atp edition Plug und Prognose (Vorschau)
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10 / 2012<br />

54. Jahrgang B3654<br />

Oldenbourg Industrieverlag<br />

Automatisierungstechnische Praxis<br />

Reifezeugnis für mechatronische<br />

Entwicklungsprozesse | 28<br />

Das Zeitverhalten<br />

verteilter Anlagen | 36<br />

Safety <strong>und</strong> Security für<br />

Feldbus-Anforderungen | 44<br />

<strong>Plug</strong> and <strong>Prognose</strong> | 52

Print wirkt<br />

„<strong>atp</strong> <strong>edition</strong>“ ist ein Printtitel auf höchster<br />

Qualitätsstufe <strong>und</strong> mit Nachhaltigkeit im<br />

Sinne wiederkehrender Nutzung. Der Titel<br />

erfüllt den selbstgestellten Anspruch eines<br />

anspruchsvollen <strong>und</strong> seriösen Magazins für<br />

Top-Entscheider zwischen Wissenschaft<br />

<strong>und</strong> Praxis konsequent.<br />

Entsprechend der journalistischen Konzeption<br />

ist Online hintenangestellt. Die Jury<br />

sah hier „die beispielhafte Umsetzung einer<br />

wissenschaftlich ausgerichteten Fachzeitschrift<br />

mit Magazincharakter“.

EDITORIAL<br />

Sicherheit <strong>und</strong> Zuverlässigkeit<br />

in automatisierten Prozessen<br />

Unsere Gesellschaft hängt in hohem Maße von der Funktion technischer Systeme<br />

ab. Das wird sich künftig durch die zunehmende intelligente Vernetzung,<br />

Stichwort Cyber-physikalische Systeme, noch deutlich verstärken. Daher<br />

kommt der Zuverlässigkeit der Systeme eine hohe Bedeutung zu.<br />

Kein technisches System ist absolut perfekt, das heißt, es weist Schwachstellen<br />

auf. Treffen Bedrohungen auf Schwachstellen, kann es zu einer Gefährdung für<br />

Mensch, Maschine <strong>und</strong> Umfeld kommen. Um die Gefährdung auf einem akzeptablen<br />

Niveau zu halten, müssen Maßnahmen zur Erhöhung der Zuverlässigkeit<br />

ergriffen werden.<br />

Was ist Zuverlässigkeit? Wir bezeichnen im umgangssprachlichen Wortlaut<br />

einen Menschen als zuverlässig, wenn man sich auf ihn verlassen kann. Die DIN<br />

40041 definiert Zuverlässigkeit als Fähigkeit eines technischen Systems für eine<br />

gegebene Zeitdauer den gestellten Anforderungen zu genügen.<br />

Die Beiträge der vorliegenden Ausgabe adressieren Aspekte an unterschiedlichen<br />

Stellen des Lebenszyklus automatisierter Prozesse, mit denen man die<br />

Zuverlässigkeit beeinflussen kann.<br />

Es beginnt in der Entwurfsphase. Gerade bei disziplinübergreifenden Entwicklungen<br />

sind gut definierte Prozesse eine Voraussetzung für ein zuverlässiges<br />

mechatronisches Produkt. Doch wie steht es um den Reifegrad dieser Prozesse?<br />

Oder um die Bewertung des Zeitverhalten eines Automatisierungssystems,<br />

insbesondere dann, wenn Produkte <strong>und</strong> Systeme unterschiedlicher Hersteller<br />

beteiligt sind?<br />

Für zuverlässige technische Systeme sind die Berücksichtigung der Informationssicherheit<br />

(Security) <strong>und</strong> der Funktionalen Sicherheit (Safety) unabdingbar.<br />

Dabei zeigen sich vielfältige Querbeziehungen zwischen diesen beiden nichtfunktionalen<br />

Eigenschaften, die aufgr<strong>und</strong> bisher getrennter Fachwelten noch<br />

nicht ausreichend adressiert werden.<br />

Keine Komponente oder kein Bauteil hat eine unendliche Lebensdauer. Um die<br />

Verfügbarkeit eines automatisierten Prozesses entsprechend den Anforderungen<br />

dennoch zu gewährleisten, besteht eine zuverlässigkeitserhöhende Maßnahme<br />

in der automatischen Überwachung <strong>und</strong> Fehlerdiagnose des Prozesses.<br />

Wie Sie sehen, sind sehr viele Facetten zu betrachten, bevor ein technisches<br />

System als verlässlich gilt. In diesem Zusammenhang sei auch auf den jüngst<br />

gegründeten VDI/VDE-GMA Arbeitskreis FA 6.15 hingewiesen, der sich mit dem<br />

zuverlässigen Betrieb Ethernet-basierter Bussysteme in der industriellen Automatisierung<br />

beschäftigt. Anwender sind eingeladen, hier ihre Erfahrungen <strong>und</strong><br />

Anforderungen im Umgang mit Ethernet einzubringen!<br />

PROF. DR.-ING.<br />

JÜRGEN JASPERNEITE<br />

Institutsleiter Institut für<br />

industrielle Informationstechnik<br />

(inIT) der Hochschule OWL <strong>und</strong><br />

Leiter Fraunhofer-Anwendungszentrum<br />

Industrial Automation<br />

(IOSB-INA), Lemgo<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

10 / 2012<br />

3

INHALT 10 / 2012<br />

VERBAND<br />

8 | Gr<strong>und</strong>sätze zur Prozessführung per Bildschirm<br />

DKE baut Kooperation mit Eurasien aus<br />

9 | Neuer Leitfaden zeigt Umsetzung funktionaler Sicherheit<br />

mit elektrotechnischen Elementen<br />

AALE zeichnet exzellente Abschlussarbeiten aus<br />

FORSCHUNG<br />

10 | Hohe Fördersummen für kosteneffiziente Planung von Inbetriebnahme<br />

an Lemgoer Modellfabrik<br />

Umfrage zu Produktionsarbeit der Zukunft gestartet<br />

11 | Radar: KIT <strong>und</strong> RUB schaffen Spitzenwert<br />

Master Energieeffizienz<br />

BRANCHE<br />

12 | Von der Handdrossel zum smarten Stellgerät –<br />

75. Namur-Hauptsitzung 2012 in Bad Neuenahr<br />

13 | „Integrated Industry“ ist Leitthema der HMI 2013<br />

Querschnittstechnologien für Ressourceneffizienz<br />

24 | Oberflächeninspektionen nutzen bei<br />

unterschiedlichen Anforderungen den Piezoeffekt<br />

4<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

10 / 2012

PRAXIS<br />

14 | Wenn kapazitive Messtechnik versagt:<br />

Drehflügelmesser optimiert Müllverbrennungsprozess<br />

18 | Mit effizienter Steuerungs- <strong>und</strong> Antriebstechnik<br />

den Maschinenausstoß verdoppelt<br />

20 | Energiebus- <strong>und</strong> Anschluss-System für dezentrale Energieverteilung<br />

vereinfacht neue Förderstrecke<br />

HAUPTBEITRÄGE<br />

28 | Reifezeugnis für mechatronische Entwicklungsprozesse<br />

B. SPIEGELBERGER, M. BONETSMÜLLER, R. STETTER, B. KAUSLER<br />

36 | Das Zeitverhalten verteilter Anlagen<br />

S. SCHÄFER, U. BERGER, D. SCHÖTTKE, T. KÄMPFE<br />

44 | Safety <strong>und</strong> Security für Feldbus-Anforderungen<br />

F. WIECZOREK, F. SCHILLER<br />

52 | <strong>Plug</strong> and <strong>Prognose</strong><br />

L. LIAO, Z. EDMONDSON, H. LUDWIG<br />

RUBRIKEN<br />

3 | Editorial<br />

62 | Impressum, <strong>Vorschau</strong><br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

10 / 2012<br />

5

PRAXIS<br />

Ein Partner für alles – <strong>und</strong> die Welt<br />

der Prozessautomatisierung ist komplett.<br />

6<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

10 / 2012<br />

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<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

10 / 2012<br />

7

VERBAND<br />

Gr<strong>und</strong>sätze zur Prozessführung per Bildschirm<br />

Die VDI-/VDE-Gesellschaft Mess- <strong>und</strong> Automatisierungstechnik<br />

(GMA) hat eine neue Richtlinie über<br />

die Gr<strong>und</strong>lagen zur Prozessführung mit Bildschirmen<br />

veröffentlicht. Moderne Anlagen zur Überwachung,<br />

Kontrolle <strong>und</strong> Steuerung von dynamischen Prozessen<br />

werden meist über ein Prozessleitsystem gesteuert, betont<br />

die GMA. Die neue Richtlinie VDI/VDE 3699 Blatt 2<br />

vermittle dementsprechend wesentliche Informationen<br />

der Prozessführung mit Bildschirmen. Die Einspruchsfrist<br />

endet am 31. Januar 2013.<br />

Aufgezeigt werden die Ziele der Prozessführung <strong>und</strong><br />

die zehn Gr<strong>und</strong>sätze der Mensch-Maschine-Schnittstelle.<br />

Daneben behandelt die Richtlinie die Organisation<br />

von Leitplätzen, Konzepte der Darstellung, Darstellungstechnik<br />

<strong>und</strong> erste Gr<strong>und</strong>lagen der Bedienung.<br />

Die Richtlinie richtet sich an Unternehmen der chemischen<br />

<strong>und</strong> petrochemischen Verfahrenstechnik, Anlagen<br />

zur Dampferzeugung sowie verfahrenstechnische<br />

Anlagen in der Eisenhüttenindustrie, soweit keine besonderen<br />

Vorschriften für die genannten Anlagen oder<br />

Teilanlagen zu beachten sind.<br />

Die GMA betont, das Richtlinienblatt bilde eine Gr<strong>und</strong>lage<br />

zum Verständnis <strong>und</strong> zur Anwendung der übrigen<br />

Blätter der Richtlinienreihe. Der Entwurf der Richtlinie<br />

VDI/VDE 3699 Blatt 2 „Prozessführung mit Bildschirmen<br />

– Gr<strong>und</strong>lagen“ ist ab sofort in deutscher Sprache erhältlich,<br />

unter anderem unter www.vdi.de/richtlinien. gz<br />

WESENTLICHE INFORMATIONEN zur Prozessführung<br />

mit Bildschirmen vermittelt die neue Richtlinie der GMA.<br />

Bild: Scholz<br />

VDI/VDE – GESELLSCHAFT MESS- UND<br />

AUTOMATISIERUNGSTECHNIK (GMA)<br />

VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE E.V.,<br />

VDI-Platz 1, D-40468 Düsseldorf,<br />

Tel. +49 (0) 211 6 21 40, Internet: www.vdi.de<br />

DKE baut Kooperation mit Eurasien aus<br />

DR.-ING. BERNHARD THIES<br />

Sprecher der DKE-Geschäftsführung:<br />

„Wir unterstützen schon seit Jahren<br />

Russland <strong>und</strong> Weißrussland bei den<br />

Themen Normung <strong>und</strong> Standardisierung<br />

<strong>und</strong> haben auch lang anhaltende,<br />

gute Beziehungen zu Kasachstan.“<br />

Bild: DKE<br />

Die DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik<br />

Informationstechnik im DIN <strong>und</strong> VDE<br />

(VDE|DKE) intensiviert ihre Zusammenarbeit mit der<br />

entstehenden Eurasischen Zollunion bei Normung <strong>und</strong><br />

Standardisierung. Bislang besteht die Zollunion aus<br />

Russland, Weißruss land <strong>und</strong> Kasachstan. Bald, so erläutert<br />

die VDE|DKE, soll sie um Kirgistan <strong>und</strong> Tadschikistan,<br />

eventuell auch um die Ukraine erweitert werden.<br />

Damit wäre sie ein Bindeglied zwischen Europa <strong>und</strong> der<br />

dynamischen Asien-Pazifik-Region.<br />

Der Raum der Eurasischen Union stellt nach Einschätzung<br />

des VDE insbesondere in den Bereichen Elektrizität,<br />

Energieversorgung <strong>und</strong> -übertragung sowie moderne<br />

Kommunikations- <strong>und</strong> Informationstechnologien einen<br />

wachsenden Zielmarkt dar. Daher verstärke man die<br />

Bemühungen, den neuen Technologien durch entsprechende<br />

Normen, die auch bei der Gesetzgebung berücksichtigt<br />

werden, den Weg zu bereiten. „Wir unterstützen<br />

schon seit Jahren Russland <strong>und</strong> Weißrussland bei den<br />

Themen Normung <strong>und</strong> Standardisierung <strong>und</strong> haben<br />

auch lang anhaltende, gute Beziehungen zu Kasachstan“,<br />

erläutert Dr.-Ing. Bernhard Thies, Sprecher der DKE-<br />

Geschäftsführung.<br />

Um das Entstehen eines einheitlichen Wirtschaftsraums<br />

zu ermöglichen, haben die Mitglieder der Zollunion<br />

darauf verzichtet, eigene souveräne Normen zu<br />

schaffen. Der VDE setzt sich dafür ein, dass Normung<br />

<strong>und</strong> Standardisierung mit der Zollunion direkt auf den<br />

internationalen Ebenen erfolgen, also in den internationalen<br />

Gremien der Elektrotechnik IEC (Internationale<br />

Elektrotechnische Kommission) <strong>und</strong> CENELEC (Europäisches<br />

Komitee für Elektrotechnische Normung). „Bilaterale<br />

Abkommen auf diesem Gebiet zwischen EU <strong>und</strong><br />

der Zollunion wären in gewisser Weise ein Rückschritt,<br />

weil 80 Prozent der Normungsarbeit innerhalb der Elektrotechnik<br />

ohnehin international erfolgen. In der Elektrotechnik<br />

sind wir hier sehr weit im Gegensatz zu vielen<br />

anderen Bereichen“, konstatiert Dr.-Ing. Hans Heinz Zimmer,<br />

Vorstandsvorsitzender des VDE.<br />

Dem Ausbau der Beziehungen zwischen VDE|DKE<br />

<strong>und</strong> der Eurasischen Zollunion diente unter anderem<br />

jüngst der Besuch einer hochrangigen Delegation der<br />

Eurasischen Wirtschaftskommission bei der DKE.<br />

Zudem führte die VDE|DKE im Juni in Kooperation<br />

mit der Russischen Energie Agentur eine Konferenz<br />

zum Thema „Smart Grid – Normung <strong>und</strong> Praxis“ in<br />

Moskau durch.<br />

gz<br />

DKE DEUTSCHE KOMMISSION ELEKTROTECHNIK<br />

ELEKTRONIK INFORMATIONSTECHNIK IM DIN UND VDE,<br />

Stresemannallee 15, D-60596 Frankfurt am Main,<br />

Tel. +49 (0) 69 630 80, Internet: www.dke.de<br />

8<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

10 / 2012

Neuer Leitfaden zeigt Umsetzung funktionaler<br />

Sicherheit mit elektrotechnischen Elementen<br />

Die wichtigste Aufgabenstellung an die Elektrotechnik<br />

bezüglich funktionaler Sicherheit ist die sicherheitsgerichtete<br />

Abschaltung eines Verbrauchers. Mit ihrer<br />

neuen Empfehlung NE 142 bietet die Namur (Interessensgemeinschaft<br />

von Automatisierungsanwendern in der<br />

Prozessindustrie) dem Anwender einen praxisgerechten<br />

Leitfaden, funktionale Sicherheit mit elektrotechnischen<br />

Elementen umzusetzen. Sie ersetzt nicht sicherheitstechnische<br />

Vorüberlegungen, wie Antworten auf die Frage zu<br />

finden, ob die sicherheitstechnische Anforderung ausschließlich<br />

mit elektrotechnischen Mitteln zu lösen ist<br />

oder ob es auch andere, vorzugsweise diversitäre Lösungsansätze<br />

gibt.<br />

Das Dokument beschreibt für die jeweilige SIL-Klassifizierung<br />

notwendige Auslegungs- <strong>und</strong> Gestaltungshinweise<br />

für elektrotechnische Elemente, wobei sich die Betrach-<br />

tungen im Wesentlichen auf die im Fehlerfall selbsttätig<br />

schaltenden Komponenten wie Schütze <strong>und</strong> Leistungsschalter<br />

konzentrieren. Die im Dokument aufgeführten<br />

Beispiele zielen darauf ab, möglichst elektrotechnische<br />

Standardkomponenten <strong>und</strong> -schaltungen (etwa Standard-<br />

Typicals für Einschubverteilungen) einzusetzen, welche<br />

jeweils mittels Adaptionen den unterschiedlichen Sicherheitsanforderungen<br />

SIL 1 bis SIL 3 genügen. Ausführlich<br />

wird auf die Nutzung bewährter Sicherheitsprinzipien<br />

<strong>und</strong> ebensolcher Elemente eingegangen. Die NE 142 ist bei<br />

der Namur-Geschäftsstelle erhältlich.<br />

gz<br />

NAMUR-GESCHÄFTSSTELLE,<br />

c/o Bayer Technology Services GmbH,<br />

Gebäude K 9, D-51368 Leverkusen<br />

Tel. +49 (0) 214 307 10 34, Internet: www.namur.de<br />

AALE zeichnet exzellente Abschlussarbeiten aus<br />

Für die AALE Student Awards 2013 können noch<br />

Bewerbungen eingereicht werden. Herausragende<br />

Bachelor- <strong>und</strong> Master-Abschlussarbeiten von Hochschulabsolventen<br />

oder -absolventinnen werden dann auf der<br />

10. AALE-Konferenz am 28. Februar <strong>und</strong> 1. März 2013 in<br />

Strals<strong>und</strong> mit den Preisen ausgezeichnet.<br />

Vergeben werden Preisgelder in Höhe von 1000 Euro<br />

für die beste Master-Arbeit <strong>und</strong> in Höhe von 500 Euro<br />

für die beste Bachelor-Arbeit. Sie werden gestiftet von<br />

Bayer Technology Services <strong>und</strong> Evonik Industries. Teilnahmeberechtigt<br />

sind alle Absolventen <strong>und</strong> Absolventinnen<br />

von Hochschulen der angewandten Wissenschaften,<br />

die eine Abschlussarbeit aus dem Gebiet Automation<br />

oder mit eindeutigem Bezug zur Automatisierungstechnik<br />

angefertigt haben.<br />

Die jeweils drei besten Abschlussarbeiten werden von<br />

einer Jury, die mit Fachleuten aus den Hochschulen <strong>und</strong><br />

der Industrie besetzt ist, nominiert <strong>und</strong> deren Autoren<br />

nach Strals<strong>und</strong> eingeladen. Dort stellen sie eine Kurzfassung<br />

ihrer Abschlussarbeiten im Plenum der AALE-<br />

Konferenz vor, bevor die Jury die Preisträger bekanntgibt.<br />

Eingereicht werden können die Arbeiten für den<br />

Award von den jeweiligen Hochschulbetreuern bis zum<br />

15. November 2012 in elektronischer Form im Konferenz-<br />

Management-System. Erforderlich sind eine Kurzfassung<br />

der Arbeit, eine Bewertung durch den Hochschulbetreuer<br />

<strong>und</strong> die Arbeit als PDF-Dokument. Weitere Informationen<br />

sind zu finden unter www.aale2013.fh-strals<strong>und</strong>.de<br />

oder www.aale2013@fh-strals<strong>und</strong>.de<br />

gz<br />

FACHHOCHSCHULE STRALSUND,<br />

Fachbereich Elektrotechnik <strong>und</strong> Informatik,<br />

Zur Schwedenschanze 15, D-18435 Strals<strong>und</strong>,<br />

Tel. +49 (0) 38 31 455, Internet: www.aale2013.fh-strals<strong>und</strong><br />

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Präzision <strong>und</strong><br />

Sicherheit in<br />

der Durchfluss-<br />

Messung<br />

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<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

10 / 2012<br />

9

PROJEKTLEITER Prof.<br />

Dr.-Ing. Oliver Niggemann<br />

<strong>und</strong> Projektkoordinatorin<br />

Natalia Moriz<br />

vom inIT wollen die<br />

neuen Methoden,<br />

Werkzeuge <strong>und</strong><br />

Produkte direkt in der<br />

Lemgoer Modellfabrik<br />

testen. Bild: inIT<br />

FORSCHUNG<br />

Hohe Fördersummen für kosteneffiziente Planung<br />

von Inbetriebnahme an Lemgoer Modellfabrik<br />

Gute Nachrichten für die Automatisierungsforschung.<br />

Mit hohen Fördersummen wird das Forschungsprojekt<br />

„Entwurfsmethoden für Automatisierungssysteme<br />

mit Modellintegration <strong>und</strong> automatischer Variantenbewertung“<br />

von Projektleiter Prof. Dr.-Ing. Oliver Niggemann<br />

<strong>und</strong> Prof. Dr.-Ing. Jürgen Jasperneite gefördert.<br />

Das Forschungsprojekt hat sich zum Ziel gesetzt, durch<br />

frühzeitige, detaillierte Entwürfe von Automatisierungssystemen<br />

Planung <strong>und</strong> Inbetriebnahme von Produktionsanlagen<br />

kosteneffizienter zu gestalten. Welche Anforderungen<br />

die Anwender an die jeweilige Anlage stellen,<br />

wird derzeit nur marginal erfasst.<br />

Unter dem Dach des Lemgoer Centrum Industrial IT<br />

(CIIT) entwickeln das Institut für industrielle Informationstechnik<br />

(inIT) der Hochschule Ostwestfalen-Lippe<br />

<strong>und</strong> das Fraunhofer-Anwendungszentrum Industrial<br />

Automation gemeinsam mit Projektpartnern wie Lenze<br />

Automation Methoden, prototypische Werkzeuge <strong>und</strong><br />

Lösungen zur Kostensenkung bei der Entwicklung von<br />

komplexen Automatisierungssystemen. Gefördert wird<br />

das Vorhaben vom B<strong>und</strong>esministerium für Bildung <strong>und</strong><br />

Forschung (BMBF) mit insgesamt 1,2 Millionen Euro.<br />

Das Projekt setzt an der frühen Entwurfsphase an.<br />

„Durch Methoden, Werkzeuge <strong>und</strong> Lösungen sollen sich<br />

die Planungsphasen von Systemen verkürzen <strong>und</strong> zeitgleich<br />

effizienter werden. Beispielsweise durch die Automatisierung<br />

des Entwurfsprozesses“, erklärt Niggemann.<br />

Mithilfe einer Anforderungserfassung, durch<br />

Planungsunterstützungssysteme <strong>und</strong> durch eine virtuelle<br />

Systemintegration soll höhere Entwurfsqualität erzielt<br />

werden. Die umfangreiche Planung unter Berücksichtigung<br />

aller Ansprüche könnte beispielsweise den Energieverbrauch<br />

in Stillstandzeiten um bis zu 60 Prozent des<br />

Durchschnittsbedarfs verringern. „Gezielte Formulierungen<br />

von Anforderungen bestätigen oder widerlegen die<br />

Erwartung <strong>und</strong> Leistung der Systeme bereits frühzeitig“,<br />

so Projektkoordinatorin Natalia Moriz vom inIT.<br />

Der Startschuss für die Projektpartner Fraunhofer-<br />

Anwendungszentrum, inIT, die MIN-Fakultät der Universität<br />

Hamburg, Lenze, Leikon sowie Inpro ist jetzt<br />

gefallen. Die Förderung läuft über drei Jahre. Dabei<br />

werden neben der Entwicklungsarbeit auch die Methoden,<br />

Werkzeuge <strong>und</strong> Lösungen getestet. Dies geschieht<br />

vorwie gend in der im CIIT integrierten Lemgoer Modellfabrik<br />

der beiden Institute sowie beim Endanwender<br />

Lenze.<br />

Ziel der BMBF-Förderung ist die nachhaltige Stärkung<br />

der Wertschöpfungskette vom Entwurf über Systemintegration<br />

<strong>und</strong> Test der intelligenten Elektroniksysteme<br />

in den Anwendungsfeldern Geräte- <strong>und</strong> Anlagenbau<br />

<strong>und</strong> Medizintechnik. Dazu gehören die Entwicklung<br />

neuer Methoden <strong>und</strong> Produkte sowie der<br />

Aufbau strategischer Partnerschaften zwischen Wirtschaft<br />

<strong>und</strong> Wissenschaft.<br />

ahü<br />

CENTRUM INDUSTRIAL IT<br />

c/o Hochschule Ostwestfalen-Lippe<br />

Langenbruch 6, D-32657 Lemgo,<br />

Tel. +49 (0) 5261 702 59 79, Internet: www.ciit-owl.de<br />

Umfrage zu Produktionsarbeit der Zukunft gestartet<br />

Für eine Studie zur „Zukunft der Produktionsarbeit“<br />

erhebt das Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft<br />

<strong>und</strong> Organisation IAO Informationen zu Voraussetzungen,<br />

Chancen <strong>und</strong> Herausforderungen für eine Produktion<br />

nach dem Industrie-4.0-Prinzip bei Entscheidern<br />

produzierender Unternehmen. Nach Mechanisierung,<br />

Industrialisierung <strong>und</strong> Automatisierung stellt der Paradigmenwechsel<br />

hin zu verstärkter Vernetzung intelligenter<br />

Produktionstechnik durch eingebettete Steuerungen<br />

die vierte industrielle Revolution dar. Das Fraunhofer-<br />

IAO erforscht den Faktor Mensch in der „Industrie 4.0“.<br />

Im sogenannten Internet der Dinge werden reale Produkte<br />

oder Produktionsverfahren mit dem Internet verb<strong>und</strong>en<br />

<strong>und</strong> können dadurch auf neue Weise mit Informationen<br />

angereichert <strong>und</strong> vernetzt werden. „CyberPhysische-Systeme“<br />

(CPS) verbinden zukünftig die virtuelle<br />

Cyberwelt mit Objekten in der real-physischen Welt.<br />

Das können Maschinen <strong>und</strong> Anlagen, aber auch Produkte,<br />

Behälter oder Werkzeuge sein. Der dezentrale Einsatz<br />

vernetzter maschineller Intelligenz schafft vielfältige<br />

Möglichkeiten zur Steigerung der Produktivität. ahü<br />

FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR ARBEITSWIRTSCHAFT<br />

UND ORGANISATION IAO,<br />

Nobelstraße 12, D-70569 Stuttgart,<br />

Tel. +49 (0) 711 970 21 24, Internet: www.iao.fraunhofer.de<br />

ALLES DIGITAL? Das Stuttgarter<br />

Fraunhofer-Institut ermittelt<br />

die Chancen von Industrie 4.0.<br />

Bild: Fraunhofer IAO<br />

10<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

10 / 2012

Radar: KIT <strong>und</strong> RUB<br />

schaffen Spitzenwert<br />

Wissenschaftler am Institut für Hochfrequenztechnik<br />

<strong>und</strong> Elektronik (IHE) des Karlsruher Instituts für<br />

Technologie (KIT) um Prof. Thomas Zwick <strong>und</strong> am Lehrstuhl<br />

für Integrierte Systeme der Ruhr-Universität Bochum<br />

(RUB) um Prof. Nils Pohl haben ein Radarsystem<br />

zur Abstandsmessung entwickelt <strong>und</strong> erfolgreich eingesetzt.<br />

Bei einem gemeinsamen Versuch im Juli dieses<br />

Jahres erreichten die Karlsruher <strong>und</strong> Bochumer Forscher<br />

mit einer Genauigkeit von einem Mikrometer einen neuen<br />

Rekordwert für Radarabstandsmessungen.<br />

Zur Messung setzen die Wissenschaftler ein Dauerstrichradar<br />

(FMCW-Radar – Frequency Modulated Continuous<br />

Wave Radar) ein, dessen Sender während der<br />

Dauer des Messvorgangs ununterbrochen arbeitet. Die<br />

RUB-Forscher entwickelten die Hardware, die Wissenschaftler<br />

des KIT die Algorithmik. Das Radarsystem mit<br />

speziellem Messaufbau erlaubt die mikrometergenaue<br />

Messung von Abständen bis zu mehreren Metern im Freiraum.<br />

Im Vergleich zu Lasersystemen sind diese kostengünstiger<br />

<strong>und</strong> bieten die Möglichkeit, absolute Positionen<br />

eindeutig zu messen. Durch den quasi unbegrenzten<br />

Eindeutigkeitsbereich ist das Radar dem Laser weit überlegen.<br />

Künftig soll das Radarsystem verschiedene Messaufgaben<br />

in der Produktions- <strong>und</strong> Anlagentechnik hochgenau,<br />

vielseitig <strong>und</strong> kostengünstig ausführen. sky<br />

KARLSRUHER INSTITUT FÜR TECHNOLOGIE (KIT),<br />

Kaiserstraße 12, D-76131 Karlsruhe<br />

Tel. +49 (0) 721 60 84 74 14, Internet: www.kit.edu<br />

Master Energieeffizienz<br />

Die Fachhochschule Brandenburg (FHB) bietet zum<br />

Wintersemester den neuen Studiengang „Energieeffizienz<br />

technischer Systeme“ an. Der Studiengang soll<br />

weiterbildende Kenntnisse auf dem Gebiet der Energieeffizienz<br />

vermitteln. Der Masterabschluss qualifiziert für<br />

vielfältige Aufgaben in Energie- <strong>und</strong> Umwelttechnik,<br />

Verkehrswesen, Verfahrenstechnik, Gebäudetechnik,<br />

Automatisierungstechnik sowie Informations- <strong>und</strong> Kommunikationstechnik.<br />

Aufbauend auf den Fachkenntnissen des jeweiligen<br />

Bachelorstudiums vertieft der interdisziplinäre Masterstudiengang<br />

durch einen systematischen Ansatz die<br />

Schwerpunkte der Energieeffizienz. In verschiedenen<br />

fachlichen Richtungen werden ausgewählte Problemstellungen,<br />

wie etwa Systeme der erneuerbaren Energien,<br />

Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz<br />

im System Bahn, der Systementwurf, die Gebäudeversorgungstechnik<br />

sowie Fragen der Automatisierung<br />

<strong>und</strong> Simulation technischer Systeme behandelt. Praktische<br />

Erfahrungen lassen sich in einem interdisziplinären<br />

Projekt sammeln, an das sich die Masterarbeit<br />

inhaltlich anschließt.<br />

ahü<br />

FACHHOCHSCHULE BRANDENBURG,<br />

Magdeburger Straße 50, D-14770 Brandenburg an der Havel,<br />

Tel. +49 (0) 3381 35 50, Internet: www.fh-brandenburg.de<br />

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Armaturen AG<br />

von Rohr<br />

ARCA BV<br />

von Rohr<br />

27.–29. November 2012<br />

Halle 4 · Stand A02<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

10 / 2012<br />

11

BRANCHE<br />

Von der Handdrossel zum smarten Stellgerät –<br />

75. Namur-Hauptsitzung 2012 in Bad Neuenahr<br />

Bei der Automatisierung von verfahrenstechnischen<br />

Prozessen spielt neben der Prozessleittechnik <strong>und</strong> der<br />

Sensorik die Aktorik eine wichtige Rolle. Daher widmet die<br />

Namur ihre 75. Hauptsitzung diesem vielseitigen Thema.<br />

Die Veranstaltung wird am 8. <strong>und</strong> 9. November 2012 in<br />

Bad Neuenahr einen thematischen Bogen von den Anfängen<br />

der einfachen, mechanischen bis zur heutigen<br />

komplexen, smarten Aktorik mit Zukunftspotenzial für<br />

weitergehende prozesstechnische Aufgaben spannen.<br />

Zu den Arbeitspferden der Prozessautomatisierung gehören<br />

die Stellgeräte, die Stoffströme zur Regelung von<br />

Prozessgrößen wie beispielsweise Druck, Temperatur,<br />

Durchfluss <strong>und</strong> Füllstand beeinflussen. Gab es viele Jahrzehnte<br />

in der chemischen Industrie ausschließlich rein<br />

manuelle Bedienmöglichkeiten, so sind heutige Stell geräte<br />

eine ausbalancierte Kombination aus robuster Mechanik <strong>und</strong><br />

intelligenter Funktion, bestehend aus optimierten mechanischen<br />

Komponenten <strong>und</strong> smarten Stellungsreglern.<br />

Mit mehr als 100 Jahren Erfahrung <strong>und</strong> hoher Fachkompetenz<br />

im Bereich der Stellgeräte-Aktorik sieht die Namur<br />

die Samson Group als idealen Partner für die diesjährige<br />

Hauptsitzung. Dr. Jörg Kiesbauer, im Vorstand der Samson<br />

AG für Forschung <strong>und</strong> Entwicklung verantwortlich, wird<br />

in seinem Plenarvortrag zunächst darauf eingehen, welche<br />

historische Entwicklung Stellgeräte durchlaufen haben.<br />

Heute ist ein Stellgerät eine Einheit aus Ventil, meist<br />

pneumatischem Antrieb <strong>und</strong> Anbaugeräten wie Stellungsregler<br />

oder Magnetventil. Durch Kombination ergibt sich<br />

ein modularer, aber auch komplexer Funktionsbaukasten,<br />

der durch Auslegung <strong>und</strong> geeignete Auswahl der Komponenten<br />

Lösungen für fast jede Anforderung liefert.<br />

Mit dem digitalen Stellungsregler konnten die Funktionen<br />

eines Stellgerätes erheblich erweitert werden.<br />

Hier stehen vor allem Diagnosefunktionen im Vordergr<strong>und</strong>.<br />

Diese sind mittlerweile so weit fortgeschritten,<br />

dass sich Stellgeräte heute je nach Aufgabenstellung als<br />

hochkomplexe mechatronische Einheiten präsentieren.<br />

Ursprünglich gingen die Entwicklungen zur Fehlerdiagnose<br />

der Stellgeräte von den Regelventilen aus. Inzwischen<br />

zeichnet sich auch ein Trend zur Fehlerdiagnose<br />

bei automatisierten Auf/Zu-Ventilen ab. Weit verbreitet<br />

ist hier bereits der Teilhubtest (Partial Stroke Test) beim<br />

Emergency-Shutdown-Ventil, bei dem in dieser Ausprä-<br />

MODERNE AKTORIK spielt<br />

für die Automatisierung<br />

verfahrenstechnischer<br />

Prozesse eine wichtige<br />

Rolle – <strong>und</strong> sie bestimmt<br />

thematisch die Namur-<br />

Hauptsitzung<br />

gung neben dem Magnetventil als Steuereinheit für die<br />

Sicherheitsabschaltung ein zusätzlicher Stellungsregler<br />

hauptsächlich als Diagnosegerät zum Einsatz kommt.<br />

Die Mittel der Diagnose ermöglichen heute die Klassifikation<br />

der Diagnoseergebnisse in Form von eindeutigen<br />

Statusmeldungen. Auch diese aktuellen Themen wird<br />

die diesjährige Hauptsitzung aufnehmen <strong>und</strong> von verschiedenen<br />

