmaschinen,

die in der Industrie eingesetzt werden, um den

Druck bei großen Mengen von Luft- oder Prozessgas

zu erhöhen. Eingesetzt werden sie beispielsweise zur

Druckerhöhung in Gas-Pipelines, als Hochofen- und

Stahlwerksgebläse, in petrochemischen Anlagen und

Raffinerien oder in Anlagen zur Luft- beziehungsweise

Gasverflüssigung. Ihre Funktionsweise sichert

ein Anti-Surge-Ventil.

Samson ist seit vielen Jahren im Bereich der Anti-Surge-Ventile

erfolgreich aktiv. Eine Anfrage der MAN Turbo

AG (heute MAN Diesel & Turbo SE) im Jahr 2009 veranlasste

den Frankfurter Stellgeräteanbieter, die Angebotspalette

im Bereich sehr großer Nennweiten auszubauen.

In einem konkreten Fall, nämlich in dem von

MAN Turbo ausgerüsteten Stahlwerk in Rourkela (Indien),

sollten für die genaue Dosierung der Luftzufuhr

Axialverdichter eingesetzt werden, um die Hochöfen mit

der geforderten Luftmenge bei einem Druck von 3 bis 6

bar zu versorgen.

Kommt es anlagenbedingt zu einer plötzlichen ungewollten

Verringerung des benötigten Volumenstroms,

zum Beispiel durch eine (Teil-)Notabschaltung, erfolgt

ein schlagartiger Druckanstieg auf der Ausgangsseite des

Verdichters. Durch diese Erhöhung des Nachdrucks

kann es sein, dass der Verdichter in einem instabilen

Betriebszustand arbeitet. Dieser Zustand wird bei Verdichtern

als Pumpen (engl. surge) bezeichnet. Aufgrund

der geänderten Druckdifferenz zwischen Ein- und Ausgangseite

kehrt sich die Strömungsrichtung am Verdichter

um. Sinkt nun der Druck auf der Ausgangseite durch

die Strömungsumkehr ab, erfolgt abermals eine Umkehr

der Fluidförderung, was zu einem erneuten Anstieg des

Drucks auf der Ausgangsseite führt. Ist danach die ursprüngliche

Ursache anlagenseits nicht beseitigt, ergibt

sich ein zyklischer Prozess.

ANTI-SURGE-VENTIL VON SAMSON, NPS 24, CLASS 150.

MASSIVE GEFAHR DES VERDICHTER-VERSAGENS

Da der Zustand der Strömungsumkehr aufgrund der geänderten

Schaufelumströmung zu einer Änderung der

Kräfte auf die Schaufeln führt und, bedingt durch den

zyklischen Ablauf, eine Schwingungsbelastung auftritt,

liegt eine massive Gefahr des Versagens der Verdichterschaufeln

vor. Hinzu kommt, dass durch die Unterbrechung

einer dauerhaften Fluidförderung nunmehr immer

das gleiche Volumen durch den Verdichter bewegt

wird. Die eingebrachte Leistung (häufig im Megawatt-

Bereich) bewirkt zudem eine schnelle Aufheizung des

Mediums. Fluid und Verdichter können sich in deutlich

weniger als einer Minute um mehrere hundert Grad Cel-

20

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sius erwärmen. Die damit einhergehende Herabsetzung

der mechanischen Belastbarkeit beschleunigt die Schaufelzerstörung

zusätzlich. So kann das Pumpen des Verdichters

zu seiner vollständigen Zerstörung und einem

langfristigen Ausfall der Anlage führen.

Aufgrund der hohen Investitionskosten eines Turboverdichters,

die häufig im sechsstelligen Bereich liegen,

ist eine Zerstörung des Verdichters unter allen Umständen

zu vermeiden. Aus diesem Grund werden sogenannte

Anti-Surge-Ventile (ASV) eingesetzt, die den Druck

auf der Ausgangsseite schnellstmöglich senken. Je nach

Arbeitsweise werden ASVs in zwei verschiedene Typen

unterteilt: Zum einen wird der Druck der Ausgangsseite

abgebaut, indem durch eine Bypassleitung zum Verdichter

das Volumen von der Ausgangsseite auf die Eingangsseite

transportiert wird. Diese Ventile werden als (Re-)

Cycle- oder Umblaseventile bezeichnet. Bei der zweiten

Bauart wird das Volumen auf der Ausgangsseite in die

Umgebung abgelassen. Diese Ventile werden als Blowoff-

oder Abblaseventile bezeichnet.

EXAKTE REGELUNG UND HOHE REGELGÜTE NÖTIG

Nicht nur ein außerplanmäßiges Ereignis kann zum beschriebenen

Pumpen des Verdichters führen. Vielmehr

besteht ganz allgemein die Gefahr, dass der Verdichter

ins Pumpen gerät, sobald eine definierte minimale Fördermenge

unterschritten wird. Durch den Einsatz modernster

Prozessleitsysteme (PLS) und Strömungsmesstechnik

ist man heute in der Lage, eine Annäherung an

die sogenannte Pumpgrenze, den Beginn des instabilen

Zustands, vorzeitig zu erkennen und durch ein geregeltes

Öffnen des ASV den Betriebspunkt des Verdichters zu

stabilisieren. Dabei sind eine exakte Regelung und eine

hohe Regelgüte (etwa Einstellen eines Betriebspunktes

ohne Überschwinger) zwingend erforderlich, um den

nachfolgenden Prozess nicht negativ zu beeinflussen.

Sollte es durch die Regelung des Ventils nicht zu einer

Stabilisierung des Betriebspunktes kommen, wird durch

das PLS ein Signal an das Ventil gegeben, dass daraufhin

sofort vollständig öffnet. So ist der sichere Betrieb auch

im Grenzbetrieb gewährleistet.

Anti-Surge-Ventile sind charakterisiert durch ihre

robuste Bauart, die kurzen Stellzeiten in die Sicherheitsstellung

(1 bis 2 Sekunden) und eine hohe Regelgüte.

Während die genannten Eigenschaften für kleinere

Ventile schon eine anspruchsvolle Aufgabe darstellen,

wird diese bei großen Nennweiten durch das

hohe Kegelgewicht von mehreren hundert Kilogramm

in Verbindung mit einem Hub von 200 mm oder mehr

zusätzlich erschwert. Die für das indische Stahlwerk

hergestellten Anti-Surge-Ventile mussten einen Durchsatz

von 290 000 kg/h Luft ermöglichen (das entspricht

einem angesaugten Volumen, das in zirka 90 Olympia-

Schwimmbecken passt). Um diese großen Volumenströme

beherrschen zu können, wurden Ventile mit einer

Nennweite von NPS 24 (entspricht DN 600) entwickelt.

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PRAXIS

UMBLASEVENTIL

ABBLASEVENTIL

Sie mussten neben extrem kurzen Reaktionszeiten (kleiner

1 Sekunde) zugleich eine sehr hohe Regelgüte gewährleisten.

Dem Kundenwunsch entsprechend wurde

ein hydraulischer Kolbenantrieb eingesetzt.

PNEUMATISCHE ANTRIEBE FÜR GROSSE VENTILE

Aufgrund der umfangreichen Fachkenntnisse im

Bereich pneumatischer Antriebe sind mittlerweile

auch die ganz großen Ventile in der kostengünstigeren

Ausführung mit pneumatischen Kolbenantrieben

als Standard verfügbar. Hierbei kommt dem Traditionsunternehmen

Samson seine jahrelange Erfahrung

zugute. Durch die optimale Auswahl und Komposition

wird ein reibungsloses Zusammenspiel aller benötigten

Komponenten, wie etwa Stellungsregler, Booster und

Zuluftstation, erreicht. Die von dem Kunden geforderten

Eigenschaften der Anti-Surge-Ventile können so

zuverlässig gewährleistet werden. Außerdem bietet

Samson für sicherheits kritische Anlagenteile auch eine

SIL-Zertifizierung an.

„Wir schätzen Samson als kompetenten Partner, der

uns beim Finden der richtigen technischen Lösung mit

seinem umfassenden Know-how unterstützt“, erklärt

Dr. Oliver Wöll, Projektverantwortlicher bei der MAN

Turbo AG. „Außerdem wissen wir, dass wir uns auf die

Geräte verlassen können, was bei den Axialverdichtern

von entscheidender Bedeutung ist – eine zweite Chance

gibt es in diesem Prozess nicht.“

Inzwischen geht die Tendenz bei den Anwendern zu

noch größeren Ventilen. Die Samson AG hat deshalb

das Portfolio um weitere zahlreiche Ventilnennweiten

ergänzt. Die gleiche Stückzahl an Großventilen, die

früher in einem Jahr produziert wurde, verlässt heute

monatlich das Werk.

AUTOR

DR.-ING. MICHAEL HESS ist

Entwicklungsingenieur im

Bereich Stellventile bei

Samson.

Samson AG,

Mess-und Regeltechnik,

Weismüllerstraße 3, D-60314 Frankfurt am Main,

Tel. +49 (0) 69 40 09 22 49,

E-Mail: mhess@samson.de

DIPL.-ING. MARC-CHRISTIAN

CRAMM ist Produktmanager

Stellventile bei Samson.

Samson AG,

Mess-und Regeltechnik,

Weismüllerstraße 3, D-60314 Frankfurt am Main,

Tel. +49 (0) 69 40 09 21 75,

E-Mail: mcramm@samson.de

22

atp edition

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BUS

Sprechstunde

BUS

2. Feldbus-Sprechstunde

Feldbus in der Prozessindustrie

22. + 23.01.2013, Mannheim, Pepperl+Fuchs GmbH

www.feldbus-sprechstunde.de

Programm

Moderation: Jürgen George,

Pepperl+Fuchs GmbH

Wann und Wo?

+ + NEUER TERMIN! + +

22. + 23.01.2013

Systemplanung: Auswahl der Geräte und Komponenten

Systemplanung: Feldbusinfrastruktur

Systemplanung: Einsatz von Planungstools

Systemplanung: Explosionsschutz und

funktionale Sicherheit

Inbetriebnahme: Hardware-Installation und

-Inbetriebnahme

Inbetriebnahme: Implementierung

Inbetriebnahme: Systematische Fehlersuche

Referenten

Ronny Becker, Prüflabor MSR u. Analysentechnik,

BIS Prozesstechnik GmbH

Dr. Andreas Hildebrandt, Thomas Klatt,

Thomas Westers, Pepperl+Fuchs GmbH

Dr. Niels Kiupel, Degussa GmbH

Sven Seintsch, Prüflabor MSR u. Analysentechnik,

BIS Prozesstechnik GmbH

Termin

Dienstag, 22.01.2013

Veranstaltung (11:30 – 17:30 Uhr)

„Get-Together“ mit Abendessen (ab 18:30 Uhr)

Mittwoch, 23.01.2013


Ort

Mannheim, Pepperl+Fuchs GmbH

Thema

Antworten zur Planung und

Inbetriebnahme von Feldbussen

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11 / 2012

23

PRAXIS

Produktion von Sammelheftern: Kosteneffizienter

Sensor lässt falschen Bögen keine Chance mehr

Integrierte Falschbogenerkennung macht Herstellung effizienter und spart Kosten

SAMMELHEFTER MIT FALSCHBOGENERKENNUNG DER VOS412-BIS REIHE

Steigende Kundenanforderungen und sinkende Margen

zwingen auch die Industriebereiche rund um die

Druckmedien zu immer mehr Effizienz und Wettbewerbsfähigkeit.

Die Firma Hohner bietet für ihre Sammelhefter

aus diesem Grund spezielle Falschbogenerkennungen

an, die an den Anlegern die Druckbögen vor der

Verarbeitung überprüfen. Diese Spezialsensoren nutzen

moderne Bildverarbeitungstechnologien und bringen die

Sammelhefter einen Schritt näher heran an die Null-

Fehler-Produktion.

MASCHINEN ZUR BROSCHÜRENHEFTUNG

Die Hohner Maschinenbau GmbH ist ein Spezialist für

die Herstellung von Maschinen zur Broschürenheftung

und Druckweiterverarbeitung in der industriellen Buchbinderei.

Zur Produktpalette gehören Schmalheftköpfe,

Drahtheftmaschinen und Sammelhefter vom unteren bis

zum mittleren Leistungsbereich. Mit seiner Heftkopf-

Technologie hat sich das Unternehmen bezüglich Qualität

und Zuverlässigkeit weltweit etabliert. Neben der

konventionellen Drahtheftung spielen auch die DIGI-

Finisher-Lösungen für die digitale Weiterverarbeitung

seit Jahren eine zunehmende Rolle. Sowohl die Verarbeitung

einzelner Digitaldruckbögen als auch die Inline-

Produktion von Digitaldruckrollen ist mit der entsprechenden

Hybrid-Anlage möglich, die sich zwischen dem

klassischen Sammelhefter und der Digitaldruck-Weiterverarbeitung

positioniert.

Zum Produktbereich der Sammelhefter gehören die

Maschinen mit der Bezeichnung HSB 8000 und HSB

13.000. Letztere stellt das derzeitige Flagschiff des Tuttlinger

Herstellers dar und zeichnet sich durch einen sehr

hohen Automatisierungsgrad und große Bedienerfreundlichkeit

aus. Ein modularer Aufbau der neuen HSB-Gernerationen

erlaubt die Ausrichtung auf die jeweiligen

Kundenwünsche und ermöglicht Konfigurationen bis

zur vollautomatisierten Sammelhefterlösung. Zu den

Besonderheiten zählen unter anderem ein topaktuelles

Motion-Control-Antriebskonzept sowie eine Steuerung

mit integrierter Betriebsdatenerfassung und Fernwartungsmöglichkeiten

über Videokonferenz.

SENSOREN ERKENNEN FALSCHBÖGEN

Die Systemkomponenten sind über motorische Verstellungen

umfassend in das Automatisierungskonzept integriert,

sodass beispielsweise sämtliche Parameter einmal

ausgeführter Aufträge jederzeit auf Knopfdruck

wiederherstellbar sind. Formatumstellungen bis DIN A3

24

atp edition

11 / 2012

Unser

Know-how für Sie

27. bis 29. November 2012

Düsseldorf

Halle 03 · Stand D53

SICHERE FALSCHBOGENERKENNUNG mit den Vision-Sensoren

Vos412-Bis und Bis510. Bilder: Pepperl+Fuchs

weltweit

SAMSON GROUP SAMSON GROUP SAMSON

Übergröße lassen sich bei kleinen Auflagen mit geringem

Personaleinsatz rationell und zügig bewältigen. Für den

kleineren Bereich kleinerer Leistungen ist der Sammelhefter

vom Typ HSB 8.000 prädestiniert.

Damit die Hohner-Maschinen ihre Vorteile in der Praxis

ausspielen können, müssen die Druckbögen fehlerfrei

und korrekt sortiert zugeführt werden. Geschehen dabei

Fehler, kommt es zu Ausschussproduktion wenn Seiten

fehlen, doppelt vorkommen, leer sind oder vertauscht

geheftet sind. Ebenso unangenehm ist es für das verantwortliche

Unternehmen, wenn Seiten auf dem Kopf stehen,

weil ein Papierstapel versehentlich verkehrt herum

eingelegt worden ist.

Hohner bietet für seine Sammelhefter daher als Option

leistungsfähige Falschbogenerkennungssensoren auf der

Basis moderner Bildverarbeitungstechnologie an. Bei

den von Pepperl+Fuchs entwickelten Sensoren VOS412-

BIS und BIS510 handelt es sich um Vision-Sensoren, die

speziell für die Aufgabe der Falschbogenerkennung optimiert

sind. Die Geräte erfassen das Zielobjekt mit hochauflösenden

752 x 480 Pixeln und detektieren somit

kleinste Unterschiede im Druckbild.

Zur Identifikation der Druckbögen gibt es verschiedene

Möglichkeiten, entweder unmittelbar über das Druck-

GROUP SAMSON GROUP

GROUP

A01128DE

SAMSON AG · MESS- UND REGELTECHNIK

Weismüllerstraße 3

60314 Frankfurt am Main

Telefon: 069 4009-0 · Telefax: 069 4009-1507

E-Mail: samson@samson.de · www.samson.de

SAMSON GROUP · www.samsongroup.net

atp edition

11 / 2012

25

SAMSON

SAMSON GROUP SAMSON

GROUP SAMSON GROUP SAMSON GROUP SAMSON

GROUP SAMSON GROUP GROUP

SAMSON GROUP SAMSON GROUP SAMSON

GROUP

GROUP SAMSON GROUP

GROUP

SAMSON GROUP SAMSON

SAMSON

SAMSON GROUP SAMSON GROUP

PRAXIS

bild oder anhand von Barcodes, die am Rand beziehungsweise

oben oder unten auf dem Bogen aufgedruckt sind.

Da alle notwendigen Komponenten wie Kamera, LED-

Beleuchtung und Auswerteeinheit im selben Gehäuse

platzsparend untergebracht sind, verhalten sich die

Falschbogenerkennungen, trotz komplexen Innenlebens,

nach außen hin wie herkömmliche Sensoren. So gestaltet

sich einerseits die Bedienung und Handhabung der

Vision-Sensoren einfach, und andererseits sind die Systeme

über ihren Triggereingang sowie Schaltausgang gut

in das Steuerungs- und Automatisierungskonzept der

Heftanlagen integrierbar. Die kompakten Abmessungen

sorgen für eine gute mechanische Anpassung.

QUALITÄTSSICHERUNG BEI KURZEN UMRÜSTZEITEN

Die Falschbogenkontrolle ist nun in der Lage, die Bogenfolge

anhand des Druckbildes zu überwachen. Hierzu lernt

das System den ersten Bogen automatisch ein und vergleicht

ihn anschließend mit den nachfolgenden Seiten.

Beim Teach-Vorgang ermittelt die Auswerteeinheit selbstständig

die für die bestmögliche Bildqualität optimalen

Aufnahmeparameter. Das aufgenommene Referenzbild

wird im nichtflüchtigen Speicher des Sensors abgelegt, sodass

es auch im stromlosen Zustand nicht verloren geht.

Von dieser automatischen und unkomplizierten Einlern-

Methode profitieren die genannten Maschinenfunktionen

zum schnellen Wechseln von Druckformaten. Insbesondere

wird dazu kein besonderes Know-how des Bedienpersonals

verlangt, das heißt, auch angelernte Mitarbeiter können

diese Arbeiten übernehmen.

Für den Einsatz in seinen Sammelheftern hat sich der

Tuttlinger Maschinenspezialist für den VOS412-BIS entschieden.

Diese Ausführung zeichnet sich durch ein robustes

Zink-Druckguss-Gehäuse aus. Während des Produktivbetriebs

erhält der Sensor von einem separaten

optischen Taster ein Triggersignal, erfasst den Druckbogen

und vergleicht die Informationen mit der eingelernten Referenz.

Der Schaltausgang stellt das Ergebnis anschließend

als eindeutige Gut-Schlecht-Information der Maschinensteuerung

zur Verfügung. Der gesamte Vorgang läuft blitzschnell

im Arbeitstakt des Sammelhefters ab, wobei die

Vision-Sensoren Geschwindigkeiten von 4 m/s beziehungsweise

10 Bögen/s unterstützen. Damit besteht auch

noch genügend Reserve für zukünftige Anwendungen,

etwa wenn Hohner leistungsstärkere Anlagen anbieten

wird.

Im Barcode-Lesemodus verarbeiten die Sensoren zur

Falschbogenerkennung alle in der grafischen Industrie

benutzten Codes wie etwa 2/5 interleaved, Code 39 und

Code 128 A, B, C sowie Pharmacode. Außerdem spielt es

keine Rolle ob die Codes horizontal oder vertikal ausgerichtet

sind.

Neu bei den Falschbogensensoren von Pepperl+Fuchs

sind die Erkennung von Bogensequenzen und die Lesung

von sehr langen Barcodes. Bogensequenzen können automatisch

eingelernt und verglichen werden. Diese Funktion

ermöglicht den Einsatz der Falschbogensensoren in Maschinen,

in denen unterschiedliche Bögen an einer Stelle

verglichen werden sollen wie etwa in vertikalen Zusam-

mentragmaschinen. Sollte es sich einmal um besonders

umfangreiche Codes handeln, die größer sind als der Erfassungsbereich

eines Bildes, kommt die Multiaufnahmefunktion

zum Einsatz, die das Zusammensetzen mehrerer

Code-Fragmente erlaubt. Den zu erkennenden Code lernt

man entweder ein oder parametriert ihn manuell.

VISUALISIERUNG AUF EINEM NETBOOK ERMÖGLICHT

Zur Bedienung und Parametrierung der Sensoren dient

derzeit die Software „BIS-Visualizer“ auf einem Netbook.

Auf dem Bildschirm werden die in den jeweiligen Stationen

eingelernten Bilder angezeigt und ebenso die erkannten

Falschbögen. Durch Vergleich mit dem Referenzbild

kann der Anwender mögliche Fehlerursachen schnell

identifizieren. Die Entwickler arbeiten daran, die Bedienung

der Falschbogenerkennung und die Anzeige der Bilder

auch vom zentralen Touchscreen aus zu realisieren.

Über Letzteren lassen sich nahezu alle Maschinenkomponenten

vollgrafisch und in Farbe bedienen. Die Ausrüstung

der Sammelhefter mit den Falschbogenerkennungen

von Pepperl+Fuchs liefert dem Anwender somit ein derzeit

maximal erhältliches Maß an Prozesssicherheit.

AUTOREN

Hohner Maschinenbau GmbH,

Gänsäcker 19,

D-78532 Tuttlingen,

Tel. +49 (0) 7462 946 80,

E-Mail: info@hohner-postpress.com

Dipl.-Ing. (FH) RICHARD

BÜRK ist Leiter Technik bei

der Hohner Maschinenbau

GmbH.

