atp edition Instandhaltungsstrategien für PLT-Schutzeinrichtungen (Vorschau)
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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
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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:
der entscheidende Schritt voraus
Eigensicheres High Power-Trunk
Konzept mit DART Technologie
für maximale Sicherheit
ohne Leistungsbegrenzung
Redundante Stromversorgung für
Einfache Handhabung mit nur einer
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atp edition
11 / 2012
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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?
Der neue CoriolisMaster von ABB ist einer
der kompaktesten Coriolis Masse-Durchflussmesser.
Er benötigt keine Ein- und
Auslaufstrecken. Darum eignet er sich auch
für Installationen mit wenig Platz. Erfahren
Sie, warum der CoriolisMaster die bessere
Alternative ist: www.abb.de/durchfluss
Natürlich.
ABB Automation Products GmbH
Tel.: 0800 111 44 11
Fax: 0800 111 44 22
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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
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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
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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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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
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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
atp edition
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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
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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
Veranstaltung (9:00 – 15:00 Uhr)
Ort
Mannheim, Pepperl+Fuchs GmbH
Thema
Antworten zur Planung und
Inbetriebnahme von Feldbussen
Teilnahmegebühr
atp edition-Abonnenten
Firmenempfehlung
540 € zzgl. MwSt
590 € zzgl. MwSt
reguläre Teilnahmegebühr 690 € zzgl. MwSt
Studenten
kostenlos
(Universität, Fachhoch-/Duale Hochschule – Vorlage des
Studentenausweises bei der Anmeldung erforderlich)
Im Preis enthalten sind die Tagungsunterlagen
sowie das Catering (Kaffee, 2x Mittagsimbiss,
„Get-Together“ mit Abendessen).
Veranstalter
100 Euro
Frühbucherrabatt
bei Buchung bis zum
14.12.2012
Fragen Sie!
Die Feldbus-Sprechstunde gibt Ihnen ausreichend Gelegenheit, Ihre
individuellen Fragen zu stellen und offen mit den praxiserfahrenen
Referenten zu diskutieren.
Stellen Sie Ihre Fragen rechtzeitig unter
www.feldbus-sprechstunde.de
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atp edition
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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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Termin
Mittwoch, 14.11.2012
Veranstaltung (11:30 – 17:30 Uhr)
„Get-Together“ mit Abendessen (ab 18:30 Uhr)
Donnerstag, 15.11.2012
Veranstaltung (9:00 – 15:00 Uhr)
Ort
Mannheim, Pepperl+Fuchs GmbH
Thema
Installation und Betrieb
explosionsgeschützter Anlagen
Teilnahmegebühr
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nehmen gratis teil
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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
[4] Machleidt, K. und Litz, L.:
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
[10] Machleidt, K. und Litz, L.:
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
[12] Machleidt, K. und Litz, L.:
Rechnergestützte Ermittlung optimaler Instandhaltungsstrategien
für PLT-Schutzeinrichtungen.
In: Tagungsband Automation 2012, S. 191-194,
VDI, 2012
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11/
81671
2012
München
35
HAUPTBEITRAG
In Echtzeit: RFID-gestütztes
Produktionsassistenzsystem
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 /
Produktionsassistenzsystem
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
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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
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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
Im Peer-Review-Verfahren begutachtet
BILD 6: Benutzeroberfläche des prototypischen Assistenzsystems
BILD 7: Modularer Aufbau
der PAS Regelbasis
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43
HAUPTBEITRAG
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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).
Siemens AG, Industry Automation,
Gleiwitzer Straße 555, D-90475 Nürnberg,
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.
Siemens AG, Industry Automation,
Gleiwitzer Straße 555, D-90475 Nürnberg,
Tel. +49 (0) 911 8 95 35 04,
E-Mail: ralf.hansen@siemens.com
44
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11 / 2012
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✘
Kontonummer
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.
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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.
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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
Im Peer-Review-Verfahren begutachtet
atp edition
11 / 2012
53
HAUPTBEITRAG
REFERENZEN
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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.