Seiten beleuchten.<br />

Dem Hauptvortrag des diesjährigen Partners Samson<br />

in der Plenarsitzung am Donnerstagvormittag folgen drei<br />

Beiträge aus der Namur, die Aspekte aus dem breiten<br />

Spektrum des Hauptvortrages aufgreifen <strong>und</strong> sich aus<br />

der Sicht der Anwender mit aktuellen Themen des Stellgeräte-Engineering,<br />

der Entwicklung der Gerätediagnose<br />

zum Informationsmanagement <strong>und</strong> der funktionalen<br />

Sicherheit befassen werden.<br />

Viele Workshop-Beiträge aus den Arbeitsfeldern der<br />

Namur, weitere Beiträge sowohl von Samson <strong>und</strong> als auch<br />

aus der Namur zum diesjährigen<br />

Schwerpunkthema Aktorik sowie ein<br />

interessantes Programm am Freitagvormittag<br />

mit dem Schwerpunkt „Integriertes<br />

Engineering“ versprechen,<br />

die Namur-Hauptsitzung zu einem außergewöhnlichen<br />

Automatisierungs-<br />

Event werden zu lassen. gz<br />

NAMUR-GESCHÄFTSSTELLE,<br />

c/o Bayer Technology Services GmbH,<br />

Gebäude K 9, D-51368 Leverkusen,<br />

Tel. +49 (0) 214 307 10 34,<br />

Internet: www.namur.de<br />

DR. JÖRG KIESBAUER, im<br />

Samson-Vorstand für Forschung<br />

<strong>und</strong> Entwicklung<br />

verantwortlich. Bilder: Samson<br />

NEUERSCHEINUNG: RECKNAGEL<br />

Recknagel 2013/2014 – Taschenbuch für Heizung + Klimatechnik<br />

Seit über 100 Jahren setzt der Oldenbourg Industrieverlag mit dem Taschenbuch für Heizung + Klimatechnik – kurz Recknagel<br />

oder auch Recknagel-Sprenger genannt – den Maßstab für die Wissensvermittlung in der Heizungs-, Lüftungs- <strong>und</strong> Klima-<br />

Branche (HLK). Für Generationen von Technikern <strong>und</strong> Ingenieuren war <strong>und</strong> ist der Recknagel das maßgebende Standardwerk<br />

zu allen HLK-Fragen<br />

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HERAUSGEBER: Hermann Recknagel, Eberhard Sprenger, Ernst-Rudolf Schramek<br />

Auflage 2013/14, ca. 1900 Seiten, Basisversion Print, 149,90 Euro<br />

12<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

10 / 2012

„Integrated Industry“ ist<br />

Leitthema der HMI 2013<br />

Mit dem Leitthema „Integrated Industry“ rückt die<br />

Hannover Messe Industrie vom 8. bis 12. April 2013<br />

nach eigenen Angaben die zunehmende Vernetzung aller<br />

Bereiche der Industrie in den Mittelpunkt. „Integrated<br />

Industry“ beschreibe neben der technischen <strong>und</strong> elektronischen<br />

Vernetzung die Herausforderung an alle Teilbereiche<br />

der Industrie, unternehmens- <strong>und</strong> branchenübergreifend<br />

zusammenzuarbeiten. Kommunikationswege<br />

können so verkürzt <strong>und</strong> Zusammenarbeit effizienter<br />

werden. Die zunehmende Vernetzung ist unter dem<br />

Stichwort „Industrie 4.0“ Kernprojekt der Hightech-<br />

Strategie der deutschen B<strong>und</strong>esregierung. Wirtschaftsexperten<br />

gehen davon aus, dass der Grad der Vernetzung<br />

der Industrie entscheidender Erfolgsfaktor im internationalen<br />

Wettbewerb der Unternehmen <strong>und</strong> der Volkswirtschaften<br />

sein wird. Mit Themen wie Embedded<br />

Systems <strong>und</strong> Smart Production stehen auf der Industrial<br />

Automation, einer Teilmesse der HMI 2013, integrierte<br />

Automatisierungsprozesse im Vordergr<strong>und</strong>. Anhand von<br />

intelligenten Produktionssystemen <strong>und</strong> -verfahren sowie<br />

der Realisierung <strong>und</strong> Koordination von vernetzten geografisch<br />

verteilten Produktionsstätten werde „Integrated<br />

Industry“ erlebbar.<br />

ahü<br />

FachPack<br />

Halle 4A, Stand 417<br />

EuroBLECH<br />

Halle 27, Stand C41<br />

Motek<br />

Halle 9, Stand 9108<br />

DEUTSCHE MESSE AG,<br />

Messegelände, D-30521 Hannover,<br />

Tel. +49 (0) 511 89,<br />

Internet: www.messe.de<br />

Querschnittstechnologien<br />

für Ressourceneffizienz<br />

Klare Forderungen an die Verfahrenstechnik <strong>und</strong> Geowissenschaft<br />

stellt das Positionspapier „Aufbereitungstechnik“<br />

der ProcessNet-Fachgruppen Zerkleinern/<br />

Klassieren <strong>und</strong> Grenzflächenbestimmte Systeme <strong>und</strong><br />

Mechanische Flüssigkeitsabtrennung. Die Verknappung,<br />

die Erschließung <strong>und</strong> Verarbeitung neuer Rohstoffe stellen<br />

besondere Anforderungen an die Verfahrenstechnik.<br />

Experten aus Industrie <strong>und</strong> Wissenschaft haben analysiert,<br />

wie sich die Rohstoffbasis verändert <strong>und</strong> welche<br />

angepassten Verfahren notwendig sind, um neue Quellen<br />

effizient zu nutzen. Eine entscheidende Rolle für den<br />

wirtschaftlichen Einsatz biotechnologischer Prozesse<br />

spielten außerdem Adsorption, Extraktion <strong>und</strong> Chromatographie<br />

sowie hybride Verfahren.<br />

ahü<br />

DECHEMA – GESELLSCHAFT FÜR CHEMISCHE TECHNIK<br />

UND BIOTECHNOLOGIE E.V.,<br />

Theodor-Heuss-Allee 25, D-60486 Frankfurt am Main,<br />

Tel. +49 (0) 69 756 40<br />

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<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

6 / 2012<br />

13

PRAXIS<br />

Wenn kapazitive Messtechnik versagt:<br />

Drehflügelmesser optimiert Müllverbrennungsprozess<br />

Quickborner Lösung kommt in deutsch-niederländischer Anlage zum effizienten Einsatz<br />

Der Drehflügelmesser MBA 200 gibt Informationen<br />

über die Füllstände im Rauchgasbunker der Recyclingfirma<br />

EVI Abfallverwertung B.V. & Co KG. Er kann<br />

als Voll- <strong>und</strong> Leermelder in dem feinen Restgut effizient<br />

eingesetzt werden.<br />

EVI PRODUZIERT GRENZÜBERSCHREITEND<br />

ENERGIE AUS MÜLLVERBRENNUNG<br />

Europa produziert jährlich 1,8 Milliarden Tonnen Abfall,<br />

von dem trotz eingeführter Recycling-Aktivitäten<br />

Tonnen an Restmüll übrigbleiben. Diese Reste bilden<br />

als wertvoller Brennstoff die Gr<strong>und</strong>lage zur Energieerzeugung.<br />

Das niederländisch-deutsche Unternehmen<br />

EVI Abfallverwertung B.V. & Co KG nahe Coevorden<br />

<strong>und</strong> Emlichheim/Laar hat sich dies zur Aufgabe<br />

gemacht. Am Standort betreibt das Unternehmen eine<br />

Müllverbrennungsanlage: die „Europark Verbrennings<br />

Installatie“ (EVI). Insgesamt 365 000 Kilogramm pro<br />

Jahr an Gewerbe- <strong>und</strong> Haushaltsmüll verbrennt die<br />

gesamte Anlage <strong>und</strong> erreicht damit eine elektrische<br />

Leistung von 46 MVA el beziehungsweise eine thermische<br />

Leistung von 2 x 76 MW th .<br />

Die Anlage von EVI arbeitet grenzüberschreitend.<br />

Während die Verbrennungsanlage auf deutschem Gebiet<br />

steht, wird auf niederländischem Territorium mit der<br />

Turbine <strong>und</strong> dem Generator Elektrizität erzeugt. EVI produziert<br />

im Verbrennungsprozess Dampf, der als thermische<br />

Energie über einen Turbinenrotor an einen 70-Megawatt-Generator<br />

geleitet wird. Im Generator wird die<br />

Rotorenergie in elektrischen Strom mit einer Spannung<br />

von 10 000 Volt umgewandelt. Insgesamt deckt EVI mit<br />

seiner hergestellten Energie 0,4 Prozent des gesamten<br />

niederländischen Strombedarfs.<br />

KAPAZITIVE MESSTECHNIK FÜR<br />

FEINES FILTERGUT UNGEEIGNET<br />

Der wichtigste Teil nach der Energieerzeugung ist für<br />

den Betrieb eines solchen Unternehmens die Rauchgasreinigungsanlage<br />

(RRA). Schadstoffe, die bei der Müllverbrennung<br />

entstehen, werden hier aus dem Rauchgas<br />

entfernt. Additive wie Natriumbikarbonat <strong>und</strong> Hochofenkoks<br />

absorbieren Schwefeldioxid, Kohlenwasserstoffe<br />

<strong>und</strong> Schwermetalle im Reinigungsvorgang <strong>und</strong> neutralisieren<br />

sie. Anschließend wird das Rauchgas in eine<br />

Kammer durch Schlauchfilter geleitet, an denen die festen<br />

staubförmigen Partikel als Filterkuchen haften bleiben.<br />

Von Zeit zu Zeit wird dieser Filterkuchen mit Druckluft<br />

gereinigt.<br />

Im Filterbunker gibt es zwei Optionen: Im Normalfall<br />

wird das Material mittels einer Regelklappe dem<br />

Absorber erneut zugeführt, da die Additive mehrmals<br />

im Filtervorgang genutzt werden. Sammelt sich im<br />

Bunker jedoch zu viel Filtermaterial an, leitet eine<br />

Zellenradschleuse bestimmte Mengen direkt an die<br />

Produktsilos weiter.<br />

Für die Ermittlung des Füllstands im Bunker nutzte<br />

EVI bisher die kapazitive Messtechnik. Ein Problem<br />

für diese Messtechnik besteht im Unterdruck, der im<br />

DURCHGANG AM RAUCHGAS-BUNKER der Müllverbrennungsanlage.<br />

Hier kommt der Drehflügelmesser zum Einsatz.<br />

14<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

10 / 2012

Auffangbunker herrscht. Das Material aus der Rauchgasreinigung<br />

ist extrem fein. Es fließt förmlich, besonders<br />

im warmen Zustand, <strong>und</strong> neigt daher leicht zu<br />

ungleicher Verteilung.<br />

Die Rauchgasasche verhält sich somit ähnlich wie<br />

Mehl. Geringe Mengen sind leicht <strong>und</strong> wirbeln stark auf.<br />

Große Mengen hingegen werden träge <strong>und</strong> setzen sich<br />

ab. Es entstehen Aufschüttungen, zwischen denen sich<br />

Krater <strong>und</strong> Leerräume bilden. Geschieht dies direkt am<br />

kapazitiven Sensor, entstehen Fehlsignale, die einen vollen<br />

oder leeren Bunker melden. Durch diese Fehlmessungen<br />

konnte der genaue Füllstand im Filterbunker<br />

nicht ermittelt werden.<br />

DREHFLÜGELANZEIGER GIBT FÜLLSTAND<br />

ZUVERLÄSSIG AN<br />

Für die speziellen Anforderungen in der Messung der<br />

Rauchgasrückstände hat EVI eine Lösung gesucht, die<br />

trotz des feinen Guts zuverlässig den Füllstand anzeigt.<br />

Der Betreiber entschied sich für den Drehflügelanzeiger<br />

MBA 200 von der MBA Instruments GmbH<br />

aus Quickborn. Hauptvorteil des Drehflügelanzeigers ist<br />

Feldbusunabhängig<br />

in den Ex-Bereich!<br />

Das WAGO-I/O-SYSTEM 750 ist sowohl für den Einsatz in nicht<br />

explosionsgefährdeten als auch in explosionsgefährdeten Bereichen der<br />

Industrie <strong>und</strong> des Bergbaus ausgelegt.<br />

Im industriellen Ex-Bereich kann das WAGO-I/O-SYSTEM 750 in der<br />

Zone 2 / 22 eingesetzt werden <strong>und</strong> bietet eine sichere, einfache <strong>und</strong><br />

wirtschaftliche Verbindung zur Sensorik <strong>und</strong> Aktorik der Zone<br />

0 / 20 <strong>und</strong> 1 / 21.<br />

Die hierfür entwickelten Ex i Busmodule bilden hierbei ein eigensicheres<br />

Segment, das integriert in einen Standardbusknoten dem Anwender<br />

sämtliche Vorzüge moderner Feldbustechnik bietet: Feldbusunabhängigkeit,<br />

Flexibilität, Modularität, IEC 61131-3 Programm ierbarkeit, Zuverlässigkeit,<br />

Wirtschaftlichkeit, etc.<br />

Zur Verfügung stehen die Ex i Busmodule: Digital Eingang NAMUR, Digital<br />

Ausgang, Analog Eingang 4-20mA, Analog Eingang 4-20mA HART,<br />

Analog Eingang RTD, Analog Eingang TC, Analog Ausgang 0-20mA <strong>und</strong><br />

die Ex i Einspeisung 1,0A.<br />

Zertifiziert nach ATEX, IEC-EX, UL ANSI/ISA 12.12.01, UL 508 <strong>und</strong><br />

Schiffbau (u.a. GL, LR).<br />

die Einsatzmöglichkeit als Voll- <strong>und</strong> Leermelder in fast<br />

allen Schüttgütern. Als Vollmelder verhindert das Gerät<br />

das Überlaufen des Bunkers auch dann, wenn Störungen<br />

wie Spannungsausfall oder Drahtbruch in der Zuleitung<br />

auftreten. Mit der Laufüberwachung wird die Rotation<br />

der Welle direkt gemessen: Wenn sich die Welle nicht<br />

mehr dreht <strong>und</strong> gleichzeitig keine Vollmeldung ansteht,<br />

dann wird eine Störung am Gerät angezeigt <strong>und</strong> gleichzeitig<br />

ein Voll-Signal erzeugt, das die weitere Befüllung<br />

des Silos stoppt. So wird eine Überfüllung des Silos oder<br />

Bunkers verhindert. Eine grüne Betriebskontrollleuchte<br />

zeigt die Funktion des MBA 200 permanent an.<br />

Das Gerät besitzt einen großen Klemmenraum für den<br />

Anschluss der Kabel <strong>und</strong> einen drehbaren Gerätekopf<br />

zur exakten Ausrichtung nach der Montage. Entsprechend<br />

der speziellen Prozessbedingungen hat EVI den<br />

MBA 200 für höhere Temperaturen bis 200° Celsius gewählt.<br />

Je nach Material lassen sich unterschiedliche<br />

Wellen <strong>und</strong> Flügel nutzen.<br />

Da es sich bei dem Material in der Verbrennungsinstallation<br />

um extrem feines Pulver handelt, hat EVI sich<br />

für den einseitigen Flügel entschieden. Bei waagerechwww.wago.com<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

10 / 2012<br />

15

PRAXIS<br />

IM RAUCHGASBUNKER der Müllverbrennungsanlage<br />

kommt der Drehflügelmesser zum Einsatz.<br />

DIE MÜLLVERBRENNUNGSANLAGE „Europark Verbrennings Installatie“ (EVI)<br />

an der deutsch-niederländischen Grenze.<br />

tem Einbau entsteht so eine größere Kraftübertragung<br />

beim Schaltvorgang für das Signal, wenn der Flügel in<br />

das feine Pulver eintaucht.<br />

Auch wirtschaftlich ist die exakte Messtechnik mittels<br />

Drehflügel von Vorteil. Die im Reinigungsprozess zugegebenen<br />

Absorbentien richten sich nach der Beschaffenheit<br />

des Rauchgases. „Bei der alten Messtechnik war oft<br />

nicht eindeutig klar, ob das Produkt abgefördert werden<br />

musste. Auf längere Zeit sind solche mutmaßlichen Entscheidungen<br />

wirtschaftlich untragbar“, sagt Maik Lübbermann,<br />

Leiter Instandhaltung bei EVI <strong>und</strong> fügt hinzu:<br />

„Aufgr<strong>und</strong> der Laufüberwachung des Drehflügelmelders<br />

im Bunker erhält die Leittechnik gesicherte Signale, wodurch<br />

die Abförderung im Filterbunker jetzt optimiert<br />

<strong>und</strong> damit effizient abläuft.“<br />

Insgesamt hat die deutsch-niederländische Müllverbrennungsanlage<br />

25 Sensoren von MBA Instruments<br />

bezogen. In den vier Filterkammern werden 24 Geräte<br />

eingesetzt, wobei pro Kammer sechs Geräte messen. Diese<br />

sind eingeteilt nach MIN, MAX 1, was einem Voralarm<br />

entspricht, <strong>und</strong> MAX 2, was „Bunker voll“ bedeutet.<br />

Zusätzlich hat EVI ein Gerät als Reserve eingelagert.<br />

Das Unternehmen hat sich für Geräte in 24-Volt-Version<br />

entschieden.<br />

AUTOR<br />

MBA Instruments GmbH,<br />

Friedrich-List-Straße 3–7,<br />

D-25451 Quickborn,<br />

Tel. +49 (0) 4106 123 88 80,<br />

E-Mail: info@mba-instruments.de<br />

HANS-HEINRICH WESTPHAL<br />

ist als Geschäftsführer bei<br />

der MBA Instruments GmbH<br />

tätig.<br />

16<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

10 / 2012

Die Referenzklasse für die<br />

Automatisierungstechnik<br />

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Automatisierungsbranche bewegt. Alle Hauptbeiträge<br />

werden in einem Peer-Review-Verfahren begutachtet,<br />

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Gratis für Sie: Der Tagungsband AALE 2012 als e-Paper<br />

Das Kompendium bietet eine Zusammenstellung der Fachreferate des 9. Fachkolloquiums<br />

für angewandte Automatisierungstechnik in Lehre <strong>und</strong> Entwicklung an Fachhochschulen.<br />

Die Veranstaltung versteht sich als Forum für Fachleute der Automatisierungstechnik aus<br />

Hochschulen <strong>und</strong> Wirtschaft. Sie wird von der Fakultät Mechatronik <strong>und</strong> Elektrotechnik der<br />

Hochschule Esslingen mit Unterstützung des VFAALE <strong>und</strong> dem Kompetenzzentrum<br />

Mechatronik BW e.V. organisiert <strong>und</strong> ausgerichtet.<br />

1. Aufl age 2012, 399 Seiten, Broschur<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong> erscheint in der Oldenbourg Industrieverlag GmbH, Rosenheimerstr. 145, 81671 München<br />

Oldenbourg-Industrieverlag<br />

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Vorteilsanforderung per Fax: +49 (0) 931 / 4170 - 492 oder im Fensterumschlag einsenden<br />

Ja, ich möchte <strong>atp</strong> <strong>edition</strong> im Abo-plus-Paket lesen.<br />

Bitte schicken Sie mir die Fachpublikation für zunächst ein Jahr (12 Ausgaben) als gedrucktes Heft<br />

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Als Dankeschön erhalte ich den Tagungsband AALE 2012 gratis als e-Book.<br />

Nur wenn ich nicht bis von 8 Wochen vor Bezugsjahresende kündige, verlängert sich der Bezug um<br />

ein Jahr.<br />

Die sichere, pünktliche <strong>und</strong> bequeme Bezahlung per Bankabbuchung wird mit einer Gutschrift von<br />

€ 20,- auf die erste Jahresrechung belohnt.<br />

Firma/Institution<br />

Vorname/Name des Empfängers<br />

Straße/Postfach, Nr.<br />

Land, PLZ, Ort<br />

Telefon<br />

Telefax<br />

Antwort<br />

Leserservice <strong>atp</strong><br />

Postfach 91 61<br />

97091 Würzburg<br />

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Branche/Wirtschaftszweig<br />

Bevorzugte Zahlungsweise □ Bankabbuchung □ Rechnung<br />

Bank, Ort<br />

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✘<br />

Kontonummer<br />

Widerrufsrecht: Sie können Ihre Vertragserklärung innerhalb von 14 Tagen ohne Angabe von Gründen in Textform (Brief, Fax, E-Mail) oder durch Datum, Unterschrift<br />

PAATPE0312<br />

Rücksendung der Sache widerrufen. Die Frist beginnt nach Erhalt dieser Belehrung in Textform. Zur Wahrung der Widerrufsfrist genügt die rechtzeitige<br />

Absendung des Widerrufs oder der Sache an den Leserservice <strong>atp</strong>, Franz-Horn-Str. 2, 97082 Würzburg.<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

Nutzung personenbezogener Daten: Für die Auftragsabwicklung <strong>und</strong> zur Pfl ege der laufenden Kommunikation werden personenbezogene Daten erfasst, gespeichert <strong>und</strong> verarbeitet. Mit dieser Anforderung er kläre ich mich damit 10 / 2012 einverstanden, 17 dass ich vom<br />

Oldenbourg Industrieverlag oder vom Vulkan-Verlag □ per Post, □ per Telefon, □ per Telefax, □ per E-Mail, □ nicht über interessante, fachspezifi sche Medien- <strong>und</strong> Informationsangebote informiert <strong>und</strong> beworben werde. Diese Erklärung kann ich mit Wirkung für<br />

die Zukunft jederzeit widerrufen.

PRAXIS<br />

Mit effizienter Steuerungs- <strong>und</strong> Antriebstechnik<br />

den Maschinenausstoß verdoppelt<br />

Wöhler-Brush-Tech-Anlagen zur Bürstenherstellung erzielen mit B&R-Technik Spitzenleistungen<br />

Moderne Steuerungs- <strong>und</strong> Antriebstechnik unterstützt<br />

die Wöhler Brush Tech GmbH nachhaltig in ihrem<br />

Erfolg. Der Spezialist für halbautomatische <strong>und</strong> vollautomatische<br />

Maschinen zur Herstellung technischer Bürsten<br />

vermeldete jüngst mehrere Weltbestleistungen seiner<br />

Streifenbürsten maschine SBM92.<br />

Bis zu 40 Meter Streifenbürsten pro Minute lassen sich<br />

auf der Bürstenmaschine SBM92 vollautomatisch produzieren.<br />

Sie ist damit nach Angaben des Herstellers die<br />

schnellste Streifenbürstenmaschine der Welt. Vor nicht<br />

einmal zehn Jahren war bereits bei etwa 10 Metern pro<br />

Minute das Maximum erreicht. „Es ist uns seit dem immer<br />

wieder gelungen, den Durchsatz stufenweise anzuheben“,<br />

erläutert Rudolf Brenken, langjähriger Geschäftsführer<br />

der Wöhler Brush Tech GmbH. „Zuletzt haben wir<br />

den Maschinenausstoß sogar verdoppelt. B&R <strong>und</strong> die<br />

Steuerungs- <strong>und</strong> Antriebstechnik des Unternehmens<br />

haben dabei eine entscheidende Rolle gespielt.“<br />

100 STATT 70 SCHNITTE DANK NEUEM ANTRIEB<br />

So konnte die Produktionsleistung des Abschneidmoduls,<br />

mit dem die Streifen auf die gewünschte Länge<br />

gebracht werden, durch den Austausch technisch weniger<br />

leistungsfähiger Servoantriebe gegen entsprechende<br />

B&R-Lösungen von 70 auf 100 Schnitte pro Minute gesteigert<br />

werden. „Mehr ließ die Mechanik nicht mehr zu.<br />

Die zu bewegende Masse des nach dem Prinzip der fliegenden<br />

Säge arbeitenden Systems war dafür schlicht zu<br />

groß“, erläutert der Manager. „Damit wollten wir uns<br />

nicht zufrieden geben <strong>und</strong> haben uns auf die Suche<br />

40 METER STREIFENBÜRSTEN<br />

pro Minute lassen sich auf der<br />

Bürstenmaschine SBM92<br />

vollautomatisch produzieren.<br />

ÜBER DEN TOUCH SCREEN der Maschinensteuerung<br />

– ein Power Panel von B&R – kann der Anwender die<br />

Nutform sowohl direkt am Bildschirm als auch über<br />

den Aufruf eines neuen Rezepts ändern.<br />

Bilder: Wöhler Brush Tech<br />

18<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

10 / 2012

nach neuen Ansätzen gemacht. Dabei haben wir uns<br />

deutliche Verbesserungen zum Ziel gesetzt.“<br />

Thorsten Schumacher, Leiter der Konstruktionsabteilung<br />

von Wöhler entwickelte daraufhin das MSA 30<br />

für den Einsatz in Streifenbürstenmaschinen. Dieses<br />

Schneidaggregat kann bis zu 500 Schnitte pro Minute<br />

durchführen <strong>und</strong> setzt damit Wöhler zufolge einen neuen<br />

Geschwindigkeitsrekord. Das Herzstück des Moduls<br />

bilden drei, von zwei B&R-Motoren angetriebene, rotierende<br />

Messer. Sie schneiden bis zu 15 mm starke Streifenbürsten<br />

ab <strong>und</strong> drücken die Enden dabei gleichzeitig<br />

so zusammen, dass der Bürstenbesatz nicht aus dem<br />

Profil rutschen kann. Die Ansteuerung der Motoren erfolgt<br />

mit Umrichtern aus der B&R-Acoposmulti-Familie<br />

in Kombination mit einer Kurvensteuerung.<br />

DIE NUTFORM VIA TOUCHSCREEN ÄNDERN<br />

Geräte aus dieser Serie sind auch an einem weiteren Rekord<br />

beteiligt: Sie treiben den Motor der von Wöhler<br />

ebenfalls neu entwickelten Nutvorrichtung Nut 10 an,<br />

die inline bis zu 70 Fenster pro Minute in den Bürstenbesatz<br />

stanzt <strong>und</strong> so für die typischen Aussparungen im<br />

Besatz von Staubsaugerbürsten sorgt. „Ein Novum ist,<br />

dass die Nutform vom Anwender über den Touchscreen<br />

der Maschinensteuerung Power Panel von B&R sowohl<br />

direkt am Bildschirm als auch über den Aufruf eines<br />

neuen Rezepts geändert werden kann“, sagt Wöhler-<br />

Geschäftsführer Brenken.<br />

Von den Vorteilen einer frei programmierbaren Highspeed-Nutvorrichtung<br />

war auch der deutsche Auftraggeber<br />

der Maschine begeistert, wie Konstruktionsleiter<br />

Schumacher berichtet: „Die von uns im Vorfeld garantierte<br />

Produktionsgeschwindigkeit konnten wir mit tatkräftiger<br />

Unterstützung von B&R zur Überraschung des<br />

Auftraggebers noch übertreffen.“<br />

MEHRERE ARBEITSSCHRITTE VEREINIGT<br />

Bis es soweit war, gab es aber einige Hürden zu nehmen,<br />

berichtet Konstruktionschef Schumacher: „Zwischen<br />

Steuerung <strong>und</strong> Antrieben müssen große Datenmengen<br />

übertragen werden. Eine Ursache ist, dass die Maschine<br />

mit zwei Nutvorrichtungen ausgestattet ist, die online<br />

mit dem Nutmuster versorgt werden müssen. Zudem<br />

müssen vier Servoachsen – jeweils eine Achse pro Nutvorrichtung,<br />

die Servoachse des Sortierers <strong>und</strong> die Servoachse<br />

des MSA – einer virtuellen Masterachse synchron<br />

folgen. Dabei muss eine Zykluszeit von einer Millisek<strong>und</strong>e<br />

erreicht werden.“ Wöhler hat diese Anforderung<br />

mit einer Kombination aus einem Power Panel <strong>und</strong><br />

dem Bussystem Powerlink erfüllt <strong>und</strong> damit mehrere<br />

Arbeitsschritte auf einer Maschine vereinigen sowie den<br />

Durchsatz verdoppeln können.<br />

Neben der Möglichkeit, die Antriebe über Powerlink<br />

an die Steuerung anzubinden, nutzt Wöhler erstmals die<br />

B&R-I/O-Module des X20-Systems zur Einbindung weiterer<br />

Maschinenmodule in die Automatisierungsarchitektur.<br />

Dazu gehört ein laserbasiertes Besatzmesssystem,<br />

dessen hochgenaue Messergebnisse auf dem Touchscreen<br />

der Maschinensteuerung live angezeigt <strong>und</strong> zur Regelung<br />

des Sortierers genutzt werden.<br />

„Die Automatisierungsarchitektur der SBM92 setzen<br />

wir aber nicht durchgängig in all unseren Maschinen<br />

ein“, stellt Rudolf Brenken klar. „Bei halbautomatischen<br />

beziehungsweise einfacheren, weniger anspruchsvollen<br />

Maschinen bevorzugen wir CAN in Verbindung mit kleineren<br />

Geräten der Power-Panel-Familie. Die Skalierbarkeit<br />

der B&R-Lösung sowie das große Produktspektrum<br />

waren schon vor fast zehn Jahren entscheidende Argumente,<br />

warum wir uns für B&R entschieden haben.“<br />

KLARE VISUALISIERUNG FÜR DEN BEDIENER<br />

K<strong>und</strong>en leisten sich heute keine längeren Entwicklungszeiten<br />

mehr. „Üblich sind Durchlaufzeiten von zirka<br />

einem halben Jahr“, verrät Rudolf Brenken. Unkonventionelles,<br />

lösungsorientiertes Denken <strong>und</strong> Handeln beweist<br />

der Maschinenbauer auch hier: „Es macht dem<br />

Ertragsgesetz nach keinen Sinn, jeden Fehler, der vom<br />

Maschinenbediener schnell selbst behoben werden kann<br />

<strong>und</strong> der kaum Folgen nach sich zieht, mit großem technischen<br />

<strong>und</strong> personellen Entwicklungsaufwand beheben<br />

zu wollen. Dies würde nur die Kosten unvertretbar erhöhen<br />

<strong>und</strong> die Lieferzeit verlängern“, erläutert Konstruktionsleiter<br />

Thorsten Schumacher. „Entscheidend ist vielmehr,<br />

dafür zu sorgen, dass sich der Fehler vom Maschinenbediener<br />

schnell beheben lässt <strong>und</strong> keine Experten<br />

hinzugezogen werden müssen.“<br />

Das Unternehmen setzt auf die Stärken einer Visualisierung,<br />

die den Bediener mit verständlichen Fehlerinformationen<br />

<strong>und</strong> klaren Anleitungen zur Problembehebung<br />

befähigt. Kann der Bediener oder das Wartungspersonal<br />

vor Ort einen Fehler trotzdem nicht lösen,<br />

leisten die Spezialisten von Wöhler via Fernwartungszugriff<br />

Hilfestellung.<br />

AUTOR<br />

MARTIN STEINBACH ist<br />

Vertriebsingenieur bei B&R<br />

mit eigenem Vertriebsbüro<br />

in Hagen/Westfalen.<br />

B&R Industrie-Elektronik GmbH,<br />

Norsk-Data-Straße 3,<br />

D-61352 Bad Homburg,<br />

Tel. +49 (0) 2331 95 21 00,<br />

E-Mail: martin.steinbach@br-automation.com<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

10 / 2012<br />

19

PRAXIS<br />

Energiebus- <strong>und</strong> Anschluss-System für dezentrale<br />

Energieverteilung vereinfacht neue Förderstrecke<br />

Gesamtes Logistikzentrum von Geberit wurde mit einer 2-Leitungs-Lösung automatisiert<br />

