atp edition Simulationsgestützte Entwicklung der Automatisierung (Vorschau)
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6 / 2013<br />

55. Jahrgang B3654<br />

DIV Deutscher Industrieverlag GmbH<br />

<strong>Automatisierung</strong>stechnische Praxis<br />

<strong>Simulationsgestützte</strong> <strong>Entwicklung</strong><br />

<strong>der</strong> <strong>Automatisierung</strong> | 24<br />

Start-Stopp-Automatik für<br />

Nicht-Produktivphasen | 32<br />

Zusammenhang von Security<br />

und Funktionaler Sicherheit | 40<br />

Merkmalleisten für<br />

Regelventilengineering | 48

Danke!<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong> ist vom Verband Deutsche<br />

Fachpresse als Fachmedium des Jahres<br />

2012 in <strong>der</strong> Kategorie Industrie/Produktion/<br />

Design ausgezeichnet worden. <strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

ist eine Gemeinschaftsleistung aus <strong>der</strong><br />

Branche für die Branche. Hinter <strong>der</strong> hochwertigen<br />

Publikation für <strong>Automatisierung</strong>stechnik<br />

stecken viele kluge Köpfe. Nicht<br />

nur Chefredakteur, Herausgeber und Beiräte<br />

tragen mit ihrem Agenda-Setting dazu bei,<br />

dass <strong>atp</strong> <strong>edition</strong> in ihrer seit über 50-jährigen<br />

Tradition die maßgeblichen Themen <strong>der</strong><br />

<strong>Automatisierung</strong>stechnik bestimmt. Auch<br />

die Fachredaktion leistet mit einem Peer-<br />

Review-Verfahren für wissenschaftlich<br />

fundierte Veröffentlichungen einen unverzichtbaren<br />

Beitrag. Nicht möglich wäre dies<br />

ohne unsere zahlreichen Fach-Autoren. Ein<br />

großes Dankeschön an alle, die hinter <strong>atp</strong><br />

<strong>edition</strong> stehen und das Fachmagazin zu<br />

einem Erfolg machen – und nicht zuletzt<br />

an Sie, unsere Leser.<br />

Ihre Entscheidung für die hochwertige<br />

Publikation <strong>atp</strong> <strong>edition</strong> stärkt die Bedeutung<br />

wissenschaftlicher Forschungsarbeiten<br />

in <strong>der</strong> <strong>Automatisierung</strong>stechnik.

Print wirkt<br />

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

Qualitätsstufe und mit Nachhaltigkeit im<br />

Sinne wie<strong>der</strong>kehren<strong>der</strong> Nutzung. Der Titel<br />

erfüllt den selbstgestellten Anspruch eines<br />

anspruchsvollen und seriösen Magazins für<br />

Top-Entschei<strong>der</strong> zwischen Wissenschaft<br />

und Praxis konsequent.<br />

Entsprechend <strong>der</strong> journalistischen Konzeption<br />

ist Online hintenangestellt. Die Jury<br />

sah hier „die beispielhafte Umsetzung einer<br />

wissenschaftlich ausgerichteten Fachzeitschrift<br />

mit Magazincharakter“.

EDITORIAL<br />

Die Digitale Anlage –<br />

ein Schritt Richtung Industrie 4.0<br />

Die Digitale Anlage an den Nahtstellen von Anlagentechnik und <strong>Automatisierung</strong><br />

ist in 2013 ein viel besprochenes Thema. Die Namur-Hauptsitzung im<br />

November ist dem integrierten Engineering gewidmet. Bereits im März diskutierten<br />

über 80 Teilnehmer auf dem neunten Processnet/Namur-Symposium<br />

„Integrierte Digitale Anlagenplanung und -prozessführung“. Dabei stellten<br />

20 Vorträge aus Hochschule und Industrie aktuelle <strong>Entwicklung</strong>en vor. Die Präsentationen<br />

griffen Trends und Herausfor<strong>der</strong>ungen <strong>der</strong> Informationstechnik für<br />

Planung und Betrieb von verfahrenstechnischen Anlagen auf – angefangen bei<br />

<strong>der</strong> Modularisierung, über Schnittstellenprobleme und Integrationslösungen bis<br />

hin zur Nutzung <strong>der</strong> Digitalen Anlage für die <strong>Entwicklung</strong> von Inbetriebnahmewerkzeugen<br />

und Trainingssimulatoren. Es wurde deutlich, dass das Potenzial<br />

<strong>der</strong> Digitalen Anlage in <strong>der</strong> Prozessindustrie nur zögerlich umgesetzt wird – obwohl<br />

die Einführung <strong>der</strong> Digitalen Anlage Verän<strong>der</strong>ungsprozesse anstößt, die<br />

bereits Antwort geben auf aktuelle Herausfor<strong>der</strong>ungen für Anlagenbau und <strong>Automatisierung</strong>stechnik:<br />

Zeit- und Kostendruck, demografischer Wandel und Fortschritt<br />

<strong>der</strong> Informations- und Kommunikationstechnologie.<br />

Wie die Beiträge dieser Ausgabe von <strong>atp</strong> <strong>edition</strong> deutlich zeigen, bleiben<br />

Fragen offen, um den Nutzen <strong>der</strong> Digitalen Anlage zu erfassen. Sie soll als<br />

Oberbegriff für ein umfassendes Netzwerk von digitalen Beschreibungsmitteln<br />

dienen. Methoden und Werkzeuge, die durch ein durchgängiges<br />

Datenmanagement integriert werden, müssen weiter erschlossen werden.<br />

Sei es bei integrierter Safety- und Securityanalyse (Seite 40ff.), virtueller<br />

Validierung von <strong>Automatisierung</strong>ssoftware (Seite 24ff.), konsistenter Datenhaltung<br />

für komplexe Stelleinrichtungen (Seite 48ff.) o<strong>der</strong> <strong>der</strong> Steigerung<br />

von Energieeffizienz durch geschickte Nutzung von Nicht-Produktivphasen<br />

(Seite 32ff.) – die Beschreibung des Gegenstandsbereichs muss aus verschiedenen<br />

disziplinären Blickwinkeln erfolgen; die Konsistenz <strong>der</strong> Teilmodelle<br />

sollte mittels eines durchgängigen Datenmanagements sicher gestellt<br />

sein, um Methoden und Werkzeuge effektiv einsetzen zu können.<br />

Den Lesern dieser <strong>atp</strong> <strong>edition</strong> empfehle ich den Blick über den Tellerrand<br />

<strong>der</strong> Automation, beispielsweise auf den im April 2013 veröffentlichten Abschlussbericht<br />

des Arbeitskreises Industrie 4.0. Ein Vergleich <strong>der</strong> vorliegenden<br />

Beiträge aus <strong>atp</strong> <strong>edition</strong> und <strong>der</strong> dort aufgeführten Anwendungsfälle<br />

zeigt deutlich, welchen Beitrag Automation bereits heute leistet und<br />

künftig leisten wird, um den Produktionsstandort Deutschland zu sichern.<br />

Signum<br />

LEON URBAS,<br />

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

Professor für Prozessleittechnik<br />

an <strong>der</strong> Technischen Universität<br />

Dresden<br />

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

6 / 2013<br />

3

INHALT 6 / 2013<br />

FORSCHUNG<br />

6 | NI World Class: Studenten lassen Roboter<br />

autonom durch schwierigen Parcours fahren<br />

7 | Sieger fahren zur Smart Systems Integration<br />

Call for <strong>atp</strong> experts – Thema: Industrie 4.0<br />

BRANCHE<br />

8 | Praxisrelevante Antworten auf Fragen zu SIL,<br />

Feldbus und Explosionsschutz<br />

Rekord: Frauenanteil im Informatikstudium<br />

steigt im Jahr 2012 auf mehr als ein Fünftel<br />

9 | Herman van den Berg Präsident von Yokogawa<br />

Peter Leveringhaus führt die deutsche BSI<br />

VERBAND<br />

10 | VDE-Trendreport sagt für die Industrie 4.0<br />

Evolution statt Revolution voraus<br />

Sichere Produktion: den Hackern keine Chance lassen<br />

Der Elektroindustrie fehlt es noch an Schwung<br />

11 | Maschinen- und Anlagenbau bietet die größten Potenziale<br />

für Mess- und <strong>Automatisierung</strong>stechnik<br />

ZVEI sieht durch schnelle Verschärfung <strong>der</strong><br />

Motorenverordnung Unternehmen in Gefahr<br />

INTERVIEW<br />

12 | „Industrie 4.0 – IT für die Automation einsatzfähig machen“<br />

DIPL.-ING. DIETER WESTERKAMP, GESCHÄFTSFÜHRER DER VDI/VDE-GESELLSCHAFT<br />

MESS- UND AUTOMATISIERUNGSTECHNIK (GMA) UND DR.-ING. KURT D. BETTENHAUSEN,<br />

VORSITZENDER DER GMA, IM INTERVIEW MIT ATP EDITION<br />

4<br />

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

6 / 2013

PRAXIS<br />

16 | Diagnosefähigkeit bis ins Feldbusgerät<br />

sichert lückenlose Transparenz und hohe<br />

Verfügbarkeit<br />

18 | Netzwerkmonitoring behält die fast<br />

unendlichen Kommunikationsmöglichkeiten<br />

unter Kontrolle<br />

20 | Multiple Input Multiple Output:<br />

Antennentechnik steigert Leistung<br />

und Stabilität bei WLAN<br />

22 | Pneumatische Doppelkolben-Schwenk-<br />

Antriebe schälen Kartoffeln mit Hochdruck<br />

Produkte,<br />

Systeme<br />

und Service<br />

für die<br />

Prozessindustrie?<br />

Natürlich.<br />

HAUPTBEITRÄGE<br />

24 | <strong>Simulationsgestützte</strong> <strong>Entwicklung</strong><br />

<strong>der</strong> <strong>Automatisierung</strong><br />

V. BRANDSTETTER, J. C. WEHRSTEDT, R. ROSEN UND A. PIRSING<br />

32 | Start-Stopp-Automatik für<br />

Nicht-Produktivphasen<br />

S. MECHS, S. LAMPARTER UND J. P. MÜLLER<br />

40 | Zusammenhang von Security<br />

und Funktionaler Sicherheit<br />

F. WIECZOREK, F. SCHILLER, R. FIAT UND T. STÖRTKUHL<br />

48 | Merkmalleisten für<br />

Regelventilengineering<br />

U. VOGEL<br />

RUBRIKEN<br />

3 | Editorial „Die Digitale Anlage –<br />

ein Schritt Richtung Industrie 4.0“<br />

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

Zum Beispiel <strong>der</strong> magnetischinduktive<br />

Durchflussmesser<br />

ProcessMaster. Er setzt neue<br />

Maßstäbe mit umfangreichen<br />

Diagnosemöglichkeiten, einer<br />

Messabweichung von 0,2 %,<br />

Explosionsschutz sowie <strong>der</strong><br />

ScanMaster-Software. Erfahren<br />

Sie mehr über die erste Wahl in<br />

<strong>der</strong> Durchflussmessung für die<br />

Prozessindustrie:<br />

www.abb.de/durchfluss<br />

Wussten Sie, dass Ihnen ABB<br />

neben dem umfassenden Portfolio<br />

für die Instrumentierung ebenso<br />

herausragende Produkte und<br />

Lösungen für die Analysentechnik,<br />

maßgeschnei<strong>der</strong>te Leitsysteme<br />

sowie erstklassigen Service bietet?<br />

Lesen Sie mehr unter:<br />

www.abb.de/<br />

prozessautomatisierung<br />

ABB Automation Products GmbH<br />

Tel.: 0800 111 44 11<br />

Fax: 0800 111 44 22<br />

vertrieb.messtechnik-produkte@de.abb.com

FORSCHUNG<br />

IN DER PRAXIS Studenten aus Deutschland,<br />

Österreich und <strong>der</strong> Schweiz lernten bei <strong>der</strong> NI<br />

World Class die Firma National Instruments<br />

kennen und die Arbeit mit Robotern.<br />

DIE BASIS:<br />

Als Hauptroboter fungierte das<br />

Robotino-Robotersystem.<br />

TEAMARBEIT: In vier Gruppen<br />

entwickelten die Studenten Lösungen<br />

für ihr Roboterprojekt<br />

Bil<strong>der</strong>: National Instruments<br />

NI World Class: Studenten lassen Roboter<br />

autonom durch schwierigen Parcours fahren<br />

Mehr über die Arbeit mit Labview erfahren und National<br />

Instruments (NI) als Unternehmen kennenlernen“<br />

– mit diesem Ziel reiste die Mechatronik-Studentin<br />

Mariz von <strong>der</strong> Universität Pa<strong>der</strong>born im März nach München.<br />

Vom 11. bis zum 16. März 2013 fand erneut die von<br />

National Instruments veranstaltete NI World Class statt.<br />

Insgesamt 16 ausgewählte Studenten <strong>der</strong> Ingenieurwissenschaften<br />

aus Deutschland, Österreich und <strong>der</strong><br />

Schweiz realisierten dort in Arbeitsgruppen ein interdisziplinäres<br />

Roboterprojekt. Ziel <strong>der</strong> vier Teams war es,<br />

ihren Roboter autonom durch einen anspruchsvollen<br />

Parcours zu bewegen.<br />

Neben dem Meistern technischer Herausfor<strong>der</strong>ungen<br />

und einem professionellen Präsentationstraining blieb<br />

aber genügend Zeit zum gegenseitigen Kennenlernen und<br />

zum Austausch mit NI-Mitarbeitern.<br />

Mit Robotik, Regelungstechnik und Kinematik, Visualisierung,<br />

Messtechnik, digitaler Kommunikation sowie<br />

Bildverarbeitung beschäftigten sich die Teilnehmer<br />

<strong>der</strong> NI World Class 2013 während dieser spannenden<br />

Tage intensiv. Als Plattform dienten Hard- und Software<br />

von National Instruments und das Robotino-Robotersystem<br />

<strong>der</strong> Firma Festo Didactic, welches als Hauptroboter<br />

fungierte. Erfahrene Mitarbeiter von National<br />

Instruments unterstützten die Teilnehmer bei <strong>der</strong> Umsetzung<br />

ihrer Aufgaben.<br />

Patrick, Student <strong>der</strong> Mikrotechnik und Mechatronik<br />

an <strong>der</strong> TU Chemnitz zieht ein positives Fazit: „Die NI<br />

World Class hat mir gezeigt, dass durch die Arbeit im<br />

Team sehr viele Lösungsmöglichkeiten für dasselbe Problem<br />

gefunden werden können und die hoffentlich ökonomischste<br />

Lösung ausgewählt wird. Außerdem verbesserte<br />

ich meine Fähigkeiten beim Präsentieren.“<br />

Weitere Informationen zum Konzept <strong>der</strong> NI World<br />

Class stehen unter www.niworldclass.com zur Verfügung.<br />

Außerdem bietet die Facebook-Seite www.facebook.de/nationalinstrumentskarriere<br />

Impressionen und<br />

eine vollständige Bil<strong>der</strong>galerie ist auf Flickr unter dem<br />

Suchbegriff „NI World Class“ zu finden.<br />

National Instruments setzt sich für die Verbesserung<br />

<strong>der</strong> technischen und wissenschaftlichen Ausbildung<br />

weltweit ein. Das Unternehmen bietet Lehrenden und<br />

Studierenden leistungsstarke Software für das grafische<br />

Systemdesign, intuitive Werkzeuge für den Unterricht<br />

und modulare Hardware, um damit eine Brücke zwischen<br />

dem Lehrplan und <strong>der</strong> realen Arbeitswelt zu<br />

schlagen. Sowohl Lehrende als auch Lernende profitieren<br />

von den Werkzeugen wie zum Beispiel <strong>der</strong> grafischen<br />

<strong>Entwicklung</strong>ssoftware NI Labview und NI Multisim.<br />

Diese Werkzeuge helfen Studenten dabei, technische<br />

Konzepte zu visualisieren und zu implementieren. Die<br />

Integration von Labview in den Ausbildungsbereich<br />

schafft laut Unternehmen eine effektive, dynamische<br />

Lern umgebung. Dies beginnt bei <strong>der</strong> Lego Mindstorm<br />

Education NXT in Grundschulen bis hin zu Forschungslaboren<br />

in Universitäten. NI bietet ebenfalls ein Lizenzprogramm<br />

für den Hochschulbereich an, über das Lehrende,<br />

Forscher und Studenten Rabatte auf NI-Produkte<br />

erhalten können. (ahü)<br />

NATIONAL INSTRUMENTS GERMANY GMBH,<br />

Ganghoferstraße 70 b,<br />

D-80339 München,<br />

Tel. +49 (0) 89 741 31 30,<br />

Internet: www.niworldclass.com<br />

6<br />

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

6 / 2013

Sieger fahren zur Smart<br />

Systems Integration<br />

Markus Dorwarth von <strong>der</strong> Robert Bosch GmbH gewinnt<br />

den „Best Paper Award“ <strong>der</strong> Smart Systems Integration<br />

2013. Das Programmkomitee unter dem Vorsitz von<br />

Professor Thomas Gessner, Leiter des Fraunhofer ENAS,<br />

kürte Dorwarths Präsentation „Distortion measurements<br />

and simulations on mechanically stressed rare die MEMS<br />

gyroscopes“ zum Gewinner. Ausschlaggebend waren laut<br />

Jury die Aktualität und Relevanz <strong>der</strong> Thematik sowie die<br />

Präsentationsweise. Ebenfalls prämiert wurde Stefan<br />

Straube vom Fraunhofer IZM für sein Poster „System reliability<br />

as a key for managing complex requirements,<br />

such as robust design of microsystems“. Die Gewinner<br />

werden als Referenten auf die Smart Systems Integration<br />

2014 von 26. bis 27. März in Wien eingeladen. Zudem erhalten<br />

sie ein Preisgeld von je 500 Euro. <br />

(bv)<br />

MESAGO MESSE FRANKFURT GMBH,<br />

Rotebuehlstr. 83-85, D-70178 Stuttgart,<br />

Tel. +49 (0) 711 61 94 60,<br />

Internet: www.smartsystemsintegration.com<br />

Call for <strong>atp</strong> experts –<br />

Thema: Industrie 4.0<br />

DIE ATP EDITION 55(12) im Dezember 2013 präsentiert<br />

aktuelle Ergebnisse <strong>der</strong> <strong>Automatisierung</strong>stechnik in dem<br />

Forschungs- und <strong>Entwicklung</strong>sschwerpunkt Industrie 4.0.<br />

Wir bitten Sie, bis zum 8. August 2013 zu diesem Themenschwerpunkt<br />

einen gemäß <strong>der</strong> Autorenrichtlinien<br />

<strong>der</strong> <strong>atp</strong> <strong>edition</strong> ausgearbeiteten Hauptbeitrag per<br />

E-Mail an urbas@di-verlag.de einzureichen.<br />

Die <strong>atp</strong> <strong>edition</strong> ist die hochwertige Monatspublikation für<br />

Fach- und Führungskräfte <strong>der</strong> <strong>Automatisierung</strong>sbranche.<br />

In den Hauptbeiträgen werden die Themen mit hohem<br />

wissenschaftlichem und technischem Anspruch und<br />

vergleichsweise abstrakt dargestellt. Im Journalteil werden<br />

praxisnahe Erfahrungen von Anwen<strong>der</strong>n mit neuen<br />

Technologien, Prozessen o<strong>der</strong> Produkten beschrieben.<br />

Alle Beiträge werden von einem Fachgremium begutachtet.<br />

Sollten Sie sich selbst aktiv an dem Begutachtungsprozess<br />

beteiligen wollen, bitten wir um kurze<br />

Rückmeldung. Für weitere Rückfragen stehen wir Ihnen<br />

selbstverständlich gerne zur Verfügung.<br />

Ihre Redaktion <strong>der</strong> <strong>atp</strong> <strong>edition</strong>:<br />

Leon Urbas, Anne Hütter<br />

CALL FOR<br />

Aufruf zur Beitragseinreichung<br />

Thema: Industrie 4.0<br />

Kontakt: urbas@di-verlag.de<br />

Termin: 08. August 2013

BRANCHE<br />

Praxisrelevante Antworten auf Fragen zu SIL,<br />

Feldbus und Explosionsschutz<br />

ZU DEN SPRECHSTUNDEN, die <strong>atp</strong> <strong>edition</strong> gemeinsam mit<br />

Pepperl+Fuchs organisiert, erwarten Fachleute die individuellen<br />

Fragen zu SIL, Feldbus und Exschutz. Bild: <strong>atp</strong>-Redaktion<br />

Die sogenannten „Sprechstunden“, die <strong>atp</strong> <strong>edition</strong> in<br />

Zusammenarbeit mit dem <strong>Automatisierung</strong>sspezialisten<br />

Pepperl+Fuchs anbietet, geben den Teilnehmern<br />

Antworten auf ihre ganz individuellen Fragen. Das Konzept<br />

<strong>der</strong> zweitätigen Seminare sieht eine enge Zusammenarbeit<br />

mit den Gästen vor. Sie haben die Möglichkeit,<br />

ihre Fragen vorab einzureichen und so die Themen <strong>der</strong><br />

Veranstaltung zu bestimmen. Experten <strong>der</strong> Funktionalen<br />

Sicherheit befassen sich in <strong>der</strong> SIL-Sprechstunde<br />

(17. und 18. September 2013 in Mannheim) zielgerichtet<br />

mit Fragen und Anliegen rund um die <strong>Automatisierung</strong>stechnik.<br />

Die Lösungen werden individuell in den Vorträgen<br />

und Workshops erarbeitet. Dies gilt auch für die Feldbus-Sprechstunde,<br />

die sich am 19. und 20. September 2013<br />

in Mannheim anschließt. Jürgen George eröffnet den fachlichen<br />

Teil des Seminars am Donnerstag mit dem Thema<br />

„Eclass-Prolist und FDI für die automatisierte Geräteintegration<br />

– ein Ausblick auf Industrie 4.0“. Anschließend<br />

referieren Dr. Andreas Hildebrandt und Dr. Jens Kiupel<br />

zum Thema Funktionale Sicherheit und Engineering von<br />

Feldbus-Systemen“. Die Vortragsreihe schließt mit einem<br />

Beitrag von Sven Seintsch zum Thema „Geräteintegration<br />

mit GSD, eDD, FDT, FDI“ ab. Die Teilnahmekosten für die<br />

SIL-Sprechstunde belaufen sich regulär auf 690 € zzgl.<br />

MwSt. o<strong>der</strong> auf 540 € zzgl. MwSt. für <strong>atp</strong>-Abonnenten) sowie<br />

590 € zzgl. MwSt. (auf Firmenempfehlung). Studenten<br />

nehmen kostenlos teil. Ein Frühbucherrabatt wird gewährt,<br />

wenn man sich für die SIL-Sprechstunde bis<br />

7. August o<strong>der</strong> für die Feldbus-Sprechstunde bis<br />

30. August anmeldet. Weitere Informationen finden Interessierte<br />

unter den jeweiligen Homepages: www.silsprechstunde.de<br />

und www.feldbus-sprechstunde.de.<br />

DIV DEUTSCHER INDUSTRIEVERLAG,<br />

Redaktion <strong>atp</strong>, Anne Hütter,<br />

Tel. +49 (0) 89 203 53 66 58,<br />

E-Mail: huetter@di-verlag.de,<br />

Internet: www.sil-sprechstunde.de,<br />

www.feldbus-sprechstunde.de,<br />

www.explosionsschutz-sprechstunde.de<br />

Rekord: Frauenanteil im Informatikstudium<br />

steigt im Jahr 2012 auf mehr als ein Fünftel<br />

ERSTMALS ist 2012<br />

<strong>der</strong> Frauenanteil bei<br />

den Erstsemestern<br />

im Informatik-<br />

Studium mit 22,5<br />

Prozent auf über ein<br />

Fünftel gestiegen.<br />

24<br />

22<br />

20<br />

18<br />

16<br />

14<br />

2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012<br />

So viele Frauen wie noch nie haben sich im vergangenen<br />

Jahr 2012 für ein Informatik-Studium entschieden.<br />

Mit 11 426 Studienanfängerinnen stieg die Zahl<br />

bundesweit innerhalb von einem Jahr um 14 Prozent,<br />

teilte <strong>der</strong> Bundesverband Informationswirtschaft, Telekommunikation<br />

und neue Medien e.V. (Bitkom) mit. Seit<br />

2006 hat sich die Zahl <strong>der</strong> Studienanfängerinnen in<br />

diesem Fach sogar verdoppelt.<br />

Erstmals ist damit <strong>der</strong> Frauenanteil bei den Erstsemestern<br />

im Informatik-Studium mit 22,5 Prozent auf über<br />

ein Fünftel gestiegen. An<strong>der</strong>e technische Studienfächer<br />

sind Bitkom zufolge deutlich stärker männerdominiert.<br />

So beträgt <strong>der</strong> Frauenanteil bei Studienanfängern im Maschinenbau<br />

19,5 Prozent, in <strong>der</strong> Elektrotechnik sind es<br />

sogar nur 12,7 Prozent.<br />

Bitkom vertritt mehr als 1 700 Unternehmen, davon<br />

über 1 200 Direktmitglie<strong>der</strong> mit 140 Milliarden Euro<br />

Umsatz und 700 000 Beschäftigten. Hierzu zählen Anbieter<br />

von Software & IT-Services, Telekommunikations-<br />

und Internetdiensten, Hersteller von Hardware<br />

und Consumer Electronics sowie Unternehmen <strong>der</strong><br />

digitalen Medien. <br />

(bv)<br />

BITKOM<br />

(BUNDESVERBAND INFORMATIONSWIRTSCHAFT,<br />

TELEKOMMUNIKATION UND NEUE MEDIEN E.V.),<br />

Albrechtstraße 10 A, D-10117 Berlin,<br />

Tel. +49 (0) 30 27 57 60, Internet: www.bitkom.org<br />

8<br />

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

6 / 2013

Herman van den Berg<br />

Präsident von Yokogawa<br />

Herman van den Berg ist neuer<br />

Präsident beim <strong>Automatisierung</strong>sspezialisten<br />

Yokogawa Europa.<br />

„Man muss nahe am Kunden<br />

sein, seine Beweggründe erfassen,<br />

seine Schwierigkeiten erkennen,<br />

seine Sorgen teilen und somit einen<br />

Anspruch auf Beteiligung an seinem<br />

Gewinn erwerben”, erklärte<br />

van den Berg zum Einstand. Er folgt<br />

auf Harry Hauptmeijer, <strong>der</strong> das Amt<br />

seit 2002 innehatte. Van den Berg<br />

begann als Ingenieur in einer<br />

Uran-Anreicherungsanlage und<br />

war zunächst auf einer Offshore-<br />

Plattform und später als Global<br />

Manager für Elektro-, Mess- und Regelungstechnik bei<br />

Yokogawa tätig. 2005 wurde er Geschäftsführer von<br />

Yokogawa Südafrika. Seit 2011 war er als Vizepräsident<br />

für Projektabwicklung und Services im Bereich Industrial<br />

Automation in Amersfoort zuständig. (bv)<br />

YOKOGAWA DEUTSCHLAND GMBH,<br />

Broichhofstr. 7-11, D-40880 Ratingen,<br />

Tel. +49 (0) 210 24 98 30,<br />

Internet: www.yokogawa.com/de<br />

NEUER<br />

PRÄSIDENT von<br />

Yokogawa Europe<br />

B.V.: Herman<br />

van den Berg.<br />

Bild: Yokogawa<br />

Peter Leveringhaus<br />

führt die deutsche BSI<br />

Die Normungsorganisation BSI hat einen neuen Regionaldirektor<br />

für Zentraleuropa und die GUS. Der<br />

51-jährige Peter Leveringhaus hat diese Position sowie<br />

die Geschäftsführung <strong>der</strong> BSI Group Deutschland<br />

GmbH zum 1. April übernommen. „Wer, wie die BSI,<br />

seit über 110 Jahren im Geschäft ist, weiß worauf es<br />

ankommt: Die Qualität muss stimmen und die Sicherheit<br />

von Produkten, Prozessen und Systemen gewährleistet<br />

sein“, betonte Leveringhaus.<br />

Der Manager kommt von <strong>der</strong> RINA GmbH zur BSI<br />

Group, bei <strong>der</strong> er die Verantwortung für das deutsche<br />

Geschäft inne hatte. Davor verantwortete Leveringhaus<br />

sechs Jahre bei <strong>der</strong> Germanischer Lloyd SE in Hamburg<br />

die strategische Einheit „Zertifizierung“ und den Geschäftsbereich<br />

„Maritime Systeme und Komponenten“<br />

als Executive Vice President.<br />

British Standards Institution (BSI) ist die älteste nationale<br />

Normungsorganisation weltweit. Mit 69 000 Zertifizierungen<br />

zählt BSI zu den größten unabhängigen Zertifizierungsgesellschaften<br />

<strong>der</strong> Welt. Sie ist Urheber <strong>der</strong> am<br />

meisten verbreiteten Standards und Spezifikationen für<br />

Managementsysteme, wie <strong>der</strong> ISO 9000-Serie. (bv)<br />

Mit Sicherheit<br />

kompetent<br />

Besuchen Sie uns:<br />

MEORGA · Hamburg<br />

5. Juni 2013<br />

MesseHalle<br />

Hamburg-Schnelsen<br />

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SAMSON sind Sie immer auf <strong>der</strong><br />

sicheren Seite. Dank ihrer hohen<br />

MTBF brauchen Sie sich um einen<br />

Ausfall nicht zu sorgen.<br />

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Stellungsregler <strong>der</strong> Bauarten 3730 und<br />

3731. Mit ihrem zertifizierten Magnetventil<br />

und dem induktiven Grenzkontakt<br />

führen sie die Sprung antworttests<br />

automatisch durch und dokumentieren<br />

die Ergebnisse.<br />

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SAMSON.<br />

SIL<br />

SIL SIL<br />

BSI GROUP DEUTSCHLAND GMBH,<br />

Eastgate,<br />

Hanauer Landstraße 115, D-60314 Frankfurt am Main,<br />

Tel. +49 (0) 69 222 28 92 00, Internet: www.bsigroup.de<br />

A01039DE<br />

SAMSON AG · MESS- UND REGELTECHNIK<br />

Weismüllerstraße 3 · 60314 Frankfurt am Main<br />

Telefon: 069 4009-0 · Telefax: 069 4009-1507<br />

E-Mail: samson@samson.de · www.samson.de<br />

SAMSON GROUP · www.samsongroup.net

VERBAND<br />

VDE-Trendreport sagt für die Industrie 4.0<br />

Evolution statt Revolution voraus<br />

Die Industrie 4.0 wird kommen, allerdings nicht vor<br />

2025. Das zeigt <strong>der</strong> jüngste VDE-Trendreport, für den<br />

<strong>der</strong> Verband seine 1300 Mitgliedsunternehmen und Hochschulen<br />

befragte. Acht von zehn Befragten glauben, dass<br />

Industrie 4.0 noch auf sich warten lässt, nur zwei von<br />

zehn erwarten eine schnelle Realisierung. Als größte Hin<strong>der</strong>nisse<br />

werden IT-Sicherheitsprobleme (66 Prozent), fehlende<br />

Normen und Standards sowie <strong>der</strong> hohe Qualifizierungsbedarf<br />

(jeweils 43 Prozent) genannt. 47 Prozent sehen<br />

die Hochschulen auf Industrie 4.0 nicht gut vorbereitet.<br />

Vier von zehn Befragten glauben, dass Industrie 4.0<br />

einen wichtigen Pfad zur Re-Industrialisierung Europas<br />

eröffnet. 73 Prozent <strong>der</strong> befragten Unternehmen und<br />

Hochschulen sind <strong>der</strong> Meinung, dass Industrie 4.0 den<br />

Wirtschaftsstandort Deutschland stärken wird. Fünf von<br />

zehn sprechen Deutschland eine führende Stellung bei<br />

<strong>der</strong> intelligenten Produktionstechnologie zu. Als wich-<br />

tigste Schlüsseltechnologien werden genannt: Energietechnik<br />

sowie Batterie- und Speichertechnologien, gefolgt<br />

von <strong>der</strong> <strong>Automatisierung</strong>stechnik, <strong>der</strong> Informationsund<br />

