atp edition Instandhaltungsstrategien für PLT-Schutzeinrichtungen (Vorschau)

11 / 2012 

54. Jahrgang B3654 

Oldenbourg Industrieverlag 

Automatisierungstechnische Praxis 

Instandhaltungsstrategien für 

PLT-Schutzeinrichtungen | 28 

In Echtzeit: RFID-gestütztes 

Produktionsassistenzsystem | 36 

Effizientes Testen heterogener 

Leitsystemkonfigurationen | 46 

Geräteintegration 

mit FDI und OPC UA | 56

Print wirkt 

„atp edition“ ist ein Printtitel auf höchster 

Qualitätsstufe und mit Nachhaltigkeit im 

Sinne wiederkehrender Nutzung. Der Titel 

erfüllt den selbstgestellten Anspruch eines 

anspruchsvollen und seriösen Magazins für 

Top-Entscheider zwischen Wissenschaft 

und Praxis konsequent. 

Entsprechend der journalistischen Konzeption 

ist Online hintenangestellt. Die Jury 

sah hier „die beispielhafte Umsetzung einer 

wissenschaftlich ausgerichteten Fachzeitschrift 

mit Magazincharakter“.

EDITORIAL 

„Von der Handdrossel 

zum smarten Stellgerät“ 

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

nicht mehr rein mechanisch, sondern mechatronisch: Mechanik, Elektronik 

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

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

aus dem Katalog oft unmöglich. Ein Beispiel behandelt der Beitrag 

„Maschinenschutz für Axialverdichter“. 

Sorgfältiges Engineering ist Grundvoraussetzung, um die Diagnosefunktionalitäten 

beim digitalen kommunikationsfähigen Stellungsregler am Stellgerät 

sinnvoll zu nutzen. Fehlerdiagnose und Condition Monitoring bieten viele Vorteile 

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

und im Idealfall längere Wartungsntervalle. Interessante Aspekte finden sich 

hierzu im Beitrag „Instandhaltungsstrategien für PLT-Schutzeinrichtungen“. 

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

Natürlich gibt es auch andere Diagnosefunktionen bei Stellgeräten. Einen 

Überblick über die wichtigsten erkennbaren Fehler und über Methoden zur 

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

am Stellgerät jedoch noch nicht konsequent genutzt. Was sind die 

Gründe? 

Bei vielen digitalen kommunikationsfähigen Reglern sind die Namur-Forderungen 

umgesetzt und liegen ausgewertet als Statusparameter mit Namur-Ampelkodierung 

vor. Daran liegt es nicht. Aber Diagnosezuverlässigkeit und Diagnoseeindeutigkeit 

sind nicht synonym. 

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

Stellgeräten – unterschiedliche Ursachen vorliegen. Mit FDI (Field Device 

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

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

von Geräten mit OPC UA in FDI. Voraussetzung für interoperable 

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

mit OPC UA eine standardisierte Zugriffsmöglichkeit, mit der die Gerätedaten 

– unabhängig vom Asset Management und Leitsystem – permanent 

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

nicht möglich. 

Neue Funktionen digitaler Stellungsregler, beispielsweise das Energie-Monitoring, 

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

Aktorik zum Thema der Namur-Hauptsitzung zu machen. 

DR.-ING. JÖRG KIESBAUER, 

Mitglied des Vorstandes 

Forschung und Entwicklung 

Samson AG 

atp edition 

11 / 2012 

3

INHALT 11 / 2012 

VERBAND 

8 | Die Automatisierungs-Anwender in Europa vereinbaren 

eine engere Zusammenarbeit 

Verband für Start Ups in Berlin gegründet 

9 | AMA: Innovationspreis 2013 ausgelobt 

Baumtrog führt VDMA Robotik + Automation an 

FORSCHUNG 

10 | Energieautarke und drahtlose Sensoren für 

Fertigungs- und Prozessautomatisierung entwickelt 

TU München und TU Dresden als führende Hochschulen 

für Nanotechnologie ausgezeichnet 

11 | Expertinnen erforschen Mobilität der Zukunft 

BRANCHE 

12 | Neue Konzepte für das Anlagen-Monitoring 

SPS IPC Drives 2012: Trendsession und Keynotes kostenfrei besuchen 

13 | Sprechstunde: Fragen zu Explosionsschutz stellen 

Smart Grid: Automatisierung der neuen Netze beachten 

RUBRIKEN 

3 | Editorial 

66 | Impressum, Vorschau 

4 


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 

Installationstechnik, minimalem 

Wartungsaufwand und leichter 

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11 / 2012 

5

PRAXIS 

6 


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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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 


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 

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


11 / 2 012 

9

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 


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 


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 


11 / 2012

Sprechstunde: Fragen zu 

Explosionsschutz stellen 

Die 3. Explosionsschutz-Sprechstunde, organisiert von 

Pepperl+Fuchs und dem Oldenbourg Industrieverlag, 

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

Bei Vorträgen wie „Typische Fehler bei unterschiedlichen 

Zündschutzarten“, „Der korrekte Nachweis der Eigensicherheit“, 

„Fachgerechte Reparatur und Prüfung 

von explosionsgeschützten Betriebsmitteln“ und „Anforderungen 

an die funktionale Sicherheit beim Explosionsschutz“ 

können sich Anwender aus der Prozessautomatisierung 

über Feinheiten beim Explosionsschutz 

informieren. 

Bei der Sprechstunde haben Teilnehmer die einzigartige 

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

einzureichen und so die 

Themen der Veranstaltung mitzubestimmen. Die zweitägige 

Veranstaltung beginnt mit Vorträgen zu dem Thema. 

Experten des Explosionsschutzes befassen sich am 

zweiten Tag ziel gerichtet mit indiduellen Fragen und 

Anliegen rund um die Automatisierungstechnik. Die 

Lösungen werden dann in den Workshops erarbeitet. 

Weitere Informationen sowie den Veranstaltungsflyer 

und die Anmeldung finden Sie auf der Internetseite 

www.explosionsschutz-sprechstunde.de. ahü 

Innovative 

Temperaturmesstechnik. 