Mit einem modernen Antriebskonzept konnte der<br />

Sanitärtechnikhersteller Geberit die Lagerlogistik<br />

in seinem Produktionswerk in der Schweiz wesentlich<br />

ein facher <strong>und</strong> schneller aufbauen als ursprünglich<br />

veranschlagt. Die Kombination aus einem dezentralen<br />

Antriebssystem von MSF-Vathauer Antriebstechnik mit<br />

dem „Field-Power“-Energiebus- <strong>und</strong> Anschlusssystem<br />

von Weidmüller erlaubte es, mit drei modular aufgebauten<br />

Schaltschränken mit 1,20 m Breite <strong>und</strong> 3 km Leitung<br />

auszukommen. Die erste Planung hatte noch 12 m Schaltschrank<br />

<strong>und</strong> r<strong>und</strong> 36 km Kabel vorgesehen. Die gesamte<br />

Installationszeit wurde gegenüber der Ursprungsplanung<br />

halbiert.<br />

Die im Jahr 1874 gegründete Firma Geberit gehört zu<br />

den führenden Unternehmen in der europäischen Sanitärtechnik.<br />

Die Geberit-Gruppe will ihre Fertigware<br />

nicht mehr im schweizerischen Werk Jona bei Rapperswil<br />

einlagern, sondern per Lastwagen direkt in ein<br />

Zentrallager im deutschen Pfullendorf transportieren.<br />

Dazu erweitert Geberit den Standort Jona mit einem<br />

Anbau, in dem ein fahrerloses Transportsystem die<br />

palettierte Fertigware aus der Produktion zweilagig<br />

auf einen Kettenförderer ausgibt.<br />

AUS DER FERTIGUNG DIREKT ZUR LKW-VERLADUNG<br />

Ein Entstapler vereinzelt die Transporteinheiten <strong>und</strong><br />

übergibt sie über einen Lift an eine an der Decke befestigte<br />

Förderstrecke. Am Ende dieser Strecke gelangen die<br />

Transporteinheiten über einen Lift in einen außerhalb<br />

des Gebäudes angebauten horizontalen Förderkanal.<br />

Nach dem Förderkanal werden die Paletten wieder zweilagig<br />

gestapelt. Ein Teil der Transporteinheiten gelangt<br />

auf direktem Weg über eine Kettenförderstrecke zu einem<br />

weiteren Stapler. Dort werden optimale Stapeleinheiten<br />

für die maximale Höhe eines Lkw-Aufliegers erstellt.<br />

Anschließend gelangen sie in den Bereitstellungsraum<br />

zum Verladen auf die Lastwagen. Ein anderer Teil<br />

der Transporteinheiten wird im Pufferlager zwischengelagert,<br />

sie stehen dort für die Erstellung optimaler Stapeleinheiten<br />

zur Verfügung.<br />

Für die Lösung dieser Logistikaufgabe zeichneten die<br />

Först-Unternehmensgruppe, MSF-Vathauer Antriebstechnik<br />

sowie deren Schweizer Importeur Referenz Tech nik<br />

AG verantwortlich. Zum Einsatz kommen dort Lagerhaltungssoftware<br />

von Först <strong>und</strong> dezentrale Antriebssysteme<br />

von MSF-Vathauer Antriebstechnik auf Basis des Field-<br />

Power-Systems von Weidmüller. Dieses Energiebus- <strong>und</strong><br />

Anschluss-System für die dezen trale Energieverteilung<br />

bildet die modulare Basis der MSF-Vathauer-Antriebe<br />

sowie Frequenzumrichter. Es ist für Antriebskonzepte in<br />

der dezentralen Automation konzipiert.<br />

ÜBER EINE NEU ERRICHTETE FÖRDERSTRECKE transportiert<br />

Geberit im Schweizer Werk Jona die fertigen Produkte direkt zur<br />

Lkw-Verladung.<br />

EINE EINHEIT IM FELD REICHT AUS<br />

FieldPower basiert auf ungeschnittenen handelsüblichen<br />

R<strong>und</strong>- <strong>und</strong>/oder Flachleitungen. Das Energiebussystem<br />

mit neuem Anschlusskonzept lässt sich überall<br />

dort einsetzen, wo Energie über weite Strecken verteilt<br />

werden soll. MSF-Vathauer Antriebstechnik integriert<br />

20<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

10 / 2012

Technik steht<br />

hoch im Kurs ?<br />

als Systempartner seine Motorstarter- <strong>und</strong> Frequenzumrichter<br />

komplett in dieses Konzept, indem die MSF-<br />

Vathauer-Geräte einfach auf die FieldPower-Box aufgesteckt<br />

werden. Via vorkonfektionierter Leitung erfolgt<br />

der Anschluss zum Motor.<br />

Der Vorteil dieses Konzepts: Der Anwender muss nur<br />

eine Einheit im Feld montieren. Außerdem ist er in der<br />

Motorauswahl frei <strong>und</strong> herstellerunabhängig. Das System<br />

ist multifunktional, rationell, ökonomisch <strong>und</strong> flexibel<br />

ausgelegt. Entlang der 200 m langen Gesamtförderanlage<br />

kommen Mono- <strong>und</strong> Duo-Switch-FieldPower-Geräte von<br />

MSF-Vathauer mit AS-i-Anschluss zum Einsatz. AS-Interface<br />

ist als Standard für die Feldbus-Kommunikation<br />

zum Anschluss von Aktoren <strong>und</strong> Sensoren entwickelt<br />

worden – beschrieben nach EN 50295 <strong>und</strong> IEC 62026-2.<br />

90 PROZENT WENIGER KABEL BENÖTIGT<br />

Drei modular aufgebaute Steuerschränke mit einer Breite<br />

von 1,20 m speisen, verteilt auf die gesamte Anlage,<br />

den AS-Interface-Bus sowie die komplette Leistung über<br />

die flexible Stromschiene FieldPower ein. Entgegen der<br />

ursprünglichen Planung mit 12 m Schaltschrank <strong>und</strong><br />

zirka 36 km Kabel reduzierte man den Komponenteneinsatz<br />

so weit, das nun zirka 90 integrierte Motoranschaltungen<br />

Mono- <strong>und</strong> Duo-Switch-FieldPower sowie nur<br />

3 km Leitung zur Automatisierung des Logistikzentrums<br />

ausreichen. Somit gelang es, das gesamte Logistikzentrum<br />

mit einer 2-Leitungs-Lösung – AS-Interface <strong>und</strong><br />

Energieeinspeisung – zu automatisieren.<br />

Die Anschlüsse der Sensoren wurden mit Standardleitungen<br />

direkt an den Motorstartern durchgeführt. Es<br />

wurden weniger AS-i-Feldverteiler benötigt <strong>und</strong> die Installationszeit<br />

reduzierte sich. Durch die einfache <strong>und</strong><br />

sehr schnelle Montage der Energieverteilung sowie die<br />

schnelle Installation aller Motoranschaltungen <strong>und</strong> Sensoren<br />

konnte die gesamte Installationszeit um 50 Prozent<br />

reduziert werden – bei einigen Anlagenmodulen sogar<br />

bis zu 70 Prozent.<br />

REIBUNGSLOSER KOMPONENTENAUSTAUSCH<br />

Durch das modulare Energiebussystem sowie die auf<br />

die FieldPower-Box aufsteckbaren Motorstarter steht ein<br />

frei kombinierbarer Systembaukasten zur Verfügung.<br />

Die Verteilung der Energie erfolgt dezentral über die ungeschnittenen<br />

5-poligen Energieleitungen. Der Abgriff<br />

geschieht idealerweise verbrauchernah an jeder beliebigen<br />

Stelle in der Anlage. Dazu wird die FieldPower-Box<br />

direkt vor Ort montiert <strong>und</strong> die ungeschnittene Energieleitung<br />

eingelegt. Der sichere <strong>und</strong> zuverlässige Kontakt<br />

zur ungeschnittenen Energieleitung ist über die IDC-<br />

Kontakttechnologie (Insulation Displacement Connection)<br />

hergestellt.<br />

Auf dieses Basismodul steckt der Monteur wahlweise<br />

einen Motorstarter Mono- oder Duo-Switch beziehungsweise<br />

Mono-Soft- oder Duo-Soft-Switch oder Frequenzumrichter<br />

Vector auf. Somit lassen sich alle Antriebe<br />

optimal an die jeweilige Applikation anpassen. Eine<br />

konsequente Standardisierung aller Anschlüsse ermög-<br />

Danny Siriboe –<br />

begeisterter Hobby<br />

Aktien-Analyst <strong>und</strong><br />

Mitarbeiter von<br />

Phoenix Contact.<br />

Wenn Sie Phoenix Contact begegnen, sehen Sie ein international<br />

agierendes Familienunternehmen, das seine Innovationsphilosophie<br />

täglich lebt. Der Stammsitz ist in Blomberg, Nordrhein-Westfalen.<br />

Weitere Standorte sind Bad Pyrmont <strong>und</strong> Lüdenscheid. Sie erleben<br />

Menschen, die all ihre Begeisterung in Lösungen für hochwertige<br />

Elektrotechnik, Elektronik <strong>und</strong> Automation stecken. Mehr als 12.300<br />

Mitarbeiterinnen <strong>und</strong> Mitarbeiter weltweit machen Phoenix Contact<br />

mit ihrem Know-how <strong>und</strong> persönlichem Engagement zu einem<br />

führenden Unternehmen auf den Weltmärkten.<br />

Ingenieur<br />

Normung /Explosionsschutz m/w<br />

[ Job-ID: 3287 | Phoenix Contact in Blomberg ]<br />

Für unser Entwicklungs- <strong>und</strong> Qualitätslabor in der Business Unit Industrielle<br />

Verbindungstechnik suchen wir einen Ingenieur für die Prüfung von Produkten für<br />

den explosionsgefährdeten Bereich.<br />

In dieser herausfordernden Tätigkeit sind Sie Hauptansprechpartner der Business<br />

Unit für alle Fragen zum Thema Explosionsschutz. Dabei zeigen Sie sich mit Ihrer<br />

Expertise verantwortlich für die Prüfung, Bewertung <strong>und</strong> Freigabe der bereits<br />

projektierten K<strong>und</strong>en- <strong>und</strong> Fertigungsaufträge. Sie erstellen Konformitätserklärungen<br />

anhand von Bewertungsunterlagen <strong>und</strong> beraten die Entwicklungsteams<br />

beim Ex-technischen Design <strong>und</strong> der Ex-technischen Auslegung von Produkten<br />

<strong>und</strong> deren Fertigung. Gegebenenfalls übernehmen Sie auch die Leitung von<br />

Entwicklungsteams für die Entwicklung von k<strong>und</strong>enspezifi schen Lösungen. Sie<br />

berechnen <strong>und</strong> überprüfen die in den Normen genannten Grenzbedingungen<br />

für Produkte <strong>und</strong> die Betreuung deren Zertifi zierung in Zusammenarbeit mit<br />

nationalen <strong>und</strong> internationalen Zulassungsstellen.<br />

Für diese anspruchsvolle Tätigkeit erwarten wir ein abgeschlossenes Studium<br />

der Fachrichtung Elektrotechnik, Maschinenbau oder Physikalischen Technik. Des<br />

Weiteren sollten Sie bereits erste Berufserfahrung im Bereich Explosionsschutz<br />

<strong>und</strong> Kenntnisse in den relevanten Normen (zum Beispiel ATEX, IEC, FM, CSA<br />

etc.) vorweisen können. Aufgr<strong>und</strong> der internationalen Ausrichtung unseres<br />

Unternehmens sind gute Englischkenntnisse von Vorteil. Persönlich überzeugen<br />

Sie uns durch Ihre Organisationskompetenz, Ihre zielorientierte Arbeitsweise <strong>und</strong><br />

Ihre Eigeninitiative.<br />

Mehr Informationen, mehr Jobs, einfach bewerben:<br />

www.phoenixcontact.de/jobs<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

10 / 2012<br />

21

PRAXIS<br />

DEZENTRALE ANTRIEBSTECHNIK <strong>und</strong> das FieldPower-<br />

Energiebus- <strong>und</strong> Anschlusssystem reduzierten für<br />

Geberit den Aufwand der neuen Lagerlogistik erheblich.<br />

ENTLANG DER 200 M LANGEN Gesamtförderanlage<br />

kommen Mono- <strong>und</strong> Duo-Switch-FieldPower-Geräte<br />

von MSF-Vathauer mit AS-i-Anschluss zum Einsatz.<br />

Bilder: Weidmüller<br />

licht zu jeder Zeit einen reibungslosen Austausch der<br />

Komponenten.<br />

Das Projektierungstool NetCalc unterstützte die Anlagenplanung<br />

bei Geberit <strong>und</strong> sorgte dafür, dass die integrierte<br />

<strong>und</strong> flexible Antriebslösung schnell in Betrieb<br />

genommen werden konnte. NetCalc steht für eine effiziente<br />

Planung von Energieverteilungen in Linien- <strong>und</strong><br />

Baumstrukturen. Anwender nutzen das Tool für eine<br />

schnelle <strong>und</strong> übersichtliche Darstellung von Spannungsfall<br />

<strong>und</strong> Leitungsauslastung. Der Grafikeditor unterstützt<br />

die Erstellung von Linien-, Baum- <strong>und</strong> vermaschten Netzwerkstrukturen.<br />

Auswahlbibliotheken für Antriebssteuerungen<br />

berücksichtigen den realen Lastbedarf, die Einspeisungen<br />

<strong>und</strong> Schutzorgane können anlagenspezifisch<br />

ausgewählt <strong>und</strong> dimensioniert werden. Bereits während<br />

der Eingabe werden die Kenngrößen Spannungsfall <strong>und</strong><br />

Strombelastung berechnet <strong>und</strong> mit einem grün-gelb-roten<br />

Farbumschlag auf den projektierten Leitungen signalisiert.<br />

Projektiert werden AC-Netzwerke mit symmetrischen <strong>und</strong><br />

unsymmetrischen Lasten, sowie DC-Netzwerke.<br />

Eine besondere Variante dieser innovativen Antriebslösung<br />

ist der integrierte Frequenzumrichter Vector Field-<br />

Power – eine kompakte dezentrale Einheit für Energieverteilung<br />

<strong>und</strong> Motorsteuerung. Durch die genormte Kommunikations-Schnittstelle<br />

RS 232 mit M12-Stecker steht ein<br />

schneller <strong>und</strong> effizienter Zugang für die Parametrierung<br />

des Frequenzumrichters zur Verfügung. Die Parametrierung<br />

erfolgt mithilfe einer PC-Parametriersoftware.<br />

AUTOR<br />

ULRICH TRAPP ist bei<br />

Weidmüller als<br />

Produkt manager<br />

FieldPower-Systeme<br />

in Detmold tätig.<br />

Weidmüller GmbH & Co. KG,<br />

Ohmstraße 9, D-32758 Detmold,<br />

Tel. +49 (0) 52 31 142 80,<br />

E-Mail: ulrich.trapp@weidmueller.de<br />

22<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

10 / 2012

Sprechst<strong>und</strong>e<br />

3. Explosionsschutz-Sprechst<strong>und</strong>e<br />

Explosionsschutz<br />

14. + 15.11.2012, Mannheim, Pepperl+Fuchs GmbH<br />

www.explosionsschutz-sprechst<strong>und</strong>e.de<br />

§ 12<br />

BetrSichV<br />

Programm<br />

Moderation: Dr. Andreas Hildebrandt,<br />

Pepperl+Fuchs GmbH<br />

Wann <strong>und</strong> Wo?<br />

Typische Fehler bei unterschiedlichen<br />

Zündschutzarten<br />

Der korrekte Nachweis der Eigensicherheit<br />

Fachgerechte Reparatur <strong>und</strong> Prüfung von<br />

explosionsgeschützten Betriebsmitteln<br />

Anforderungen an die funktionale Sicherheit<br />

beim Explosionsschutz<br />

Referenten<br />

Wolfgang Gohm<br />

Extronic Gohm Consulting<br />

Dr. Andreas Hildebrandt, Gerhard Jung,<br />

Michael Wenglorz, Thomas Westers<br />

Pepperl+Fuchs GmbH<br />

Stefanie Klein<br />

DSM Nutritional Products, Grenzach-Wyhlen<br />

Arnold Staedel<br />

TÜV SÜD Industrie Service GmbH – Niederlassung Nürnberg<br />

Reinhard Wilkens<br />

PTB<br />

Dr. Michael Wittler<br />

Dekra Exam<br />

Fragen Sie!<br />

Die Explosionsschutz-Sprechst<strong>und</strong>e gibt Ihnen ausreichend<br />

Gelegenheit, Ihre individuellen Fragen zu stellen <strong>und</strong> offen<br />

mit den praxiserfahrenen Referenten zu diskutieren.<br />

Stellen Sie Ihre Fragen rechtzeitig unter<br />

www.explosionsschutz-sprechst<strong>und</strong>e.de.<br />

Termin<br />

Mittwoch, 14.11.2012<br />

Veranstaltung (11:30 – 17:30 Uhr)<br />

„Get-Together“ mit Abendessen (ab 18:30 Uhr)<br />

Donnerstag, 15.11.2012<br />

Veranstaltung (9:00 – 15:00 Uhr)<br />

Ort<br />

Mannheim, Pepperl+Fuchs GmbH<br />

Thema<br />

Installation <strong>und</strong> Betrieb<br />

explosionsgeschützter Anlagen<br />

Teilnahmegebühr<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong>-Abonnenten<br />

Firmenempfehlung<br />

540 € zzgl. MwSt<br />

590 € zzgl. MwSt<br />

reguläre Teilnahmegebühr 690 € zzgl. MwSt<br />

Frühbucherrabatt 100 €<br />

auf alle Tarife bei Anmeldung bis 28.10.2012<br />

Studenten (Universität, Fachhoch-/Duale Hochschule)<br />

nehmen gratis teil<br />

(Vorlage des Studentenausweises bei der Anmeldung)<br />

Im Preis enthalten sind die Tagungsunterlagen<br />

sowie das Catering (Kaffee, 2x Mittagsimbiss,<br />

„Get-Together“ mit Abendessen).<br />

Veranstalter<br />

Weitere Informationen <strong>und</strong> Online-Anmeldung unter<br />

www.explosionsschutz-sprechst<strong>und</strong>e.de<br />

Fax-Anmeldung: +49 (0) 89 45051-207 oder Online-Anmeldung: www.explosionsschutz-sprechst<strong>und</strong>e.de<br />

Ich habe die <strong>atp</strong> <strong>edition</strong> abonniert<br />

Ich komme auf Empfehlung von Firma: .....................................................................................................................................................................<br />

Vorname Nachname<br />

Telefon<br />

Telefax<br />

Firma/Institution<br />

E-Mail<br />

Straße/Postfach<br />

Land, PLZ, Ort<br />

Hausnummer<br />

<br />

Ort, Datum, Unterschrift<br />

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

ausgewählten Unternehmen verarbeitet <strong>und</strong> genutzt, um Sie über Produkte <strong>und</strong> Dienstleistungen zu informieren.<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

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

10 / 2012<br />

23

BRANCHE<br />

Oberflächeninspektionen nutzen bei<br />

unterschiedlichen Anforderungen den Piezoeffekt<br />

Weißlichtinterferometrie, konfokale Mikroskopie <strong>und</strong> Nanoindentierung unter die Lupe genommen<br />

Oberflächeninspektionen sind heute in vielen Bereichen<br />

obligatorisch. Dabei geht der Trend zu immer<br />

kleineren Strukturen, etwa bei der Prüfung von Nanobeschichtungen.<br />

Je nach Aufgabenstellung haben sich<br />

unterschiedliche Verfahren bewährt. Die Palette reicht<br />

von der Weißlichtinterferometrie <strong>und</strong> konfokalen Mikroskopie<br />

über hochauflösende Kamerasysteme, die dreidimensionale<br />

Untersuchungen ermöglichen, bis hin zur<br />

Nanoindentierung, die bei Material- <strong>und</strong> Härteprüfungen<br />

Verwendung findet. Auch das sogenannte Structural<br />

Health Monitoring, also die Zustandsüberwachung von<br />

Strukturen, gehört in diesen Bereich. All diese Verfahren<br />

haben dabei mindestens eine Gemeinsamkeit: Gäbe es<br />

den Piezoeffekt nicht, könnten sie nicht mit der geforderten<br />

Genauigkeit <strong>und</strong> Zuverlässigkeit funktionieren.<br />

Piezoelemente bieten viele Möglichkeiten, da sie sich<br />

sowohl aktorisch als auch sensorisch nutzen lassen.<br />

NANOSTELLTECHNIK VERWENDET PIEZOKERAMIKEN<br />

Die Anforderungen, die Oberflächeninspektionssysteme<br />

an die eingesetzten Positioniersysteme stellen, beschränken<br />

sich nicht nur auf die Positioniergenauigkeit. Wichtige<br />

Parameter sind oft die realisierbaren Stellwege, hohe<br />

Geschwindigkeiten zur Steigerung des Durchsatzes<br />

bei großen zu untersuchenden Flächen oder konstante<br />

Verfahrgeschwindigkeiten zur exakten Zuordnung von<br />

Messwerten <strong>und</strong> die Lebensdauer. In der Nanostelltechnik<br />

werden deshalb heute Piezokeramiken verwendet,<br />

die diese Anforderungen erfüllen.<br />

So spielen auf Piezokeramik aufbauende Aktoren im<br />

praktischen Einsatz all ihre positiven Eigenschaften aus:<br />

Sie sind wartungsfrei, weil sie keine im klassischen Sinn<br />

bewegten Teile haben. Da die Bewegung auf kristallinen<br />

Festkörpereffekten beruht, gibt es keine rotierende oder<br />

reibende Mechanik. Dadurch lassen sich Bewegungen<br />

im Sub-Nanobereich mit hoher Geschwindigkeit realisieren.<br />

Piezoaktoren verbrauchen außerdem im statischen<br />

Betrieb keine Energie, denn sie wirken elektrisch<br />

wie kapazitive Lasten.<br />

Die piezobasierten Positioniersysteme der Karlsruher<br />

Firma Physik Instrumente (PI) finden in vielen, teilweise<br />

sehr unterschiedlichen Verfahren zur Oberflächenmesstechnik<br />

Verwendung. Die auf die jeweiligen Positioniersysteme<br />

abgestimmten, analogen oder digitalen Controller<br />

ermöglichen eine einfache Integration in die jewei -<br />

lige Applikation <strong>und</strong> auch die für das hochpräzise Positionieren<br />

notwendige Sensorik ist inbegriffen.<br />

3D-OBERFLÄCHENINSPEKTION:<br />

PIEZOAKTOREN IN DER INTERFEROMETRIE<br />

Die Prüfung technischer Oberflächen erfordert zunehmend<br />

berührungslose <strong>und</strong> zerstörungsfreie Verfahren,<br />

die eine hochpräzise Messung der Oberflächentopographie<br />

ermöglichen. Mit dem Weißlichtinterferometrie-<br />

Verfahren lassen sich Messungen von Ebenheiten, Höhenabständen,<br />

Parallelitäten oder anderen Oberflächeneigenschaften<br />

schnell <strong>und</strong> mit hoher Wiederholgenauigkeit<br />

durchführen, entweder mit telezentrischer Optik<br />

WEISSLICHT-INTERFEROMETER zum Messen von<br />

Ebenheiten, Stufen <strong>und</strong> Parallelitäten. Bild: Polytec<br />

WEISSLICHT-INTERFEROMETER nutzen die Interferenzeffekte,<br />

die bei der Überlagerung des vom Messobjekt<br />

reflektierten Lichts mit dem von einem hochgenauen<br />

Referenzspiegel zurückgestreuten Licht auftreten. Bild: PI<br />

24<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

10 / 2012

Mit Sicherheit<br />

kompetent<br />

für große Messvolumina oder lateral hochauflösend mit<br />

Mikroskopoptik. Telezentrische WLI-Systeme eignen<br />

sich für die Vermessung von Oberflächenstrukturen<br />

großer Flächen. Innerhalb weniger Sek<strong>und</strong>en <strong>und</strong> in<br />

einem einzigen Messvorgang können Messfeldgrößen<br />

von mehreren 100 Quadratmillimetern mit einer Auflösung<br />

bis zu einigen Mikrometern dargestellt werden.<br />

Um feinste laterale Strukturen zu untersuchen, werden<br />

WLI-Systeme in Mikroskope integriert. Das betrachtete<br />

Messfeld beträgt nur wenige Quadratmillimeter bei einer<br />

Messauflösung im Nano- <strong>und</strong> Subnanometerbereich.<br />

Die Weißlicht-Interferometrie nutzt die Interferenz einer<br />

breitbandigen Lichtquelle. Dabei wird das kollimierte<br />

Weißlicht-Licht in einen Mess- <strong>und</strong> einen Referenzstrahl<br />

aufgeteilt. Der Messstrahl trifft das Messobjekt, der<br />

Referenzstrahl wird auf einen Spiegel geleitet. Das von<br />

Spiegel <strong>und</strong> einem Punkt des Messobjekts jeweils zurückgeworfene<br />

Licht interferiert auf einem CCD-Sensor.<br />

Je nach Strukturhöhe <strong>und</strong> dem daraus resultierenden<br />

optischen Weglängenunterschied zwischen Messarm<br />

<strong>und</strong> Referenzarm, verändert sich die Intensität des Interferenzsignals<br />

<strong>und</strong> damit die Information auf dem Sensor.<br />

Je nach Methode wird entweder der Referenzspiegel,<br />

das Interferenzobjektiv oder der gesamte Objektivrevolver<br />

verfahren, um ein konstruktives Interferenzsignal zu<br />

erhalten. Je höher die Anforderung an die Messauflösung,<br />

desto präziser muss die Verschiebung des Referenzspiegels<br />

oder des Objektivs sein.<br />

Mit konventionellen motorischen Antrieben ist dies<br />

jedoch kaum realisierbar. Das Positioniersystem basiert<br />

deshalb auf Piezoaktoren. Sie arbeiten verschleiß- <strong>und</strong><br />

reibungsfrei sowie ohne Spiel <strong>und</strong> eignen sich aufgr<strong>und</strong><br />

ihrer Dynamik für hohe Aufnahmefrequenzen,<br />

die für die 3D-Oberflächenmessung in Echtzeit erforderlich<br />

sind. Spielfreie <strong>und</strong> hochgenaue Festkörperführungen<br />

sorgen gleichzeitig für eine hohe Fokusstabilität.<br />

Auf diese Weise lassen sich in der beschriebenen<br />

Anwendung Wege bis zu mehreren 100 μm realisieren.<br />

Die Verfahrgenauigkeit der Kinematik liegt im<br />

Nanometerbereich.<br />

SIL SIL<br />

SIL NANOINDENTIERUNG: FLEXIBLE WERKSTOFFPRÜFUNG<br />

Eine wichtige Rolle bei der Werkstoffprüfung spielt<br />

die so genannte Nanoindentierung. Sie ist von der klassischen<br />

Härteprüfung abgeleitet, findet aber in viel<br />

kleinerem Maßstab statt. Anwendungsgebiete sind die<br />

Härtebestimmung an dünnen Schichten oder die Bestimmung<br />

von Materialeigenschaften wie Elastizität,<br />

Steifigkeit, plastischer Verformbarkeit oder Bruchfestigkeit<br />

bei kleinen Objekten <strong>und</strong> Mikrosystemen, etwa<br />

in der Biotechnologie. Dazu wird eine Testspitze mit<br />

einer geringen Kraft auf eine Probe aufgebracht <strong>und</strong> der<br />

Eindringweg der Spitze gemessen. Aus diesen Messwerten<br />

lässt sich dann die Kontaktfläche errechnen <strong>und</strong><br />

daraus wiederum die Materialeigenschaft ermitteln.<br />

Ein besonders flexibles System zur Nanoindentierung<br />

ist der NanoTest, der als aussagekräftiges Testsystem<br />

weltweit in unterschiedlichen Bereichen genutzt wird,<br />

nicht nur in Forschung <strong>und</strong> Entwicklung, sondern auch<br />

in der Produktion <strong>und</strong> beim Test von Fertigprodukten.<br />

Je nach Anwendungsfall lässt sich die Methode der<br />

Krafterzeugung <strong>und</strong> die Geometrie der Testspitze, der<br />

so genannte Indentation-Tip, variieren. Das System ist<br />

für viele unterschiedliche Materialien geeignet, da die<br />

Testspitze je nach Betriebsart mit Kräften zwischen<br />

30 nN <strong>und</strong> 500 mN arbeitet <strong>und</strong> sich Eindringtiefen<br />

A01039DE<br />

Mit den Stellventilen Typ 3241 von<br />

SAMSON sind Sie immer auf der<br />

sicheren Seite. Dank ihrer hohen<br />

MTBF brauchen Sie sich um einen<br />

Ausfall nicht zu sorgen.<br />

Noch mehr Sicherheit garantieren die<br />

Stellungsregler der Bauarten 3730<br />

<strong>und</strong> 3731. Mit ihrem zertifizierten<br />

Magnetventil <strong>und</strong> dem induktiven<br />

Grenzkontakt führen sie die Sprungantworttests<br />

automatisch durch <strong>und</strong><br />

dokumentieren die Ergebnisse.<br />

Gehen Sie auf Nummer sicher mit<br />

SAMSON.<br />

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<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

10 / 2012<br />

25

BRANCHE<br />

zwischen 0,1 nm <strong>und</strong> 50 μm messen lassen. Diese Aufgabe<br />

übernehmen wieder die bereits erwähnten hochauflösenden<br />

kapazitiven Sensoren.<br />

NANOPOSITIONIERSYSTEM FÜR EINEN PRÄZISEN SCAN<br />

Für die Untersuchung der Probenoberfläche vor <strong>und</strong><br />

nach der Indentierung lässt sich die Indentierung außerdem<br />

mit einem bildgebenden Verfahren kombinieren:<br />

Die Indentierungsspitze wird zeilenweise in einem<br />

definierten Raster über die Oberfläche der Probe bewegt,<br />

die Probenoberfläche wird also gescannt. Durch<br />

das punktweise Aufzeichnen der Auslenkungen an der<br />

Spitze lässt sich eine dreidimensionale Abbildung der<br />

Probenoberfläche erzeugen <strong>und</strong> auswerten. Mit dieser<br />

Kombination aus Indenter <strong>und</strong> Rastersondenmikroskop<br />

lässt sich also die Oberfläche der Probe bewerten.<br />

Messungen an verschiedenen Stellen sind ohne großen<br />

Aufwand möglich.<br />

Für die zum Scannen notwendigen Bewegungen in x-<br />

<strong>und</strong> y-Achse sorgt ein piezobasiertes Nanopositioniersystem.<br />