Dr.-Ing. TIM WEIS ist

Produktmanager Indus trial

Vision Components

im Geschäftsbereich

Fabrikautomation der

Pepperl+Fuchs GmbH.

Pepperl+Fuchs GmbH,

Lilienthalstraße 200,

D-68307 Mannheim,

Tel. +49 (0) 621 776 42 76,

E-Mail: tweis@de.pepperl-fuchs.com

26

atp edition

11 / 2012

Sprechstunde

3. Explosionsschutz-Sprechstunde

Explosionsschutz

14. + 15.11.2012, Mannheim, Pepperl+Fuchs GmbH

www.explosionsschutz-sprechstunde.de

§ 12

BetrSichV

Programm

Moderation: Dr. Andreas Hildebrandt,

Pepperl+Fuchs GmbH

Wann und Wo?

Typische Fehler bei unterschiedlichen

Zündschutzarten

Der korrekte Nachweis der Eigensicherheit

Fachgerechte Reparatur und Prüfung von

explosionsgeschützten Betriebsmitteln

Anforderungen an die funktionale Sicherheit

beim Explosionsschutz

Referenten

Wolfgang Gohm

Extronic Gohm Consulting

Dr. Andreas Hildebrandt, Gerhard Jung,

Michael Wenglorz, Thomas Westers

Pepperl+Fuchs GmbH

Stefanie Klein

DSM Nutritional Products, Grenzach-Wyhlen

Arnold Staedel

TÜV SÜD Industrie Service GmbH – Niederlassung Nürnberg

Reinhard Wilkens

PTB

Dr. Michael Wittler

Dekra Exam

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Mittwoch, 14.11.2012


„Get-Together“ mit Abendessen (ab 18:30 Uhr)

Donnerstag, 15.11.2012


Ort

Mannheim, Pepperl+Fuchs GmbH

Thema

Installation und Betrieb

explosionsgeschützter Anlagen

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11 / 2012

27

HAUPTBEITRAG

Instandhaltungsstrategien für

PLT-Schutzeinrichtungen

Rechnergestützt optimale Prüfstrategien ermitteln

Eine Methode zur Bestimmung von kostenoptimalen Instandhaltungsstrategien für einkanalige

PLT-Schutzeinrichtungen wird in diesem Beitrag vorgestellt. Mit ihr lassen sich

Instandhaltungsstrategien für vorgegebene Unverfügbarkeitsanforderungen ermitteln. Die

Instandhaltungsstrategien setzen sich aus Haupt- und Teilwiederholungsprüfungen mit

unvollständiger Prüfabdeckung, wie dem Teilhubtest bei Aktoren, zusammen. Eine praktische

Fallstudie demonstriert die Wirksamkeit der Methode.

SCHLAGWÖRTER Funktionale Sicherheit / PLT-Schutzeinrichtungen / Instandhaltung /

Wiederholungsprüfungen

Determining optimal prooftest strategies for Safety Instrumented Systems

A procedure to determine cost-optimal maintenance strategies for single channel Safety

Instrumented Systems’ (SIS) is presented in this work. Maintenance strategies are derived

for predefined unavailability requirements. The maintenance strategies are composed of

main prooftest and partial prooftest (e.g. partial stroke test of final elements) with incomplete

prooftest coverage. The presented procedure is demonstrated in a practical case

study.

KEYWORDS Functional safety / safety instrumented systems / maintenance / prooftests

28

atp edition

11 / 2012

KONSTANTIN MACHLEIDT, LOTHAR LITZ, TU Kaiserslautern

PLT-Schutzeinrichtungen (Safety Instrumented

Systems – SIS) werden in der chemischen Industrie

und in der Prozessindustrie eingesetzt,

um potenziell unsichere Produktionsprozesse

sicher zu machen. Bei Fehlern von SIS können

gefährliche Prozesszustände nicht sicher beherrscht

werden. Die internationalen Normen [1] und [2] definieren

sicherheitstechnische Anforderungen an SIS. Die

hohe Verfügbarkeit von SIS reduziert das Risiko gefährlicher

Prozesszustände. Dabei spielt die Instandhaltung

eine wichtige Rolle, um die hohe Verfügbarkeit zu

gewährleisten.

Die sicherheitstechnischen Anforderungen an SIS werden

unter Verwendung unterschiedlicher Konfigurationen

(zum Beispiel Hardware-Fehlertoleranz, Instrumentierung)

und unterschiedlicher Instandhaltungsstrategien

erfüllt. Betriebstechnische Anforderungen (beispielsweise

niedrige Lebenszykluskosten von SIS, hohe betriebstechnische

Verfügbarkeit, niedrige Instand haltungskosten)

lassen sich durch die Nutzung vorhandener Freiheitsgrade

berücksichtigen. In [3] werden Konfigurationen von SIS

mit minimalen Lebenszykluskosten für spezifizierte sicherheitstechnische

Anforderungen bestimmt. In [4] und

[5] wird eine formelle Methode zum automatischen optimierten

Entwurf von SIS beschrieben. In [6] wird gezeigt,

dass Wiederholungsprüfungen mit unvollständiger Prüfabdeckung

die Verfügbarkeit von SIS beeinflussen und

berücksichtigt werden müssen. Dies lässt sich mit den

Methoden aus [7] und [8] mit der Vorarbeit aus [9] realisieren.

Die SIS-Unverfügbarkeit für beliebige Instandhaltungsstrategien

und Wiederholungsprüfungen mit unvollständiger

Prüfabdeckung kann so bestimmt werden. Die

Aufgabenstellung der anfor derungsgerechten Ermittlung

von Instandhaltungsstrategien lässt sich mit diesen Methoden

nur iterativ lösen. In [10] und [12] wird für dieses

Problem eine alternative Lösung präsentiert. Diese Lösung

ist das Thema des Artikels.

Es geht dabei um Strategien von Wiederholungsprüfungen.

Diese setzen sich aus Haupt (HP)- und Teilwiederholungsprüfungen

(TP) zusammen. Die HP bieten

höhere Prüfabdeckung, erfordern aber dafür mehr Aufwand

und beeinträchtigen meist den Produktionsprozess.

Zur Durchführung der HP muss der Produktionsbetrieb

in der Regel unterbrochen werden. Die TP erfordern

dagegen keine Unterbrechungen der Produktion

und benötigen weniger Aufwand bei kleinerer Prüfabdeckung.

Es lässt sich nur eine Teilmenge der Fehler

erkennen, die bei einer HP erkannt werden können.

Durch die Anwendung der TP wird die benötigte Anzahl

der HP und damit der Produktionsstillstände bei gleicher

Unverfügbarkeit des SIS reduziert.

In der Industrie finden Teilprüfungen in SIS bereits Anwendung

in Eingangs- und Ausgangsteilsystemen. Der

Teilhubtest (Partial Stroke Test) wird bei Aktoren angewandt,

und bei Sensoren werden ebenfalls Teilprüfungen

durchgeführt. Teilhubtests von Aktoren werden in [11]

behandelt. Dieser Beitrag beschreibt eine Methode, um

kostenoptimale Instandhaltungsstrategien, zusammengesetzt

aus Haupt- und Teilwiederholungsprüfungen, zu

bestimmen.

1. MODELLIERUNG VON PLT-SCHUTZEINRICHTUNGEN

1.1 PFD-Modell

Die sicherheitstechnische Güte von SIS wird durch Unverfügbarkeit

(Probability of Failure on Demand – PFD)

bewertet. Die zeitabhängige PFD ist definiert als

PFD() t = P( System ist zur Zeit t nicht funktionsfähig ) (1)

Die für den Sicherheits-Integritätslevel (SIL) relevante

Größe PFD avg

wird als Mittelwert der zeitabhängigen

PFD(t) über dem Zeitintervall [0,T L

] von Inbetriebnahme

bis zur Stilllegung des SIS ermittelt

T L

1

PFDavg

= PFD t dt

T

∫ ()

L 0

Die Unverfügbarkeitsfunktion PFD(t) quantifiziert den

Einfluss der Ausfallprozesse bedingt durch stochas-

(2)

atp edition

11/ 2012

29

HAUPTBEITRAG

tische gefährliche Fehler sowie den Einfluss zugehöriger

Reparaturprozesse. Die gefährlichen Fehler teilen sich

auf in erkannte passive (Dangerous Detected), unerkannte

passive (Dangerous Undetected) und nicht-detektierbare

Fehler (Dangerous Non-detectable). Diese Fehlerarten

führen zu unterschiedlichen Reparaturprozessen.

Die erkannten passiven Fehler werden durch einen zeitlich

unmittelbar anschließenden, stochastischen Reparaturprozess

behoben. Die unerkannten Fehler werden

bei deterministisch durchgeführten Wiederholungsprüfungen

entdeckt und repariert. Die nicht-detektierbaren

Fehler bleiben über die komplette Lebensdauer des SIS

unentdeckt und können nicht repariert werden. Die Zeiten

bis zum Auftreten der Fehler sowie die Reparaturzeit

der stochastischen Reparaturprozesse sind exponentialverteilt.

Die PFD(t) berechnet sich mittels Überlagerung

der Einflüsse stochastisch unabhängiger, gefährlicher

Fehler. Der Einfluss von Wiederholungsprüfungen wird

zunächst nicht berücksichtigt, die Unverfügbarkeitsfunktion

ergibt sich dafür als

PFD () t ≈ PFD () t + PFD () t + PFD () t (3)

UNM DU DD DN

In Gleichung (3) quantifiziert PFD DU

(t) den Einfluss der

unerkannten passiven Fehler mit Reparaturen bei Wiederholungsprüfungen,

PFD DD

(t) den Einfluss der erkannten

passiven Fehler mit sofort erfolgender Reparatur und

PFD DN

(t) bezeichnet den Beitrag der nicht-detektierbaren

Fehler. Die Summanden in Gleichung (3) berechnen sich

für linear approximierte Exponentialfunktionen und

einkanalige SIS nach

λ

PFDDU () t ≈λdut, PFDDD

() t ≈ dd , PFDDN

() t ≈ λ dn

λ

t. (4)

+ μ

Die Parameter der Gleichungen (4) umfassen die Rate der

unerkannten passiven Fehler λ du

, die Rate der erkannten

passiven Fehler λ dd

, die Reparaturrate der erkannten passiven

Fehler μ dd

und die Rate der nicht-detektierbaren

Fehler λ dn

. Damit ergibt sich die mittlere Unverfügbarkeit

PFD avgUNM eines einkanaligen SIS-Teilsystems ohne Wiederholungsprüfungen

zu

dd

1 λ

PFD T dd 1

T . (5)

avgUNM = λdu L + + λdn L

2 λdd

+ μdd

2

Die einzelnen Anteile der PFD(t) eines SIS-Teilsystems

ohne Wiederholungsprüfungen zeigt Bild 1. Die erkannten

passiven Fehler sowie deren Reparaturen liefern einen

konstanten Beitrag. Der Einfluss von den unerkannten

passiven und nicht-detektierbaren Fehlern steigt in

Abhängigkeit der Zeit t linear an. Dabei berechnet sich

PFD avgUNM aus der Fläche unter dem PFD UNM

(t)-Graphen

gemittelt über die Einsatzzeit T L

.

1.2 Prüfstrategie und Wiederholungsprüfung

dd

Die Wiederholungsprüfungen von SIS stellen deterministische

Ereignisse dar und verursachen Unstetigkeiten

in der PFD(t). Im Beitrag werden mehrere unterschiedliche

Wiederholungsprüfungen eines SIS-Teilsystems

betrachtet. Eine Prüfstrategie ST umfasst j verschiedene

Wiederholungsprüfungen PT j

als

ST : PT1 ,..., PT j

(6)

= { }

Eine Wiederholungsprüfung PT j

wird formalisiert als

PT : T ,..., T ,..., T , T , T

= { } ∈[ ]

j j1 ji jk ji 0 L

mit T ji

als Zeitpunkt der i-ten Durchführung der Wiederholungsprüfung

j.

Unter Berücksichtigung der Wiederholungsprüfungen

ergibt sich die mittlere Unverfügbarkeit PFD avgMAINT

als

PFD

avgMAINT

IPFD

= PFDavgUNM

−

T

ST

L

PFD avgUNM ist die mittlere Unverfügbarkeit ohne Wiederholungsprüfungen.

Nach Gleichung (8) wird PFD avgUNM

durch den von der Prüfstrategie abhängigen Term

IPFD ST

/T L

reduziert. Die Anforderung aus dem Sicherheits-Integritätslevel

(SIL) an die mittlere Unverfügbarkeit

des SIS-Teilsystems liefert die Ungleichung

PFD PFD , (9)

avgMAINT avgSET

mit dem Grenzwert PFD avgSET .

Unter Verwendung dieser Formalismen lässt sich der

Einfluss von Wiederholungsprüfungen auf die Unverfügbarkeit

von SIS quantitativ erfassen.

1.3 Einfluss einer Wiederholungsprüfung

Im Rahmen der betrachteten Wiederholungsprüfung PT j

werden die unerkannten passiven Fehler mit der Rate

λ du detektiert und repariert. Dabei werden die Zeiten der

Unverfügbarkeit von SIS wegen Reparaturen der unerkannten

passiven Fehler im Folgenden vernachlässigt.

Für Wiederholungsprüfungen mit einer beliebigen

Anzahl der Prüfzeitpunkte Tji

, i ! " 1,..., nj,, ergibt sich

IPFD ST

aus Gleichung (8) zu

n j

IPFDST = λ du∑( Tji −Tji−1)( TL − Tji

),

Tj0 = 0 . (10)

i=

1

1.4 Einschränkung auf äquidistante Prüfzeiten

Die Einschränkung der Wiederholungsprüfungen auf

äquidistante Prüfzeiten wird durch die Forderung nach

effizienten Prüfstrategien gerechtfertigt. Der Einfluss

von Prüfungen auf mittlere PFD wird durch IPFD ST

in

Gleichung (8) quantifiziert. Für eine Wiederholungsprüfung

PT j mit der Anzahl n j der Prüfzeitpunkte

Tji

, i ! " 1,..., nj,, ist IPFD ST

dann maximal, wenn die

T ji

äquidistant über das Intervall [0,T L

] vorgegeben sind.

(7)

(8)

30

atp edition

11 / 2012

PF

D

PF

DUN

M ( t)

PF

Davg

UN

M

PF

DDD

( t) PF

DDN

( t)

PF

DDD

( t)

T L t

BILD 1: PFD(t) eines SIS-Teilsystems ohne Wiederholungsprüfungen

PF

D

PF

Davg

UN

M

PF

Davg

MAIN

T

T21

IP

FD S

T 11

T22

T L

PF

D( t)

PF

DDD

( t) PF

DDN

( t)

PF

DDD ( t )

t

BILD 2: PFD(t) eines SIS-Teilsystems mit HP und TP

Dabei gilt

Tji − Tji−1 = TI j , Tji für alle i∈{ 1,..., nj} , Tj0

= 0 (11)

Der resultierende Verlauf von PFD(t) enthält Unstetigkeiten

zu den Prüfzeitpunkten und lässt sich mit PFD UMD

(t)

aus Gleichung (3) formulieren als

⎧⎪

PFDUNM

() t für 0 ≤t ≤Tj1

PFD()

t = ⎨

⎩⎪ PFDUNM

() t −i ⋅TI

j ⋅ λ du für T ji ≤ t ≤ T ji + 1

(12)

IPFD ST

lässt sich in geschlossener Form berechnen

nach

IPFD

ST

= λ

2

duTL

n j

2( n + 1)

j

(13)

mit n j

=(T L

-TI j

)/TI j

als Anzahl der Prüfzeitpunkte der

Wiederholungsprüfung PT j

während der Einsatzzeit T L

.

Unter Berücksichtigung der Anforderung aus Ungleichung

(9) ergibt sich die Ungleichung für n j

zu

n

j

2 ⋅( PFDavgUNM

−PFDavgSET

)

≥

λ T −2

⋅( PFD −PFD

) (14)

du L avgUNM avgSET

1.5 Haupt- und Teilwiederholungsprüfung

Die bisher verwendeten Modelle zur Bestimmung von

anforderungsgerechten Prüfstrategien werden erweitert,

um Haupt (HP)- und Teilwiederholungsprüfungen (TP)

zu berücksichtigen. Die HP wird als Wiederholungsprüfung

PT 1

und die TP als PT 2

bezeichnet. Bei einer HP

werden alle unerkannten passiven Fehler, die mit der

Rate λ du

auftreten, repariert. Während der TP wird lediglich

die Teilmenge der unerkannten passiven Fehler mit

λ 1 ( 2 ˂ λ du repariert. Wie zuvor, werden die Zeiten der

Unverfügbarkeit von SIS wegen Reparaturen der unerkannten

passiven Fehler im Folgenden vernachlässigt.

Die Anzahl der Prüfzeitpunkte der TP n 2

steht in einem

festen Verhältnis zu der Anzahl der Prüfzeitpunkte der

HP n 1

, es gilt

n = m⋅ n + m mit m∈N (15)

2 1 0

Damit berücksichtigt das resultierende mathematische

Modell äquidistante Prüfzeitpunkte der HP in dem Intervall

der Einsatzzeit [0,T L

] und äquidistante Prüfzeitpunkte

der TP über die Intervalle der HP [T 1j -1 ,T 1j ], mit

j!#1,...,n 1

-, T jo

= 0. Diese Einschränkung stellt sicher, dass

die Wiederholungsprüfungen maximal effektiv sind und

die größtmögliche Reduktion der mittleren PFD bewirken.

Gleichzeitig wird es damit möglich, für eine geforderte

PFD-Reduktion die anforderungs gerechten Prüfstrategien

zu berechnen.

Der Verlauf von PFD(t) ergibt sich zu

⎧ PFDUNM

() t

⎪

⎪ für 0 ≤ t ≤ T21

⎪ PFDUNM

() t −i ⋅TI2⋅λ

1∩

2

PFD()

t = ⎨

⎪ für T2i

≤t ≤T2i

+ 1 und t ≤ T11

⎪PFD UNM () t − j ⋅TI1⋅λdu

-i ⋅TI2⋅

λ1∩2

⎪

⎩⎪ für T2i ≤t ≤T2i+ 1 und T1j ≤t ≤T1j+ 1 (16)

mit TI 1 =T 1i –T 1i–1 und TI 2 =T 21 . Die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden

Durchführungen der TP beträgt bei

zeitlicher Überschneidung mit der Durchführung der

HP die doppelte Intervalldauer TI 2

.

atp edition

11/ 2012

31

HAUPTBEITRAG

IPFD ST

aus Gleichung (8) wird berechnet nach

⎛

⎞

⎜

⎟

2 n

n

IPFDST = T ⎜

L λ 1

du + λ

2 ⎟

1∩2

. (17)

⎜ 2( n1

+ 1) 2( n1

+ 1)

( n n )

2 + 1+

1 ⎟

⎜

⎟

⎝ Beitrag von PT1

Beitrag von PT2

⎠

IPFD

T

ST

L

≥ PFD − PFD =0,

029

avgUNM

avgSET

(22)

Es wird T L

=12 Jahre als die betrachtete Einsatzzeit des

SIS angesetzt.

In dieser Gleichung sind die Beiträge von PT 1

und PT 2

zur Reduktion der mittleren PFD gekennzeichnet.

Damit ergibt sich n 2

, die Anzahl der Prüfzeitpunkte

der TP während der Einsatzzeit T L

, in Abhängigkeit von

n 1

, der Anzahl der Prüfzeitpunkte der HP, als

n1 2 2

( + n1) λduTL − 2( n1+ 1) ( PFDavgUNM −PFDavgSET

)

n2

≥

2( n1

+ 1)(

PFDavgUNM −PFDavgSET ) − ( λdun1+ λ1 ∩ 2 ) TL

(18)

Die resultierenden Prüfstrategien ST = {PT 1

,PT 2

} mit HP

und TP, welche die PFD Anforderung nach Gleichung (9)

erfüllen, sind

{ }

PT1 = TI1,..., n1⋅TI

1

(19)

{ } { ⋅ ⋅ = ⋅ ∈N}

PT2 = TI2,...,( n2 + n1) ⋅TI2 \ i TI2 | i TI2 k TI1,

k

für n2 ≥ 0

(20)

Der resultierende Verlauf der PFD(t) eines einkanaligen

SIS-Teilsystems mit HP und TP für n 1

=1, n 2

= 2 ist in Bild

2 wiedergegeben.

2. BEWERTUNG DER PRÜFSTRATEGIEN

Die Kosten einer Prüfstrategie bestehend aus der

HP mit n 1

Prüfzeitpunkten und der TP mit n 2

Prüfzeitpunkten

werden durch die Kostenfunktion C(n 1

,n 2

)

quantifiziert

Cn ( , n)

= C⋅ n+ C ⋅ n

(21)

1 2 1 1 2 2

Dabei bezeichnet C 1

die Kosten einer Durchführung der

HP und C 2

die Kosten einer Durchführung der TP.

3. FALLSTUDIE

3.1 SIS-Parameter und Vorgaben

Es wird ein einkanaliges SIS-Teilsystem mit den Parametern

in Tabelle 1 betrachtet. Dafür werden Prüfstrategien

bestimmt, welche die Unverfügbarkeitsanforderung

PFD avgSET =0,01 nach Gleichung (9) erfüllen. Die

in vorherigen Abschnitten definierten Arten von Wiederholungsprüfungen,

HP und TP, werden angewandt.

Die HP und TP für das betrachtete Teilsystem werden

als PT 1 und PT 2 bezeichnet. Durch die Prüfstrategie

muss die mittlere Unverfügbarkeit des SIS, PFD avgMAINT

,

auf einen Wert kleiner als PFD avgSET

reduziert werden.