Kommunikationstechnik sowie <strong>der</strong> Mikro elektronik/<br />

Systemtechnik.<br />

Die Realisierung von Smart Factories erwarten die<br />

43 Prozent <strong>der</strong> Befragten innerhalb von etwa zwölf Jahren.<br />

21 Prozent glauben an eine frühere, 36 Prozent an eine<br />

spätere Umsetzung. Von Smart Factories versprechen sich<br />

75 Prozent eine größere Flexibilität, 60 Prozent mehr Effizienz<br />

im Verbrauch von Ressourcen (42 Prozent). Kostenvorteile<br />

erwarten 45 Prozent <strong>der</strong> Befragten. (gz)<br />

VDE VERBAND DER ELEKTROTECHNIK ELEKTRONIK<br />

INFORMATIONSTECHNIK E.V.,<br />

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

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

Sichere Produktion: den Hackern keine Chance lassen<br />

WIE VIREN UND<br />

HACKER abgewehrt<br />

werden können,<br />

wird auf <strong>der</strong> Tagung<br />

Industrial IT<br />

Security diskutiert.<br />

Bild: VDI Wissensforum/<br />

Falkenberg Team<br />

Auf <strong>der</strong> VDI-Konferenz Industrial IT Security am 3. und<br />

4. Juli 2013 in Frankfurt am Main diskutieren Experten<br />

und Produktionsverantwortliche über Maßnahmen, um die<br />

Produktion vor gezielten und ungezielten Angriffen zu<br />

schützen. Produktions- und Steuerdaten vor Hackerangriffen<br />

zu schützen, ist eine bekannte For<strong>der</strong>ung. Dennoch setzen<br />

zahlreiche Unternehmen keine <strong>der</strong> vorhandenen Abwehrtechnologien<br />

ein. Die Gründe dafür sind vielfältig: fehlendes<br />

Bewusstsein, fehlende Standardlösungen für die Produktionswelt,<br />

Echtzeit-Unfähigkeit <strong>der</strong> Patches, veraltete Steuerungssysteme<br />

sowie hohe Kosten. In Frankfurt diskutieren<br />

Anwen<strong>der</strong> industrieller Informationstechnik, Fachleute aus<br />

<strong>der</strong> Produktionssteuerung und <strong>Automatisierung</strong> sowie IT-<br />

Sicherheits-Experten wie Unternehmen mit <strong>der</strong> Bedrohung<br />

durch Malware o<strong>der</strong> Cyberangriffe umgehen können.<br />

Thematisiert werden auch weitere Gefahren für die Produktion,<br />

die sich aus <strong>der</strong> Vernetzung <strong>der</strong> Steuerungen<br />

innerhalb <strong>der</strong> Fertigung sowie mit Bürosoftware in firmeninternen<br />

Clouds ergeben. Weitere Informationen sind zu<br />

finden unter www.vdi.de/IT-Security.<br />

(gz)<br />

VDI WISSENSFORUM GMBH,<br />

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

Tel. +49 (0) 211 621 42 01,<br />

Internet: www.vdi-wissensforum.de<br />

Der Elektroindustrie fehlt es noch an Schwung<br />

Den Bestelleingängen in <strong>der</strong> deutschen Elektroindustrie<br />

fehlt es nach wie vor an Schwung, berichtet <strong>der</strong> ZVEI.<br />

„Im März dieses Jahres haben die Auftragseingänge aber<br />

immerhin wie<strong>der</strong> ihr Vorjahresniveau erreicht“, sagte<br />

ZVEI-Chefvolkswirt Dr. Andreas Gontermann. „Inlandskunden<br />

bestellten vier Prozent weniger, Auslandskunden<br />

dagegen drei Prozent mehr als vor einem Jahr.“ Die Or<strong>der</strong>s<br />

aus dem Euroraum legten mit plus vier Prozent sogar stärker<br />

zu als die aus Drittlän<strong>der</strong>n mit plus zwei Prozent.<br />

Im ersten Quartal 2013 lagen die Bestellungen zwei<br />

Prozent unter Vorjahr. Inlands- und Auslandsaufträge<br />

waren um drei und zwei Prozent rückläufig. Aus <strong>der</strong> Eurozone<br />

gingen vier Prozent weniger Bestellungen ein, die<br />

Aufträge aus Drittlän<strong>der</strong>n blieben auf Vorjahresniveau.<br />

Die preisbereinigte Produktion <strong>der</strong> Elektrounternehmen<br />

ist laut ZVEI im März 2013 neun Prozent unter Vorjahr<br />

geblieben – bei allerdings zwei Arbeitstagen weniger als<br />

vor einem Jahr. Von Januar bis März belief sich <strong>der</strong> Output-<br />

Rückgang auf sechs Prozent gegenüber Vorjahr. (gz)<br />

ZVEI – ZENTRALVERBAND ELEKTROTECHNIK- UND<br />

ELEKTRONIKINDUSTRIE E.V.,<br />

Lyoner Straße 9, D-60528 Frankfurt am Main,<br />

Tel. +49 (0) 69 630 20, Internet: www.zvei.org<br />

10<br />

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

6 / 2013

Maschinen- und Anlagenbau bietet die größten<br />

Potenziale für Mess- und <strong>Automatisierung</strong>stechnik<br />

Die Energie- und Ressourceneffizienz ist <strong>der</strong> größte Treiber<br />

für die Mess- und <strong>Automatisierung</strong>stechnik, dicht gefolgt<br />

von Impulsen durch die Mensch-Maschine-Kommunikation,<br />

Internettechnologien und zunehmen<strong>der</strong> Vernetzung. Dies<br />

zeigt die jüngste Umfrage <strong>der</strong> VDI/VDE-Gesellschaft Messund<br />

<strong>Automatisierung</strong>stechnik (GMA) unter ihren Mitglie<strong>der</strong>n.<br />

„Mit beiden letztgenannten Punkten wird deutlich,<br />

dass die aktuellen Trends um Industrie 4.0 in <strong>der</strong> Welt <strong>der</strong><br />

<strong>Automatisierung</strong>stechnik angekommen sind“, sagt GMA-<br />

Geschäftsführer Dieter Westerkamp. An <strong>der</strong> Umfrage hatten<br />

sich über 1100 Mitglie<strong>der</strong> <strong>der</strong> Fachgesellschaft beteiligt.<br />

51,3 Prozent <strong>der</strong> Umfrageteilnehmer sehen die größten<br />

Potenziale für die Automation in den nächsten drei Jahren<br />

weiter im Maschinen- und Anlagenbau. Energietechnik,<br />

Produktionstechnik und Fahrzeugtechnik folgen auf den<br />

nächsten Plätzen. Bei den Potenzialen für die Messtechnik<br />

nimmt mit 51,6 Prozent die Fahrzeugtechnik die Spitzenposition<br />

ein. Danach folgen <strong>der</strong> Maschinen- und Anlagenbau,<br />

die Energietechnik und die Medizintechnik.<br />

Als wichtigsten Wachstumsmarkt für die Mess- und <strong>Automatisierung</strong>sbranche<br />

nannten die Umfrageteilnehmer<br />

mit großem Abstand China (71,1 Prozent). Indien nannten<br />

43,2 Prozent und Südamerika 33,8 Prozent <strong>der</strong> Befragten.<br />

Die Verfügbarkeit von Fachkräften wird gegenüber <strong>der</strong><br />

vorangegangenen Umfrage im Jahr 2010 leicht schlechter<br />

eingeschätzt. Fast 30 Prozent geben an, die Verfügbarkeit sei<br />

schlecht (2010: 24 Prozent). Fast 58 Prozent <strong>der</strong> Umfrageteilnehmer<br />

wollen 2013 Stellen für Ingenieure schaffen. Vor<br />

zwei Jahren waren es nur 41 Prozent gewesen.<br />

16 Prozent <strong>der</strong> Befragten gaben an, dass sie Bereiche ins<br />

Ausland verlagern dies konkret planen. Dies ist gegenüber<br />

2010 eine Zunahme von gut 13 Prozent. Dass <strong>der</strong> Anteil<br />

von Forschungs- und <strong>Entwicklung</strong>saktivitäten bei den<br />

Verlagerungsabsichten von knapp sechs auf neun Prozent<br />

im Jahr 2012 gestiegen ist, führt die GMA auf den Ingeni-<br />

60<br />

50<br />

40<br />

30<br />

20<br />

10<br />

0<br />

Maschinen- und<br />

Anlagenbau<br />

51,3% 50,0%<br />

41,4% 40,6%<br />

35,7% 33,6%<br />

30,1%<br />

Energietechnik<br />

Produktionstechnik<br />

Fahrzeugtechnik<br />

Gebäudetechnik<br />

Verfahrenstechnik<br />

Umwelttechnik<br />

Verkehrstechnik<br />

IN DEN KLASSISCHEN INDUSTRIEBEREICHEN<br />

sehen die Mess- und <strong>Automatisierung</strong>stechniker weiterhin<br />

die größten Wachstumschancen. Quelle: GMA<br />

eurmangel in Deutschland zurück. Merklich auf 10,5 Prozent<br />

gestiegen ist allerdings auch <strong>der</strong> Anteil jener Unternehmen,<br />

die einst ins Ausland verlagerte Bereiche wie<strong>der</strong><br />

nach Deutschland zurückgeholt hatten.<br />

Generell ist die Stimmung <strong>der</strong> Branche positiv: 65 Prozent<br />

<strong>der</strong> Umfrageteilnehmer sehen die <strong>Entwicklung</strong> für<br />

die Hersteller von Mess- und <strong>Automatisierung</strong>stechnik<br />

in den nächsten drei Jahren positiv. 2010 lag <strong>der</strong> Anteil<br />

<strong>der</strong> Optimisten noch deutlich unter 60 Prozent. (gz)<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) 211 621 40, Internet: www.vdi.de<br />

23,4%<br />

19,8%<br />

14,6% 13,3% 12,2%<br />

1,3%<br />

Medizintechnik/<br />

Gesundheit<br />

Biotechnologie<br />

Mikro- und<br />

Nanotechnik<br />

Logistik<br />

An<strong>der</strong>e technische<br />

Prozesse<br />

ZVEI sieht durch schnelle Verschärfung <strong>der</strong><br />

Motorenverordnung Unternehmen in Gefahr<br />

Der ZVEI for<strong>der</strong>t eine ausreichend lange Übergangsfrist<br />

für das Wirksamwerden <strong>der</strong> verschärften EU-Motorenverordnung.<br />

Gunther Koschnick, Leiter des Fachbereichs<br />

Elektrische Antriebe im ZVEI-Fachverband Automation,<br />

warnt, diese Gesetzesän<strong>der</strong>ung könne Unternehmen insbeson<strong>der</strong>e<br />

im Maschinenbau gefährden, wenn sie plötzlich<br />

den bisherigen Motorentyp nicht mehr verbauen dürfen.<br />

Um Schlupflöcher <strong>der</strong> Ökodesign-Richtlinie zu energieeffizienten<br />

Motoren zu schließen, plant die EU-Kommission<br />

laut ZVEI eine Verschärfung <strong>der</strong> Motorenverordnung<br />

(640/2009) mit einer Übergangsfrist von nur 20 Tagen.<br />

Bisher sind von <strong>der</strong> Richtlinie Motoren ausgenommen,<br />

die beispielsweise für den Gebrauch in Höhen von<br />

über 1000 m (über NN), bei einer Umgebungstemperatur<br />

von über 40° Celsius o<strong>der</strong> unter minus 15° Celsius vorgesehen<br />

sind. Die EU wolle die Grenzwerte auf 4000 m Höhe<br />

und plus 60° beziehungsweise minus 30° Celsius verschärfen.<br />

„Vorgesehen ist eine Veröffentlichung <strong>der</strong> Ge-<br />

setzesän<strong>der</strong>ung im Amtsblatt im Oktober 2013 praktisch<br />

ohne Übergangszeit“, so Gunther Koschnick. Er kritisiert:<br />

„So schnell kann das nicht umgesetzt werden“, da die<br />

drastische Verschärfung konstruktive Än<strong>der</strong>ungen erfor<strong>der</strong>e.<br />

Daher for<strong>der</strong>n <strong>der</strong> ZVEI und <strong>der</strong> europäische Sektorverband<br />

CEMEP (Comité Européen de Constructeurs<br />

de Machines Electriques et d'Electronique de Puissance)<br />

von Anfang an eine ausreichende Übergangszeit bis zur<br />

Wirksamkeit <strong>der</strong> Verordnung.<br />

Grundsätzlich sieht <strong>der</strong> ZVEI bei Antrieben ein enormes<br />

Potenzial zur Stromeinsparung und unterstütze daher die<br />

Ziele <strong>der</strong> EU, wie Koschnick betont. Es müsse aber eine<br />

realistische Übergangszeit geben.<br />

(gz)<br />

ZVEI – ZENTRALVERBAND ELEKTROTECHNIK-<br />

UND ELEKTRONIKINDUSTRIE E.V.,<br />

Lyoner Straße 9, D-60528 Frankfurt am Main,<br />

Tel. +49 (0) 69 630 20, Internet: www.zvei.org<br />

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

6 / 2013<br />

11

INTERVIEW<br />

„Industrie 4.0 –<br />

IT für die Automation<br />

einsatzfähig machen“<br />

Dipl.-Ing. Dieter Westerkamp, Geschäftsführer <strong>der</strong> VDI/VDE-Gesellschaft<br />

Mess- und <strong>Automatisierung</strong>stechnik (GMA) und Dr.-Ing. Kurt<br />

D. Bettenhausen, Vorsitzen<strong>der</strong> <strong>der</strong> GMA, im Interview mit <strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

Automation (in the) cloud – unter diesem Motto startet am 25. Juni 2013 in Baden-Baden <strong>der</strong> Kongress Automation.<br />

Dieter Westerkamp und Kurt D. Bettenhausen beantworten im <strong>atp</strong>-Interview Fragen zu den aktuellen Schlagwörtern<br />

„cyber-physische Systeme“ und „Industrie 4.0“. Außerdem sprechen Sie Empfehlungen für Kongressvorträge<br />

aus und formulieren Voraussetzungen, unter denen die <strong>Automatisierung</strong> vom „Hype“ profitieren kann.<br />

DIETER<br />

WESTERKAMP<br />

KURT D.<br />

BETTENHAUSEN<br />

12<br />

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

6 / 2013

Bild: GMA<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong>: Der GMA Kongress Automation 2013 findet zum<br />

14ten Mal am 25. und 26. Juni in Baden-Baden statt. Er<br />

versteht sich als technisch-wissenschaftlicher Leitkongress<br />

für die deutschsprachige Automation, es werden 500<br />

Teilnehmer erwartet. Welche Ziele hat sich die GMA für den<br />

Kongress 2013 gesetzt?<br />

BETTENHAUSEN UND WESTERKAMP: Uns geht es um den<br />

Wissens- und Erfahrungsaustausch von Herstellern und<br />

Anwen<strong>der</strong>n sowie Forschung und Lehre – und diese Reihenfolge<br />

beinhaltet keine Priorisierung! Im Mittelpunkt<br />

stehen dabei die hochwertigen Vorträge und Posterbeiträge<br />

als Basis des Netzwerkgedankens. Aber auch die Kommunikation<br />

<strong>der</strong> Teilnehmer untereinan<strong>der</strong> ist uns sehr<br />

wichtig – vielfach werden gerade hier neue Ideen und gemeinsame<br />

Vorhaben initiiert.<br />

In diesem Jahr passt das Kongressmotto „Automation (in<br />

the) cloud“ hervorragend zu den aktuellen <strong>Entwicklung</strong>en<br />

in unserer Szene. Immerhin mussten wir es bereits vor<br />

etwa einem Jahr festlegen, was <strong>der</strong> Kongressleitung anscheinend<br />

ganz gut gelungen ist. Die momentanen Diskussionen<br />

um cyber-physische Systeme und das Projekt „Industrie<br />

4.0“ passen ausgezeichnet in den Kongress. Speziell<br />

vor dem Hintergrund von „Industrie 4.0“ geht es uns<br />

auch um eine Standortbestimmung <strong>der</strong> Automationsbranche<br />

– wir müssen dem <strong>der</strong>zeitigen Hype im Hinblick auf<br />

überzogene Erwartungen geeignet entgegentreten.<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong>: Erlauben Sie uns einen Blick hinter die Kulissen<br />

- wie bereitet die GMA, beispielsweise durch ihre Prozesse<br />

zur Themenfindung o<strong>der</strong> zur Qualitätssicherung, den<br />

Kongress vor?<br />

BETTENHAUSEN UND WESTERKAMP: Wir können uns auf<br />

unser großes und breit aufgestelltes Netzwerk verlassen.<br />

Wir haben rund 22 300 persönliche Mitglie<strong>der</strong> – etwa 1 500<br />

Ingenieure sind in unseren Fachausschüssen aktiv. Da werden<br />

„ganz automatisch“ die aktuellen Themen identifiziert.<br />

Diese nehmen wir in unseren zentralen Gremien auf und<br />

steuern die Aktivitäten und auch <strong>der</strong>en Qualitätssicherung.<br />

Für den Kongress Automation ist die Qualität durch ein<br />

unabhängiges Programmkomitee sichergestellt. Es geht<br />

hier nach Qualität <strong>der</strong> eingereichten Beiträge – Werbung,<br />

Marketing und nicht ausreichen<strong>der</strong> Inhalt werden nicht in<br />

das Kongressprogramm aufgenommen.<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong>: Das Kongressprogramm besteht überwiegend<br />

aus Beiträgen etablierter Vertreter <strong>der</strong> Automation aus<br />

Industrie, Universitäten, Forschungseinrichtungen und<br />

Hochschulen. Wie adressiert die GMA den Nachwuchs?<br />

Können sich beispielsweise auch Studierende die Teilnahme<br />

an <strong>der</strong> Veranstaltung leisten?<br />

BETTENHAUSEN UND WESTERKAMP: Ja – wir laden Studierende<br />

sogar zur kostenfreien Teilnahme ein. Dafür kontaktieren<br />

wir Hochschullehrer und regen Exkursionen nach<br />

Baden-Baden an. So erwarten wir auch in diesem Jahr wie<strong>der</strong><br />

30 bis 50 Studierende zum Kongress. Das ist gut so. Die<br />

Studierenden, die an den vergangenen Kongressen teilgenommen<br />

haben, äußerten sich sehr positiv über ihre Teilnahme,<br />

das Studentenprogramm und die erworbenen Kontakte.<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong>: Die GMA bewirbt den Kongress als den Branchentreff<br />

<strong>der</strong> Mess- und <strong>Automatisierung</strong>stechnik. Das<br />

große Spektrum <strong>der</strong> Beiträge ist beindruckend, dennoch<br />

scheint die Branche nicht in ihrer ganzen Breite vertreten<br />

zu sein – ich sehe beispielsweise keine Beiträge aus <strong>der</strong><br />

Gebäudeautomatisierung, lediglich einen aus <strong>der</strong> Verkehrsautomatisierung,<br />

<strong>der</strong> große Anwendungsbereich <strong>der</strong><br />

Automation in <strong>der</strong> Medizintechnik ist ebenso nicht vertreten.<br />

Ist dieser deutlich erkennbare Fokus auf Fertigungsund<br />

Prozessindustrie Teil des Veranstaltungskonzepts?<br />

O<strong>der</strong> gibt es Anwendungsbereiche und Themengebiete, aus<br />

denen Sie sich mehr Einreichungen wünschen würden?<br />

BETTENHAUSEN UND WESTERKAMP: Das ist richtig beobachtet.<br />

Bei allen Call for Papers weisen wir das Feld<br />

„Automation im Alltag“ aus – hiermit meinen wir alle Anwendungsfel<strong>der</strong><br />

über die industrielle Automation hinaus.<br />

Unter Umständen ist das nicht deutlich genug. Fakt ist aber<br />

auch, dass einige Anwen<strong>der</strong>gruppen ihre eigenen Veranstaltungen<br />

im Hinblick auf die Automation haben, etwa die<br />

Tagung „Autoreg – Steuerung und Regelung von Kraftfahrzeugen<br />

und Verbrennungsmotoren“ o<strong>der</strong> die Veranstaltung<br />

„Automed – <strong>Automatisierung</strong>stechnische Verfahren für die<br />

Medizintechnik“. Diese Veranstaltungen sind historisch<br />

gewachsen und haben ihre eigene Daseinsberechtigung.<br />

Die Zielgruppen unterscheiden sich sehr deutlich.<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong>: In diesem Jahr ist „Automation (in the) cloud“<br />

das Thema. Was verstehen Sie darunter und warum haben<br />

Sie sich gerade dafür entschieden?<br />

BETTENHAUSEN UND WESTERKAMP: So ein Kongress<br />

benötigt ein Jahr Vorbereitungszeit. Darum mussten wir<br />

das Thema bereits im Sommer 2012 festlegen. Mit „Automation<br />

(in the) cloud“ liegen wir thematisch exakt richtig:<br />

unsere Szene redet über Vernetzung, cyber-physische<br />

Systeme, Cloud Computing und Industrie 4.0. Das Motto<br />

adressiert genau diese Begriffe und lässt sogar Wortspiele<br />

zu. Welche Fassung – ob mit o<strong>der</strong> ohne Klammern – richtig<br />

ist, wird <strong>der</strong> Kongress zeigen.<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong>: Welche Fragen stellen sich bei <strong>der</strong> offenen<br />

Kommunikation <strong>der</strong> <strong>Automatisierung</strong>ssysteme über klassische<br />

Anlagengrenzen hinaus? Welche Programmpunkte<br />

nehmen beson<strong>der</strong>s Bezug auf das Thema? Welche Beiträge<br />

empfehlen Sie?<br />

BETTENHAUSEN UND WESTERKAMP: Wir werden zukünftig<br />

an<strong>der</strong>s an automatisierungstechnische Fragestellungen<br />

herangehen. Mit <strong>der</strong> Voraussetzung, bald jedwede Information<br />

an beliebigen Stellen zu beliebigen Zeiten abrufen<br />

zu können, werden neuartige Geschäftsprozesse möglich,<br />

die wir heute noch nicht absehen und abschließend beurteilen<br />

können. Es geht um eine zunehmende Flexibilität,<br />

um einen steigenden <strong>Automatisierung</strong>sgrad und damit<br />

verbunden um eine höhere Komplexität unserer Anlagen.<br />

In dem Eröffnungsvortrag von Herrn Prof. Dustdar von <strong>der</strong><br />

TU Wien werden wir in das Thema „Cloud Computing“ zunächst<br />

einmal eingeführt. Der Titel des Vortrags heißt: „Von<br />

Cloud Computing zu Elastic Computing – Integration von<br />

Software Services, Dingen und Menschen in <strong>der</strong> Cloud“.<br />

Gut ist, dass ein Vertreter <strong>der</strong> Informatik in das Thema<br />

einführt – so erfahren wir Ingenieure aus erster Hand –<br />

wenn auch nicht zum ersten Mal. Neu ist eine Podiumsdiskussion<br />

am Ende des ersten Kongresstages. Hier geht es<br />

um die Frage „CPS – Hype o<strong>der</strong> Zukunft für die Automation“,<br />

die von ausgewiesenen Fachleuten <strong>der</strong> beiden Welten<br />

Informatik und Automation diskutiert werden wird. Für<br />

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

6 / 2013<br />

13

INTERVIEW<br />

FORUM INDUSTRIAL IT IN HANNOVER: Auf <strong>der</strong> diesjährigen Hannover Messe im April mo<strong>der</strong>ierte Dieter<br />

Westerkamp (ganz links) ein Forum mit Experten rund um das Thema "Cyber-Physical Systems".<br />

Gesprächsstoff ist hier gesorgt. Schaut man sich das Kongressprogramm<br />

mit den vier parallelen Zügen genauer an,<br />

dann ist <strong>der</strong> Strang „Grundlagen und Methoden“ fast<br />

durchweg mit Fragestellungen rund um zukünftige Architekturen,<br />

Vernetzung und Kommunikation besetzt. Wer<br />

sich diese Vorträge hintereinan<strong>der</strong> anhört, hat hinterher<br />

sicher einen guten Überblick über die zugehörigen aktuellen<br />

<strong>Entwicklung</strong>en.<br />

Ebenfalls empfehlenswert wird sicher <strong>der</strong> Abendvortrag<br />

im Kurhaus, den Herr Prof. Dueck, früher bei IBM, halten<br />

wird, damit für Unterhaltung sorgen und noch ein wenig<br />

weiter in die Zukunft blicken wird. Sein Vortrag lautet:<br />

„Cloud Computing und das Leben danach“.<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong>: Die VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und <strong>Automatisierung</strong>stechnik<br />

(GMA) veröffentlichte anlässlich <strong>der</strong><br />

diesjährigen Hannover Messe Industrie Thesen und Handlungsfel<strong>der</strong><br />

für cyber-physische Systeme. Die GMA stellt<br />

sich darin die Aufgabe, das Projekt Industrie 4.0 mit betrieblich<br />

realisierbaren und wirtschaftlich sinnvollen Lösungsansätzen<br />

zu unterstützen. Was bedeutet das konkret?<br />

Wie entwickelt die GMA diese Ansätze und wie bringt<br />

Sie dies in die Praxis ein?<br />

BETTENHAUSEN UND WESTERKAMP: Wir haben bereits<br />

zwei Gremien – in unserem Jargon „Fachausschüsse“ –<br />

gegründet, um fundierte Beiträge auszuarbeiten und zu<br />

formulieren. Im Fachausschuss „Cyber-Physical Systems“<br />

unter <strong>der</strong> Leitung von Herrn Prof. Kowalewski ging es zu<br />

Anfang darum, das Verständnis von CPS aus <strong>der</strong> Automation<br />

heraus zu för<strong>der</strong>n, um daraus Handlungsfel<strong>der</strong> abzuleiten.<br />

Hier ist das von Ihnen genannte Papier entstanden.<br />

In unserem neuen Fachausschuss „Industrie 4.0“, den Herr<br />

Prof. Epple leitet, geht es uns konkret um die Erarbeitung<br />

von Inhalten für die Standardisierung und Normung auf<br />

Basis unserer VDI/VDE-Richtlinien. Wir wollen hiermit einen<br />

Beitrag leisten, die <strong>Entwicklung</strong>en zielgerichtet voranzutreiben<br />

und Empfehlungen für die Anwendung in <strong>der</strong><br />

industriellen Praxis zu erarbeiten.<br />

Nicht vergessen dürfen wir den VDI-Zukunftskongress „Industrie<br />

4.0“, <strong>der</strong> am 30.01.2013 in Düsseldorf stattfand. Es<br />

war uns ein Anliegen, die vielen offenen eher politisch motivierten<br />

Fragen zu Industrie 4.0 zu beantworten. Dafür<br />

hatten wir hochkarätige Redner versammelt. Entsprechend<br />

gut war die Resonanz <strong>der</strong> Teilnehmer und <strong>der</strong> Medien.<br />

Am 04. o<strong>der</strong> 05. Februar 2014 wird diese Veranstaltung<br />

mit mehr technischen Inhalten weitergeführt, um das bisher<br />

Erreichte vorzustellen.<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong>: Philipp Rösler, Bundesminister für Wirtschaft<br />

und Technologie, und Johanna Wanka, Bundesministerin für<br />

Bildung und Forschung, haben sich auf <strong>der</strong> Hannover Messe<br />

Industrie massiv für das Thema „Industrie 4.0“ eingesetzt.<br />

Ist die Automation im Vorstands- o<strong>der</strong> Lenkungskreis<br />

<strong>der</strong> Plattform Industrie 4.0 ausreichend repräsentiert?<br />

BETTENHAUSEN UND WESTERKAMP: Diese Frage lässt<br />

sich noch nicht abschließend beantworten, da die Namen<br />

zum Zeitpunkt dieses Interviews noch nicht öffentlich kommuniziert<br />

wurden. Nach allem, was wir wissen, ist über die<br />

beteiligten Industrieverbände die Automation im Lenkungskreis<br />

auf jeden Fall ausreichend vertreten. Im wissenschaftlichen<br />

Beirat sind wir nicht sicher – Vorschläge<br />

haben wir als GMA unterbreitet.<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong>: Welche Fragen sind aus Sicht <strong>der</strong> GMA die wichtigsten<br />

rund um das Thema „Industrie 4.0“? Wie unterscheidet<br />

sich die Position <strong>der</strong> GMA von den an<strong>der</strong>en in <strong>der</strong> „Geschäftsstelle<br />

Industrie 4.0“ organisierten Verbänden?<br />

BETTENHAUSEN UND WESTERKAMP: Industrie 4.0 wird<br />

nur dann ein Erfolg wenn alle (!) beteiligten Parteien möglichst<br />

schnell und effizient in eine gemeinsame Richtung<br />

ziehen und zusammenarbeiten. Wir stehen in einem internationalen<br />

Wettbewerb und an<strong>der</strong>e Nationen und Unternehmen<br />

haben den Wert industrieller Wertschöpfung ebenfalls<br />

(wie<strong>der</strong>-)erkannt. Partikularinteressen mögen einen kurzfristigen<br />

und kurzsichtigen Vorteil ermöglichen, in Summe<br />

schaden sie dem gemeinsamen Interesse, Anwen<strong>der</strong> und<br />

Hersteller von Automation auf dem hohen Niveau zu halten<br />

und dieses gegebenenfalls sogar noch auszubauen.<br />

In <strong>der</strong> VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und <strong>Automatisierung</strong>stechnik<br />

haben wir den Vorteil, jenseits von partikulären<br />

Einzelinteressen – also weitestgehend neutral – zu denken<br />

und zu arbeiten. An unserem Tisch treffen sich Vertreter<br />

<strong>der</strong> herstellenden Industrie, <strong>der</strong> anwendenden Industrie,<br />

<strong>der</strong> Forschung und <strong>der</strong> Lehre.<br />

14<br />

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

6 / 2013

KONGRESS AUTOMATION: Einmal im Jahr versammeln sich<br />

Experten <strong>der</strong> <strong>Automatisierung</strong>stechnik in Baden-Baden.<br />

KURT D. BETTENHAUSEN bei <strong>der</strong> Eröffnung des<br />

Kongresses Automation 2012 . Bil<strong>der</strong>: Anne Hütter<br />

Traditionell sind wir bereits seit längerer Zeit in <strong>der</strong> technischen<br />