Sein 200 x 200 μm großer Scan-Bereich ermöglicht<br />

genaue Aussagen über die Beschaffenheit der Kontaktfläche<br />

<strong>und</strong> ihrer Umgebung. Die Positioniergenauigkeit<br />

unterhalb von 3 nm erlaubt eine hohe Ortsauflösung<br />

für den Scan. Zum einen werden so kritische Belastungen<br />

genau einer bestimmten Position zugeordnet, was<br />

wiederum Schlüsse auf die lokalen Materialeigenschaften<br />

zulässt, zum anderen können kleinste Proben anhand<br />

einer Vielzahl von Messpunkten auf engstem Raum<br />

untersucht werden.<br />

Die Bahngenauigkeiten während des Scans werden<br />

durch eine aktive Führung noch verbessert: Auch dabei<br />

messen kapazitive Sensoren eventuelle Abweichungen<br />

in der zur Bewegungsrichtung senkrechten Achse. Ein<br />

ungewolltes Übersprechen der Bewegung (etwa durch<br />

externe Krafteinwirkung) in eine andere Achse kann so<br />

detektiert <strong>und</strong> in Echtzeit aktiv ausgeregelt werden. Das<br />

ermöglicht eine hohe Bahntreue im Nanometerbereich,<br />

auch bei dynamischem Betrieb. Die dafür notwendige<br />

Steuerung übernimmt ein digitaler Controller. Er ist speziell<br />

auf die mehrachsigen parallelkinematischen Piezo-<br />

Nanopositioniersysteme abgestimmt <strong>und</strong> garantiert im<br />

dynamischen Betrieb eine hohe Linearität.<br />

STRUCTURAL HEALTH MONITORING:<br />

ZUSTANDSÜBERWACHUNG VON STRUKTUREN<br />

Ein spezielles Gebiet der Oberflächenmesstechnik ist das<br />

Structural Health Monitoring, also die Überwachung des<br />

Zustands von Strukturen. Damit lassen sich kontinuierlich<br />

Anhaltspunkte über die Funktionsfähigkeit von<br />

Bauteilen <strong>und</strong> Bauwerken erhalten <strong>und</strong> Schädigungen,<br />

zum Beispiel Risse oder Verformungen, frühzeitig erkennen,<br />

um Gegenmaßnahmen einzuleiten. Auch hier sind<br />

Piezoelemente mit von der Partie: Der DuraAct-Wandler<br />

kann sowohl als Sensor wie auch als Aktor eingesetzt<br />

werden. Er kann Schwingungen erzeugen <strong>und</strong> ihre Fortpflanzung<br />

in Materialstrukturen messen. Bei einem veränderten<br />

Schwingungsbild sind Fehler in der Struktur<br />

erkennbar, noch bevor Risse entstehen, etwa in Maschinenteilen,<br />

Brücken oder Tragflächen von Flugzeugen.<br />

Gr<strong>und</strong>lage der Wandler ist eine piezokeramische<br />

Folie, die zur elektrischen Kontaktierung beidseitig<br />

mit einem leitfähigen Material bedeckt wird. Anschließend<br />

wird dieser Aufbau in einem biegsamen (duktilen)<br />

Polymerverb<strong>und</strong>stoff eingebettet. Dadurch erreicht man<br />

gleich dreierlei: Die Piezokeramik wird elektrisch isoliert,<br />

mechanisch vorgespannt <strong>und</strong> der an sich spröde<br />

Werkstoff wird so robust, dass er sogar auf gekrümmten<br />

Oberflächen mit Biegeradien bis zu 20 mm aufgebracht<br />

werden kann.<br />

Man klebt die Wandler dazu auf das entsprechende<br />

Substrat oder integriert sie direkt in den Verb<strong>und</strong>werkstoff<br />

des Substrats. K<strong>und</strong>enspezifische Geometrien des<br />

Flächenwandlers lassen sich bei diesem Aufbau ebenso<br />

realisieren wie auf den jeweils benötigten Biegeradius<br />

abgestimmte Form <strong>und</strong> Dicke der Keramik. Das Gleiche<br />

gilt für die Beschaffenheit der Keramik (in Abhängigkeit<br />

von der Einsatztemperatur) sowie die Gestaltung der<br />

elektrischen Anschlüsse.<br />

AUTOREN<br />

Dipl.-Phys. STEFFEN<br />

ARNOLD ist Leiter „Markt<br />

<strong>und</strong> Produkte“ bei der<br />

Physik Instrumente (PI)<br />

GmbH & Co. KG<br />

in Karlsruhe.<br />

Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG,<br />

Auf der Römerstraße 1, D-76228 Karlsruhe/Palmbach,<br />

Tel. +49 (0) 721 484 60,<br />

E-Mail: s.arnold@pi.ws<br />

ELLEN-CHRISTINE REIFF,<br />

M.A., ist Autorin des<br />

Redaktionsbüros Stutensee.<br />

Redaktionsbüro Stutensee,<br />

Am Hasenbiel 13 – 15, D-76297 Stutensee,<br />

Tel. +49 (0) 7244 73 96 90,<br />

E-Mail: ereiff@rbsonline.de<br />

26<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

10 / 2012

BUS<br />

Sprechst<strong>und</strong>e<br />

BUS<br />

2. Feldbus-Sprechst<strong>und</strong>e<br />

Feldbus in der Prozessindustrie<br />

22. + 23.01.2013, Mannheim, Pepperl+Fuchs GmbH<br />

www.feldbus-sprechst<strong>und</strong>e.de<br />

Programm<br />

Moderation: Jürgen George,<br />

Pepperl+Fuchs GmbH<br />

Wann <strong>und</strong> Wo?<br />

+ + NEUER TERMIN! + +<br />

22. + 23.01.2013<br />

Systemplanung: Auswahl der Geräte <strong>und</strong> Komponenten<br />

Systemplanung: Feldbusinfrastruktur<br />

Systemplanung: Einsatz von Planungstools<br />

Systemplanung: Explosionsschutz <strong>und</strong><br />

funktionale Sicherheit<br />

Inbetriebnahme: Hardware-Installation <strong>und</strong><br />

-Inbetriebnahme<br />

Inbetriebnahme: Implementierung<br />

Inbetriebnahme: Systematische Fehlersuche<br />

Referenten<br />

Ronny Becker, Prüflabor MSR u. Analysentechnik,<br />

BIS Prozesstechnik GmbH<br />

Dr. Andreas Hildebrandt, Thomas Klatt,<br />

Thomas Westers, Pepperl+Fuchs GmbH<br />

Dr. Niels Kiupel, Degussa GmbH<br />

Sven Seintsch, Prüflabor MSR u. Analysentechnik,<br />

BIS Prozesstechnik GmbH<br />

Termin<br />

Dienstag, 22.01.2013<br />

Veranstaltung (11:30 – 17:30 Uhr)<br />

„Get-Together“ mit Abendessen (ab 18:30 Uhr)<br />

Mittwoch, 23.01.2013<br />

Veranstaltung (9:00 – 15:00 Uhr)<br />

Ort<br />

Mannheim, Pepperl+Fuchs GmbH<br />

Thema<br />

Antworten zur Planung <strong>und</strong><br />

Inbetriebnahme von Feldbussen<br />

Teilnahmegebühr<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong>-Abonnenten<br />

Firmenempfehlung<br />

540 € zzgl. MwSt<br />

590 € zzgl. MwSt<br />

reguläre Teilnahmegebühr 690 € zzgl. MwSt<br />

Studenten<br />

kostenlos<br />

(Universität, Fachhoch-/Duale Hochschule – Vorlage des<br />

Studentenausweises bei der Anmeldung erforderlich)<br />

Im Preis enthalten sind die Tagungsunterlagen<br />

sowie das Catering (Kaffee, 2x Mittagsimbiss,<br />

„Get-Together“ mit Abendessen).<br />

Veranstalter<br />

100 Euro<br />

Frühbucherrabatt<br />

bei Buchung bis zum<br />

14.12.2012<br />

Fragen Sie!<br />

Die Feldbus-Sprechst<strong>und</strong>e gibt Ihnen ausreichend Gelegenheit, Ihre<br />

individuellen Fragen zu stellen <strong>und</strong> offen mit den praxiserfahrenen<br />

Referenten zu diskutieren.<br />

Stellen Sie Ihre Fragen rechtzeitig unter<br />

www.feldbus-sprechst<strong>und</strong>e.de<br />

Weitere Informationen <strong>und</strong> Online-Anmeldung unter<br />

www.feldbus-sprechst<strong>und</strong>e.de<br />

Fax-Anmeldung: +49 (0) 89 45051-207 oder Online-Anmeldung: www.feldbus-sprechst<strong>und</strong>e.de<br />

Ich habe die <strong>atp</strong> <strong>edition</strong> abonniert<br />

Ich komme auf Empfehlung von Firma: .....................................................................................................................................................................<br />

Vorname Nachname<br />

Telefon<br />

Telefax<br />

Firma/Institution<br />

E-Mail<br />

Straße/Postfach<br />

Land, PLZ, Ort<br />

Hausnummer<br />

<br />

Ort, Datum, Unterschrift<br />

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

ausgewählten Unternehmen verarbeitet <strong>und</strong> genutzt, um Sie über Produkte <strong>und</strong> Dienstleistungen zu informieren.<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

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

10 / 2012<br />

27

HAUPTBEITRAG<br />

Reifezeugnis für mechatronische<br />

Entwicklungsprozesse<br />

Status Quo im Maschinen- <strong>und</strong> Anlagenbau<br />

Die Mechatronik bietet Herstellern erhebliches Potenzial, innovative Produkte zu erzeugen.<br />

Dementsprechend sehen viele Unternehmen des Maschinen- <strong>und</strong> Anlagenbaus die<br />

Mechatronik heute als entscheidenden Wertschöpfungsfaktor. Dennoch hat die Mehrzahl<br />

der Firmen ihre Prozesse nur unzureichend angepasst. Dies lässt sich anhand des in<br />

diesem Beitrag vorgestellten BESTVOR-Reifegradmodells belegen. Weiterhin wird dargestellt,<br />

dass der Entwicklungsprozess von zahlreichen unternehmens- <strong>und</strong> projektspezifischen<br />

Faktoren abhängig ist, die bei der Gestaltung mechatronischer Entwicklungsprozesse<br />

berücksichtigt werden müssen.<br />

SCHLAGWÖRTER Mechatronik / Entwicklungsprozess / Reifegradmodell / Maschinenbau<br />

Maturity certificate for mechatronic development processes<br />

Status quo in machine and plant engineering<br />

Mechatronics provides manufacturers with a significant potential to generate innovative<br />

products. Many companies in machine and plant engineering see mechatronics as a crucial<br />

factor in creating value. However, the processes of the majority of companies have<br />

not yet changed sufficiently. This can be demonstrated using the BESTVOR maturity<br />

model. It is demonstrated that the development process depends on various organizational<br />

and project specific factors which must be taken into account in the design of mechatronic<br />

development processes.<br />

KEYWORDS mechatronics / development process / maturity model / mechanical engineering<br />

28<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

10 / 2012

BERND SPIEGELBERGER, ITQ<br />

MANFRED BONETSMÜLLER, Somic<br />

RAINER STETTER, ITQ<br />

BERNHARD KAUSLER, ITQ<br />

Umfragen haben ergeben, dass 90 Prozent der<br />

echten Innovationen (im Unterschied zu<br />

Detailverbesserungen) in der Maschinenbaubranche<br />

im Bereich der Informationstechnik<br />

realisiert werden [2].“<br />

Die Integration von Komponenten unterschiedlicher<br />

Fachbereiche, wie der Mechanik, Hydraulik, Pneumatik,<br />

Elektronik oder Informationstechnik zu einem<br />

mechatronischen System erlaubt es, dem K<strong>und</strong>en einen<br />

erheblichen Mehrwert zu offerieren. Dies hat dazu<br />

geführt, dass immer mehr Produktfunktionen durch<br />

Software realisiert werden. Die sich daraus ergebenden<br />

Chancen, innovative Produkte zu erzeugen, verdeutlichen<br />

Beispiele aus unterschiedlichen industriellen<br />

Bereichen.<br />

In der Automatisierungstechnik werden vermehrt<br />

intelligente Feldgeräte eingesetzt, die Funktionen zur<br />

Parametrierung, Zustandsüberwachung, Wartung <strong>und</strong><br />

Kommunikation anbieten. Diese Entwicklung führt<br />

dazu, dass selbst einfache Geräte oftmals über unzählige,<br />

frei konfigurierbare Parameter verfügen.<br />

Ferner ist es als Stand der Technik anzusehen, dass<br />

Maschinen als modulare Systeme aufgebaut sind. Diese<br />

können k<strong>und</strong>enspezifisch konfiguriert <strong>und</strong> während der<br />

Nutzung flexibel verändert <strong>und</strong> erweitert werden. Dazu<br />

bedarf es klar definierter Schnittstellen, die Veränderungen<br />

des Systems <strong>und</strong> seiner Umgebung erlauben. Einfach<br />

anpassbare softwaretechnische Schnittstellen spielen<br />

dabei eine entscheidende Rolle.<br />

Die Antriebstechnik verdeutlicht den Trend zur<br />

Software besonders plastisch. Gerade Produktionsmaschinen<br />

müssen oftmals eine Vielzahl voneinander<br />

abhängiger Bewegungen realisieren. In der Vergangenheit<br />

wurde dies häufig mittels eines zentralen Antriebs<br />

<strong>und</strong> entsprechender Getriebetechnik realisiert. Ein<br />

derartiger Aufbau wird als Königswelle bezeichnet.<br />

Veränderungen sind nur durch zeitintensive Umbauten<br />

der Mechanik möglich. Die Leistungsfähigkeit von<br />

elektrischen Antrieben <strong>und</strong> die Möglichkeiten der<br />

Kommunikationstechnik erlauben es heute, effizientere<br />

Ansätze zu verfolgen. An die Stelle einer unflexiblen<br />

Getriebetechnik rücken vermehrt dezentrale<br />

Antriebssysteme. Die Echtzeitkommunikation ersetzt<br />

dabei die Königswelle.<br />

1. MECHATRONIK UND INNOVATION<br />

Die Beispiele zeigen, dass die Mechatronik erhebliche<br />

Chancen bietet. So überrascht es nicht, dass viele Unternehmen<br />

aus unterschiedlichsten Bereichen des<br />

Maschinen- <strong>und</strong> Anlagenbaus die Mechatronik heute<br />

als entscheidenden Wertschöpfungsfaktor sehen, den<br />

es zu beherrschen gilt. Trotz der Tatsache, dass die<br />

Mechatronik bereits seit Jahrzehnten eine bekannte<br />

<strong>und</strong> anerkannte Herausforderung darstellt, hat die<br />

Mehrzahl der Unternehmen erst seit wenigen Jahren<br />

der Mechatronik eine verstärkte Aufmerksamkeit zukommen<br />

lassen.<br />

Somit stellt sich die Frage, welchen Status die Unternehmen<br />

in den letzten Jahren erreichen konnten. Um<br />

diese Frage zu beantworten, ist es erforderlich, die Anforderungen<br />

der Mechatronik an die Entwicklung näher<br />

zu betrachten, um die Reife von Unternehmen gezielt<br />

beurteilen zu können.<br />

2. MECHATRONISCHE PRODUKTENTWICKLUNG<br />

Durch die Mechatronisierung eines Systems steigt<br />

automatisch die Anzahl der in der Entwicklung zu realisierenden<br />

Komponenten. Zum einen ist dies auf den<br />

oftmals steigenden Funktionsumfang zurückzuführen.<br />

Zum anderen werden zahlreiche Funktionen, die<br />

bislang mittels rein mechanischer Komponenten realisiert<br />

wurden, um elektronische <strong>und</strong> Software-basierende<br />

Systeme ergänzt. In Summe steigt die Produktkomplexität.<br />

Darüber hinaus bedingen mechatronische<br />

Komponenten eine übergreifende Abstimmung <strong>und</strong><br />

Zusammenarbeit in allen Entwicklungsphasen. Die an<br />

der Produktentstehung beteiligten Fachbereiche verfügen<br />

dabei traditionell über stark variierende Prozesse.<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

10 / 2012<br />

29

HAUPTBEITRAG<br />

Erst die Abstimmung dieser Prozesse erlaubt eine<br />

disziplinübergreifende Zusammenarbeit in Entwicklungsprojekten.<br />

2.1 Definierte Prozesse in der Entwicklung<br />

Die Einflüsse von Entwicklungsprozessen auf den Projekterfolg<br />

sind seit langem Gegenstand der Forschung.<br />

Die Studie „Forschung <strong>und</strong> Entwicklung managen –<br />

Erfolgsfaktoren im Maschinen- <strong>und</strong> Anlagenbau“ [10]<br />

quantifiziert den Zusammenhang zwischen definierten<br />

Prozessen <strong>und</strong> dem Erfolg von Entwicklungsprojekten.<br />

Dabei wird deutlich, dass eine zuverlässige Projektabwicklung<br />

im hohen Maße von der Prozessbeherrschung<br />

abhängt. Die Definition eines mechatronischen<br />

Entwicklungsprozesses stellt jedoch zahlreiche Hersteller<br />

vor große Herausforderungen. Entwicklungsprozesse<br />

im Bereich des Maschinenbaus wurden zwar schon<br />

in der Vergangenheit stark an die Bedürfnisse der Entwicklung<br />

mechanischer Systeme angepasst. Der zunehmende<br />

Softwareanteil macht es jedoch erforderlich, die<br />

Prozesse der Softwareentwicklung stärker <strong>und</strong> früher<br />

zu berücksichtigen.<br />

2.2 Abstimmung disziplinspezifischer Prozesse<br />

Prozesse zur Spezifikation <strong>und</strong> Realisierung mechanischer<br />

Systeme oder Komponenten lassen sich in der Regel<br />

sehr gut als vorwärts gerichtete Sequenz abbilden.<br />

Ein Beispiel hierfür ist die VDI-Richtlinie 2221 [13]. Die<br />

darin definierten Phasen bieten zwar die Möglichkeiten<br />

für Rücksprünge an, die Richtlinie stellt jedoch fest, dass<br />

im Falle einer Einzelfertigung der Prozess in der Regel<br />

nur einmal zu durchlaufen ist.<br />

Im Bereich der Softwareentwicklung gestalten sich die<br />

Prozesse in der Regel gänzlich anders. So sieht die Mehrzahl<br />

der existierenden Modelle ein iteratives Vorgehen<br />

vor. Dies hängt unter anderem damit zusammen, dass<br />

die Funktionserfüllung von Softwarekomponenten nur<br />

mit erheblichem Aufwand formal verifizierbar ist [5]. Bis<br />

heute ist es daher unumgänglich, die Funktionserfüllung<br />

auf Gr<strong>und</strong>lage von Funktionstests zu überprüfen.<br />

Die etablierten Prozesse zur Entwicklung mechatronischer<br />

Systeme müssen daher überdacht <strong>und</strong> den Gegebenheiten<br />

der Interdisziplinarität angepasst werden.<br />

Eine reine Ergänzung der Prozesse um mechatronische<br />

Einzelschritte, wie es im industriellen Alltag oft zu beobachten<br />

ist, wird den Herausforderungen der Mechatronik<br />

nicht gerecht.<br />

2.3 Kommunikation <strong>und</strong> Kooperation<br />

Das Thema der Entwicklungsprozesse kann nicht losgelöst<br />

von den an der Entwicklung beteiligten Personen<br />

betrachtet werden. So stellt Gallup fest [7], dass durch<br />

mangelndes Engagement der Mitarbeiter in Deutschland<br />

jährlich volkswirtschaftliche Kosten in Höhe von 122<br />

Milliarden € entstehen. Prozesse müssen daher ein Umfeld<br />

schaffen, das eine Zusammenarbeit vereinfacht <strong>und</strong><br />

potenziell störende Faktoren eliminiert. Studien [1] zeigen,<br />

dass bei einer durchschnittlichen Erfolgsquote von<br />

51 % im Falle einer schlechten Team-Kommunikation<br />

lediglich 15% aller Forschungs- <strong>und</strong> Entwicklungsvorhaben<br />

als erfolgreich angesehen werden können. Neben<br />

einer erfolgreichen Kommunikation ist die disziplinübergreifende<br />

Kooperation eine zentrale Herausforderung.<br />

Die Tatsache, dass Restrukturierung/Reorganisation der<br />

mit Abstand häufigste Gr<strong>und</strong> für Veränderungen von<br />

Unternehmen sind [4], belegt die Bedeutung von Organisationsstrukturen.<br />

2.4 Projektmanagement<br />

Die Bedeutung einer Projektsystematik erklärt die bereits<br />

angeführte Studie [10]. Sie zeigt, dass Unternehmen<br />

mit einer ausgeprägten Projektsystematik mit 43 %<br />

zu einer um 14 % niedrigeren Quote an unerwarteten<br />

Kostenanstiegen bei Forschungs- <strong>und</strong> Entwicklungsprojekten<br />

gelangen. Um bei einem vorgegebenen Zeit<strong>und</strong><br />

Kostenrahmen zu einem abgestimmten <strong>und</strong> qualitativ<br />

hochwertigen Ergebnis zu gelangen, bedarf es der<br />

intensiven Abstimmung in allen Phasen der Entwicklung.<br />

Nur ein integrierendes Projektmanagement als<br />

Bindeglied zwischen den an der Entwicklung Beteiligten<br />

ermöglicht einen reibungslosen Projektablauf. Dies<br />

gilt im besonderen Maße bei der immer häufiger anzutreffenden<br />

projekt- <strong>und</strong> unternehmensübergreifenden<br />

Kooperation der Entwicklung.<br />

3. REIFEGRADMODELLE ZUR ANALYSE<br />

Zur Bewertung mechatronischer Entwicklungsprozesse<br />

eignen sich besonders Reifegradmodelle. Diese verfolgen<br />

das Ziel, die Qualität von Entwicklungsprozessen<br />

objektiv zu messen. Insbesondere wird geprüft, ob<br />

die einzelnen Elemente eines definierten Prozesses<br />

aufeinander abgestimmt sind <strong>und</strong> sich dazu eignen,<br />

qualitäts-, termin- <strong>und</strong> kostengerecht zu produzieren.<br />

Durch den Vergleich des realen Prozesses mit einem<br />

idealisierten Prozessreferenzmodell lassen sich die<br />

Stärken <strong>und</strong> Schwächen einzelner Elemente darstellen.<br />

Vergleichbar mit Schulnoten wird so die Reife eines<br />

Unternehmens anhand eines Reifegrades bestimmt. Auf<br />

dieser Gr<strong>und</strong>lage ist es möglich, gezielt in Prozesse einzugreifen,<br />

um mit möglichst geringem Aufwand einen<br />

größtmöglichen Nutzen zu erzielen.<br />

3.1 Mechatronische Reifegradmodelle<br />

Es gibt unzählige Modelle, Richtlinien <strong>und</strong> Normen,<br />

welche sich mit der Bewertung <strong>und</strong> Verbesserung von<br />

Entwicklungsprozessen, gerade im Umfeld der Informationstechnik,<br />

beschäftigen. Zu den bekanntesten Modellen<br />

zählen die Normen ISO 9000 ff <strong>und</strong> ISO 15504<br />

(SPICE) sowie die Reifegradmodelle CMM/CMMI. Ferner<br />

existiert mit dem in diesem Beitrag vorgestellten<br />

30<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

10 / 2012

BESTVOR-Reifegradmodell eine Methode, welche insbesondere<br />

Unternehmen des Maschinen- <strong>und</strong> Anlagenbaus<br />

fokussiert.<br />

3.1.1 DIN ISO 9000 ff.<br />

Die Normen der ISO-9000-Familie [6] verfolgen das Ziel,<br />

ein wirksames Qualitätsmanagementsystem in Organisationen<br />

zu etablieren. Hierzu verfügen sie über eine klare<br />

Methode beziehungsweise Metrik zur Messung der Qualität<br />

von Entwicklungsprozessen. Die generischen Anforderungen<br />

des Modells erlauben einen unmittelbaren Vergleich<br />

selbst heterogener Unternehmen <strong>und</strong> Entwicklungsvorhaben.<br />

Jedoch wurden spezifische Prozesse <strong>und</strong><br />

insbesondere der Software-Prozess außen vor gelassen.<br />

Somit eignet sich dieses Modell nur bedingt dazu, mechatronische<br />

Entwicklungsprozesse gezielt zu beurteilen.<br />

3.1.2 CMM, CMMI <strong>und</strong> ISO 15504 (SPICE)<br />

Die Entwicklung des Reifegradmodells Capability Maturity<br />

Model (CMM) wurde 1986 im Auftrag des US-<br />

Verteidigungsministeriums begonnen, um die Qualität<br />

der Prozesse von Softwarelieferanten zu beurteilen. Auf<br />

dessen Gr<strong>und</strong>lagen wurden zahlreiche Folgemodelle<br />

entwickelt, welche mit dem Modell Capability Maturity<br />

Model Integration (CMMI) wieder vereinheitlicht wurden.<br />

Wie der Name des Modells Software Process Improvement<br />

and Capability Determination (SPICE) widerspiegelt,<br />

wurde auch dieses Modell unter besonderer Berücksichtigung<br />

von Prozessen der Softwareentwicklung<br />

entworfen. Spezifika der Entwicklung von Mechanik<br />

<strong>und</strong> Elektrik/Elektronik <strong>und</strong> damit der Charakter der<br />

Mechatronik werden von allen Modellen nur bedingt<br />

entsprochen. Zudem ist anzumerken, dass der enorme<br />

Aufwand zur Durchführung eines Assessments einen<br />

Einsatz im Umfeld von KMU kaum zulässt.<br />

BILD 1: BESTVOR-Einführungsstrategie [12]<br />

BILD 2: BESTVOR-Reifegrade [12]<br />

ITQ GmbH<br />

Fraunhofer Institut für<br />

Produktionstechnologie, IPT<br />

Lehrstuhl für Informationstechnik<br />

im Maschinenwesen,<br />

TU München<br />

Optima Packaging Group GmbH<br />

Scheidt & Bachmann<br />

Schneider Electric,<br />

ELAU Packaging Solutions<br />

Siempelkamp Handling Systems,<br />

G. Siempelkamp GmbH & Co.KG<br />

Somic Verpackungsmaschinen<br />

GmbH & Co. KG<br />

Sortimat<br />

Trumpf Werkzeugmaschinen<br />

TABELLE 1: BESTVOR-Projektkonsortium<br />

3.1.3 BESTVOR<br />

Das Forschungsprojekt BESTVOR wurde vom B<strong>und</strong>esministerium<br />

für Bildung <strong>und</strong> Forschung (BMBF) innerhalb<br />

des Rahmenkonzeptes „Forschung für die Produktion<br />

von morgen“ gefördert. Dabei ging es darum, eine<br />

BEtriebliche EinführungsSTrategie für ein anwendungsorientiertes<br />

VORgehensmodell für die Entwicklung zuverlässigerer<br />

mechatronischer Systeme im Maschinen<strong>und</strong><br />

Anlagenbau zu konzipieren.<br />

„Die Einführungsstrategie setzt sich aus drei Bausteinen<br />

zusammen (Bild 1): Einem Self-Assessment-Tool,<br />

einem anwendungsorientierten Vorgehensmodell <strong>und</strong><br />

konkreten Einführungsanleitungen …“ [12]. Ersteres<br />

wurde von einem Konsortium, bestehend aus Anwendern,<br />

Dienstleistern <strong>und</strong> Forschungsinstituten (Tabelle<br />

1), aufbauend auf bestehenden Reifegradmodellen entworfen.<br />

Die Belange der Mechatronik wurden in den<br />

Vordergr<strong>und</strong> der Betrachtung gestellt. Mit der Fokussierung<br />

auf KMU als Anwender wurde ferner auf eine aufwandsarme<br />

Durchführung geachtet, was den Vergleich<br />

eines breiten Anwenderkreises ermöglicht.<br />

Den Rahmen für die Beurteilung stellen vier definierte<br />

Reifegrade (Bild 2) dar, welche einen direkten<br />

Vergleich mit den Reifegradmodellen CMM, CMMI <strong>und</strong><br />

SPICE ermöglichen. Dabei wird zwischen einem voll-<br />

Erfahrungsträger<br />

Anwender<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

10 / 2012<br />

31

HAUPTBEITRAG<br />

ständig <strong>und</strong> einem teilweise erreichten Reifegrad unterschieden.<br />

Ersterer gibt einen mit den gängigen Modellen<br />

(CMMI <strong>und</strong> SPICE) vergleichbaren Reifegrad an. Der<br />

teilweise erreichte Reifegrad berücksichtigt hingegen<br />

auch Prozesse, die nur bei Bedarf durchgeführt werden.<br />

Denn im Gegensatz zu den übrigen Modellen vertritt<br />

BESTVOR die Auffassung, dass auch Prozesse, die nur<br />

bei einem empf<strong>und</strong>enen Bedarf durchgeführt werden,<br />

von einer höheren Prozessreife zeugen<br />

Der folgende Abschnitt zeigt daher die Ergebnisse der<br />

Reifebestimmung mechatronischer Entwicklungsvor haben<br />

bei KMU im Maschinenbau auf Gr<strong>und</strong>lage von BEST-<br />

VOR-Assessments von über 600 Personen aus 100 Unternehmen<br />

des Maschinen- <strong>und</strong> Anlagenbaus. Betrachtungsgegenstand<br />

sind folgende sechs zentrale Prozessgebiete:<br />

BILD 3: Durchschnittliche Reife aller befragten Unternehmen<br />

Anforderungsmanagement: Spezifikation von<br />

Anforderungen <strong>und</strong> Lösungen<br />

Projektplanung: Termin- <strong>und</strong> Ressourcenplanung<br />

eines Entwicklungsprojekts<br />

Projektverfolgung: Überprüfung des Projektfortschritts<br />

Qualitätssicherung: Überprüfung der Produktqualität<br />

anhand von Anforderungen<br />

Konfigurationsmanagement: Verwaltung von Versionen,<br />

Varianten, …<br />

Lieferantenmanagement: Planung <strong>und</strong> Verfolgung<br />

von Zulieferungen<br />

4. MECHATRONISCHE REIFE IM MASCHINENBAU<br />

BILD 4: Reife in Abhängigkeit von der Unternehmensgröße<br />

Bild 3 zeigt die durchschnittlichen Ergebnisse aller Befragten.<br />

Hierbei wird deutlich, dass von den Unternehmen<br />

des deutschen Maschinenbaus die Herausforderung<br />

der Mechatronik bei der Entwicklung nicht beherrscht<br />

wird. Auch die von BESTVOR empfohlene minimale<br />

Prozessreife wird bei Weitem nicht erreicht. Angesichts<br />

der mit der Mechatronik verb<strong>und</strong>enen Chancen für Unternehmen,<br />

stellt dies ein ernstes Problem dar. Somit ist<br />

die Frage zu beantworten, wie der optimale Entwicklungsprozess<br />

zu gestalten ist, um sämtlichen Herausforderungen<br />

der Mechatronik mit einem angemessenen<br />

Kosten/Nutzen-Verhältnis zu begegnen. Die Untersuchungen<br />

sollten klären, ob individuelle Faktoren den<br />

idealen Entwicklungsprozess beeinflussen.<br />

4.1 Reife abhängig von Unternehmensgröße<br />

BILD 5: Reife in Abhängigkeit von der Organisationsform<br />

Wird die Prozessreife der befragten Unternehmen in Abhängigkeit<br />

von ihrer jeweiligen Unternehmensgröße betrachtet,<br />

so ist ein eindeutiger Trend abzulesen (Bild 4).<br />

Mit zunehmender Unternehmensgröße steigt die Prozessreife.<br />

Mit zunehmender Größe eines Unternehmens<br />

werden Kommunikation <strong>und</strong> Kooperation immer größere<br />

Herausforderungen. Denn ab einer gewissen Größe<br />

kann nicht davon ausgegangen werden, dass Informationen<br />

per Flurfunk alle Betroffenen erreichen. Die Unternehmen<br />

müssen klare Prozesse definieren, um den erforderlichen<br />

Informationsfluss sicherzustellen.<br />

32<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

10 / 2012

4.2 Reife abhängig von Organisationsform<br />

In Bild 5 zeigt sich eine zum Teil deutlich höhere Reife<br />

von Mischformen gegenüber einer Organisation in reinen<br />

Projektteams. Eine derartige Organisation führt dazu,<br />

dass die Zusammensetzung von Entwicklungsteams<br />

nicht stets dieselbe ist. Hierzu bedarf es zwangsläufig<br />

einer erhöhten Prozessfähigkeit des Unternehmens.<br />

Dementsprechend haben die Unternehmen ihre Prozesse<br />

den gestiegenen Anforderungen angepasst.<br />

4.3 Reife abhängig von Zulieferer-Einbindung<br />

Während bei der Zulieferung von Entwicklungsdienstleistungen<br />

<strong>und</strong> Komponenten kein klarer Trend festzustellen<br />

ist, liegt die Prozessreife der Gruppe Zulieferung von Systemen<br />

zumeist unter den Werten der erstgenannten Gruppen<br />

(Bild 6). Offenbar bringt die Zulieferung kompletter<br />

Systeme für die Hersteller geringere Herausforderungen<br />

mit sich als Zulieferungen im kleineren Umfang. Dies stellt<br />

nur auf den ersten Blick einen Widerspruch dar. Denn bei<br />

der Zulieferung von Systemen werden zumeist sehr früh<br />

Funktionen, Schnittstellen <strong>und</strong> Abhängigkeiten des Systems<br />

definiert. Auf Komponentenebene kommt es bei der<br />

Entwicklung häufiger zu Änderungen, die oft spontan mit<br />

Zulieferern abgestimmt werden. Dies kann die abnehmenden<br />

Werte gerade in den Bereichen der Projektverfolgung<br />

<strong>und</strong> der Qualitätssicherung erklären.<br />

BILD 6: Reife in Abhängigkeit von der Zulieferer-Einbindung<br />

4.4 Reife abhängig von Fertigungsart<br />

Der Einflussfaktor Fertigungsart steht synonym für die<br />

geplante Stückzahl des zu entwickelnden mechatronischen<br />

Systems. Hierbei zeigen sich nicht alle Prozessgebiete<br />

im gleichen Maße beeinflusst. Die Projektplanung<br />

<strong>und</strong> das Lieferantenmanagement sind kaum betroffen<br />

(Bild 7). Auch im Falle des Anforderungsmanagements<br />

<strong>und</strong> der Projektverfolgung steigt die Prozessreife mit zunehmender<br />

Stückzahl, aber nur marginal. Auffällig sind<br />

hingegen die Beeinflussungen der Qualitätssicherung<br />

<strong>und</strong> des Konfigurationsmanagements. Fehler des Produkts<br />

können bei einer Serienproduktion gewaltige Kosten<br />

<strong>und</strong> Imageschäden bewirken. Auch die Verwaltung<br />

von Versionen <strong>und</strong> Varianten wird aufgr<strong>und</strong> der im Maschinenbau<br />

üblichen k<strong>und</strong>enspezifischen Produktkonfiguration<br />

mit zunehmender Stückzahl komplexer.<br />

BILD 7: Reife in Abhängigkeit von der Fertigungsart<br />

4.5 Reife abhängig von Komplexität<br />

Als Maß für die Komplexität der Entwicklungsprozesse<br />

wurde die Anzahl an beteiligten Entwicklern in einem<br />

Entwicklungsprojekt herangezogen. Im Falle des Anforderungsmanagements<br />

<strong>und</strong> der Projektverfolgung ist mit<br />

zunehmender Teamgröße ein leichter Anstieg der Prozessreife<br />

zu verzeichnen (Bild 8). Besonders interessant<br />

sind jedoch die Ergebnisse der Qualitätssicherung <strong>und</strong><br />

des Konfigurationsmanagements. Insbesondere die Gruppe<br />

>10 Entwickler verfügt über eine deutlich höhere Pro-<br />

BILD 8: Reife in Abhängigkeit von der Komplexität<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

10 / 2012<br />

33

HAUPTBEITRAG<br />

AUTOREN<br />

Dr.-Ing. BERND SPIEGELBERGER (geb. 1976) studierte Maschinenwesen,<br />

Fachrichtung Informationstechnik, an der Technischen<br />

Universität München <strong>und</strong> promovierte bei Prof. Dr.-Ing. Klaus<br />