Demnach müssen die gesuchten anfor derungsgerechten

Prüfstrategien die folgende Ungleichung erfüllen

3.2 Bestimmung der Prüfstrategien

Es werden Prüfstrategien bestehend aus HP und TP für

die gegebenen Vorgaben und SIS-Parameter bestimmt. In

Bild 3 sind unterschiedliche Prüfstategien als Dreiecke

in Abhängigkeit von n 1

und n 2

, der Anzahl der Prüfzeitpunkte

der HP und der TP, gegeben. Zulässige Prüfstrategien

werden anhand der Ungleichung (18) in Abschnitt

1.5 bestimmt. Die Ungleichung (18) definiert die Fläche

über der roten Linie in Bild 3 und legt damit die zulässigen

Prüfstrategien fest. Die zulässigen Prüfstrategien in

Bild 3 erfüllen damit die vorgegebene Anforderung an

die mittlere Unverfügbarkeit aus Gleichung (9). Zusätzlich

muss das Verhältnis zwischen n 1

und n 2

einer Prüfstrategie

der Bedingung aus Gleichung (15) genügen.

Zu der Pareto-Front gehören diejenigen zulässige Prüfstrategien,

welche die kleinsten zulässigen Werte von n 2

für unterschiedliche n 1

aufweisen und somit direkt über

der roten Linie liegen. Die Pareto-optimalen Prüfstrategien

sind als Tupel (n 1

, n 2

) in Tabelle 2 gegeben. Aus

Bild 3 geht hervor, dass die Reduktion von n 1

in der

Regel einhergeht mit einer Erhöhung von n 2

. Die Bedingung

aus Gleichung (15) kann zu Abweichungen von

dieser Regel führen, siehe die Pareto-optimalen Prüfstrategien

ST 2

und ST 3

in Tabelle 2 und Bild 3. Es zeigt

sich, dass für zunehmende Werte von n 1

die n 2

Werte

der Pareto-optimalen Prüfstrategien bis auf Null abnehmen.

Ab dann wird die definierte Unverfügbarkeitsanforderung

allein durch die HP erreicht.

Die Auswahl der betriebstechnisch vorteilhaftesten

Prüfstrategie erfolgt gemäß der Kostenbewertung nach

Gleichung (21). Die jeweils kostengünstigste Prüfstrategie

hängt von dem Verhältniss der Kosten einer

Durchführung der TP zu den Kosten einer Durchführung

der HP, C 2

/C 1

, ab. Dieser Zusammenhang ist in Bild

4 visualisiert. Für die Pareto-optimalen Prüfstrategien

sind die resultierenden Kosten, C/C 1

(normiert auf C 1

),

über C 2

/C 1

aufgetragen. Für jede Prüfstrategie ergibt

sich eine Gerade. Aufgrund der unterschied lichen Werte

von n 2

ergeben sich unterschiedliche Steigungen der

Geraden. Die Zunahme der Kosten der Prüfstrategie bei

einer Erhöhung der Kosten C 2

/C 1

hängt ab von n 2

, der

Anzahl der Durchführungen der TP. Der Schnittpunkt

mit der y-Achse hängt von dem Wert n 1

, der Anzahl der

Durchführungen der HP der jeweiligen Prüfstrategie

ab. Kostenoptimal für einen Anwendungsfall ist die

Prüfstrategie, welche für einen vorgegebenen Wert von

C 2

/C 1

die niedrigsten Kosten C liefert.

Aus Bild 4 geht hervor, dass sich für die hier behandelte

Fallstudie drei unterschiedliche kostenoptimale

Prüfstrategien ergeben: für niedrige, für mittlere und für

hohe Werte von C 2 /C 1 . Die Ergebnisse werden nachfolgend

beschrieben.

32

atp edition

11 / 2012

Parameter λ du

λ 1 (2

λ dd

λ dn

μ dd

1/T L

Wert [h -1 ] 7,2·10 -7 5·10 -7 10·10 -7 0,15·10 -7 0,125 0,951·10 -7

TABELLE 1: Parameter des analysierten SIS-Teilsystems

ST 1

ST 2

ST 3

ST 4

n 1

1 2 3 4

n 2

8 3 4 0

TABELLE 2: Pareto-optimale Prüfstrategien

BILD 3: Bestimmung der

zulässigen Prüfstrategien und der

Pareto-optimalen Prüfstrategien

BILD 4: Kosten der Pareto-optimalen

Prüfstrategien in Abhängigkeit von

C 2

/C 1

atp edition

11/ 2012

33

HAUPTBEITRAG

C

Niedrige Kosten der TP: 0 #

2

C

1 0,2

1

Für den Fall von niedrigen Kosten der TP werden Prüfstrategien

mit einer großen Anzahl an Durchführungen

der TP und möglichst kleiner Anzahl an Durchführungen

der HP bevorzugt. In diesem Fall ist (n 1 ,n 2 ) = (1,8). Die kostengünstigste

Prüfstrategie ergibt sich als ST 1 ={PT 1 , PT 2 }

mit PT 1 ={TI 1 } und

PT 2 ={TI 2 ,2·TI 2 ,3·TI 2 ,4·TI 2 ,6·TI 2 ,7·TI 2 ,8·TI 2 ,9·TI 2 ,} für

TI = 52560 h, TI 1 2 = 10512 h.

C

Mittlere Kosten der TP: 0,2 #

C

2

1

Liegen die Kosten der TP in dem angegebenen mittleren

Bereich, dann ergibt sich als kostengünstigste Prüfstrategie

(n 1

,n 2 ) = (2,3). Das bedeutet ST 2 ={PT 1 , PT 2 } mit

PT 1 ={TI 1 ,2· TI 1 }, PT 2={TI 2 ,3· TI 2 ,5· TI 2 } und mit den Intervallen

TI = 35040 h, TI 1 2 = 17520 h.

2 C2

Hohe Kosten der TP: 3

#

C1

Für den Fall von hohen Kosten der TP werden Prüfstrategien

ohne TP bevorzugt. Als kostengünstigste Prüfstrategie

ergibt sich dafür ST 4 ={PT 1 , PT 2 } und (n 1 ,n 2 ) = (4,0). Das

re sultierende Prüfintervall beträgt TI 1 = 21024 h für die

zuge hörigen Prüfungen PT 1 ={PT 2 ={TI 1 ,2· TI 1 ,3 · TI 1 ,4},

PT 2

={ }.

1

2

3

FAZIT

Mit der beschriebenen Methode zur Bestimmung von

kostenoptimalen Prüfstrategien für einkanalige SIS

werden für vorgegebene Parameter von SIS kostenoptimale

Prüfstrategien bestehend aus zwei Typen von Wiederholungsprüfungen

ermittelt. Die Hauptprüfungen

zeichnen sich durch höhere Prüfabdeckung und höheren

Prüfaufwand aus, die Teilprüfungen haben niedrigere

Prüfabdeckung und benötigen geringeren Prüfaufwand.

Die Auswirkungen von nicht-entdeckbaren Fehlern

werden berücksichtigt. Es wurde gezeigt, dass die

kostenoptimale Prüfstrategie von dem Verhältnis der

Kosten der Hauptprüfung zu den Kosten der Teilprüfung

abhängt. Deshalb werden durch Teilprüfungen die

Prüfintervalle der Hauptprüfungen verlängert und die

Anzahl der damit verbundenen Produktionsstillstände

bei gleicher Unverfügbarkeit reduziert.

Angewandt auf eine Fallstudie zeigte sich, dass das

Intervall der Hauptprüfung durch die Teilprüfung mehr

als verdoppelt werden kann. Damit können in der Praxis

Teilhubtests bei Aktoren und Teilprüfungen bei Sensoren

eingesetzt werden, um kostenoptimale Instandhaltungsstrategien

zu erhalten.

MANUSKRIPTEINGANG

04.06.2012

Im Peer-Review-Verfahren begutachtet

AUTOREN

Dipl.-Ing. KONSTANTIN

MACHLEIDT

(geb. 1980) ist wissenschaftlicher

Mitarbeiter am Lehrstuhl

für Automatisierungstechnik

der TU Kaiserslautern.

Sein Forschungsschwerpunkt

liegt im Bereich der Bestimmung

effizienter Instandhaltungsstrategien

für PLT-Schutzeinrichtungen.

TU Kaiserslautern,

Lehrstuhl für Automatisierungstechnik,

Erwin-Schrödinger-Straße 12,

D-67653 Kaiserslautern,

Tel. +49 (0) 631 205 44 54,

E-Mail: machleidt@eit.uni-kl.de

Prof. Dr.-Ing. habil. LOTHAR LITZ

(geb. 1949) leitet den Lehrstuhl

für Automatisierungstechnik

und bekleidet das Amt des

Vizepräsidenten der TU Kaiserslautern.

Hauptarbeitsgebiete:

Process Safety, Networked

Control Systems, Design and

Analysis of Discrete Event

Systems, Ambient Assisted

Living.

TU Kaiserslautern,

Lehrstuhl für Automatisierungstechnik,

Erwin-Schrödinger-Straße 12,

D-67653 Kaiserslautern,

Tel. +49 (0) 631 205 44 51,

E-Mail: litz@eit.uni-kl.de

34

atp edition

11 / 2012

REFERENZEN

[1] IEC 61511, Teil 1 – 3: Functional safety – Safety

Instrumented Systems for the Process Industry Sector.

International Electrotechnical Commission. 2004

[2] IEC 61508, Teil 1 – 6: Funktionale Sicherheit sicherheitsbezogener

elektrischer/elektronischer/programmierbarer

elektronischer Systeme. International

Electrotechnical Commission. 2010

[3] Machleidt, K. und Litz, L.:

An Optimization Approach for Safety Instrumented

System Design. In: Proc. Ann. Reliability & Maintainability

Symp. (RAMS 2011), S. 409 – 414, 2011


Kosteneinsparungen bei PLT-Schutzeinrichtungen

durch automatischen optimierten Entwurf.

In: Tagungsband Automation 2011, S. 169 – 172.

VDI, 2011

[5] Machleidt, K., Litz, L., Gabriel, T.:

SIS-design automation by use of Abstract Safety

Markup Language. In: Advances in Safety, Reliability

and Risk Management (ESREL 2011), S. 970 – 976, 2011

[6] Bukowski, J.: Impact of proof test effectiveness on

safety instrumented system performance. In: Proc.

Ann. Reliability & Maintainability Symp. (RAMS 2009),

S. 157 – 163, 2009

[7] Gabriel, T., Litz, L., Schrörs, B.:

Generische Erzeugung von Markov-Modellen zur

Berechnung sicherheitstechnischer Kenngrößen in

PLT-Schutzeinrichtungen.

atp – Automatisierungstechnische Praxis 50 (7),

S. 53 – 60, 2008

[8] Felgner, F., Frey, G.: Multi-Phase Markov Models for

Functional Safety Prediction. In: Proceedings of the 3 rd

International Workshop on Dependable Control of

Discrete Systems, S. 133 – 140, 2011

[9] Bukowski, J.: Modeling and analyzing the effects of

periodic inspection on the performance of safety-critical

systems. In: IEEE Transactions on Reliability 50,

321 – 329, 2001


Optimal prooftests for Safety Instrumented Systems

based on maintenance models.

In: 11 th International Probabilistic Safety Assessment

and Management Conference & The Annual European

Safety and Reliability Conference (PSAM11 & ESREL

2012), [im Druck]

[11] Börcsök, J., Schrörs, B., Holub, P.:

Reduzierung der Ausfallwahrscheinlichkeit und

Verlängerung des Proof-Test-Intervalls durch Einsatz

von Partial-Stroke-Tests am Beispiel von Stellgeräten.

atp – Automatisierungstechnische Praxis 50 (11),

S. 48 – 56, 2008


Rechnergestützte Ermittlung optimaler Instandhaltungsstrategien

für PLT-Schutzeinrichtungen.

In: Tagungsband Automation 2012, S. 191-194,

VDI, 2012

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atp edition erscheint in der Oldenbourg Industrieverlag GmbH, Rosenheimer Str. 145,

11/

81671

2012

München

35

HAUPTBEITRAG

In Echtzeit: RFID-gestütztes


Robuste Produktion durch bessere Lieferkettentransparenz

Moderne Produktionsnetzwerke nutzen vermehrt exakt aufeinander abgestimmte Prozesse,

die durch geringe Zeit- und Bestandspuffer gekennzeichnet sind. Die Durchführung

von geplanten Produktionssequenzen ist damit anfällig für kostspielige Störungen von

Zulieferprozessen geworden. Assistenzsysteme können mit Hilfe von Echtzeit-Objektverfolgungsdaten

derartige Störungen frühzeitig identifizieren und effektive Gegenmaßnahmen

ausführen. Im Beitrag wird ein Produktionsassistenzsystem (PAS) auf Basis der

Siemens MES-Lösung Simatic IT vorgestellt, welches im Rahmen des BMWi-Forschungsprojekts

RAN (RFID-based Automotive Network) erarbeitet wurde. Die vorgestellten Arbeiten

gewährleisten eine weitestgehend stabile Produktionsdurchführung in hoch effizienten

aber volatilen Lieferketten.

SCHLAGWÖRTER Manufacturing Execution System / Radio-Frequency Identification /


RFID-based assistant systems on MES level:

Robust production systems through supply chain transparency

Modern production networks are characterized by a synchronization of material supply

and demand with largely reduced time and stock. Consequently, production sequences

are extremely exposed to disturbances that result in costly rework activities. Through the

utilization of real-time monitoring systems (e.g. RFID-based), assistant systems can identify

disturbances early and use the resulting timeframe prior to the delivery for mitigating

their effects through preventive measures. The following paper describes such a Production

Assistant System (PAS). The PAS has been developed based on the Siemens MES

solution SIMATIC IT as part of the RAN (RFID-based Automotive Network) research

project. Two main topics are addressed: i) the integration of standardized RFID data from

objects tracked along the supply chain into the MES level and ii) the utilization of this

data in conjunction with plan data from MES and ERP systems to generate an optimized

sequence of production orders. The goal is to ensure a stable production execution in

highly efficient but volatile supply networks.

KEYWORDS Manufacturing Execution System / Radio-frequency identification /

production assistant system

36

atp edition

11 / 2012

RAFFAELLO LEPRATTI, Siemens

GEORG HEINECKE, ETH Zürich / Siemens

STEFFEN LAMPARTER, JOACHIM SCHARNAGL, RALF HANSEN, Siemens

Sequenzgenaue Anlieferungen (Just-In-Sequence,

JIS) von Komponenten haben speziell in der

Automobilindustrie die Lagerbestände weitestgehend

beseitigt. Die Durchführung der geplanten

Produktionssequenzen ist damit gleichzeitig

anfällig für Störungen in den Zulieferprozessen

geworden. Derartige Störungen werden erst festgestellt,

wenn die Komponenten nicht zur geplanten Zeit zur Verfügung

stehen. Dies führt zu möglichen Vertragsstrafen

für Zulieferer und kostenintensiven Nachbearbeitungen

sowie aufwendigen Umplanungen beim Fahrzeughersteller.

Ein wesentlicher Grund für die Verzerrung zwischen

dem Auftreten der Störung in der Lieferkette und

der Erkennung ihrer Auswirkungen auf ein nachgelagertes

Unternehmen liegt in der mangelhaften Ausprägung

der unternehmensübergreifenden Informationsflüsse

und der hierdurch verursachten Prozessintransparenz.

Das vom BMWi geförderte Forschungsprojekt RAN

(RFID-based Automotive Network, www.autoran.de)

greift diese Schwachstelle auf. Es stellt den Teilnehmern

einer Lieferkette in der Automobilindustrie Objektverfolgungsdaten

mit Hilfe von Auto-ID-Technologien für

eine weitergehende Auswertung durch Assistenzsysteme

zur Verfügung. Wie Bild 1 zeigt, kommen hierfür RFIDbasierte

Erfassungssysteme zum Einsatz, deren Daten in

ein standardisiertes Beschreibungsformat (Electronic

Product Code Information System, EPCIS) übersetzt werden

[1] und über eine verteilte Datenbank (InfoBroker)

unternehmensübergreifend und zeitnah bereitgestellt

werden können.

Dieser Beitrag thematisiert die Verwendung dieser

logistischen Daten durch unternehmensinterne Manufacturing

Execution Systeme (MES), wie sie in IEC 62264

definiert werden [2]. MES-Lösungen umfassen standardmäßig

Komponenten für die Prozessüberwachung,

Produktionsplanung sowie -durchführung und lassen

sich daher zur Störungsidentifikation sowie -behandlung

einsetzen. Zur Bündelung und Umsetzung dieser

Assistenzfunktionalitäten wird ein Produktionsassistenzsystem

(PAS) auf Basis der Siemens MES-Lösung

Simatic IT vorgestellt (vergleiche Bild 1). Dadurch wird

das MES befähigt, kontinuierlich die realen Prozessabläufe

den Produktionsplänen gegenüberzustellen und

bei kritischen Abweichungen zeitnah mittels intelligenter

Umstellung von Produktionsaufträgen zu reagieren.

1. STAND DER TECHNIK

Störungen der Lieferkette lassen sich präventiv vermeiden

oder reaktiv behandeln. Ersteres ist der Fokus von

Risikomanagement, welches in der Wissenschaft bereits

ausführlich thematisiert wird [3] und in der Praxis

bereits breitere Anwendung findet als reaktive Maßnahmen

[4]. Allerdings lassen sich Störungen in der Praxis

weder komplett vermeiden noch in jedem Fall ökonomisch

sinnvoll durch Risikomanagement und präventive

Maßnahmen adressieren [5]. Aus diesem Grund

dient das Supply Chain Event Management (SCEM)

dazu, Störungen frühzeitig zu erkennen und reaktive

Maßnahmen schnell auszulösen, die den Material- und

Informationsfluss so anpassen, dass Auswirkungen

minimiert werden [6].

Bei dem in diesem Beitrag vorgestellten PAS handelt

es sich um ein SCEM-System. In diesem Markt waren

unter anderem i2 und Manugistics mit eigenständigen

Lösungen vertreten, bevor beide Unternehmen in der JDS

Software Group aufgegangen sind. Auch SAP bietet im

Rahmen von mySAP Supply Chain Management ein

SCEM-Modul an, welches ein Teil der Funktionalitäten

abdeckt [7]. Diese Systeme sind eng an die ERP-Ebene

gekoppelt und beschränken sich in ihren Handlungen

weitestgehend auf Alarmierungsfunktionalitäten [7]. Um

Handlungsspielräume in der Zulieferkette und in der

eigenen Produktion zu nutzen, wird im Artikel eine Integration

des PAS mit der MES-Ebene vorgeschlagen, was

sehr kurzfristige Eingriffe in das Produktionsprogramm

ermöglicht. Durch vorhandene Plandaten und Schnittstellen

im MES ergibt sich für das PAS damit die Möglichkeit,

die gängigen Meldefunktionen einerseits in

atp edition

11 / 2012

37

HAUPTBEITRAG

Hinsicht auf eine Bewertung der Auswirkungen auf das

geplante Produktionsprogramm und andererseits um

Nutzung von Handlungsspielräumen durch Umplanungen

zu erweitern.

Trotz klarer Vorteile sind derartige Funktionalitäten

kaum realisierbar. Das ist im Wesentlichen durch einen

mangelhaften, unternehmensübergreifenden Informationsaustausch

(zum Beispiel Objektverfolgungsdaten) zu erklären,

der für derartige Systeme zwingend notwendig ist [8].

Um dieses Problem zu adressieren, fokussieren sich eine

Vielzahl von national geförderten Forschungsprojekten auf

den unternehmensübergreifenden Datenaustausch von

Echtzeit-Objektverfolgungsdaten. Beispielsweise werden

im Forschungsprojekt smaRTI Informationen wie Zustand,

Position und Ladung von Ladungsträgern in Echtzeit über

standardisierte Schnittstellen verteilt und ermöglichen

BILD 1: Überbetriebliche RAN-Architektur zur

Verbesserung der Prozesstransparenz

BILD 2: Erforderliche Schritte zur Anreicherung von

RFID-Rohdaten

einen Echtzeitblick auf die gesamte Supply-Chain (www.

smart-rti.de). RAN hebt sich davon unter anderem durch

die zusätzliche Datenerhebung entlang von Produktionsprozessen

sowie die objektbezogene Datenerfassung ab. In

einem weiteren BMWi Forschungsprojekt, Kollaboration

und RFID (KO-RFID www.ko-rfid.hu-berlin.de), wurde

ebenfalls eine lieferkettenweite Objektüberwachung mit

Hilfe eines EPCIS-basierten Assistenzsystems verfolgt [9].

Das in diesem Beitrag vorgestellte PAS führt die in

KO-RIFD begonnenen Entwicklungen in Richtung von

EPCIS-basierten SCEM-Systemen fort und beschreibt

konkret, wie die vorgeschlagenen Assistenzfunktionen

als Erweiterung zu existierenden MES-Lösungen realisiert

werden können. Da der EPCIS-Standard für die

Identifikation von Objekten neben dem Electronic Product

Code-Format (EPC-Format) auch für andere in der

Automobilindustrie verwendete, ISO/IEC 15459-konforme

Objektindentifizierungsschemata (zum Beispiel gemäß

Odette beziehungsweise DUNS) anwendbar ist, ergeben

sich hierdurch keinerlei Einschränkungen in der

Anwendbarkeit des PAS.

Um aus den großen Mengen an RFID-Rohdaten die

störungsrelevanten Informationen zu identifizieren,

gibt es in der Literatur eine Vielzahl von Ansätzen, die

mit Hilfe explizit definierter oder automatisiert gelernter

Modelle die Ereignisströme analysieren. Die Modelle

reichen von relativ einfachen regelbasierten Ansätzen

[10] über Petri-Netze [11] bis hin zu probabilistischen

Modellierungsansätzen, beispielsweise auf Basis von

Markov-Ketten [12]. Ähnlich wie schon in [10] wird im

hier vorgestellten PAS Complex Event Processing (CEP)

verwendet, um mit Hilfe vorgegebener Muster komplexe

Situationen aus den EPCIS-Ereignissen abzuleiten [13].