Regelsetzung bei für das Thema Industrie 4.0<br />

wichtigen Aspekten unterwegs. Diesen Weg werden wir<br />

auch weiterhin konstruktiv fortsetzen.<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong>: Neben Security und Safety sind Begriffsklärung<br />

und Standardisierung die erfolgskritischen Faktoren<br />

für die praktische Umsetzung des „Industrie 4.0“-Ansatzes.<br />

Mit welchen Aktivitäten unterstützt die GMA die<br />

Bemühungen um Einheitlichkeit?<br />

BETTENHAUSEN UND WESTERKAMP: Wir haben zu diesem<br />

Thema bereits den oben genannten Fachausschuss eingesetzt,<br />

für den wir sehr großen Zuspruch erhalten haben.<br />

Derzeit prüfen wir, welche Begriffe tatsächlich erfor<strong>der</strong>lich<br />

sind und wie die teilweise unterschiedlichen Sichtweisen<br />

aus Informatik, <strong>Automatisierung</strong>stechnik und Produktionstechnik<br />

zueinan<strong>der</strong> passen. Parallel dazu schauen wir auf<br />

mögliche Referenzmodelle, die in diesem Kontext sinnvoll<br />

sind und dem Anwen<strong>der</strong> seine zukünftigen Aufgaben erleichtern<br />

werden. In diesem Sinne<br />

sind wir ganz unseren Mitglie<strong>der</strong>n<br />

verpflichtet, die für Ihren betrieblichen<br />

Alltag in den meisten Fällen<br />

ganz pragmatische Unterstützung<br />

und keine Hochglanzfolien und<br />

Presseinformationen erwarten –<br />

und dies zu recht.<br />

BETTENHAUSEN UND WESTERKAMP: Das Thema <strong>der</strong> industriellen<br />

Kommunikation und Informationsverarbeitung<br />

ist in <strong>der</strong> Automation schon lange etabliert. Seit Mitte <strong>der</strong><br />

90er Jahre gibt es erste Internetanwendungen. Somit ist<br />

es nicht wirklich neu, in <strong>der</strong> Automation über Vernetzung<br />

und damit verbundene neue Dienstleistungen zu sprechen.<br />

Methoden und Technologien <strong>der</strong> IT einsatzfähig zu machen<br />

für den harten industriellen Einsatz ist und bleibt Aufgabe<br />

<strong>der</strong> Automation – das ist für uns nichts Neues und vergleichbar<br />

mit den Anfängen <strong>der</strong> Automation und Regelungstechnik,<br />

als unsere Vorgänger Methoden <strong>der</strong> Mathematik<br />

und beispielsweise <strong>der</strong> mathematisch-physikalischen<br />

Modellbildung einsatztauglich gemacht haben.<br />

Das Neue daran ist, dass wir unter <strong>der</strong> Überschrift „Industrie<br />

4.0“ Rückenwind von <strong>der</strong> Bundesregierung bekommen<br />

haben. Noch nie stand das Fachgebiet <strong>der</strong> Automation<br />

so positiv und erwartungsbehaftet im Fokus von<br />

Politik und Öffentlichkeit. An dieser Situation haben die<br />

Informatik und die Informationstechnik maßgeblichen<br />

„Das Neue an ´Industrie 4.0´ ist die Unterstützung<br />

<strong>der</strong> Bundesregierung. Noch nie stand das,<br />

was Automatisierer tun, so positiv und erwartungsbehaftet<br />

im Fokus <strong>der</strong> Öffentlichkeit.“<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong>: Bei den Themen Industrie<br />

4.0 und cyber-physische<br />

Systeme ist – wie <strong>der</strong> Titel <strong>der</strong> Podiumsdiskussion zum Abschluss<br />

des ersten Tages des GMA-Kongresses andeutet –<br />

die Frage Hype o<strong>der</strong> Zukunft noch nicht geklärt; sicher<br />

scheint lediglich zu sein, dass sich die Themen ausgewählter<br />

Bereiche <strong>der</strong> Automation und <strong>der</strong> Informatik noch enger<br />

verzahnen werden. Erlauben Sie uns zum Abschluss des<br />

Gesprächs einen Ausblick: Wie stellt sich die GMA darauf<br />

ein, wie wollen Sie diese voraussichtlich einschneidenden<br />

Verän<strong>der</strong>ungen <strong>der</strong> Kernkompetenz von Automation begleiten<br />

und gestalten? Welche weiteren lokalen o<strong>der</strong> globalen<br />

Treiber und Verän<strong>der</strong>ungen sehen Sie auf uns zukommen?<br />

Einfluss – das müssen wir eingestehen. Aber auch wir<br />

haben mit unserem Thesenpapier „Automation 2020“,<br />

welches wir bereits 2009 veröffentlichten, dazu beigetragen.<br />

Deutschland ist in Produktion und Automation anerkanntermaßen<br />

international erstklassig. Diese Stellung<br />

auszubauen und die Fachgebiete aktiv voranzutreiben, ist<br />

und bleibt unsere Aufgabe.<br />

Das Interview führten Prof. Leon Urbas und Anne Hütter.<br />

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

6 / 2013<br />

15

PRAXIS<br />

Diagnosefähigkeit bis ins Feldbusgerät sichert<br />

lückenlose Transparenz und hohe Verfügbarkeit<br />

Neue Technologie erlaubt es, Störungen frühzeitig zu erkennen o<strong>der</strong> gänzlich zu vermeiden<br />

KURZSCHLUSS, BLITZ-<br />

SCHLAG, das Eindringen<br />

von Feuchtigkeit in Verteiler<br />

o<strong>der</strong> Kontaktprellen sind<br />

Fehlerszenarien die im<br />

täglichen Betrieb vorkommen.<br />

Um solch spezifische<br />

Fehler von vorneherein<br />

auszuschließen gilt es, die<br />

Diagnosefähigkeit bis ins<br />

Feldgerät zu bringen.<br />

SEGMENT<br />

PROTECTOREN<br />

wie in diesem<br />

Feldbus verteiler<br />

erkennen und<br />

isolieren Störungen<br />

schnell und<br />

zuverlässig.<br />

Bil<strong>der</strong>: Pepperl+Fuchs<br />

MIT DER ÜBERWACHUNG<br />

des Leittechnikschranks<br />

konnte eine Sicherheitslücke<br />

geschlossen werden. Hier<br />

ein Diagnosegateway mit<br />

Eingängen und Ausgängen<br />

zur Schranküberwachung.<br />

So zuverlässig Feldbusinstallationen auch sind – es<br />

gibt einige typische Fehlerszenarien, die im täglichen<br />

Betrieb vorkommen. Um die Verfügbarkeit von Prozessanlagen<br />

noch weiter zu erhöhen, ist es notwendig, solch<br />

spezifische Fehler von vorneherein auszuschließen. Die<br />

Diagnosefähigkeit bis ins Feldgerät zu bringen und so für<br />

eine lückenlos transparente Feldbusinfrastruktur zu sorgen,<br />

ist dabei das Mittel <strong>der</strong> Wahl.<br />

Zu den Fehlerszenarien, die bei Feldbusinstallationen<br />

typischerweise auftreten können, gehören Kurzschluss,<br />

Blitzschlag, das Eindringen von Feuchtigkeit in Verteiler<br />

o<strong>der</strong> Kontaktprellen. Um solche Störungen noch konsequenter<br />

zu verhin<strong>der</strong>n hat Pepperl+Fuchs jede dieser<br />

Fehlerarten im langjährigen, intensiven Austausch mit<br />

den Anwen<strong>der</strong>n studiert. Dieses fundierte Know-how<br />

bildete die Basis für die <strong>Entwicklung</strong> einer neuen intelligenten<br />

Diagnose-Technologie. Sie erlaubt es, Störungen<br />

frühzeitig zu erkennen und zu isolieren o<strong>der</strong> im Idealfall<br />

gänzlich zu vermeiden.<br />

GATEWAY ÜBERWACHT LEITTECHNIKSCHRANK<br />

Den Leittechnikschrank selbst zu überwachen, ist eine<br />

<strong>der</strong> Maßnahmen die Pepperl+Fuchs dabei umsetzte. Damit<br />

konnte eine Sicherheitslücke, die bislang noch bestand,<br />

geschlossen werden. Hierfür wurde ein neues<br />

Gateway entwickelt, das über eine I/O-Funktion verfügt,<br />

die es ermöglicht, den Leittechnikschrank zu überwachen.<br />

Ein flexibel zu konfigurieren<strong>der</strong> Funktionsblock<br />

bietet Eingänge für Frequenz-, Temperatur-, Luftfeuchtigkeit-<br />

sowie Namur-Sensoren und Türkontakte. Auch<br />

zwei Leistungsrelais, beispielsweise zur Ansteuerung<br />

von Klimageräten, sind vorhanden. Auf diese Weise wird<br />

<strong>der</strong> Schaltschrank zu einem durchgängig überwachten<br />

Bereich und mögliche Störungen können schnell erkannt<br />

und isoliert werden.<br />

FEHLER WERDEN AN SIGNALDYNAMIK ERKANNT<br />

Um auch Fehler durch Überlasten und Kurzschlüsse<br />

noch konsequenter zu verhin<strong>der</strong>n, ist Diagnose-Techno-<br />

16<br />

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

6 / 2013

logie notwendig, die weit über die Möglichkeiten des<br />

bisher üblichen statischen, linearen Kurzschlussschutzes<br />

hinausgeht. Werden zum Beispiel Impulse durch lose<br />

Kontakte und vibrierende Anlagen ausgelöst, haben diese<br />

Signale eine spezielle Dynamik. Eine Tatsache, die<br />

sich Pepperl+Fuchs zunutze machte, indem man Segment<br />

Protectoren entwickelte, die diese Dynamik erkennen.<br />

So können Störungen schnell und zuverlässig identifiziert<br />

und isoliert werden. Die Fehlerquelle wird ausgeschaltet,<br />

bevor sich eine Störung auf an<strong>der</strong>e Bereiche<br />

ausweitet und weitere Feldgeräte stillgelegt werden o<strong>der</strong><br />

die Anlage in den sicheren Zustand fährt.<br />

Auch Kontaktprellen, wie es durch das Anschließen und<br />

Lösen von Verbindungen bei Wartungsarbeiten hervorgerufen<br />

wird, kann mit dieser Diagnose-Technologie zuverlässig<br />

erkannt und isoliert werden. Selbst schwer aufzuspürende<br />

temporäre Fehler, wie nachlassende Signalpegel<br />

bei eindringendem Regenwasser, werden ohne Probleme<br />

identifiziert. Um darüber hinaus selbst kleinste Verän<strong>der</strong>ungen<br />

<strong>der</strong> Feuchtigkeit schnell und zuverlässig zu erfassen,<br />

bevor sie für Störungen sorgen können, werden intelligente<br />

Leckagesensoren eingesetzt. Eine kompakte Bauform<br />

ermöglicht hier, dass die Geräte nicht nur an Feldinstrumente<br />

angeschlossen werden, son<strong>der</strong>n sich problemlos<br />

in enge Verteilerkästen einfügen. Das gewährleistet ein<br />

Höchstmaß an Transparenz für die Feldbusinstallation.<br />

BLITZSCHUTZ ÜBERWACHT SICH SELBST<br />

Blitzschutz für Feldbusinstallationen ist natürlich kein<br />

neues Thema. Ein entscheiden<strong>der</strong> Schritt im Sinne höherer<br />

Verfügbarkeit ist aber ein Blitzschutz, <strong>der</strong> meldet,<br />

wenn er verbraucht ist. Genau das hat Pepperl+Fuchs jetzt<br />

mit neuer Technologie realisiert. Surge Protectoren bieten<br />

damit nicht nur Schutz vor Blitzschlag und Spannungsspitzen,<br />

sie geben auch Alarm, wenn die Funktionsreserve<br />

erschöpft ist. Hierfür misst die automatische Selbstüberwachung<br />

die Zahl und Stärke von Stromstößen und<br />

berechnet exakt, wann <strong>der</strong> Blitzschutz verbraucht ist.<br />

Während zum Beispiel ein einziger heftiger Impuls von<br />

20 Kiloampere einen sofortigen Austausch erfor<strong>der</strong>lich<br />

macht, ist die Funktionsreserve erst nach rund 1 000<br />

leichten Stromstößen von 3 Kiloampere erschöpft. Bei<br />

verbrauchtem Blitzschutz, wird <strong>der</strong> notwendige Austausch<br />

angezeigt und die Diagnose-Software verrät genau,<br />

wo innerhalb <strong>der</strong> Prozessanlage ein Gerät ersetzt werden<br />

muss. Zeitaufwendige und kostenintensive manuelle<br />

Überprüfungen gehören damit <strong>der</strong> Vergangenheit an.<br />

Die Leistungsfähigkeit des Blitzschutzes kann aber auch<br />

durch eine Vielzahl kleinerer Stromstöße nachlassen. Das<br />

Gerät entwickelt einen Leckagestrom bevor es endgültig<br />

versagt. Dies wie<strong>der</strong>um wirkt sich auf die Lastverhältnisse<br />

des Feldbussegmentes aus und kann zu Überlast führen.<br />

Um diesen Effekt zu vermeiden und unerwünschten<br />

Zwischenfällen vorzubeugen hat Pepperl+Fuchs neue<br />

Features entwickelt, die jede qualitative Verän<strong>der</strong>ung des<br />

Blitzschutzes überwachen und melden. Die vorhandene<br />

Feldbusinfrastruktur wird dabei genutzt, um die Informationen<br />

an den Leitstand weiterzuleiten.<br />

DIAGNOSEFÄHIGKEIT HÄLT EINZUG INS FELD<br />

Durch intelligente Komponenten hält die Diagnosefähigkeit<br />

Einzug ins Feld und ermöglicht so eine lückenlose<br />

Fehlererkennung. Dank vielfältiger neuer Diagnosefunktionen<br />

können Störungen <strong>der</strong> Feldbusinstallation fast<br />

vollständig ausgeschlossen werden und die Zuverlässigkeit<br />

wird weiter erhöht. Alle Informationen werden dabei<br />

über die reguläre Feldbuskommunikation übertragen,<br />

ohne dass Mehraufwand entsteht.<br />

Die intelligenten Field-Connex-Advanced-Diagnostics-<br />

Komponenten von Pepperl+Fuchs zeichnen sich vor allem<br />

durch folgende Eigenschaften aus. Das Herzstück<br />

<strong>der</strong> neuen Technologie bildet das von Pepperl+Fuchs<br />

entwickelte Advanced Diagnostic Gateway. Es agiert als<br />

Schnittstelle zwischen den Advanced-Diagnostic-Modulen<br />

und dem Leitstand. Es reagiert schnell und zuverlässig<br />

auf jeden Fehler.<br />

PROGRESSIVER KURZSCHLUSSSCHUTZ<br />

Der diagnosefähige Segment Protector bietet progressiven<br />

Kurzschlussschutz mit einer exzellenten Fehlerisolierung.<br />

Die intelligente Diagnosefunktion spürt Störungen wie<br />

etwa Kontaktprellen an Spurs auf, erkennt und isoliert sie.<br />

Der Diagnose-Überspannungsschutz bietet Blitzschutz mit<br />

Selbstüberwachung. Er schützt Feldbus und Feldgeräte vor<br />

Blitzschlag o<strong>der</strong> Spannungsspitzen und gibt Alarm, wenn<br />

seine Funktionsreserve erschöpft ist. Der intelligente Leckagesensor<br />

kann sowohl an Feldinstrumente als auch in<br />

Verteilerkästen angeschlossen werden und erfasst schnell<br />

und zuverlässig kleinste Verän<strong>der</strong>ung <strong>der</strong> Feuchtigkeit.<br />

Alle neuen Komponenten sind für die Bussysteme<br />

Foundation Fieldbus H1 und Profibus PA geeignet. Dank<br />

intelligenter Installation ist die neue Technologie verblüffend<br />

einfach zu realisieren. Die Komponenten werden<br />

lediglich angeschlossen und laufen ohne weitere<br />

Konfiguration – ohne Feldbusadresse o<strong>der</strong> Einbindung<br />

in die Leittechnik. Die Diagnose kann einfach, schnell<br />

und wirtschaftlich in Betrieb genommen werden.<br />

AUTOR<br />

ANDREAS HENNECKE<br />

ist Produktmarketingmanager<br />

im Geschäftsbereich<br />

Prozessautomation<br />

bei Pepperl+Fuchs.<br />

Pepperl+Fuchs GmbH,<br />

Lilienthalstraße 200, D-68307 Mannheim,<br />

Tel. +49 (0) 621 776 16 01,<br />

E-Mail: ahennecke@de.pepperl-fuchs.com<br />

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

6 / 2013<br />

17

PRAXIS<br />

Netzwerkmonitoring behält die fast unendlichen<br />

Kommunikationsmöglichkeiten unter Kontrolle<br />

Die vielfältigen Optionen von Profinet erfor<strong>der</strong>n fundierte Überwachung, um Gefahren zu vermeiden<br />

Die Qualität <strong>der</strong> Kommunikation in einem Netzwerk<br />

zeigt sich nicht daran, ob die Anlage funktioniert<br />

o<strong>der</strong> nicht. Erfahrungen aus <strong>der</strong> Vielzahl <strong>der</strong> Feldbusanwendungen<br />

und <strong>der</strong> IT-Welt zeigen eindeutig, dass eine<br />

Netzwerküberwachung unerlässlich ist, um eventuellen<br />

Störungen vorzubeugen. Genauso wichtig ist es aber<br />

auch, die jeweils aktuelle Netzwerktopologie zu kennen,<br />

um beispielsweise nach einer Störung den Verursacher<br />

schnell auszumachen. Die Funktionsanalyse sollte deshalb<br />

mit einem Condition-Monitoring kombiniert werden.<br />

Ganz beson<strong>der</strong>s gilt dies für Profinet, das mit seinen<br />

fast uneingeschränkten Kommunikationsmöglichkeiten<br />

auch Gefahren mit sich bringt.<br />

Profinet etabliert sich <strong>der</strong>zeit immer mehr als Kommunikationsstandard<br />

für Industrial-Ethernet-Anwendungen.<br />

Die Vorteile liegen auf <strong>der</strong> Hand: Angefangen von<br />

<strong>der</strong> Tatsache, dass sich alle Netzwerkstrukturen wie<br />

Ring, Stern, Linie o<strong>der</strong> Netz realisieren lassen, bis hin<br />

zur sinkenden Störempfindlichkeit durch Punkt-zu-<br />

Punkt-Verdrahtung überzeugt Profinet als offener, herstellerneutraler,<br />

international genormter Busstandard<br />

und kann auf eine ständig steigende Nutzerakzeptanz<br />

verweisen. Er gilt als die ideale Ergänzung zur PC-basierten<br />

<strong>Automatisierung</strong>stechnik und ermöglicht eine<br />

einfache, vertikale Integration von <strong>der</strong> Feldebene bis hin<br />

zur Unternehmensebene. Doch sollte man nicht allzu<br />

arglos an dieses Thema herangehen.<br />

KLARE INDIKATOREN FÜR DEN NETZZUSTAND<br />

Denn Bussysteme sind die Hauptschlaga<strong>der</strong>n <strong>der</strong> <strong>Automatisierung</strong>stechnik.<br />

Ihre Zuverlässigkeit wird jedoch<br />

selten hinterfragt und eigentlich sollte man aus den Erfahrungen<br />

mit dem Profibus lernen. Hier hat sich schließlich<br />

gezeigt, dass die reine Netzwerkfunktion noch längst<br />

keine Aussage über die Qualität einer Kommunikation<br />

macht. Das gilt eben genauso für Profinet. Allerdings sehen<br />

sich hier die Betreiber aufgrund <strong>der</strong>zeit noch ausstehen<strong>der</strong><br />

schlechter Erfahrungen noch nicht in Zugzwang.<br />

Die Betonung liegt hier allerdings auf „noch“ und es wird<br />

vermutlich nur eine Frage <strong>der</strong> Zeit sein, bis sich entsprechende<br />

Diagnosewerkzeuge durchsetzen werden.<br />

Dabei haben sich in <strong>der</strong> Messpraxis von Indu-Sol für<br />

Profinet mittlerweile messbare Netzzustandsgrößen herauskristallisiert,<br />

die sich als allgemeingültige Qualitätskriterien<br />

in <strong>der</strong> Profinet-Kommunikation durchsetzen<br />

könnten. Dazu gehören beispielsweise <strong>der</strong> Telegramm-Jitter,<br />

die Bus-Last und das Lastverhältnis, etwa<br />

das Verhältnis von Profinet zu TCP/IP.<br />

Gleichzeitig ist aber noch ein an<strong>der</strong>er Ansatz <strong>der</strong> Kommunikationskontrolle<br />

wichtig: Im Gegensatz zu Profibus<br />

ermöglicht Profinet prinzipiell einen weltweiten Fernzugriff,<br />

was neben den Vorzügen lei<strong>der</strong> auch Gefahren birgt.<br />

Somit sollte, im Sinne des Security-Gedankens, die Basisanfor<strong>der</strong>ung<br />

sein zu wissen: Wer hat wann, wo und weshalb<br />

auf das Netzwerk zugegriffen und dadurch möglicherweise<br />

die Kommunikation beeinträchtigt o<strong>der</strong> ein Problem<br />

verursacht? Dieser in <strong>der</strong> Office-Welt bereits etablierte Sicherheitsgedanke<br />

muss auch für die <strong>Automatisierung</strong>stechnik<br />

als Maßstab gelten. Welche IP-Adressen zu einem bestimmten<br />

Zeitpunkt aktiv waren, sollte sich in jedem Profinet-Verbund<br />

zu jedem Zeitpunkt eindeutig klären lassen.<br />

DIE NETZWERKTOPOLOGIE REGELMÄSSIG SCANNEN<br />

Voraussetzung dafür ist ein aktueller Topologieplan, <strong>der</strong><br />

nicht nur die IP-Adressen zeigt, son<strong>der</strong>n auch die aktuellen<br />

Portbelegungen, Gerätenamen sowie Software- und<br />

Hardwarestände. Das heißt, man sollte das Netzwerk in<br />

regelmäßigen Zeitintervallen scannen. In <strong>der</strong> Automobilindustrie<br />

ist ein solches Vorgehen bereits auf großes<br />

Interesse gestoßen. Mit <strong>der</strong> Software Promanage hat Indu-Sol<br />

für diese systembeschreibende Analyse ein leistungsfähiges<br />

Werkzeug entwickelt, das als zentrale Software<br />

einschließlich Datenbank zur Kontrolle des gesamten<br />

Ethernet-Datenverkehrs entwickelt wurde.<br />

Proscan beispielsweise, ein eigenständiges Modul dieser<br />

Netzwerkmanagementsoftware, lässt sich als schlankes<br />

Werkzeug auch ohne Datenbanken nutzen und ermöglicht<br />

die automatische Erstellung von übersichtlichen Netzwerk-<br />

Topologien. Bei stetig steigen<strong>der</strong> Ethernet-Vernetzung im<br />

industriellen Umfeld ist es dadurch ein unersetzliches<br />

Hilfsmittel für Einrichtung und Inbetriebnahme.<br />

TRANSPARENZ BIS ZUR LETZTEN IP-ADRESSE<br />

Unabhängig vom Hersteller und Gerätetyp <strong>der</strong> eingesetzten<br />

Komponenten können Netzwerkstrukturen erfasst,<br />

grafisch dargestellt und die bestehenden Verbindungswege<br />

deutlich gemacht werden. Beispielsweise lässt sich<br />

<strong>der</strong> aktuelle Topologieplan ausdrucken und in die Innentür<br />

des Schaltschranks heften.<br />

Dabei leistet Proscan weit mehr als die üblichen Engineering-Tools:<br />

Installiert auf dem Bedienterminal einer<br />

Maschine scannt es alle Komponenten bis in die unterste<br />

Ebene. Unabhängig von Hersteller und Gerätetyp <strong>der</strong><br />

eingesetzten Netzwerkkomponenten wird über Eingabe<br />

eines IP-Adressbereichs <strong>der</strong> Netzwerkscan gestartet. Dadurch<br />

lassen sich je<strong>der</strong>zeit die realen Verdrahtungsstrukturen<br />

unter Angabe <strong>der</strong> aktuellen IP-Adresse, die<br />

Portbelegung, die Geräteeigenschaften, Hard- und Softwarestände<br />

und jede Än<strong>der</strong>ung bei Netzwerkverbindungen<br />

und Komponenten zuverlässig erkennen. Die ermittelten<br />

Daten werden über eine webbasierte Oberfläche<br />

mit einem Internet-Browser grafisch dargestellt. Es muss<br />

also keine weitere Software für die Visualisierung <strong>der</strong><br />

Netzwerkdaten installiert werden.<br />

LLDP-AGENT INFORMIERT DIE NACHBARN<br />

Die einzige Voraussetzung für diesen Blick bis in den<br />

letzten Maschinenwinkel ist die LLDP-Funktionalität <strong>der</strong><br />

einzelnen Komponenten, und diese ist heute immer häufiger<br />

vorhanden. Das herstellerunabhängige Link Layer<br />

Discovery Protocol ist ein Layer-2-Protokoll, das die Möglichkeit<br />

bietet, Informationen zwischen Nachbargeräten<br />

auszutauschen. Auf jedem Gerät, das LLDP unterstützt,<br />

arbeitet eine kleine Softwarekomponente, <strong>der</strong> so genannte<br />

LLDP-Agent, <strong>der</strong> in periodischen Abständen Informationen<br />

über sich selbst versendet und ständig Informati-<br />

18<br />

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

6 / 2013

AUCH BEI DIESER AUTOMATISCHEN PRODUKTIONSLINIE, auf<br />

<strong>der</strong> Komponenten für die Automobilindustrie gefertigt werden, ist<br />

es notwendig, die Netzwerkqualität zu kennen, um ungeplante<br />

Stillstandszeiten zu vermeiden. Bild: Voestalpine<br />

IN DER MESSPRAXIS VON INDU-SOL haben sich für<br />

Profinet drei Qualitätskriterien heraus kristallisiert:<br />

<strong>der</strong> Telegramm-Jitter, das Last verhältnis und die<br />

allgemeine Bus-Last. Bil<strong>der</strong>: Indu-Sol<br />

PROSCAN<br />

ermöglicht die<br />

Darstellung <strong>der</strong><br />

Portbelegung,<br />

die deutlich macht,<br />

welches Gerät<br />

mit welchem Port<br />

verbunden ist.<br />

DER IM BÜRO-NETZ bereits etablierte Sicherheitsgedanke,<br />

Kenntnis über das Netzwerk zu haben, muss auch für die<br />

<strong>Automatisierung</strong>stechnik gelten.<br />

DER ALS INTELLIGENTE<br />

MESSSTELLE entwickelte<br />

Profinet-Inspektor erfüllt<br />

sowohl die Auf gaben eines<br />

Mess- und Analysewerkzeugs<br />

zur Inbetriebnahme<br />

als auch die Anfor<strong>der</strong>ungen<br />

einer permanenten<br />

Netzwerküberwachung.<br />

onen von Nachbargeräten empfängt. Dies geschieht völlig<br />

unabhängig voneinan<strong>der</strong>. Deshalb wird das LLDP als<br />

Ein-Weg-Protokoll bezeichnet, das keine Kommunikation<br />

zu an<strong>der</strong>en Geräten aufbaut. Jede Komponente weiß dadurch,<br />

wer aktuell ihr Nachbar ist. Die Mapping-Software<br />

führt diese Informationen dann im Topologieplan zusammen.<br />

Da die Topologie in regelmäßigen Zeitabständen<br />

gescannt wird, kann man sich bei einem Fehler den zu<br />

diesem Zeitpunkt aktuellen Zustand anzeigen lassen.<br />

FUNKTIONSÜBERWACHUNG NICHT VERNACHLÄSSIGEN<br />

Damit lässt sich mit einfachen Mitteln die Kenntnis des<br />

Kommunikationsverbunds verbessern und zumindest<br />

<strong>der</strong> Security-Gedanke in <strong>der</strong> <strong>Automatisierung</strong>stechnik<br />

umsetzen. Letztendlich wird aber wohl kein Profinet-<br />

Betreiber darum herumkommen, auch die eingangs bereits<br />

angesprochene Funktionsüberwachung zu nutzen,<br />

um die aktuelle Netzwerkqualität zu kennen und Störungen<br />

möglichst im Vorfeld vermeiden zu können. Hierfür<br />

hat Indu-Sol den Profinet-Inspektor entwickelt. Das<br />

Diagnosetool ist ein stiller Beobachter in Ethernet- und<br />

Profinet-Netzwerken, das zu Ereignissen im Netzwerk<br />

punktgenau einen Snapshot anlegt, etwa zu Auslastung,<br />

Geschwindigkeit, Datendurchsatz, Telegramm-Jitter, Telegrammwie<strong>der</strong>holungen,<br />

Fehltelegrammen, Gerätediagnosen<br />

und Geräteausfällen sowie Aussagen über die<br />

Netzwerkqualität ermöglicht.<br />

AUTOR<br />

KARL-HEINZ RICHTER ist<br />

Geschäftsführer für Marketing & Vertrieb<br />

<strong>der</strong> Indu-Sol GmbH.<br />

Indu-Sol GmbH,<br />

Blumenstraße 3, D-04626 Schmölln,<br />

Tel. (0) 34491 581 80,<br />

E-Mail: info@indu-sol.com<br />

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

6 / 2013<br />

19

PRAXIS<br />

Multiple Input Multiple Output: Antennentechnik<br />

steigert Leistung und Stabilität bei WLAN<br />

Standard IEEE 802.11n nutzt metallische Reflexionen im Industrieumfeld zur Optimierung<br />

Bislang hatte WLAN in <strong>der</strong> Industrie nicht immer den<br />

besten Ruf in puncto Stabilität und Zuverlässigkeit.<br />

Die im Herbst 2009 verabschiedete WLAN-Norm IEEE<br />

802.11n verspricht aber eine deutliche Verbesserung <strong>der</strong><br />

Funkübertragung. WLAN-Systeme nach IEEE 802.11n<br />

verwenden die bislang als Manko identifizierte Störanfälligkeit<br />

gegenüber Reflexionen und Mehrwegeausbreitung<br />

nun gezielt zur Steigerung von Leistung und Stabilität<br />

<strong>der</strong> Kommunikation.<br />

Die WLAN-Lösungen gemäß IEEE 802.11a, b o<strong>der</strong> g<br />

sind in den industrietypischen metallischen Umgebungen<br />

teilweise durch Interferenzen aufgrund <strong>der</strong> vielen<br />

Reflexionen sowie <strong>der</strong> damit verbundenen Mehrwege-<br />

Ausbreitung gekennzeichnet. Daraus resultieren eine<br />

Instabilität sowie Leistungseinbrüche bei <strong>der</strong> drahtlosen<br />

Kommunikation. Vor diesem Hintergrund umfasst <strong>der</strong><br />

High-Speed-WLAN-Standard IEEE 802.11n zahlreiche<br />

neue Funktionen und Optimierungen, die eine höhere<br />

Datenrate von mehreren 100 MBit/s sowie größere Reichweite<br />

und Zuverlässigkeit sicherstellen sollen. Das wichtigste<br />

Merkmal <strong>der</strong> IEEE 802.11n ist die Mimo-Antennentechnologie<br />

(Multiple Input Multiple Output). Sie nutzt<br />

bis zu drei aktive Antennen gleichzeitig, um mehrere<br />

Datenströme parallel weiterzuleiten.<br />

REFLEXIONEN WERDEN GEZIELT GENUTZT<br />

Die bisher gemäß IEEE 802.11a/b/g umgesetzten Lösungen<br />

weisen häufig bereits zwei Antennen auf, verwenden<br />

jedoch nur eine Antenne aktiv, über die <strong>der</strong> Datenstrom<br />

gesendet werden kann. Die zweite Antenne wird für die<br />

Antennen-Diversity eingesetzt. Das bedeutet, dass <strong>der</strong><br />

Access Point die Antenne wechseln kann, was die Folgen<br />

<strong>der</strong> Mehrwegeausbreitung abschwächt und zu einem<br />

besseren Signalempfang führt. Im Gegensatz dazu nutzt<br />

die Mimo-Technik die im Raum auftretenden Reflexionen<br />

und somit die Mehrwegeausbreitung gezielt. Auf<br />

diese Weise lassen sich mehrere Datenströme parallel<br />

über verschiedene Wege an den Empfänger übertragen.<br />

Im Empfänger werden die auf unterschiedlichen Routen<br />

eintreffenden Signale dann durch komplexe Algorithmen<br />

wie<strong>der</strong> kombiniert. Für jeden Datenstrom ist je eine<br />

Antenne am Sen<strong>der</strong> und Empfänger notwendig. Verfügen<br />

<strong>der</strong> Access Point und <strong>der</strong> WLAN Client also über je drei<br />

aktive Sende- und Empfangsantennen, können bis zu<br />

drei Datenströme gleichzeitig ausgetauscht werden, sodass<br />

sich <strong>der</strong> Datendurchsatz verdreifacht. Neben <strong>der</strong><br />