OLDENBOURG INDUSTRIEVERLAG GMBH, 

Rosenheimer Straße 145, D-81671 München, 

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

Internet: www.explosionsschutz-sprechstunde.de 

Smart Grid: Automatisierung 

der neuen Netze beachten 

Der Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik 

(VDE) hat ein zweiteiliges Positionspapier 

zu „Energieinformationsnetzen und -systemen“ veröffentlicht. 

Ziel ist es, der Automatisierung von Verteilungsnetzen 

bei neuen Energien mehr Aufmerksamkeit 

zu schenken. Dem Verband geht es darum, standardisierte 

Schnittstellen zwischen den im Energieinformationsnetz 

verteilten Komponenten zu schaffen und diese 

in eine gemeinsame Plattform zu integrieren. 

Außerdem wird die strikte Begrenzung auf rein regulierte 

Aufgaben durch den Verband in Frage gestellt. 

Künftige Geschäftsmodelle sollten es dem Betreiber erlauben, 

auch Aufgaben im „hybriden“ Zwischenbereich 

und bei der Unterstützung des regionalen Marktumfelds 

zu übernehmen. Das Positionspapier soll als Rahmen 

dienen, um die Energiewirtschaft auf künftige Herausforderungen 

vorzubereiten. Zusammenfassend fordert 

der Verband jedoch, dass die Politik und Regulierungsbehörden 

neue "Leitplanken" für Verteilungsnetzbetreiber 

definieren. 

ahü 

VDE VERBAND DER ELEKTROTECHNIK ELEKTRONIK 

INFORMATIONSTECHNIK, 

Stresemannallee 15, D-60598 Frankfurt/Main, 

Tel. +49 (0) 69 630 82 84, Internet: www.vde.com 

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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 

14 


11 / 2012

komplette Automatisierungstechnik auf den neuesten 

Stand zu bringen. Vor kurzem wurde das neue System 

fertig gestellt. 

PROFIBUS FÜRS VAT HOUSE 

Das alte Automatisierungssystem im so genannten „Vat 

House“ bestand aus drei Leitsystemen mit klassischer 

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

IDL bereits in anderen Bereichen der Brennerei gute Erfahrungen 

mit Profibus-Netzwerken gemacht hatte, entschieden 

sich die Verantwortlichen wieder für eine Feldbuslösung 

auf Basis von Profibus DP. Die Motorsteuerungen 

sollten mit Devicenet angesprochen werden. Insgesamt 

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

neues Allen-Bradley-Leitsystem angebunden werden 

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

und Feldgeräten wählte Irish Distillers Turcks Excom- 

System für Zone 1. Turcks irischer Vertriebspartner Tektron, 

mit Sitz in Cork, unterstützte und beriet IDL bei der 

Auswahl und Installation des I/O-Systems. 

Um die zahlreichen I/Os zu integrieren, lieferte Turck 

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

SC12Ex. So konnten vier redundante, eigensichere 

Profibus-Segmente ins Feld geführt werden, die 

die maximale Übertragungsrate von 1,5 Megabaud nutzen. 

Die Ingenieure mussten dazu allerdings sicherstellen, 

dass keines der verwendeten Profibus-DP-Kabel länger 

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

Feld positioniert werden, dass jede von ihnen gut erreichbar 

ist und trotzdem die Kabellänge zu den Feldgeräten 

möglichst kurz bleibt. 

HOHE KANALDICHTE UND HOT-SWAP 

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

nach einem Vergleich mehrerer Wettbewerbsprodukte 

für den explosionsgeschützten Bereich für Turcks Excom-System, 

„unter anderem wegen der hohen Signaldichte 

des M18-Modulträgers. Weiterhin überzeugte uns 

die Hot-swap-Funktionalität. Dadurch können wir alle 

Module der Excom im laufenden Betrieb ziehen und 

stecken – ohne die Feldkommunikation zu stören“, so 

McCarthy. Ein weiterer Vorteil: Die digitalen Ausgangsmodule 

DO40-Ex stellen sich automatisch auf die richtige 

Leistung ein – ungeachtet der anliegenden Spannung 

und der Stromstärke. So konnte IDL mit einem 

einzigen I/O-Kartentyp alle digitalen Ausgänge bestücken. 

Das vereinfachte die Anlagenplanung und den 

-aufbau erheblich. 

Einfach zu realisieren war für McCarthy auch die redundante 

Kommunikations- und Leistungsversorgung: 

„Eine redundante Kommunikationsanbindung der Feldebene 

war für uns von vornherein eine Grundvoraussetzung. 

Allerdings hatten wir uns noch nicht auf Leistungs-Redundanz 

festgelegt. Die Leistungsversorgung ist 

zurzeit noch einfach ausgeführt. Um Versorgungsredundanz 

herzustellen, brauchen wir jetzt aber nur ein weiteres 

Netzgerät am Modulträger nachzurüsten. In dieser 

konsequenten modularen Bauweise und der resultierenden 

Flexibilität sehe ich den größten Vorteil der Excom.“ 

Die Wartungsingenieure bei IDL schätzen besonders 

die LED-Anzeige an jedem einzelnen Modul. Durch das 

Sichtfenster in den mitgelieferten Schaltkästen können 

sie auf einen Blick den Status jeder Karte erkennen, ohne 

den Kasten zu öffnen. IDL hat zusätzlich eine Schaltplanmatrix 

außen am Kasten angebracht, die Karten und 

Kanäle den jeweiligen Feldgeräten zuordnet. 

Die Hochschule Ostwestfalen-Lippe ist mit mehr als 6.000 Studierenden 

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

Höxter und dem neuen Studienort Warburg ein wichtiger Bestandteil der 

dynamischen Wissenschafts- und Wirtschaftsregion Ostwestfalen-Lippe. 

Unsere Markenzeichen sind exzellente Lehre und Forschung. 