Durch den komponentenbasierten Aufbau der vorgestellten

Lösung lassen sich weitergehende Analysefunktionen

leicht integrieren.

2. RFID-DATENERFASSUNG UND EPCIS-STANDARD

Um Störungen zu erkennen, ist ein hohes Maß an Prozesstransparenz

erforderlich, die durch eine möglichst

lückenlose Objektverfolgung gewährleistet werden

kann; das heißt für jedes Produkt in der Lieferkette

soll zu jedem Zeitpunkt dessen Ort und Zustand

bekannt sein. Eine derartige automatisierte Verfolgung

wird durch die Kennzeichnung der Objekte mit einer

Identifikationsnummer in Verbindung mit moderner

Erfassungstechnologie ermöglicht. Hierbei erlaubt insbesondere

RFID-Technologie eine kontaktlose Echtzeit-Datenerfassung

bei einer geringen Anzahl an Fehllesungen.

Zudem ermöglichen in Zukunft steigende

Speichermengen bei sinkenden Transponderpreisen

eine dezentrale Ablage von produktspezifischen Daten

direkt am Produkt. Um die RFID-Einführung zu

erleichtern, wurden Erfassungsklassen (EFKs) definiert.

Sie beschreiben und klassifizieren die Grundanforderungen

von wiederkehrenden Anwendungsszenarien,

wie beispielsweise die Multitaglesefähigkeit,

den Bedarf an Lese- und/oder Schreibfähigkeit sowie

die Anforderung an die Zeitsynchronisation. Bei der

38

atp edition

11 / 2012

Definition der Erfassungsklassen wurden der Einsatzzweck

und mögliche Lösungswege für die beschriebene

Erfassungsaufgabe unter Beachtung der Hardware-

und Softwareanforderungen beschrieben.

Beispiele aus der Automobilindustrie sind das RFID-

Gate und die Handerfassung. Ein RFID-Gate ist eine

Anordnung mehrerer RFID-Antennen, das auf einem

Förderfahrzeug geladene Güter bei Durchfahrt durch ein

Verladetor erfasst. Im Gegensatz zu solchen stationären

Einrichtungen definiert die Erfassungsklasse Handerfassung

RFID-Schreib-/Lesegeräte, welche mobil eingesetzt

werden können und meist zur (Nach-)Erfassung einzelner

Objekte genutzt werden (zum Beispiel bei Ausfall

anderer Erfassungsklassen). Die Einbindung der Erfassungsklassen

unter Verwendung von standardisierten

Protokollen und Datenformaten ist schematisch in Bild

2 dargestellt.

Jede EFK verfügt über eine meist individuelle Erfassungssoftware,

mit deren Hilfe die im Feld befindlichen

RFID-Transponder ausgelesen und an eine Filtersoftware

weitergegeben werden. Die meisten der

heutigen RFID-Lösungen setzten hierbei proprietäre

Datenformate für die Schreib-/Lese-Telegramme ein.

EPCIS beschreibt zwar ein Standardprotokoll, das sog.

Low Level Reader Protocol [14], dieses spielt aber bei

den meisten Herstellern und Anwendern eine eher

untergeordnete Rolle.

Um eine robuste Objekterfassung zu realisieren, werden

die von RFID-Readern aufgenommenen Schreib-/

Lese-Telegramme durch eine nachgelagerte Filtersoftware

bearbeitet (siehe Bild 2). Sie entfernt fehlerhafte

oder doppelte Lesungen, wandelt Rohdatenformate – wie

sie direkt auf dem Transponder abgelegt sind – in für

nachgelagerte Systeme verständliche Formate um und

fügt Konfigurationsdaten, wie beispielsweise eine Reader-Identifikationsnummer,

dem Datensatz hinzu. Für

die Weitergabe der Daten von der Erfassungsklasse an

die übergeordnete Architektur (zum Beispiel an das

MES) wird meist der von EPCGlobal definierte Standard

ALE (Application Level Events) verwendet [15].

Um für weitere verbundene IT-Systeme relevante

Informationen hinzuzufügen, ist der EFK eine Capture

Application nachgelagert. Ihre Funktionalität ist im

EPCIS-Standard beschrieben [1] und in Bild 2 beispielhaft

skizziert. Sie empfängt ALE-Reports, reichert diese

je nach Anwendungsfall mit weiteren Informationen

aus anderen IT-Systemen und/oder Konfigurationsdaten

an und generiert EPCIS-Events. Ein EPCIS-Event kodiert

eine Objektbeobachtung und spezifiziert somit, welches

Objekt (was?), zu welcher Zeit (wann?), an welcher Lokation

(wo?), in welchem Geschäftskontext (warum?)

erfasst wurde. Objekte werden hierbei unter Verwendung

des Electronic Product Code (EPC) oder eines

anderen ISO/IEC 15459-konformen Nummernschemas

weltweit eindeutig identifiziert. Unter anderem können

Lokationen je nach Anwendungsfall über den Geschäftsprozess

(bizStep), den Ort (bizLocation) und/oder die

Nummer des Lesegeräts (readPoint) beschrieben werden.

Entsprechend standardisierte Kennzeichnungen

werden im Common Business Vocabulary [16] definiert

und lassen sich von verschiedensten Anwendungen –

auch in einem unternehmensübergreifenden Anwendungsfall

wie dem einer komplexen Lieferkette – eindeutig

auswerten.

3. INTEGRATION VON RFID-DATEN IN DIE MES-EBENE

Ein MES umfasst gemäß des IEC 62264-Standards [2]

bereits wesentliche produktionsbezogene Daten (Auftrags-,

Betriebs- und Maschinendaten), Schnittstellen

(Anbindung an die ERP und Steuerungsebene) und Komponenten

(Prozessüberwachung, Produktionsplanung

und -durchführung) für die Umsetzung eines Produktionsassistenzsystems

(PAS). Hauptaugenmerk der

Schnittstellen-Standardisierung im IEC 62264-Standard

ist der Datenaustausch zwischen MES und ERP-Systemen.

Im Kontext der Betriebsdatenerfassung wird im

Standard die RFID-basierte Bereitstellung von Echtzeit-

Prozessdaten nicht explizit betrachtet. Daher sehen

MES-Lösungen standardisierte Konnektoren für RFID-

Daten in ihrer Datenintegrationsschicht typischerweise

nicht vor. Um die Datenbereitstellung von Echtzeit-

Prozessdaten zu ermöglichen, werden im Folgenden

zwei standardisierte Konnektoren beschrieben, die die

Anbindung eines MES an den unternehmensübergreifenden

InfoBroker und an die darunter liegende RF-

Middleware ermöglichen.

Der EPCIS-Konnektor realisiert die Anbindung des

MES an den InfoBroker, um die durch RFID-Technologie

aufgenommenen und im EPCIS-Format beschriebenen

Objektverfolgungsdaten der Lieferkette (vergleiche

Abschnitt 1) im PAS auszuwerten. Für die Anbindung

an den InfoBroker wurden die im EPCIS-Standard definierten

EPCIS Query Interface und EPCIS Capture Interface

implementiert. Sobald ein EPCIS-Event empfangen

wurde, wird dies vom EPCIS-Konnektor in eine MESinterne

Datenstruktur umgewandelt und dem MES für

weitere Verarbeitungsschritte übergeben. Zusätzlich

implementiert der EPCIS-Konnektor das EPCIS Capture

Interface, wodurch Informationen aus der Produktion

(zum Beispiel Produktionsstart beziehungsweise -ende)

an den InfoBroker übermittelt werden.

Der EPCIS-Konnektor zielt hauptsächlich auf Objekterfassungen

in der Logistik oder bei externen Produktionsstätten

ab. Werden RFID-Daten aus der eigenen Produktion

erfasst, so ist der Umweg über den InfoBroker nicht

notwendig. Verfügbare MES-Systeme bieten eine direkte

Datenanbindung an die RF-Middleware. Diese sind jedoch

meist individuell realisiert, zum Beispiel über die vorhandene

OPC-Schnittstelle. Dies hat den Nachteil, dass jede

Änderung der Erfassungsinfrastruktur aufwendige

Anpassungen der Software bedingt. Da die in Abschnitt

2 beschriebenen Erfassungsklassen Daten standardmäßig

in ALE bereitstellen, kann mit Hilfe eines ALE-Konnektors

die RF-Middleware verschiedener Hersteller integriert

werden, ohne dass manuelle Anpassungen notwendig

sind (vergleiche Bild 3). Dabei übernimmt der

ALE-Konnektor alle Kommunikationsaufgaben, die für

einen Datenaustausch mit der RF-Middleware notwendig

sind. Insbesondere konvertiert er die ALE-Reports in ein

MES-internes Format vor und stellt die Daten mit einem

einheitlichen Mechanismus zur Verfügung.

atp edition

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39

HAUPTBEITRAG

4. DAS PRODUKTIONSASSISTENZSYSTEM

Das von Siemens entwickelte Produktionsassistenzsystem

(PAS) dient dazu, die Überwachungs- und Planungsfunktionalität

auf MES-Ebene umfangreich zu

erweitern. Das PAS verwendet die zusätzlichen Objektverfolgungsdaten

(siehe Abschnitt 3) in Verbindung mit

den bereits vorhandenen Plandaten zur frühzeitigen

Erkennung und Behandlung von Störungen. Hierzu

muss es zwei Aufgaben erfüllen: Zum einen verwertet

das PAS Objektverfolgungsdaten durch einen Abgleich

mit den Plandaten, um daraus für das Unternehmen

kritische Störungen des Materialflusses frühzeitig

abzuleiten. Zum anderen konzipiert das PAS im Rahmen

des vorhandenen Handlungsspielraums neue Produktionsauftragsequenzen,

sobald eine kritische Störung

identifiziert wurde. Die Sequenz, welche die

hinterlegten Optimierungskriterien am Besten erfüllt,

wird dem Benutzer als empfohlene Handlungsmaßnahme

vorgeschlagen. Somit dient das PAS der Generierung

von robusten Produktionssequenzen in volatilen

Lieferketten – und dies, ohne auf teure Notfalllogistik-Lösungen

zurückgreifen zu müssen.

Basierend auf der im Abschnitt 3 beschriebenen Datenintegration

können im PAS Abweichungen gegenüber

den bereits bekannten Plan-Daten abgeleitet werden. Das

Vorgehen ist in Bild 4 erläutert. So lassen sich zeitliche

Abweichungen an einem Erfassungspunkt beispielsweise

entweder aufgrund einer verspäteten Erfassung

des Objekts oder des Ausbleibens eines Events erkennen.

Für Letzteres muss aus historischen Durchlaufzeiten

(zum Beispiel Transportdauern) zwischen zwei sequenziellen

Erfassungspunkten, im Folgenden mit A und B

bezeichnet, ein Erwartungswert e AB gebildet werden. Zur

Prognose von Transportdauern auf Basis historischer

Werte gibt es verschiedene statistische Verfahren; das

diesem Ansatz zugrunde liegende Verfahren wird in [8]

näher beschrieben. Des Weiteren ist ein Zähler e AB notwendig,

der die Zeit seit der letzten Erfassung des Objekts

i am Punkt A wiedergibt. Mit Hilfe der entsprechenden

Zeitstempel e A und gegebenenfalls e B (e B = e A + e AB) der

erfassten EPCIS-Events lässt sich dann beim Auftreten

und Ausbleiben eines Events eine Abweichung der

Durchlaufzeit einer Lieferung von Objekt i folgendermaßen

berechnen:

e e e , e e e

B A AB B A AB

e e , e e e e

i AB AB A AB A AB

(1)

0, sonst

Nachdem eine Abweichung Δ i für eine Zulieferung des

Objekts i festgestellt ist, werden unter Zuhilfenahme

der im MES vorliegenden Stücklisten die von der Verspätung

betroffenen Produktionsaufträge identifiziert

(vergleiche [18]).

Ein betroffener Auftrag 1 wird mit Hilfe seines geplanten

Produktionsstarttermins g 1 aus dem Produktionsauftragsmanagementsystem

dahingehend überprüft, ob und wie

stark die momentane Abweichung Δ i den Produktionsstart

gefährdet. Dafür muss die Entwicklung der erkannten Verspätung

Δ i (mit Δ i > 0) über die dem Erfassungspunkt B

nachfolgenden Prozesse abgeschätzt werden, um die wahrscheinliche

Ankunftszeit i i der Lieferung von Objekt i zu

quantifizieren. Im PAS erfolgt dies derzeit über die vereinfachende

Annahme von gut beherrschten Folgeprozessen,

das heißt Prozessen mit deterministischen Durchlaufzeiten,

sodass eine am Erfassungspunkt B erkannte Verspätung

Δ i den geplanten Liefertermin i 0 am Wareneingang in

gleichem Maße beeinflusst (d. h. i i = i0 + D i).

Ergibt sich i i > g 1, so liegt eine kritische Störung für Auftrag

1 vor, da der geplante Produktionsstarttermin nicht

gehalten werden kann. Im nächsten Schritt berechnet das

PAS den Auftragsschlupf zwischen Produktionsendtermin

und Versandtermin, wobei die Informationen bezüglich der

Auftragsfristen aus dem MES übernommen werden. Daraus

leitet sich ab, wie weit ein Auftrag von seiner gegenwärtigen

Position in der Sequenz zurückgeschoben werden kann, um

den avisierten Versandtermin dennoch zu halten. Daran

anschließend werden die vorhergehenden Schritte für alle

weiteren – von der Abweichung Δ i betroffenen – Aufträge

durchgeführt, damit die anschließende Maßnahmenplanung

deren Verspätungen ebenfalls berücksichtigen kann.

Durch diesen Schritt stehen alle Aufträge fest, bei denen

der Produktionsstarttermin gefährdet ist. Basierend darauf

werden unter Berücksichtigung von Randbedingungen

und Optimierungskriterien mögliche Umplanungen

konzipiert. Dazu muss der Auftragsschlupf aller sequenzierten

Aufträge bestimmt werden, um in der Optimierung

eine Minimierung der summierten Verspätung des

gesamten Produktionsplans bei minimalen Sequenzänderungen

zu bestimmen. Das derzeit für diese reaktive

Produktionsumplanung eingesetzte Optimierungsverfahren

wird in [18] beschrieben und mit anderen Ansätzen

verglichen. Die vom System als optimal eingestufte Produktionssequenz

wird dem Produktionsplaner als Gegenmaßnahme

für eine Störung vorgeschlagen.

5. PROTOTYPISCHE UMSETZUNG AUF BASIS

VON SIMATIC IT

Der Ausgangspunkt der im Beitrag vorgestellten Umsetzung

eines PAS ist das MES Simatic IT, das den größten Teil der

von IEC 62264 geforderten Funktionalitäten bereits aufweist.

Es verfolgt dabei einen komponentenbasierten

Ansatz, in dem alle vom Produktionssystem benötigten

Funktionen von unabhängigen Komponenten bereitgestellt

werden. Die Komponente Simatic IT Production Suite bündelt

dabei Komponenten für Design, Betrieb und Wartung

einer MES-Lösung und beinhaltet den Data Integration Service

als flexible Datenintegrationsschicht (vergleiche mit

Abschnitt 2). Dadurch kann Simatic IT um die in Kapitel 3,

4 und 5 beschriebenen Komponenten erweitert werden.

Zur Verifikation der beschriebenen Konzepte innerhalb

einer realen Produktionsumgebung wurden diese prototypisch

auf Basis der SmartAutomation-Forschungsanlagen

der Siemens Standorte Karlsruhe und Nürnberg

umgesetzt. Bild 5 zeigt die im Zuge der Umsetzung realisierten

Erweiterungen der Forschungsanlage in Nürnberg.

In der SmartAutomation-Anlage wurde eine direkte

Anbindung zweier Erfassungsklassen (RFID-Gate und

Handerfassung) an den InfoBroker sowie einer dritten

40

atp edition

11 / 2012

Erfassungsklasse (Single Readpoint) mittels ALE-Konnektor

an Simatic IT als Capturing Application realisiert. Die

Anbindung erfolgte in beiden Fällen unter Verwendung

des Simatic RF-Manager. Hierbei handelt es sich um eine

Softwareumgebung, mit der die angebundene RFID-Hardware

konfiguriert, überwacht und Daten von erfassten

RFID-Transpondern per ALE-Report zur Verfügung

gestellt werden können. Der Datenaustausch zwischen

RFID-Gate, Handerfassung und Simatic IT wurde mit

einem InfoBroker realisiert (Für den Prototyp wird als

InfoBroker eine erweiterte Version des Infosphere Traceability

Servers von IBM verwendet.). Durch die RFID-

Hardware werden EPCIS-Events zur Dokumentation der

Vereinnahmung, Vereinzelung sowie dem Produktionsstart

und -ende erzeugt. Des Weiteren werden noch EPCIS-

Events vom Warenausgang in Karlsruhe sowie dem Fortschritt

des Zuliefertransports ins System eingespeist. Die

Anbindung des InfoBrokers an Simatic IT wurde mittels

des in Abschnitt 3 beschriebenen EPCIS-Konnektors

durchgeführt. Durch den Konnektor können EPCIS-

Events aus Simatic IT an den InfoBroker und auch vom

InfoBroker an Simatic IT übermittelt werden.

Die so erhaltenen EPCIS-Events werden dem in

Abschnitt 4 beschriebenen Produktionsassistenzsystem

zur Verfügung gestellt. Bild 6 zeigt die Aufbereitung der

daraus resultierenden, relevanten Informationen durch

die Benutzeroberfläche des PAS. Im oberen Drittel werden

die an der Lieferkette teilnehmenden Akteure dargestellt.

Durch die Anwahl einer dieser Akteure wird im

unteren linken Bereich dessen detailierte Prozesskette

angezeigt. Für die Bezeichnungen der Prozessschritte

und der Erfassungsklassen kommt das im RAN-Projekt

definierte Vokabular zum Einsatz. Durch die Anwahl

einer Erfassungsklasse wird in der Mitte des Bildes die

Liste der kürzlich an diesem Erfassungspunkt aufgezeichneten

und über den InfoBroker übermittelten

EPCIS-Events sowie gegebenenfalls die daraus abgeleiteten

Störungen angezeigt. Nachdem eine Störung festgestellt

wurde, lassen sich mittels der Registerkarte

Überwachung detaillierte Informationen über die erwarteten

Auswirkungen der Störung auf Leistungskennzahlen

wie Bestand oder Auslastung abrufen. Eventuelle

Umplanungen der Produktionsaufträge werden auf der

rechten Seite der Oberfläche dargestellt.

Die Identifikation einer Störung, wie sie die Systemmeldung

an den PAS-Benutzer in Bild 6 anzeigt, basiert auf

einer definierten, statischen Regelbasis, die kontinuierlich

Datenströme unter Verwendung der Complex-Event-Processing-Komponente

namens Drools Fusion auf Muster

untersucht (vergleiche [18]). Im Bild 7 sind zwei Beispiele

für solche Störungserkennungsregeln beschrieben: Ein

ChangeInSequence-Ereignis wird erkannt, wenn zwei

Objekte an aufeinanderfolgenden Lokationen der Lieferkette

in einer unterschiedlichen Reihenfolge beobachtet

werden. Unter Verwendung zusätzlicher Plandaten können

auf Basis des ChangeInSequence-Ereignis wiederum spe-

BILD 3: Vorhandene und neu entwickelte Konnektoren zur

Datenintegration.

BILD 4: Datenbedarf nach Ablaufplan des PAS

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41

HAUPTBEITRAG

zifischere Ereignisse wie MaterialOutOfSequence-Ereignisse

oder OrderOutOfSequence-Ereignisse erkannt werden.

Um die Pflege der Regelbasis zu erleichtern und eine

einfachere Anpassung des PAS an firmenspezifische Gegebenheiten

zu unterstützen, sind die jeweiligen Regeln in

anwendungsspezifischen Modulen beispielsweise für Auftrags-

oder Materialmanagement angeordnet (siehe Bild 7).

Aufgrund der frühzeitigen Identifikation von Störungen

sind die betroffenen Produktionsaufträge vom MES noch

nicht freigegeben und es ist trotz einzuhaltender Maschinenrüstzeiten

gegebenenfalls Schlupf für Umplanungen

vorhanden. Die anschließende Bestimmung der Gegenmaßnahmen

im PAS wird durch eine Analyse der Performanz

der Produktionsanlage unterstützt (Registerkarte

Überwachung in Bild 6).

Die Effektivität des PAS wurde anhand von Simulationen

für verschiedene Szenarien untersucht. Es wurden

Verbesserungspotenziale durch ein PAS für die lokale

Produktion [18] und für die gesamte Lieferkette [19]

ermittelt.

ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK

Im Beitrag wurde beschrieben, wie sich ein Produktionsassistenzsystem

realisieren lässt, um Produktionspro-

BILD 5: Prototypischer Aufbau in der SmartAutomation-Anlage Nürnberg

42

atp edition

11 / 2012

zesse gegen Zulieferstörungen abzusichern. Die Verwendung

von Echtzeit-Objektverfolgungsdaten auf MES-Ebene

ermöglicht die Durchführung kurzfristiger Gegenmaßnahmen

in der Produktion und somit eine effektive

Behandlung von logistischen Störungen ohne auf eine

teure Notfalllogistik zurückgreifen zu müssen. Das Produktionsassistenzsystem

wurde auf Basis des MES

Simatic IT prototypisch umgesetzt und unter Verwendung

der SmartAutomation-Forschungsanlage in Nürnberg

evaluiert. Dazu wurde diese mit drei zusätzlichen

RFID-Erfassungsklassen sowie einem InfoBroker erweitert.

Erste Ergebnisse zeigen, dass das eingesetzte PAS

erfolgreich zur Absicherung einer Produktion gegen

Lieferverspätungen und falsche Anliefersequenzen eingesetzt

werden kann.