Mimo-Technologie sind viele weitere Verbesserungen in<br />

den WLAN-Standard IEEE 802.11n eingeflossen, die insbeson<strong>der</strong>e<br />

die Effizienz und Datenrate erhöhen.<br />

DATENRATEN BIS 300 MBIT/S BRUTTO<br />

Der neue industrielle Access Point und Client WLAN 5100<br />

von Phoenix Contact unterstützt daher zusätzlich zu den<br />

bewährten Standards IEEE 802.11a/b/g auch die neue Version<br />

802.11n mit Mimo-Technologie. Dazu bietet das Gerät<br />

eine 3x3:2-Mimo-Technik mit optimierter Signalverarbeitung<br />

und eine hohe Sendeleistung bis +23 dBm, was die<br />

Zuverlässigkeit und Stabilität <strong>der</strong> Datenübertragung weiter<br />

verbessert. 3x3:2 heißt, dass drei aktive Sende- und<br />

Empfangsantennen sowie zwei Datenströme verfügbar<br />

sind. Die beiden Datenströme ermöglichen in Kombination<br />

mit an<strong>der</strong>en Funktionen wie dem Channel Bonding<br />

eine Datenrate bis 300 MBit/s brutto und fast 100 MBit/s<br />

netto. Die WLAN-Kommunikation ist folglich genauso<br />

schnell wie die Übertragung über industrielle Fast-Ethernet-Netzwerke.<br />

Der WLAN 5100 umfasst eine aktive Sende-<br />

und Empfangsantenne mehr, als für die zwei Datenströme<br />

erfor<strong>der</strong>lich sind. Statt zur Steigerung <strong>der</strong> Datenrate<br />

wird die dritte aktive Antenne für die weitere Erhöhung<br />

<strong>der</strong> Stabilität und Zuverlässigkeit eingesetzt. So lässt<br />

sich selbst unter kritischen Umgebungsbedingungen eine<br />

echtzeitfähige und robuste Kommunikation realisieren.<br />

VORTEILE AUCH IN 802.11A/B/G-NETZWERKEN<br />

Die Nutzung mehrerer Sende- und Empfangsantennen<br />

erhöht allerdings nicht nur in reinen IEEE802.11n-Systemen<br />

die Ausfallsicherheit und Robustheit <strong>der</strong> WLAN-<br />

Übertragung; auch ältere WLAN Clients profitieren von<br />

einem Netzwerk auf Basis des neuen Standards. Durch<br />

die abwärtskompatiblen Mimo-Funktionen MRC (Maximal<br />

Ration Combining) und CSD (Cyclic Shift Diversity)<br />

erzielen WLAN-Clients, die nach dem alten Standard<br />

802.11a/g arbeiten, ebenfalls eine bessere Funkabdeckung<br />

und einen höheren Datendurchsatz. Auf diese Weise werden<br />

in den Fabrikhallen starke Signalschwankungen<br />

durch „Funklöcher“ vermieden und die Zuverlässigkeit<br />

wächst. CSD ist eine Sendefunktion, bei <strong>der</strong> <strong>der</strong> Datenstrom<br />

auf mehrere Antennen gemappt ausgesendet wird.<br />

Die Empfängerfunktion MCR kombiniert die Mimo-Signalpfade<br />

optimal und gleicht die empfangenen Signale<br />

zur Verbesserung <strong>der</strong> Link-Zuverlässigkeit ab.<br />

STABILITÄT UND DATENRATE DEUTLICH GESTEIGERT<br />

Werden Daten mit mobilen Steuerungen ausgetauscht,<br />

wie dies beispielsweise in autonomen Transport-Shuttles<br />

<strong>der</strong> Fall ist, muss keine hohe Datenrate von mehr als<br />

65 MBit/s vorliegen. In <strong>der</strong>artigen Applikationen sind<br />

vielmehr ein geringer Platzbedarf sowie die hohe Zuverlässigkeit<br />

und Stabilität <strong>der</strong> Kommunikation bei niedrigen<br />

Kosten entscheidend. Die Mimo-Funktion STBC<br />

(Space-Time Block Coding) setzt diese Anfor<strong>der</strong>ungen<br />

mit nur einer Antenne am WLAN-Client um. Dazu sendet<br />

<strong>der</strong> Access Point die Daten redundant über mehrere<br />

Antennen sowie unterschiedlich codiert aus. Durch den<br />

Vergleich <strong>der</strong> ankommenden Datenströme kann <strong>der</strong> Empfänger<br />

den ursprünglichen Datenstrom auch bei Störungen<br />

und Verzerrungen meist wie<strong>der</strong>herstellen. Das beschriebene<br />

Verfahren bildet die Grundlage zur Realisierung<br />

kompakter und kostengünstiger WLAN-802.11n-<br />

Clients wie dem industriellen WLAN Adapter FL WLAN<br />

EPA von Phoenix Contact, in den eine zirkular polarisierte<br />

Spezialantenne integriert ist.<br />

Praktische Erfahrungen mit den gemäß dem neuen<br />

Standard IEEE 802.11n entwickelten Access Point WLAN<br />

5100 und dem WLAN Client Adapter FL WLAN EPA zeigen<br />

eine deutliche Steigerung <strong>der</strong> Stabilität und Datenra-<br />

20<br />

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

6 / 2013

WLAN 802.11A/G sendet und<br />

empfängt über eine Antenne nur<br />

einen Datenstrom; Reflexionen<br />

können zu starken Signalschwankungen<br />

beim Empfänger führen.<br />

WIRELESS-LAN-<br />

NETZWERKE werden in<br />

<strong>der</strong> <strong>Automatisierung</strong> oft<br />

zur Kommunikation mit<br />

mobilen und bewegten<br />

Systemen eingesetzt.<br />

DER NEUE STANDARD WLAN<br />

802.11N sendet und empfängt<br />

mehrere parallele Datenströme,<br />

wofür die Reflexionen im Raum<br />

gezielt genutzt werden.<br />

DURCH DIE UNTERSTÜTZUNG<br />

<strong>der</strong> IEEE-Norm 802.11n und die<br />

Integration einer Spezialantenne<br />

ermöglicht <strong>der</strong> kompakte WLAN-<br />

Ethernet-Adapter zuverlässige<br />

Funkverbindungen in<br />

industrieller Umgebung.<br />

WLAN 802.11N erreicht einen fünffach höheren Datendurchsatz<br />

als <strong>der</strong> bisherige Standard 802.11a/g.<br />

te unter typischen Industriebedingungen. Im Vergleich<br />

zur bisherigen WLAN-Technik nach IEEE 802.11a/b/g<br />

werden in gleicher Umgebung eine homogenere Funkausleuchtung<br />

und ein höherer Datendurchsatz erzielt. Funklöcher,<br />

die aus Abschattungen resultieren können und zu<br />

erheblichen Leistungseinbußen führen, treten wesentlich<br />

seltener auf und lassen sich oft sogar ganz vermeiden.<br />

Außerdem vergrößert sich <strong>der</strong> praktisch nutzbare Funkbereich,<br />

in dem eine ausreichende Verbindungsqualität<br />

und Datenrate erreicht werden kann. Daher werden häufig<br />

weniger Access Points gemäß IEEE 802.11n zur Funkausleuchtung<br />

einer Fabrikhalle benötigt.<br />

Die Datenrate in IEEE 802.11n-Netzwerken lässt sich<br />

durch die optionale Bündelung von zwei Übertragungskanälen<br />

(Channel Bonding) auf 300 MBit/s erhöhen. Die<br />

Praxis belegt jedoch, dass dies nur im 5 GHz-Frequenzband<br />

sinnvoll umsetzbar ist. So kommt es durch die vielfache<br />

Verwendung des 2,4 GHz-Bandes bei <strong>der</strong> Bündelung<br />

von zwei WLAN-Kanälen vermehrt zu Störungen. Darüber<br />

hinaus sind die drei überlappungsfrei einsetzbaren<br />

WLAN-Kanäle oftmals bereits belegt. In Europa stehen<br />

deshalb 19 zusätzliche Kanäle im noch wenig genutzten<br />

5 GHz-Band zur Verfügung, von denen allerdings einige<br />

von Wetterradar- o<strong>der</strong> militärischen Anwendungen blockiert<br />

sein können, die Vorrang gegenüber industriellen<br />

Applikationen haben. Für hochverfügbare <strong>Automatisierung</strong>s-Anwendungen<br />

eignen sich aus diesem Grund die<br />

unteren vier Kanäle (36 bis 48) beson<strong>der</strong>s, die jedoch nur<br />

im Innenbereich von Gebäuden funken dürfen.<br />

Zusammengefasst lässt sich sagen, <strong>der</strong> WLAN-<br />

802.11n-Standard mit Mimo-Technik ist ein wichtiger<br />

Schritt für die weitere Akzeptanz von Wireless LAN<br />

sowie die Erschließung zusätzlicher Anwendungsbereiche<br />

in <strong>der</strong> industriellen <strong>Automatisierung</strong>. Mit<br />

WLAN-Systemen nach IEEE 802.11n erhält <strong>der</strong> Anwen<strong>der</strong><br />

neue Möglichkeiten, um seine Produktions- und<br />

Logistikprozesse effizienter, einfacher und wirtschaftlicher<br />

zu gestalten.<br />

AUTOR<br />

Dipl.-Ing. JÜRGEN WECZEREK<br />

ist Produktmanager Wireless<br />

Network Technology bei<br />

Phoenix Contact Electronics<br />

in Bad Pyrmont.<br />

Phoenix Contact Electronics GmbH,<br />

Dringenauer Str. 30, D-31812 Bad Pyrmont,<br />

Tel. +49 (0) 5281 94 60,<br />

E-Mail: jweczerek@phoenixcontact.com<br />

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

6 / 2013<br />

21

PRAXIS<br />

Pneumatische Doppelkolben-Schwenk-Antriebe<br />

schälen Kartoffeln mit Hochdruck<br />

Bewährt im anspruchsvollen Einsatz für die Chemie- und Lebensmittelindustrie<br />

LEBENSMITTELINDUSTRIE: Das Werk <strong>der</strong> Emsland Food GmbH steht in Wittingen.<br />

Hier werden Kartoffeln verarbeitet. Bil<strong>der</strong>: Emsland Group<br />

IN WITTINGEN wird Kartoffelgranulat<br />

hergestellt.<br />

Im Wittinger Werk <strong>der</strong> Emsland Food GmbH werden täglich<br />

550 Tonnen Kartoffeln zu Kartoffelgranulat für die<br />

Lebensmittelindustrie verarbeitet. Pneumatische Doppelkolben-Schwenkantriebe<br />

von Bormann & Neupert<br />

steuern beim Schälen die Dampfzu- und –abfuhr an den<br />

eingesetzten Dampfschälern.<br />

550 TONNEN KARTOFFELN TÄGLICH VERARBEITET<br />

Kartoffelgranulat und -flocken sind unverzichtbare<br />

Grundstoffe für eine Vielzahl von Snacks, Tiefkühlprodukten<br />

und Fertiggerichten in den Regalen <strong>der</strong> Supermärkte.<br />

Um die hohen Anfor<strong>der</strong>ungen <strong>der</strong> Endkunden<br />

erfüllen zu können, ist die Qualität dieser Basiszutaten<br />

entscheidend. Die wie<strong>der</strong>um wird über eine schonende<br />

und hochwertige Behandlung während des gesamten<br />

Verarbeitungsprozesses sichergestellt. Zugleich zählen<br />

aber gerade für Lebensmittel produzierende Betriebe<br />

Wirtschaftlichkeit und Effizienz.<br />

550 Tonnen Kartoffeln werden täglich im Wittinger<br />

Werk <strong>der</strong> Emsland Food GmbH zu so genanntem Kartoffelgranulat<br />

verarbeitet. Zum Vergleich: Als Beilage<br />

zum Mittagessen verzehrt entspräche das über 1,8<br />

Million Portionen. Zunächst werden die Kartoffeln<br />

gewaschen, dann geht es ans Schälen. Dabei dürfen<br />

keine Schalenreste an den Kartoffeln verbleiben. Diese<br />

würden die Produktqualität des Granulats wesentlich<br />

verschlechtern.<br />

SCHNELLE UND PRÄZISE STEUERUNG<br />

Selbstverständlich werden bei diesen Mengen die Schalen<br />

nicht von Hand entfernt. Viel schneller, wirtschaftlicher<br />

und hygienischer geht es mit einer automatisierten<br />

Methode, die sogar ganz ohne Messer auskommt.<br />

170 Grad heißer Wasserdampf und seine präzise und<br />

schnelle Zu- und Abfuhr spielen dabei eine maßgebliche<br />

Rolle. Pneumatische doppeltwirkende Doppelkolben-Schwenkantriebe<br />

von Bormann & Neupert übernehmen<br />

die wichtige Steuerung eines Kugelhahns, <strong>der</strong><br />

wie<strong>der</strong>um die Dampfzu- und –abfuhr in den Dampfschäler<br />

freigibt. Die Bauteile des Düsseldorfer Spezialisten<br />

für Anlagensicherheit in <strong>der</strong> Lebensmittel- und<br />

chemischen Industrie haben sich für die Dauerbelastung<br />

mit häufigen, schnellen Schaltvorgängen bei hohen<br />

Temperaturen bewährt.<br />

Zum Schälen werden die Kartoffeln in einen Druckbehälter<br />

– die so genannte Glocke – eingefüllt. Der Antrieb<br />

öffnet den Kugelhahn <strong>der</strong> Dampfzufuhr. Der heiße<br />

Dampf strömt in den Behälter bis <strong>der</strong> notwendige Druck<br />

von acht Bar erreicht ist. In <strong>der</strong> Glocke durchmischt<br />

gleichzeitig das integrierte Rührwerk die Kartoffeln.<br />

22<br />

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

6 / 2013

Schaltzyklen – zur Prüfung geöffnet haben, wiesen keinerlei<br />

Laufspuren auf“, berichtet Grundke.<br />

Alle Gehäuse verfügen serienmäßig über das so genannte<br />

Safekey-System, bei dem die Gehäusedeckel<br />

nicht verschraubt, son<strong>der</strong>n durch je einen umlaufenden<br />

Fe<strong>der</strong>ring aus Edelstahl gehalten werden. Er ist eingepasst<br />

in eine innenbearbeitete Keilnut und kann nach<br />

dem Lösen nur einer Schraube herausgezogen werden.<br />

Dann lässt sich <strong>der</strong> Deckel abnehmen. Konstruktionsbedingt<br />

gelingt das nur bei druckentlastetem Gehäuse. So<br />

werden Unfälle durch Unachtsamkeit wirkungsvoll vermieden<br />

und die Sicherheit von Anlagen und Mitarbeitern<br />

aufrecht erhalten.<br />

KNUSPRIG: Kartoffelgranulat bildet die Grundlage<br />

für viele Chips und an<strong>der</strong>e Snacks.<br />

Dann folgt <strong>der</strong> entscheidende Arbeitsschritt: Der Doppelkolben-Schwenkantrieb<br />

<strong>der</strong> Dampfzufuhr schließt<br />

den Dampfeinlass und ein zweiter Doppelkolben-<br />

Schwenkantrieb öffnet das Ablassventil. Hierbei kommt<br />

es beson<strong>der</strong>s auf schnelles Öffnen des Dampfablassventils<br />

durch den Schwenkantrieb an.<br />

Der Druck fällt schlagartig von acht Bar auf den Umgebungsdruck<br />

von etwa einem Bar ab. Durch diese so<br />

genannte Schnellentspannung löst sich die Schale von<br />

den rohen Kartoffeln. Rotierende Bürsten eines nachgeschalteten<br />

Aggregats entfernen anschließend die verbliebenen,<br />

losen Schalenreste vollständig.<br />

ANTRIEBE MIT BESONDERS HOHEN STANDZEITEN<br />

„Das ruckartige, schnelle Öffnen und Schließen ist eine<br />

große Belastung für die eingesetzten Antriebe. Die hohen<br />

Umgebungstemperaturen verstärken das Problem zusätzlich“,<br />

erläutert Alfred Grundke, Meister <strong>der</strong> mechanischen<br />

Werkstatt bei Emsland Food. „Die Antriebe von<br />

Bormann & Neupert bieten uns dennoch bei dem beschriebenen<br />

Einsatzfall beson<strong>der</strong>s hohe Standzeiten.“<br />

Möglich macht das die reibungsarme und wi<strong>der</strong>standsfähige<br />

Di-Aluminium-Trioxid-Beschichtung aller Oberflächen<br />

– vom Hersteller Ceramicgard genannt. Sie min<strong>der</strong>t<br />

Verschleiß und macht die Antriebe wartungsarm.<br />

„Antriebe die wir nach einem Jahr – also etwa 350.000<br />

ANSCHLUSSFLÄCHEN NACH NAMUR-STANDARD<br />

Vor allem aber gewährleistet das Safekey-System dauerhaft<br />

völlige Dichtigkeit. Denn die flächige Krafteinleitung<br />

des umlaufenden Fe<strong>der</strong>rings verhin<strong>der</strong>t Spannungen<br />

im Gehäuse auch bei stark schwankenden Temperaturen<br />

zuverlässig. Eine Eigenschaft, die beim Einsatz in<br />

Wittingen ebenso gefragt ist, ist seine Unempfindlichkeit<br />

gegen Schmutz und feuchte Arbeitsumgebungen, wie sie<br />

in <strong>der</strong> Schälstraße anzutreffen sind.<br />

„Unsere Doppelkolben-Schwenkantriebe sind auch<br />

darum so gut für anspruchsvolle Anwendungen geeignet,<br />

weil ihre Aluminiumgehäuse im Gussverfahren<br />

hergestellt werden. So lassen sie sich kompromisslos<br />

anfor<strong>der</strong>ungsgerecht auslegen“, ergänzt Martin Klug,<br />

Produktmanager Antriebe bei Bormann & Neupert. An<strong>der</strong>s<br />

als beim Strangguss – wie er bei herkömmlichen<br />

Antrieben zumeist eingesetzt wird – sind Materialstärken<br />

und beispielsweise Anschlüsse o<strong>der</strong> Absätze frei<br />

wähl- und positionierbar.<br />

Für die reibungslose Einbindung in die Gesamtanlage<br />

verfügen die Gehäuse serienmäßig über Anschlussflächen<br />

nach internationalem Namur-Standard sowie Montageflächen<br />

und Bohrungen für die Direktmontage nach<br />

ISO 5211. Zur Qualitätssicherung ist je<strong>der</strong> Antrieb über<br />

eine ins Gehäuse eingegossene Kennzeichnung dauerhaft<br />

und eindeutig identifizierbar.<br />

AUTOR<br />

Dipl.-Ing.<br />

MARIA QUAST<br />

Bormann & Neupert<br />

GmbH & Co.KG,<br />

Volmerswerther Str. 30,<br />

D-40221 Düsseldorf,<br />

Tel. + 49 (0) 211 93 05 50,<br />

E-Mail:<br />

info@bormann-neupert.de<br />

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

6 / 2013<br />

23

HAUPTBEITRAG<br />

<strong>Simulationsgestützte</strong><br />

<strong>Entwicklung</strong> <strong>der</strong><br />

<strong>Automatisierung</strong><br />

<strong>Automatisierung</strong>ssoftware in frühen Phasen validieren<br />

In <strong>der</strong> Prozessindustrie verstärkt sich <strong>der</strong> Trend zu Plant-Life-Cycle-Management-Systemen<br />

(PMS) und zugehörigen Plant-Engineering-Systemen (PES). Neben konsistenter Dokumentation<br />

ermöglichen sie ein durchgängiges Engineering <strong>der</strong> <strong>Automatisierung</strong>. Dieser<br />

Beitrag stellt ein Verfahren vor, wie bereits in frühen Phasen mittels dynamischer Simulation<br />

eine Validierung <strong>der</strong> <strong>Automatisierung</strong>ssoftware möglich ist und die Simulationsmodelle<br />

in späteren Phasen weiterverwendet werden können. Die Methodik wird anhand<br />

des Wasserwirtschaft-Beispiels Pumpstation und des PMS Comos erläutert.<br />

SCHLAGWÖRTER Plant Engineering System / <strong>Automatisierung</strong> / Software / Simulation /<br />

Validierung / Comos / Simatic PCS 7 Wasserversorgung<br />

Simulation based development of automation software –<br />

Early validation and subsequent use of simulation models<br />

There is a clear trend in the process industry towards the application of plant life cycle<br />

management systems and related plant engineering systems. Besides providing consistent<br />

documentation they allow seamless automation engineering. This paper introduces a<br />

method to validate automation software by dynamic simulation in early phases and shows<br />

how the simulation models can be used in later phases. The methodology is demonstrated<br />

for a water management pumping station and PES Comos.<br />

KEYWORDS plant engineering system / automation / software / simulation / validation /<br />

Comos / Simatic PCS 7<br />

24<br />

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

6 / 2013

VERONIKA BRANDSTETTER, JAN CHRISTOPH WEHRSTEDT,<br />

ROLAND ROSEN, ANDREAS PIRSING, Siemens<br />

Die <strong>Entwicklung</strong> verfahrenstechnischer Anlagen<br />

ist mit komplexen Planungs- und Engineering-<br />

Aufgaben verbunden. Deren erfolgreiche Bewältigung<br />

ist <strong>der</strong> ausschlaggebende Faktor, um<br />

Kosten und Termine einzuhalten und die Anfor<strong>der</strong>ungen<br />

<strong>der</strong> Kunden bezüglich eines ökonomisch<br />

wie ökologisch optimierten Betriebs zu erfüllen. Ähnlich<br />

wie bei mechatronischen Produkten und Systemen<br />

aus <strong>der</strong> Konsumgüter- und Automobilindustrie, die sich<br />

durch eine Steigerung ihrer Komplexität und Funktionsvielfalt<br />

auszeichnen, steigen auch bei verfahrenstechnischen<br />

Anlagen die Anfor<strong>der</strong>ungen hinsichtlich flexiblerer<br />

Betriebsweisen und leichterer Erweiterbarkeit <strong>der</strong><br />

Anlagen. Dies erfor<strong>der</strong>t eine stärkere Vernetzung <strong>der</strong><br />

verschiedenen Gewerke. Hervorzuheben ist die zunehmende<br />

Kopplung von Stoff- und Energieströmen, um<br />

einen möglichst effizienten Anlagenbetrieb unter <strong>der</strong><br />

Erhöhung <strong>der</strong> Dynamik zu erreichen – wie schnellerer<br />

Lastwechsel bei Kraftwerken, bessere Nutzung von Eigenenergieerzeugern<br />

auf Klärwerken o<strong>der</strong> flexiblere <strong>Automatisierung</strong><br />

von Pumpstationen.<br />

Anfor<strong>der</strong>ungen aus dem funktional verdichteten, übergreifenden<br />

Zusammenspiel <strong>der</strong> beteiligten Gewerke führen<br />

zu neuen Herausfor<strong>der</strong>ungen an Anlagenprojekteure<br />

und ihre Werkzeuge. Dies begründet den sich in <strong>der</strong> Prozessindustrie<br />

abzeichnenden Trend zu PMS. Zentrales<br />

Element dieser PMS sind PES. Während diese in <strong>der</strong> Chemie-<br />

und Pharma-Industrie seit einigen Jahren im operativen<br />

Einsatz sind, steht die Wasserwirtschaft an <strong>der</strong><br />

Schwelle zum Breiteneinsatz. Zum einen dienen sie gewerkeübergreifend<br />

<strong>der</strong> standardisierenden konsistenten<br />

Dokumentation des Engineerings, zum an<strong>der</strong>en bieten<br />

neue Ansätze bidirektionale Schnittstellen zwischen PES<br />

und Projektierungstools [1] für die <strong>Automatisierung</strong>ssoftware<br />

(A-SW). Somit findet das Basic Engineering bereits<br />

im PES statt und darauf aufbauend wird das Detailed Engineering<br />

im klassischen Engineering-Werkzeug durchgeführt,<br />

wobei zentrale Daten des Detailed Engineering<br />

zur Dokumentation ins PES zurückgeführt werden.<br />

Von zunehmen<strong>der</strong> strategischer Bedeutung für Planer,<br />

Errichter und Betreiber verfahrenstechnischer Anlagen<br />

sind Validierungs- und Evaluierungsmöglichkeiten für<br />

konzeptuelle Planungen in frühen <strong>Entwicklung</strong>sphasen.<br />

Dieses als frontloading bezeichnete Vorgehen [2] kann<br />

durch modellbasierte Ansätze mit projektierungsbegleitenden<br />

Simulationen erfolgen [3]. Der Aufwand, <strong>der</strong><br />

durch den Einsatz <strong>der</strong> Simulation zu erreichenden Vorteile<br />

bezüglich Effizienz, Qualität und Sicherheit, muss<br />

vertretbar sein. So ergibt sich die Notwendigkeit, den<br />

Aufbau <strong>der</strong> Simulationsmodelle für die Prozess- und<br />

<strong>Automatisierung</strong>stechnik als integralen Bestandteil des<br />

Engineering-Prozesses zu betrachten und nicht als nachträgliches<br />

Anhängsel an den Anlagen-Designprozess.<br />

Das Verwenden von Simulationsmodellen für die virtuelle<br />

Inbetriebnahme (VIBN) ist eine bewährte Methode<br />

für die Validierung <strong>der</strong> A-SW und des Prozessleitsystems,<br />

um die Softwarequalität zu erhöhen und die <strong>Entwicklung</strong>sdauer<br />

zu reduzieren, welche den Mehraufwand für<br />

die Generierung <strong>der</strong> Simulationsmodelle verursacht. Dadurch<br />

ist die Akzeptanz in verschiedenen Anwendungsdomainen<br />

unterschiedlich. Die zunehmende Verbreitung<br />

von CAE-Planungswerkzeugen ermöglicht eine automatische<br />

Generierung von Simulationsmodellen aus Engineering-Daten,<br />

wodurch die Simulationsmodelle fehlerfrei<br />

und fast ohne Mehraufwand erzeugt werden. Dazu gibt<br />

es mehrere Ansätze, bei denen die A-SW und das <strong>Automatisierung</strong>ssystem<br />

simuliert [3], emuliert o<strong>der</strong> die reale<br />

Hardware verwendet [4] [5] wird. Der Fokus liegt auf <strong>der</strong><br />

Validierung von <strong>Automatisierung</strong>skonzepten in frühen<br />

Phasen unter Vernachlässigung <strong>der</strong> realen Hardware. Dabei<br />

wird gezeigt, wie die Validierung schon im Engineering-Werkzeug<br />

stattfinden kann und nicht in ein emuliertes<br />

Zielsystem gewechselt werden muss, wie in [6] beschrieben.<br />

Diese Modelle können mit fortschreiten<strong>der</strong><br />

durchgängiger <strong>Entwicklung</strong> <strong>der</strong> A-SW, welche zunächst<br />

im Werkzeug des Basic Engineerings und des Zielsystems<br />

stattfindet, für eine VIBN o<strong>der</strong> für Operator Training wie<strong>der</strong>verwendet<br />

werden. Statt eines Simulationsmodells für<br />

die gesamte Anlage wird im Beitrag eine direkte Kopplung<br />

<strong>der</strong> <strong>Automatisierung</strong>ssoftware mit <strong>der</strong> Simulation des<br />

hydraulischen Systems betrachtet ohne Simulation <strong>der</strong><br />

dazwischenliegenden Busankopplung und <strong>der</strong> I/O-Signa-<br />

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

6 / 2013<br />

25

HAUPTBEITRAG<br />

le sowie des elektrischen und elektromechanischen Verhaltens<br />

<strong>der</strong> sich zwischen Prozess und <strong>Automatisierung</strong><br />

befindenden Komponenten. In [7] wird diese Zwischenschicht<br />

mit einem zweiten Simulator ebenfalls abgebildet.<br />

1. BEISPIEL PUMPSTATION<br />

Die beispielhaft betrachtete Pumpstation hat die Aufgabe,<br />

Wasser aus einer Meerwasserentsalzungsanlage<br />

über eine Doppel-Pipeline in ein 20 Kilometer entferntes<br />

und 500 Meter höher gelegenes Intermediate Reservoir<br />

zu för<strong>der</strong>n. Von dort fließt das Wasser im freien<br />

Gefälle zu einer Receiving-Station sowie einer Tap-Off-<br />

Station, siehe Bild 1. Um den notwendigen Druck aufzubauen,<br />

werden in <strong>der</strong> Pumpstation jeweils vier parallel<br />

geschaltete Booster Pumps und Main Pumps betrieben.<br />

Mithilfe <strong>der</strong> Bypass-Regelung wird ein Regelventil<br />

angesteuert, das bei Bedarf einen Teil des von<br />

den Pumpen geför<strong>der</strong>ten Wassers auf die Saugseite <strong>der</strong><br />

Pumpen zurückfließen lässt, ohne dass Än<strong>der</strong>ungen des<br />

Durchflusses zu Druckstößen führen, die im Extremfall<br />

die Rohrleitungen zerstören.<br />

Während des Engineering-Prozesses müssen zu einem<br />

frühen Zeitpunkt grundsätzliche Designentscheidungen<br />

für Regelungs- und Betriebsführungskonzepte gefällt<br />

werden, die meist auf Erfahrungen beruhen. Aus Sicht<br />

des planenden Ingenieurs wäre es wünschenswert, die<br />

wichtigsten Regelungskonzepte bereits in dieser frühen<br />

Projektphase zu validieren: So dürfen die Bypässe nur<br />

kurze Zeit geöffnet sein, da es durch die hohe Pumpenleistung<br />

zur Erhitzung des Wassers und Kavitation in den<br />

Pumpen kommen kann. Eine weitere wichtige <strong>Automatisierung</strong>saufgabe<br />

ist die Füllstands-Regelung im Intermediate<br />

Reservoir: Bei stark schwankenden Abnahmemengen<br />

in <strong>der</strong> Receiving- sowie <strong>der</strong> Tap-Off-Station muss<br />

im Intermediate Reservoir genügend Wasser vorhanden<br />

sein, um die Versorgungssicherheit zu gewährleisten.<br />

2. KLASSISCHES ANLAGENENGINEERING<br />

Der Bau verfahrenstechnischer Anlagen [8] beginnt in<br />

<strong>der</strong> Regel mit einem Business Case, <strong>der</strong> unter an<strong>der</strong>em<br />

die technischen und ökonomischen Grunddaten, wie<br />

Kapazität, Qualitätsanfor<strong>der</strong>ungen, Projektkosten, Projektdauer<br />

enthält. Erst nach <strong>der</strong> Verabschiedung <strong>der</strong><br />