Im Fachbereich Elektrotechnik und Technische Informatik am 

Standort Lemgo ist folgende Professur zum nächstmöglichen Zeitpunkt 

zu besetzen: 

W2-Stiftungsprofessur 

für das Lehrgebiet 

„Nutzergerechte Gestaltung 

von technischen Systemen 

mit Schwerpunkt Informatik“ 

Kennziffer 5.4 

Die Professur wird in den ersten fünf Jahren von den Unternehmen 

PHOENIX CONTACT GmbH & Co. KG, WINCOR NIXDORF International 

GmbH sowie dem Fraunhofer-Anwendungszentrum Industrial 

Automation IOSB-INA und der Stiftung Standortsicherung Kreis Lippe 

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

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

Industrielle Informationstechnik (inIT) der Hochschule und dem Fraun hofer 

Anwendungszentrum Industrial Automation derzeit über 60 Wissenschaftler/innen 

zusammen mit Technologieunternehmen unter einem 

Dach an Themen der industriellen Kommunikation, dem Entwurf und der 

Simulation von Automatisierungssystemen sowie der Diagnose und dem 

 

CIIT sind wesentlicher Bestandteil des BMBF-Spitzenclusters „Intelligente 

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

Unternehmen und Einrichtungen sind insbesondere an einer Ausweitung 

der Forschungsaktivitäten auf das Gebiet der Mensch-Maschine-Schnittstelle 

und der Usability intelligenter technischer Systeme interessiert. Zur 

Durchführung dieser Forschungs- und Entwicklungsaufgaben ist daher die 

. 

Von der Stelleninhaberin/dem Stelleninhaber wird weiterhin die Übernahme 

von Grundlagenveranstaltungen in dem Bachelor-Studiengang 

„Technische Informatik“ erwartet. Zusätzlich sollen im internationalen 

 

 

Erfahrungen aus den Bereichen moderner Mensch-Maschine-Interaktionstechnologien 

und Kognition im Kontext der industriellen Auto mation werden 

vorausgesetzt. Hilfreich sind vertiefende Kenntnisse in den Bereichen 

Wahrnehmungspsychologie oder Arbeitswissenschaften. 

Die Bereitschaft zur teilweisen Durchführung der Lehrveranstaltungen 

auch in englischer Sprache und die aktive Beteiligung am Ausbau internationaler 

Studiengänge und der Kooperationsbeziehungen zu ausländischen 

Hochschulen werden erwartet. 

Die Hochschule Ostwestfalen-Lippe vertritt ein Betreuungskonzept, 

bei dem eine hohe Präsenz der Lehrenden am Hochschulort und die 

Bereitschaft zur Übernahme von Aufgaben in der Selbstverwaltung der 

Hochschule vorausgesetzt werden. Die Verlegung des Wohnsitzes 

als Lebensmittelpunkt an den Hochschulstandort oder in die nähere Umgebung 

ist deshalb erforderlich. 

Einstellungsvoraussetzungen: 

Bewerber/innen müssen die Voraussetzungen des § 36 Hochschulgesetz 

 

Auszug aus dem Hochschulgesetz NRW“ auf der Homepage unter 

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

05261 702-4068. Weitere Informationen erhalten Sie darüber hinaus 

unter www.init-owl.de/stiftungsprofessur. 

Die Hochschule Ostwestfalen-Lippe ist im Sinne einer 

 

beim wissenschaftlichen Personal zu erhöhen, und begrüßt 

es deshalb besonders, wenn sich Frauen bewerben. 

Schwerbehinderte Bewerber/innen werden bei gleicher 

Eignung vorrangig eingestellt. 

Ihre Bewerbung richten Sie bitte mit den üblichen Unterlagen bis zum 

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

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


11 / 2012 

15

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. 

16 


11 / 2012

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11 / 2012 

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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- 

18 


11 / 2012

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 

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11 / 2012 

19

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 


11 / 2012

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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Anzeige des aktuellen Druckes und des 

Record-Status im Display 

Aufzeichnung des Druckes und der Temperatur 

Einfache Konfigurations- und Auslese- 

Software für PC oder PDA 

Messrate und Druckeinheiten einstellbar 

Speicher: ca. 57’000 Messwerte 

Bereiche: 30 mbar…1000 bar 

Gesamtfehlerband: ±0,1 %FS 

Auch Ex-geschützte Versionen 

in unserem E-Shop erhältlich 

www.keller-druck.com 


11 / 2012 

21

PRAXIS 

UMBLASEVENTIL 

ABBLASEVENTIL 

Sie mussten neben extrem kurzen Reaktionszeiten (kleiner 

1 Sekunde) zugleich eine sehr hohe Regelgüte gewährleisten. 

Dem Kundenwunsch entsprechend wurde 

ein hydraulischer Kolbenantrieb eingesetzt. 

PNEUMATISCHE ANTRIEBE FÜR GROSSE VENTILE 

Aufgrund der umfangreichen Fachkenntnisse im 

Bereich pneumatischer Antriebe sind mittlerweile 

auch die ganz großen Ventile in der kostengünstigeren 

Ausführung mit pneumatischen Kolbenantrieben 

als Standard verfügbar. Hierbei kommt dem Traditionsunternehmen 

Samson seine jahrelange Erfahrung 

zugute. Durch die optimale Auswahl und Komposition 

wird ein reibungsloses Zusammenspiel aller benötigten 

Komponenten, wie etwa Stellungsregler, Booster und 

Zuluftstation, erreicht. Die von dem Kunden geforderten 

Eigenschaften der Anti-Surge-Ventile können so 

zuverlässig gewährleistet werden. Außerdem bietet 

Samson für sicherheits kritische Anlagenteile auch eine 

SIL-Zertifizierung an. 