Bender am Lehrstuhl für Informationstechnik im Maschinenwesen<br />

zum Thema „anwendergerechte Gestaltung mechatronischer<br />

Entwicklungsprozesse für kleine <strong>und</strong> mittlere Unternehmen<br />

im Maschinenbau“. Seit 2010 ist er bei der ITQ GmbH<br />

als Senior Consultant tätig. Seine Aufgabenschwerpunkte<br />

liegen im mechatronischen Entwicklungs- <strong>und</strong> Projektmanagement<br />

sowie der Qualitätssicherung softwareintensiver mechatronischer<br />

Produkte.<br />

ITQ GmbH,<br />

Parkring 4, D-85748 Garching b. München,<br />

Tel. +49 (0) 89 32 19 81 70, E-Mail: spiegelberger@itq.de<br />

Dr.-Ing. RAINER STETTER (geb. 1963) studierte Maschinenbau an<br />

der Technischen Universität München <strong>und</strong> promovierte über<br />

„Rechnergestützte Simulationswerkzeuge zur Effizienzsteigerung<br />

des Industrierobotereinsatzes“ am Institut für Werkzeugmaschinen<br />

<strong>und</strong> Betriebswissenschaften. Seit 1997 ist er Geschäftsführer<br />

der Software Factory GmbH in Garching bei München.<br />

Zusätzlich leitet er als Geschäftsführender Gesellschafter<br />

die 1998 von ihm gegründete ITQ GmbH, Garching.<br />

ITQ GmbH,<br />

Parkring 4, D-85748 Garching b. München,<br />

Tel. +49 (0) 89 32 19 81 70, E-Mail: stetter@itq.de<br />

MANFRED BONTESMÜLLER (geb. 1940) studierte Maschinenbautechnik<br />

<strong>und</strong> war anschließend als Konstrukteur <strong>und</strong> als Beratungsingenieur<br />

für Verpackungsmaschinen tätig. So wurde die<br />

Basis für die Gründung der Somic Verpackungsmaschinen<br />

GmbH & Co. KG 1974 geschaffen. Seit 2007 widmet er sich<br />

ausschließlich den Unternehmensfragen <strong>und</strong> der technischen<br />

Firmenentwicklung.<br />

Somic Verpackungsmaschinen GmbH & Co. KG,<br />

Am Kroit 7, D-83123 Amerang,<br />

Tel. +49 (0) 80 75 91 60, E-Mail: info@somic.de<br />

Dr.-Ing. BERNHARD KAUSLER (geb. 1978) studierte Elektro- <strong>und</strong><br />

Informationstechnik, Fachrichtung Mechatronik, an der Technischen<br />

Universität München. Im Anschluss promovierte er am<br />

Lehrstuhl für Informationstechnik im Maschinenwesen im<br />

Bereich der Qualitätssicherung mechatronischer Systeme. Seit<br />

2008 ist der bei der ITQ GmbH als Senior Consultant tätig. Seine<br />

Aufgabenschwerpunkte liegen im mechatronischen Entwicklungs-<br />

<strong>und</strong> Projektmanagement sowie der Qualitätssicherung<br />

softwareintensiver mechatronischer Produkte.<br />

ITQ GmbH,<br />

Parkring 4, D-85748 Garching b. München,<br />

Tel. +49 (0) 89 32 19 81 70, E-Mail: kausler@itq.de<br />

zessreife. Eine höhere Zahl an Entwicklern scheint auch<br />

zu einem steigenden Bedarf an Maßnahmen der Qualitätssicherung<br />

zu führen. Wie in Bild 4 gezeigt, führt sie<br />

weiterhin dazu, dass die Prozesse des Konfigurationsmanagements<br />

über eine deutlich höhere Reife verfügen.<br />

4.6 Diskussion der erzielten Ergebnisse<br />

Der Vergleich der durchschnittlich erzielten Reife mit<br />

den von BESTVOR geforderten Werten belegt, dass<br />

mechatronische Entwicklungsprozesse in der Regel<br />

nicht beherrscht werden. Insbesondere die Prozesse der<br />

Qualitätssicherung sind nicht nur bei Unternehmen mit<br />

weniger als 100 Mitarbeitern auf einem alarmierend<br />

niedrigen Niveau. Um den Unternehmenserfolg im<br />

globalen Wettbewerb langfristig zu sichern, müssen die<br />

brachliegenden Potenziale besser genutzt werden.<br />

Ferner wird deutlich, dass die Reife der einzelnen Prozessgebiete<br />

in den Unternehmen stark variiert. Dies ist<br />

auf zahlreiche Einflussfaktoren zurückzuführen. Das<br />

ideale Vorgehen beziehungsweise die ideale Reife eines<br />

Entwicklungsprojekts ist demnach nicht als absolute<br />

Größe zu sehen. Unternehmen müssen vielmehr in die<br />

Lage versetzt werden, einzelne Prozesse in Abhängigkeit<br />

von der jeweiligen Entwicklungsaufgabe <strong>und</strong> -situation<br />

an ihr Unternehmen anzupassen.<br />

Der Gedanke, dass es den idealen Entwicklungsprozess<br />

nicht gibt, ist nicht neu. Moderne Vorgehensmodelle<br />

wie das V-Modell XT sehen daher ein Tailoring<br />

vor, um Prozesse an individuelle Gegebenheiten anzupassen.<br />

Bis dato werden die Unternehmen bei diesem<br />

Schritt jedoch nur unzureichend unterstützt. Die Ausführungen<br />

verdeutlichen, dass es einer Methode zur<br />

anwendergerechten Gestaltung mechatronischer Entwicklungsprozesse<br />

bedarf. Hierzu präsentiert die Dissertation<br />

von Spiegelberger [11] einen Ansatz, welcher<br />

die BESTVOR-Methodik in einen kontinuierlichen<br />

Verbesserungsprozess integriert. Das darin enthaltene<br />

Konzept zeigt eine klare Systematik zur anwendergerechten<br />

Gestaltung von Entwicklungsvorhaben in der<br />

Mechatronik auf Gr<strong>und</strong>lage mehrerer Einflussfaktoren.<br />

Um ein möglichst vollständiges Bild der relevanten<br />

Einflussfaktoren auf Entwicklungsprozesse zu erhalten,<br />

wären daher weitere Untersuchungen mittels<br />

BESTVOR wünschenswert.<br />

FAZIT<br />

Die Mechatronik bietet erhebliches Potenzial, innovative<br />

Produkte zu erzeugen. Dementsprechend betrachten<br />

viele Unternehmen des Maschinen- <strong>und</strong> Anlagenbaus<br />

die Mechatronik als entscheidenden Wertschöpfungsfaktor,<br />

den es zu beherrschen gilt. Trotz der Tatsache,<br />

dass Entwicklungsprozesse der Mechatronik<br />

gänzlich anders ablaufen als heute etablierte Prozesse<br />

der Mechanik, wurden Prozesse <strong>und</strong> Strukturen in den<br />

Unternehmen nur geringfügig geändert. Häufig dominiert<br />

noch immer die Mechanik die Abläufe. Empirische<br />

Untersuchungen mit dem BESTVOR-Reifegrad-<br />

34<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

10 / 2012

modell belegen, dass die Mechatronik bestenfalls teilweise<br />

beherrscht wird.<br />

Weiterhin kann gezeigt werden, dass der ideale Prozess<br />

von zahlreichen unternehmens- <strong>und</strong> projektspezifischen<br />

Faktoren abhängt, die bei der Gestaltung mechatronischer<br />

Entwicklungsprozesse zu berücksichtigen sind. [11]<br />

stellt hier eine Methodik zur Gestaltung von Entwicklungsprozessen<br />

vor. Weitere Untersuchungen, welche den<br />

Entwurf einer allgemeingültigen Metrik zur Berücksichtigung<br />

spezifischer Einflussfaktoren ermöglichen, wären<br />

daher erforderlich.<br />

MANUSKRIPTEINGANG<br />

02.02.2012<br />

Im Peer-Review-Verfahren begutachtet<br />

REFERENZEN<br />

[1] Buschermöhle, R.; Eekhoff, H.; Josko, B.: Success,<br />

Erfolgs- <strong>und</strong> Misserfolgsfaktoren bei der Durchführung<br />

von Hard- <strong>und</strong> Software-Entwicklungsprojekten<br />

in Deutschlang, BIS-Verlag der Carl von Ossietzky<br />

Universität Oldenburg, 2006<br />

[2] Bender, K. (Hrsg.): Embedded systems – qualitätsorientierte<br />

Entwicklung, Springer, 2005<br />

[3] Burghardt, M.: Projektmanagement, Leitfaden für die<br />

Planung, Überwachung <strong>und</strong> Steuerung von Projekten,<br />

Publicis Corp., 2008<br />

[4] Capgemini Consulting: Change Management – Studie<br />

2010, Business Transformation – Veränderungen<br />

erfolgreich gestalten, 2010<br />

[5] Collofello, J.: Introduction to Software Verification and<br />

Validation. Software Engineering Institute, Carnegie<br />

Mellon University, 1988<br />

[6] EN ISO 9000: Qualitätsmanagementsysteme – Gr<strong>und</strong>lagen<br />

<strong>und</strong> Begriffe, 2005<br />

[7] Gallup: Mitarbeiterzufriedenheit in Deutschland, 2011<br />

[8] Gausemeier, J.: Domänenübergreifende Vorgehensmodelle,<br />

(http://www.transmechatronic.de/fileadmin/<br />

Fachbeitrag/Beitrag_Vorgehensmodelle_Gausemeier_<br />

2008-12-18.pdf, 2008)<br />

[9] Glinz, M.: Eine geführte Tour durch die Landschaft der<br />

Software-Prozesse <strong>und</strong> -Prozessverbesserung:<br />

INFORMATIK/INFORMATIQUE; 1999.<br />

[10] KPMG: KPMG Forschung <strong>und</strong> Entwicklung managen,<br />

Erfolgsfaktoren im Maschinen- <strong>und</strong> Anlagenbau, 2005<br />

[11] Spiegelberger, B.: Anwendergerechte Gestaltung<br />

mechatronischer Entwicklungsprozesse für kleine<br />

<strong>und</strong> mittlere Unternehmen im Maschinenbau.<br />

Sierke Verlag, 2011<br />

[12] Stetter, R., Rauchenberger, J., Spiegelberger, B.:<br />

BMBF Projektabschlussbericht des Forschungsprojekts<br />

BESTVOR, Betriebliche Einführungsstrategie für<br />

ein anwendungsorientiertes Vorgehensmodell für die<br />

Entwicklung zuverlässigerer mechatronischer<br />

Systeme im Maschinen- <strong>und</strong> Anlagenbau, 2010<br />

[13] VDI/VDE 2221: Methodik zum Entwickeln <strong>und</strong> Konstruieren<br />

technischer Systeme <strong>und</strong> Produkte, 1993<br />

„ Zuverlässige Messtechnik<br />

für die Sicherheit Ihrer<br />

Prozesse.“<br />

Selbstüberwachende Füllstand- <strong>und</strong> Drucksensoren<br />

erhöhen Ihre Anlagensicherheit.<br />

Für die Sicherheit Ihrer Anlage arbeiten VEGA-Sensoren<br />

mit Selbstüberwachung <strong>und</strong> Diagnosefunktionen. Asset<br />

Management <strong>und</strong> zusätzliche Speicher für Prozesswerte<br />

<strong>und</strong> Systemereignisse ermöglichen eine vorbeugende<br />

Wartung sowie die lückenlose Rückverfolgung von<br />

Veränderungen im Prozess <strong>und</strong> am Sensor. Dies optimiert<br />

Ihre Anlagenverfügbarkeit <strong>und</strong> spart Kosten im Anlagenbetrieb<br />

<strong>und</strong> bei der Instandhaltung.<br />

www.vega.com/de/chemie.htm<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

10 / 2012<br />

35

HAUPTBEITRAG<br />

Das Zeitverhalten<br />

verteilter Anlagen<br />

Modellierung heterogener Systeme<br />

Der Wunsch nach Interoperabilität in verteilten Anlagen bei Verwendung durchgängiger<br />

Engineeringmethoden ist seit langem Gegenstand der Forschung. Gerade Schnittstellen<br />

zwischen Produkten <strong>und</strong> Systemen unterschiedlicher Hersteller führen in der Praxis oft<br />

zu Problemen bei der Fehleranalyse <strong>und</strong> der Abgrenzung der Leistungsumfänge. Dieser<br />

Beitrag behandelt verteilte Systeme, welche echtzeitfähige Komponenten <strong>und</strong> nicht echtzeitfähige<br />

Komponenten beinhalten. Diese Systeme werden als heterogene Systeme bezeichnet.<br />

Vorgeschlagen wird die zeitliche Modellierung des Gesamtsystems, bestehend<br />

aus dem Prozess, der Kommunikation <strong>und</strong> der verwendeten Instrumentierung sowie eine<br />

Bewertung der zeitlichen Unbestimmtheiten der Subsysteme. Durch die weitere Verwendung<br />

des Modells als Online-Beobachter erfolgt eine Überwachung der Prozessführung<br />

mit Handlungsempfehlungen.<br />

SCHLAGWÖRTER SysML / Modellierung / Verteilte Systeme / Netzplan / Prozessführung<br />

Temporal behaviour of distributed facilities –<br />

Modelling heterogeneous systems<br />

Interoperability in heterogeneous distributed systems using consistent engineering methods<br />

has long been a topic of research. Interfaces between products and systems from<br />

different vendors often lead to problems with the fault analysis and specification of performances.<br />

Here, distributed systems are considered which contains real-time and nonreal<br />

time components. Temporal modelling is proposed for the overall system consisting<br />

of the process, communications, and the instrumentation used, as well as an evaluation<br />

of the temporal uncertainties of the sub-systems. An online-observer should be used to<br />

supervise the system and to suggest recommendations if needed.<br />

KEYWORDS SysML / modelling / distributed control systems / network plan / process<br />

engineering<br />

36<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

10 / 2012

STEPHAN SCHÄFER, HTW Berlin<br />

ULRICH BERGER, BTU Cottbus<br />

DIRK SCHÖTTKE, HTW Berlin<br />

THOMAS KÄMPFE, HTW Berlin<br />

Aus der Prozess- <strong>und</strong> Fertigungsautomation<br />

kommt der Wunsch nach einer durchgängigen<br />

Modellierung der Gesamtanlage über einzelne<br />

Anlagenteile oder Steuerungen hinaus. Um<br />

Außerbetriebszeiten <strong>und</strong> Inbetriebnahmezeiten<br />

zu reduzieren <strong>und</strong> sichere Migrationsstrategien zu<br />

entwickeln, werden zunehmend Prozesssimulationsmodelle<br />

verwendet, wie beispielsweise in [1] beschrieben.<br />

Zur Reduzierung der Komplexität bei der Inbetriebnahme<br />

großer verteilter Gesamtanlagen werden diese in verschiedene<br />

Module unterteilt <strong>und</strong> Teil inbetriebnahmen<br />

durchgeführt [2]. Ein weiterer Schritt hin zum durchgängigen<br />

Engineering verteilter Anlagen war die Einführung<br />

der IEC 61131-3 zur herstellerunabhängigen Programmierung<br />

verteilter Systeme [3], sowie deren objektorientierter<br />

Nachfolger für verteilte Funktionsbausteine,<br />

die DIN EN 61499 [4].<br />

Da ein Schwerpunkt dieses Artikels auf räumlich <strong>und</strong><br />

zeitlich verteilten Kommunikationsstrukturen liegt, wird<br />

für echtzeitfähige Systeme, welche beispielsweise die<br />

nach DIN IEC 60050-351 [5] geforderten Echtzeitbedingungen<br />

erfüllen, der Begriff deterministisch verwendet, wobei<br />

sich Echtzeitfähigkeit so beschreiben lässt: „Ein Echtzeitsystem<br />

ist ein System, dessen Funktion nicht nur von<br />

der Richtigkeit der Ergebnisse, sondern ebenfalls von der<br />

dazu benötigten Zeit abhängt. Wenn die notwendigen<br />

zeitlichen Rahmenbedingungen nicht eingehalten werden,<br />

liegt ein Fehlerfall vor“ [6]. Bussysteme, welche die<br />

zuvor genannten Echtzeitbedingungen nicht einhalten,<br />

werden häufig als nicht-deterministische Kommunikationssysteme<br />

bezeichnet. Dieser Begriff ist in der Anwendung<br />

üblich, auch wenn sich das nicht-deterministische<br />

Verhalten ausschließlich auf zeitliche Aspekte bezieht.<br />

In der Literatur finden sich viele Beschreibungsmethoden<br />

für deterministische endliche Automaten. Zustandsgraphen<br />

<strong>und</strong> Petri-Netze werden bereits erfolgreich in<br />

komplexen Systemen verwendet. Die Gr<strong>und</strong>lagen zu<br />

Petri-Netzen, mit denen sich auch nebenläufige Prozesse<br />

beschreiben lassen, beschreibt [7]. Petri-Netze wurden<br />

bereits produktiv für die Modellierung deterministischer<br />

Systeme, beispielsweise in der Automobilindustrie<br />

eingesetzt, wie [8] zeigt. Dabei werden jedoch in der Regel<br />

vollständig deterministische Systeme untersucht,<br />

wobei die Kommunikation durch deterministische Busstrukturen<br />

realisiert wird, zum Beispiel durch die ausschließliche<br />

Verwendung echtzeitfähiger Feldbusse. Die<br />

Einbeziehung nicht-deterministischer Kommunikationsstrukturen<br />

wird erreicht, indem diese durch deterministische<br />

Busstrukturen ersetzt werden.<br />

Herstellerübergreifende <strong>und</strong> damit hardwareunabhängige<br />

Beschreibungsmittel, wie UML, haben ebenfalls<br />

verstärkt in die Modellierung komplexer heterogener Anlagen<br />

Einzug gehalten [9]. Als weiteres, insbesondere für<br />

die Automation entwickeltes Beschreibungsmittel, wurde<br />

in jüngster Zeit die Modellierungssprache UML zu<br />

SysML weitergeführt, um den besonderen Bedürfnissen<br />

dieses Anwendungsbereiches Rechnung zu tragen [10].<br />

Die Modellierungssprache UML bietet mehrere Möglichkeiten,<br />

um zeitliche Verläufe zu modellieren. Je nachdem,<br />

ob nur die beteiligten Kommunikationspartner, die<br />

exakte zeitliche Reihenfolge oder Kommunikationsfehler<br />

<strong>und</strong> die daraus resultierenden Systemreaktionen modelliert<br />

werden sollen, stellt die UML verschiedene Diagrammtypen<br />

zur Verfügung. Dies sind [11]:<br />

Sequenzdiagramm<br />

Kommunikationsdiagramm<br />

Timing-Diagramm<br />

Interaktionsübersichtsdiagramm<br />

Darüber hinaus schlagen die Autoren für eine konkrete<br />

Anwendung ein Beobachtermodell vor, welches das<br />

Gesamtsystem auf die Einhaltung zeitlicher Grenzen<br />

(engl. Constraints) für die deterministischen <strong>und</strong> nichtdeterministischen<br />

Subsysteme, überwacht. Es geht darum,<br />

eventuelle Abweichungen zu erkennen <strong>und</strong> gegebenenfalls<br />

auf solche Verletzungen mithilfe von Ersatzstrategien<br />

zu reagieren. Innerhalb der Modellierungssprache<br />

UML lassen sich Constraints durch die<br />

Object-Constraint-Language (OCL) beschreiben. Einzelheiten<br />

zu OCL sind unter [12] zu finden. Da diese Sprache<br />

jedoch weit über die Modellierung rein zeitlicher Aspek-<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

10 / 2012<br />

37

HAUPTBEITRAG<br />

te hinausgeht <strong>und</strong> aufgr<strong>und</strong> ihrer Mächtigkeit eine intensive<br />

Einarbeitung erfordert, wird für die in diesem<br />

Beitrag beschriebene Anwendung eine alternative Beschreibungsform<br />

gewählt. Diese beinhaltet eine zeitliche<br />

Betrachtung des Gesamtsystems <strong>und</strong> der einzelnen Teilsysteme<br />

<strong>und</strong> trifft qualitative <strong>und</strong> quantifizierbare Aussagen<br />

über deterministische <strong>und</strong> nicht-deterministische<br />

Vorgänge in heterogenen Systemen.<br />

Es wird eine Notation vorgeschlagen, die auf Netzplantechnik<br />

<strong>und</strong> GANTT-Diagrammen basiert. Diese Art der<br />

Modellierung wird beispielhaft für ein Pendeldämpfungssystem<br />

(anti-sway system) eines Kransystems durchgeführt<br />

(Bild 1). Dieses Verfahren ermöglicht es, zeitkritische<br />

Engpässe <strong>und</strong> zeitliche Spielräume zu finden, um<br />

das zeitliche Verhalten des Gesamtsystems zu optimieren.<br />

1. ZEITLICHE DARSTELLUNG VERTEILTER SYSTEME<br />

Wir betrachten ein Gesamtsystem, bestehend aus Prozessen,<br />

Kommunikationsstrukturen <strong>und</strong> der dazugehörigen<br />

gerätetechnischen Instrumentierung. Für die zeitliche<br />

Darstellung dieser verteilten Systeme eignen sich besonders<br />

die Diagrammtypen Netzplan <strong>und</strong> GANTT-Diagramm.<br />

Die Methode der Netzplantechnik wird im weiteren<br />

Verlauf auf die konkrete Anwendung übertragen.<br />

Eine erste schematische Zuordnung der anzutreffenden<br />

Funktionsbestandteile zu ihrem zu erwartenden Zeitverhalten<br />

zeigt Bild 2.<br />

Um bereits während der Modellierung zeitkritische<br />

Engpässe <strong>und</strong> zeitliche Spielräume zu lokalisieren, werden<br />

folgende Schritte vorgeschlagen:<br />

1 | Modellierung der statischen Systemeigenschaft<br />

mittels SysML mit einem Schwerpunkt auf dem<br />

zeitlichen Einzelverhalten der jeweiligen Module<br />

2 | Modellierung der Abhängigkeiten mittels der aus<br />

der Prozessoptimierung bekannten Netzplantechnik<br />

3 | Ermittlung eventueller Engpässe sowie zeitlich<br />

unbestimmter Prozesse <strong>und</strong> Optimierung des<br />

Gesamtsystems<br />

4 | Verwendung eines Online-Beobachters zur<br />

permanenten Überwachung zeitlich unbestimmter<br />

Prozesse<br />

5 | Erarbeitung von Handlungsempfehlungen bei<br />

Verletzung zeitlicher Beschränkungen<br />

Die Praxistauglichkeit dieses Vorgehens wird anhand<br />

eines Pendeldämpfungssystems einer Krananlage (Handling-System)<br />

nachgewiesen. Der Ansatz ist so allgemein<br />

gewählt, dass sich diese Methode auf andere Projekte<br />

<strong>und</strong> Anlagen übertragen lässt.<br />

2. ANLAGENBESCHREIBUNG HANDLING-SYSTEM<br />

Handling-Systeme in Form von Kransystemen <strong>und</strong> handgeführten<br />

Manipulatoren werden aus Normungssicht in<br />

DIN EN 14238 behandelt [13]. Als Teilelemente komplexer<br />

Logistikprozesse finden sich Handling-Systeme unter<br />

anderem in der Intralogistik. Ihr Einsatzgebiet umfasst<br />

fast alle Technikbereiche. In der Konzeption von Materialflusssystemen<br />

spielen Handling-Systeme <strong>und</strong> deren<br />

Einsatz in gekapselten Subsystemen daher eine wichtige<br />

Rolle. Um derart komplexe Systeme unter dem Gesichtspunkt<br />

der zeit- <strong>und</strong> energieoptimalen Fahrweise betreiben<br />

zu können, bedarf es in jedem Fall einer modellbasierten<br />

Prozessführungsstrategie, die eine Überführung<br />

der Last entlang einer zu definierenden oder definierten<br />

Trajektorie sicherstellt. Dies bedeutet, dass die technologischen<br />

Rahmenbedingungen zu betrachten sind <strong>und</strong><br />

die für die informationstechnische Realisierung notwendigen<br />

Ressourcen der Instrumentierung (Performance<br />

PAC, Speicher, Timing, Kommunikationskanäle) <strong>und</strong><br />

deren Auslegungsparameter. Nur durch die transparente<br />

Betrachtung dieser Ressourcen <strong>und</strong> deren Einfluss<br />

ergibt sich die Möglichkeit, bereits im Vorfeld auf das<br />

Engineering einzuwirken.<br />

Bei der in Bild 3 ausgewiesenen Instrumentierung handelt<br />

es sich um eine Reduktion auf die wesentlichen<br />

Merkmale der Ansteuerung einer Achse eines beliebigen<br />

Handling-Systems.<br />

Die Beherrschung des Engineerings derartiger Systeme<br />

erfordert eine systematische Strukturierung der notwendigen<br />

Funktionsbereiche <strong>und</strong> umfasst die Modellierung<br />

der Eigenschaften <strong>und</strong> der Abhängigkeiten der einzelnen<br />

Module. Neben der statischen Modellierung der einzelnen<br />

Elemente (Module) findet zunächst eine erste<br />

Abschätzung der zu erwartenden zeitlichen Anforderungen<br />

an die Systembestandteile (Systemmodule) statt. Im<br />

Anschluss werden die dynamischen Eigenschaften der<br />

Module untersucht.<br />

Auf Basis dieser zeitlichen Einordnung <strong>und</strong> der in der<br />

Praxis anzutreffenden Rahmenbedingungen erfolgen die<br />

ereignisgesteuerte Freigabe von Ressourcen, sowie die<br />

Stellgrößengenerierung <strong>und</strong> Ansteuerung des betreffenden<br />

Antriebs. Die durchgängige Darstellung der funktionalen<br />

Anlagenstruktur, sowie deren Abhängigkeiten<br />

<strong>und</strong> Schnittstellen zwischen den Teilmodulen Prozessüberwachung,<br />

Steuerung <strong>und</strong> Regelung, zeigt Bild 4.<br />

3. ABBILDUNG DER ZEITLICHEN EIGENSCHAFTEN<br />

Durch die Verwendung der Metamodellierungssprache<br />

SysML lassen sich auch nichtfunktionale Anforderungen<br />

modellieren. In SysML definierte Constraint-Blöcke<br />

bieten einen Mechanismus zur Modellierung zeitabhängiger<br />

<strong>und</strong> sicherheitskritischer Randbedingungen. Zeitliche<br />

Abläufe werden daher als Eigenschaft innerhalb<br />

der Constraint-Blöcke modelliert, auf die andere Blöcke<br />

wiederum zugreifen können [14]. Die statische Anlagenstruktur<br />

des betrachteten Systems wurde mit SysML<br />

aufbereitet. SysML erlaubt unter anderem die Spezifikation,<br />

die Analyse, das Design <strong>und</strong> die Verifikation <strong>und</strong><br />

Validierung von Systemen <strong>und</strong> deren Systemelemente<br />

wie Software, Hardware, Informationen, Prozesse, Personen<br />

<strong>und</strong> Gegenstände. Ausgehend von dem Systemmodell<br />

(Bild 4) wird mithilfe von Konfigurationseinstellungen<br />

<strong>und</strong> der Übergabe von Werten an die äußere<br />

Schnittstelle des Systems die Veränderung des Systemzustandes<br />

im Verlauf der Zeit beobachtet.<br />

Damit dieses Systemmodell nicht nur zur Systembeschreibung<br />

dient, sondern auch eine Simulation des Sys-<br />

38<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

10 / 2012

BILD 2: Zeitliche Einordnung der Funktionsbestandteile<br />

BILD 1: Technologieschema-Einordnung<br />

BILD 3: Schematische Darstellung eines Handling-Systems<br />

BILD 4: Darstellung der Abhängigkeiten der<br />

Teilmodule<br />

BILD 5: Darstellungen der Funktionsblöcke mittels SysML<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

10 / 2012<br />

39

HAUPTBEITRAG<br />

Die Netzplantechnik wird hauptsächlich für die zeitliche<br />

Organisation von Projekten <strong>und</strong> Abläufen eingesetzt.<br />

Es gibt viele Werkzeuge, <strong>und</strong> die mathematischen Verfahren<br />

zur Ermittlung verschiedener Pfade (Routing)<br />

sind ausgereift. Somit ist die Ermittlung kritischer Pfade<br />

<strong>und</strong> alternativer Kommunikationswege über Routingvertems<br />

ermöglicht, muss neben der Systemstruktur das<br />

Systemverhalten spezifiziert werden. Zustandsänderungen<br />

können so zu diskreten Zeitpunkten oder kontinuierlich<br />

vollzogen werden [15]. Das SysML-Blockdiagramm<br />

(Bild 5) übernimmt hierbei die Kernbereiche der<br />

Funktionsübersicht <strong>und</strong> definiert für jeden Bereich eine<br />

zeitliche Abhängigkeit <strong>und</strong> Priorität. Das zeitliche Verhalten<br />

wird an zusätzlichen Funktionen abgeleitet.<br />

4. VERWENDUNG DER NETZPLANTECHNIK<br />

Durch das SysML-Blockdiagramm ist es nun möglich,<br />

diese Konstellation in die Netzplantechnik zu überführen.<br />

Dabei ist die Modellierung für örtlich beschränkte<br />

Sub-Systeme <strong>und</strong> für örtlich <strong>und</strong> zeitlich verteilte vernetzte<br />

Systeme umsetzbar. Kommunikationsprotokolle<br />

<strong>und</strong> Kanäle können dabei in die Modellierung mit einbezogen<br />

werden. Der Begriff Netzplantechnik umfasst<br />

nach DIN 69900-1 „auf Ablaufstrukturen basierende<br />

Verfahren zur Analyse, Beschreibung, Planung, Steue-<br />

rung, Überwachung von Abläufen, wobei Zeit, Kosten,<br />

Ressourcen <strong>und</strong> weitere Größen berücksichtigt werden<br />

können“ [16]. Ein Netzplan ist somit die grafische oder<br />

tabellarische Darstellung von Abläufen <strong>und</strong> deren Abhängigkeiten.<br />

In diesem Netzplan (siehe Bild 6) besitzt<br />

jeder Vorgang eine Priorität, zeitliche Dauer <strong>und</strong> Puffer<br />

<strong>und</strong> wird mit dem jeweiligen deterministischen Kommunikationskanal<br />

verkettet. Nun können die Zeitpunkte<br />

der Vorgänger berechnet werden. Da die Kommunikationskanäle<br />

zyklisch Daten versenden, gibt es einen<br />

festen Endzeitpunkt.<br />

4.1 Vorteile bei der Verwendung der Netzplantechnik<br />

nicht-deterministische<br />

Kommunikation<br />

nicht-deterministische<br />

Kommunikation<br />

deterministische<br />

Kommunikation<br />

nicht-deterministische<br />

Kommunikation<br />

BILD 6: Netzplan – Zeitliche Zuordnung (Auszug)<br />

40<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

10 / 2012

fahren mittels entsprechender Algorithmen realisierbar.<br />

Bei der Netzplantechnik handelt es sich um eine anschauliche<br />

grafische Darstellungsform, welche bereits<br />

aus anderen Fachdisziplinen bekannt ist <strong>und</strong> daher nur<br />

eine geringe Einarbeitungszeit benötigt. Zeitliche Verfügbarkeiten<br />

können direkt aus dem Netzplan gewonnen<br />

werden. So lässt sich eine Ablaufplanung unter Präzedenz-<br />

<strong>und</strong> Ressourceneinschränkungen durchführen.<br />

Die Verwendung eines Online-Beobachters dient dazu,<br />

den ermittelten kritischen Pfad zu überwachen <strong>und</strong> im<br />

Falle einer Verletzung oder Überschreitung von Grenzen<br />

Handlungsempfehlungen zu ermöglichen.<br />

4.2 Nachteile bei der Verwendung der Netzplantechnik<br />

Die vorgestellte zeitliche Modellierung mittels Netzplantechnik<br />

berücksichtigt ausschließlich die zeitlichen Aspekte.<br />

In den folgenden Ausführungen wird die criticalpath-Methode<br />

der Netzplantechnik als etabliertes Werkzeug<br />

für prozessrelevante Ereignisse (Vorgänge) exemplarisch<br />

verwendet [17]. Die Autoren setzen voraus, dass<br />

auch nicht-deterministische Systeme innerhalb der angegebenen<br />

Zeitgrenzen bleiben. Eine Verletzung der Einschränkungen,<br />

also beispielsweise im Fehlerfall, welcher<br />

sich ebenfalls durch Handlungsempfehlungen in<br />

Form einer Ersatzwertstrategie berücksichtigen lässt,<br />

wird nicht weiter behandelt.<br />

4.3 Ergebnisermittlung als Nachweisführung<br />

Der in Bild 6 dargestellte zeitliche Zusammenhang beruht<br />

auf der Annahme, dass eine örtliche <strong>und</strong> zeitliche<br />

Verteilung der notwendigen Ressourcen in der Systemumgebung<br />

gegeben ist. Dies bedeutet, dass die Ressourcen<br />

hinsichtlich ihrer zeitlichen Positionierung einen<br />

unbestimmten Anfangszustand einnehmen können. Um<br />

die Prozessführung hinreichend stabil <strong>und</strong> robust zu<br />

gestalten, bedarf es vorab einer zeitlichen Abschätzung<br />

der Modellzeit auf systembeeinflussende Ereignisse. Das<br />

betrachtete Ereignis ist die Pendelbewegung der Last<br />

nichtdeterministische<br />

Kommunikation<br />

deterministische<br />

Kommunikation<br />

BILD 7: Zeitkritischer Pfad –<br />

Ressourcennutzung<br />

BILD 8: Zeitversatz der Ressourcennutzung<br />

<strong>und</strong> deren Einfluss (exemplarisch)<br />

BILD 9: Beeinflussung Prozessführung<br />

bei Fehlinterpretation von Prozessgrößen<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