Die zukünftigen Arbeiten zielen darauf ab, die Assistenzfunktionalität

des PAS zu erweitern. So sollen zum

Beispiel neben Verspätungen und Sequenzverletzungen

weitere Störungsarten adressiert werden. Zudem sollen

Prognoseunsicherheiten durch einen wahrscheinlichkeitsbasierten

Ansatz sowie komplexere Zuliefernetzwerke

mit einer Vielzahl paralleler JIS-Anlieferungen

berücksichtig werden.

MANUSKRIPTEINGANG

30.04.2012


BILD 6: Benutzeroberfläche des prototypischen Assistenzsystems

BILD 7: Modularer Aufbau

der PAS Regelbasis

atp edition

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43

HAUPTBEITRAG

REFERENZEN

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September 2007

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[13] Luckham, D.: The Power of Events: An

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Event-based reactive production

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execution systems.

In: Proceedings IFAC World Congress

2011, S. 2722 – 2730. IFAC, 2011

[19] Reinhart, G., Genc, E., Hauptvogel, A.,

Heinecke, G., Lamparter, S., Ostgathe, M.:

Absicherung von Produktions- und

Logistikprozessen in komplexen automobilen

Wertschöpfungsnethwerken.

zwf – Zeitschrift für wirtschaftlichen

Fabrikbetrieb 12/2011, S. 963 – 968, 2011

AUTOREN

Dr.-Ing. RAFFAELLO LEPRATTI (geb.

1976) ist Leiter Account Management

Automotive für die Überseeländer und

Projektleiter RAN bei der Siemens AG,

Sektor Industry.

Siemens AG, Industry Automation,

Gleiwitzer Straße 555, D-90475 Nürnberg,

Tel. +49 (0) 911 8 95 38 89,

E-Mail: raffaello.lepratti@siemens.com

Dr. STEFFEN LAMPARTER (geb. 1977)

ist Research Scientist und Projektleiter

bei der Siemens AG im Technologiefeld

Business Analytics & Monitoring

der zentralen Forschungsabteilung

Corporate Technology.

Siemens AG, Corporate Technology,

Otto-Hahn-Ring 6, D-81739 München,

Tel. +49 (0) 89 63 64 03 83,

E-Mail: steffen.lamparter@siemens.com

Dipl.-Wirtsch.-Ing. GEORG HEINECKE,

M.Sc. (geb. 1984) ist Doktorand bei der

Corporate Technology der Siemens AG

und dem Institut für Werkzeugmaschinen

und Fertigung der ETH Zürich.

Sein Forschungsinteresse gilt dem

Supply Chain Event Management

Konzept im Rahmen von Produktionsassistenzsystemen.

Siemens AG, Corporate Technology,

Otto-Hahn-Ring 6, D-81739 München,

Tel. +49 (0) 911 8 95 22 75,

E-Mail: georg.heinecke.ext@siemens.com

Dipl.-Ing. (FH) JOACHIM SCHARNAGL

(geb. 1970) ist Entwicklungsingenieur

und Projektleiter in der Vorfeldentwicklung

des Sektors Industry der

Siemens AG. Hauptthemengebiete sind

hochverfügbare (Leit-)Systeme und

Intrinsic Identity (unter anderem RFID).



Tel. +49 (0) 911 8 95 48 70,

E-Mail: joachim.scharnagl@siemens.com

Dipl.-Ing. Elektrotechnik (TH) RALF

HANSEN, (geb. 1955) Projektleiter für

Manufacturing Execution Systeme

(MES) der Siemens AG im Industriebereich.

Sein Forschungsinteresse liegt

in der Betrachtung der Wechselwirkung

der Lieferkette für die Optimierung

der Produktionssteuerung im

Shopfloor-Bereich.



Tel. +49 (0) 911 8 95 35 04,

E-Mail: ralf.hansen@siemens.com

44

atp edition

11 / 2012

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HAUPTBEITRAG

Effizientes Testen heterogener

Leitsystemkonfigurationen

Integration gewerkeübergreifender Hardware-Emulatoren

Die Simulation als Mittel zum Testen der Leitsystem-Konfiguration hat sich über die

letzten Jahre etabliert. Aufgrund des hohen manuellen Aufwands fokussieren simulationsbasierte

Testmethoden meist auf den funktionalen Bereich, wobei ausschließlich die

Steuerungslogik, nicht aber die Konfiguration der Subsysteme getestet wird. Der Beitrag

stellt eine Methode vor, mit der die Vorteile simulationsbasierter Tests um die Möglichkeiten

aktueller Hardware-Emulatoren erweitert werden. Hierzu wird ein Framework

präsentiert, welches die für einen Subsystemtest notwendigen Emulatoren integriert und

automatisch konfiguriert.

SCHLAGWÖRTER Emulation / Subsystemtest / Virtuelles Framework

Virtual Emulator Framework –

Domain independent Integration of Emulators

During the past several years, simulation has been established for testing process control

system configuration. Because of the high manual effort for the development of simulation

models, those usually focus on the functional area, whereas only the correctness of the

central control logic, but not the configuration of the subsystems is tested. This contribution

presents a method that extends the advantages of simulation by the possibility to use

modern hardware emulation, as well. Thus, a framework is presented that integrates and

automatically configures control system- and subsystem emulators in order to be able to

perform comprehensive tests of automation systems.

KEYWORDS Emulation / subsystem test / virtual framework

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atp edition

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MARIO HOERNICKE, JÜRGEN GREIFENEDER, MIKE BARTH, ABB Forschungszentrum

Die Phase des Testens gewinnt im Engineering

von Automatisierungssystemen (AT-System)

für Anlagen der Prozessindustrie zunehmend

an Bedeutung. Je komplexer die Anlagen werden,

desto umfangreichere Tests sind nötig, um

die korrekte Funktion des AT-Systems im Sinne der Kundenspezifikation

zu über prüfen. Angelehnt an die Testprozeduren

von Software-Applikationen beinhaltet das

Engineering eines Prozessleitsystems (PLS) mehrere

Prüfschritte. Je nach Implementierungsfortschritt werden

Verriegelungen, Schrittketten, Grenzwerte (für

Schaltungen, Alarme und Meldungen), sowie Wirkrichtungen

von Reglern daraufhin überprüft, ob sie den Spezifikationen

entsprechen. Die Ingenieure stehen vor der

Herausforderung, dass die für den Factory Acceptance

Test (FAT) zur Verfügung stehende Zeit immer kürzer

wird [1], wohingegen die Anzahl und Komplexität der

durchzuführenden Tests aufgrund des zunehmenden

Funktionsumfangs der Prozessanlage und damit auch

des AT-Systems stetig zunehmen. Des Weiteren erhöht

die geografische Ver teilung der am Engineering beteiligten

Ingenieure die Signifikanz des FAT als finale Integration

und Qualitätssicherung des AT-Systems.

Der FAT wird jedoch durch das Fehlen von realen AT-

Komponenten (zum Beispiel Feldbuskomponenten) im

Prüffeld erschwert. Insbesondere Peripherie-Komponenten

werden aus logistischen Gründen oftmals direkt zur

Anlage versandt. Das Prüffeld besteht daher in der Regel

aus Beispiel-Hardware-Komponenten, welche nur den

Test von Teilsystemen erlauben [2]. Um das AT-System

während des FAT dennoch so weit als möglich testen zu

können, werden zunehmend Methoden der virtuellen

Inbetriebnahme [3] eingesetzt. Dazu wird der zu automatisierende

Prozess mittels geeigneter Werkzeuge

simuliert. Die Steuerungsprogramme laufen dabei

entweder auf der realen Hardware oder auf emulierten

Steuerungen (Soft-SPS). Mit einer Soft-SPS lässt sich die

Steuerungslogik auch ohne das Vorhandensein realer

Hardware testen [4].

Um bei simulationsbasierten Tests nicht ausschließlich

auf den funktionalen Bereich zu fokussieren, werden

Emulatoren für die projektierten Subsysteme sowie

deren Peripherie eingesetzt. Oft ist es die Peripherie des

AT-Systems, welche den größten Aufwand im Rahmen

der Testphasen – insbesondere während des FAT –

erzeugt. Wie in Bild 1 dargestellt, existieren Emulatoren

für einfachere E/A-Applikationen (E/A-Emulator) bis

hin zu komplexen Emulatoren für Feldbussysteme. Beispiele

sind Emulatoren für elektrische Verteilsysteme [5]

auf Basis des IEC 61850-Standards [6] beziehungsweise

Emulatoren für eine auf Foundation Fieldbus (FF)

basierende dezentrale Steuerungslogik [7].

Da die Steuerungslogik zunehmend auf intelligente

Feldgeräte verteilt wird [8], bedeutet der Einsatz von

Hardware-Emulatoren für den Test des AT-Systems einen

wichtigen Schritt in Richtung einer höheren Testabdeckung.

In Anlehnung an [9] unterscheiden die Autoren

dabei zwischen dem Einsatz von Emulation und Simulation.

Emulation beschreibt die Abarbeitung einer Software

auf einem Fremdsystem. Dabei muss sichergestellt

sein, dass das Verhalten nach außen dem des Originalsystems

entspricht. Auf ein AT-System übertragen

bedeutet dies, dass ein Steuerungsprogramm beispielsweise

nicht auf der realen SPS abgearbeitet wird, sondern

auf einer Soft-SPS, welche die reale SPS emuliert. Diese

Form wird dahingehend auch als Hardware-Emulation

bezeichnet.

Simulation beschreibt hingegen nach [10] „ein Verfahren

zur Nachbildung eines Systems mit seinen dynamischen

Prozessen in einem experimentellen Modell …“.

Wiederum auf den Bereich der Automatisierungstechnik

übertragen, wird Simulation überwiegend für die Nachbildung

der zu steuernden/regelnden Anlage eingesetzt.

Wie in Bild 1 dargestellt, berücksichtigt der in diesem

Beitrag vorgestellte Ansatz nicht ausschließlich Soft-

SPS-Emulatoren sondern darüber hinaus den Einsatz

von komplexeren Hardware-Emulatoren für unterschiedliche

Bussysteme. Die darüber hinausgehende Notwendigkeit

der Prozesssimulation wird in [11] und [12]

beschrieben.

Trotz der erhöhten Testabdeckung werden HW-Emulatoren

bislang nur in begrenztem Umfang verwendet.

atp edition

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47

HAUPTBEITRAG

Koppler-

Emulation

Steuerungs Netzwerk

BILD 1: Virtuelle Hardware-in-the-Loop-Testumgebung

In Erweiterung der zuvor getroffenen Definitionen umfasst

die Emulationstechnologie nach [9] die Nachbildung

des Verhaltens eines Geräts mittels eines anderen

Geräts oder einer Software. Dieser Ansatz wird in unterschiedlichen

Gewerken verwendet, um Systemtests (zum

Beispiel Funktions- und Integrations tests) durchführen

zu können, bevor die realen Hardwarekomponenten zur

Verfügung stehen. Zusätzlich werden Emulatoren für

Feldbus-Systeme eingesetzt, um die Logik [7] sowie das

zeitliche Verhalten des Busses [14] realitätsnah zu testen.

Die wachsende Vielfalt an Emulatoren erschwert

jedoch deren effizienten Einsatz, da jeder Emulator individuell

konfiguriert, parametriert und initialisiert

werden muss. Bei großen Systemen mit verschiedenen

Subsystemen und komplexer Peripherie müssen die

Emulatoren exakt aufeinander ab ge stimmt sein. Oftmals

entsteht durch die Konfiguration und Verknüpfung der

Emulatoren ein Netzwerk, welches dem Komplexitätsniveau

des realen AT-Systems nahekommt und in

einem deutlichen Mehr aufwand, im Vergleich zum

Teilsystemtest, für den FAT resultiert.

Dabei ist der für die Ausführung der Emulation notwendige

Aufwand zur Konfiguration der IT-Infra struktur

noch nicht berücksichtigt: Die meisten Emulatoren benötigen

eine separate Ether net-Schnitt stelle mit einer auf

den Emulator abgestimmten IP-Adresse. Einige Emulato

ren sind zudem nicht multiinstanzfähig, weshalb mehrere

Instanzen des gleichen Typs auf verschiedenen

Rechnern verteilt emuliert werden müssen. Der hierfür

notwendige manuelle Aufwand ist beträchtlich.

BILD 2: Funktionsweise eines Emulators

z.B.:

• SoftSPS

• FF-Emulation

• E/A-Emulation

Begründet wird dies durch den hohen manuellen Aufwand

zur Parametrierung und Konfiguration der Emulatoren.

Des Weiteren wird ein beträchtlicher Aufwand

für Bereitstellung, Administration und Konfiguration

der benötigten IT-Infrastruktur notwendig. Um eine einheitliche

und automatisierte Konfiguration – bestehend

aus Emulatoren und umgebender IT-Infrastruktur – zu ermöglichen,

wird das Konzept eines virtuellen Emulator

Frameworks (VEF) vorgestellt.

1. EMULATOREN IN DER AUTOMATISIERUNGSTECHNIK

1.1 Konfiguration am Beispiel von FF

Die Funktionsweise von Emulatoren für AT-Komponenten

basiert auf immer gleichen Prinzipien. Zunächst

muss der Emulator die Konfi guration der zu emulierenden

realen Komponente kennen. Dazu wird eine

Konfi guration benötigt, welche auf eine der beiden nachfolgend

beschriebenen Möglichkeiten aufgesetzt werden

kann.

1 | Die Konfiguration eines einzelnen Geräts, zum Beispiel

einer SPS, kann mittels eines Downloads der

Applikation auf die Soft-SPS durchgeführt werden.

Diese Variante wird dann eingesetzt, wenn ein

separates Gerät durch eine Instanz des Emula tors

emuliert wird. Die Konfiguration basiert dabei auf

den gleichen Kommunikationsprotokollen wie beim

realen System.

2 | Eine Datei wird auf Basis von Daten des Engineering-Werkzeuges

erzeugt und zur Konfiguration

des Emulators verwendet. Diese Möglichkeit wird

zur Konfiguration von Subsys temen verwendet,

deren Topologie dem Emulator vor der Konfiguration

nicht bekannt ist.

Ein Beispiel für einen Emulator mit dateibasierter

Konfiguration ist der FF-Emulator nach [7]. Da eine

FF-Lösung üblicher weise aus mehreren voneinander

ge trennten Subnetzen besteht, muss zunächst der Emulationsrahmen

festgelegt werden. Der hierfür referenzierte

Emulator ist in der Lage, in einer Instanz ein

Subnetz zu emulieren. Dies bedeutet, dass der Nutzer

zunächst das zu emulierende Subnetz auswählen muss.

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atp edition

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Als nächstes wird die Konfiguration des ausgewählten

Subnetzes benötigt. Hierfür wird eine Schnittstelle verwendet,

wel che auf die Daten des Engi neering -Werkzeugs

zugreift und diese in ein dateibasiertes Zwischenformat

expor tiert, welches sich problemlos auf andere Rechner

übertragen lässt.

Da FF ein ethernetbasierter Feldbus ist, muss für jedes

zu emulie rende Subnetz eine Ethernet-Schnitt stelle am

Emulations-PC verfügbar sein oder gegebenenfalls nachgerüstet

werden. Damit eine Verbindung zum umgebenden

Leitsystem hergestellt werden kann, muss diese Ethernet-

Schnittstelle konfi gu riert werden (IP-Adresse, Subnetz-

Maske und eventuell Gateway). Nun kann der Emulator

gestartet und die zuvor erzeugte Konfigurationsdatei geladen

werden. Die Konfiguration von weiteren Emulatoren

wird analog zu der beschriebenen Vorge hensweise durchgeführt.

Für die Emulation des gesam ten AT-Systems müs sen

die Emulator-Instanzen auf ent sprechend unterschiedliche

Rechner verteilt, die benö tigte Hardware ge -

gebenen falls nach ge rüstet sowie die Hardware und der

Emulator selbst konfiguriert werden. Das in diesem

Beitrag vorgestellte VEF verfolgt die Automa ti sie rung

des beschriebenen Vorgehens.

1.2 Orchestrierung

Nachdem die Emulation initialisiert wurde, liest der

Emulator, wie in Bild 2 gezeigt, die an sein Sub system

gesendeten Eingangswerte ein, führt die Logik der zu

emulierenden Komponente aus und schreibt die berechneten

Ausgangswerte zurück an die übergeordnete AT-

Komponente. Zur Kom muni ka tion der Ein- und Ausgangswerte

werden die spezifischen Protokolle (zum

Beispiel Profibus) der zu emulierenden Komponente

verwendet.

Einige Emulatoren stellen zusätzliche Steuerungsfunktionen

zur Verfü gung. Neben den Basisfunktionen

Start und Stopp, kann der Nutzer aktuelle Zustände

einfrieren, spei chern und diese zu einem späteren

Zeitpunkt wieder her stellen. In diesem Zusammenhang

umfasst ein weiteres Ziel des VEF die Vereinheitlichung

der notwendigen (Fern-) Orchestrierung der Emulatoren

durch ein einheitliches Bedienkonzept. Da die Struktur

verschiedener Emula toren auf ähnlichen Prinzipien

beruht, liegt es nahe, ein Konzept zur Abstrak tion

der beschriebenen Funktionalität zu entwerfen. Diese

Abstraktion kann als Schnittstelle dienen und die

Konfiguration und die zeitgleiche Steuerung mehrerer

Emulator-Instanzen ermöglichen.

1.3 Anforderungen an das VEF

Das VEF soll die Administration der Rechnerinfrastruktur

sowie den Entwurf der Emulation vereinfachen und

automatisieren. Basie rend auf dem zu er zielenden Nutzen,

lassen sich vier grund legende Anforderungen an das

VEF bezüglich dessen Nutzung und Admini s tration

formulieren.

1 | Automatische Konfiguration der Emulatoren

Jeder Emulator benötigt die Konfiguration der zu

emulierenden Komponente. Das VEF muss in der

Lage sein, diese Konfi gu ration – mithilfe des integrierten

Emulators – auto ma tisch zu erzeugen und

dem Emu lator bekannt zu geben.

2 | Automatische Konfiguration der IT-Infrastruktur

Die IT-Infrastruktur muss auf die auszuführenden

Emulatoren abgestimmt und entsprechend skalierbar

sein, damit die benötigten Ressourcen automatisch

bereitgestellt und die notwendige Konfiguration

automatisiert durchgeführt werden kann.

3 | Einheitliches Bedienkonzept

Die Bedienoberfläche soll unabhängig von den

inte grier ten Emu la toren sein. Ein einheitliches

Bedienkonzept muss angestrebt werden.

4 | Keine Änderungen der Onlinekommunikation der

Emulatoren

Für die Gültigkeit des FAT ist es von entscheidender

Bedeutung, dass die Kommunikations proto kolle

der Emulatoren nicht beeinflusst oder verändert

werden, da diese spezifisch auf die verwendeten

Engineering-Werkzeuge und das zu emulierende

System abge stimmt sind. Eine Vereinheitlichung

der Kommunikation zur Laufzeit ist unzuläs sig.

2. GENERIERUNG EINER EMULATION

Wie in Abschnitt 1 erläutert, besteht die Grundidee des

VEF darin, unterschiedliche Emula to ren in einer virtuellen

Umgebung zu integrieren. Als Basis werden

bestehende Virtualisierungstechnologien eingesetzt, da

diese eine frei konfigurierbare Zusammen stellung des

virtualisierten Hardware-Systems (wie Ethernet-Karte,

Speicher) erlauben. Auf sich ändernde Hardware-

Anforderungen kann flexibel reagiert werden, ohne

neue reale Komponenten integrieren zu müssen. Die

Umgebung ist flexibel skalierbar und weitgehend unabhängig

von den Emulationsrechnern.

2.1 Parametrierung des VEF

Das VEF-Konzept sieht die automatische Generierung

von virtuellen Maschinen (VM) und darin die automatische

Instanziierung von Emulatoren vor. Die VM

können im Anschluss an deren Generierung auf unterschiedliche

real vorhan de ne PCs verteilt und ausgeführt

werden. Ein im Rahmen des VEF ent wickeltes Werkzeug

übernimmt die Verteilung und die Steuerung der VM

beziehungsweise der Emulator-Instanzen. Damit eine

automatische Generierung der Emulation erfolgen kann,

wird einmalig, wie in Bild 3 dargestellt, ein Muster einer

VM aufgesetzt, auf welchem die unter schied lichen

Emulatoren installiert sind. Die Installation ist dabei

genauso auszuführen wie auf einem realen PC.

Das vorbereitete Muster bietet den Vorteil, dass es beliebig

vervielfältigt werden kann. Dadurch lässt sich die

virtuelle Hardware automatisch verändern und auf die

Bedürf nisse der jeweiligen Emulator-Instanz anpassen.

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HAUPTBEITRAG

E/A

Emulator

Export der

Topologie

Auswahl der zu

emulierenden Objekte und

Export der Konfiguration

BILD 3: Template einer VM mit Emulatoren

BILD 4: Export der AT-Topologie und Auswahl der zu

emulie ren den Objekte

BILD 5: Software-Struktur des VEF

BILD 6: Topologie des AT-Systems

Eine Anpassung der externen Schnittstellen des realen

PCs ist üblicherweise nicht nötig. Zusätzlich zur Installation

auf dem Muster muss der Emulator die nachfolgend

beschriebenen, von der spezifischen Konfiguration des

Emulators unabhängigen Konfi gu ra tions parameter bereitstellen.

1 | Anzahl der Ethernet-Schnittstellen: Nahezu jeder

Emulator benötigt mindestens eine Ethernet-

Schnittstelle. Mehrere Schnittstellen werden dann

benötigt, wenn der Emulator mit einem Client-

Server-Netz werk des Leitsystems und einem FF-

Netz werk verbunden ist.