„Wir schätzen Samson als kompetenten Partner, der 

uns beim Finden der richtigen technischen Lösung mit 

seinem umfassenden Know-how unterstützt“, erklärt 

Dr. Oliver Wöll, Projektverantwortlicher bei der MAN 

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

Geräte verlassen können, was bei den Axialverdichtern 

von entscheidender Bedeutung ist – eine zweite Chance 

gibt es in diesem Prozess nicht.“ 

Inzwischen geht die Tendenz bei den Anwendern zu 

noch größeren Ventilen. Die Samson AG hat deshalb 

das Portfolio um weitere zahlreiche Ventilnennweiten 

ergänzt. Die gleiche Stückzahl an Großventilen, die 

früher in einem Jahr produziert wurde, verlässt heute 

monatlich das Werk. 

AUTOR 

DR.-ING. MICHAEL HESS ist 

Entwicklungsingenieur im 

Bereich Stellventile bei 

Samson. 

Samson AG, 

Mess-und Regeltechnik, 

Weismüllerstraße 3, D-60314 Frankfurt am Main, 

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

E-Mail: mhess@samson.de 

DIPL.-ING. MARC-CHRISTIAN 

CRAMM ist Produktmanager 

Stellventile bei Samson. 

Samson AG, 

Mess-und Regeltechnik, 

Weismüllerstraße 3, D-60314 Frankfurt am Main, 

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

E-Mail: mcramm@samson.de 

22 


11 / 2012

BUS 

Sprechstunde 

BUS 

2. Feldbus-Sprechstunde 

Feldbus in der Prozessindustrie 

22. + 23.01.2013, Mannheim, Pepperl+Fuchs GmbH 

www.feldbus-sprechstunde.de 

Programm 

Moderation: Jürgen George, 

Pepperl+Fuchs GmbH 

Wann und Wo? 

+ + NEUER TERMIN! + + 

22. + 23.01.2013 

Systemplanung: Auswahl der Geräte und Komponenten 

Systemplanung: Feldbusinfrastruktur 

Systemplanung: Einsatz von Planungstools 

Systemplanung: Explosionsschutz und 

funktionale Sicherheit 

Inbetriebnahme: Hardware-Installation und 

-Inbetriebnahme 

Inbetriebnahme: Implementierung 

Inbetriebnahme: Systematische Fehlersuche 

Referenten 

Ronny Becker, Prüflabor MSR u. Analysentechnik, 

BIS Prozesstechnik GmbH 

Dr. Andreas Hildebrandt, Thomas Klatt, 

Thomas Westers, Pepperl+Fuchs GmbH 

Dr. Niels Kiupel, Degussa GmbH 

Sven Seintsch, Prüflabor MSR u. Analysentechnik, 

BIS Prozesstechnik GmbH 

Termin 

Dienstag, 22.01.2013 

Veranstaltung (11:30 – 17:30 Uhr) 

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

Mittwoch, 23.01.2013 


Ort 

Mannheim, Pepperl+Fuchs GmbH 

Thema 

Antworten zur Planung und 

Inbetriebnahme von Feldbussen 

Teilnahmegebühr 

atp edition-Abonnenten 

Firmenempfehlung 

540 € 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 


Weitere Informationen und Online-Anmeldung unter 


Fax-Anmeldung: +49 (0) 89 45051-207 oder Online-Anmeldung: www.feldbus-sprechstunde.de 

Ich habe die atp edition abonniert 

Ich komme auf Empfehlung von Firma: ..................................................................................................................................................................... 

Vorname Nachname 

Telefon 

Telefax 

Firma/Institution 

E-Mail 

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Land, PLZ, Ort 

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Ort, Datum, Unterschrift 

Ihre freiwilligen Angaben werden zusammen mit den für die Vertragsabwicklung erforderlichen Daten von uns und der Unternehmensgruppe, unseren Dienstleistern sowie anderen 

ausgewählten Unternehmen verarbeitet und genutzt, um Sie über Produkte und Dienstleistungen zu informieren. 


Wenn Sie dies nicht mehr wünschen, schreiben Sie bitte an: Oldenbourg Industrieverlag, Rosenheimer Str. 145, D-81671 München 

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 


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 


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 


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, 


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 


Stefanie Klein 

DSM Nutritional Products, Grenzach-Wyhlen 

Arnold Staedel 

TÜV SÜD Industrie Service GmbH – Niederlassung Nürnberg 

Reinhard Wilkens 

PTB 

Dr. Michael Wittler 

Dekra Exam 

Fragen Sie! 

Die Explosionsschutz-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.explosionsschutz-sprechstunde.de. 

Termin 

Mittwoch, 14.11.2012 


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

Donnerstag, 15.11.2012 


Ort 

Mannheim, Pepperl+Fuchs GmbH 

Thema 

Installation und Betrieb 

explosionsgeschützter Anlagen 

Teilnahmegebühr 

atp edition-Abonnenten 

Firmenempfehlung 



reguläre Teilnahmegebühr 690 € zzgl. MwSt 

Frühbucherrabatt 100 € 

auf alle Tarife bei Anmeldung bis 28.10.2012 

Studenten (Universität, Fachhoch-/Duale Hochschule) 

nehmen gratis teil 

(Vorlage des Studentenausweises bei der Anmeldung) 

Im Preis enthalten sind die Tagungsunterlagen 

sowie das Catering (Kaffee, 2x Mittagsimbiss, 

„Get-Together“ mit Abendessen). 

Veranstalter 

Weitere Informationen und Online-Anmeldung unter 

www.explosionsschutz-sprechstunde.de 

Fax-Anmeldung: +49 (0) 89 45051-207 oder Online-Anmeldung: www.explosionsschutz-sprechstunde.de 

Ich habe die atp edition abonniert 

Ich komme auf Empfehlung von Firma: ..................................................................................................................................................................... 

Vorname Nachname 

Telefon 

Telefax 


E-Mail 

Straße/Postfach 


Hausnummer 

 

Ort, Datum, Unterschrift 

Ihre freiwilligen Angaben werden zusammen mit den für die Vertragsabwicklung erforderlichen Daten von uns und der Unternehmensgruppe, unseren Dienstleistern sowie anderen 

ausgewählten Unternehmen verarbeitet und genutzt, um Sie über Produkte und Dienstleistungen zu informieren. 