Grunddaten beginnen Überlegungen zum Prozess-Design:<br />

Anhand von Verfahrensfließschemata (Process<br />

Flow Diagrams, PFD) werden Varianten hinsichtlich<br />

vielfältiger Kriterien verglichen. Bei den PFD handelt es<br />

sich um Diagramme, die alle relevanten Anlagenteile,<br />

wie Ausrüstungen und Maschinen sowie Stoff- und<br />

Energieströme, beinhalten.<br />

Aus dem PFD leitet sich im Projektverlauf durch zunehmende<br />

Konkretisierung das Rohrleitungs- und Instrumentierungs-Fließschema<br />

(Piping & Instrumentation Diagram,<br />

P&ID) ab, das das zentrale Dokument für den Engineering-<br />

Prozess ist. Es liefert eine Übersicht über alle Rohrleitungen<br />

und Apparaturen inklusive ihrer Bezeichnungen und<br />

Anfor<strong>der</strong>ungen aus <strong>der</strong> Prozesstechnik. P&IDs beinhalten<br />

eine Bezeichnung über alle Messstellen, die die Schnittstelle<br />

zur A-SW bilden, sowie eine schematische Darstellung<br />

<strong>der</strong> Wirkbeziehung zwischen Aktoren und Sensoren.<br />

Die nachfolgenden Lebensphasen übernehmen diese Daten<br />

für die Detailplanung. Die für das zu erstellende <strong>Automatisierung</strong>sprojekt<br />

benötigten Messstellen werden zu<br />

einer Messstellenliste zusammengefasst.<br />

Zusätzlich wird eine Funktionsbeschreibung <strong>der</strong> Anlage<br />

erstellt, auf <strong>der</strong>en Basis ein Entwurf des <strong>Automatisierung</strong>sprojekts<br />

erzeugt wird, welcher die A-HW und<br />

die darauf ausgeführte A-SW umfasst. Daher muss vor<br />

<strong>der</strong> Projektierung <strong>der</strong> A-SW die A-HW festgelegt werden.<br />

Das Erstellen <strong>der</strong> A-SW (siehe [8]) wird klassischerweise<br />

entsprechend <strong>der</strong> IEC 61131-3 in Form von Sequential<br />

Function Charts (SFC) o<strong>der</strong> Continious Function Charts<br />

(CFC), einer gängigen Erweiterung <strong>der</strong> Norm, grafisch<br />

beschrieben.<br />

Zur Projektierung einer Anlage wird zunächst eine<br />

Master-Bibliothek erstellt, die alle für das Projekt notwendigen<br />

Funktionsblöcke als Vorlagen enthält. Diese<br />

werden aus den Standard- und Domainbibliotheken ausgewählt,<br />

sowie aus vorangegangenen Projekten übernommen.<br />

So wird gewährleistet, dass mit konsistenten Bibliothekselementen<br />

gearbeitet wird. Dann wird die Struktur<br />

<strong>der</strong> CFC aufgestellt. Diese sind in <strong>der</strong> Regel so aufgebaut,<br />

dass die hierarchische Anordnung <strong>der</strong> Pläne dem<br />

Anlagenlayout entspricht und je<strong>der</strong> Plan genau für eine<br />

Funktion erstellt wird. Die Pläne werden mit instanziierten<br />

Blöcken aus <strong>der</strong> Masterbibliothek gefüllt und untereinan<strong>der</strong><br />

verbunden. Außerdem wird eine Zuordnung<br />

auf die A-HW durchgeführt.<br />

In einem <strong>Automatisierung</strong>sprojekt werden CFC mehrfach<br />

verwendet. Hierzu werden CFC in Bausteintypen<br />

kopiert. Dabei wird aus dem CFC ein Objekt erstellt, aus<br />

dem neue Instanzen entstehen, die parametrisiert werden<br />

müssen. Dies erfolgt oft in Form von Listen, die die<br />

Position in <strong>der</strong> Anlagenstruktur sowie die Parameter und<br />

Verbindungen <strong>der</strong> Blöcke auf dem CFC enthalten. Dies<br />

ist ein manueller und damit fehlerbehafteter Prozess.<br />

Während des Engineering-Prozesses kann die fehlerfreie<br />

Kompilierung festgestellt werden und einzelne Signale<br />

lassen sich über verschiedene Pläne hinweg verfolgen.<br />

Eine Validierung <strong>der</strong> A-SW während des Engineerings<br />

ist nicht möglich, zumal die A-SW nur bedingt<br />

ohne die zugrunde liegende A-HW ausgeführt werden<br />

kann. Nach Abschluss <strong>der</strong> Implementierung (das heißt<br />

dem Erstellen aller Pläne) kann die A-SW mit einer Hardware-in-the-loop-Simulation<br />

während einer VIBN validiert<br />

werden. Da hierbei für alle Ein- und Ausgangssignale<br />

ein prozesstechnisches Modell zur Verfügung stehen<br />

muss, wird dies in <strong>der</strong> Praxis nur in bestimmten<br />

Domainen durchgeführt. Mögliche Fehler werden oft erst<br />

bei <strong>der</strong> Inbetriebnahme festgestellt, was diese verzögert<br />

und zusätzliche Kosten verursacht.<br />

3. MODELLBASIERTE ENTWICKLUNG<br />

3.1 Vorgehensmodelle<br />

Die <strong>Entwicklung</strong> komplexer technischer Systeme erfor<strong>der</strong>t,<br />

insbeson<strong>der</strong>e in einer arbeitsteiligen Welt mit räumlich<br />

verteilten <strong>Entwicklung</strong>s- und Produktionsstandor-<br />

26<br />

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

6 / 2013

BILD 1: Anlagenlayout <strong>der</strong> Pumpstation<br />

BILD 2: Erweiterte Vorgehensmodelle,<br />

links aus [11],<br />

rechts aus [12] übernommen<br />

ten, die Definition und Einhaltung von Vorgehens- und<br />

Phasenmodellen. Während mit <strong>der</strong> VDI-Richtline 2221<br />

[9] noch eine Methodik zum Entwickeln und Konstruieren<br />

– ganz allgemein – technischer Systeme und Produkte<br />

empfohlen wurde, flossen in die VDI 2206 [10] und<br />

ihrer Festschreibung des aus <strong>der</strong> Softwareentwicklung<br />

stammenden V-Modells Erkenntnisse und Methodenansätze<br />

aus <strong>der</strong> Informatik ein. Die VDI 2206 soll als „praxisorientierter<br />

Leitfaden für die systematische <strong>Entwicklung</strong>“<br />

(siehe [11]) mechatronischer Systeme dienen. Großanlagen,<br />

wie die betrachtete Pumpstation, weisen hinsichtlich<br />

des Rohrleitungs- und Tiefbaus – die Leitungen<br />

werden unterirdisch verlegt – spezifische Merkmale und<br />

Herausfor<strong>der</strong>ungen auf. Für die in diesem Beitrag im<br />

Fokus stehenden Engineeringmethoden für die Elektround<br />

<strong>Automatisierung</strong>stechnik trifft die Charakterisierung<br />

des Mechatronik-Begriffs aus <strong>der</strong> VDI 2206 [11] zu.<br />

Kunden und Auftraggeber for<strong>der</strong>n Produkte, Systeme<br />

und Anlagen, die immer mehr Funktionen in integrierter<br />

Weise aufweisen. Adaptive Einsatzmöglichkeiten und<br />

Betriebsziele bei fluktuierenden Randbedingungen werden<br />

erwartet. Bei <strong>der</strong> Pumpstation sind dies beispielsweise<br />

die generelle Betriebsführung (saisonal unterschiedlicher<br />

Verbrauch), eine energieoptimierte Betriebsstrategie<br />

unter Berücksichtigung des volumenmäßig relativ<br />

kleinen Intermediate Reservoir und die Erweiterbarkeit<br />

<strong>der</strong> Anlage (Hinzunahme weiterer Receiving Stations).<br />

Eine frühzeitige Absicherung <strong>der</strong> Konzepte ist, wie in <strong>der</strong><br />

VDI Norm 2206 [10] gefor<strong>der</strong>t und in diesem Beitrag skizziert,<br />

nur durch eine modelltechnische Abbildung (hier<br />

ein ausführbares Modell) und Simulation des gesamten<br />

Systems (hier fluidtechnisches Grundsystem, elektrotechnische<br />

Ausrüstung und A-SW) möglich.<br />

Die Zangenwirkung, die sich aus dem technologisch<br />

Machbaren und <strong>der</strong> For<strong>der</strong>ung nach verkürzten <strong>Entwicklung</strong>szyklen<br />

bei hohen Erwartungen an Qualität, Funktionsvielfalt<br />

und -dichte sowie Preis ergibt, erfor<strong>der</strong>t es,<br />

die Vorgehensmodelle und <strong>der</strong>en modellgestützte Ausgestaltung<br />

konsequent weiterzuentwickeln.<br />

Erweiterte modell- und simulationsbasierte Vorgehensmodelle,<br />

die auf das Design und Engineering mechatronischer<br />

Komponenten, Anlagen und Produktionssysteme<br />

abzielen, finden sich bei [11], das eine simulative<br />

Validierung auf Systemebene als Abschluss je<strong>der</strong><br />

Designphase vorsieht, und bei [12], das den RFLP-Ansatz<br />

(Requirement, Functional, Logical, Physical) in das V-<br />

Modell integriert und ebenfalls disziplinübergreifende<br />

und -spezifische Simulationen zur Eigenschaftsabsicherung<br />

for<strong>der</strong>t, siehe Bild 2.<br />

Im BMBF-Projekt SPES 2020 (Software Plattform Embedded<br />

Systems) und dem Folgeprojekt SPES_XT wird<br />

ein Modellierungsframework [13], siehe Bild 3, vorgestellt,<br />

das die zwei Dimensionen Abstraction Layer und<br />

Viewpoints aufspannt.<br />

Die innerhalb des SPES-Modellierungsframework<br />

nicht konkret definierten, we<strong>der</strong> benannten noch in Anzahl<br />

festgelegten Abstraktionsebenen zeichnen sich<br />

durch unterschiedlichen Detaillierungsgrad <strong>der</strong> Systembeschreibungen<br />

aus, die mit einer Verfeinerung des Systems<br />

verbunden sind. Die Viewpoints heben hervor, dass<br />

für verschiedene am <strong>Entwicklung</strong>sprozess Beteiligte<br />

unterschiedliche Aspekte von Interesse sind. Das SPES<br />

modeling framework fokussiert sich auf die Blickwinkel<br />

requirements, functional, logical und technical, schließt<br />

aber eine Erweiterung um weitere Blickwinkel, wie geometrical<br />

viewpoint, explizit nicht aus. Das Anwendungsgebiet-unabhängig<br />

konzipierte SPES-Modellierungsframework<br />

postuliert bewusst kein Vorgehensmodell,<br />

jedoch indiziert es generelle, aufeinan<strong>der</strong> aufbauende<br />

Arbeitspunkte. So ergibt sich (siehe grüne Pfeile im Bild<br />

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

6 / 2013<br />

27

HAUPTBEITRAG<br />

3) nach Ansicht <strong>der</strong> Autoren ein Vorgehen von Anfor<strong>der</strong>ungen<br />

zu technischen Lösungskonzepten und von abstrakteren<br />

zu detaillierteren Layern. Dies verdeutlicht<br />

umgekehrt (rote Pfeile) den Bedarf an Absicherungs- und<br />

Validierungsmaßnahmen (innerhalb eines Viewpoints<br />

und Layers, zwischen verschiedenen Viewpoints o<strong>der</strong><br />

Layern). Diese Maßnahmen zur frühen Validierung müssen<br />

nachvollziehbar und bezüglich Än<strong>der</strong>ungen zur<br />

Unterstützung <strong>der</strong> Wandlungsfähigkeit des Systems anpassbar<br />

sein.<br />

Alle gezeigten Ansätze stützen sich auf modellbasierte<br />

Ansätze zur Systembeschreibung und -spezifikation.<br />

Modelle reduzieren die Komplexität des realen Systems<br />

und erlauben eine Überprüfung mittels verschiedenster<br />

Methoden. Eine simulationsgestützte Validierung ist in<br />

allen Phasen des <strong>Entwicklung</strong>sprozesses möglich und<br />

wird daher weiterhin steigende Bedeutung erlangen.<br />

3.2 Validierung in frühen Phasen<br />

In den letzten Jahren werden PMS/PES wie Comos zunehmend<br />

eingesetzt [5]. Diese Werkzeuge dienen zur<br />

Dokumentation und erlauben das durchgehende Engineering<br />

über alle Planungsphasen und Gewerke einer<br />

verfahrenstechnischen Anlage. Anlagenplaner und -bauer<br />

können auf einen konsistenten Datensatz für die gesamte<br />

Anlage, von <strong>der</strong> Planungsphase über Basic bis hin<br />

zum Detailed Engineering, zurückgreifen.<br />

Basierend auf <strong>der</strong> zunehmenden Verbreitung von PMS/<br />

PES wurde eine Schnittstelle zwischen dem PES Comos<br />

und dem Prozessleitsystem Simatic PCS 7 implementiert:<br />

Mit dieser Schnittstelle ist es möglich, Projektierungsdaten<br />

für die <strong>Automatisierung</strong> vom PMS/PES an<br />

das Leitsystem zu übergeben. Im Einzelnen lassen sich<br />

Informationen zur Hardware, <strong>der</strong> technologischen Hierarchie<br />

sowie <strong>der</strong> <strong>Automatisierung</strong>sfunktionen übertragen.<br />

Bei konsequenter Einhaltung <strong>der</strong> Engineering-Abläufe<br />

kann die A-SW aus dem PMS/PES generiert werden.<br />

Dieser bidirektionale Datenaustausch führt zu einem<br />

konsistenten Datensatz, <strong>der</strong> bei <strong>der</strong> Erstellung <strong>der</strong><br />

A-SW verwendet wird. Umgekehrt können die Engineering-Daten<br />

aus PCS 7 nach Comos zurückgespielt werden,<br />

sodass Comos aus allen Daten automatisch eine<br />

vollständige Anlagendokumentation über alle <strong>Entwicklung</strong>sphasen<br />

erstellt.<br />

Comos verwaltet seine Daten objektorientiert: Die beteiligten<br />

Gewerke arbeiten mit unterschiedlichen Sichten<br />

auf die Daten eines Objekts. Än<strong>der</strong>ungen, die von<br />

einem Gewerk vorgenommen werden und Auswirkungen<br />

auf an<strong>der</strong>e Gewerke haben, werden über die Objekt-<br />

Schnittstellen auch in den an<strong>der</strong>en Gewerken dargestellt.<br />

Fehler an Schnittstellen zwischen zwei Objekten,<br />

wie unterschiedliche Durchmesser o<strong>der</strong> Fließrichtungen,<br />

werden sofort erfasst. Das funktionale Verhalten ist<br />

zu diesem Zeitpunkt jedoch nicht validierbar.<br />

3.3 Anwendung auf das Fallbeispiel<br />

Beim Engineering <strong>der</strong> Pumpstation mit Comos (Bild 4)<br />

wird zunächst das P&ID mit Objekten wie Tank, Pumpen<br />

und Ventilen erstellt [1]. Es beschreibt die Strukur und<br />

Funktion <strong>der</strong> Anlage für die Prozess- und <strong>Automatisierung</strong>stechnik.<br />

Die einzelnen Objekte werden per<br />

Drag & Drop auf einem Plan zum Fließschema abgelegt und<br />

mit Rohren verbunden. Zusätzlich werden die Messstellen<br />

angelegt. Die Benennung <strong>der</strong> Betriebsmittel findet in Comos<br />

automatisch nach einem Anlagenkennzeichnungssystem<br />

statt. Alle Objekte müssen nun mit den entsprechenden<br />

technischen Daten, wie beispielsweise Rohrdurchmesser,<br />

Volumen <strong>der</strong> Tanks, parametriert werden.<br />

Anschließend erfolgt die Planung <strong>der</strong> an<strong>der</strong>en Gewerke.<br />

Zum Austausch von Engineering-Daten <strong>der</strong> Pumpstation<br />

mit Simatic PCS 7 kann die bidirektionale Comos-<br />

PCS 7-Schnittstelle verwendet werden. Nach Initialisierung<br />

des Comos- und des PCS 7-Projektes kann wechselweise<br />

mit beiden Werkzeugen gearbeitet werden.<br />

Im standardmäßigen Arbeitsablauf wird nach Abschluss<br />

<strong>der</strong> Vorbereitung des Projekts das Hardware-<br />

Engineering in Comos durchgeführt und dabei die Simatic-Stationen<br />

angelegt, mit Hardware ausgestattet und<br />

jeweils konfiguriert. Nach dem anschließenden Software-Engineering,<br />

in dem Comos-Messtellen und Signale<br />

angelegt werden, müssen für die Verknüpfung von<br />

Hardware und Software jeweils mittels Kanalzuweisung<br />

die Signale implementiert werden. Die Einzelsteuereinheitstypen<br />

aus PCS 7 müssen den Comos-Messstellen<br />

zugeordnet und die Symboltabelle anlegt werden. Hierbei<br />

ist eine Massendatenverarbeitung möglich. Nach dem<br />

Verknüpfen von Comos- und PCS 7-Attributen wird das<br />

PCS 7-Projekt generiert und nach PCS 7 exportiert.<br />

4. GENERIERUNG VON SIMULATIONSMODELLEN<br />

Um die A-SW vor <strong>der</strong> Inbetriebnahme zu validieren, ist es<br />

nötig, die prozesstechnische Anlage in Form einer dynamischen<br />

Simulation zu virtualisieren. Beim klassischen<br />

Vorgehen erfolgt das Erstellen <strong>der</strong> virtuellen Anlage als<br />

parallele Aktivität zum Abschluss <strong>der</strong> Engineering-Phase,<br />

sodass dies mit hohem Aufwand verbunden ist. Diese dynamische<br />

Simulation des Prozesses wird dann als Gegenspieler<br />

zur realen A-SW verwendet, die entwe<strong>der</strong> auf den<br />

realen <strong>Automatisierung</strong>sgeräten o<strong>der</strong> auf emulierten Speicherprogrammierbaren<br />

Steuerungen (SPS) abläuft.<br />

Mit <strong>der</strong> Verwendung eines PMS wie Comos, lässt sich<br />

dieser Aufwand deutlich reduzieren, da sich die Simulationsmodelle<br />

automatisch aus den Anlagendaten ableiten<br />

lassen. Simulatoren wie Modelica, Matlab/Simulink<br />

o<strong>der</strong> Simit sind ebenfalls objektorientiert. Somit wird<br />

einmalig für jede Prozesskomponente ein korrespondierendes<br />

Simulationsobjekt benötigt. Die hierfür relevanten<br />

Parameter liegen zum Teil direkt in Comos vor. Zum<br />

Beispiel kann die Höhe eines Behälters o<strong>der</strong> <strong>der</strong> Durchmesser<br />

eines Rohrs automatisch aus den Anlagedaten<br />

gewonnen werden, was Fehler und Aufwand massiv<br />

reduziert. An<strong>der</strong>e Daten, wie Anfangswerte (Füllstandshöhe<br />

von Behältern) und umgebungsrelevante Daten, wie<br />

die geodätische Höhe <strong>der</strong> Komponenten, müssen in Comos<br />

bei <strong>der</strong> Erstellung <strong>der</strong> Simulationsattribute-Karte<br />

einmalig als neue Attribute eingeführt und während des<br />

Engineerings zusätzlich von Hand ergänzt werden. Die<br />

Anlagentopologie wird direkt aus den Anlagenplänen<br />

28<br />

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

6 / 2013

im Engineering-Werkzeug mittels XML-Export übernommen.<br />

Diese Daten werden gesammelt exportiert und in<br />

ein Simulator-spezifisches Format umgewandelt.<br />

Im Fallbeispiel Pumpstation wird als Simulator Cosmos<br />

(Complex System Modeling Optimization Simulation,<br />

Inhouse Simulator <strong>der</strong> Siemens CT RTC AUC MST-DE<br />

[14]) eingesetzt. Hierbei handelt es sich um einen komponentenorientierten<br />

Simulator für diskret-kontinuierliche<br />

Prozesse in <strong>der</strong> Verfahrenstechnik, bei denen eine<br />

diskrete Steuerung zu festen Zeitpunkten auf einen kontinuierlichen<br />

Prozess wirkt.<br />

Über ein in Comos integriertes Bedienelement kann <strong>der</strong><br />

Simulator konfiguriert werden, indem Solver und Rechengenauigkeiten<br />

für die Lösung <strong>der</strong> Differential-algebraischen<br />

Gleichungssysteme gewählt werden. Die Simulationsergebnisse<br />

werden innerhalb des Simulators verwaltet,<br />

können aber zur Visualisierung und Speicherung<br />

über die zur Aufzeichnung von Messdaten vorhandene<br />

OPC-Schnittstelle nach Comos zurückgespielt werden.<br />

5. SIMULATIVE VALIDIERUNG<br />

Die in Abschnitt 4 aus Anlagendaten erstellten Simulationsmodelle<br />

lassen sich je nach <strong>Entwicklung</strong>sstand für<br />

die Validierung <strong>der</strong> A-SW einsetzen. In frühen Phasen<br />

liegt nur eine unvollständige Beschreibung in Comos<br />

vor, wohingegen zu einem späteren Zeitpunkt das vollständige<br />

PCS 7-Projekt mit einbezogen werden kann.<br />

5.1 Validierung in frühen Phasen<br />

In frühen Phasen kann in Comos bereits unabhängig vom<br />

Zielsystem eine im Mengengerüst reduzierte Beschreibung<br />

<strong>der</strong> <strong>Automatisierung</strong> in Form von Funktionsplänen<br />

erstellt werden. Diese umfasst wesentliche Schrittketten<br />

und Regelungen. Die Pläne werden in gleicher Weise<br />

ausgelesen, wie zuvor für P&IDs beschrieben. Dies erlaubt<br />

eine Validierung <strong>der</strong> bereits implementierten Au-<br />

BILD 3:<br />

SPES-Modellierungsframework,<br />

siehe [13],<br />

ergänzt um grundsätzliche<br />

Vorgehensweisen (grüne<br />

Pfeile) und absichernde<br />

Maßnahmen (rote Pfeile)<br />

BILD 4:<br />

Navigationsbaum<br />

und P&ID in Comos<br />

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

6 / 2013<br />

29

HAUPTBEITRAG<br />

BILD 5: Simulation von Bedien philosophie und Anlagenlayout<br />

durch Kopplung von Comos und Cosmos<br />

BILD 6: Zusammenspiel <strong>der</strong> Simulation<br />

von Prozess und <strong>Automatisierung</strong><br />

tomatisierungsfunktionen in einer diskret-kontinuierlichen<br />

Simulationsumgebung für Prozess und <strong>Automatisierung</strong>.<br />

So können <strong>Entwicklung</strong>szeit und -kosten eingespart<br />

werden, indem Steuerungssequenzen und<br />

Regelungskonzepte zu einem früheren Zeitpunkt überprüft<br />

und Fehlentscheidungen korrigiert werden.<br />

Bei <strong>der</strong> Pumpstation können bereits in frühen Phasen –<br />

entsprechend einem oberen abstraction layer und logical<br />

viewpoint aus dem SPES-Modellierungsframework (Bild 3)<br />

– Bedienphilosophie und Anlagenlayout durch Simulation<br />

mit Cosmos validiert werden (Bild 5). Dabei wird <strong>der</strong> Simulator<br />

so in Comos eingebettet, dass die Comos-GUI auch als<br />

GUI für die Simulation dient. Nach dem Export <strong>der</strong> Daten<br />

aus Comos nach Cosmos werden <strong>der</strong> kontinuierliche Prozess<br />

und <strong>der</strong> frühe Stand <strong>der</strong> <strong>Automatisierung</strong> in Cosmos<br />

gegeneinan<strong>der</strong> ausgeführt. Es können verschiedene Szenarien<br />

wie Ein- o<strong>der</strong> Ausschalten von Pumpen mit dem<br />

Durchlaufen <strong>der</strong> zugehörigen Schrittketten (SFC) getestet<br />

werden. Darüber hinaus lässt sich validieren, ob die CFC’s<br />

<strong>der</strong> Durchfluss- o<strong>der</strong> Bypassregelung entsprechend <strong>der</strong> Bedienphilosophie<br />

funktionieren, o<strong>der</strong> <strong>der</strong> Sollfüllstand für<br />

das Intermediate Reservoir festgelegt werden [15] kann.<br />

REFERENZEN<br />

[1] Siemens: Technische Dokumentation Comos.<br />

http://www.automation.siemens.com/mcms/industrialautomation-systems-simatic/de/handbuchuebersicht/<br />

comos-manuals/Seiten/Default.aspx<br />

[2] Eigner, M.: PLM Future – Trends in Forschung und Praxis.<br />

Vortrag PLM Future 2009,<br />

http://vpe.mv.uni-kl.de/cms/fileadmin/user_upload/PDF/<br />

PLM_Future_2009/PLM_Future_pdf.pdf<br />

[3] Hoyer, M, Schumann, R., Hoffmann, P., Prermier, G.C.:<br />

Virtuelle Inbetriebnahme mit ModelCAT – Vom Prototypen<br />

zum Industriellen Einsatz. In: Tagungsband Automation<br />

2008, S 203-206. VDI-Verlag 2008<br />

[4] Greifene<strong>der</strong>, J, Weber, P., Barth, M., Fay, A.: Simulationsbasierte<br />

Steuerungsfunktionstests. <strong>atp</strong> <strong>edition</strong> - <strong>Automatisierung</strong>stechnische<br />

Praxis 55(4), S. 34-41, 2012<br />

[5] Barth, M., Fay, A., Weber, P.: Simulationsbasierte Steuerungsfunktionstests.<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong> - <strong>Automatisierung</strong>stechnische<br />

Praxis 55(5), S. 54-61, 2012<br />

[6] Krause, H., Frick, A., Schiefloe, T.: Life Cycle Support per<br />

Simulator. <strong>atp</strong> <strong>edition</strong> - <strong>Automatisierung</strong>stechnische Praxis<br />

54(9), S. 32-38, 2011<br />

[7] Manske, H., Lotz, P., Neuhold, T.: Effektive Hardware-inthe-Loop<br />

Simulation für Verfahrenstechnische Anlagen.<br />

In: Tagungsband Automation 2008, S. 191-194.<br />

VDI-Verlag 2008<br />

[8] Siemens: White Paper: Engineering auf <strong>der</strong> Überholspur.<br />

https://www.automation.siemens.com/mcms/processcontrol-systems/SiteCollectionDocuments/efiles/pcs7/<br />

support/marktstudien/WP_Fast-Track-Engineering_DE.pdf<br />

[9] VDI 2221: Methodik zum Entwickeln und Konstruieren<br />

technischer Systeme und Produkte. 1993. www.beuth.de<br />

[10] VDI 2206, <strong>Entwicklung</strong>smethodik für mechatronische<br />

Systeme, 2004. www.beuth.de<br />

[11] Follmer, M., Hehenberger, P., Punz, S., Rosen, R.,<br />

Zeman, K.: Approach for the creation of mechatronic system<br />

models. In: Culley, S. J., McAloone, B. J., Howard, T. J.,<br />

30<br />

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

6 / 2013

5.2 Validierung <strong>der</strong> Originalsoftware<br />

Sobald das <strong>Automatisierung</strong>sprojekt einen gewissen Reifegrad<br />

erreicht hat und die A-HW fixiert ist, wird es von<br />

Comos in den Simatic-Manager, das Projektierungstool für<br />

PCS 7, überführt, sodass das weitere Engineering innerhalb<br />

dieses Tools durchgeführt wird. Än<strong>der</strong>ungen werden<br />

zu Dokumentationszwecken an Comos zurückgespielt.<br />

Die Simatic-Produktfamilie beinhaltet mit PLC SIM<br />

eine Simulationsumgebung für den funktionalen Test<br />

von A-SW auf dem PC, die mittels einer COM-Schnittstelle<br />

mit dem Prozesssimulator Cosmos gekoppelt wird.<br />

Alternativ kann auch Simit, die Simatic-Simulation für<br />

die VIBN, verwendet werden, <strong>der</strong>en Modelle analog aus<br />

Comos gewonnen werden. Zusätzlich wird das Visualisierungssystem<br />

WinCC mit <strong>der</strong> realen Bedienoberfläche<br />

für die Pumpstation eingebunden, um diese zu bedienen<br />

(Bild 6). In <strong>der</strong> A-SW sind zu diesem <strong>Entwicklung</strong>sstand<br />

die Originalbausteine <strong>der</strong> <strong>Automatisierung</strong>, wie Treiberbausteine,<br />

enthalten. Zudem sind alle entsprechenden<br />

Sicherheitsfunktionen, wie das Abschalten einer Pumpe<br />

beim Auftreten eines defekten, nachgelagerten Ventils<br />

implementiert. Die reale A-SW, zu Beginn des Abschnitts<br />

auch Originalsoftware genannt, kann auf PLC SIM geladen<br />

und gegen die Prozesssimulation aus den frühen<br />

Phasen validiert werden.<br />

RESÜMEE UND AUSBLICK<br />

Plant-Engineering-Systeme ermöglichen im Zusammenspiel<br />

mit Plant-Management-Systemen eine konsistente,<br />

gewerkeübergreifende Dokumentation und ein durchgängiges<br />

Engineering <strong>der</strong> <strong>Automatisierung</strong>. Ausgehend von<br />

Verfahrensfließschemata können sukzessive die <strong>Automatisierung</strong>sfunktionen<br />

(AF) sowie SW/HW-Konfigurationen<br />

projektiert werden. Die verstärkte Verzahnung <strong>der</strong> Werk-<br />

zeuge erlaubt eine schnelle Anpassung an sich än<strong>der</strong>nde<br />

Anfor<strong>der</strong>ungen, wie modifizierte Betriebsziele, energieoptimierte<br />

Fahrweisen o<strong>der</strong> Anlagenerweiterungen.<br />

Der Beitrag zeigt eine Methodik auf, Anlagen mit ihren<br />

AF in bereits frühen Phasen hinsichtlich Betriebsführungskonzepten<br />

und wesentlichen Steuerungs- und Regelungsaspekten<br />

zu validieren. Dies erfolgt durch eine Generierung<br />

von dynamischen Simulationen <strong>der</strong> projektierten<br />

AF und <strong>der</strong> Prozesstechnik. Ziel zukünftiger Arbeiten wird<br />

sein, den Aufwand durch automatisierte Simulationsgenerierung<br />

weiter zu verringern und durch abstraktere Modelle<br />

den Einsatz simulativer Validierungen in noch früheren<br />

Phasen zu ermöglichen.<br />

MANUSKRIPTEINGANG<br />

02.01.2013<br />

DANKSAGUNG<br />

AUTOREN<br />

Im Peer-Review-Verfahren begutachtet<br />

Diese Arbeit wurde durch das BMBF-Projekt<br />

SPES_XT (www.spes2020.de) geför<strong>der</strong>t.<br />

Dipl.-Tech. Math. VERONIKA BRANDSTETTER (geb. 1986) ist<br />

Mathematikerin im Technology Field Automation and Control<br />

bei Siemens Corporate Technology. Dort beschäftigt sie sich<br />

mit <strong>der</strong> <strong>Entwicklung</strong> von Methoden für ein durchgängigeres<br />