ABB AG Forschungszentrum,
Wallstadter Straße 59,
D-68526 Ladenburg,
Tel. +49 (0) 6203 71 62 22,
E-Mail: juergen.greifeneder@de.abb.com
ABB AG Forschungszentrum,
Wallstadter Straße 59,
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
Order now by fax: +49 201 / 8 20 02 34 or detach and send in a letter
1 st
Reply / Antwort
Vulkan-Verlag GmbH
Versandbuchhandlung
Postfach 10 39 62
45039 Essen
GERMANY
Phone
Fax
PAPCSE2012
Please note:
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
56
atp edition
11 / 2012
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.
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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.
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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
Im Peer-Review-Verfahren begutachtet
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IMPRESSUM / VORSCHAU
IMPRESSUM
VORSCHAU
Verlag:
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Rosenheimer Straße 145
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Telefax + 49 (0) 89 4 50 51-3 23
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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
Dr. J. Nothdurft
Dr.-Ing. J. Papenfort
Dr. A. Wernsdörfer
Dipl.-Ing. D. Westerkamp
Dr. Ch. Zeidler
Organschaft:
Organ der GMA
(VDI/VDE-Gesellschaft Messund
Automatisierungstechnik)
und der NAMUR
(Interessen gemeinschaft
Automatisierungstechnik der
Prozessindustrie).
Redaktion:
Anne Hütter (verantwortlich)
Telefon + 49 (0) 89 4 50 51-4 18
Telefax + 49 (0) 89 4 50 51-2 07
E-Mail: huetter@oiv.de (ahü)
Gerd Scholz (gz)
Dr. Maria Kuwilsky (sky)
Einreichung von Hauptbeiträgen:
Prof. Dr.-Ing. Leon Urbas
(Chefredakteur, verantwortlich
für die Hauptbeiträge)
Technische Universität Dresden
Fakultät Elektrotechnik
und Informationstechnik
Professur für Prozessleittechnik
D-01062 Dresden
Telefon +49 (0) 351 46 33 96 14
E-Mail: urbas@oiv.de
Fachredaktion:
Dr.-Ing. M. Blum
Prof. Dr.-Ing. J. Jasperneite
Dr.-Ing. B. Kausler
Dr.-Ing. N. Kiupel
Dr. rer. nat. W. Morr
Dr.-Ing. J. Neidig
Dipl.-Ing. I. Rolle
Dr.-Ing. S. Runde
Prof. Dr.-Ing. F. Schiller
Bezugsbedingungen:
„atp edition – Automatisierungstechnische
Praxis“ erscheint
monatlich mit Doppelausgaben im
Januar/Februar und Juli/August.
Bezugspreise:
Abonnement jährlich: € 468,– + € 30,–/
€ 35,- Versand (Deutschland/Ausland);
Heft-Abbonnement + Online-Archiv:
€ 638,40; ePaper (PDF): € 468,–;
ePaper + Online-Archiv: € 608,40;
Einzelheft: € 55,– + Versand;
Die Preise enthalten bei Lieferung
in EU-Staaten die Mehrwertsteuer,
für alle übrigen Länder sind es
Nettopreise. Mitglieder der GMA: 30%
Ermäßigung auf den Heftbezugspreis.
Bestellungen sind jederzeit über den
Leserservice oder jede Buchhandlung
möglich.
Die Kündigungsfrist für Abonnementaufträge
beträgt 8 Wochen zum Bezugsjahresende.
Abonnement-/
Einzelheftbestellung:
Leserservice atp
Postfach 91 61, D-97091 Würzburg
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Verantwortlich für
den Anzeigenteil:
Inge Matos Feliz
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E-Mail: matos.feliz@oiv.de
Es gelten die Preise der Mediadaten 2012
Anzeigenverwaltung:
Brigitte Krawczyk
Telefon + 49 (0) 89 4 50 51-2 26
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E-Mail: krawczyk@oiv.de
Grafik:
Data Graphis
Druck:
Druckerei Chmielorz GmbH
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
strafbar.
Gemäß unserer Verpflichtung nach § 8
Abs. 3 PresseG i. V. m. Art. 2 Abs. 1c DVO
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
www.wago.com
www.wago.com/ex