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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 


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) 


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 


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 

. 


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 


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 


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 


11 / 2012

REFERENZEN 

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

Instrumented Systems for the Process Industry Sector. 

International Electrotechnical Commission. 2004 

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

elektrischer/elektronischer/programmierbarer 

elektronischer Systeme. International 

Electrotechnical Commission. 2010 

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

An Optimization Approach for Safety Instrumented 

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

Symp. (RAMS 2011), S. 409 – 414, 2011 


Kosteneinsparungen bei PLT-Schutzeinrichtungen 

durch automatischen optimierten Entwurf. 

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

VDI, 2011 

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

SIS-design automation by use of Abstract Safety 

Markup Language. In: Advances in Safety, Reliability 

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

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

safety instrumented system performance. In: Proc. 

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

S. 157 – 163, 2009 

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

Generische Erzeugung von Markov-Modellen zur 

Berechnung sicherheitstechnischer Kenngrößen in 

PLT-Schutzeinrichtungen. 

atp – Automatisierungstechnische Praxis 50 (7), 

S. 53 – 60, 2008 

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

Functional Safety Prediction. In: Proceedings of the 3 rd 

International Workshop on Dependable Control of 

Discrete Systems, S. 133 – 140, 2011 

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

periodic inspection on the performance of safety-critical 

systems. In: IEEE Transactions on Reliability 50, 

321 – 329, 2001 


Optimal prooftests for Safety Instrumented Systems 

based on maintenance models. 

In: 11 th International Probabilistic Safety Assessment 

and Management Conference & The Annual European 

Safety and Reliability Conference (PSAM11 & ESREL 

2012), [im Druck] 

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

Reduzierung der Ausfallwahrscheinlichkeit und 

Verlängerung des Proof-Test-Intervalls durch Einsatz 

von Partial-Stroke-Tests am Beispiel von Stellgeräten. 

atp – Automatisierungstechnische Praxis 50 (11), 

S. 48 – 56, 2008 


Rechnergestützte Ermittlung optimaler Instandhaltungsstrategien 

für PLT-Schutzeinrichtungen. 

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

VDI, 2012 

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11/ 

81671 

2012 

München 

35

HAUPTBEITRAG 

In Echtzeit: RFID-gestütztes 


Robuste Produktion durch bessere Lieferkettentransparenz 

Moderne Produktionsnetzwerke nutzen vermehrt exakt aufeinander abgestimmte Prozesse, 

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

von geplanten Produktionssequenzen ist damit anfällig für kostspielige Störungen von 

Zulieferprozessen geworden. Assistenzsysteme können mit Hilfe von Echtzeit-Objektverfolgungsdaten 

derartige Störungen frühzeitig identifizieren und effektive Gegenmaßnahmen 

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

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

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

gewährleisten eine weitestgehend stabile Produktionsdurchführung in hoch effizienten 

aber volatilen Lieferketten. 

SCHLAGWÖRTER Manufacturing Execution System / Radio-Frequency Identification / 


RFID-based assistant systems on MES level: 

Robust production systems through supply chain transparency 

Modern production networks are characterized by a synchronization of material supply 

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

highly efficient but volatile supply networks. 

KEYWORDS Manufacturing Execution System / Radio-frequency identification / 

production assistant system 

36 


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 


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 


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. 


11 / 2012 

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 


11 / 2012

Erfassungsklasse (Single Readpoint) mittels ALE-Konnektor 

an Simatic IT als Capturing Application realisiert. Die 

Anbindung erfolgte in beiden Fällen unter Verwendung 

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

Softwareumgebung, mit der die angebundene RFID-Hardware 

konfiguriert, überwacht und Daten von erfassten 

RFID-Transpondern per ALE-Report zur Verfügung 

gestellt werden können. Der Datenaustausch zwischen 

RFID-Gate, Handerfassung und Simatic IT wurde mit 

einem InfoBroker realisiert (Für den Prototyp wird als 

InfoBroker eine erweiterte Version des Infosphere Traceability 

Servers von IBM verwendet.). Durch die RFID- 

Hardware werden EPCIS-Events zur Dokumentation der 

Vereinnahmung, Vereinzelung sowie dem Produktionsstart 

und -ende erzeugt. Des Weiteren werden noch EPCIS- 

Events vom Warenausgang in Karlsruhe sowie dem Fortschritt 

des Zuliefertransports ins System eingespeist. Die 

Anbindung des InfoBrokers an Simatic IT wurde mittels 

des in Abschnitt 3 beschriebenen EPCIS-Konnektors 

durchgeführt. Durch den Konnektor können EPCIS- 

Events aus Simatic IT an den InfoBroker und auch vom 

InfoBroker an Simatic IT übermittelt werden. 

Die so erhaltenen EPCIS-Events werden dem in 

Abschnitt 4 beschriebenen Produktionsassistenzsystem 

zur Verfügung gestellt. Bild 6 zeigt die Aufbereitung der 

daraus resultierenden, relevanten Informationen durch 

die Benutzeroberfläche des PAS. Im oberen Drittel werden 

die an der Lieferkette teilnehmenden Akteure dargestellt. 

Durch die Anwahl einer dieser Akteure wird im 

unteren linken Bereich dessen detailierte Prozesskette 

angezeigt. Für die Bezeichnungen der Prozessschritte 

und der Erfassungsklassen kommt das im RAN-Projekt 

definierte Vokabular zum Einsatz. Durch die Anwahl 

einer Erfassungsklasse wird in der Mitte des Bildes die 

Liste der kürzlich an diesem Erfassungspunkt aufgezeichneten 

und über den InfoBroker übermittelten 

EPCIS-Events sowie gegebenenfalls die daraus abgeleiteten 

Störungen angezeigt. Nachdem eine Störung festgestellt 

wurde, lassen sich mittels der Registerkarte 

Überwachung detaillierte Informationen über die erwarteten 

Auswirkungen der Störung auf Leistungskennzahlen 

wie Bestand oder Auslastung abrufen. Eventuelle 

Umplanungen der Produktionsaufträge werden auf der 

rechten Seite der Oberfläche dargestellt. 