Engineering und einen verbesserten Betrieb von verfahrenstechnischen<br />

Anlagen auf Basis von Simulation.<br />

Dr. ANDREAS PIRSING (geb. 1964) ist Verfahrenstechniker in <strong>der</strong><br />

Division Industrial Automation bei Siemens Industry.<br />

Im Rahmen seiner Verantwortung für das Portfolio-Management<br />

für den Bereich Water and Wastewater arbeitet er an standardisierten<br />

Konzepten und Werkzeugen für die <strong>Automatisierung</strong> von<br />

Anlagen in <strong>der</strong> Wasserwirtschaft.<br />

Lindemann, U. (Hrsg.) Proc. 18th Int. Conf. Engineering<br />

Design ICED11, S. 258–267. The Design Society 2011<br />

[12] Zafirov, R., Eigner, M.: Model Based Systems Engineering<br />

für automatisierte Anlagen, In: Tagungsband 4. PLM Future<br />

Tagung Mannheim 2012.<br />

http://vpe.mv.uni-kl.de/cms/index.php?id=1415<br />

[13] Pohl, K., Hönninger, H., Achatz, R., Broy, M.: Model-Based<br />

Engineering of Embedded Systems. The SPES 2020<br />

Methodology. Springer 2012<br />

[14] Wöllhaf, K., Rosen, R.: A component–oriented simulation<br />

approach for industrial plant models: The PlantSim simulation<br />

tool. In: Proc. ESM 2000, S. 291–295. SCS Europe 2000<br />

[15] Wehrstedt, J.C., Rosen, R., Pirsing, A., Dietz, C.:<br />

Simulation Based Engineering – Frühzeitige Validierung<br />

von Anlagenkonzepten. In: Gausemeier, J., Grafe, M.,<br />

Meyer auf <strong>der</strong> Heide, F. (Hrsg.) Wissenschaftsforum 2011<br />

Intelligente Technische Systeme, S. 175–186. Universität<br />

Pa<strong>der</strong>born Heinz Nixdorf Inst. 2011<br />

Dipl.-Math. ROLAND ROSEN (geb. 1962) ist bei Siemens Corporate<br />

Technology für die Research Group Modeling & Simulation<br />

Technologies verantwortlich. Sein Arbeitsschwerpunkt liegt in<br />

<strong>der</strong> Realisierung simulationsbasierter Methoden für die <strong>Entwicklung</strong><br />

komplexer Systeme, Anlagen und Infrastrukturen.<br />

Dr. JAN CHRISTOPH WEHRSTEDT (geb. 1977) ist Mathematiker<br />

im Technology Field Automation and Control bei Siemens<br />

Corporate Technology. Er beschäftigt sich mit <strong>der</strong> Integration von<br />

Simulations- und Modellierungsansätzen zu einem Simulation<br />

Based Engineering von technischen Anlagen und Systemen.<br />

Siemens AG,<br />

Corporate Technology, D-80200 München,<br />

Tel. +49 (0) 89 63 64 71 51,<br />

E-Mail: janchristoph.wehrstedt@siemens.com<br />

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

6 / 2013<br />

31

HAUPTBEITRAG<br />

Start-Stopp-Automatik für<br />

Nicht-Produktivphasen<br />

Höhere Energieeffizienz in <strong>Automatisierung</strong>ssystemen<br />

<strong>Automatisierung</strong>ssysteme können einen wesentlichen Beitrag zur Energieeffizienz <strong>der</strong><br />

Produktion liefern. Einsparpotenziale ergeben sich aus Prozessverbesserungen und insbeson<strong>der</strong>e<br />

aus <strong>der</strong> Nutzung des Energieeinsparpotenzials in Produktionspausen. Nicht-<br />

Produktivphasen werden bisher industriell nicht berücksichtigt, um Systeme <strong>der</strong> Fertigung<br />

automatisiert in energiesparende Modi zu versetzen. Im Beitrag wird auf Basis einer<br />

Testanlage ein System- und ein Optimierungsansatz vorgestellt, mit dem sich energieoptimale<br />

Strategien für Nicht-Produktivphasen analytisch berechnen lassen. Es wurde nachgewiesen,<br />

dass sich im Rahmen <strong>der</strong> vorgeschlagenen Start-Stopp-Automatik <strong>der</strong> Gesamtenergiebedarf<br />

im Zweischichtbetrieb um etwa 15 Prozent reduziert.<br />

SCHLAGWÖRTER Energieeffizienz / Nicht-Produktivphase / Start-Stopp-Automatik /<br />

ausführbare Strategie<br />

Automatic start/stop for non-productive phases –<br />

Increasing energy efficiency in automation systems<br />

Automation systems can make a consi<strong>der</strong>able contribution for energy-efficient industrial<br />

operations, both by improving processes and reducing consumption during breaks in<br />

production. We present a system model and optimization approach for analytically identifying<br />

energy-optimising strategies for non-productive phases. The proposed intelligent<br />

start/stop mechanism is shown to reduce the overall energy demand in two-shift operation<br />

by 15 per cent.<br />

KEYWORDS energy efficiency / non-productivity / start-stop mechanisms / executable<br />

strategy<br />

32<br />

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

6 / 2013

SEBASTIAN MECHS, Siemens/TU Clausthal<br />

STEFFEN LAMPARTER, JÖRN PESCHKE, Siemens<br />

JÖRG P. MÜLLER, TU Clausthal<br />

Aufgrund steigen<strong>der</strong> Energiepreise wird es<br />

immer wichtiger, die energetischen Aspekte<br />

während des Engineerings und des Betriebs<br />

von <strong>Automatisierung</strong>sanlagen zu berücksichtigen.<br />

Ein aus Verfügbarkeitsgesichtspunkten<br />

von Anlagen resultieren<strong>der</strong> energetischer<br />

Stellhebel, <strong>der</strong> bisher industriell wenig genutzt wird,<br />

ist das automatisierte Ansteuern von energieeffizienten<br />

Betriebsmodi <strong>der</strong> Anlage während Nicht-Produktivphasen<br />

[1]. Leerlaufzeiten werden jedoch hohe Energieeinsparpotenziale<br />

zugeschrieben [2]. Industriell<br />

eingesetzte, technische Energiemanagementsysteme<br />

(EMS) fokussieren noch sehr auf das Überwachen und<br />

Visualisieren von Energieströmen [3]. Aus Anwen<strong>der</strong>sicht<br />

ist <strong>der</strong> in technischen EMS nicht adressierte Aspekt<br />

<strong>der</strong> Start-Stopp-Automatik für Nicht-Produktivphasen<br />

ein vielversprechen<strong>der</strong> Ansatz, um die Energieeffizienz<br />

zu steigern [4].<br />

Um das Potenzial mithilfe einer solchen Start-Stopp-<br />

Automatik für <strong>Automatisierung</strong>sanlagen zu nutzen,<br />

werden Systemmodelle benötigt, die eine Abbildung<br />

problemrelevanter Informationen des <strong>Automatisierung</strong>ssystems<br />

erlauben. In modularen <strong>Automatisierung</strong>ssystemen<br />

können energieeffiziente Modi nicht<br />

beliebig angefahren werden. Es ist ein komplexes Zusammenspiel<br />

einzelner Subsysteme und <strong>der</strong>en internes<br />

Verhalten zu berücksichtigen. Bestehende Forschungsansätze<br />

adressieren diese Thematik noch unzureichend.<br />

Aus diesem Grund werden in diesem Beitrag neben einer<br />

Systembeschreibung, die Berechnung/Optimierung und<br />

die informationstechnische Realisierbarkeit von energieoptimierenden<br />

Strategien präsentiert. Als Strategie<br />

wird eine Vorschrift verstanden, welche als Resultat den<br />

zeitlichen Wechsel von Modi <strong>der</strong> Subsysteme beschreibt<br />

unter gleichzeitiger Berücksichtigung von strukturellen<br />

und verhaltensspezifischen Eigenschaften des Systems<br />

und <strong>der</strong> Subsysteme. Die vorgeschlagenen analytischen<br />

Modelle erlauben die Quantifizierung des Energieeinsparpotenzials.<br />

Damit kann eine Start-Stopp-Automatik<br />

als zukünftig integraler Bestandteil eines intelligenten<br />

EMS angesehen werden.<br />

1. STAND DER TECHNIK<br />

Neben <strong>der</strong> abstrakten Charakterisierung von EMS in [5,<br />

6] gibt es zahlreiche Ansätze zur Steigerung <strong>der</strong> Energieeffizienz<br />

in Produktionssystemen auf verschiedenen<br />

Planungs- und Entscheidungsebenen eines Unternehmens.<br />

Es ist zwischen global-optimierenden und lokaloptimierenden<br />

Ansätzen zu unterscheiden.<br />

Zu den globalen Ansätzen (Grobplanungsansätzen) zur<br />

Steigerung <strong>der</strong> Energieeffizienz, die von Detailinformationen<br />

abstrahieren, gehören Demand-Response-Ansätze<br />

[7]. Insbeson<strong>der</strong>e ereignisdiskrete Simulation findet bei<br />

PPC-Ansätzen zur iterativen Optimierung eines Produktionsdesigns<br />

Anwendung, die jedoch Expertenwissen<br />

benötigt, um die Parametrierung <strong>der</strong> häufig multiattributiven<br />

Simulation einzustellen und zu interpretieren<br />

[8, 9]. Ein wichtiger Aspekt auf dieser Ebene ist es, Materialflusssimulationen<br />

mit energetischen Aspekten zur<br />

Entscheidungsunterstützung anzureichern [10], welche<br />

für Subsysteme in <strong>der</strong> Regel eine Black-Box-Sicht einnehmen.<br />

Ohne die detaillierte Modellierung des Subsystemverhaltens<br />

lässt sich jedoch keine Strategie für Nicht-<br />

Produktivphasen ermitteln.<br />

Dagegen modellieren Detailplanungsansätze auf<br />

Multi-Maschinenebene das interne Verhalten von Einzelmaschinen<br />

und Komponenten [11, 12] zur Energiebedarfsoptimierung,<br />

jedoch mit Blick auf Produktivphasen<br />

des Systems. Hierbei liefern Kommunikationstechnologien<br />

zwar die Möglichkeit zur gezielten Zuund<br />

Abschaltung von Komponenten [13]. Fokus dieser<br />

Technologie ist die Realisierung <strong>der</strong> Schnittstelle zu<br />

den Feldgeräten und nicht die System- und Datenmodellierung.<br />

Eingebettete Systeme und Einzelkomponenten<br />

<strong>der</strong> Feldebene wie Aktoren haben bereits eingebaute<br />

Standby-Modi. Beispielsweise können für<br />

elektrische Antriebe automatisch Standby-Modi (Lüfter<br />

des Motors wird abgeschaltet) nach einer definierten<br />

Zeitdauer eingenommen werden. Allerdings benötigen<br />

Anwen<strong>der</strong> neben <strong>der</strong> technischen Realisierung von<br />

Schaltvorgängen, eine Entscheidungshilfe wann und<br />

wie ein komplexes, aus mehreren Komponenten beste-<br />

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

6 / 2013<br />

33

HAUPTBEITRAG<br />

hendes <strong>Automatisierung</strong>ssystem geschaltet werden<br />

soll. Mit <strong>der</strong> Start-Stopp-Automatik wird eine Erweiterung<br />

des Stands <strong>der</strong> Technik vorgeschlagen, <strong>der</strong> die<br />

technische Realisierbarkeit von Strategien für Nicht-<br />

Produktivphasen adressiert.<br />

2. START-STOPP-AUTOMATIK<br />

Zwei spezifische Eigenschaften von <strong>Automatisierung</strong>ssystemen<br />

sind für ein störungsfreies Herunter- und Wie<strong>der</strong>anlaufen<br />

zu berücksichtigen. Zum einen benötigt ein<br />

aus Subsystemen aufgebautes <strong>Automatisierung</strong>ssystem<br />

eine gewisse Zeitspanne. Zum an<strong>der</strong>en sind strukturelle<br />

Beziehungen zwischen den einzelnen Subsystemen<br />

zu beachten. Ziel <strong>der</strong> Start-Stopp-Automatik ist es daher,<br />

offline Strategien (zeitliche Abfolge von Modi <strong>der</strong> jeweiligen<br />

Subsysteme) analytisch zu ermitteln, die dann zur<br />

Laufzeit des Systems garantiert und zur Ausführung<br />

gebracht werden können.<br />

Um eine Start-Stopp-Automatik zu realisieren, sind<br />

mehrere funktionale Elemente notwendig (Bild 1). Die<br />

analytische Vorgehensweise erfor<strong>der</strong>t zunächst ein<br />

energiezentriertes Systemmodell (1). Dieses Modell bildet<br />

die relevanten Eigenschaften des <strong>Automatisierung</strong>ssystems<br />

ab. Es dient als Grundlage, um mittels<br />

Berechnung Strategien zu identifizieren, die zur Laufzeit<br />

zur Ausführung gebracht werden können, ohne<br />

Störungen im System zu verursachen (2). Geplante Pausenzeiten<br />

ergeben sich aus <strong>der</strong> aktuellen Feinplanung.<br />

Der Anspruch, eine energieoptimale Strategie für eine<br />

gegebene Pausenzeit zu identifizieren, erfor<strong>der</strong>t zudem<br />

die Lösung des Optimierungsproblems. Aus einer modellbasiert<br />

erzeugten Strategie ist weiterhin eine vom<br />

System ausführbare Strategie abzuleiten (3). Zusätzlich<br />

müssen die Steuerungseinheiten die Modellinformation<br />

des energiezentrierten Systemmodells in den jeweiligen<br />

Steuerungsprogrammen (SP) abbilden (4). Die<br />

funktionalen Elemente (1), (2) und (3) wurden im Rahmen<br />

<strong>der</strong> präsentierten Start-Stopp-Automatik implementiert.<br />

2.1 Energiezentriertes Systemmodell<br />

Ein energiezentriertes Systemmodell wird zur Darstellung<br />

<strong>der</strong> Beziehung zwischen Subsystemen (strukturelle<br />

Eigenschaften) und dem subsysteminternen<br />

Verhalten (verhaltensspezifische Eigenschaften) benötigt.<br />

Dieses Modell muss das Modularisierungskonzept<br />

darstellen können. Subsystemspezifisches Verhalten<br />

drückt sich in Leistungsaufnahmen beim Verweilen<br />

in einem spezifischen Modus sowie zeitlichen<br />

Aspekten beim Übergang von einem Modus in einen<br />

an<strong>der</strong>en aus. Die gewählte UML-Zustandsdiagrammbeschreibung<br />

(Bild 2) fußt auf <strong>der</strong> formal-mathematischen<br />

Darstellung durch kosten- und zeitattributierte<br />

Automaten [14].<br />

BILD 1: Funktionale<br />

Elemente (1, 2, 3)<br />

und Anpassungen (4)<br />

zur Realisierung<br />

einer Start-Stopp-<br />

Automatik<br />

34<br />

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

6 / 2013

Im Beispiel werden zwei orthogonale Subsysteme (zum<br />

Beispiel Subsystem 1 : Laserpunktschweißroboter, Subsystem<br />

2 : Laserquelle) eines Gesamtsystems (Laserpunktschweißroboter<br />

mit glasfasergekoppelter Laserquelle)<br />

gezeigt, die miteinan<strong>der</strong> über globale Variablen (sv i ) ihre<br />

strukturelle Abhängigkeit beim Übergang von einem<br />

Modus (m i ) in einen an<strong>der</strong>en kommunizieren können.<br />

Werte von globalen Variablen sv 1 (sv 2 ) lassen sich mit<br />

einer Zuweisung än<strong>der</strong>n (beispielsweise sv 1 = m 3 ), um<br />

den momentanen Modus zu aktualisieren. Beide Subsysteme<br />

durchlaufen von einem Aus-Modus (m 0 ) zu einem<br />

Produktivmodus (Subsystem 1 : m 6 , Subsystem 2 : m 5 ) verschiedene<br />

Zwischenmodi. Zudem wird eine Uhrenvariable<br />

(c) eingeführt, welche es erlaubt, zeitliche Aspekte<br />

beim Übergang auszudrücken. Bedingungen (Guards) an<br />

einer Transition werden mit den logischen Operatoren<br />

(≠, = = bezüglich <strong>der</strong> globalen Variablen und bezüglich <strong>der</strong> Uhrenvariable) repräsentiert.<br />

Ein Beispiel für eine strukturelle Abhängigkeit ist<br />

beim Übergang von Modus m 5 zu m 6 in Subsystem 1 annotiert:<br />

[sv 2 == m 5 ]. Dies drückt aus, dass <strong>der</strong> Punktschweißroboter<br />

erst in den Produktivmodus m 6 wechseln<br />

darf, wenn die Laserquelle bereits im Produktivmodus<br />

angekommen ist. Die Uhrenvariable wird mit<br />

<strong>der</strong> Zuweisung c = 0 zurückgesetzt. Je<strong>der</strong> Modus beschreibt<br />

die Leistungsaufnahme (pc) beim Verweilen<br />

im jeweiligen Modus mit einem konstanten Wert. Eingaben,<br />

die den Wechsel zwischen Modi innerhalb eines<br />

Subsystems initiieren, werden mit σ i repräsentiert.<br />

Konstante Leistungsaufnahmen <strong>der</strong> Modi abstrahieren<br />

von kurzzeitigen Schwankungen zur Systemlaufzeit.<br />

Trotzdem kann eine Selektion <strong>der</strong> optimalen Strategie<br />

mithilfe dieser Modellierung erfolgen, da sich<br />

Leistungsaufnahmen einzelner Modi wesentlich unterscheiden,<br />

es damit zu keiner Falschselektion kommt,<br />

und zur Laufzeit vorliegende Schwankungen (zum<br />

Beispiel erhöhte Leistungsaufnahmen durch Einschaltströme)<br />

nur kurzzeitig vom Modell abweichen. Das vorgestellte<br />

Modell bildet im Weiteren die Grundlage für<br />

Strategieberechnungen.<br />

2.2 Berechnung möglicher Strategien<br />

Eine typische Anfor<strong>der</strong>ung für eine Start-Stopp-Automatik<br />

ist das Einnehmen eines Zielmodus ausgehend<br />

von einem Initialmodus unter Berücksichtigung eines<br />

vorgegebenen Zeitintervalls (zum Beispiel geplante Produktionspause).<br />

Hierfür werden alle zeitlich realisierbaren<br />

Modi-Abfolgen (Schaltsequenzen) eines Subsystems<br />

mittels symbolischer Erreichbarkeitsanalyse ermittelt.<br />

Diese Schaltsequenzen werden dann zu Strategien<br />

des Systems kombiniert [15]. Bild 3 zeigt zwei<br />

alternative Strategien für die in Bild 2 eingeführten<br />

Subsysteme bei einer gegebenen Pausendauer von 270<br />

Zeiteinheiten und den Initial- beziehungsweise Zielmodi<br />

m 6 und m 5 . Die zeitliche Abfolge <strong>der</strong> Modi (m i )<br />

wird durch die zeitattributierten Transitionen vorgege-<br />

BILD 2: UML-Zustands -<br />

diagramm zweier<br />

orthogonaler Subsysteme<br />

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

6 / 2013<br />

35

HAUPTBEITRAG<br />

ben. Zeitaspekte, wie das Verweilen von Subsystem 1 in<br />

Modus m 7 für mindestens 60 Zeiteinheiten, sind berücksichtigt.<br />

Die Subsystemabhängigkeit beim Übergang von<br />

Modus m 5 nach m 6 (Subsystem 1 ) ist gekennzeichnet.<br />

Zusätzlich wird bei <strong>der</strong> Strategieberechnung auf das<br />

Minimalschaltprinzip abgestellt, das besagt, dass wie<strong>der</strong>holtes<br />

Durchlaufen von Schleifen innerhalb einer<br />

Schaltsequenz eliminiert wird, um damit unnötige<br />

Übergänge zwischen Modi zu vermeiden.<br />

Grundsätzlich ist eine Vielzahl an Strategien möglich,<br />

wie dies in Bild 3 angedeutet wird. Keine <strong>der</strong> beiden<br />

Strategien repräsentiert zudem die energieoptimale Strategie<br />

für das gegebene Zeitintervall. Daher ist ein Ansatz<br />

notwendig, um die energieoptimale Strategie für eine<br />

gegebene Pausendauer zu berechnen.<br />

2.3 Strategieoptimierung<br />

Zur Vergleichbarkeit von unterschiedlichen Strategien<br />

wird jede Strategie als kombinatorisches Optimierungsproblem<br />

mit <strong>der</strong> folgenden Zielfunktion dargestellt (Gleichung<br />

1). Die Zielfunktion besitzt als Entscheidungsvariablen<br />

die Menge <strong>der</strong> Zeitdauern <strong>der</strong> Modi v i (v i sind<br />

Intervallvariablen) einer Schaltsequenz seq k<br />

im Subsystem<br />

p. Jede Zeitdauer eines Modus wird mit <strong>der</strong> jeweiligen<br />

Leistungsaufnahme pc i gewichtet.<br />

Minimiere<br />

i<br />

pc ( v ( seq )) Zeitdauer(<br />

v ( seq )) (1)<br />

i<br />

i<br />

p<br />

k<br />

i<br />

p<br />

k<br />

Neben <strong>der</strong> Zielfunktionsformulierung werden die Modiabfolgen<br />

und zeitliche Einschränkungen <strong>der</strong> Modi als<br />

Nebenbedingung ausgedrückt. Dabei muss das Ende einer<br />

Intervallvariable v i vor dem Start einer Nachfolgeintervallvariable<br />

v i + 1 liegen. Uhrenguards (siehe Bild 2)<br />

werden als Einschränkungen <strong>der</strong> Intervallvariablen formuliert.<br />

Strukturelle Abhängigkeiten sind zudem als<br />

weitere Nebenbedingung auszudrücken, welche die zeitliche<br />

Reihenfolge von Intervallvariablen einschränkt.<br />

Zusätzlich wird gefor<strong>der</strong>t, dass die Summe <strong>der</strong> Zeitdauern<br />

<strong>der</strong> Intervallvariablen innerhalb <strong>der</strong> vorgegebenen<br />

Pausendauer liegt.<br />

Diese Vorgehensweise erlaubt es, das Energieminimum<br />

einer Strategie zu berechnen. Alternative Strategien<br />

können bezüglich ihres minimalen Energiebedarfs<br />

miteinan<strong>der</strong> verglichen und somit die energieoptimale<br />

Strategie identifiziert werden. Da das Auffinden <strong>der</strong><br />

energieoptimalen Strategie ein algorithmisch schwer<br />

zu lösendes Problem ist, wird ein für praktische Probleme<br />

effizienter Berechnungsalgorithmus vorgeschlagen.<br />

Dessen Funktionsweise wird grafisch anhand von<br />

Bild 4 gezeigt. Die Nutzung von Strukturinformationen<br />

(Systemmodularität) unterstützt hierbei die gezielte<br />

Suche nach <strong>der</strong> energieminimalen Strategie. Unterschieden<br />

wird in diesem Zusammenhang zwischen<br />

verbundenen Strategien (System als Summe abhängiger<br />

Subsysteme) und unverbundenen Strategien (System<br />

als Summe unabhängiger Subsysteme). Beide Strategieformen<br />

besitzen die gleiche zeitliche Modiabfolge unter<br />

Beachtung zeitlicher Nebenbedingungen. Unverbundene<br />

Strategien bilden jedoch keine strukturellen Subsystemabhängigkeiten<br />

ab und lassen sich somit als ein<br />

relaxiertes Optimierungsproblem auffassen. Diese Vorgehensweise<br />

ermöglicht die effiziente Berechnung des<br />

Energiebedarfs einer unverbundenen Strategie durch<br />

getrennte Optimierung <strong>der</strong> Schaltsequenzen. Die Energiewerte<br />

<strong>der</strong> unverbundenen Strategien repräsentieren<br />

das zu erzielende, absolute Energieminimum einer verbundenen<br />

Strategie. Zudem sind alle Strategien aufsteigend<br />

nach dem Energiewert <strong>der</strong> unverbundenen Strategien<br />

geordnet. Im Gegensatz zu unverbundenen Strategien<br />

bezieht eine verbundene Strategie strukturelle<br />

Subsystemabhängigkeiten mit ein. Ihre Energiebedarfe<br />

sind daher immer größer o<strong>der</strong> gleich <strong>der</strong> Energiebedarfe<br />

von unverbundenen Strategien. Ziel ist es, die verbundene<br />

Strategie mit dem niedrigsten Energiebedarf<br />

zu identifizieren.<br />

Ein selektives Verfahren kann den modularen Aufbau<br />

des <strong>Automatisierung</strong>ssystems nutzen, um gezielt<br />

diese verbundene Strategie zu identifizieren [16]. Dieses<br />

garantiert das Auffinden einer energieoptimalen verbundenen<br />

Strategie, falls diese existiert. Zunächst werden<br />

in diesem Beispiel alle unverbundenen Strategien 1<br />

bis 8 nach ihrem Energiebedarf ansteigend sortiert.<br />

Nun wird iterativ versucht, beginnend mit <strong>der</strong> Strategie<br />

1, zu je<strong>der</strong> unverbundenen Strategie die zugehörige<br />

verbundene Strategie und <strong>der</strong>en Energiebedarf zu berechnen.<br />

Falls zu einer unverbundenen Strategie die<br />

verbundene Strategie existiert, wird überprüft, ob <strong>der</strong><br />

Energiebedarf <strong>der</strong> verbundenen Strategie das momentane<br />

Energieminimum (lokale obere Schranke) darstellt.<br />

Falls ja, dann wird diese verbundene Strategie<br />

als globale untere Schranke gespeichert. Sobald <strong>der</strong><br />

Energiewert einer unverbundenen Strategie größer o<strong>der</strong><br />

gleich <strong>der</strong> aktuellen unteren Schranke ist, kann die<br />

Suche abgebrochen werden (ab <strong>der</strong> unverbundenen<br />

Strategie 5), da keine bessere Lösung als die gefundene<br />

globale untere Schranke (verbundene Strategie 3) für<br />

das Problem existieren kann. In untersuchten Praxisfällen<br />

mit unterschiedlich großer Anzahl von möglichen<br />

Strategien und Subsystem-Abhängigkeiten konnte<br />

damit die Rechenzeit um über 70 Prozent im Vergleich<br />

zu einer vollständigen Enumeration <strong>der</strong> verbundenen<br />

Strategien gesenkt werden, siehe [16]. Das<br />

garantierte Auffinden <strong>der</strong> energieminimalen verbundenen<br />

Strategie kann jedoch schlechtestenfalls dazu<br />

führen, dass alle verbundenen Strategien berechnet<br />

werden müssen.<br />

2.4 Strategieausführung und -überwachung<br />

Eine auf Basis des Systemmodells berechnete energieoptimale<br />

Strategie wird mittels Strategieausführung und<br />

-überwachung im <strong>Automatisierung</strong>ssystem während<br />

einer geplanten Pause ausgelöst. Es muss jedoch dem<br />

Umstand Rechnung getragen werden, dass das Modell<br />

in <strong>der</strong> Regel das System nicht exakt wi<strong>der</strong>spiegelt. Insbeson<strong>der</strong>e<br />

die Zeitinformationen bezüglich Übergänge<br />

zwischen Modi unterliegen Mess-Ungenauigkeiten. Auf<br />

unpräzise Modellinformationen muss die Strategieausführung<br />

mit robustem Triggern <strong>der</strong> berechneten Abfolge<br />

36<br />

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

6 / 2013

BILD 3: Zwei alternative Strategien<br />

von Subsystem1 und Subsystem2<br />

BILD 4: Strukturnutzende Identifizierung<br />

<strong>der</strong> energieminimalen Strategie<br />

<strong>der</strong> Modi reagieren. Das Verletzen von strukturellen Nebenbedingungen<br />

würde dazu führen, dass das <strong>Automatisierung</strong>ssystem<br />

in einen Fehler- und Störungsmodus<br />

geht. Um dies zu vermeiden, triggert die Strategieausführung<br />

den nächstmöglichen Modus erst dann, wenn<br />

alle Vorbedingungen (Vorgängermodus ist abgeschlossen,<br />

alle über die globalen Variablen ausgedrückten Subsystemabhängigkeiten<br />

werden nicht verletzt) für den<br />

Wechsel in den Modus erfüllt sind.<br />

3. EVALUIERUNG DES EINSPARPOTENZIALS<br />

Bevor das Energieeinsparpotenzial anhand einer Testanlage<br />

ermittelt wird, soll das prozentuale Sparpotenzial<br />

durch Strategien für Nicht-Produktivphasen beziffert<br />

werden. Das Einsparpotenzial ergibt sich aus<br />

dem Vergleich eines <strong>Automatisierung</strong>ssystems mit<br />

Start-Stopp-System mit einem <strong>Automatisierung</strong>ssystem<br />

ohne intelligente Nutzung <strong>der</strong> geplanten Pausenzeiten.<br />

Als Beispiel soll ein Zweischichtbetrieb dienen,<br />

in dem pro 24 Stunden eine siebenstündige arbeitsfreie<br />

Nacht und eine einstündige Pause zwischen den<br />

Schichten angenommen wird. Dadurch befindet sich<br />

das <strong>Automatisierung</strong>ssystem bestenfalls zu zwei Dritteln<br />

<strong>der</strong> Gesamtzeit im Produktivbetrieb und zu einem<br />

Drittel im Nicht-Produktivbetrieb. Das Fertigungssystem<br />

hat eine 100-prozentige Leistungsaufnahme im<br />

Produktivbetrieb. Während Nicht-Produktivphasen<br />

besitzt ein <strong>Automatisierung</strong>ssystem ohne Start-Stopp-<br />

Automatik eine mittlere prozentuale Leistungsaufnahme<br />

von a Prozent. Dagegen hat ein <strong>Automatisierung</strong>ssystem,<br />

das mit einer Start-Stopp-Automatik für Nicht-<br />

Produktivphasen ausgestattet ist, eine mittlere prozentuale<br />

Leistungsaufnahme von b Prozent (a > b). Daraus<br />

ergibt sich folgendes Energieeinsparpotenzial EnP<br />

(Gleichung 2).<br />

1<br />

EnP = ( a b)<br />

[%] (2)<br />

3<br />

In <strong>der</strong> untersuchten Testanlage liegen <strong>der</strong> Durchschnittswert<br />