2 | Da Emulatoren instanziiert werden, welche lediglich

in einer begrenzten Anzahl auf einem Rechner

ausführbar sind, ist die Angabe dieser Begren zung

notwendig.

3 | Einige Emulatoren können mehrere Instanzen eines

Subsystems ausführen. Diese Anzahl muss dem

VEF bekannt sein.

4 | Hinzu kommt ein Parameter für den benötigten

Arbeitsspeicher. Wie bei jeder MS-Windows-Applikation

ist es für den Emulator wichtig, zu wissen,

wie viel Arbeitsspeicher pro Instanz benötigt wird.

5 | Zur Identifikation eines emulierbaren Subsystems

wird der zugehörige Objekttyp (zum Beispiel HSE-

Subnetz für FF) benötigt. Auf Basis des Typs können

die emulierbaren Systeme bestimmt werden.

Insbesondere bei der Emulation von Feldbussen werden

die Anzahl der benötigten IP-Adressen pro Instanz sowie

deren Adresswerte benötigt, da diese automatisch konfiguriert

werden sollen. Letztere variieren mit der zu

emulierenden Instanz und müssen dement sprech end aus

den Konfigurationsdaten des Subsystems bezogen werden.

Die Werte der erläuterten Konfigurationsparameter sind

für jeden Emulator unterschiedlich und müssen daher

bei der Integration des Emulators einmalig (mit Ausnahme

der IP-Adresse) konfiguriert und bekannt gegeben

werden.

50

atp edition

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2.2 Algorithmus zur Generierung der Emulation

Um die benötigten VM zu generieren und die Emulatoren

darin zu instanzi ieren wurde ein mehrstufiger Algorithmus

entwickelt. Jede Stufe benötigt dabei Informationen

des jeweils vorangehenden Schrittes. So können die VM

beispielsweise erst dann erzeugt werden, wenn deren

benötigte Anzahl berechnet wurde.

Zunächst muss die Topologie des AT-Systems aus dem

Engineering-System des Leitsystems expor tiert werden.

Die im Leitsystem modellierte Topologie enthält die AT-

Komponen ten, zum Beispiel die verwendeten Steuerungen.

Da die emulierbaren Objekte aufgrund des Objekttyps der

Emulatoren identifiziert werden, kann diese Information

dem VEF bereits hier bekannt gegeben werden.

Während des FAT werden in der Regel Teilsysteme

emuliert und getestet. Die Auswahl, welcher Teil getestet

werden soll, kann der Nutzer mit dem in Bild 4 dargestellten

Auswahldialog treffen. Dieser Auswahl entsprechend

werden die Konfigurationsdateien für alle

ausgewählten Objekte automatisch erzeugt. Die Dateien

werden später benötigt, um die Emulator-Instanzen automatisch

zu konfigu rieren.

Auf Basis der ausgewählten Objekte lässt sich die Anzahl

der benötigten VM unter Berücksichtigung folgender

Regeln errechnen:

Die maximale Anzahl ausführbarer Instanzen eines

Emulators pro PC darf für keine der VM überschritten

werden.

Die VM haben abhängig von der verwendeten

Virtualisierungsumge bung nur eine eingeschränkte

Anzahl Ethernet-Schnittstellen zur Verfügung, die

nicht überschritten werden darf.

Die Anzahl gleichzeitig emulierbarer Objekte pro

Instanz eines Emulators darf für keine Instanz überschritten

werden.

Der maximal verfügbare reale Arbeitsspeicher darf für

keinen Emulationsrechner über schritten werden. Dies

bedeutet, dass die Summe des für die VM eines PCs

allokierten Speichers kleiner sein muss als der reale

Speicher des PCs.

Da mit jeder zusätzlichen VM der Overhead für das

Betriebs system und die Virtualisie rungs software steigt

und für jede Betriebssystem-Instanz separate Lizenzen

benötigt werden, wird empfohlen, stets die minimal notwendige

Anzahl zu verwen den.

Nachdem die benötigte Anzahl an VM festgelegt und auf

Basis des Musters erstellt wurde, muss die virtuelle Hardware

entsprechend der Emulatoren, die in den VM ausgeführt

werden sollen, konfiguriert werden. Die spezifischen

VM enthalten anschließend die benötigte Hardware-Konfiguration

sowie die emulatorspezifischen IP-Adressen.

Hierdurch verhalten sie sich nach ihrem Start wie ein

Emulations-Rechner, welcher auf die Emulatoren abgestimmt

wurde. Im Anschluss an die Generie rung der VM

werden diese auf die Emulations-Rechner verteilt und dort

gestartet. Die Konfiguration der Hardware ist damit beendet,

worauf aufbauend die Da teien für die Konfiguration

der generierten Emulator-Instanzen geladen werden.

2.3 Technische Umsetzung

Der beschriebene Algorithmus wird anhand einer

Implementierung für das PLS-Engineering-Werkzeug

System800xA erläutert. Als Emulatoren werden eine

AC800M Soft-SPS sowie ein ABB SoftFF (FF-Emulator)

in das VEF integriert.

Da System800xA eine verteilte Architektur aufweist

und eine Realisierung des VEF mit Fokus auf komplexe

ressourcenintensive Emulationen das Ziel ist, wird für

das VEF ebenfalls eine verteilte Architektur gewählt. Als

Basis für die Kommunikationsschnittstelle wird TCP/IP

(beziehungsweise Ethernet) verwendet und auf der Windows

Communication Foundation (WCF) [15] aufgebaut.

Grundsätzlich müssen für die Realisierung des VEF

verschiedene PCs (im Folgenden als Knoten bezeichnet)

betrachtet werden. Die Knoten stellen Funktionalitäten

für die Konfigu ration und Ausführung der VM und der

Emulatoren bereit.

In System800xA werden dedizierte Engineering-

Knoten verwendet, um das Engineering von der Laufzeit

des PLS zu entkoppeln. Diese Knoten stellen die Informationen

über die Topologie des AT-Systems bereit. Alle

Informationen über die Engineering-Daten eines jeden

Knotens werden zentral in einer Datenbank zur Verfügung

gestellt. Es wird dementsprechend eine Software

benötigt, welche Zugriff auf diese Datenbasis hat und

mittels WCF mit dem Rest des VEF kommunizieren

kann. In Bild 5 wird diese Software mit Engineering-

System-Zugriff beschrieben.

Da aufwendige Emulationen üblicherweise hohe

Anforderungen an die Hardware stellen, werden für

diese ebenfalls dedizierte und separate Knoten eingesetzt.

Diese werden in der technischen Umsetzung

nicht in Form von Standard-PCs realisiert, sondern als

private VMware ESXi Cloud [16]. Die Administration

und Steuerung der virtuellen Maschinen innerhalb der

privaten Cloud wird mit VMware vSphere erreicht [16].

vSphere bietet mit der VIX API (VIX Application Programming

Interface, www.vmware.com) und vSphere

CLI (vSphere Command Line Interface) Schnittstellen

für die Administration und Steuerung der VM. Diese

sind jedoch nur lokal zugreifbar und müssen deshalb

durch eine Software auf diesem Knoten netzwerkfähig

gemacht werden. In Bild 5 wird diese als Steuerung der

virtuellen Maschinen beschrieben.

Innerhalb der VM sollen die Emulator-Instanzen erzeugt,

konfiguriert und gestartet werden, weshalb die in

Bild 5 als Emulator-Manager bezeichnete Software notwendig

ist. Zudem wird eine in Bild 5 als „Nutzer Front-

End und Orchestrierung“ bezeichnete Nutzerschnitt stelle

benötigt, welche sich auf einem beliebigen, sich innerhalb

des PLS-Netzwerks befindlichen Knoten befinden kann

und die einzige Stelle darstellt, an der ein manueller Zugriff

auf die Konfiguration der Emulation erfolgen muss.

Die beschriebene Architektur besteht aus drei Servern mit

unterschiedlicher Funktionalität und einem Client, der

die Server mittels WCF steuert. Der Steuerfluss ist immer

in Richtung der Server, siehe Bild 5.

Zusätzlich zum Steuerfluss wird ein Datenfluss zwischen

dem Engineering-Knoten und den VM be nötigt.

atp edition

11 / 2012

51

HAUPTBEITRAG

Die auf dem Engineering-Knoten erzeugten Konfigurationsdateien

werden in den VM benötigt um die Emulatoren

gemäß des in Abschnitt 2.1 beschriebenen Algorithmus

zu konfigurieren. Um für einen späteren Einsatz des VEF

in realen Anwendungen einen sicheren Datentransfer

zwischen Engineering-PC und VM zu gewährleisten, wird

empfohlen, den Datenaustausch über sichere Protokolle,

wie zum Beispiel SSH (Secure Shell), durchzuführen.

2.4 Anwendungsbeispiel

Für die Ausführung des Algorithmus wird ein Beispiel

verwendet, welches zwei verschiedene Emulatoren (Soft-

FF [8] und Steuerungs-Emulation) benötigt. In Bild 6 sind

die für dieses Beispiel verwendeten realen AT-Komponenten

hervorgehoben und die für diese Anwendung

benötigten Emulatoren dargestellt. Das AT-System besteht

aus einer AC800M-Steuerung sowie einem FF-Subnetz.

Zur Kommunikation wird ein FF-Koppler verwendet.

Die hierfür im FAT vorgesehenen Testfälle sind beispielsweise:

Test der Reglerparameter

Test der Signalankopplungen

Test des Alarm- und Event-Verhaltens

Test der Ein- und Ausgangsfilter von FF

Test der Verriegelungen

Test der Grenzwerte

Für die Generierung der Emulation wird zunächst die

Topologie des AT-Systems aus dem PLS-Engineering-

Werkzeug exportiert. Hierfür greift das Konfigurationswerkzeug

auf den Engineering-System-Knoten zu und

benutzt dessen Server-Software, um einen Export zu

initialisieren. Das Konfigurationswerkzeug stellt die

erhaltene Struktur dar (siehe Bild 7).

Wie in Bild 7 dargestellt, wurden die Objekte „Controller_1“

(AC800M) und „21_FFCIUseCase“ (FF-Subnetz)

bereits ausgewählt und basierend auf der Typinformation

automatisch den Emulator-Typen zugeordnet.

Da für die technische Realisierung des Algorithmus

eine EXSi Cloud als Laufzeitumgebung für die VM verwendet

wurde, muss der Nutzer den Zugriff auf diese

mittels Eingabe der URL einmalig konfigurieren. Anschließend

wird die für das Anwendungsbeispiel benötigte

VM aus dem Muster generiert, in die ESXi Cloud

verschoben und dort konfiguriert.

Für das Beispiel werden zwei Ethernet-Schnittstellen,

64 MB Arbeitsspeicher für den Soft Controller und 96 MB

Arbeitsspeicher für SoftFF benötigt. Die Schnittstellen und

der Arbeitsspeicher werden mithilfe der VIX API automatisch

hinzugefügt. Der Nutzer kann nun das Konfigurationswerkzeug

anwenden, um die Emulation zu starten.

Im Vergleich zur herkömmlichen Vorbereitung und

Konfiguration einer Emulation werden lediglich zwei

Nutzerinteraktionen benötigt: 1) die Auswahl der zu

emulierenden Komponenten und 2) die Konfiguration

des Zugriffs auf die ESXi Cloud. Hinzu kommt, dass

beide Instanzen – obwohl diese von unterschiedlichen

Emulator-Typen gebildet wurden – auf die gleiche Art

und Weise konfiguriert werden, wodurch keine weiteren

Software-Werkzeuge verwendet werden müssen. Auch

die virtuelle Hardware wird, basierend auf den Parametern

der Emulatoren, automatisch angepasst.

2.5 Ressourcenbedarf und Anwendbarkeit des VEF

Im beschriebenen Beispiel wird lediglich eine VM benötigt.

Jedoch erlaubt es bereits diese Konfiguration, Aussagen zu

den benötigten realen sowie virtuellen IT-Ressourcen zu

treffen. Um diese Angaben auf eine fundierte Basis zu

stellen, wurden Benchmarks durchgeführt, mithilfe derer

der Ressourcenbedarf während der Laufzeit für unterschiedliche

Konfigurationen ermittelt werden kann.

Eine Konfiguration mit einer VM besteht nicht nur aus

der VM, sondern aus der generierten VM und dem Muster.

Das Muster wird für die Generierung nicht einfach kopiert;

es werden Referenzen auf dieses gebildet, sodass die

generierte VM ausschließlich den ergänzenden Speicherbedarf

für die Konfigurationsdaten benötigt. Das Referenzieren

auf das Muster stellt kein Problem für die Emulation

dar, da diese im Arbeitsspeicher ausgeführt wird und

während der Laufzeit keine Festplattenzugriffe benötigt.

Bild 8 zeigt den Ressourcenbedarf für die generierte

VM. Das Muster ist mit 8 GB erwartungsgemäß groß. Die

generierte VM ist im Ursprungszustand jedoch nur

59 MB groß. Erst nachdem weitere Zustände der VM

eingefroren wurden, wächst der Speicherbedarf auf

etwa 500 MB an.

Außerdem verdeutlicht Bild 8, dass für die Emulation

416 MB Arbeitsspeicher benötigt werden. Dies errechnet

sich aus dem benötigten Speicher für die Emulator-

Instanzen und den 256 MB für das Betriebssystem. Als

virtuelle Schnittstellen werden zwei virtuelle Ethernet-

Karten gebraucht, je eine für die Soft-SPS und für SoftFF.

Um die Rechenzeit zu ermitteln, wurde eine Testkonfiguration

gemäß dem PassMark Performance Test 7.0

(www.passmark.com) auf einem Standard PC vorbereitet.

Als Virtualisierungssoftware wurde VMware Workstation

eingesetzt. Die Ergebnisse des Performance-

Tests weisen lediglich einen kritischen Zustand auf: das

Starten einer VM.

Die vielen Zugriffe auf die Festplatte, die während des

Startens nötig sind, führen dazu, dass die Zugriffsgeschwindigkeit

auf die Festplatte innerhalb der VM um

etwa 30 % einbricht. Auch die Zugriffsgeschwindigkeit

auf den Arbeitsspeicher wird um zirka 20 % langsamer.

Es gilt daher, darauf zu achten, dass alle Startvorgänge

von parallel laufenden VM vollständig abgeschlossen

sind, bevor die Emulation gestartet wird.

3. DISKUSSION DES ANSATZES

3.1 Grenzen

Das VEF macht sich die Skalierbarkeit einer virtuellen

IT-Infrastruktur zunutze. Hierdurch ergeben sich jedoch

einige Ausschluss kri terien:

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BILD 7: Screenshot: Auswahl der zu emulierenden Objekte

BILD 8: Benötigte Ressourcen für das Beispiel

Das VEF ist ungeeignet für hardwarebasierte

Emulatoren.

Emulatoren, die als Basis eine Hardware-Plattform

benutzen, können nicht in das VEF integriert werden.

Der Emulator muss auf einer Virtuellen Maschine

lauffähig sein.

Generell müssen alle Emulatoren – auch softwarebasierte

– die nicht in einer VM betrieben werden können,

von einer Verwendung im VEF ausgeschlossen werden.

Ethernet als Kommunikationsbasis

Der Emulator sollte zur Laufzeit eine Ethernet-

Kommunikation auf weisen. Emulatoren, die zum

Beispiel über Profibus kommunizieren, benötigen

spezielle Hardware, die nicht von der Virtualisierungsumgebung

unterstützt wird.

Aktuelle Feldbusse basieren zunehmend auf Ethernet,

weshalb davon auszugehen ist, dass Ethernet in Zukunft

eine wichtige Rolle spielen wird [17] und hauptsächlich

ältere Emulatoren betroffen sind. Emulatoren auf Basis

von Hardware sind zwar nicht integrierbar, diese lassen

sich jedoch über die konventionellen Kommunikationswege

(beispielsweise Profibus PCI-Karte) im Verbund mit

dem VEF verwenden.

3.2 Forschungsbedarf

Der Beitrag behandelt vor allem die Konfiguration der

VM und der Emulatoren, die darin ausgeführt werden.

Aus wissenschaftlicher Sicht bleiben bezüglich der

Generierung einer vollständigen Emulation folgende

Fragestellungen offen:

Inwiefern wird das Laufzeitverhalten der Emulatoren

durch die virtuelle Umge bung beeinflusst?

Um eine belastbare Emulation der Komponenten zu

erhalten, müssen die Emulatoren ein mit der realen

Komponente identisches Laufzeitverhalten aufweisen.

Hierfür müssen Benchmarks entwickelt, angewandt

und ausgewertet werden, welche die Emulatoren auf

ihre Geschwindigkeit/Echtzeitverhalten untersuchen

(zum Beispiel PLCopen Benchmark).

Wie können Emulationen geeignet gespeichert

werden?

FAZIT

In der Regel wird eine Emulation für einen begrenzten

Zeitraum benötigt und danach nicht weiter benutzt.

Durch Persistieren könnte die Emulation zu

einem späteren Zeit punkt weiterverwendet werden

(z.B. für Brown-Field Projekte).

Welche Schnittstellen zur Simulation werden benötigt?

Um eine vollständige virtuelle Inbetriebnahme zu

ermöglichen, werden Schnittstellen für die Orchestrierung

und den Austausch der Ein- und Ausgangssignale

[3] zwischen Simulation und Emulation benötigt.

Neben den bekannten Vorteilen des Einsatzes von Virtualisierung

– wie effizientere Hardware-Auslastung,

ge ringere Betriebskosten, geringerer Stromverbrauch,

geringerer administrativer Aufwand [16] im Vergleich zu

konventionellen Rechnersystemen – bietet das VEF weitere

Vorteile. Das VEF wurde im Hinblick auf eine effiziente

Vorbereitung des FAT für AT-Komponenten und Subsysteme

entwickelt. Der manuelle Aufwand zur Parametrierung,

Konfiguration und Administration für die

Emulator-Instanzen wird durch den Einsatz des VEF gering

gehalten. Es werden lediglich zwei Nutzerinter aktionen

benötigt: die Auswahl der zu emulierenden Objekte und

zur Konfiguration des Zugriffs auf den ESXi-Server.

Durch den Einsatz des VEF erübrigt sich die Beschaffung,

Montage und Parametrierung externer

Rechnerschnitt stellen. Die virtualisierte Hardware wird

automatisch konfiguriert und parametriert, wodurch sich

der Aufwand für die Bereitstellung der Emulation weiter

verringert. Durch die Nutzung von Virtualisierung wird

eine Lösung geschaffen, welche durch einen niedrigen

Entwicklungsaufwand schnell zu einsetzbaren Werkzeugen

führt. Auch die technische Realisierung zeigt, dass

es möglich ist, eine Umsetzung für ein komplexes Leitsystem

zu entwickeln. Das VEF ist damit eine skalierbare

Umgebung, mit der Emulationen effizient für gewerkübergreifende,

heterogene Leitsystemkonfigurationen

erstellt und angewendet werden können.

MANUSKRIPTEINGANG

14.05.2012


atp edition

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53

HAUPTBEITRAG

REFERENZEN

AUTOREN

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2003

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Generierung von Simulationsmodellen auf Basis von

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atp edition – Auto matisierungstechnische Praxis 54(4),

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Dynamisches Testen von Field- Control-Systemen.

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S. 47-52, 2012.

[9] Günthner, W. und Ten Hompel, M.: Internet der Dinge in

der Intralogistik. Springer, 2010

[10] VDI 3633: Simulation von Logistik-, Materialfluss und

Produktionssystemen – Grundlagen, März 2000

[11] Wünsch, G.: Methoden für die virtuelle Inbetriebnahme

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[12] Barth, M., Fay, A., Wagner, F., Frey, G.: Effizienter

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In: Tagungsband Automation 2010, S. 47 – 50. VDI, 2010

[13] IEC61131-3-Part 3: Programming Languages.

Edition 2.0, 2003

[14] Brandao, D., da Cunha, M.J., Pinotti Jr., M.:

Fieldbus Control System Project Support Tool

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Technology (ICIT’04), Vol. 2, S. 787 – 792, 2004

[15] Lowy, J.: Programming WCF Services.

O’Reilly Media, 2008

[16] Runge, R., Sturm, C., Wisskirchen, S., Ebel, N.,

Groh, J., Höller, O., Mewes, C.: VMware Infrastructure

3 im Business-Umfeld. Addison-Wesley, 2009

[17] Morse, J.: Ethernet Steams Ahead in Asia Pacific.

IMS Research, Januar 2012

Dipl.-Ing. (FH) MARIO

HOERNICKE (geb. 1984)

ist Wissenschaftler am

ABB Forschungszentrum

in Ladenburg. Sein

Forschungsschwerpunkt

umfasst die Entwicklung

neuer und innovativer

Engineering-Konzepte im

Bereich Emulation von Leitsystemfunktionen

und Subsystemen sowie der Automation des

Engineerings.

ABB AG Forschungszentrum,

Wallstadter Straße 59,

D-68526 Ladenburg,

Tel. +49 (0) 6203 71 62 66,

E-Mail: mario.hoernicke@de.abb.com

Dr.-Ing.

JÜRGEN GREIFENEDER

(geb. 1975) ist seit 2008

Wissenschaftler am ABB

Forschungszentrum in

Ladenburg. Er studierte

Technische Kybernetik in

Stuttgart und promovierte

über formale Antwortzeitanalyse

netzbasierter Automatisierungssysteme

in Kaiserslautern. Seine wissenschaftlichen

Schwerpunkte sind Systemmodellierung und

effizientes Engineering.



D-68526 Ladenburg,

Tel. +49 (0) 6203 71 62 22,

E-Mail: juergen.greifeneder@de.abb.com



D-68526 Ladenburg,

Tel. +49 (0) 6203 71 64 61,

E-Mail: mike.barth@de.abb.com

Dr.-Ing. MIKE BARTH

(geb. 1981) ist Wissenschaftler

am ABB Forschungszentrum

in Ladenburg. Seine

Forschungsschwerpunkte

umfassen Methoden und

Werkzeuge für ein effizientes

Engineering von Automatisierungssystemen.