Die Identifikation einer Störung, wie sie die Systemmeldung 

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

einer definierten, statischen Regelbasis, die kontinuierlich 

Datenströme unter Verwendung der Complex-Event-Processing-Komponente 

namens Drools Fusion auf Muster 

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

für solche Störungserkennungsregeln beschrieben: Ein 

ChangeInSequence-Ereignis wird erkannt, wenn zwei 

Objekte an aufeinanderfolgenden Lokationen der Lieferkette 

in einer unterschiedlichen Reihenfolge beobachtet 

werden. Unter Verwendung zusätzlicher Plandaten können 

auf Basis des ChangeInSequence-Ereignis wiederum spe- 

BILD 3: Vorhandene und neu entwickelte Konnektoren zur 

Datenintegration. 

BILD 4: Datenbedarf nach Ablaufplan des PAS 


11 / 2012 

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 


11 / 2012

zesse gegen Zulieferstörungen abzusichern. Die Verwendung 

von Echtzeit-Objektverfolgungsdaten auf MES-Ebene 

ermöglicht die Durchführung kurzfristiger Gegenmaßnahmen 

in der Produktion und somit eine effektive 

Behandlung von logistischen Störungen ohne auf eine 

teure Notfalllogistik zurückgreifen zu müssen. Das Produktionsassistenzsystem 

wurde auf Basis des MES 

Simatic IT prototypisch umgesetzt und unter Verwendung 

der SmartAutomation-Forschungsanlage in Nürnberg 

evaluiert. Dazu wurde diese mit drei zusätzlichen 

RFID-Erfassungsklassen sowie einem InfoBroker erweitert. 

Erste Ergebnisse zeigen, dass das eingesetzte PAS 

erfolgreich zur Absicherung einer Produktion gegen 

Lieferverspätungen und falsche Anliefersequenzen eingesetzt 

werden kann. 

Die zukünftigen Arbeiten zielen darauf ab, die Assistenzfunktionalität 

des PAS zu erweitern. So sollen zum 

Beispiel neben Verspätungen und Sequenzverletzungen 

weitere Störungsarten adressiert werden. Zudem sollen 

Prognoseunsicherheiten durch einen wahrscheinlichkeitsbasierten 

Ansatz sowie komplexere Zuliefernetzwerke 

mit einer Vielzahl paralleler JIS-Anlieferungen 

berücksichtig werden. 


30.04.2012 


BILD 6: Benutzeroberfläche des prototypischen Assistenzsystems 

BILD 7: Modularer Aufbau 

der PAS Regelbasis 


11 / 2012 

43

HAUPTBEITRAG 

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Wertschöpfungsnethwerken. 

zwf – Zeitschrift für wirtschaftlichen 

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

AUTOREN 

Dr.-Ing. RAFFAELLO LEPRATTI (geb. 

1976) ist Leiter Account Management 

Automotive für die Überseeländer und 

Projektleiter RAN bei der Siemens AG, 

Sektor Industry. 

Siemens AG, Industry Automation, 

Gleiwitzer Straße 555, D-90475 Nürnberg, 

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

E-Mail: raffaello.lepratti@siemens.com 

Dr. STEFFEN LAMPARTER (geb. 1977) 

ist Research Scientist und Projektleiter 

bei der Siemens AG im Technologiefeld 

Business Analytics & Monitoring 

der zentralen Forschungsabteilung 

Corporate Technology. 

Siemens AG, Corporate Technology, 

Otto-Hahn-Ring 6, D-81739 München, 

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

E-Mail: steffen.lamparter@siemens.com 

Dipl.-Wirtsch.-Ing. GEORG HEINECKE, 

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

Corporate Technology der Siemens AG 

und dem Institut für Werkzeugmaschinen 

und Fertigung der ETH Zürich. 

Sein Forschungsinteresse gilt dem 

Supply Chain Event Management 

Konzept im Rahmen von Produktionsassistenzsystemen. 

Siemens AG, Corporate Technology, 

Otto-Hahn-Ring 6, D-81739 München, 

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

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

Dipl.-Ing. (FH) JOACHIM SCHARNAGL 

(geb. 1970) ist Entwicklungsingenieur 

und Projektleiter in der Vorfeldentwicklung 

des Sektors Industry der 

Siemens AG. Hauptthemengebiete sind 

hochverfügbare (Leit-)Systeme und 

Intrinsic Identity (unter anderem RFID). 



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

E-Mail: joachim.scharnagl@siemens.com 

Dipl.-Ing. Elektrotechnik (TH) RALF 

HANSEN, (geb. 1955) Projektleiter für 

Manufacturing Execution Systeme 

(MES) der Siemens AG im Industriebereich. 

Sein Forschungsinteresse liegt 

in der Betrachtung der Wechselwirkung 

der Lieferkette für die Optimierung 

der Produktionssteuerung im 

Shopfloor-Bereich. 



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

E-Mail: ralf.hansen@siemens.com 

44 


11 / 2012

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HAUPTBEITRAG 

Effizientes Testen heterogener 

Leitsystemkonfigurationen 

Integration gewerkeübergreifender Hardware-Emulatoren 

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

letzten Jahre etabliert. Aufgrund des hohen manuellen Aufwands fokussieren simulationsbasierte 

Testmethoden meist auf den funktionalen Bereich, wobei ausschließlich die 

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

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

aktueller Hardware-Emulatoren erweitert werden. Hierzu wird ein Framework 

präsentiert, welches die für einen Subsystemtest notwendigen Emulatoren integriert und 

automatisch konfiguriert. 

SCHLAGWÖRTER Emulation / Subsystemtest / Virtuelles Framework 

Virtual Emulator Framework – 

Domain independent Integration of Emulators 

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

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

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

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

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

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

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

perform comprehensive tests of automation systems. 

KEYWORDS Emulation / subsystem test / virtual framework 

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11 / 2012

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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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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11 / 2012

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. 