von a bei 0,55 und <strong>der</strong> Wert für b bei 0,05.<br />

Damit lässt sich im Schnitt eine Energieeinsparung von<br />

knapp 17 Prozent durch eine Start-Stopp-Automatik erreichen.<br />

Dieses Einsparpotenzial deckt sich mit Angaben<br />

aus Untersuchungen, die ein Einsparpotenzial von 20<br />

Prozent feststellen [4, 17].<br />

Das in Bild 5 gezeigte Einsparpotenzial wurde anhand<br />

einer modularen Testanlage simulationsbasiert untersucht.<br />

Die Testanlage automatisiert das Befüllen, Prüfen<br />

und Kommissionieren von Behältern in neun interagierenden<br />

Subsystemen (Subsysteme gemäß Bild 2). Die<br />

Anlage wird in Produktionspausen mittels Ausführung<br />

vorberechneter Strategien in energieeffiziente Modi versetzt.<br />

Zum Vergleich sind <strong>der</strong> Energiebedarf ohne Strategie<br />

mit EnI idl , <strong>der</strong> Energiebedarf bei Einsatz einer Start-<br />

Stopp-Automatik mit EnI sw und das Energieeinsparpotenzial<br />

mit EnS (EnI idl - EnI sw ) gekennzeichnet. Unterschieden<br />

wird zwischen kurzfristigen Pausenzeiten (a)<br />

(Subsysteme in „Betriebsbereit“ am Anfang/Ende <strong>der</strong><br />

Pause) und langfristigen Pausendauern (b) (Subsysteme<br />

in „Standby-Modus“ am Anfang/Ende <strong>der</strong> Pause).<br />

Für die Betrachtung <strong>der</strong> reinen Nicht-Produktivphase<br />

ergeben sich selbst bei kurzen Pausenzeiten Einsparungen<br />

in <strong>der</strong> Größenordnung von über 80 Prozent. Die<br />

absoluten Energieeinsparungen werden insbeson<strong>der</strong>e<br />

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

6 / 2013<br />

37

HAUPTBEITRAG<br />

bei Langfristpausen interessant, da hier das <strong>Automatisierung</strong>ssystem<br />

komplett elektrisch ausgeschaltet werden<br />

kann.<br />

Bei einer Volllastleistungsaufnahme von 3106 Watt <strong>der</strong><br />

Testanlage ergibt sich ein Gesamtenergieeinsparpotenzial<br />

des <strong>Automatisierung</strong>ssystems mit Start-Stopp-Automatik<br />

von 14,8 Prozent, siehe Tabelle 1. Durch Modellvalidierung<br />

konnte eine durchschnittliche Unterschätzung des<br />

tatsächlich benötigten Energiebedarfs von etwa 10 Prozent<br />

für unterschiedliche Strategien in Nicht-Produktivphasen<br />

aufgrund vereinfachter Modellannahmen ermittelt werden.<br />

Dieser prozentuale Fehler hat jedoch aufgrund <strong>der</strong><br />

geringen Energiebedarfe <strong>der</strong> Strategien kaum Auswirkung<br />

auf die Gültigkeit <strong>der</strong> Energiebedarfsprognose.<br />

FAZIT<br />

In diesem Beitrag wurden Konzepte und Methoden für<br />

eine intelligente Start-Stopp-Automatik vorgestellt.<br />

Diese erlauben es dem Betreiber einer <strong>Automatisierung</strong>sanlage,<br />

ein System während Nicht-Produktivphasen<br />

mittels robuster Ausführung vorberechneter Strategien<br />

in energieeffiziente Modi zu versetzen. Basis <strong>der</strong><br />

Strategieberechnung sind eine energiezentrierte Systemmodellierung<br />

und daraus abgeleitete energieoptimale<br />

Strategien für spezifische Initial- und Zielmodi<br />

sowie entsprechende Pausendauern. Die Strategieausführung<br />

wurde durch robuste Reaktion auf Modell-<br />

System-Abweichungen unterstützt. Die Evaluation<br />

anhand einer modularen Testanlage zeigte das Energieeinsparpotenzial<br />

von knapp 15 Prozent verglichen<br />

mit <strong>der</strong> Testanlage ohne Start-Stopp-Automatik.<br />

MANUSKRIPTEINGANG<br />

06.02.2013<br />

Im Peer-Review-Verfahren begutachtet<br />

Betrachtungszeitraum<br />

ohne Start-Stopp-<br />

Automatik<br />

mit Start-Stopp-<br />

Automatik<br />

16 Stunden Produktivbetrieb 178.905 [kJ] 178.905 [kJ]<br />

1 Stunde Nicht-Produktivbetrieb 6.228 [kJ] 55 + 10% [kJ]<br />

7 Stunden Nicht-Produktivbetrieb 24.857 [kJ] 55 + 10% [kJ]<br />

Summe 209.990 [kJ] 179.015 + 0,006% [kJ]<br />

TABELLE 1:<br />

Durchschnittlicher Energiebedarf<br />

(24 Stunden) mit und<br />

ohne Start-Stopp-Automatik<br />

im Zwei-Schichtbetrieb<br />

BILD 5: Energiebedarfe<br />

und Einsparpotenziale<br />

für verschiedene Pausendauern<br />

(Nicht-Produktivphasen)<br />

<strong>der</strong> Testanlage<br />

38<br />

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

6 / 2013

REFERENZEN<br />

AUTOREN<br />

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– Stand <strong>der</strong> Technik und künftige Anfor<strong>der</strong>ungen. In<br />

Tagungsband Automation 2012, S. 99-102. VDI 2012<br />

[2] Kulus, D., Wolff, D., Ungerland, S., Dreher, S.: Energieverbrauchssimulation<br />

als Werkzeug <strong>der</strong> Digitalen Fabrik,<br />

zwf-online, inpro-Innovationsakademie 106, S. 585-589, 2011<br />

[3] Hübner, I.: Erkenntnisse <strong>der</strong> Profienergy-Studie. openautomation<br />

3(11), S. 1-3, 2010<br />

[4] OOPEC: Office for Official Publications of the European<br />

Communauties, ICT and Energy Efficiency - The Case for<br />

Manufacturing, Bericht <strong>der</strong> Europäischen Kommission 2009<br />

[5] ISO 50001: Energy management systems - Requirements with<br />

guidance for use, 2011. www.beuth.de<br />

[6] VDI-4602: Energy Management, 2007. www.beuth.de<br />

[7] Müller, A.: Virtuelles Kraftwerk auf dem Weg. Energie<br />

&Management 11/12 vom 1.6.2012, S. 18, 2012<br />

[8] Herrmann, C., Thiede, S.., Heinemann, T.: A Holistic Framework<br />

for Increasing Energy and Resource Efficiency in<br />

Manufacturing. In: Proc. 8th Global Conference on Sustainable<br />

Manufacturing, S. 265-271, 2011<br />

[9] Putz, M., Schlegel, A., Lorenz, S., Franz, E., Schulz, S.:<br />

Gekoppelte Simulation von Material- und Energieflüssen in<br />

<strong>der</strong> Automobilfertigung. In: Tagungsband Tage des Betriebsund<br />

Systemingenieurs, S. 135–144. TU Chemnitz 2011<br />

[10] Wolff, D, Kulus, D, Dreher, S.: Simulating Energy Consumption<br />

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Simulation, S.59-86. Springer 2012<br />

[11] Schlechtendahl, J., Eberspächer, P., Haag, H., Verl, A.,<br />

Westkämper, E.: Framework for Controlling Energy Consumption<br />

of Machine Tools, In: Golinska, P. (Hrsg.) EcoProduction<br />

and Logistics, S. 155-168. Springer 2013<br />

[12] Weinert, N.: Vorgehensweise für Planung und Betrieb<br />

energieeffizienter Produktionssysteme, Dissertation TU<br />

Berlin 2010<br />

[13] PNO: THE PROFIenergy PROFILE – Increasing the Energy<br />

Efficiency of Automation Systems using Smart Energy<br />

Management over PROFINET, Bericht PROFIBUS Nutzerorganisation<br />

2010<br />

[14] Alur, R., La Torre, S., Pappas, G. J.: Optimal paths in weighted<br />

timed automata. In Proc. 4th Int. Workshop on Hybrid<br />

Systems, S. 49–62. Springer 2001<br />

[15] Mechs, S., Lamparter, S., Müller, J. P.: On Evaluation of<br />

Alternative Switching Strategies for Energy-Efficient<br />

Operation of Modular Factory Automation Systems. In: Proc<br />

17th IEEE Conf Emerging Technologies and Factory Automation.<br />

IEEE 2012, doi: HYPERLINK "http://dx.doi.org/10.1109/<br />

ETFA.2012.6489596" \t "blank"10.1109/ETFA.2012.6489596<br />

[16] Mechs, S., Lamparter, S., Peschke, J., Müller, J. P.: Efficient<br />

Identification of Energy-Optimal Switching and Operating<br />

Sequences for Modular Factory Automation Systems, In:<br />

Proc. 26th Int. Conf. Industrial Engineering & Other Applications<br />

of Applied Intelligent Systems. Springer, angenommen.<br />

[17] Dietmair, A., Verl, A. Energy Consumption Forecasting and<br />

Optimization for Tool Machines, Mo<strong>der</strong>n Machinery Science<br />

Journal, S. 63–67, 2009 http://www.mmscience.eu/archives/<br />

MM_Science_20090305.pdf<br />

Dipl.-Wirtsch.-Ing. SEBASTIAN MECHS (geb. 1982)<br />

ist seit Mai 2010 externer Doktorand bei Prof.<br />

Müller an <strong>der</strong> Technischen Universität Clausthal,<br />

Institut für Informatik, in Kooperation mit <strong>der</strong><br />

Siemens AG Corporate Technology in München.<br />

Sein Forschungs- und Promotionsschwerpunkt<br />

liegt auf dem Gebiet <strong>der</strong> modellbasierten Planung<br />

zur Energieeffizienzsteigerung von Fertigungsautomatisierungssystemen.<br />

Siemens AG Corporate Technology,<br />

Otto-Hahn-Ring 6, D-81739 München<br />

Dr. STEFFEN LAMPARTER (geb. 1977) ist Senior<br />

Research Scientist und Projektleiter bei <strong>der</strong><br />

Siemens AG im Technologiefeld Business<br />

Analytics & Monitoring <strong>der</strong> zentralen Forschungsabteilung<br />

Corporate Technology. Seine<br />

Forschungsinteressen umfassen unter an<strong>der</strong>em<br />

den Einsatz von intelligenten Methoden zur<br />

Datenanalyse sowie formaler Modellierungsansätze<br />

im Bereich industrieller Anwendungen.<br />

Siemens AG Corporate Technology,<br />

Otto-Hahn-Ring 6, D-81739 München,<br />

Tel. +49 (0) 89 63 64 03 83,<br />

E-Mail: steffen.lamparter@siemens.com<br />

Dipl.-Ing. JÖRN PESCHKE arbeitet seit Juni 2008<br />

in <strong>der</strong> Vorfeldentwicklung des Sektors Industry<br />

<strong>der</strong> Siemens AG. Sein Arbeitsschwerpunkt<br />

umfasst das Themenfeld Energieeffizienz in <strong>der</strong><br />

Produktion, wobei Konzepte zur Reduktion des<br />

Energiebedarfs von Produktionssystemen in<br />

nichtproduktiven Zeiten eine wichtige Rolle<br />

spielen.<br />

Siemens AG,<br />

Industry Sector, Industry Automation Division,<br />

Advanced Technologies and Standards,<br />

Gleiwitzer Straße 555, D-90475 Nürnberg<br />

Prof. Dr. JÖRG P. MÜLLER (geb. 1965) ist Professor<br />

für Wirtschaftsinformatik an <strong>der</strong> Technischen<br />

Universität Clausthal. Seine Forschungsschwerpunkte<br />

liegen in Architekturen, Modellen und<br />

Methoden für dezentral organisierte Informationssysteme<br />

und Multiagentensysteme sowie <strong>der</strong>en<br />

Einsatz in unterschiedlichen Anwendungsdomänen<br />

wie <strong>Automatisierung</strong>, Verkehr und Logistik.<br />

TU Clausthal,<br />

Institut für Informatik, D-38678 Clausthal-Zellerfeld<br />

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

6 / 2013<br />

39

HAUPTBEITRAG<br />

Zusammenhang von Security<br />

und Funktionaler Sicherheit<br />

Relevante Begriffe und Zuordnungen für die <strong>Automatisierung</strong><br />

Die Maßnahmen <strong>der</strong> Funktionalen Sicherheit und <strong>der</strong> Security verfolgen oft ähnliche<br />

Ziele. Daher liegt es nahe, übergreifende Lösungen für beide Bereiche zu entwickeln. So<br />

sind beispielsweise Security-Maßnahmen für die Funktionale Sicherheit notwendig, wenn<br />

Sicherheitsfunktionen über öffentliche Netze angegriffen werden können. Die intelligenten<br />

Angriffe im Bereich <strong>der</strong> Security und die zufälligen und systematischen Fehler sowie<br />

Bedienfehler im Bereich <strong>der</strong> Funktionalen Sicherheit stellen jedoch sehr verschiedene<br />

Anfor<strong>der</strong>ungen dar. In diesem Beitrag werden die Begriffe Funktionale Sicherheit und<br />

Security beschrieben und <strong>der</strong>en Zusammenhänge für die <strong>Automatisierung</strong> so dargestellt,<br />

dass strukturierte und effiziente Lösungen möglich werden. Zur Bewertung werden Zuordnungen<br />

üblicher Metriken bei<strong>der</strong> Gebiete vorgeschlagen.<br />

SCHLAGWÖRTER Funktionale Sicherheit / Security / <strong>Automatisierung</strong> / Safety-Integrity-<br />

Level / Security Level<br />

Security and functional safety –<br />

Differing requirements and related goals<br />

Measures of functional safety and security often have similar goals, so that solutions for<br />

both domains can overlap. For instance, security measures are necessary for safety functions<br />

if they are vulnerable via public networks. However, requirements differ consi<strong>der</strong>ably<br />

between intelligent attacks on security on the one hand and random or systematic<br />

faults and human errors of functional safety on the other hand. In this article, besides a<br />

description of both functional safety and security for automation, we describe the relationships<br />

between their goals such that structured and efficient solutions will be possible.<br />

For their evaluation, we propose common metrics for both domains.<br />

KEYWORDS functional safety / security / automation / safety-integrity level / security level<br />

40<br />

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

6 / 2013

FELIX WIECZOREK, FRANK SCHILLER, Beckhoff Automation<br />

ROLAND FIAT, THOMAS STÖRTKUHL, TÜV SÜD, Embedded Systems<br />

Viele Normen <strong>der</strong> Sicherheit definieren die Sicherheit<br />

als Abwesenheit von nicht akzeptiertem Risiko.<br />

Diese Eigenschaft wird im industriellen<br />

Umfeld zum Beispiel statisch durch konstruktive<br />

Maßnahmen wie Absperrungen o<strong>der</strong> geeignete<br />

Materialauswahl erreicht. Sobald jedoch eine technische<br />

Funktion zur Vermeidung von Risiken verwendet wird,<br />

spricht man von Funktionaler Sicherheit. Eine Sicherheitsfunktion<br />

(Safety-Funktion) besteht üblicherweise aus einer<br />

Sensor-, einer Logik- und einer Aktor-Einheit. Alle beteiligten<br />

Einheiten mit ihren möglichen Fehlverhalten müssen<br />

in einem Sicherheitsnachweis berücksichtigt werden.<br />

Durch die Verwendung von informationsverarbeitenden<br />

Einheiten (zum Beispiel Steuerungen) in o<strong>der</strong> außerhalb<br />

von Sicherheitsfunktionen spielt natürlich die Informationssicherheit<br />

(Information Security) eine immer<br />

größere Rolle. Die stärkere Vernetzung industrieller Anlagen<br />

lässt ebenso die Möglichkeiten für intelligente<br />

Angriffe immer größer werden.<br />

Aus <strong>der</strong> häufig unklaren Verwendung <strong>der</strong> Begriffe folgen<br />

konsequenterweise Unklarheiten bei <strong>der</strong> Formulierung <strong>der</strong><br />

Anfor<strong>der</strong>ungen und <strong>der</strong> entsprechenden Maßnahmen. Im<br />

Folgenden wird deshalb nicht mehr <strong>der</strong> allgemeine Begriff<br />

Sicherheit verwendet, son<strong>der</strong>n nur noch die spezielleren<br />

englischen Begriffe Safety und Security. Der Begriff Safety<br />

repräsentiert die Funktionale Sicherheit, denn nur die<br />

Funktionale Sicherheit betrifft die <strong>Automatisierung</strong>. Der<br />

Begriff Security repräsentiert die Informationssicherheit.<br />

Inhalt des Beitrags ist ein Vorschlag einer formalen Zuordnung<br />

von Security-Maßnahmen zu den bekannten Strukturen<br />

<strong>der</strong> <strong>Automatisierung</strong>stechnik. Auf dieser Grundlage<br />

lassen sich alle relevanten Kombinationen von Anfor<strong>der</strong>ungen<br />

und Lösungen an Safety und Security strukturieren. Die<br />

Anfor<strong>der</strong>ungen werden sinnvoll getrennt, um die Lösungen<br />

effizient zusammenführen zu können. So gibt es beispielsweise<br />

Security-Anfor<strong>der</strong>ungen ohne jeglichen Safety-Bezug,<br />

und auch Teile <strong>der</strong> Safety-Funktionen können aus rein wirtschaftlichen<br />

Gründen Security-relevant sein.<br />

Aus den Safety-Anfor<strong>der</strong>ungen folgen nach [1] Anfor<strong>der</strong>ungen<br />

an die Security. Eine sinnvolle Herangehensweise<br />

ist daher, für einen Safety Integrity Level (SIL) ein entsprechendes<br />

Niveau <strong>der</strong> Security-Maßnahmen zu for<strong>der</strong>n. Auf<br />

Grundlage <strong>der</strong> vorgestellten Strukturierung sind effiziente<br />

Bedrohungsanalysen und Lösungen möglich.<br />

1. SAFETY- UND BETRIEBSFUNKTION<br />

Üblicherweise lassen sich die <strong>Automatisierung</strong>saufgaben<br />

Safety-Funktion und Betriebsfunktion klar unterscheiden,<br />

wie Bild 1 veranschaulicht. Die Betriebsfunktion ist die<br />

Funktion <strong>der</strong> Anlage, mit <strong>der</strong> die Wertschöpfung erbracht<br />

wird. Demgegenüber ist das Ziel <strong>der</strong> Safety-Funktion, das<br />

Risiko einer Gefahr in <strong>der</strong> gesamten Anlage und <strong>der</strong>en Umgebung<br />

zu verringern [1]. Dies wird durch die Gewährleistung<br />

eines sicheren Zustands mit ausreichend hoher Wahrscheinlichkeit<br />

erreicht. Ein definiert sicherer Zustand liegt<br />

entwe<strong>der</strong> dann vor, wenn kein Fehler auftritt o<strong>der</strong> wenn<br />

das gesamte System im Fehlerfall sicher reagiert.<br />

Damit spielt auch die Verfügbarkeit <strong>der</strong> Safety-Funktion<br />

eine große Rolle, wobei die Safety-Funktion auch dann<br />

als verfügbar angesehen wird, wenn sie die zu schützende<br />

Anlage in einen sicheren unproduktiven Zustand<br />

überführt. Die Verfügbarkeit <strong>der</strong> Betriebsfunktion kann<br />

daher durch den Einsatz von Safety-Funktionen sinken.<br />

In manchen Anwendungen, beispielsweise in <strong>der</strong> Medizintechnik,<br />

fallen Safety- und Betriebsfunktion zusammen,<br />

wobei kein sicherer unproduktiver Zustand existiert.<br />

In diesen Fällen gelten die Anfor<strong>der</strong>ungen an die<br />

Betriebsfunktion und Safety-Funktion gleichermaßen.<br />

Selbstverständlich benötigen alle Anlagen einen hohen<br />

Grad <strong>der</strong> Verfügbarkeit <strong>der</strong> Safety-Funktion und einen hohen<br />

Grad <strong>der</strong> Verfügbarkeit <strong>der</strong> Betriebsfunktion. Safety-<br />

Funktionen lassen sich jedoch häufig einfacher gestalten<br />

und nachweisen, wenn dafür die Verfügbarkeit <strong>der</strong> Betriebsfunktion<br />

außer Acht gelassen wird. Bei solchen Lösungen<br />

können Maßnahmen zum Einsatz kommen, die zur<br />

Erhöhung <strong>der</strong> Verfügbarkeit <strong>der</strong> Betriebsfunktion versuchen,<br />

den durch die Safety-Funktion verursachten unproduktiven<br />

Zustand zu vermeiden. Diese Maßnahmen sind<br />

jedoch nicht Teil <strong>der</strong> nachweispflichtigen Safety-Funktion;<br />

sollten sie versagen, wirkt ohnehin die Safety-Funktion.<br />

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

6 / 2013<br />

41

HAUPTBEITRAG<br />

Häufig werden für Safety- und Betriebsfunktionen separate<br />

Hardware-Komponenten eingesetzt. Es gibt jedoch<br />

Lösungen, bei denen nur eine logische Trennung vorliegt.<br />

Zum Beispiel kann auf <strong>der</strong>selben Hardware Safetyrelevante<br />

und nicht-Safety-relevante Steuerungssoftware<br />

ablaufen, wenn die mögliche Beeinflussung des Safety-<br />

Teils mithilfe arithmetischer Codierungen aufgedeckt<br />

wird [6]. In jedem Fall können Security-Maßnahmen<br />

danach unterschieden werden, ob sie sich auf die Safety-<br />

Funktion o<strong>der</strong> die Betriebsfunktion beziehen.<br />

Daraus ergeben sich für die Security zwei Sichten: zum<br />

einen die Sicht auf die Betriebsfunktion, die sich ausschließlich<br />

mit dem wirtschaftlichen Schaden beschäftigt,<br />

und zum an<strong>der</strong>en die Sicht auf die Safety-Funktion,<br />

die sich ausschließlich mit dem Schaden für Mensch und<br />

Umwelt beschäftigt.<br />

2. GRUNDKONZEPTE UND BEGRIFFE DER SECURITY<br />

Die Security-Maßnahmen schützen die Integrität, die<br />

Verfügbarkeit und die Vertraulichkeit von Funktionen<br />

und Information, sinngemäß nach [3] und [4]. Die Einheit<br />

zusammengehöriger Funktionen und Informationen<br />

wird als System aufgefasst.<br />

Integrität (Integrity) ist die Korrektheit von Funktionen<br />

und Informationen. Die Integrität einer Funktion<br />

liegt vor, wenn <strong>der</strong>en Spezifikation erfüllt ist;<br />

die Integrität von Daten liegt vor, wenn sie korrekt<br />

sind. Die Maßnahmen zur Aufrechterhaltung <strong>der</strong><br />

Integrität vermeiden o<strong>der</strong> erkennen Manipulationen<br />

durch Unbefugte.<br />

Verfügbarkeit (Availability) von Funktionen und Information<br />

liegt vor, wenn diese genutzt werden können,<br />

wann es geplant ist. Verfügbare Funktionen<br />

und Informationen müssen also nicht permanent zur<br />

Verfügung stehen, son<strong>der</strong>n nur dann, wenn sie planmäßig<br />

benötigt werden.<br />

Vertraulichkeit (Confidentiality) von Funktionen<br />

und Informationen liegt vor, wenn für unautorisierte<br />

Parteien kein Wissen über Funktionen und Information<br />

ableitbar ist.<br />

Es ist wichtig hervorzuheben, dass Vertraulichkeitsmaßnahmen<br />

nicht vor einer Verkehrsanalyse (Traffic Analysis)<br />

schützen, das heißt die Information, welche Kommunikationspartner<br />

wann und wie viel kommunizieren,<br />

bleibt nach wie vor erhalten und kann für einen Angreifer<br />

wertvoll sein, auch wenn kein Datum ableitbar ist.<br />

Weitere häufig genannte Schutzziele, vergleiche [5],<br />

sind Authentizität (Authenticity), Nicht-Abstreitbarkeit<br />

(Non-Repudiation), Zurechenbarkeit (Accountability)<br />

und Zuverlässigkeit (Reliability).<br />

In <strong>der</strong> weiteren Betrachtung beschränkt sich <strong>der</strong> Beitrag<br />

auf die grundlegenden Schutzziele Integrität, Vertraulichkeit<br />

und Verfügbarkeit. Die für konkrete Anwendungen<br />

zusätzlich relevanten Schutzziele lassen sich auf<br />

diese grundlegenden Ziele zurückführen. Zur Bewertung<br />

des Schutzbedarf wird das Risiko geschätzt. Es ergibt<br />

sich allgemein aus <strong>der</strong> Eintrittswahrscheinlichkeit<br />

und dem Schadensausmaß. Oft kann we<strong>der</strong> die Eintrittswahrscheinlichkeit<br />

noch das Schadensausmaß exakt<br />

bestimmt werden, sodass häufig Werkzeuge wie Risikomatrizen<br />

verwendet werden [6].<br />

3. SECURITY-ZIELE FÜR SAFETY UND BETRIEB<br />

Die drei betrachteten Ziele <strong>der</strong> Security werden jeweils<br />

<strong>der</strong> Safety- und <strong>der</strong> Betriebsfunktion zugeordnet (siehe<br />

Bild 2). Die sich ergebenden Kombinationen werden in<br />

den folgenden Abschnitten detailliert diskutiert.<br />

3.1 Security-Integrität<br />

Die Maßnahmen <strong>der</strong> Security-Integrität von Funktionen<br />

und Informationen haben zum Ziel, Verän<strong>der</strong>ungen durch<br />

Unbefugte zu verhin<strong>der</strong>n o<strong>der</strong> wenigstens zu erkennen.<br />

Die Aufteilung in Security-Integrität für Safety und Security-Integrität<br />

für Betrieb ist in Bild 3 skizziert. Security-Integrität<br />

für Safety bedeutet Schutz <strong>der</strong> Safety-Funktion<br />

und <strong>der</strong> Safety-relevanten Daten vor Manipulationen.<br />

Die Safety-Funktion ist immer so gestaltet, dass sie autonom<br />

die Safety gewährleistet. Gemeinsam genutzte<br />

Betriebsmittel von Safety- und Betriebsfunktion werden<br />

daher <strong>der</strong> Safety-Funktion zugeordnet. Die Security-Integrität<br />

für Safety muss also autonom gelöst werden. Daraus<br />

folgt, dass bei gemeinsam genutzten Betriebsmitteln<br />

die Auswirkungen <strong>der</strong> gegebenenfalls manipulierten<br />

Betriebsfunktion durch Maßnahmen <strong>der</strong> Security-Integrität<br />

für Safety erkannt und behandelt werden müssen.<br />

So kann zum Beispiel das Ziel einer Manipulation <strong>der</strong><br />

Austritt gefährlicher Gase aus einem Druckkessel sein<br />

(siehe Bild 4). Manipulationen <strong>der</strong> Safety-Funktion führen<br />

dazu, dass <strong>der</strong> Austritt nicht verhin<strong>der</strong>t werden kann.<br />

Eine Verletzung <strong>der</strong> Integrität innerhalb <strong>der</strong> Betriebsfunktion<br />

(Security-Integrität für Betrieb) ist nicht Safetyrelevant.<br />

Im gewählten Beispiel können Manipulationen<br />

<strong>der</strong> Betriebsfunktion nur zu wirtschaftlichem Schaden<br />

führen, <strong>der</strong> Austritt gefährlicher Gase wird durch die<br />

korrekt arbeitende Safety-Funktion weiterhin verhin<strong>der</strong>t.<br />

3.2 Security-Verfügbarkeit<br />

Security-Verfügbarkeit von Funktionen und Informationen<br />

liegt vor, wenn diese planmäßig genutzt werden<br />

können. Die Zusammenhänge zeigt Bild 5.<br />

Security-Verfügbarkeit für Safety gewährleistet die<br />

Aufrechterhaltung <strong>der</strong> Safety-Funktion auch bei Angriffen.<br />

Deren Maßnahmen beinhalten die Aufrechterhaltung<br />

einer planmäßigen Nutzbarkeit <strong>der</strong> Safety-Funktion<br />

sowie bei einer erkannten Abweichung das spezifikationsgemäße<br />

Verhalten. In <strong>der</strong> Regel erfolgt <strong>der</strong> Übergang<br />

<strong>der</strong> Anlage in einen sicheren unproduktiven Zustand,<br />

wenn ein solcher existiert.<br />

Das Ziel Security-Verfügbarkeit für Betrieb ist die Aufrechterhaltung<br />

<strong>der</strong> Betriebsfunktion. Wenn die Funktionsfähigkeit<br />

<strong>der</strong> Betriebsfunktion nicht mehr gewährleistet<br />

ist, tritt ein wirtschaftlicher Schaden ein.<br />

Bezüglich <strong>der</strong> Safety-Funktion muss ein weiterer Aspekt<br />

<strong>der</strong> Security-Verfügbarkeit für Betrieb betrachtet<br />

werden: Ein eventueller Übergang in einen unproduktiven<br />

Zustand durch einen Angriff über die Safety-Funktion<br />

42<br />

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

6 / 2013

soll vermieden werden, um den damit verbundenen wirtschaftlichen<br />

Schaden zu verhin<strong>der</strong>n. Ein solcher Angriff<br />

ist aber selbst nicht Safety-relevant. Ein Beispiel wäre eine<br />

provozierte Unterbrechung <strong>der</strong> Fail-safe-Kommunikation<br />

zwischen dem sicheren Drucksensor und dem sicheren<br />

Überdruckventil im Bild 4. Die Anlage würde daraufhin<br />

in einen sicheren unproduktiven Zustand überführt.<br />

3.3 Security-Vertraulichkeit<br />

Security-Vertraulichkeit von Funktionen und Informationen<br />

liegt vor, wenn für unautorisierte Parteien kein<br />

Wissen darüber ableitbar ist. Die vertraulichen Informationen<br />

müssen in ihrer Repräsentation innerhalb <strong>der</strong><br />

Betriebsfunktion und <strong>der</strong> Safety-Funktion gleichwertig<br />

als vertraulich behandelt werden, vergleiche Bild 6.<br />

Die Auswirkungen <strong>der</strong> Verletzung <strong>der</strong> Vertraulichkeit<br />

können Safety-relevant sein und sogar die betrachtete<br />

Anlage betreffen. Daher können Safety-relevante Gründe<br />

zur For<strong>der</strong>ung nach Vertraulichkeit vorliegen (Security-<br />

Vertraulichkeit für Safety), um möglichen Angriffen die<br />

Grundlage zu entziehen.<br />

So kann die zeitliche Information über die Entstehung giftiger<br />

Stoffe im Behälter des Beispiels in Bild 4, Grundlage für<br />

einen weiteren Angriff auf das sichere Überdruckventil sein<br />

Safety-Funktion<br />

mit Security-Maßnahmen<br />

Ansprüche betreffen Ziele Ziele<br />

Verhin<strong>der</strong>ung sowie sowie Erkennung von von Manipulationen<br />

mit mit entsprechen<strong>der</strong> sicheren Reaktion,<br />

um um Unfälle Unfälle zuvermeiden<br />

Security-Integrität für für Safety<br />

Betriebsfunktion<br />

mit Security-Maßnahmen<br />

Verhin<strong>der</strong>ung sowie sowie Erkennung von von Manipulationen<br />

mitentsprechen<strong>der</strong> Reaktion,<br />

um um wirtschaftlichen Schaden zuvermeiden<br />

BILD 3: Aufteilung <strong>der</strong> Security-Integrität<br />

Security-Integrität für für Betrieb<br />

Anlage<br />

BILD 4: Schematisches<br />

Beispiel einer Anlage mit<br />

Betriebs- (schwarz) und<br />

Safety-Funktion (gelb)<br />

BILD 1: Schema von Safety- und<br />

Betriebsfunktion<br />

Safety-Funktion<br />

mit Security-Maßnahmen<br />

Security-Integrität für Safety<br />

Security-Verfügbarkeit für Safety<br />

Security-Vertraulichkeit für Safety<br />

Betriebsfunktion<br />

mit Security-Maßnahmen<br />

Security-Integrität für Betrieb<br />

Security-Verfügbarkeit für Betrieb<br />

Security-Vertraulichkeit für Betrieb<br />

Anlage<br />

BILD 2: Zuordnung <strong>der</strong> Security-Ziele<br />

zur Safety- und Betriebsfunktion<br />

Ansprüche Ansprüche betreffen betreffen Ziele Ziele<br />

Verhin<strong>der</strong>ung Aufrechterhaltung sowie <strong>der</strong> Erkennung <strong>der</strong> Safety-Funktion,<br />

von Manipulationen<br />

um mit Unfällezu um entsprechen<strong>der</strong> Unfällezu vermeiden vermeiden sicheren Reaktion,<br />

um Unfälle zuvermeiden<br />

Eventuell Eventuell Übergang Übergang in einen einen sicheren sicheren<br />

unproduktiven Zustand, Zustand, um Unfälle um Unfälle zu vermeiden zu vermeiden<br />