54

atp edition

11 / 2012

KNOWLEDGE

for the FUTURE

Process Control Systems Engineering

Process Control Systems (PCS) are distributed control systems

process industries.

application areas which are dominated by locally standardized

Editor: L. Urbas

1 st

OLDENBOURG INDUSTRIEVERLAG GMBH

www.oldenbourg-industrieverlag.de

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atp edition

11 / 2012 55

none. This approval may be withdrawn at any time.

HAUPTBEITRAG

Geräteintegration mit FDI und

OPC UA

Mit standardisiertem Informationsmodell Geräte integrieren

Aktuelle Middleware in der Automatisierung bietet umfangreiche Möglichkeiten zur

Informationsmodellierung. Standards wie OPC UA oder IEC 61850 erlauben es, neben den

Daten auch Beschreibungen der Daten auszutauschen und damit die Semantik der Daten

festzulegen. Standardisierte Informationsmodelle vereinheitlichen diese Semantik und

ermöglichen es, die Daten zu interpretieren und reduzieren so den Konfigurationsaufwand.

Die nächste Generation der Geräteintegration – FDI (Field Device Integration) – baut auf

diese Konzepte, in dem es ein standardisiertes Informationsmodell auf Basis von OPC UA

definiert. In diesem Beitrag werden OPC UA und seine Modellierungskonzepte vorgestellt

und die Anwendung in FDI für eine interoperable Geräteintegration beschrieben.

SCHLAGWÖRTER OPC UA / Informationsmodellierung / FDI / Geräteintegration /

Middleware

Device Integration with standardized Information Model –

Integration of Devices with FDI and OPC UA

Nowadays middleware in automation provides comprehensive means for information

modelling. Standards like OPC UA or IEC 61850 allow to not only provide data but to

provide semantics of data at the same time. The next generation of device integration FDI

builds upon such concepts and defines an open and standardized information model based

on OPC UA. In this paper OPC UA and its modeling concepts are explained as well as its

application in FDI.

KEYWORDS OPC UA / information modelling / FDI / device integration / middleware

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atp edition

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DANIEL GROSSMANN, WOLFGANG MAHNKE, ABB

Oft ist es in der Automatisierung notwendig,

eine Anlage nicht nur mit Produkten eines

Herstellers zu automatisieren, sondern Produkte

verschiedener Hersteller zu integrieren.

Dazu ist es erforderlich, die Kommunikation

zu vereinheitlichen, um eine aufwendige Punkt-zu-

Punkt-Integration mit proprie tären herstellerspezifischen

Schnittstellen und Protokollen zu vermeiden.

Standardisierte Protokolle wie Hart, Profibus/Profinet

oder Foundation Fieldbus für die Echtzeitkommunikation

oder klassisches OPC auf der PC-Ebene bieten diese

vereinheitlichte Kommunikation zwischen Produkten

verschiedener Hersteller. Damit lassen sich Daten standardisiert

in der Automatisierung aus tauschen.

Inzwischen gibt es einen Trend in der Automatisierung,

auch die Semantik der Daten zu standardisieren.

Standards wie ISA 88 (auch IEC 61512, Chargenverarbeitung),

ISA 95 (auch IEC 62264, MES-Ebene), oder das

Common Information Model (CIM) mit der IEC 61970

für Energiemanagement sowie IEC 61968 für Energieverteilung

definieren die Semantik der Daten in den von

ihnen adressierten Domänen. Dies geschieht zunächst

unabhängig von der Spezifikation, wie die Daten übertragen

werden.

Standards wie OPC UA (IEC 62541) und IEC 61850 definieren

die Kommunikation der Daten sowie den Austausch

von Daten zur Beschreibung der Daten (Metadaten),

die damit auch die Semantik festlegen. Damit wird

eine Schnittstelle für eine Middleware in der Automatisierung

festgelegt, die herstellerunabhängig die Integration

von Daten in der Automatisierung ermöglicht und

dabei auch die Semantik der Daten berücksichtigt. Die

Middleware ist in der Lage, Anlagenteile miteinander zu

verbinden und dabei Daten von Produkten verschiedener

Hersteller zu integrieren. Durch standardisierte Abbildungen

der Informationsstandards auf die Middleware-

Technologien ist damit auch eine Interoperabilität auf

semantischer Ebene möglich.

1. EINFÜHRUNG OPC UA

OPC UA (OPC Unified Architecture) [1] wurde von der

OPC Foundation als Nachfolger der klassischen OPC-

Spezifikationen entwickelt und ist inzwischen als IEC

62541 [2] standardisiert. Dabei wurden verschiedene

Ziele adressiert:

Unterstützung der Funktionalität der klassischen

OPC-Spezifikationen.

Technologiewechsel von Microsoft’s COM/DCOM

zu herstellerunabhängigen Technologien basierend

auf Serviceorientierter Achitektur.

Erfüllung von IT-Sicherheitsanforderungen und

somit einem Secure by Design. In Zeiten von

Stuxnet und Co. [3] erscheint diese Anforderung

besonders wichtig.

Zusammenführung der unabhängig voneinander

existierenden Standards des klassischen OPC.

OPC Data Access (Zugriff auf aktuelle Messwerte

und Stellwerte), OPC Alarms & Events (Zugriff auf

Ereignisse und Alarme) sowie OPC Historical Data

Access (Zugriff auf die Historie von Messwerten

und Stellwerten) sollen in einem gemeinsamen

Adressraum vereint werden, um die Zusammenhänge

zwischen diesen Datenklassen ausdrücken

zu können.

Unterstützung zusätzlicher Eigenschaften, wie die

Möglichkeit, Methoden aufzurufen, die Struktur

des Adressraums zu ändern oder auf die Historie

von Ereignissen zugreifen zu können.

Bereitstellung von Mechanismen zur Beschreibung

der Daten und damit die Möglichkeit,

Metadaten zu spezifizieren. Dabei sollen lediglich

die Mechanismen definiert werden, um verschiedene,

standardisierte Informationsmodelle zu

verwalten. Die Semantik soll durch begleitende

Spezifikationen festgelegt werden.

atp edition

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57

HAUPTBEITRAG

Zum Erfüllen dieser Ziele definiert OPC UA zunächst

technologieunabhängige Services wie Lesen (Read) und

Schreiben (Write) von Werten oder Navigieren im Adressraum

(Browse). Diese sind bereits serviceorientiert entworfen,

indem der Zugriff nicht auf einen Wert sondern

mengenorientiert auf mehreren Werten erfolgt und somit

die Anzahl der Aufrufe minimiert. Diese Services werden

auf Technologien abgebildet, wie SOAP-basierte Web

Services oder ein besonders performantes TCP -basiertes

Protokoll. Die Daten können dabei in XML oder binär

kodiert werden. Damit weicht OPC UA vom Konzept der

klassischen OPC-Spezifikationen ab, lediglich eine

Schnittstelle für eine existierende Kommunikationsinfrastruktur

(COM/DCOM) zu definieren, sondern definiert,

basierend auf existierender Technologie, ein eigenes

Kommunikationsprotokoll. Damit werden die besonderen

Anforderungen der Automatisierung bezüglich Verlässlichkeit

und Verfügbarkeit sowie Performanz und IT-

Sicherheit besser berücksichtigt.

Neben der Kommunikation definiert OPC UA Mechanismen

zur Informationsmodellierung. Dabei werden

Messwerte und Stellwerte zusammen mit Ereignissen

und Alarmen verwaltet und ein Zugriff auf die Historie

beider Datenarten ermöglicht. Zusätzlich können Metadaten

bereitgestellt und Methoden aufgerufen werden.

Mit diesen Mechanismen skaliert OPC UA für eine

Anwendung in vielen Bereichen der Automatisierung.

OPC UA kann auf kleinen intelligenten Geräten mit

limitierten Ressourcen über Controller und PC-Systeme

bis zu großen Mainframe-Systemen oder der Cloud eingesetzt

werden. Die herstellerunabhängigen Technologien

ermöglichen den Einsatz auf beliebigen Betriebssystemen.

Über Profile können OPC-UA-Produkte

definieren, welche Eigenschaften von OPC UA sie unterstützen.

Einfache Produkte könnten beispielweise keine

Historie und lediglich eine kleine Anzahl von Clients

unterstützen, wohingegen andere Produkte die Historie

über Dekaden und Tausende von Clients unterstützen.

Gleiches gilt für Clients, die lediglich von einfachen

Funktionen, wie das Lesen eines Wertes, Gebrauch

machen bis hin zu Konfigurations anwendungen, die die

Struktur des Adressraums eines Servers verändern.

Diese Skalierung gilt auch für die Informationsmodellierungseigenschaften.

Ein einfacher Server könnte beispielsweise lediglich

die Information eines klassischen OPC-DA-Servers

anbieten und damit ein sehr einfaches Informationsmodell

ohne semantische Informationen bis hin zu sehr

komplexen Informationsmodellen, die etwa die Konfiguration

eines Leitsystems repräsentieren. Einfache Clients

können ohne Hilfe des Informationsmodells auf vorkonfigurierte

Werte zugreifen oder mithilfe des Informationsmodells

konfiguriert werden.

1.1 Informationsmodellierung

Die OPC-UA-Informationsmodellierung basiert auf

einem kleinen Satz von Basiskonzepten, die für die Automatisierungsdomäne

optimiert wurden und auf die mit

den Services zugegriffen werden kann.

Objekte dienen der Strukturierung des Adressraums.

Daneben dienen sie dem Zugriff auf

aktuelle Ereignisse und Alarme sowie deren

Historie. Objekte sind getypt durch Objekttypen.

Mit Objekttypen werden die Semantik von

Objekten und die Struktur von komplexen Objekten

fest gelegt. Objekttypen werden in einer

Typhierarchie verwaltet, die objektorientierte

Konzepte, wie Vererbung oder das Überschreiben,

erlauben. Mit dem Wissen über einen Objekttyp

kann beispielsweise ein Faceplate definiert werden

und später auf allen Objekten dieses Typs oder von

Subtypen angewandt werden. Die Semantik eines

Objekttyps wird durch dessen Namen und

Beschreibung bekannt gegeben. Einfache Objekttypen,

wie der Basisobjekttyp, beinhalten noch keine

Semantik. Diese wird durch Subtypen beschrieben.

Ob ein Objekt ein Gerät repräsentiert oder ein

Gerät einer bestimmten Klasse oder eines

bestimmten Her stellers wird durch Subtypen

bestimmt. Durch Vererbung lässt sich also noch

zusätzliche Semantik definieren.

Variablen repräsentieren Werte – dies können

Mess- oder Stellwerte und andere beschreibende

Werte sein, wie beispielsweise die verwendete

Messeinheit. Variablen sind direkt oder indirekt

Objekten zugewiesen und repräsentieren somit

Werte von Objekten. Variablen sind getypt durch

Variablentypen. Beim Zugriff auf einen Wert wird

auf die besonderen Eigenschaften der Automatisierung

Rücksicht genommen und ein Wert mit

Zeitstempel und Qualität angeboten. Neben dem

Zugriff auf aktuelle Werte kann auch auf deren

Historie zugegriffen werden. Hierbei werden

verschiedene Aggregatsfunktionen angeboten, die

auch auf die Qualität der Werte achten (falls ein

Messgerät eine Zeitlang nicht verfügbar war).

Variablentypen definieren die Semantik von

Variablen sowie deren komplexe Struktur. Typischerweise

wird damit eher eine strukturelle

Semantik festgelegt – beispielsweise ein analoger

Messwert mit Messeinheit. Die Semantik der

Variable wird im Kontext der Verwendung, also

beispielsweise über den Objekttyp, festgelegt (zum

Beispiel der primäre Messwert eines Gerätes).

Methoden sind Objekten oder zur Definition

Objekttypen zugeordnet und definieren eine

Aufrufschnittstelle mit Eingabe- und Ausgabeparametern.

Beispielsweise kann eine Methode ein

Gerät zur Konfiguration für den Zugriff anderer

Benutzer (oder Clients) sperren.

Referenzen definieren die Beziehungen zwischen

beliebigen Knoten (wie Objekte, Objekttypen,

Variablen) im Adressraum. Im Gegensatz zu klassischem

OPC wird nicht mehr lediglich eine

einfache Hierarchie unterstützt, sondern es

können beliebige Beziehungen modelliert werden.

58

atp edition

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Referenztypen dienen der Definition der Semantik

einer Referenz. Daneben können auch Regeln zur

Benutzung angewandt werden. Es gibt eine Reihe

vorgegebener Referenztypen, die durch benutzerdefinierte

Referenztypen erweitert werden kann.

Das Metamodell von OPC UA bedient sich der

Referenztypen, um beispielsweise Vererbung zu

modellieren oder die Verbindung zwischen Objekt

und Objekttyp. Als Regel gilt beispielsweise, dass

jedes Objekt genau einem Objekttyp zugewiesen

sein muss. Referenztypen sind ebenfalls in einer

Vererbungshierarchie angeordnet und können als

Filter bei der Navigation eingesetzt werden, indem

lediglich Referenzen von bestimmten Typen

gefolgt wird.

Datentypen definieren den Typ eines Messwerts,

also zum Beispiel Boolean oder Int16. Neben den

einfachen Datentypen werden auch Enumerations

und strukturierte Datentypen unterstützt. Diese

können auch benutzerdefiniert erweitert werden.

Über Information im Adressraum kann ein Client

zur Laufzeit die Struktur dieser Datentypen

auslesen und die Werte so interpretieren.

Sichten ermöglichen es, einen großen komplexen

Adressraum (mehrere hunderttausend Knoten) zu

organisieren und lediglich einen Ausschnitt des

Adressraums anzuzeigen, der beispielsweise für

eine bestimmte Aufgabe zugeschnitten ist.

Mit diesen Konzepten können einfache und auch komplexe

Informationsmodelle erstellt werden. Zur einfacheren

Darstellung definiert OPC UA eine standardisierte

Darstellung von OPC-UA-basierten Informationsmodellen.

Ein Beispiel zeigt Bild 1. Auf der rechten

Seite ist eine einfache Objekttyphierarchie gegeben, in

der ein Analysegerätetyp dargestellt wird. Auf der linken

Seite ist eine Instanz eines solchen Typs abgebildet.

Die Struktur entspricht der Struktur des Objekttyps.

zu bestimmten Informationen im Server. OPC UA bedient

sich dieser Funktionalität bereits, um diagnostische

Information über den OPC-UA-Server bereitzustellen.

Eine bestimmte Variable mit einem wohldefinierten

Identifikator enthält beispielsweise Statusinformation

über den Server.

OPC UA wurde so entworfen, dass ein Server mehrere

Informationsmodelle unterstützen kann. Dies ermöglicht

es, Informationsmodelle abhängig voneinander zu definieren.

So wurde beispielsweise ein allgemeines Informationsmodell

entwickelt zur Repräsentation beliebiger

Geräte in OPC UA [6]. Dieses DI (Device Integration)

BILD 1: Beispiel eines OPC-UA-Objekttyps sowie eines Objekts,

welches ein Gerät repräsentiert

OPC-UA-Basis-Informationsmodell

1.2 Standardisierte Informationsmodelle

Nachdem zuvor die Modellierungskonzepte beschrieben

wurden, kann nun auf standardisierte Informationsmodelle,

basierend auf OPC UA, eingegangen werden. Die

Idee ist dabei, die Kommunikation und Modellierungskonzepte

von OPC UA zu verwenden und basierend darauf

die Semantik einer bestimmten Domäne zu definieren.

Die Abbildung kann dabei von einem existierenden

Modell erfolgen, wie beispielswiese bei der Abbildung

des IEC 61131-3-Programmiermodells auf OPC UA [4].

Oder es kann ein neues Informationsmodell basierend

auf OPC UA entworfen werden, wie bei der neuen Definition

eines Informationsmodells für bestimmte Analysegeräte

(ADI – Analyzer Device Integration) [5]. Zur

Erstellung eines standardisierten Informationsmodells

können Objekt-, Variablen-, Daten, und Referenztypen

und auch bestimmte Objekte oder Variablen definiert

werden. Diese dienen beispielsweise dem Einstiegpunkt

IEC 61131-3

Informationsmodell

Informationsmodell

Informationsmodell

(DI)

ADI Informationsmodell

Informationsmodell

BILD 2: Abhängigkeiten zwischen verschiedenen Informationsmodellen

bei OPC UA

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HAUPTBEITRAG

genannte Modell bietet auch die Basis für ADI und das

IEC 61131-3-Modell. In beiden Fällen werden ebenfalls

Geräte verwaltet. In Bild 2 werden diese Abhängigkeiten

dargestellt. Die Basisspezifikation (Part 5) bietet bereits

Basisobjekttypen. Diese werden von DI verfeinert. Von

diesen erben wiederum ADI und das IEC 61131-3 Modell.

Als Variablen werden Variablen mit in Part 8 definierten

Zusätzen verwendet, die beispielsweise die Messeinheiten

beinhalten. Ein Client, der darauf ausgerichtet ist,

Geräteinformation darzustellen, kann damit Automatisierungskomponenten,

die das IEC 61131-3-Modell unterstützen,

und Analysegeräte verwalten.

2. DAS FDI-INFORMATIONSMODELL

2.1 Einführung in FDI

Intelligente Feldgeräte übernehmen immer mehr Aufgaben

im Automatisierungssystem. Dazu besitzen sie

eine Vielzahl an Parametern, Daten und Funktionen,

über die sie sich flexibel an die Anforderungen der

Messstelle anpassen lassen (zum Beispiel Hüllkurve).

Darüber hinaus liefern moderne Feldgeräte detaillierte

Informationen zu ihrem aktuellen Zustand und bilden

somit die Basis für vorausschauende Instandhaltungsstrategien

[7]. Diese Daten und Funktionen intelligenter

Feldgeräte für die Aufgaben im Lebenszyklus eines

Automatisierungssystems verfügbar zu machen, ist

Zweck der Geräteintegration.

Mit FDI (Field Device Integration) entsteht die zukünftige

Geräteintegrationstechnologie. Dazu haben sich die

Feldbusorganisationen Profibus Nutzerorganisation,

Hart Communication Foundation, Fieldbus Foundation,

OPC Foundation sowie die FDT Group zur FDI Cooperation

zusammengeschlossen. Getragen von Firmen wie

ABB, Siemens, Emerson, Endress+Hauser, Honeywell,

Invensys und Yokogawa findet die FDI Cooperation breite

Unterstützung in der Industrie. Zur Entwicklung von

FDI wurden EDDL und FDT als Basistechnologien

gewählt. Dieser Weg wurde bevorzugt, um die Migration

existierender FDT- und EDDL-Lösungen zu erleichtern

und vor allem bekannte Stärken beider Basistechnologien

gewinnbringend in FDI einzubringen.

2.1.1 Device Package – Repräsentant eines Gerätes

In FDI wird ein Gerät mittels eines FDI Device Packages

repräsentiert. Das FDI Device Package besteht aus

mehreren standardisierten Komponenten, stellt sich

dem Benutzer aber als lediglich eine Datei dar. Das

vereinfacht den Umgang mit dem FDI Device Package

erheblich.

FDI Packages werden vom Gerätehersteller geliefert

und enthalten alle Informationen, die für eine Geräteintegration

notwendig sind. Das FDI Device Package

besteht aus den logischen Blöcken Device Definition,

Business Logic, User Interface Description und User

Interface Plugin (Bild 3). Die Device Definition beschreibt

dabei die Daten des Feldgerätes sowie dessen interne

Struktur (zum Beispiel Blöcke). Die Business Logic stellt

vor allem sicher, dass die Konsistenz des Gerätemodells

gewahrt bleibt. Hier spielen insbesondere die dynamischen

Abhängigkeiten zwischen den Daten eine Rolle.

Beispielsweise können sich die möglichen Werte eines

Parameters abhängig vom Gerätezustand verändern.

Bedienoberflächen können deskriptiv (User Interface

Descriptions) oder als programmierte Komponenten

(User Interface Plugins) in dem FDI Package enthalten

sein. Device Definition, Business Logic und User Interface

Description werden mit der harmonisierten Electronic

Device Description Language (EDDL) implementiert;

User Interface Plugins nutzen Windows Presentation

Foundation (WPF) als Implementierungstechnologie.

Darüber hinaus enthält das FDI Device Package weitere

Dateien wie zum Beispiel Handbücher oder Protokollspezifische

Dateien wie etwa eine GSD.

2.1.2 Die FDI-Basisarchitektur

Die FDI-Basisarchitektur folgt dem Client-Server-Architekturmuster.

In einer solchen Architektur stellt ein Server

Dienste bereit, auf die verschiedene, meist verteilte,

Clients zugreifen. Technologische Basis hierfür ist die

OPC Unified Architecture (OPC UA) [2]. In der Client-

Server-Architektur von FDI bietet ein FDI-Server den

Zugriff auf das OPC-UA-Informationsmodell. Das Informationsmodell

repräsentiert die gesamte Kommunikationsinfrastruktur

sowie die Feldgeräte des Automatisierungssystems

als Objekte (Bild 4).

FDI-Clients greifen dann über den FDI-Server auf das

Informationsmodell zu, um beispielsweise die

Bedienoberfläche des Feldgerätes zu laden und Clientseitig

zur Anzeige zu bringen. Verändert der Bediener

nun über die Bedienoberfläche Parameter des Feldgerätes,

so werden diese vom Client zurück in das Informationsmodell

übertragen. Daneben können FDI-Clients

auch ohne gerätespezifische Bedienoberfläche auf die

Geräteparameter im Informationsmodell zugreifen (zum

Beispiel für Condition Monitoring).