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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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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: 

52 


11 / 2012

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. 


14.05.2012 



11 / 2012 

53

HAUPTBEITRAG 

REFERENZEN 

AUTOREN 

[1] Rodies, H.-J.: Planungswerkzeuge aus Sicht des 

Anlagenbaus. atp – Automatisierungstechnische Praxis 

44(1), S. 40-44, 2002 

[2] Sato, H: The Recent Movement of Foundation Fieldbus 

Engineering. In: SICE Annual Conference, S. 1134 –1137, 

2003 

[3] Barth, M.: Automatisch generierte Simulationsmodelle 

verfahrenstechnischer Anlagen für den Steuerungstest. 

VDI, 2011 

[4] Greifeneder, J., Weber, P., Barth, M., Fay, A.: 

Generierung von Simulationsmodellen auf Basis von 

PLS-Engineering-Systemen. 

atp edition – Auto matisierungstechnische Praxis 54(4), 

S. 34 – 41, 2012 

[5] Maeda, T.: A testing environment. 

ABB’s comprehen sive suite of software testing and 

commis sioning tools for substation automation 

systems. ABB Review Special Report IEC 61850, 

S. 29 – 32, 2010 

[6] IEC61850: Communication networks and systems in 

substations, 2003 

[7] Hoernicke, M. und Bauer, P.: 

Emulation dezentraler Steuerungslogik. 

Dynamisches Testen von Field- Control-Systemen. 

atp edition – Automatisierungs technische Praxis 54(4), 

S. 42 – 49, 2012 

[8] Hoernicke, M., Weemes, P., Hanking, H.: The fieldbus 

outside the field. Reducing commis sioning effort 

by simulating FF with SoftFF. ABB Review 1/2012, 

S. 47-52, 2012. 

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

der Intralogistik. Springer, 2010 

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

Produktionssystemen – Grundlagen, März 2000 

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

automatisierter Produktionssysteme. Herbert Utz, 

2008 

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

Einsatz Simulations-basierter Tests in der Entwicklung 

automatisierungstechnischer Systeme. 

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

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

Edition 2.0, 2003 

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

Fieldbus Control System Project Support Tool 

based on Experimental Analysis and Modeling of 

Communication Bus. 

In: IEEE International Conference on Industrial 

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

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

O’Reilly Media, 2008 

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

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

3 im Business-Umfeld. Addison-Wesley, 2009 

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

IMS Research, Januar 2012 

Dipl.-Ing. (FH) MARIO 

HOERNICKE (geb. 1984) 

ist Wissenschaftler am 

ABB Forschungszentrum 

in Ladenburg. Sein 

Forschungsschwerpunkt 

umfasst die Entwicklung 

neuer und innovativer 

Engineering-Konzepte im 

Bereich Emulation von Leitsystemfunktionen 

und Subsystemen sowie der Automation des 

Engineerings. 

ABB AG Forschungszentrum, 

Wallstadter Straße 59, 

D-68526 Ladenburg, 

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

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

Dr.-Ing. 

JÜRGEN GREIFENEDER 

(geb. 1975) ist seit 2008 

Wissenschaftler am ABB 

Forschungszentrum in 

Ladenburg. Er studierte 

Technische Kybernetik in 

Stuttgart und promovierte 

über formale Antwortzeitanalyse 

netzbasierter Automatisierungssysteme 

in Kaiserslautern. Seine wissenschaftlichen 

Schwerpunkte sind Systemmodellierung und 

effizientes Engineering. 




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

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




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 


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 

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45039 Essen 

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PAPCSE2012 

Please note: 


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 


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. 


11 / 2012 

57

HAUPTBEITRAG 

Zum Erfüllen dieser Ziele definiert OPC UA zunächst 

technologieunabhängige Services wie Lesen (Read) und 

Schreiben (Write) von Werten oder Navigieren im Adressraum 

(Browse). Diese sind bereits serviceorientiert entworfen, 

indem der Zugriff nicht auf einen Wert sondern 

mengenorientiert auf mehreren Werten erfolgt und somit 

die Anzahl der Aufrufe minimiert. Diese Services werden 

auf Technologien abgebildet, wie SOAP-basierte Web 

Services oder ein besonders performantes TCP -basiertes 

Protokoll. Die Daten können dabei in XML oder binär 

kodiert werden. Damit weicht OPC UA vom Konzept der 

klassischen OPC-Spezifikationen ab, lediglich eine 

Schnittstelle für eine existierende Kommunikationsinfrastruktur 

(COM/DCOM) zu definieren, sondern definiert, 

basierend auf existierender Technologie, ein eigenes 

Kommunikationsprotokoll. Damit werden die besonderen 

Anforderungen der Automatisierung bezüglich Verlässlichkeit 

und Verfügbarkeit sowie Performanz und IT- 

Sicherheit besser berücksichtigt. 

Neben der Kommunikation definiert OPC UA Mechanismen 

zur Informationsmodellierung. Dabei werden 

Messwerte und Stellwerte zusammen mit Ereignissen 

und Alarmen verwaltet und ein Zugriff auf die Historie 

beider Datenarten ermöglicht. Zusätzlich können Metadaten 

bereitgestellt und Methoden aufgerufen werden. 

Mit diesen Mechanismen skaliert OPC UA für eine 

Anwendung in vielen Bereichen der Automatisierung. 

OPC UA kann auf kleinen intelligenten Geräten mit 

limitierten Ressourcen über Controller und PC-Systeme 

bis zu großen Mainframe-Systemen oder der Cloud eingesetzt 

werden. Die herstellerunabhängigen Technologien 

ermöglichen den Einsatz auf beliebigen Betriebssystemen. 

Über Profile können OPC-UA-Produkte 

definieren, welche Eigenschaften von OPC UA sie unterstützen. 

Einfache Produkte könnten beispielweise keine 

Historie und lediglich eine kleine Anzahl von Clients 

unterstützen, wohingegen andere Produkte die Historie 

über Dekaden und Tausende von Clients unterstützen. 