10 / 2012<br />

41

HAUPTBEITRAG<br />

während ihrer Positionierung. Mit den genutzten Ressourcen<br />

sollen die Kompensation der Restpendelbewegung<br />

<strong>und</strong> des vorhandenen Modellfehlers der Anlage<br />

erfolgen. Auf Basis der Netzplandarstellung ergeben sich<br />

automatisch die notwendigen Ressourcen <strong>und</strong> der kritische<br />

Pfad für den Bereich der Stellgrößengenerierung<br />

des Reglers, welche Bild 7 aufzeigt.<br />

Hieraus wird ersichtlich, dass unter Berücksichtigung<br />

dieser Annahmen (Bild 8), sich die Nutzung der Ressource<br />

Kommunikation am zeitlich intensivsten auswirkt.<br />

Bei einer angenommenen Positioniergeschwindigkeit<br />

von bis zu 4 m/s ergibt sich bereits eine erhebliche Streuung<br />

in der Positioniergenauigkeit. Für den Fall, dass die<br />

vereinbarte zeitliche Beschränkung verletzt wird, muss<br />

der nachgeführte Ersatzwert Vorrang vor dem veralteten<br />

Messwert erhalten, da dies sonst zu einer erheblichen<br />

Verschlechterung des Prozessverhaltens <strong>und</strong> zu einer<br />

Fehlinterpretation des Systemverhaltens führen kann.<br />

Diese Auswirkungen sind qualitativ in Bild 9 dargestellt.<br />

Die mögliche Fehlinterpretation hängt immer ab vom<br />

gewählten Ansatz der Rekonstruktion von Messwerten<br />

<strong>und</strong> des zu kompensierenden Modellfehlers. Da bei einer<br />

Rekonstruktion über einen Zustandsbeobachter auch die<br />

Prozessgrößen zum Abgleich genutzt werden, folgt eine<br />

nicht zu vernachlässigende Verfälschung des rekonstruierten<br />

Parameters. Dieses Verhalten kann vermindert<br />

werden, wenn die zeitliche Betrachtung dieser Situation<br />

in den verteilten Ressourcen <strong>und</strong> ihren Applikationen<br />

berücksichtigt wird.<br />

FAZIT<br />

Bereits bekannte Modellierungsverfahren erlauben es,<br />

deterministische Systeme vollständig zu beschreiben.<br />

Die Systeme, die deterministische <strong>und</strong> nicht deterministische<br />

Subsysteme aufweisen, lassen sich unter anderem<br />

dadurch modellieren, dass ausschließlich deterministische<br />

Kommunikationssysteme, wie echtzeitfähige<br />

Feldbusse, verwendet werden. Der vorgestellte<br />

Ansatz beschreibt vereinfacht die zeitliche Modellierung<br />

eines komplexen Systems, welches sowohl deterministische<br />

als auch nicht-deterministische Subsysteme<br />

aufweist. Dabei wird unter anderem die für technische<br />

Systeme <strong>und</strong> Anlagen spezifizierte Metamodellierungssprache<br />

SysML verwendet. Die Constraint-Blöcke<br />

in SysML dienen der Festlegung nicht-funktionaler<br />

Randbedingungen. Im beschriebenen Anwendungsfall<br />

sind das die zeitlichen Rahmenbedingungen. Unter Verwendung<br />

der Netzplantechnik, die auf der Graphentheorie<br />

basiert, lässt sich durch die Verkettung der modellierten<br />

Blöcke ein anschaulicher Überblick über das<br />

Gesamtsystem gewinnen.<br />

Im Beitrag wurde die Methode des kritischen Pfades<br />

verwendet, bei der die Übergänge beziehungsweise Transitionen<br />

als Pfeile dargestellt werden. Bei dieser Vorgehensweise<br />

ist eine rechnergestützte Auswertung möglich.<br />

Darüber hinaus bietet dieses Verfahren eine hohe<br />

Sicherheit bei der Abschätzung des zeitlichen Verhaltens<br />

des Gesamtsystems. Engpässe im zeitlichen Verhalten<br />

können bereits während der Modellierungsphase erkannt<br />

<strong>und</strong> behoben werden. Der Einsatz des Online-Beobachters,<br />

der eine Einzelüberwachung, der verschiedenen<br />

Systemzeiten durchführt kann zu Handlungsempfehlungen<br />

zur Anpassung einzelner Zeiten <strong>und</strong> zur Optimierung<br />

des kritischen Pfades <strong>und</strong> damit zur zeitlichen<br />

Optimierung des Gesamtsystems verwendet werden.<br />

REFERENZEN<br />

MANUSKRIPTEINGANG<br />

30.04.2012<br />

Im Peer-Review-Verfahren begutachtet<br />

[1] Grimm, B.: Virtuelle Inbetriebnahme von Produktionsanlagen.<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong>–Automatisierungstechnische<br />

Praxis, 54(4), S. 28 – 33, 2012<br />

[2] Urbas, L., Bleuel, St., Jäger, T., Schmitz, St., Evertz, L.,<br />

Nekolla, T. Automatisierung von Prozessmodulen. <strong>atp</strong><br />

<strong>edition</strong> – Automatisierungstechnische Praxis, 54 (1– 2),<br />

S. 44 – 53, 2012<br />

[3] IEC 61131-3: Programmable controllers, 2003<br />

[4] DIN EN 61499: Funktionsbausteine für industrielle<br />

Leitsysteme, 2005<br />

[5] DIN IEC 60050-351: Internationales Elektrotechnisches<br />

Wörterbuch – Teil 351: Leittechnik, 2009<br />

[6] Gillies, D.W.: Real-Time System References and<br />

Reading Materials, Elec 494 Course on Real-Time<br />

Software-Spring, University of British Columbia,<br />

Dept. of Electrical Engineering, 1995<br />

[7] Petri, C.A.: Kommunikation mit Automaten, Schriften<br />

d. Rheinisch-Westfälischen Instituts f. instrumentelle<br />

Mathematik Universität Bonn. Nr. 2, Darmstadt 1962<br />

[8] Schorer, M., Mottok J., Kuntz St.: Beschreibung eines<br />

kooperativen Tasksystems mit OSEK-konformen<br />

Scheduler durch Petri Netze. In: Tagungsband 2. Embedded<br />

Software Engineering Kongress, S. 637 – 644.<br />

Vogel, 2009<br />

[9] Frey, G., Hussain, T.: Entwicklung verteilter Steuerungen<br />

mit UML <strong>und</strong> IEC 61499. In: Tagungsband Automation<br />

2008, S. 199 – 202. VDI-Verlag, 2008.<br />

[10] OMG Systems Modeling Language, 2010 ( http://www.<br />

sysml.org/docs/specs/OMGSysML-v1.2-10-06-02.pdf )<br />

[11] ISO/IEC 19505-1/ 2: Information technology-Object<br />

Management Group Unified Modeling Language (OMG<br />

UML), 2012<br />

[12] OMG Object Constraint Language (OCL) Version 2.3.1<br />

(http://www.omg.org/spec/OCL/2.3.1)<br />

[13] DIN EN 14238: Krane – Handgeführte Manipulatoren; 2009<br />

[14] Hausding, P: Systemmodellierung mit SysML, Studienarbeit<br />

am Institut für Informatik, Lehr- <strong>und</strong> Forschungseinheit<br />

Systemanalyse, Humboldt Universität Berlin 2009<br />

[15] DIN 69900-01, Projektmanagement – Netzplantechnik;<br />

Beschreibungen <strong>und</strong> Begriffe, 2009.<br />

[16] Aichele, Ch.: Intelligentes Projektmanagement,<br />

Kohlhammer Verlag, 2006<br />

42<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

10 / 2012

AUTOREN<br />

Prof. Dr.-Ing. STEPHAN SCHÄFER (geb. 1970)<br />

lehrt seit 2010 an der Hochschule für Technik <strong>und</strong><br />

Wirtschaft HTW in Berlin. Zu seinen Forschungsschwerpunkten<br />

zählen die Modellierung <strong>und</strong> der<br />

Einsatz komplexer Automatisierungssysteme in<br />

heterogenen Industrieumgebungen, verteilte Echtzeitsysteme<br />

<strong>und</strong> die Ergonomie- <strong>und</strong> Gestaltungsanforderungen<br />

an SCADA <strong>und</strong> HMI-Oberflächen.<br />

HTW Berlin, FB1,<br />

Wilhelminenhofstraße 75A, D-12459 Berlin,<br />

Tel. +49 (0) 30 50 19 34 66,<br />

E-Mail: stephan.schaefer@htw-berlin.de<br />

Dipl.-Ing. DIRK SCHÖTTKE (geb. 1962) ist Mitarbeiter<br />

im Studiengang Elektrotechnik der HTW Berlin<br />

<strong>und</strong> dort im Bereich Prozesssteuerungssysteme<br />

tätig. Zu seinen Hauptarbeitsgebieten gehören die<br />

Analyse, der Entwurf <strong>und</strong> die Entwicklung von<br />

SW-Lösungen für Anwendungen in der Industrie<strong>und</strong><br />

Gebäudeautomation sowie die Bereiche der<br />

Feldbussysteme <strong>und</strong> der verteilten Echtzeitsysteme.<br />

HTW Berlin, FB1,<br />

Wilhelminenhofstraße 75A, D-12459 Berlin,<br />

Tel. +49 (0) 30 50 19 35 64,<br />

E-Mail: dirk.schoettke@htw-berlin.de<br />

Prof. Dr.-Ing. ULRICH BERGER (geb. 1959)<br />

leitet seit 2001 den Lehrstuhl für Automatisierungstechnik<br />

<strong>und</strong> ist seit 2011 Mitglied des<br />

Fakultätsrates der Fakultät Maschinenbau,<br />

Elektrotechnik <strong>und</strong> Wirtschaftsingenieurwesen<br />

der Brandenburgischen Technischen Universität<br />

(BTU) Cottbus.<br />

BTU Cottbus, Lehrstuhl AT,<br />

Postfach 101344, D-03013 Cottbus,<br />

Tel. +49 (0) 355 694 11 11,<br />

E-Mail: ulrich.berger@tu-cottbus.de<br />

THOMAS KÄMPFE (B.Eng.) (geb. 1983) studiert an<br />

der HTW Berlin im Masterstudiengang Informations-<br />

<strong>und</strong> Kommunikationstechnik. In seiner<br />

Masterarbeit beschäftigt er sich mit der Thematik<br />

„Funktionaler Anwendungsentwurf für verteilte<br />

Automatisierungslösungen am Beispiel seilgeführter<br />

Handhabungssysteme“.<br />

HTW Berlin, FB1,<br />

Wilhelminenhofstraße 75A, D-12459 Berlin,<br />

Tel. +49 (0) 30 50 19 35 64,<br />

E-Mail: thomas.kaempfe@student.htw-berlin.de<br />

Elektrische Automatisierung<br />

Systeme <strong>und</strong> Komponenten<br />

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<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

10 / 2012<br />

43

HAUPTBEITRAG<br />

Safety <strong>und</strong> Security<br />

für Feldbus-Anforderungen<br />

Architektur ermöglicht Nachweisbarkeit <strong>und</strong> Echtzeit<br />

Für die fehlersichere Kommunikation existiert eine Reihe von Safety-Protokollen, die<br />

entweder über einen separaten Safety-Feldbus ausgeführt oder in einen Standard-Feldbus<br />

sicher eingebettet werden. Durch das wachsende Risiko von Angriffen auf Automatisierungssysteme<br />

wurde in letzter Zeit die Security ein immer wichtigeres Thema. In diesem<br />

Beitrag wird eine Architektur zur Kombination von Safety- <strong>und</strong> Security-Methoden vorgestellt.<br />

Dabei sind die Security-Methoden so gewählt, dass die Gültigkeit der Safety-<br />

Fehlermodelle erhalten bleibt, während die Security-Ziele ohne Einschränkungen erreicht<br />

werden. Die Wechselwirkungen zwischen den Methoden werden hinsichtlich Safety- <strong>und</strong><br />

Security-Kriterien sowie der Effizienz analysiert.<br />

SCHLAGWÖRTER Safety / Security / Feldbus / Kommunikation / Integrität / Vertraulichkeit<br />

Safety and security for fieldbus requirements –<br />

Architecture allowing validification<br />

There are many protocols for fail-safe communication that are either executed over a<br />

separate safety fieldbus or safely embedded in a regular fieldbus. Because of the growing<br />

risk of attacks against automation systems, security became an increasingly important<br />

issue. Safety and security measures apply different methods in order to achieve different<br />

goals. Their combination causes inevitable interactions. In this paper, an architecture for<br />

the combination of safety and security measures is presented. There the security measures<br />

are chosen such that the fault models of safety still hold and the security goals are<br />

reached without limitations. The interactions between the measures are analyzed with<br />

respect to safety and security criteria as well as efficiency.<br />

KEYWORDS safety / security / fieldbus / communication / integrity / confidentiality<br />

44<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

10 / 2012

FELIX WIECZOREK, FRANK SCHILLER, Beckhoff Automation<br />

Moderne Feldbusse sind häufig Teil komplexer<br />

Automatisierungs-Netzwerkarchitekturen.<br />

Spätestens seit die Prozess- <strong>und</strong> Felddaten<br />

über Industrial Ethernet oder drahtlos transportiert<br />

werden, kann nicht länger vorausgesetzt<br />

werden, dass die Feldbusumgebung nur aus vertrauenswürdigen<br />

Kommunikationsteilnehmern besteht.<br />

Es ist davon auszugehen, dass auch Angreifer Zugang<br />

zum Feldbus erhalten.<br />

Safety-Protokolle in Feldbussen erkennen Fehler, um<br />

vor sicherheitskritischen Situationen zu schützen [1, 2].<br />

Bei diesen Protokollen stehen zufällige Fehler im Fokus.<br />

Sie sind nicht ausgelegt, um vor Manipulation der Daten<br />

oder unbefugtem Lesen durch intelligente Angreifer zu<br />

schützen, da diese keinesfalls zufälligen Ereignissen<br />

entsprechen. Um die Angreifer zu berücksichtigen, müssen<br />

zusätzliche Security-Mechanismen in Feldbus-Protokolle<br />

eingeführt werden.<br />

Laut Kerckhoffs’ zweitem Prinzip [3], bekannt als<br />

Kerckhoffs’ Prinzip, wird vorausgesetzt, dass ein Angreifer<br />

alles über das Zielsystem einschließlich aller Komponenten<br />

<strong>und</strong> Prozesse weiß oder in Erfahrung bringen<br />

kann – nur nicht die Schlüssel, auf deren Gr<strong>und</strong>lage die<br />

Daten geschützt werden. Die konsequente Anwendung<br />

dieses Prinzips führt zu Lösungen, für die der nie ermittelbare<br />

Wissensstand eines Angreifers unerheblich ist.<br />

Es ist nur noch notwendig, die Länge der Schlüssel entsprechend<br />

dem technischen Fortschritt zu erhöhen [4].<br />

1. FEHLERSICHERE KOMMUNIKATION<br />

1.1 Safety-Ziele<br />

Allgemein ist das Ziel der Safety, das Risiko einer Gefahr<br />

in der gesamten Anlage <strong>und</strong> deren Umgebung zu<br />

verringern. Dies wird durch die Gewährleistung eines<br />

sicheren Zustandes erreicht. Ein sicherer Zustand liegt<br />

dann vor, wenn definitiv kein Fehler auftritt oder das<br />

System im Fehlerfall mit festgelegt hoher Wahrscheinlichkeit<br />

sicher reagiert.<br />

Für die Kommunikation bedeutet dieses Ziel, die Integrität<br />

der übertragenen Informationen zu sichern. Die<br />

Integrität von Informationen impliziert die Korrektheit<br />

dieser Informationen <strong>und</strong> die Erkennbarkeit von Fehlern.<br />

Die Integrität einer Safety-Funktion gewährleistet daher<br />

ihre korrekte Funktionsweise einschließlich einer sicheren<br />

Reaktion im Falle eines Fehlers (daher der Begriff<br />

fehlersichere Kommunikation).<br />

Safety-Mechanismen zielen darauf ab, aufgetretene<br />

Fehler mit hoher Wahrscheinlichkeit zu erkennen beziehungsweise<br />

die Wahrscheinlichkeit für unerkannte Fehler<br />

(Restfehlerwahrscheinlichkeit) zu minimieren. Zudem<br />

müssen spezielle Fehlermuster erkannt werden<br />

können (deterministische Kriterien, vergleiche Abschnitt<br />

1.2). Der Hauptfokus fehlersicherer Kommunikation<br />

liegt auf zufälligen Fehlern, auch wenn mittlerweile<br />

in den entsprechenden Safety-Normen [1] die Beachtung<br />

von intelligenten Angriffen angemahnt <strong>und</strong> auf<br />

Security-Standards verwiesen wird.<br />

1.2 Fehlermodelle<br />

Das in der Safety typischerweise verwendete Fehlermodell<br />

der Kommunikation ist der Binary-Symmetric-<br />

Channel (BSC). Dieses Modell setzt voraus, dass<br />

die übertragenen Bits unabhängig voneinander<br />

verfälscht werden,<br />

jedes Bit mit derselben Wahrscheinlichkeit<br />

verfälscht wird (Bitfehlerwahrscheinlichkeit p),<br />

die Verfälschung vom Wert 0 zum Wert 1 mit<br />

derselben Wahrscheinlichkeit auftritt wie die vom<br />

Wert 1 zum Wert 0.<br />

Die Modellannahmen des BSC treffen offensichtlich<br />

nicht im vollen Umfang zu. Es gibt Fehler, die mit einer<br />

höheren Wahrscheinlichkeit als einer gemäß dem BSC<br />

auftreten. Beispielsweise ist die Wahrscheinlichkeit einer<br />

kompletten Inversion eines Telegramms der Länge n<br />

nach BSC sehr gering. Da jedes Bit mit p verfälscht wird,<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

10 / 2012<br />

45

HAUPTBEITRAG<br />

ergibt sich hier die Wahrscheinlichkeit aus p n . Eine<br />

Inversion kann aber die Folge eines einfachen Hardwarefehlers<br />

mit viel höherer Wahrscheinlichkeit sein.<br />

Deshalb werden zum probabilistischen Kriterium der<br />

Restfehlerwahrscheinlichkeit zusätzliche deterministische<br />

Kriterien für Maßnahmen festgelegt. Diese sind die<br />

vollständige Erkennung von:<br />

komplett invertierten Telegrammen,<br />

komplett auf 1 oder 0 gesetzten Telegrammen,<br />

Telegrammen mit Bandfehlern (Slack-Fehler),<br />

Telegrammen mit Bündelfehlern,<br />

verfälschten Telegrammen mit ungerader Anzahl<br />

verfälschter Bits <strong>und</strong><br />

verfälschten Telegrammen mit einer kleineren<br />

Anzahl verfälschter Bits als eine minimale<br />

Hamming-Distanz (HD).<br />

In der allgemeinen Codierungstheorie beschreibt die minimale<br />

HD die minimale Anzahl von Bits, die mindes tens<br />

verändert werden müssen, damit aus einem gültigen Codewort<br />

ein anderes generiert wird. Daher bedeutet in der<br />

Kommunikation die HD, wie viele Bits mindestens verfälscht<br />

sein müssen, um potenziell ein unerkennbares fehlerhaftes<br />

Telegramm zu erhalten. Beispielsweise bedeutet<br />

eine HD von 6, dass alle 1- bis 5-Bit-Fehler erkennbar sind.<br />

Erst von den 6-Bit-Fehlern sind einige nicht erkennbar.<br />

Die deterministischen Kriterien hängen nicht von den<br />

Annahmen des BSC ab; die entsprechenden Nachweise<br />

beziehen sich nur auf Code-Eigenschaften. Da der BSC<br />

nicht umfassend gilt, reicht für Safety-Nachweise eine<br />

Argumentation nur auf Basis der Restfehlerwahrscheinlichkeit<br />

nach BSC nicht aus. Eine Analyse entsprechend<br />

der deterministischen Kriterien ist unabdingbar.<br />

1.3 Safety-Lösungen<br />

Um Übertragungsfehler zu erkennen, wird im Sender<br />

eine Prüfsumme Frame-Check-Sequence (fcs) vor der<br />

Übertragung an die Daten angehängt. Beim Empfänger<br />

wird die Konsistenz zwischen der empfangenen fcs <strong>und</strong><br />

den empfangenen Daten geprüft. Falls die Konsistenz<br />

gilt, wird die Korrektheit der Daten angenommen. Es gibt<br />

verschiedenen Techniken für eine solche Art der Fehlererkennung.<br />

Eine weitverbreitete Codierungstechnik ist<br />

der Cyclic-Red<strong>und</strong>ancy-Check (CRC). Dabei lässt sich<br />

mit einer relativ geringen Anzahl an Prüfsummenbits<br />

eine geringe Restfehlerwahrscheinlichkeit erreichen.<br />

Die fcs wird mithilfe eines Generatorpolynoms berechnet,<br />

das einen signifikanten Einfluss auf die Qualität der<br />

Fehlererkennung hat [5, 6, 7].<br />

Allgemein wird die Restfehlerwahrscheinlichkeit<br />

P re durch<br />

n<br />

P re =∑ A i ∙ p i ∙ (1– p) n–i ,<br />

i = HD<br />

berechnet, wobei A i die Anzahl der unerkennbaren Fehlermuster<br />

mit i verfälschten Bits eines n-Bit-Telegramms<br />

darstellt. Neben der Berechnung der Restfehlerwahrscheinlichkeit<br />

kann auch die Einhaltung deterministischer<br />

Kriterien nachgewiesen werden [8].<br />

2. SECURITY-KOMMUNIKATION<br />

2.1 Schutzziele<br />

Die Security-Ziele für die Kommunikation weisen einige<br />

Unterschiede zu den Safety-Zielen auf. Typische Security-Ziele<br />

sind in [9, 10, 11] aufgeführt. In diesem Beitrag<br />

sind die Ziele von [9] abgeleitet, die auch mit [12] vereinbar<br />

sind. Im Folgenden werden nur die drei wichtigsten<br />

definiert.<br />

Integrität (Integrity) ist die Korrektheit von Funktionen<br />

<strong>und</strong> Informationen. Veränderungen durch Unbefugte<br />

müssen unmöglich oder wenigstens erkennbar sein.<br />

Diese Aussage ist mit der obigen Definition von Integrität<br />

im Bereich der Safety vereinbar. Allerdings steht<br />

bei der Security die Erkennung von Manipulationen statt<br />

der Erkennung von zufälligen Fehlern im Fokus.<br />

Vertraulichkeit (Confidentiality) von Funktionen <strong>und</strong><br />

Informationen liegt vor, wenn für unautorisierte Parteien<br />

kein Wissen über diese ableitbar ist.<br />

Die Vertraulichkeit ist eines der klassischen Ziele der<br />

Kryptographie. Sie wird durch Verschlüsselungssysteme<br />

erreicht (siehe Abschnitt 2.3). Es ist wichtig hervorzuheben,<br />

dass eine garantierte Vertraulichkeit nicht vor einer<br />

Verkehrsanalyse schützt, das heißt die Information, welche<br />

Kommunikationspartner wann <strong>und</strong> wie viel kommunizieren,<br />

bleibt nach wie vor erhalten <strong>und</strong> kann für<br />

einen Angreifer wertvoll sein.<br />

Verfügbarkeit (Availability) von Funktionen <strong>und</strong> Informationen<br />

liegt vor, wenn diese genutzt werden können,<br />

wann es geplant ist.<br />

Funktionen <strong>und</strong> Informationen müssen also nicht permanent<br />

zur Verfügung stehen, sondern nur dann, wenn<br />

sie tatsächlich benötigt werden.<br />

In diesem Beitrag werden nur die zwei Ziele Integrität<br />

<strong>und</strong> Vertraulichkeit behandelt. Die Verfügbarkeit kann<br />

nicht auf Protokollebene gegen aktive Angreifer geschützt<br />

werden, da Fehler wie das Löschen von Telegrammen<br />

zwar erkannt, aber nicht verhindert werden<br />

können. Die vorgeschlagene Architektur wurde unter<br />

der Maßgabe entwickelt, die vorhandene Verfügbarkeit<br />

nicht zu beeinträchtigen.<br />

2.2 Angreifermodell<br />

Die Fähigkeiten eines Angreifers werden mittels eines<br />

Angreifermodells beschrieben. Ein Angreifer versucht<br />

immer, ein oder mehrere Schutzziele zu brechen. Angreifer<br />

auf Kommunikationssysteme unterscheiden sich<br />

bezüglich der Aspekte.<br />

Aktivität,<br />

Lokalität <strong>und</strong><br />

Rechenleistung,<br />

die im Folgenden genauer beschrieben werden.<br />

46<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

10 / 2012

Aktivitätsausprägungen. Das Angreifermodell beinhaltet<br />

alle Aktivitäten, zu denen ein Angreifer fähig ist. Diese<br />

Aktivitäten können passiv sein, wobei der Angreifer nur<br />

die übertragenen Daten lesen, aber nicht verändern kann.<br />

Dies ist ein realistisches Szenario, bei dem der Angreifer<br />

zu Komponenten des Netzwerks Zugang hat, die nur Telegramme<br />

lesen können, zum Beispiel Monitorports.<br />

Mächtigere Angreifer hingegen sind aktiv, das heißt, dass<br />

die Angreifer zudem Daten manipulieren.<br />

In der Praxis werden die meisten Angreifer zumindest<br />

einige aktive Fähigkeiten haben. Bei der drahtlosen Kommunikation<br />

muss der Angreifer nur einen minimalen<br />

Aufwand betreiben, um aktive Angriffe ausführen zu<br />

können, aber auch der Zugang zu einem verb<strong>und</strong>enen<br />

Gerät oder Kabel kann aktive Angriffe ermöglichen. Die<br />

Datenmanipulationen können weiter unterschieden werden<br />

in<br />

das Blockieren von Daten,<br />

das Verzögern von Daten,<br />

das Erzeugen neuer Daten, die von einer anderen<br />

Identität zu stammen scheinen,<br />

das Wiedereinspielen von Daten, wobei der<br />

Angreifer in der Lage ist, bereits gesendete Daten<br />

erneut zu senden.<br />

Lokalitätsausprägungen. Der Zugang ist entscheidend für<br />

die Information, zu der ein Angreifer Zugriff hat. Diese<br />

Zugänge werden unterschieden in:<br />

Physikalischer Zugang zu einem Gerät. Dieser Zugang<br />

kann zu sehr wirkungsvollen Angriffen führen.<br />

Es können hier die Seitenkanalinformationen wie<br />

etwa der Stromverbrauch oder das Laufzeitverhalten<br />

bei der Verarbeitung von Schlüsseldaten ausgenutzt<br />

werden. Physikalische Angriffe zielen auf Implementierungseigenschaften<br />

bis auf die Hardware-<br />

Ebene, die schwer kontrollierbar sind. Angreifer mit<br />

physikalischem Zugang werden in diesem Artikel<br />

nicht betrachtet; diese können nur auf konkreter<br />

Implementierungsebene abgewehrt werden.<br />

Zugang zu einzelnen Punkten im Feldbus. Der Angreifer<br />

hat nur Zugang zu Telegrammen, die durch<br />

diese Punkte des Feldbusses geroutet werden. Deshalb<br />

hängt die Stärke des Angreifers stark von der<br />

Routingstrategie im Feldbus ab.<br />

Globaler Zugang zu allen Verbindungen im Feldbus.<br />

Der Angreifer hat Zugriff auf alle übertragenen Daten.<br />

Ein solcher Angreifertyp wird für die Untersuchung<br />

von Security-Protokollen unterstellt.<br />

Rechenleistungsausprägung. Die Rechenleistung eines<br />

Angreifers ist immer beschränkt. Wenn der Angreifer<br />

jedoch eine unbeschränkte Rechenleistung zur Verfügung<br />

hätte, wäre eine erschöpfende Schlüsselsuche in<br />

beliebig kurzer Zeit möglich.<br />

Die Rechenleistung des Angreifers wird daher in für<br />

ihn lösbarer Schlüssellänge gemessen. Eine gute Übersicht<br />

über lösbare Schlüssellängen <strong>und</strong> Zeiten gibt [13].<br />

Die Laufzeit von Angriffsalgorithmen gegen die im Folgenden<br />

beschriebenen Lösungen, erhöht sich exponentiell<br />

mit steigender Schlüssellänge, während sich die<br />

Laufzeit der kryptographischen Algorithmen der berechtigten<br />

Parteien linear erhöht.<br />

2.3 Security-Lösungen<br />

Überblick über Security-Algorithmen. Um die Schutzziele<br />

zu erreichen, werden kryptographische Algorithmen<br />

in Protokollen verwendet. Die Algorithmen können<br />

wie in Bild 1 unterteilt werden. Alle kryptographischen<br />

Algorithmen sind so gestaltet, dass deren Ausgaben<br />

ohne Kenntnis des Schlüssels in relevanter Zeit<br />

nicht von zufälligen, gleichverteilten Werten zu unterscheiden<br />

sind. Diese Eigenschaft wird als pseudozufällig<br />

bezeichnet.<br />

Die asymmetrische Kryptographie basiert auf NPschweren<br />

Problemen (zum Beispiel der ganzzahlige<br />

Faktorisierung großer Zahlen). Die Verschlüsselung<br />

erfolgt dort mit einem öffentlichen Schlüssel, für die<br />

Entschlüsselung wird der zugehörige private Schlüssel<br />

benötigt. Asymmetrische Kryptographie skaliert in großen<br />

Systemen, so werden für n Parteien, O(n) Schlüsselpaare<br />

erfordert.<br />

Die symmetrische Kryptographie basiert darauf, dass<br />

jeweils kommunizierende Parteien dieselben Schlüssel<br />

teilen. Die Algorithmen der symmetrischen Kryptographie<br />

können schneller abgearbeitet werden als die der<br />

asymmetrischen Kryptographie, sie skalieren aber<br />

nicht. In einem System von n Parteien werden O(n²)<br />

Schlüssel benötigt. Die symmetrische Kryptographie<br />

kann weiterhin in Block- <strong>und</strong> Stromverschlüsselung<br />

unterschieden werden.<br />

Bei Blockchiffren werden die zu verschlüsselnden Daten<br />

in Blöcke gleicher Länge geteilt. Jeder Block wird separat<br />

mit dem Schlüssel verarbeitet. Mit jeder Änderung<br />

eines Bits eines Eingabeblocks soll jedes Bit des Ausgabeblocks<br />

mit der Wahrscheinlichkeit von 0,5 verändert<br />

werden (strict avalanche criterion, [14]). Dadurch wären<br />

die Safety-Fehlermodelle nicht gültig (Abschnitt 1.2).<br />

BILD 1: Klassifikation kryptographischer Algorithmen<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