Welche Daten, Funktionen und Bedienoberflächen der

FDI-Server im Informationsmodell repräsentieren muss,

definiert der Gerätehersteller über das FDI Device

Package. Der FDI-Server importiert FDI Device Packages

in seinen internen Gerätekatalog. Da FDI Device Packages

keine Registrierung im Sinne einer Software-Installation

benötigen, gibt es auch keine unangenehmen Seiteneffekte,

die die Robustheit des Systems beeinflussen könnten.

Wird eine Instanz eines Gerätes im FDI-Server angelegt,

nutzt der FDI-Server die Device Definition zum

Aufbau eines Informationsmodells. FDI-Clients greifen

über das Informationsmodell auf Gerätedaten, -funktionen

und -bedienoberflächen zu. Wie die Device Definition

wird auch die des FDI Device Packages über die EDD

Engine ausgeführt. Die Business Logic stellt die Konsistenz

des Gerätemodells sicher. Zusätzlich regelt diese

60

atp edition

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■ Geräteparameter

(z.B. Einheit,

Messbereich,

Diagnosedaten, etc.)

■ Gerätestruktur

(z.B. Blöcke

■ Konsistenzregeln/

Abhängigkeiten

zwischen

Geräteparametern

■ Gerätefunktionen

(z.B. Kalibrieren

■ Bedienoberfl äche

(beschrieben)

■ Bedienoberfl äche

(programmiert)

■ Bedienungsanleitung

■ Protokollspezifi sche

Dateien (z.B. GSD

(ML), etc.)

BILD 3: Struktur des FDI Device Packages

BILD 4: FDI-Basisarchitektur

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61

HAUPTBEITRAG

Logik auch die ordnungsgemäße Kommunikation zum

Gerät. Die User Interface Descriptions werden vom FDI-

Server vorverarbeitet, die eigentliche Anzeige geschieht

auf den Clients. Die programmierten User Interface Plugins

werden vom Server nur verwaltet, aber nicht ausgeführt.

Sie werden auf Anfrage von Clients zu diesen

transferiert. Dies vereinfacht das Versionsmanagement

von FDI Device Packages enorm, da die Verwaltung zentral

im FDI-Server erfolgt.

FDI-Clients sind die Schnittstelle zum Anwender. Das

Client-Server-Konzept erlaubt dabei sowohl die Verteilung

der Clients als auch den koordinierten und autorisierten

Zugriff mehrerer Clients auf das gemeinsame

Informationsmodell. Clients stellen User Interface

Descriptions sowie User Interface Plugins über die UI

Engine dar. Dabei interagieren Clients nicht direkt mit

dem Gerät, sondern über das Informationsmodell des

FDI-Servers.

EDD Engine und UI Engine werden von der FDI

Cooperation als Host-Components entwickelt. Dies

stellt sicher, dass sowohl Verhalten als auch Darstellung

über Herstellergrenzen hinweg einheitlich sind, da

diese in den FDI Host-Components spezifikationskonform

implementiert sind.

2.2 Elemente des FDI-Informationsmodells

FDI nutzt die umfangreichen Möglichkeiten von OPC-

UA-Informationsmodellen zur Abbildung der Kommunikationsstruktur

und der darin enthaltenen Feldgeräte

des Automatisierungssystems. Dabei erweitert FDI die

OPC UA Devices (DI) Companion Specification [6], die

im Wesentlichen aus der FDI-Standardisierung hervorgegangen

ist.

BILD 5: Struktur des FDI-Informationsmodells

BILD 6: Abbildung modularer Geräte im Informationsmodell

2.2.1 Kommunikationsstruktur des

Automatisierungssystems

FDI definiert drei Einstiegspunkte in das Informationsmodell

(Bild 5). Device Topology bietet den Einstieg in die

Kommunikationstopologie des Automatisierungssystems.

Das Device Set beinhaltet direkt die Feldgeräte, während

das Network Set die Kommunikationsnetzwerke listet.

Network Objects beschreiben im Informationsmodell

einzelne Kommunikationsnetze, wie beispielsweise ein

Profibus-Netzwerk. Da die Teilnehmer in einem Kommunikationsnetz

in der Regel über eine Adresse verfügen,

definiert FDI den Connection Point. Dieser enthält die

Adressinformation eines einzelnen Teilnehmers. Je nach

Protokoll umfasst dies beispielsweise die Profibus-Adresse.

Unterhalb des Connection Point folgt jeweils das

entsprechende Feldgeräte-Objekt vom Typ DeviceType,

und zwar in der Offline-Repräsentation. Diese erlaubt es,

Feldgeräte offline zu konfigurieren. Das heißt, die Konfigurationsdaten

werden persistent abgelegt, meist in

einer Datenbank. Über die IsOnline-Referenz erfolgt der

Sprung in die Online-Repräsentation. Die dort enthaltenen

Daten werden über die Kommunikationsinfrastruktur

aus dem Feldgerät gelesen beziehungsweise in das

Feldgerät geschrieben. Handelt es sich bei dem Feldgerät

um ein modulares Gerät, wie etwa eine Remote IO, so

werden die Module unterhalb des SubDevices-Knotens

wiederum als Objekte vom Typ DeviceType abgebildet

62

atp edition

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(Bild 6). Die konfigurierbaren Module können über SupportedTypes

abgefragt werden.

Fungiert ein Feldgerät als Gateway zwischen zwei Netzwerken

(zum Beispiel Profinet/Profibus Proxy), dann

besitzt das entsprechende Device-Objekt einen Connection

Point in das unterlagerte Netzwerk. Die im Device

Package des Gateway-Gerätes enthaltene Business Logic

stellt sicher, dass Kommunikationsaufträge zwischen den

Netzwerken übersetzt werden. Auf die nähere Beschreibung

von Gateways wird an dieser Stelle verzichtet.

selt sind (Bild 10). Dazu zählen zunächst die Locking Services

InitLock, ExitLock, RenewLock und BreakLock.

Clients, die schreibend auf ein Gerät zugreifen möchten,

müssen über InitLock die Geräteinstanz reservieren und

am Ende per ExitLock wieder freigeben. Für länger anhaltende

Sessions muss das Lock mittels RenewLock erneu-

2.2.2 Abbildung von Feldgeräten

Instanzen des Typs DeviceType bilden die im Automatisierungssystem

enthaltenen Feldgeräte ab (Bild 7). Die

Eigenschaften des Objektes liefern weitere Informationen

zur Feldgeräteinstanz, wie etwa Hersteller oder Gerätetyp,

aber auch Informationen über den aktuellen Gerätezustand

nach NE 107 [9]. Daneben besitzt das

Geräte-Objekt die Methoden TransferToDevice und

TransferFromDevice, um die Geräteparameter in das

Gerät zu schreiben beziehungsweise vom Gerät zu lesen.

Die Geräteparameter wiederum sind Inhalt des Parameter

Sets. Es stellt die Parameter des Feldgeräts, basierend

auf der Device Definition des FDI Device Packages, zur

Verfügung. Jeder Parameter besitzt neben seinem Wert

weitere Eigenschaften. Diese zeigen zum Beispiel an, ob

ein Parameter im aktuellen Kontext les- und/oder

schreibbar ist. Möchte ein Client einen Geräte parameter

verändern, so greift er schreibend auf den entsprechenden

Parameter-Knoten im Informations modell zu.

Das Action Set enthält die Gerätefunktionen (zum Beispiel

Factory Reset), die am Feldgerät ausgeführt werden

können (Bild 8). Basis hierfür ist die in EDDL beschriebene

Business Logic im FDI Device Package. Gesteuert wird die

Ausführung der Gerätefunktionen über die Methoden

InvokeAction, RespondAction und AbortAction. Darüber

hinaus können auch der aktuelle Ausführungsstatus

ermittelt sowie Rückgaben an den Aufrufer gegeben werden,

um beispielweise eine Rückmeldung des Benutzers

zu bekommen (zum Beispiel Acknowledge).

Functional Groups definieren die Bedienung des Feldgerätes

(Bild 9). Ausgehend von der User Interface Description

des FDI Device Packages bildet die Hierarchie von

Functional Groups die Hierarchie von Bedienmenüs ab.

Der Unterknoten UIDescription vom Typ UIDescriptionType

enthält dabei die XML-Beschreibung des jeweiligen

Bedienmenüs. So wie ein Webbrowser Web-Seiten von

einem Web-Server liest und dann darstellt, können FDI-

Clients diese Beschreibung von einem FDI-Server lesen

und dann über die UI Engine einheitlich darstellen. Ist

das jeweilige Bedienmenü über ein User Interface Plugin

(UIP) realisiert, so liest der Client das UIP aus dem Server

und bringt es Client-seitig zur Ausführung.

Die beschriebene Abbildung des Feldgerätes über das

Device-Objekt basiert im Wesentlichen auf den Inhalten

des FDI Device Package. Daneben gibt es noch eine Reihe

zusätzlicher Funktionen, die in Service-Objekten gekap-

BILD 7: Device Object Type

BILD 8: Action Set

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HAUPTBEITRAG

BILD 9:

Functional Group

BILD 10: Locking Services

ert werden, sodass der FDI-Server nach Ablauf der Renew-

Dauer die Instanz freigeben kann. Eigenschaften wie

LockedStatus oder LockingUser geben Auskunft über

bestehende Locks.

Sollen Änderungen an den Geräteparametern zunächst

in einer Sandbox ausgeführt werden, so geschieht dies

über die EditMode Services Enter, Exit und AbortEdit-

Mode (Bild 11). Über EnterEditMode wird dabei ein serverinternes,

temporäres Abbild der Geräteparameter

erzeugt. Alle weiteren Änderungen erfolgen auf diesem

Abbild. ExitEditMode veranlasst, dass die Änderungen

zum Gerät kommuniziert werden. Danach werden die

Änderungen des temporären Abbildes in das Informationsmodell

übernommen und sind auch für andere

Clients sichtbar. Mittels AbortEditMode können die

Änderungen verworfen werden. In diesem Fall wird das

temporäre Abbild gelöscht.

Die DirectDeviceAccess-Services ermöglichen die

direkte Kommunikation mit dem Gerät (Bild 12). Über

InitDeviceAccess wird eine Kommunikationsverbindung

zum Feldgerät aufgebaut. Über den Transfer-

Service können Datenpakete mit dem Gerät ausgetauscht

werden. Mittels EndDirectAccess wird eine bestehende

Kommunikationsverbindung beendet.

FAZIT

Mit der OPC Unified Architecture steht eine flexible und

vielseitige Middleware-Technologie zur Verfügung.

Durch ihre Skalierbarkeit, Plattformunabhängigkeit und

die enthaltenen IT-Security-Konzepte, wie Authentifizierung

und Verschlüsselung, ist OPC UA hervorragend

für die Automatisierungsdomäne geeignet. Mit FDI

entsteht aktuell eine einheitliche Geräteintegrationstechnologie,

die die Anforderungen der Endanwender

[8] aufgreift und dementsprechend auf breiter Basis

Unter stützung findet.

Besonders hervorzuheben sind die Anwendung von

OPC UA und die Definition eines offenen Informationsmodells

für die Geräteintegration. Ermöglicht wird dies

REFERENZEN

[1] Mahnke, W., Leitner, S.-H., Damm, M.: OPC Unified

Architecture, Springer, 2009

[2] IEC 62541-1 OPC Unified Architecture – Part 1:

Overview and Concepts, February 2010

[3] Ginter, A.: The Stuxnet Worm and Options for

Remediation, Industrial Defender, Inc., 2010

[4] PLCopen and OPC Foundation: OPC UA Information

Model for IEC 61131-3, Version 1.00, March 2010

[5] OPC Foundation: OPC Unified Architecture Companion

Specification for Analyser Devices, Version 1.00,

October 2009

[6] OPC Foundation: OPC Unified Architecture for Devices

(DI), Version 1.00, December 2009)

[7] Großmann, D.: Offene Integrationsplattform für das

Feldgeräte-Management. Sierke Verlag, Göttingen 2008.

[8] NE 105: Anforderungen an die Integration von

Feldbus-Geräten in Engineering-Tools für Feldgeräte,

NAMUR. September 2008

[9] NE 107: Selbstüberwachung und Diagnose von

Feldgeräten, NAMUR. Juni 2006

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BILD 11: Edit Mode Services

BILD 12: Direct Access Services

durch die OPC-UA-Technologie, die die Basis für die

Informationsmodellierung schafft, und über die im FDI

Device Package genutzten Beschreibungstechnologien,

die es dem FDI-Server erlauben, das Informationsmodell

mit Inhalten zu füllen.

Durch die Nutzung von OPC UA in FDI wird es in

Zukunft möglich sein, spezifische Clients zu entwickeln,

AUTOREN

Dr.-Ing. DANIEL GROSSMANN

(geb. 1977) arbeitet im ABB

Forschungszentrum auf dem

Gebiet der intelligenten Feldgeräte

und industriellen

Kommunikation. Er leitet das

FDI Tools & Components

Architecture Team. Er studierte

Maschinenbau an der Technischen

Universität München und promovierte an der

Technischen Universität München am Lehrstuhl

für Informationstechnik im Maschinenwesen

(Prof. Bender) im Bereich Geräteintegration.

ABB AG, Automation Device Technologies,

Wallstadter Straße 59, D-68526 Ladenburg,

Tel. +49 (0) 6203 71 62 55,

E-Mail: daniel.grossmann@de.abb.com

die über den FDI Server und das darin enthaltene offene

Informationsmodell auf Gerätedaten und Funktionen

zugreifen. Diese Offenheit ist der Schlüssel für die verbreitete

Nutzung der umfangreichen Gerätedaten und

-funktionen – ein Potenzial, das derzeit noch weitgehend

ungenutzt ist.

MANUSKRIPTEINGANG

21.05.2012

Dr.-Ing. WOLFGANG MAHNKE (geb. 1971)

arbeitet als Software-Architekt bei der

ABB Automation GmbH im Bereich der

Geräteintegration. Davor arbeitete er im

ABB Forschungszentrum auf dem Gebiet

der Industriellen Softwaresysteme.

Er ist Editor von Teil 3 (Adressraummodel)

und Teil 5 (Informationsmodell) der

OPC-UA-Spezifikation und Autor des

ersten Buchs über OPC UA. Mahnke ist Mitglied des Technical

Advisory Council der OPC Foundation und des OPC

Europe Advisory Board. Er studierte Informatik an der

Universität von Stuttgart und promovierte an der Technischen

Universität Kaiserslautern im Bereich Datenbanken

und Informationssysteme.

ABB AG, Industrial Software Systems,

Kallstadter Straße 1, D-68309 Mannheim

Tel. +49 (0) 6203 71 62 55,

E-Mail: wolfgang.mahnke@de.abb.com


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IMPRESSUM / VORSCHAU

IMPRESSUM

VORSCHAU

Verlag:

Oldenbourg Industrieverlag GmbH

Rosenheimer Straße 145

D-81671 München

Telefon + 49 (0) 89 4 50 51-0

Telefax + 49 (0) 89 4 50 51-3 23

www.oldenbourg-industrieverlag.de

Geschäftsführer:

Carsten Augsburger, Jürgen Franke

Spartenleiter:

Jürgen Franke

Herausgeber:

Dr. T. Albers

Dr. G. Kegel

Dipl.-Ing. G. Kumpfmüller

Dr. N. Kuschnerus

Beirat:

Dr.-Ing. K. D. Bettenhausen

Prof. Dr.-Ing. Ch. Diedrich

Prof. Dr.-Ing. U. Epple

Prof. Dr.-Ing. A. Fay

Prof. Dr.-Ing. M. Felleisen

Prof. Dr.-Ing. G. Frey

Prof. Dr.-Ing. P. Göhner

Dipl.-Ing. Th. Grein

Prof. Dr.-Ing. H. Haehnel

Dr.-Ing. J. Kiesbauer

Dipl.-Ing. R. Marten

Dipl.-Ing. G. Mayr

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Dr.-Ing. J. Papenfort

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Dipl.-Ing. D. Westerkamp

Dr. Ch. Zeidler

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(VDI/VDE-Gesellschaft Messund

Automatisierungstechnik)

und der NAMUR

(Interessen gemeinschaft

Automatisierungstechnik der

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Redaktion:

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Telefon + 49 (0) 89 4 50 51-4 18

Telefax + 49 (0) 89 4 50 51-2 07

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Gerd Scholz (gz)

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Einreichung von Hauptbeiträgen:

Prof. Dr.-Ing. Leon Urbas

(Chefredakteur, verantwortlich

für die Hauptbeiträge)

Technische Universität Dresden

Fakultät Elektrotechnik

und Informationstechnik

Professur für Prozessleittechnik

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Telefon +49 (0) 351 46 33 96 14

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Dr.-Ing. S. Runde

Prof. Dr.-Ing. F. Schiller

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„atp edition – Automatisierungstechnische

Praxis“ erscheint

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Ostring 13,

D-65205 Wiesbaden-Nordenstadt

Gedruckt auf chlor- und

säurefreiem Papier.

Die atp wurde 1959 als „Regelungstechnische

Praxis – rtp“ gegründet.

© 2012 Oldenbourg Industrieverlag

GmbH München

Die Zeitschrift und alle in ihr enthaltenen

Beiträge und Abbildungen sind urheberrechtlich

geschützt. Mit Ausnahme der

gesetzlich zugelassenen Fälle ist eine

Verwertung ohne Ein willigung des Verlages

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Gemäß unserer Verpflichtung nach § 8

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zum BayPresseG geben wir die Inhaber

und Beteiligungsverhältnisse am Verlag

wie folgt an:

Oldenbourg Industrieverlag GmbH,

Rosenheimer Straße 145, 81671 München.

Alleiniger Gesellschafter des Verlages

ist die ACM-Unternehmensgruppe,

Ostring 13,

65205 Wiesbaden-Nordenstadt.

ISSN 2190-4111

DIE AUSGABE 12 / 2012 DER

ERSCHEINT AM 17.12. 2012

MIT FOLGENDEN BEITRÄGEN:

Wechsel des

Anforderungsprofils von

Software

Beherrschung von Semantikvielfalt

mit AutomationML

OPC UA and ISA 95.

Interoperability for MES by

implementing ISA 95 with

OPC UA

Integriertes Engineering mit

dem Automation Service Bus

Automatisierung mit FASA

...und vielen weiteren Themen.

Aus aktuellem Anlass können sich die Themen

kurzfristig verändern.

LESERSERVICE

E-MAIL:

leserservice@oiv.de

TELEFON:

+ 49 (0) 931 4170-1615

66

atp edition

11 / 2012

In der Chemie und Petrochemie werden

an das technische Equipment höchste

Anforderungen gestellt: Klimafestigkeit für

den Einsatz im On- und Offshore-Betrieb,

hohe Kontakt- und Vibrationsfestigkeit

sowie schnelle Montage und Handhabung

zur Verkürzung von Installationsund

Wartungszeiten sind nur einige

Herausforderungen. Die Zuverlässigkeit,

Qualität und das einfache Handling der

eingesetzten Produkte spielt deshalb eine

entscheidende Rolle.

Reihenklemmenprogramm

von 0,08 -95 mm 2

WAGO-I/O-IPC

Zuverlässige Lösungen - approbierte Produkte

WAGO-Process-Automation

WAGO-I/O-SYSTEM

Explosive Umgebung –

Gelassenheit mit CAGE CLAMP ®

WAGO-Komponenten, mit der universellen

CAGE CLAMP ® -Anschlusstechnik, bewähren

sich im täglichen Einsatz auch unter

Extrembedingungen. Aktuelle Zulassungen

für den Einsatz in explosionsgefährdeten

Bereichen, ausgewählte Kunststoffe und

Materialien für den Einsatz in aggressiven

Umgebungsmedien sowie sichere und

wartungsfreie Anschlusstechnik sind

Anforderungen, denen sich WAGO seit

Jahren stellt – mit Sicherheit!

WAGO-SPEEDWAY,

modulares I/O-System IP67

TO-PASS ® -Fernwirkmodul

und GPRS-Modem

Stromversorgungen

JUMPFLEX ®

Messumformer/Relais- und

Optokopplerbausteine

Die Serie 857 bringt

jedes Signal in Form!

Feldbusunabhängig

in den Ex-Bereich!

Messumformer und Relaisbausteine -

Eine komplette Produktfamilie!

Kompromisslos kompakt:

Platzgewinn durch „echte“ 6,0mm-Baubreite

Brücken statt einzeln verdrahten:

Brückbarkeit durch Konturengleichheit auf allen

Anschlussebenen

Für extreme Anwendungen:

Neue Einsatzgebiete durch erweiterten Temperaturbereich

von -25° C bis + 70° C

Höchste Sicherheit:

„Sichere 3-Wege-Trennung“ mit 2,5kV-Prüfspannung

Flexibilität pur:

Konfiguration per DIP-Schalter Eine Vielzahl der

Messumformer sind zusätzlich per Software einstellbar

Das WAGO-I/O-SYSTEM 750 - Your intelligent link

between field and control system

…adapts best

Kompakt, Flexibel & Modular:

Kleinste, feldbusunabhängige Steuerung (SPS)

Programmierbar gemäß IEC 61131-3

Über 400 verschiedene I/O-Module

Standard-I/O- und Ex i-Module kombinierbar

Einspeisungen verschiedener Potentiale in einem Knoten

Unterstützung der Fernwirkprotokolle IEC 60870 und IEC 61850

Ausgelegt für den Ex-Bereich:

Zugelassen für den Einsatz in Zone 2/22

Ex i I/O-Module zum Anschluss eigensicherer Sensorik/Aktorik

Zertifiziert gemäß ATEX, IECEx, UL ANSI/ISA 12.12.01, UL508,

Schiffbau, GOST-R, etc.

CAGE CLAMP ® -Technologie:

Gasdichte Federklemmverbindung

Vibrationsfest und wartungsfrei

Hohe Anlagenverfügbarkeit und -zuverlässigkeit

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