Gleiches gilt für Clients, die lediglich von einfachen 

Funktionen, wie das Lesen eines Wertes, Gebrauch 

machen bis hin zu Konfigurations anwendungen, die die 

Struktur des Adressraums eines Servers verändern. 

Diese Skalierung gilt auch für die Informationsmodellierungseigenschaften. 

Ein einfacher Server könnte beispielsweise lediglich 

die Information eines klassischen OPC-DA-Servers 

anbieten und damit ein sehr einfaches Informationsmodell 

ohne semantische Informationen bis hin zu sehr 

komplexen Informationsmodellen, die etwa die Konfiguration 

eines Leitsystems repräsentieren. Einfache Clients 

können ohne Hilfe des Informationsmodells auf vorkonfigurierte 

Werte zugreifen oder mithilfe des Informationsmodells 

konfiguriert werden. 

1.1 Informationsmodellierung 

Die OPC-UA-Informationsmodellierung basiert auf 

einem kleinen Satz von Basiskonzepten, die für die Automatisierungsdomäne 

optimiert wurden und auf die mit 

den Services zugegriffen werden kann. 

Objekte dienen der Strukturierung des Adressraums. 

Daneben dienen sie dem Zugriff auf 

aktuelle Ereignisse und Alarme sowie deren 

Historie. Objekte sind getypt durch Objekttypen. 

Mit Objekttypen werden die Semantik von 

Objekten und die Struktur von komplexen Objekten 

fest gelegt. Objekttypen werden in einer 

Typhierarchie verwaltet, die objektorientierte 

Konzepte, wie Vererbung oder das Überschreiben, 

erlauben. Mit dem Wissen über einen Objekttyp 

kann beispielsweise ein Faceplate definiert werden 

und später auf allen Objekten dieses Typs oder von 

Subtypen angewandt werden. Die Semantik eines 

Objekttyps wird durch dessen Namen und 

Beschreibung bekannt gegeben. Einfache Objekttypen, 

wie der Basisobjekttyp, beinhalten noch keine 

Semantik. Diese wird durch Subtypen beschrieben. 

Ob ein Objekt ein Gerät repräsentiert oder ein 

Gerät einer bestimmten Klasse oder eines 

bestimmten Her stellers wird durch Subtypen 

bestimmt. Durch Vererbung lässt sich also noch 

zusätzliche Semantik definieren. 

Variablen repräsentieren Werte – dies können 

Mess- oder Stellwerte und andere beschreibende 

Werte sein, wie beispielsweise die verwendete 

Messeinheit. Variablen sind direkt oder indirekt 

Objekten zugewiesen und repräsentieren somit 

Werte von Objekten. Variablen sind getypt durch 

Variablentypen. Beim Zugriff auf einen Wert wird 

auf die besonderen Eigenschaften der Automatisierung 

Rücksicht genommen und ein Wert mit 

Zeitstempel und Qualität angeboten. Neben dem 

Zugriff auf aktuelle Werte kann auch auf deren 

Historie zugegriffen werden. Hierbei werden 

verschiedene Aggregatsfunktionen angeboten, die 

auch auf die Qualität der Werte achten (falls ein 

Messgerät eine Zeitlang nicht verfügbar war). 

Variablentypen definieren die Semantik von 

Variablen sowie deren komplexe Struktur. Typischerweise 

wird damit eher eine strukturelle 

Semantik festgelegt – beispielsweise ein analoger 

Messwert mit Messeinheit. Die Semantik der 

Variable wird im Kontext der Verwendung, also 

beispielsweise über den Objekttyp, festgelegt (zum 

Beispiel der primäre Messwert eines Gerätes). 

Methoden sind Objekten oder zur Definition 

Objekttypen zugeordnet und definieren eine 

Aufrufschnittstelle mit Eingabe- und Ausgabeparametern. 

Beispielsweise kann eine Methode ein 

Gerät zur Konfiguration für den Zugriff anderer 

Benutzer (oder Clients) sperren. 

Referenzen definieren die Beziehungen zwischen 

beliebigen Knoten (wie Objekte, Objekttypen, 

Variablen) im Adressraum. Im Gegensatz zu klassischem 

OPC wird nicht mehr lediglich eine 

einfache Hierarchie unterstützt, sondern es 

können beliebige Beziehungen modelliert werden. 

58 


11 / 2012

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 



(DI) 

ADI Informationsmodell 


BILD 2: Abhängigkeiten zwischen verschiedenen Informationsmodellen 

bei OPC UA 


11 / 2012 

59

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 


11 / 2012

■ 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 


11 / 2012 

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 


11 / 2012

(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 


11 / 2012 

63

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 

64 


11 / 2012

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. 


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 



11 / 2012 

65

IMPRESSUM / VORSCHAU 

IMPRESSUM 

VORSCHAU 

Verlag: 

Oldenbourg Industrieverlag GmbH 

Rosenheimer Straße 145 

D-81671 München 

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

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

www.oldenbourg-industrieverlag.de 

Geschäftsführer: 

Carsten Augsburger, Jürgen Franke 

Spartenleiter: 

Jürgen Franke 

Herausgeber: 

Dr. T. Albers 

Dr. G. Kegel 

Dipl.-Ing. G. Kumpfmüller 

Dr. N. Kuschnerus 

Beirat: 

Dr.-Ing. K. D. Bettenhausen 

Prof. Dr.-Ing. Ch. Diedrich 

Prof. Dr.-Ing. U. Epple 

Prof. Dr.-Ing. A. Fay 

Prof. Dr.-Ing. M. Felleisen 

Prof. Dr.-Ing. G. Frey 

Prof. Dr.-Ing. P. Göhner 

Dipl.-Ing. Th. Grein 

Prof. Dr.-Ing. H. Haehnel 

Dr.-Ing. J. Kiesbauer 

Dipl.-Ing. R. Marten 

Dipl.-Ing. G. Mayr 

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: 

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Grafik: 

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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 

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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 

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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 


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. 

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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! 

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