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HAUPTBEITRAG<br />

Stromchiffren verwenden den Schlüssel für die Initialisierung<br />

<strong>und</strong> erzeugen dann einen pseudozufälligen<br />

Strom. Sie sind effizient in Hardware implementierbar,<br />

aber die Erfahrung im Design <strong>und</strong> der Analyse von<br />

Stromchiffren ist geringer als die von Blockchiffren.<br />

In vielen kryptographischen Protokollen wird ein hybrider<br />

Ansatz gewählt, um die Performanz der symmetrischen<br />

Verschlüsselung mit der skalierenden Schlüsselverwaltung<br />

der asymmetrischen Verfahren zu kombinieren,<br />

wie beispielsweise bei [15] beschrieben. In<br />

diesen Protokollen wird ein Schlüssel unter Verwendung<br />

asymmetrischer Algorithmen ausgetauscht. Die zu übertragenden<br />

Daten werden später durch den ausgetauschten<br />

Schlüssel mit einem symmetrischen Algorithmus<br />

geschützt.<br />

Asynchrone Stromchiffren propagieren Fehler in den<br />

entschlüsselten Datenstrom, da empfangene Daten auf<br />

den Schlüsselstrom rückgekoppelt werden [17]. Diese<br />

Eigenschaft würde sich nachteilig auf die Anwendbarkeit<br />

der Safety-Fehlermodelle auswirken (Abschnitt 1.2).<br />

Im Folgenden konzentriert sich der Beitrag auf eine<br />

echtzeitfähige Kommunikation, wobei synchrone Stromchiffren<br />

verwendet werden. Es wird angenommen, dass<br />

die Schlüssel jeder Partei bereits bekannt sind, zum Beispiel<br />

als Resultat eines Schlüsselaustauschs.<br />

Verschlüsselungssystem. Verschlüsselungssysteme<br />

bestehen aus zwei Algorithmen: einem zum Ver- <strong>und</strong><br />

einem zum Entschlüsseln. Basieren diese Algorithmen<br />

auf symmetrischer Kryptographie, so sind sie häufig so<br />

ähnlich, dass nur der Verschlüsselungsalgorithmus Enc<br />

angegeben wird. Die hier betrachteten Verschlüsselungen<br />

auf Basis von Stromchiffren führen ein bitweises<br />

exklusives Oder (XOR) des Schlüsselstroms <strong>und</strong> des<br />

Datenstroms im Klartext aus. Derselbe Schlüsselstrom<br />

darf nicht mehrfach benutzt werden, um eine erfolgreiche<br />

differenzielle Kryptanalyse [16] zu verhindern. Diese<br />

Art der Verschlüsselung wird One-Time-Pad (OTP)-<br />

Mode genannt [17].<br />

Integritätssysteme. Integritätssysteme verwenden<br />

kryptographische Algorithmen, um die Integrität von<br />

Daten zu schützen. Die Integrität von Daten wird von<br />

einem Message-Authentication-Code (mac) geschützt.<br />

Der erzeugende Algorithmus wird in der Literatur oft<br />

ebenfalls als Message-Authentication-Code bezeichnet.<br />

Im Folgenden wird er zur Unterscheidung von der kryptographischen<br />

Prüfsumme mac als MAC bezeichnet. Der<br />

Algorithmus bildet den mac aus den zu übertragenden<br />

Daten data <strong>und</strong> einem Schlüssel k: mac = MAC k (data). Der<br />

mac wird den Daten angehängt, im Folgenden durch<br />

data zmac dargestellt.<br />

Der Empfänger prüft die Konsistenz zwischen den<br />

empfangenen Daten <strong>und</strong> dem empfangenen mac mittels<br />

des Schlüssels mit einem Verifikationsalgorithmus<br />

Vrf k (data, mac).<br />

Die MAC-Algorithmen werden ähnlich wie Blockchiffren<br />

mit Konfusion- <strong>und</strong> Diffusion-Prinzipien entworfen,<br />

was zu den bereits genannten strict-avalanche-Eigenschaften<br />

führt [14]. Daher wird erwartet, dass jeder Bitfehler<br />

die Hälfte der Bits des mac beeinflusst <strong>und</strong> daher<br />

keine HD wie bei der Analyse der Safety bestimmt werden<br />

kann. Ähnlich wie bei Blockchiffren gilt ein MAC-<br />

Algorithmus als sicher, wenn er pseudozufällig ist. Moderne<br />

MAC-Algorithmen auf Basis von Stromchiffren<br />

werden zum Beispiel von [18] <strong>und</strong> [17] beschrieben.<br />

3. INTERAKTION VON SAFETY- UND<br />

SECURITY-MECHANISMEN<br />

3.1 Schwache Erkennung von Manipulationen<br />

Die fcs auf Basis des CRC kann nicht als Security-Integritätsinformation<br />

genutzt werden, da ein Angreifer zum<br />

Beispiel Vielfache des Generatorpolynoms des CRC ohne<br />

Aufdeckung mit bitweisem XOR überlagern kann. Sogar<br />

für beliebige Manipulationen lässt sich die originale fcs<br />

wieder einstellen. Für Datensätze mit vorher festgelegter<br />

fcs kann eine Manipulation leicht durchgeführt werden<br />

[19]. Besonders die deterministischen Kriterien widersprechen<br />

der erforderlichen Eigenschaft einer pseudozufälligen<br />

Ausgabe (vergleiche Abschnitt 3.3). Wenn<br />

beispielsweise eine HD>1 existiert, sinkt der Aufwand<br />

ungemein, um unerkennbare Fehlermuster mit nicht vernachlässigbarer<br />

Erfolgswahrscheinlichkeit zu erzeugen.<br />

3.2 Schwache Erkennung von zufälligen Fehlern<br />

Der Verifikationsalgorithmus deckt Datenverfälschungen<br />

auf. Daher ist die Idee naheliegend, mit dessen<br />

Hilfe auch zufällige Fehler aufzudecken. Für die entsprechende<br />

Analyse wird der mac im Folgenden unter<br />

den Annahmen des BSC (vergleiche Abschnitt 1.3) betrachtet.<br />

Dabei wird vorausgesetzt, dass sowohl der<br />

Schlüssel zufällig gleichverteilt gewählt wird, als auch<br />

der mac gleichverteilt ist, was dessen Konstruktionsprinzip<br />

entspricht:<br />

P(MAC(data 1 ) = mac) = P(MAC(data 2 ) = mac)<br />

wobei data 1 ^ data 2 , mac d!0,1+ ymacy .<br />

Die Wahrscheinlichkeit, dass zwei verschiedene Datensätze<br />

denselben mac erzeugen, ist also gleich. Der<br />

MAC-Algorithmus ist entsprechend seinen Designkriterien<br />

deterministisch, das heißt, bei gleichem Schlüssel<br />

wird für gleichen Datensatz der gleiche mac erzeugt.<br />

Das Telegramm data zMAC(data) mit dem Fehlermuster<br />

e führt zu den fehlerhaften Daten<br />

(data zMAC(data))’<br />

= (data zMAC(data)) 5 e = data z (MAC(data))’<br />

Wenn e nur den mac beeinflusst, sodass<br />

(data zMAC(data))’ = data z(MAC(data))’<br />

gilt, ist der Fehler immer erkennbar,<br />

Vrf(data,(MAC(data))’) = false 6 data<br />

da der MAC(data) deterministisch ist.<br />

48<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

10 / 2012

Wenn hingegen der Fehler auch data beeinflusst,<br />

erkennt mit Wahrscheinlichkeit 2 –ymacy die Verifikation<br />

Vrf(data,(MAC(data))’) den Fehler nicht. Diese<br />

Wahrscheinlichkeit ist unabhängig von der Verfälschung<br />

des mac, da alle mac gleich wahrscheinlich<br />

sind. Deshalb ist die Gesamtwahrscheinlichkeit eines<br />

unerkannten Fehlers<br />

P re = 2 –ymacy ∙ (1– (1– p) ydatay ),<br />

wobei p die Bitfehlerwahrscheinlichkeit nach BSC<br />

darstellt.<br />

Der Security-Integritätsschutz kann für zufällige Fehler<br />

nur mit dem Modell des BSC berechnet werden. Da<br />

die Wahrscheinlichkeit unerkennbarer Fehler für jedes<br />

Fehlermuster gleich ist, lassen sich keine Aussagen über<br />

die Erkennbarkeit von deterministischen Fehlern machen.<br />

Deswegen reicht ein Security-Integritätsschutz<br />

keinesfalls aus, um Safety-Anforderungen zu genügen.<br />

Allerdings kann die Kombination von MAC- <strong>und</strong> CRC-<br />

Mechanismen einen Vorteil haben. Der MAC-Algorithmus<br />

erzielt eine genügend kleine P re zufälliger Fehler<br />

unabhängig von der Länge der Eingabedaten. Der Safety-<br />

Integritätsmechanismus erkennt Fehler, die den erforderlichen<br />

deterministischen Kriterien entsprechen.<br />

Dazu müssten natürlich auch zufällige Fehler bei der<br />

Abarbeitung des MAC sicher im Sinne von Safety behandelt<br />

werden.<br />

Diese zufälligen Fehler können zum Beispiel durch<br />

Anordnung der Algorithmen wie in Bild 4 erkannt werden.<br />

Dann wird keine zusätzliche Analyse benötigt.<br />

Wenn eine solche Anordnung nicht vorliegt, muss in<br />

Safety- <strong>und</strong> Security-relevanten Umgebungen die Ausführung<br />

von Security-Algorithmen vor zufälligen Fehlern<br />

entsprechend anders (beispielsweise durch Red<strong>und</strong>anz)<br />

geschützt werden.<br />

4. INTEGRIERTE ARCHITEKTUR<br />

BILD 2: sec-then-safe-Ansatz<br />

BILD 3: sec-and-safe-Ansatz (nur Senderseite)<br />

Aus Sicht des Senders sind prinzipiell drei verschiedene<br />

Ansätze möglich, wie die Security- <strong>und</strong> Safety-Mechanismen<br />

angeordnet werden können:<br />

sec-then-safe (vergleiche Bild 2) würde in einer<br />

sicheren Umgebung die Safety-geschützte Ausführung<br />

der Security-Algorithmen erfordern, da die<br />

Safety-Berechnungen in der Automatisierungskomponente<br />

direkt nach dem Empfang der Daten<br />

durchgeführt werden.<br />

sec-and-safe (siehe Bild 3) könnte vertrauliche<br />

Information über die Daten über die im Klartext<br />

übertragene fcs preisgeben.<br />

safe-then-sec (vergleiche Bild 4). Hier wird die<br />

Security-relevante Integrität der Daten durch<br />

mac geschützt. Die Eigenschaft der Erkennung<br />

zufälliger Fehler kann, wie im folgenden Abschnitt<br />

aufgezeigt wird, komplett erhalten werden.<br />

Zufällige Fehler von Security-Mechanismen<br />

werden ebenfalls von den Safety-Mechanismen<br />

erkannt.<br />

BILD 4: safe-then-sec-Ansatz<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

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49

HAUPTBEITRAG<br />

Der sec-then-safe-Ansatz hat zudem den Vorteil, dass er<br />

Fehler mit nachweisbarer Restfehlerwahrscheinlichkeit<br />

<strong>und</strong> deterministischen Kriterien erkennt. Diese Eigenschaft<br />

wird im Folgenden detailliert beschrieben.<br />

Eine korrekt arbeitende Security-Schicht darf die Anzahl<br />

der fehlerhaften Bits eines Telegramms nicht verändern,<br />

um das Safety-Fehlermodell (insbesondere dessen<br />

deterministische Kriterien) nicht zu verletzen. Die Operationen,<br />

die die Anzahl der fehlerhaften Bits erhalten, sind:<br />

Permutation der Bits des Telegramms,<br />

XOR des gegebenenfalls verfälschten Telegramms<br />

mit einem Datenstrom,<br />

Hinzufügen zusätzlicher Daten vor dem Senden wie<br />

ein mac, die nach dem Empfang entfernt werden.<br />

Die Permutation von Daten erzeugt nicht die notwendige<br />

Komplexität, um eine ausreichende Vertraulichkeit<br />

zu gewährleisten. Die Anzahl möglicher Permutationen<br />

eines Telegramms hängt von den konkreten<br />

Werten ab, das heißt das komplette 0-Telegramm kann<br />

nur auf sich selbst abgebildet werden. Deshalb ist die<br />

Permutation ungeeignet.<br />

Eine angehängte zusätzliche Information lässt sich<br />

nutzen, um die Integrität eines Telegramms zu schützen,<br />

während das XOR mit einem pseudozufälligen Strom<br />

verwendet wird, um Vertraulichkeit eines Telegramms<br />

zu erreichen. Die vorangegangenen Betrachtungen führen<br />

zu der in Bild 5 veranschaulichten Architektur. Die<br />

Safety-Schicht deckt alle Fehler mit mindestens derselben<br />

Güte auf wie die Security-Schicht.<br />

Die Anordnung der Mechanismen innerhalb der Security-Schicht,<br />

die Vertraulichkeit <strong>und</strong> Integrität sicherstellen,<br />

wird bei [20] betrachtet. Es sind prinzipiell drei<br />

Anordnungen möglich:<br />

Enc-and-MAC. Die Verschlüsselung <strong>und</strong> die mac-<br />

Bildung werden beide auf die zu übertragenden<br />

Daten angewandt. Das geschützte Telegramm ist<br />

Enc k1 (data) zMAC k2 (data). Dieses Schema wird in<br />

Secure Shell (SSH) verwendet, ein weitverbreitetes<br />

Protokoll zum Fernzugriff.<br />

MAC-then-Enc. Der mac wird über die zu übertragenden<br />

Daten erzeugt <strong>und</strong> angehängt. Danach wird<br />

diese Verkettung verschlüsselt. Das geschützte<br />

Telegramm ist demzufolge<br />

Enc k1 ((data) zMAC k2 (data)). MAC-then-Enc wird<br />

zum Beispiel in Transport-Layer-Security (TLS)<br />

verwendet.<br />

Enc-then-MAC. Enc-then-MAC verschlüsselt zuerst<br />

die zu übertragenden Daten <strong>und</strong> schützt dann die<br />

Integrität der verschlüsselten Daten. Dieses Vorgehen<br />

resultiert in<br />

Enc k1 (data) zMAC k2 (Enc k1 (data)), vergleiche Bild 5.<br />

In [20] wird dargestellt, dass ohne weitere Annahmen<br />

über die Algorithmen nur Enc-then-MAC die Ziele der<br />

Security erreicht. Mit synchronen Stromchiffren erreicht<br />

jedoch auch das MAC-then-Enc-Schema die Ziele. Allerdings<br />

ist die Leistung von Enc-then-MAC besser, da die<br />

Verschlüsselung nicht zusätzliche Bits des pseudozufälligen<br />

Stroms zur Verschlüsselung des mac verbraucht.<br />

BILD 5: Architektur der Security- <strong>und</strong> Safety-Layer<br />

ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK<br />

Eine effiziente Kombination von Safety- <strong>und</strong> Security-<br />

Algorithmen für ihre Anwendung in Echtzeit-Umgebungen<br />

ist möglich – <strong>und</strong> nötig. Die Architektur sowie die<br />

Wahl der Algorithmen nach den Bildern 4 <strong>und</strong> 5 erfüllen<br />

die notwendigen Eigenschaften:<br />

Integrität – Die unerkannte Manipulation von<br />

Daten ist für den Angreifer nicht möglich, da er<br />

die angehängte mac nicht erzeugen kann. Auch<br />

das Duplizieren <strong>und</strong> Löschen von Telegrammen<br />

wird erkannt, da die mac vom aktuellen Zustand<br />

der Stromchiffre abhängt.<br />

Vertraulichkeit – Die Daten werden kryptographisch<br />

gesichert. Einem Angreifer ist es mit einer aktuell<br />

realistisch angenommenen Rechenleistung unmöglich,<br />

Informationen über die Daten zu gewinnen.<br />

Gültigkeit der Safety-Fehlermodelle – Da die<br />

Fehlermuster durch die hier ausgewählten kryptographischen<br />

Algorithmen <strong>und</strong> deren Anordnung<br />

erhalten bleiben, sind die Safety-Fehlermodelle<br />

anwendbar <strong>und</strong> die Safety-Nachweise behalten<br />

ihre Gültigkeit.<br />

Ein Prototyp wurde in C auf Windows mit der Stromchiffre<br />

Grain-128a [21] in Kombination mit dem Feldbus<br />

EtherCat implementiert. Der Laufzeitunterschied der<br />

Slaves erhöhte sich durch die Abarbeitung des Security<br />

Layers von etwa 7 μs auf etwa 8 μs bei relativ langen<br />

Kommunikationszyklen von etwa 10 ms. Ein umfassender<br />

Ausbau der Tests wird im Moment entwickelt.<br />

Die Protokolle zur Anwendung der Architektur <strong>und</strong><br />

des Schlüsseltausches werden Gegenstand weiterer Forschung<br />

sein. Zum Beispiel lassen sich für den Schlüsseltausch<br />

weit verbreitete Protokolle verwenden, die wie<br />

der Diffie-Hellman-Schlüsseltausch [22] auf asymmetrische<br />

Kryptographie basieren. Da Algorithmen der asymmetrischen<br />

Kryptographie kein deterministisches Laufzeitverhalten<br />

aufweisen, muss der Schlüsseltausch vor<br />

der Echtzeitphase der Kommunikation stattfinden.<br />

MANUSKRIPTEINGANG<br />

16.07.2012<br />

Im Peer-Review-Verfahren begutachtet<br />

50<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

10 / 2012

REFERENZEN<br />

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and Information Science, S.1 – 9. Springer, 2009<br />

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communications (or: how secure is SSL?). In: Kilian, J. (Hrsg.), Advances in<br />

Crytology – CRYPTO 2001, Band 2139 Lecture Notes in Computer Sciences, S.<br />

310 – 331. Springer, 2001<br />

[21] Ågren, M., Hell, M., Johansson, T., Meier, W.: A New Version of Grain-128 with<br />

Authentication. In: Symmetric Key Encryption Workshop. European Network of<br />

Excellence in Cryptology II. 2011<br />

[22] Rescorla, E.: RFC 2631, Internet Key Exchange protocol version 2<br />

(IKEv2). 1999<br />

AUTOREN<br />

M. Sc. FELIX WIECZOREK<br />

(geb. 1985) ist wissenschaftlicher<br />

Mitarbeiter für Safety & Security<br />

der Beckhoff Automation GmbH.<br />

Er studierte von 2005 bis 2011<br />

Informatik an der TU München<br />

<strong>und</strong> studierte 2009 ein Semester<br />

an der Teknilinen Korkeakuolu<br />

(Helsinki University of Technology),<br />

Helsinki, Finnland. Seine Arbeitsgebiete sind<br />

Security-Lösungen für Kommunikationseinrichtungen<br />

<strong>und</strong> Komponenten der Automation.<br />

Beckhoff Automation GmbH,<br />

Ostendstraße 196, D-90482 Nürnberg,<br />

Tel. +49 (0) 911 54 05 62 46,<br />

E-Mail: f.wieczorek@beckhoff.com<br />

Prof. Dr.-Ing. FRANK SCHILLER (geb. 1966) ist<br />

wissenschaftlicher Leiter für Safety & Security der<br />

Beckhoff Automation GmbH. Er studierte Elektrotechnik<br />

an der TU Dresden <strong>und</strong> promovierte 1997<br />

an der TU Hamburg-Harburg. Nach verschiedenen<br />

Stationen bei Siemens war er von 2004 bis<br />

2011 als Professor für Automatisierungstechnik<br />

an der TU München tätig. Seine Tätigkeitfelder<br />

umfassen die sicherheitsgerichtete Kommunikation,<br />

software-basierte Sicherheitssteuerungen <strong>und</strong> die Kombination<br />

vom Safety- <strong>und</strong> Security-Algorithmen für die Automatisierung. Er<br />

lehrt als Gastprofessor an der (Huádōng Lǐgōng Dàxué,<br />

East China University of Science and Technology), Shanghai, China.<br />

Beckhoff Automation GmbH,<br />

Ostendstraße 196, D-90482 Nürnberg,<br />

Tel. +49 (0) 911 54 05 62 44,<br />

E-Mail: f.schiller@beckhoff.com<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

10 / 2012<br />

51

HAUPTBEITRAG<br />

<strong>Plug</strong> and <strong>Prognose</strong><br />

Condition monitoring, diagnosis and life time prediction<br />

The aim of <strong>Plug</strong> and <strong>Prognose</strong> (PnP) is to develop a machine prognostics technology that<br />

delivers simple, reliable machine health and prognostics information to owners of machine<br />

tools and similar rotary equipment. PnP utilizes a collection of data-driven prognostics<br />

algorithms to track machine health, identify incipient faults and predict possible<br />

remaining useful life from data collected from the machine controller and external sensors.<br />

PnP communicates with the machine controller to <strong>und</strong>erstand what condition the<br />

machine is operating <strong>und</strong>er and automatically adapts the prognostics models to different<br />

machine operating conditions, which reduces false alarms and ensures that the results<br />

are as accurate as possible. It generates prognostics information without machine modeling,<br />

custom parameterization, or special machine test cycles – that is, as close to “plug<br />

and play” as possible.<br />

KEYWORDS prognostics / diagnosis / remaining useful life prediction /<br />

anomaly detection / condition monitoring / condition based maintenance<br />

<strong>Plug</strong> and <strong>Prognose</strong> –<br />

Überwachen, diagnostizieren <strong>und</strong> Laufzeit vorhersagen<br />

<strong>Plug</strong> and <strong>Prognose</strong> bietet eine Diagnoselösung, die einem <strong>Plug</strong>-and-Play-Konzept so nahe<br />

kommt wie möglich. Das in diesem Beitrag behandelte Werkzeug ist dafür konzipiert, den<br />

Maschinenzustand zu beobachten <strong>und</strong> entstehende Störungen zu erkennen, ohne dass<br />

dafür eine Modellierung der Maschinenphysik, eine manuelle Parametrierung oder spezielle<br />

Maschinentestzyklen erforderlich sind. Die Software des <strong>Plug</strong>-and-<strong>Prognose</strong>-Prototyps<br />

kommuniziert mit der Maschinensteuerung, um die Betriebsbedingungen der<br />

Maschine – oder welche Funktion sie gerade ausführt – zu erfassen, <strong>und</strong> nimmt die Daten<br />

von der Maschine <strong>und</strong> ihren Sensoren auf. Anschließend wird die Datenanalyse anhand<br />

von in der Vergangenheit erfassten Daten für diese spezifischen Bedingungen angepasst.<br />

Um auch neue Betriebsbedingungen berücksichtigen zu können, erstellt <strong>Plug</strong> and <strong>Prognose</strong><br />

automatisch neue Analysemodelle, wenn neue Bedingungen erkannt werden.<br />

SCHLAGWÖRTER <strong>Prognose</strong> / Diagnose / Vorhersage der Restnutzungsdauer /<br />

Erkennung von Abweichungen / Zustandsüberwachung /<br />

Zustandsabhängige Wartung<br />

52<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

10 / 2012

LINXIA LIAO, ZACHERY EDMONDSON, HARTMUT LUDWIG, Siemens<br />

Unexpected downtime has significant impact to<br />

the productivity and total cost of ownership<br />

(TCO) in the manufacturing industry. Continuous<br />

monitoring of equipment and early<br />

detection of incipient faults can support maintenance<br />

decision making, prevent downtime, and increase<br />

productivity and save costs. Many manufacturing<br />

plants have adopted condition-based maintenance (CBM)<br />

systems which continuously deliver data related to the<br />

equipment’s performance. However, it is still challenging<br />

to make effective use of the huge amount of data to<br />

accurately detect impending equipment failure in order<br />

to help maintenance practitioners quickly diagnose problems<br />

and provide decision support to proactive maintenance<br />

activities.<br />

Generally, there are two types of methodology available<br />

to engineers for prognostics purposes: physics-based<br />

modeling and data-driven approach. Very accurate prognostics<br />

information can be achieved using physic-based<br />

modeling when the physics is well <strong>und</strong>erstood. However,<br />

an accurate physics model is usually prohibitive to<br />

be obtained, especially for complex systems, and may<br />

not be easily to be adapted to other types of equipment.<br />

Data-driven approach provides reasonable prognostics<br />

information when data is easy to obtain. The models are<br />

more adaptable to types of applications. However, datadriven<br />

approaches require large amounts of data and can<br />

be difficult to maintain due to lack of expertise in data<br />

analysis. Moreover, the models may generate lots of false<br />

alarms due to lack of adaptability to the changes in machine<br />

operating conditions.<br />

Despite the fact that many methods have been developed<br />

in the literature [1-4], challenges remain in how<br />

to adapt prognostics algorithms to different equipment<br />

operating conditions and many types of applications<br />

with small amount of effort, and how to embed the prognostics<br />

solutions closer to the equipment to ensure information<br />

to be delivered to the right people on the right<br />

time. In [5], <strong>Plug</strong> and <strong>Prognose</strong> technology was applied<br />

to a machine tool feed axis application with specific<br />

focus on performance assessment and diagnosis techniques.<br />

This paper gives a more complete overview of<br />

PnP technology, addresses additional remaining useful<br />

life prediction capability and different implementations,<br />

and shares the experience of applying PnP technology<br />

for more types of applications.<br />

1. METHODOLOGY OF PLUG AND PROGNOSE<br />

<strong>Plug</strong> and prognose (PnP) automates a collection of stateof-the-art<br />

datadriven algorithms to minimize human<br />

intervention of using the technology. PnP technology<br />

develops a mechanism to adapt the prognostics models<br />

to different machine operating conditions, which reduces<br />

false alarms and ensures that the results are as<br />

accurate as possible. PnP has been implemented as a<br />

desktop application and an integration method is also<br />

developed to embed prognostics into Programmable<br />

Logic Controller (PLC) systems to target broader applications.<br />

1.1 Methodology Overview<br />

Figure 1 shows the overview of the data analysis flowchart.<br />

In many cases, the operating condition of a piece<br />

of equipment is alternating over time due to different<br />

operating conditions of the machine. The operating condition<br />

can be determined by the operational data, e.g. a<br />

single control signal such as speed, feed rate, and direction,<br />

etc., or a combination of multiple control signals. If<br />

the prediction model associated with an operating condition<br />

already exists, the measurement data (e.g. senor input<br />

of current, vibration and temperature, etc.) is input<br />

to the prediction model to generate prediction result. If<br />

an operating condition has never been encountered in<br />

the past, a new operating condition is created. The prediction<br />

model of the new operating condition is trained<br />

when a predefined number of data records have been<br />

collected. After the prediction model is trained, it starts<br />

generating prediction result. The prediction result is or-<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

10 / 2012<br />

53

HAUPTBEITRAG<br />

ganized according to the sequence of the appearance of<br />

the operating condition over time. The prediction model<br />

and the output of prediction result are described in section<br />

1.2.<br />

1.2 Data Analysis Methods<br />

This section describes the data analysis techniques<br />

which are used in <strong>Plug</strong> and <strong>Prognose</strong>. The operational<br />

data is used for operating condition identification. The<br />

prediction model applies to the measurement data after<br />

the operating condition identification step.<br />

Operating Condition Identification: The purpose of<br />

the operating condition identification step is to automatically<br />

identify different operating conditions<br />

based on the operational data. The algorithm initializes<br />

with zero number of operating condition and<br />

evolves to adapt to new operating conditions automatically.<br />

If the newly observed operational data is<br />

within a predefined control limit, the existing cluster<br />

of operating condition will be updated by the newly<br />

observed operational data. If not, the new operational<br />

data will be saved until enough observations are<br />

accumulated for building new operating condition.<br />

Further data analysis is performed within each operating<br />

condition on the measurement data.<br />

Meaningful Data Identification: This algorithm identifies<br />

a window or multiple windows which contain<br />

the most stationary data (without frequency change<br />

overtime) in the original dataset to avoid noisy measurement.<br />

Even though in some situations transient<br />

data (with frequency change overtime) can potentially<br />

reveal additional information of machine defect,<br />

additional effort is needed to define a specific<br />

transient period and advanced data acquisition device<br />

is required to capture the transient data. For<br />

many rotary components, stationary data contains<br />

ab<strong>und</strong>ant periodical characteristics for rotary component<br />

defect detection. Hence, PnP uses a meaningful<br />

data identification algorithm to identify the most<br />

stationary data. The algorithm consists of the following<br />

steps:<br />

Use a moving window to go through the original<br />

signal and generate a set of windows (set A);<br />

Identify a set of windows (set B) which have the<br />

smallest changes of short-time root mean square<br />

(indicating the change of amplitude) from set A.<br />

This removes data with transient amplitude;<br />

Identify the window in set B with the minimum<br />

value of the sum of wavelet packet energy in the<br />

high frequency wavelet packets (indicating the<br />

change of frequency overtime). This removes data<br />

with transient frequency.<br />

Signal Processing and Feature Extraction: Signal<br />

processing and feature extraction algorithms decompose<br />

the multiplesensor input into a feature space<br />

which is relevant to the equipment health status.<br />

Time domain analysis is used to extract RMS (Root<br />

Mean Square), MEAN (average value), Kurtosis, Crest<br />

factor, and Skewness from the vibration signal. FFT<br />

(Fast Fourier Transform) decomposes a vibration<br />

signal into its component frequencies and their amplitude.<br />

The amplitude or its energy (defined as sum<br />

of the squares of amplitudes) over specific frequency<br />

bands (e.g. rotating frequency and its harmonics<br />

and/or bearing passing frequency at outer race) are<br />

calculated as features. Wavelet packet transform<br />

(WPT) represents a signal in terms of a waveform<br />

(known as mother wavelet) with a finite length or<br />

fast decaying oscillating characteristic. The transform<br />

can obtain higher resolution within the timefrequency<br />

domain with higher computational efficiency<br />

comparing to FFT. The energies of the coefficients<br />

of the nodes in the last layer of the decomposition<br />

are calculated as features. Principal<br />

component analysis (PCA) is used to select a subset<br />

of optimal features which contains variance information<br />

higher than a predefined threshold (90%).<br />

Performance Assessment: Performance assessment<br />

algorithms quantitatively evaluate the deviation of<br />

the most recent behavior to the normal behavior or<br />

baseline. The output is a performance / health indicator<br />

showing the deviation between the current<br />

behavior and the nominal operation. The continuous<br />

drifting of the health indicator shows the gradual<br />

degradation of mechanical components. The spikes<br />

shown by the health indicator indicate anomaly<br />

situations. The SOM (Self Organizing Maps) method<br />

is applied to the features extracted from data collected<br />

only at normal condition in an unsupervised<br />

manner. After a SOM is set up as a description of the<br />

normal condition, for each input feature vector, a<br />

best matching unit (BMU) can be fo<strong>und</strong> among the<br />

neurons in the trained SOM. The distance between<br />

the input feature vector and the weight vector of the<br />

BMU, which can be defined as the minimum quantization<br />

error (MQE) and used as the machine health<br />

indicator, actually indicates how far the input feature<br />

vector deviates from the normal condition.<br />

Diagnosis: Diagnosis algorithms analyze the patterns<br />

embedded in the data to determine what previous<br />

observed failure or abnormality has occurred. Depending<br />

on data availability, the output can be a<br />

contribution chart showing which sensor contributes<br />

to the fault if no failure data or label is available.<br />

If the model is trained using labeled data, the output<br />

is a predicted label with a probability indicating how<br />

likely a previously experienced fault has appeared.<br />

A supervised SOM, which contains the fault patterns<br />

(labels), is set up using the faulty data indicated<br />

by users. After the supervised SOM is set up,<br />

it can be used for diagnosis when new observation<br />

is obtained. The diagnosis result is decided by the<br />

largest probability of each fault pattern given the<br />

observation.<br />

Performance Prediction: Performance prediction algorithms<br />

are used to extrapolate the pattern of the<br />

degradation and predict the system behavior in the<br />

future. A particle filter method is used to predict the<br />

future projection of the performance/health indica-<br />

54<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

10 / 2012

Analysis Method<br />

Automatic Operating<br />

Condition Identification<br />

Meaningful Data<br />

Identification<br />

Main Algorithms Used<br />

Adaptive Clustering<br />

Time Domain Analysis<br />

Wavelet Packet Transform<br />

Signal Processing and<br />

Feature Extraction<br />

Fast<br />

Fourier<br />

Transform<br />

Wavelet<br />

Packet<br />

Transform<br />

Time<br />

Domain<br />

Analysis<br />

Principal<br />

Component<br />

Analysis<br />

TABLE 1: Summary of<br />

Data Analysis Methods<br />

Health Assessment<br />

Diagnosis<br />

Prediction<br />

Self-Organizing Maps (Unsupervised Learning)<br />

Self-Organizing Maps (Supervised Learning)<br />

Particle Filter<br />

…<br />

…<br />

O1 O2 O3 O2 O_new On<br />

t<br />

P LC<br />

O – Operating Condition<br />

M – Prediction Model<br />

R – Prediction Result<br />

Operating Condition<br />

Identification<br />

Learn New Model<br />

O1 O2 On O_new<br />

M1 M2 … Mn M_new<br />

R1 R2 R3 R2 R_new Rn<br />

t<br />

Program Running in RT<br />

Operating System<br />

P LC<br />

C ycle<br />

S FB<br />

Embedded<br />

Prognostics<br />

Software<br />

FIGURE 1: Methodology Overview<br />

DAQ Device<br />

Equipment<br />

Sensors<br />

Optional<br />

Third-Party<br />

Device<br />

FIGURE 4: System Structure of Embedded Prognostics on<br />

PLC Systems<br />

FIGURE 2: Data Analysis Flowchart<br />

FIGURE 3: System Structure of <strong>Plug</strong>-and-<strong>Prognose</strong> on PCs<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

10 / 2012<br />

55

HAUPTBEITRAG<br />

tor when an initial fault is detected until it reaches<br />

a predefined failure threshold. The failure threshold<br />

is determined as a threshold beyond which the system<br />

is not recommended for future use. The time<br />

from the starting of prediction to the time when the<br />

indicator reaches the failure threshold is output as<br />

an indicator to remaining useful life (RUL). The output<br />

is an estimated RUL with its confidence bo<strong>und</strong>s.<br />

More details and backgro<strong>und</strong> of the specific algorithms<br />

can be fo<strong>und</strong> in [5, 8 – 9]. Table 1 summarizes the data<br />

analysis method used in PnP.<br />

1.3 Overview of the System Structure<br />

Currently, PnP technology has two types of implementations<br />

which are Prognostics on PCs and embedded prognostics<br />

on PLC systems. This section describes the overview<br />

of the system structure of both implementations.<br />

1.3.1 Prognostics on PCs<br />

The PnP software on PCs consists of two parts: data collection<br />

and data analysis as shown in Fig. 3. Data collection<br />

is installed on a PC close to the monitored equipment<br />

to collect data from external sensors and controller.<br />

DAQ manager communicates with the controller (e.g. via<br />

OPC server) to trigger data collection (e.g. collect data<br />

while the machine is in use). Data collector collects data<br />

both from sensors (e.g. accelerometers) and controller<br />

(e.g. spindle speed and feed rate). Data is saved locally<br />

on the PC and uploaded periodically to a remote PC (e.g.<br />

via Siemens ePS). Data collection software is implemented<br />

using C# language with a user interface for users to<br />

configure DAQ parameters (e.g. sensor types, address of<br />

OPC server, and sampling frequency). Data analysis software<br />

downloads and processes the data to generate prognostics<br />

results. The algorithms mentioned in section 1.2<br />

are implemented in Matlab script using Matlab 2010a.<br />

1.3.2 Embedded Prognostics on PLC Systems<br />

Figure 4 shows the system structure of embedded prognostics<br />

software on PLC systems. The PLC cycle runs<br />

cyclically from the program running in a real-time operating<br />

system. The program in the PLC cycle collects<br />

data from the DAQ (Data Acquisition) device which is<br />

connected to sensors installed on the equipment. It can<br />

also collect data from internal sensors through services<br />

(e.g. OPC server). The PLC cycle can be regular or high<br />

speed cycles depending on the requirement of sampling<br />

frequency. Multiple PLC cycles can be used to collect<br />

data using different sampling frequencies. When a preset<br />

number of data samples are collected, a system function<br />

block is initialized to transfer the data in buffer to be<br />

processed by the embedded prognostics software as described<br />

in section 1.1 & 1.2. The prognostics analysis<br />

software (e.g. implemented in DLL format) processes the<br />

received data and output prognostics information which<br />

can be further visualized with a connected HMI system.<br />

It also provides opportunity to use third-party device.<br />

2. APPLICATION EXAMPLES<br />

This section shows examples and results of applying plug<br />

and prognose technology to many types of applications<br />

such as feed axis and cutting tools on machine tools both<br />

on test-bed and in partial production environment, and<br />

turbine generator in service as well as a prototype of a<br />

PLC system with embedded prognostics software.<br />

2.1 Feed Axis Anomaly Detection and Diagnosis<br />

As shown in Figure 5, the feed axis test-bed was designed<br />

and built by TechSolve Inc. (www.techsolve.org) using<br />

a Siemens 840D Solution Line controller, a motor and<br />

a ball screw, a ball nut and two bearings. Three acceler-<br />

FIGURE 5: System Setup of the Feed Axis Test-bed [5]<br />

FIGURE 6: Anomaly Detection Using a Single Digit Health Indicator<br />

56<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

10 / 2012

ometers (PCB model 607A11) and four thermocouples<br />

type J were installed on different components. Three<br />

signals (direction, encoder position and torque) were<br />

outputted from the controller through a digital to analogue<br />

module sitting on a rack (ET200-S) as analog output<br />

(AO) signals. A National Instruments (NI) data acquisition<br />

system was used to collect all the sensory data via<br />

USB connection at a sampling rate of 5000 Hz. The laptop<br />

communicated with the controller to trigger data acquisition<br />

and obtain operating condition related variables.<br />

No human interference was required after starting the<br />

data acquisition software. As the axis was operating, data<br />

was collected and saved on the laptop automatically.<br />

The test-bed was run <strong>und</strong>er situations of different<br />

speeds, loadings and directions (as parameters of different<br />

operating conditions) with the following labeled<br />

health conditions (normal & faulty):<br />

Normal (neither misalignment nor degradation)<br />

End bearing misalignment 0.002”<br />

End bearing misalignment 0.007”<br />

Ball nut misalignment 0.007”<br />

Reverse end bearing misalignment 0.002”<br />

Ball nut misalignment 0.007” + End bearing<br />

misalignment 0.007”<br />

Degradation (due to wear)<br />

Bent ball screw<br />

Only data collected <strong>und</strong>er the normal condition was used<br />

to train the PnP prediction model (using unsupervised<br />

SOM) as baseline within each operating condition. Data<br />

obtained <strong>und</strong>er other health conditions were compared<br />

with the baseline. The result was a single digit health<br />

indicator showing the deviation from the baseline. The<br />

health indicator, which was called MQE (Minimum<br />

Quantization Error) and was shown on the y-axis in Fig.<br />

6, was the output of the self-organizing maps as described<br />

in [5]. Figure 6 showed that the health indicator<br />

clearly visualized the system’s normal condition (shown<br />

as green dots with the lowest MQE value) and different<br />

types of faulty conditions (dots in other colors with higher<br />

MQE values than the normal condition). If two types<br />

of faults were showing similar level of health indicator,<br />

a probability was output as well indicating how likely<br />

a certain type of previously experienced fault had happened.<br />

For example, the end bearing misalignment 0.007”<br />

and bent ball screw fault showed similar level of MQE<br />

in Fig. 6. An additional probability was output showing<br />

how certain the fault happened. A high probability of<br />

99.43 % and 93.06 % showed the fault type was bearing<br />

misalignment 0.007” and bent ball screw, respectively.<br />

2.2 Cutting Tool Health Monitoring and Life Time<br />

Prediction<br />

FA Deckel Maho DMU50 machine with a Siemens 840D<br />

PowerLine control was selected by TechSolve Inc. for<br />

testing the PnP software on an actual machine tool to<br />

track the degradation of the cutting tools. The system<br />

setup is shown in Figure 7. An accelerometer was mounted<br />

on the spindle. A J-type thermocouple was installed<br />

on either side of the X axis bearings. The thermocouples<br />

were not used as input of the prediction model since they<br />

were not directly related to the cutting tool health. Instead,<br />

the thermocouples were used for feed axis health<br />

monitoring. Hence, the vibration was used as an external<br />

sensor input in this case. The spindle rotating speed, feed<br />

rate and tool number were recorded from the controller<br />

as parameters of the operating conditions.<br />

The vibration data collected for different cutting tools<br />

was automatically separated into different operating conditions<br />

by PnP via classifying the combination of the<br />

abovementioned parameters obtained from the controller.<br />

The health indicator, which was the same as described<br />

in section 2.1, of different cutting tool was output<br />

FIGURE 7: System Setup of the Cutting Tool Health Prognostics [6] FIGURE 8: Continuous Degradation Tracking [6]<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

10 / 2012<br />

57

HAUPTBEITRAG<br />

as the analysis results within different operating conditions.<br />

The data collected right after the installation of<br />

the cutting tool was trained by the prediction model as<br />

the baseline. The rest of the data was compared with the<br />

trained baseline. In our case, each cutting tool was used<br />

with one combination of rotating speed and feed rate. If<br />

multiple combinations of these parameters were associated<br />

with the same cutting tool, the health indicator<br />

would be generated from multiple operating conditions<br />

for that cutting tool after a predefined number of samples<br />

for baseline were collected for each operating condition.<br />

Figure 8 showed the result of the health indicator (MQE)<br />

of the entire life cycle of a cutting tool. The result clearly<br />

showed the gradual degradation of the cutting tool<br />

through its life time.<br />

When the health indicator started to show an explicit<br />

trend, the performance prediction algorithm was triggered<br />

to estimate the remaining useful life or remaining<br />

life to service. Our assumption was that a mechanical<br />

system usually went through three phases of gradual<br />

degradation during the entire life time: (1) no degradation<br />

trend, (2) degradation propagation, and (3) dramatic<br />

deterioration right before failure. If no degradation trend<br />

was shown, the predictability is low. The remaining useful<br />

life distribution tended to be very different when the<br />

fault progression just started and when it was right before<br />

failure. Hence, a regime identification mechanism was<br />

included in the algorithm to detect which degradation<br />

phase the machine was in based on historical data. The<br />

characteristics used to determine the regime were standard<br />

deviation, trendability and monotonicity (as described<br />

in [7]) of the health indicator. A particle filter<br />

algorithm [8] was actually used to propagate the trend of<br />

the health indicator until it reached the pre-defined<br />

thresholds according to engineering experience in different<br />

degradation phases. There were two thresholds (as<br />

shown in Figure 9) used in the case. One threshold was<br />

the so called warning threshold which was set at the<br />

stage when it was necessary to conduct maintenance<br />

service to the machine. The other threshold was the failure<br />

threshold, which indicated an actual failure. The<br />

two thresholds were used for predicting remaining life<br />

to service and remaining useful life, respectively.<br />

The first two predictions started at cycle 60 and 100<br />

which were denoted by the brown square and the purple<br />

square in Figure 9, respectively. The blue dots were the<br />

actual health indicator. The regime identification mechanism<br />

detected that these two cycles were both in the<br />

second phase. Hence, the parameters of the particle filter<br />

were updated using the MQE that were in phase two. The<br />

prediction result was shown as brown dots and purple<br />

dots for the two predictions, respectively. The density of<br />

the predicted remaining life to service was shown by a<br />

scaled (for good visualization purposes) probability density<br />

function (pdf) via fitting a Gaussian distribution.<br />

The third prediction started at cycle 174 (denoted by<br />

red square). The remaining useful life (RUL) was predicted<br />

by propagating the particles in the particle filter<br />

updated using the MQE that were only in phase three,<br />

because it was detected to be in the dramatic deterioration<br />

phase. The densities of the predicted end of life were<br />

shown by a scaled probability density function as well.<br />

The plot of life time pdf clearly showed the most probable<br />

remaining life time to service or failure and its distribution.<br />

It was noticed that the earlier in the life time<br />

when the prediction started, the larger the confidence<br />

bo<strong>und</strong>s were. Finally, all the cycles in phase two and<br />

phase three were used as the starting point of the life<br />

time prediction. The average error percentage of the predicted<br />

RULs was 4.79 %.<br />

2.3 Turbine Generator Anomaly Detection and Diagnosis<br />

In the case study, the purpose was to use the existing<br />

PnP algorithms with minimum changes to analyze the<br />

FIGURE 9: Remaining Useful Life/Life to Service Prediction<br />

FIGURE 10: System Setup of Turbine Generator Monitoring<br />

58<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

10 / 2012

6-months’ turbine generator data trying to find out whether<br />

any potential detrimental event or degradation pattern<br />

happened in the history, and to identify the leading contributing<br />

factors/measurements to the event or pattern.<br />

Data received contains 32 measurements (including<br />

speed, temperature and pressure, voltage, and current<br />

and average vibration level, etc.) sampled each minute<br />

and was saved in CSV file format with time stamps over<br />

a 6-month period. No label information was provided.<br />

PnP automatically grouped data measured when the<br />

turbine was running at stable conditions with speeds<br />

ranging from 3597 to 3603 revolutions per minute (rpm)<br />

for pattern learning. The first half a months’ data was<br />

selected as the baseline after confirmed with engineers<br />

that in this period of time the generator was running in<br />

good condition. All measured data in the 6 months was<br />

compared with the baseline for anomaly detection. PnP<br />

outputted a single digit health indicator to indicate the<br />

overall generator health condition. The higher this indicator,<br />

the more the current health condition deviated<br />

from baseline. If an anomaly (e.g. a spike appears in the<br />

health indicator) was detected, PnP prioritized the contributing<br />

measurement to determine which<br />

measurement(s) led to the anomaly. It helped engineers<br />

to quickly find out which measurement contributed the<br />

most to the deviation (shown as spikes in the health indicator).<br />

An example is shown in Figure 10. By zooming in the<br />

PnP output on the Panel PC, there were spikes on the day<br />

of Nov 30th, 2011, which was considered as a potential<br />

anomaly ‘Event’. There was no turbine shutdown event<br />

close to that time stamp, but the health indicator showed<br />

big spikes. By looking at the contributing measurement,<br />

power factor was listed as the leading contributing factor<br />

(the one drops most in the ‘Cause’ plot). The method used<br />

to find the contributing factor is described in [5]. Moreover,<br />

the cause plot showed that the voltages were increased<br />

as the second contributing factors. Based on the<br />

information, engineers can quickly confirm that the oscillating<br />

of power factor during the 15 minutes actually<br />

indicates a potential dangerous state of the generator, and<br />

prepare inspection and maintenance accordingly. It was<br />

noticed that there was no label given to train the PnP<br />

algorithms. If engineers wanted to label this event as a<br />

certain type of fault, the algorithm can be updated and<br />

output the label with a probability showing how likely<br />

this fault reappeared in the future.<br />

2.4 Embedded Prognostics on PLC Systems<br />

A motor test-bed was built for the purposes of validating<br />

the concept of embedding prognostics capabilities into<br />

PLC systems. For the testbed, which is shown in Figure<br />

11, a Maxon dc motor (A-max 26), rubber wheel (loading)<br />

and coupling were assembled. A mount was designed to<br />

support the motor. The motor was powered with 24 VDC.<br />

An accelerometer (IMI PCB 624B61) was installed on the<br />

housing of the motor. The output range of the accelerometer<br />

was between -5 and +5 volts. The data was conditioned<br />

using a signal conditioner (IMI 682A02) which<br />

provided 4 mA current excitation to the accelerometer<br />

and output original signal in the scale of 1:1. The data<br />

was taken at a sampling frequency 1 kHz (the PLC’s cycle<br />

was set to 1 ms) using regular AI module (e.g. Siemens<br />

AI 2x12bit; higher data conversion speed of 52 μs can be<br />

achieved using high speed AI module, e.g. Siemens AI<br />

8x14bit). The DI module (Siemens DI 16xDC24V) was used<br />

to detect the running state (on/off) of the motor. The AI<br />

and DI modules were connected to an interface module<br />

(Siemens IM513-4PN) which was connected to the industrial<br />

Ethernet. A PLC, where the Siemens WinAC software<br />

was running on, was connected to the industrial<br />

Ethernet via a PCI interface card (Siemens CP1616/<br />

CP1604). A subset of the PnP software was ported into<br />

C++ library running as DLLs in WinAC.<br />

DC 24V<br />

Power<br />

B ase<br />

Accelerometer<br />

Mount<br />

Motor<br />

Load<br />

A<br />

Signal<br />

Conditioner<br />

PLC<br />

PCI Interfa<br />

ce<br />

Interfa<br />

ce<br />

Module<br />

AI<br />

DI<br />

Industrial Ethernet<br />

FIGURE 11: Motor Test-bed for Validating Embedded Prognostics<br />

FIGURE 12: Health Indicator for Various Motor Imbalance Situations<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

10 / 2012<br />

59

HAUPTBEITRAG<br />

In order to test the performance assessment/anomaly<br />

detection function, imbalance faults were introduced<br />

manually to the motor test-bed. Small screws were installed<br />

on different locations of the wheel panel which<br />

was rotating with the shaft. As the location of the screw<br />

changed, the imbalance patterns changed as well. It was<br />

noticed that there existed misalignment due to the installation<br />

of the loading on the shaft. The misalignment<br />

existed in all balanced and imbalanced situations. The<br />

algorithms should be able to detect the imbalanced patterns<br />

despite of the misalignment.<br />

Data was collected from each fault situation. For testing,<br />

80 different records were used for each fault type.<br />

Each data record contained 4092 data samples. There<br />

were five different imbalance situations tested. Two energy<br />

features (energy centered at the running speed and<br />

its harmonic in the FFT spectrum) and six time domain<br />

features (mean, standard deviation, and kurtosis, crest<br />

factor and skewness and root mean square) were selected<br />

as features to input to the performance assessment /<br />

anomaly detection algorithm.<br />

The anomaly detection algorithm in the prediction<br />

model (specifically, an unsupervised self-organizing<br />

map) was trained with only balanced data, which was<br />

used as the baseline. Then the map was tested with other<br />

data collected in situations of ‘1 Screw Near’, 1 Screw<br />

Far, 2 Screw Near and 2 Screw Far. ‘1 Screw Near’ meant<br />

that the screw was installed close to the bolt which was<br />

used to fasten the loading with the shaft. ‘Near’ and ‘Far’<br />

were both relative to the position of the bolt.<br />

The results in Figure 12 show that when balanced<br />

situation was trained as baseline, 2screwFar imbalanced<br />

fault showed the biggest difference from the baseline.<br />

The distances of different imbalances faults to the baseline<br />

clearly differentiated 4 types of imbalance situations<br />

with the balanced situation using the output of SOM<br />

(MQE – a health indicator of deviation from baseline). A<br />

possible reason of the increasing of the distance (MQE)<br />

of class ‘1 Screw Far’ and ‘2 Screw Near’ is that the data<br />

might not be taken at a perfect environment due to the<br />

changing of the test-bed (e.g. loosening of the screw to<br />

the fixture). However, the different levels of imbalanced<br />

can still be well differentiated<br />

The anomaly detection program was tested to run at a<br />

real-time mode on the PLC. The program started collecting<br />

data only when the motor is running. The baseline<br />

was trained using unsupervised SOM after a predefined<br />

number of data records were collected. After the baseline<br />

was trained, the health indicator was calculated whenever<br />

a new data record was collected. With this real-time<br />

manner, the right information can be delivered to the<br />

right person at the right period.<br />

CONCLUSION<br />

The paper presented the general methodology of plug<br />

and prognose, which is a machine health monitoring<br />

technology designed to automatically convert sensory<br />

data into useful machine health related prognostics information.<br />

Practices and experiment carried out on different<br />

test-beds and industrial machines demonstrated<br />

the effectiveness of applying the technology to many<br />

types of machines with minimum human intervention.<br />

By using this technology, no physics modeling of the<br />

system is necessary. However, good <strong>und</strong>erstanding of<br />

the physics of the system can contribute to better diagnosis<br />

accuracy and can be incorporated into life time<br />

prediction models. The implementation of the technology<br />

on the PLC systems can potentially address broader<br />

industrial applications.<br />

MANUSKRIPTEINGANG<br />

01.05.2012<br />

REFERENZEN<br />

Im Peer-Review-Verfahren begutachtet<br />

[1] Jardine, A.K.S., Lin, D., Banjevic, D.: A Review on<br />

Machinery Diagnostics and Prognostics Implementing<br />

Condition-Based Maintenance. Mechanical Systems and<br />

Signal Processing, 20(7), 1483 – 1510, 2006<br />

[2] VSi, X., Wang, W., Hu, C., Zhou, D.: Remaining Useful<br />

Life Estimation – A Review on the Statistical Data<br />

Driven Approaches, European Journal of Operational<br />

Research, 213(1), 1 – 14, 2011<br />

[3] Sikorska, J.Z., Hodkiewicz, M., Ma, L.: Prognostic<br />

Modelling Options for Remaining Useful Life Estimation<br />

by Industry. Mechanical Systems and Signal Processing,<br />

25(5), 1803-1836, 2011<br />

[4] Kothamasu, R., Huang, S.H., Verduin, W.H.: System<br />

Health Monitoring and Prognostics – A Review of<br />

Current Paradigms and Practices. International<br />

Journal of Advanced Manufacturing Technology, 28 (9),<br />

1012 –1024, 2006<br />

[5] Liao, L., and Pavel, R.: Machine Anomaly Detection and<br />

Diagnosis Incorporating Operational Data Applied to<br />

Feed Axis Health Monitoring. In: Proceedings ASME<br />

2011 International Manufacturing Science and<br />

Engineering Conference, pp. 289-296. ASME, 2011<br />

[6] Liao, L., and Pavel, R.: Machine Tool Feed Axis Health<br />

Monitoring Using <strong>Plug</strong>-and-<strong>Prognose</strong> Technology.<br />

In: Proceedings Machine Failure Prevention Technology<br />

Conference (MFPT), pp. 395 – 412. Society for MFPT, 2012<br />

[7] Coble, J. and Hines, W.H., Identifying Optimal Prognostic<br />

Parameters from Data: A Genetic Algorithms<br />

Approach. In: Proceedings Annual Conference of the<br />

Prognostics and Health Management Society, pp. 1–11.<br />

PHM Society, 2009<br />

[8] Saha, B., Goebel, K., Poll, Scott, Christophersen, J.:<br />

Prognostics Methods for Battery Health Monitoring<br />

Using Bayesian Framework. IEEE Transactions on<br />

Instrumentation and Measurement, 58 (2), 291–296, 2009<br />

[9] Liao, L., Wang, H., Lee, J.: A Reconfigurable Watchdog<br />

Agent ® for Machine Health Prognostics. International<br />

Journal of COMADEM, 11(3), 2–15, 2008<br />

60<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

10 / 2012

AUTOREN<br />

LINXIA LIAO (born in 1979) is a<br />

research scientist at Control<br />

Systems department at Siemens<br />

Corporation, Corporate Research<br />

and Technology in the US.<br />

His main research interests<br />

include system and components<br />

fault diagnostics & prognostics<br />

and their integration on embedded<br />

systems.<br />

Siemens Corporation,<br />

Corporate Research and Technology,<br />

755 College Road East,<br />

Princeton, NJ 08540, USA,<br />

Tel. +1 609 7 34 35 20,<br />

E-Mail: linxia.liao@siemens.com<br />

ZACHERY EDMONDSON (born in 1982)<br />

is the head of Control Systems<br />

department at Siemens AG,<br />

Corporate Technology in Germany.<br />

His main area of work includes<br />

control systems, languages and<br />

optimization algorithms for control<br />

platforms, and power and energy<br />

management.<br />

Siemens Corporation,<br />

Corporate Research and Technology,<br />

755 College Road East,<br />

Princeton, NJ 08540, USA,<br />

Tel. +1 609 7 34 35 74,<br />

E-Mail: zachery.edmondson@siemens.com<br />

HARTMUT LUDWIG (born in 1963)<br />

is the head of Control Systems<br />

department at Siemens Corporation,<br />

Corporate Research and<br />

Technology in the US. His main<br />

area of work includes embed ded<br />

real-time software development,<br />

control architecture and algorithms<br />

for mission and safety<br />

critical systems.<br />

Siemens Corporation,<br />

Corporate Research and Technology,<br />

755 College Road East,<br />

Princeton, NJ 08540, USA,<br />

Tel. +1 609 7 34 35 23,<br />

E-Mail: hartmut.ludwig@siemens.com<br />

Electric Drives Production<br />

Konferenz <strong>und</strong> Ausstellung<br />

Nürnberg, 16. – 17.10.2012<br />

Wissenschaftlicher Partner:<br />

Elektrische Antriebe optimiert produzieren <strong>und</strong> damit den Anforderungen industrieller<br />

Motoren <strong>und</strong> denen der Elektromobilität gerecht werden. Produkte, Ideen <strong>und</strong> Konzepte<br />

erleben Sie im Kongress <strong>und</strong> auf der Ausstellung der E|DPC. Seien Sie dabei.<br />

Offizieller Verbandspartner:<br />

edpc-expo.com<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

10 / 2012<br />

61

IMPRESSUM / VORSCHAU<br />

IMPRESSUM<br />

VORSCHAU<br />

Verlag:<br />

Oldenbourg Industrieverlag GmbH<br />

Rosenheimer Straße 145<br />

D-81671 München<br />

Telefon + 49 (0) 89 4 50 51-0<br />

Telefax + 49 (0) 89 4 50 51-3 23<br />

www.oldenbourg-industrieverlag.de<br />

Geschäftsführer:<br />

Carsten Augsburger, Jürgen Franke<br />

Spartenleiter:<br />

Jürgen Franke<br />

Herausgeber:<br />

Dr. T. Albers<br />

Dr. G. Kegel<br />

Dipl.-Ing. G. Kumpfmüller<br />

Dr. N. Kuschnerus<br />

Beirat:<br />

Dr.-Ing. K. D. Bettenhausen<br />

Prof. Dr.-Ing. Ch. Diedrich<br />

Prof. Dr.-Ing. U. Epple<br />

Prof. Dr.-Ing. A. Fay<br />

Prof. Dr.-Ing. M. Felleisen<br />

Prof. Dr.-Ing. G. Frey<br />

Prof. Dr.-Ing. P. Göhner<br />

Dipl.-Ing. Th. Grein<br />

Prof. Dr.-Ing. H. Haehnel<br />

Dr.-Ing. J. Kiesbauer<br />

Dipl.-Ing. R. Marten<br />

Dipl.-Ing. G. Mayr<br />

Dr. J. Nothdurft<br />

Dr.-Ing. J. Papenfort<br />

Dr. A. Wernsdörfer<br />

Dipl.-Ing. D. Westerkamp<br />

Dr. Ch. Zeidler<br />

Organschaft:<br />

Organ der GMA<br />

(VDI/VDE-Gesell schaft Mess<strong>und</strong><br />

Automatisierungs technik)<br />

<strong>und</strong> der NAMUR<br />

(Interessen gemeinschaft<br />

Automatisierungs technik der<br />

Prozessindustrie).<br />

Redaktion:<br />

Anne Hütter (verantwortlich)<br />

Telefon + 49 (0) 89 4 50 51-4 18<br />

E-Mail: huetter@oiv.de<br />

Gerd Scholz (gz)<br />

Maria Kuwilsky (sky)<br />

Einreichung von Hauptbeiträgen:<br />

Prof. Dr.-Ing. Leon Urbas<br />

(Chefredakteur, verantwortlich<br />

für die Hauptbeiträge)<br />

Technische Universität Dresden<br />

Fakultät Elektrotechnik<br />

<strong>und</strong> Informationstechnik<br />

Professur für Prozessleittechnik<br />

D-01062 Dresden<br />

Telefon +49 (0) 351 46 33 96 14<br />

E-Mail: urbas@oiv.de<br />

Fachredaktion:<br />

Dr.-Ing. M. Blum<br />

Prof. Dr.-Ing. J. Jasperneite<br />

Dr.-Ing. B. Kausler<br />

Dr.-Ing. N. Kiupel<br />

Dr. rer. nat. W. Morr<br />

Dr.-Ing. J. Neidig<br />

Dipl.-Ing. I. Rolle<br />

Dr.-Ing. S. R<strong>und</strong>e<br />

Prof. Dr.-Ing. F. Schiller<br />

Bezugsbedingungen:<br />

„<strong>atp</strong> <strong>edition</strong> – Automatisierungstechnische<br />

Praxis“ erscheint<br />

monatlich mit Doppelausgaben im<br />

Januar/Februar <strong>und</strong> Juli/August.<br />

Bezugspreise:<br />

Abonnement jährlich: € 468,– + € 30,–/<br />

€ 35,- Versand (Deutschland/Ausland);<br />

Heft-Abbonnement + Online-Archiv:<br />

€ 638,40; ePaper (PDF): € 468,–;<br />

ePaper + Online-Archiv: € 608,40;<br />

Einzelheft: € 55,– + Versand;<br />

Die Preise enthalten bei Lieferung<br />

in EU-Staaten die Mehrwertsteuer,<br />

für alle übrigen Länder sind es<br />

Nettopreise. Mitglieder der GMA: 30%<br />

Ermäßigung auf den Heftbezugspreis.<br />

Bestellungen sind jederzeit über den<br />

Leserservice oder jede Buchhandlung<br />

möglich.<br />

Die Kündigungsfrist für Abonnementaufträge<br />

beträgt 8 Wochen zum Bezugsjahresende.<br />

Abonnement-/<br />

Einzelheftbestellung:<br />

Leserservice <strong>atp</strong><br />

Postfach 91 61, D-97091 Würzburg<br />

Telefon + 49 (0) 931 4170-1615<br />

Telefax + 49 (0) 931 4170-492<br />

E-Mail: leserservice@oiv.de<br />

Verantwortlich für<br />

den Anzeigenteil:<br />

Annemarie Scharl-Send<br />

Mediaberatung<br />

sales & communications Medienagentur<br />

Kirchfeldstraße 9, D-82284 Grafrath<br />

Tel. +49 (0) 8144 9 96 95 12<br />

Fax +49 (0) 8144 9 96 95 14<br />

E-Mail: ass@salescomm.de<br />

Es gelten die Preise der Mediadaten 2012<br />

Anzeigenverwaltung:<br />

Brigitte Krawczyk<br />

Telefon + 49 (0) 89 4 50 51-2 26<br />

Telefax + 49 (0) 89 4 50 51-3 00<br />

E-Mail: krawczyk@oiv.de<br />

Grafik:<br />

Data Graphis<br />

Druck:<br />

Druckerei Chmielorz GmbH<br />

Ostring 13,<br />

D-65205 Wiesbaden-Nordenstadt<br />

Gedruckt auf chlor- <strong>und</strong><br />

säurefreiem Papier.<br />

Die <strong>atp</strong> wurde 1959 als „Regelungstechnische<br />

Praxis – rtp“ gegründet.<br />

© 2012 Oldenbourg Industrieverlag<br />

GmbH München<br />

Die Zeitschrift <strong>und</strong> alle in ihr enthaltenen<br />

Beiträge <strong>und</strong> Abbildungen sind urheberrechtlich<br />

geschützt. Mit Ausnahme der<br />

gesetzlich zugelassenen Fälle ist eine<br />

Verwertung ohne Ein willigung des Verlages<br />

strafbar.<br />

Gemäß unserer Verpflichtung nach § 8<br />

Abs. 3 PresseG i. V. m. Art. 2 Abs. 1c DVO<br />

zum BayPresseG geben wir die Inhaber<br />

<strong>und</strong> Beteiligungsverhältnisse am Verlag<br />

wie folgt an:<br />

Oldenbourg Industrieverlag GmbH,<br />

Rosenheimer Straße 145, 81671 München.<br />

Alleiniger Gesellschafter des Verlages<br />

ist die ACM-Unternehmensgruppe,<br />

Ostring 13,<br />

65205 Wiesbaden-Nordenstadt.<br />

ISSN 2190-4111<br />

DIE AUSGABE 11 / 2012 DER<br />

ERSCHEINT AM 05.11.2012<br />

MIT FOLGENDEN BEITRÄGEN:<br />

Instandhaltungsstrategien für<br />

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In Echtzeit: RFID-gestütztes<br />

Produktionsassistenzsystem.<br />

Robuste Produktion durch<br />

bessere Lieferkettentransparenz<br />

Effizientes Testen heterogener<br />

Leitsystemkonfigurationen.<br />

Integration gewerkeübergreifender<br />

Hardware-Emulatoren<br />

Modellierung von Geräten<br />

mit OPC UA in FDI.<br />

Voraussetzung für interoperable<br />

Geräteintegration<br />

...<strong>und</strong> vielen weiteren Themen.<br />

Aus aktuellem Anlass können sich die Themen<br />

kurzfristig verändern.<br />

LESERSERVICE<br />

E-MAIL:<br />

leserservice@oiv.de<br />

TELEFON:<br />

+ 49 (0) 931 4170-1615<br />

62<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

10 / 2012

Methoden Verfahren Konzepte<br />

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Die Automatisierungstechnik wird durch neue Forschungen <strong>und</strong> Entwicklungen bestimmt. Damit Ingenieure<br />

fit für ihren Job sind <strong>und</strong> die entscheidenden Trends in der Automatisierungstechnik schnell zur Hand haben,<br />

legt die Fachpublikation <strong>atp</strong> <strong>edition</strong> die Buchreihe <strong>atp</strong> kompakt auf. Alle darin enthaltenen Beiträge haben<br />

ein wissenschaftliches Gutachterverfahren durchlaufen.<br />

Herausgeber Prof. Dr.-Ing. Frank Schiller leitet am Lehrstuhl für Informationstechnik im Maschinenwesen der<br />

TU München das Fachgebiet Automatisierungstechnik.<br />

<strong>atp</strong> kompakt Band 1<br />

Erfolgreiches Engineering – Die wichtigsten Methoden<br />

Diese Ausgabe befasst sich mit den Methoden, Verfahren <strong>und</strong> Standards, die Sie in den nächsten Jahren im Engineering beschäftigen<br />

werden. Wichtige Kriterien sind die einfache Wiederverwendbarkeit von Komponenten, die Unterstützung durch geeignete Werkzeuge,<br />

die Erhöhung der Flexibilität von Anlagen sowie geeignete Modellierungs- <strong>und</strong> Gerätebeschreibungssprachen.<br />

<br />

<strong>atp</strong> kompakt Band 2<br />

Effiziente Kommunikation – Die bedeutendsten Verfahren<br />

Sie bekommen Einblick in die wachsende Bedeutung der industriellen Kommunikation <strong>und</strong> dem Wandel in der Gerätekommunikation.<br />

Einen Schwerpunkt bildet die Kommunikationstechnik in der Prozessautomatisierung mit deren besonderen Rahmenbedingungen wie<br />

dem Explosionsschutz. Die bedeutendsten Verfahren <strong>und</strong> Methoden der modernen Kommunikation werden praxisnah veranschaulicht.<br />

<br />

<strong>atp</strong> kompakt Band 3<br />

Praktische Messtechnik – Die besten Konzepte<br />

Dieser Band vermittelt wertvolles Know-how zu allen Aspekten der praktischen Messtechnik <strong>und</strong> fokussiert besonders die Prozessmesstechnik.<br />

Lernen Sie die Fortschritte in der Sensortechnik entlang der Technologie-Roadmap kennen <strong>und</strong> profitieren Sie von erstklassigen<br />

Konzepten zu kostengünstigen <strong>und</strong> effizienten Lösungen.<br />

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<strong>atp</strong> kompakt Kollektion (Bände 1-3)<br />

Erfolgreiches Engineering Effiziente Kommunikation Praktische Messtechnik<br />

Mit dieser dreibändigen Kollektion zu den Themen Engineering, Kommunikation <strong>und</strong> Messtechnik erhalten Sie ein nützliches,<br />

kompakt <strong>und</strong> praxisnah aufbereitetes Kompendium zu den Kernthemen der Automatisierungstechnik. Die wertvolle Gr<strong>und</strong>lage<br />

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©2012 Schneider Electric. All Rights Reserved. Schneider Electric, EcoStruxure, and Make the most of your energy are trademarks owned by Schneider Electric Industries SAS or its affiliated companies.<br />

All other trademarks are the property of their respective owners. www.schneider-electric.com 998-6169_DE

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