Verhin<strong>der</strong>ung sowie Erkennung von Manipulationen<br />

Vermeidung mitentsprechen<strong>der</strong> Vermeidung des unnötigen des Reaktion, unnötigen Übergangs Übergangs in in<br />

einen um einen wirtschaftlichen unproduktiven sicheren Schaden sicheren Zustand, zuvermeiden Zustand,<br />

um um wirtschaftlichenSchaden zu vermeiden zu vermeiden<br />

Aufrechterhaltung <strong>der</strong> <strong>der</strong> Betriebsfunktion,<br />

um um wirtschaftlichen Schaden Schaden zu vermeiden zu vermeiden<br />

BILD 5: Aufteilung <strong>der</strong> Security-Verfügbarkeit<br />

Security-Integrität für Safety<br />

Security-Verfügbarkeit für Safety für Safety<br />

Security-Integrität für Betrieb<br />

Ansprüche Ansprüche betreffen betreffen Ziele<br />

Ziele<br />

Verhin<strong>der</strong>ung Gewährleistung Gewährleistung sowie <strong>der</strong> Erkennung Vertraulichkeit,<br />

<strong>der</strong> Vertraulichkeit,<br />

von Manipulationen<br />

mit um entsprechen<strong>der</strong> Unfälle um Unfälle zu vermeiden sicheren zu vermeiden Reaktion,<br />

um Unfälle zuvermeiden<br />

Gewährleistung Gewährleistung <strong>der</strong> Vertraulichkeit,<br />

<strong>der</strong> Vertraulichkeit,<br />

Security-Vertraulichkeit Security-Integrität für für Safety Safety für Safety<br />

um wirtschaftlichen um wirtschaftlichen Schaden Schaden zu vermeiden zu vermeiden<br />

Security-Vertraulichkeit für Betrieb für Betrieb<br />

Security-Integrität für Betrieb<br />

BILD 6: Aufteilung <strong>der</strong> Security-Vertraulichkeit<br />

Verhin<strong>der</strong>ung sowie Erkennung von Manipulationen<br />

mitentsprechen<strong>der</strong> Reaktion,<br />

um wirtschaftlichen Schaden zuvermeiden<br />

Security-Verfügbarkeit für Betrieb für Betrieb<br />

eventuell eventuell gleiche gleiche Information Information für Betrieb für Betrieb und Safety und Safety<br />

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

6 / 2013<br />

43

HAUPTBEITRAG<br />

BILD 7:<br />

Zuordnung <strong>der</strong><br />

Security-Ziele<br />

Verhin<strong>der</strong>ung sowie Erkennung von Manipulationen mit entsprechen<strong>der</strong><br />

sicheren Reaktion, um Unfälle zu vermeiden<br />

Verhin<strong>der</strong>ung sowie Erkennung von Manipulationen mit entsprechen<strong>der</strong><br />

Reaktion, um wirtschaftlichen Schaden zu vermeiden<br />

Aufrechterhaltung <strong>der</strong> Safety-Funktion,<br />

um Unfälle zu vermeiden<br />

Eventuell Übergang in einen sicherenunproduktiven Zustand,<br />

um Unfälle zu vermeiden<br />

Vermeidung des unnötigen Übergangs in einen unproduktiven<br />

sicheren Zustand, um wirtschaftlichen Schaden zu vermeiden<br />

Aufrechterhaltung <strong>der</strong> Betriebsfunktion,<br />

um wirtschaftlichen Schaden zu vermeiden<br />

Gewährleistung <strong>der</strong> Vertraulichkeit, um Unfälle zu vermeiden<br />

(kann auch Teile <strong>der</strong> Betriebsfunktion betreffen)<br />

Gewährleistung <strong>der</strong> Vertraulichkeit, um wirtschaftlichen Schaden<br />

zu vermeiden (kann auch Teile <strong>der</strong> Safety-Funktion betreffen)<br />

Sicherheitsfunktion<br />

mit Security-Maßnahmen<br />

Security-Integrität für Safety<br />

Security-Verfügbarkeit für Safety<br />

Security-Vertraulichkeit für Safety<br />

Betriebsfunktion<br />

mit Security-Maßnahmen<br />

Security-Integrität für Betrieb<br />

Security-Verfügbarkeit für Betrieb<br />

Security-Vertraulichkeit für Betrieb<br />

Anlage<br />

Bedrohung<br />

Schwachstelle<br />

Untersuchungsgegenstand<br />

Bedrohungsszenario<br />

BILD 8: Bedrohungsszenario als Verknüpfung<br />

von Bedrohung und Schwachstelle<br />

CfB: Vertraulichkeit für Betrieb<br />

IfB: Integrität für Betrieb<br />

AfB: Verfügbarkeit für Betrieb<br />

CfS: Vertraulichkeit für Safety<br />

IfS: Integrität für Safety<br />

AfS: Verfügbarkeit für Safety<br />

BILD 9: Ausschnitt<br />

aus einem Bedrohungskatalog<br />

(Beispiel)<br />

# Bedrohungsszenario Beispiele, Schwachstellen CfB IfB AfB CfS IfS AfS<br />

T1<br />

T2<br />

T3<br />

T4<br />

T5<br />

S c h a d -S of t w a r e<br />

Missbrauch <strong>der</strong> Benutzeridentität<br />

Erhöhung von Leserechten<br />

Ausnutzung <strong>der</strong> Schwachstellen<br />

<strong>der</strong> eigenentwickelten Programme<br />

Blockierung des Netzwerkverkehrs<br />

durch Überlastung<br />

Viren, Würmer, Trojaner nutzen<br />

Schwachstellen <strong>der</strong> Applikation aus<br />

Schwache Passworte und nicht<br />

geän<strong>der</strong>te Standardpassworte<br />

Benutzer- und Rechteverwaltung<br />

mit geringem Reifegrad<br />

<strong>Entwicklung</strong>sprozess<br />

ohne integrierte Security<br />

Erzeugung einer Anzahl von Datenpaketen<br />

oberhalb <strong>der</strong> Kapazitätsgrenze<br />

x x x x x x<br />

x x x x<br />

x<br />

x x x x x x<br />

x<br />

x<br />

SIL<br />

SIL<br />

Schadensausmaß<br />

4<br />

4<br />

4<br />

3<br />

3<br />

T4<br />

3<br />

2<br />

2<br />

2<br />

T4<br />

1<br />

1<br />

1<br />

4 3 2 1<br />

BILD 10: Vorgeschlagene Matrix zur<br />

Verknüpfung von Safety (gemessen durch<br />

SIL) und Security (gemessen durch SL)<br />

SL<br />

4 3 2 1<br />

Safety-Funktion<br />

SL<br />

4 3 2 1<br />

Betriebsfunktion<br />

BILD 11: Bedrohungsanalyse des Bedrohungsszenarios T4<br />

für Safety- und Betriebsfunktion aus Sicht <strong>der</strong> Security<br />

SL<br />

44<br />

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

6 / 2013

und damit zu einem Unfall führen. Diese Information kann<br />

jedoch auch innerhalb <strong>der</strong> Betriebsfunktion gespeichert sein.<br />

Der Grund für Vertraulichkeit ist klassisch die Vermeidung<br />

wirtschaftlichen Schadens (Security-Vertraulichkeit<br />

für Betrieb). Obwohl das Ziel nicht Safety-relevant<br />

ist, können Informationen <strong>der</strong> Betriebsfunktion auch in<br />

<strong>der</strong> Safety-Funktion repräsentiert sein und daher dort<br />

Maßnahmen erfor<strong>der</strong>n.<br />

Im Beispiel lässt <strong>der</strong> Druckverlauf im Behälter Rückschlüsse<br />

auf Rezepturen zu. Diese Daten liegen in <strong>der</strong> Betriebsfunktion<br />

vor. Außerdem sind sie in <strong>der</strong> Safety-Funktion<br />

von Bedeutung und daher dort zusätzlich vorhanden.<br />

3.4 Übersicht Zuordnung <strong>der</strong> Security-Ziele<br />

Bild 7 zeigt die komplette Zuordnung <strong>der</strong> Security-Ziele<br />

zur Safety- und Betriebsfunktion. Die Zuordnung orientiert<br />

sich an dem allgemeinen Schema von Bild 1.<br />

4. RISIKOBEWERTUNG SECURITY FÜR SAFETY<br />

Im folgenden Abschnitt werden nur die Anfor<strong>der</strong>ungen<br />

<strong>der</strong> Security für Safety untersucht, da im Bereich <strong>der</strong><br />

Betriebsfunktion bereits zahlreiche Konzepte in [3, 4, 7]<br />

vorgeschlagen werden. Die Anfor<strong>der</strong>ungen an Safety-<br />

Funktionen werden in einer Risikoanalyse in vier Kategorien<br />

SIL 1 bis 4 (Safety Integrity Level) eingeteilt. Die<br />

Höhe des SIL hängt vom Grad <strong>der</strong> Gefährdung ab (vergleiche<br />

[1], Teil 5, Bild D.1), sodass <strong>der</strong> im Rahmen <strong>der</strong> Safety-<br />

Analyse bereits festgelegte SIL als einfach verwendbarer<br />

Indikator für das bei <strong>der</strong> Security-Analyse zu betrachtende<br />

Schadensausmaß vorgeschlagen wird.<br />

Eine Safety-Anfor<strong>der</strong>ung kann offensichtlich nur dann<br />

umfassend erfüllt werden, wenn eine dem SIL adäquate<br />

Security zur Seite gestellt wird. Deshalb werden im Vorschlag<br />

die Konzepte Security Level (SL) und Bedrohungsanalyse<br />

skizziert, um die Security-Bedrohungsanalyse so<br />

anzupassen, dass die Anfor<strong>der</strong>ungen <strong>der</strong> Betriebsfunktion<br />

und die <strong>der</strong> Safety-Funktion berücksichtigt werden.<br />

Als erstes Konzept werden die in [7] eingeführten Security<br />

Levels (o<strong>der</strong> Security-Assurance-Levels (SAL)) betrachtet.<br />

Diese beschreiben die Stärke eines Angreifers,<br />

wobei vier Levels definiert werden. Die beiden niedrigsten<br />

Levels (SL-Wert 1 o<strong>der</strong> 2) definieren versehentliche Verletzungen<br />

<strong>der</strong> Security o<strong>der</strong> Verletzungen durch Gelegenheit.<br />

Ein qualifizierter Angreifer mit sehr gutem Fachwissen,<br />

einer guten Ausrüstung und Motivation wird durch den<br />

SL-Wert von 3 repräsentiert. Bei einem SL-Wert von 4 wird<br />

von einem Angreifer ausgegangen, <strong>der</strong> hoch motiviert ist<br />

und über Ressourcen wie Hochleistungsrechner verfügt.<br />

Das zweite verwendete Konzept ist die Bedrohungsanalyse<br />

für den Bereich <strong>der</strong> Security. Ausgangspunkt <strong>der</strong><br />

Analyse sind Bedrohungsszenarien (Threat Scenarios).<br />

Ein Bedrohungsszenario ist dabei eine Verknüpfung von<br />

Bedrohung (Threat) und Schwachstelle (Vulnerability),<br />

wie in Bild 8 gezeigt.<br />

Erst wenn eine Bedrohung auf eine Schwachstelle trifft,<br />

die mit einer Komponente o<strong>der</strong> einem System verknüpft<br />

ist, kann ein Risiko bestehen. Für jedes Bedrohungsszenario<br />

wird weiter erfasst, welche <strong>der</strong> oben beschriebenen<br />

Schutzziele <strong>der</strong> Security gefährdet sind. Die Bedrohungsszenarien<br />

können dann in Bedrohungskatalogen zusammengefasst<br />

werden. Einen beispielhaften Ausschnitt aus<br />

einem Bedrohungskatalog zeigt Bild 9.<br />

Bedrohungsanalysen werden auf <strong>der</strong> Grundlage von<br />

Bedrohungskatalogen durchgeführt, die alle Bedrohungsszenarien<br />

für das betrachtete System in <strong>der</strong> gegebenen<br />

Einsatzumgebung beinhalten. Für relevante Bedrohungsszenarien<br />

werden dann üblicherweise Schadensausmaß<br />

und Eintrittswahrscheinlichkeit abgeschätzt.<br />

Auch wenn im Bereich <strong>der</strong> IT hierfür Methoden<br />

existieren, siehe etwa [8], wird die Abschätzung von<br />

Eintrittswahrscheinlichkeiten für Angriffe als schwierig<br />

angesehen. Die Autoren schlagen deshalb vor, nicht Eintrittswahrscheinlichkeiten<br />

abzuschätzen, son<strong>der</strong>n zu<br />

analysieren, gegen welche Stärke eines Angreifers das<br />

System durch Security-Maßnahmen geschützt werden<br />

muss. Für die Betriebsfunktion ist dann, wie üblich, das<br />

Schadensausmaß abzuschätzen. Im Falle <strong>der</strong> Safety-<br />

Funktion muss jedoch <strong>der</strong> einzuhaltende SIL betrachtet<br />

werden, <strong>der</strong> sich aus <strong>der</strong> Gefährdungsanalyse ergibt.<br />

Man erhält dann eine Matrix entsprechend dem Konzept<br />

in [6], siehe Bild 10.<br />

Damit werden bei <strong>der</strong> Analyse zwei Matrizen erstellt:<br />

Bezüglich <strong>der</strong> Betriebsfunktion wird das Schadensausmaß<br />

für die Bedrohungsszenarien gegenüber dem SL<br />

aufgetragen, und bezüglich <strong>der</strong> Safety-Funktion werden<br />

für die Bedrohungsszenarien, die Safety-Funktionen<br />

kompromittieren können, die zugehörigen SIL (als Indikator<br />

für das Schadensausmaß) gegen den SL (als Indi-<br />

REFERENZEN<br />

[1] IEC 61508: Functional safety of electrical/electronic/<br />

programmable electronic safety-related systems.<br />

IEC 2010, www.iec.ch<br />

[2] Früchtl, M., Schiller, F.: Automatische Generierung<br />

sicherer diversitärer Software – Sicherer Industrie-PC<br />

durch arithmetische Codierungen. <strong>atp</strong> <strong>edition</strong> - <strong>Automatisierung</strong>stechnische<br />

Praxis54(6), S. 58-65, 2012<br />

[3] Bundesamt für Sicherheit in <strong>der</strong> Informationstechnik:<br />

IT-Grundschutz-<br />

Kataloge. Bundesanzeiger Verlags gesellschaft 2011<br />

[4] ISO/IEC 27002: Information technology – Security<br />

techniques – Code of practice for information security<br />

management. IEC 2008, www.iec.ch<br />

[5] ISO/IEC 27000: Information technology — Security<br />

techniques — Informa tion security management<br />

systems — Overview and vocabulary. 2009<br />

[6] Stoneburner, G., Goguen, A., Feringa, A.: NIST Special<br />

Publication 800-30 Risk Management Guide for<br />

Information Technology Systems — Recommendations<br />

of the NIST. NIST 2002, http://csrc.nist.gov/publications/<br />

PubsSPs.html#800-30<br />

[7] ISA 62443-3-3 (99.03.03): Security for industrial<br />

automation and control systems — System security<br />

requirements and security levels— Draft 4. 2011<br />

[8] Common Methodology for Information Technology<br />

Security Evaluation, Evalu ation methodology, Version 3.1<br />

Revision 3, Final, CCMB-2009-07-004. 2009<br />

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

6 / 2013<br />

45

HAUPTBEITRAG<br />

kator für die Angriffshäufigkeit) aufgetragen, vergleiche<br />

Bild 11. Der nach dem vorgeschlagenen Verfahren aus<br />

dem SIL abgeleitete SL stellt eine Mindestanfor<strong>der</strong>ung<br />

für die Security dar und muss bei beson<strong>der</strong>s hohen Bedrohungen<br />

sinnvoll erhöht werden. Die zwei so gewonnenen<br />

Abschätzungen für die Bedrohung <strong>der</strong> Safety- und<br />

Betriebsfunktion zeigt beispielhaft Bild 11.<br />

Die Matrizen in Bild 11 können nun in Bereiche mit<br />

akzeptablem (grün markierte Fel<strong>der</strong>) und nicht akzeptablem<br />

Risiko (gelb und rote markierte Fel<strong>der</strong>) eingeteilt<br />

werden. Wie in Bild 11 dargestellt, könnte dasselbe Bedrohungsszenario<br />

für Safety-Funktionen zu einem nicht<br />

akzeptierten Risiko und für die Betriebsfunktion zu einem<br />

akzeptierten Risiko führen o<strong>der</strong> umgekehrt. Wichtig<br />

ist, dass mit <strong>der</strong> vorgeschlagenen Methode bereits<br />

etablierte Methoden <strong>der</strong> Bedrohungsanalyse verwendet<br />

werden können und zu Aussagen bezüglich Safety- und<br />

Betriebsfunktion führen, wenn die oben beschriebenen<br />

Ergänzungen und Än<strong>der</strong>ungen vorgenommen werden.<br />

ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK<br />

Die Ziele und Maßnahmen <strong>der</strong> Safety und Security hängen<br />

eng zusammen. Dabei müssen die Ziele erst klar<br />

definiert und getrennt werden, bevor die Maßnahmen<br />

entwickelt und effizient kombiniert werden können. Offensichtlich<br />

sind manche Security-Maßnahmen Safetyrelevant.<br />

Es ist zu diskutieren, wie diese Security-Maßnahmen<br />

im Safety-Nachweis berücksichtigt werden.<br />

Demgegenüber sind an<strong>der</strong>e Teile <strong>der</strong> Security-Maßnahmen<br />

nicht Safety-relevant und können daher aus dem<br />

Safety-Nachweis ausgeschlossen werden.<br />

Die Bedrohungsanalyse von Safety-Funktionen lässt<br />

sich nicht ohne Security betrachten. Hierbei ist es notwendig,<br />

die verschiedenen Anfor<strong>der</strong>ungen <strong>der</strong> Safety und Security<br />

in Beziehung zu setzen. Es wurde dazu eine Systematik<br />

entwickelt und ein Schema vorgeschlagen.<br />

DANKSAGUNG<br />

MANUSKRIPTEINGANG<br />

19.04.2013<br />

Im Peer-Review-Verfahren begutachtet<br />

Die Autoren danken dem Bayerischen Staatsministerium<br />

für Wirtschaft, Infrastruktur, Verkehr und<br />

Technologie für die För<strong>der</strong>ung des Projekts „Sustain-<br />

Grid – <strong>Entwicklung</strong> von Kommunikations-Testtools<br />

für ein zuverlässiges und nachhaltiges Smart Grid“<br />

(IuK423) innerhalb des FuE-Programms Informationsund<br />

Kommunikations technik des Freistaates Bayern.<br />

AUTOREN<br />

M. Sc. FELIX WIECZOREK (geb. 1985) ist wissenschaftlicher<br />

Mitarbeiter für Safety & Security <strong>der</strong> Beckhoff Automation<br />

GmbH. Er studierte von 2005 bis 2011 Informatik an <strong>der</strong> TU<br />

München, davon ein Semester in Helsinki, Finnland. Seine<br />

Arbeitsgebiete sind Security-Lösungen für Kommunikationseinrichtungen<br />

und Komponenten <strong>der</strong> <strong>Automatisierung</strong><br />

speziell auch in Safety-Umgebungen.<br />

Beckhoff Automation GmbH,<br />

Ostendstr. 196, D-90482 Nürnberg,<br />

Tel. +49 (0) 911 54 05 62 46,<br />

E-Mail: f.wieczorek@beckhoff.com<br />

Dipl.-Math. ROLAND FIAT (geb. 1975) ist IT Security<br />

Engineer im Embedded Systems Team bei <strong>der</strong> TÜV<br />

SÜD AG. Er studierte in Kaiserslautern, Paris und<br />

Sheffield Mathematik mit einer Spezialisierung in<br />

Kryptologie. Er ist für das Labor des Competence<br />

Centers Industrial IT Security zuständig. Seine<br />

Arbeitsgebiete sind das Beraten, Testen, Zertifizieren<br />

und Schulen in diesem Bereich.<br />

TÜV SÜD AG,<br />

Barthstr. 16, D-80339 München<br />

Prof. Dr.-Ing. FRANK SCHILLER (geb. 1966) ist wissenschaftlicher<br />

Leiter für Safety & Security <strong>der</strong> Beckhoff Automation<br />

GmbH. Er studierte Elektrotechnik an <strong>der</strong> TU Dresden und<br />

promovierte 1997 an <strong>der</strong> TU Hamburg-Harburg. Nach verschiedenen<br />

Stationen bei Siemens war er von 2004 bis 2011 als<br />

Professor für <strong>Automatisierung</strong>stechnik an <strong>der</strong> TU München<br />

tätig. Seine Tätigkeitfel<strong>der</strong> umfassen die sicherheitsgerichtete<br />

Kommunikation, software-basierte Sicherheitssteuerungen<br />

und die Kombination von Safety- und Security-Algorithmen<br />

für die <strong>Automatisierung</strong>. Er lehrt als Gastprofessor an <strong>der</strong><br />

( Dàxué, East China University<br />

of Science and Technology), Shanghai, China.<br />

Beckhoff Automation GmbH,<br />

Ostendstr. 196, D-90482 Nürnberg<br />

Dr. THOMAS STÖRTKUHL (geb. 1961) verantwortet als<br />

Product Manager bei TÜV SÜD AG das Thema Industrial<br />

IT Security. Er ist seit 15 Jahren im Bereich <strong>der</strong> IT<br />

Sicherheit in <strong>der</strong> Beratung für Risikomanagement, Public<br />

Key Infrastrukturen, Kryptographie, ITIL-Prozesse,<br />

Identity Management und Applikationssicherheit tätig.<br />

Störtkuhl verfügt über mehrere Zertifikate im Bereich<br />

IT Security (unter an<strong>der</strong>em als Certified Information<br />

Systems Security Professional (CISSP)). Überdies hat er<br />

im TeleTrusT e.V. in den Arbeitsgruppen Smart Grid<br />

und Cloud Computing mitgewirkt.<br />

TÜV SÜD AG,<br />

Barthstr. 16, D-80339 München<br />

46<br />

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

6 / 2013

Veranstaltungskonzept<br />

4. SIL-Sprechstunde<br />

Funktionale Sicherheit<br />

17. + 18.9.2013, Mannheim, Pepperl+Fuchs GmbH<br />

www.sil-sprechstunde.de<br />

Teilnahmegebühren<br />

Haben Sie Fragen zur Anwendung <strong>der</strong> Normen IEC 61508, IEC 61511 o<strong>der</strong><br />

VDI / VDE 2180? Dann sind Sie hier richtig! Reichen Sie Ihre Fragen rund<br />

um SIL ein. Diskutieren Sie mit Experten über die aktuellen Themen <strong>der</strong><br />

Funktionalen Sicherheit am 17. und 18. September 2013 in Mannheim!<br />

Termin & Ort<br />

Termin: Di., 17.9.2013 + Mi., 18.9.2013<br />

Ort: Pepperl+Fuchs GmbH<br />

Lilienthalstr. 200<br />

68307 Mannheim<br />

■ <strong>atp</strong> <strong>edition</strong>-Abonnenten 540 € zzgl. MwSt.<br />

■ Firmenempfehlung 590 € zzgl. MwSt.<br />

■ reguläre Teilnahmegebühr 690 € zzgl. MwSt.<br />

■ Studenten kostenlos<br />

(Universität, Fachhoch- / Duale Hochschule – Vorlage des<br />

Studentenausweises bei <strong>der</strong> Anmeldung erfor<strong>der</strong>lich)<br />

100 € Frühbucherrabatt<br />

Programm & Anmeldung<br />

Detaillierte Informationen zur Veranstaltung,<br />

das vollständige Programm sowie die Online-<br />

Anmeldung finden Sie im Internet unter<br />

www.sil-sprechstunde.de<br />

Veranstaltungskonzept<br />

3. Feldbus-Sprechstunde<br />

Feldbus in <strong>der</strong> Prozessindustrie<br />

19. + 20.9.2013, Mannheim, Pepperl+Fuchs GmbH<br />

www.feldbus-sprechstunde.de<br />

Teilnahmegebühren<br />

Haben Sie Fragen zum Einsatz von Feldbussystemen in <strong>der</strong> Prozessindustrie?<br />

Dann sind Sie hier richtig! Reichen Sie Ihre Fragen zur Planung, Installation<br />

und Inbetriebnahme von Feldbussen ein. Diskutieren Sie mit Experten Ihre<br />

aktuellen Anliegen am 19. und 20. September 2013 in Mannheim!<br />

Termin & Ort<br />

Termin: Do., 19.9.2013 + Fr., 20.9.2013<br />

Ort: Pepperl+Fuchs GmbH<br />

Lilienthalstr. 200<br />

68307 Mannheim<br />

■ <strong>atp</strong> <strong>edition</strong>-Abonnenten 540 € zzgl. MwSt.<br />

■ Firmenempfehlung 590 € zzgl. MwSt.<br />

■ reguläre Teilnahmegebühr 690 € zzgl. MwSt.<br />

■ Studenten kostenlos<br />

(Universität, Fachhoch- / Duale Hochschule – Vorlage des<br />

Studentenausweises bei <strong>der</strong> Anmeldung erfor<strong>der</strong>lich)<br />

100 € Frühbucherrabatt<br />

Programm & Anmeldung<br />

Detaillierte Informationen zur Veranstaltung,<br />

das vollständige Programm sowie die Online-<br />

Anmeldung finden Sie im Internet unter<br />

www.feldbus-sprechstunde.de<br />

4. Explosionsschutz-Sprechstunde<br />

Explosionsschutz<br />

18. + 19.11.2013, Mannheim, Pepperl+Fuchs GmbH<br />

www.explosionsschutz-sprechstunde.de<br />

Veranstaltungskonzept<br />

Haben Sie Fragen zur Umsetzung <strong>der</strong> Betriebssicherheitsverordnung o<strong>der</strong> zur<br />

Anwendung <strong>der</strong> einschlägigen Normen zum Explosionsschutz? Dann sind Sie hier<br />

richtig! Reichen Sie Ihre Fragen rund um den Explosionsschutz ein. Diskutieren Sie<br />

mit Experten Ihre aktuellen Themen am 18. und 19. November 2013 in Mannheim!<br />

Termin & Ort<br />

Termin: Mo., 18.11.2013 + Di., 19.11.2013<br />

Ort: Pepperl+Fuchs GmbH<br />

Lilienthalstr. 200<br />

68307 Mannheim<br />

Teilnahmegebühren<br />

■ <strong>atp</strong> <strong>edition</strong>-Abonnenten 540 € zzgl. MwSt.<br />

■ Firmenempfehlung 590 € zzgl. MwSt.<br />

■ reguläre Teilnahmegebühr 690 € zzgl. MwSt.<br />

■ Studenten kostenlos<br />

(Universität, Fachhoch- / Duale Hochschule – Vorlage des<br />

Studentenausweises bei <strong>der</strong> Anmeldung erfor<strong>der</strong>lich)<br />

100 € Frühbucherrabatt<br />

Programm & Anmeldung<br />

Detaillierte Informationen zur Veranstaltung,<br />

das vollständige Programm sowie die Online-<br />

Anmeldung finden Sie im Internet unter<br />

www.explosionsschutz-sprechstunde.de

HAUPTBEITRAG<br />

Merkmalleisten für<br />

Regelventilengineering<br />

Konsistente Datenhaltung über den Lebenszyklus<br />

Beim Engineering von Feldgeräten, insbeson<strong>der</strong>e von Regelventilen, entstehen während<br />

<strong>der</strong> Planung und Beschaffung Daten, die immer wie<strong>der</strong> benötigt werden. Der Beitrag beschreibt,<br />

wie ein standardisierter elektronischer Datenaustausch mittels Merkmalleisten<br />

beim Engineering von Regelventilen für eine konsistente Datenhaltung über den Lebenszyklus<br />

<strong>der</strong> Anlage sorgt.<br />

SCHLAGWÖRTER Merkmalleisten / Engineering / Lebenszyklus / Regelventil /<br />

Standardisierter Datenaustausch<br />

Control valve engineering using standardized property lists –<br />

Consistent data management throughout the life-cycle<br />

During the engineering of field devices (especially control valves), assorted data are generated<br />

in the various phases of planning and purchasing that can be used during the life<br />

cycle of the devices.<br />

A standardized electronic data exchange with lists of properties (LOPs) during the valve<br />

engineering process provides consistent data management over the entire life cycle of the<br />

process plant.<br />

KEYWORDS property list / engineering / life cycle / control valve / standardized<br />

data exchange<br />

48<br />

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

6 / 2013

UWE VOGEL, Samson<br />

Ausgehend vom Computer-Aided-Engineering-<br />

System (CAE), siehe Bild 1, wird in <strong>der</strong> verfahrenstechnischen<br />

Planung zunächst das Verfahrensdatenblatt<br />

erstellt. Im Basic-Engineering<br />

werden die Verfahrensdaten in das PLT-Stellenblatt<br />

für die Feldgeräte übernommen und gegebenenfalls<br />

schon eine erste Auswahl des benötigten Feldgerätes vorgenommen.<br />

Die Daten des PLT-Stellenblattes dienen dem<br />

Hersteller zur Auslegung und zur Gerätekonfiguration<br />

eines Regelventils. Da sich während <strong>der</strong> Planung häufig<br />

Prozessdaten än<strong>der</strong>n können, ist ein iterativer Austausch<br />

<strong>der</strong> verfahrenstechnischen Daten zwischen Hersteller und<br />

Kunde erfor<strong>der</strong>lich. Entsprechend unterliegt das PLT-<br />

Stellenblatt einer ständigen Modifizierung [1].<br />

1. DERZEITIGE VORGEHENSWEISE<br />

Regelventile bestehen im Gegensatz zu Messumformern<br />

aus mehreren Komponenten, die jeweils einzeln ausgelegt<br />

und konfiguriert werden müssen. Ein Regelventil setzt sich<br />

zusammen aus Ventil, Antrieb und einem Stellungsregler.<br />

Je nach Anwendung werden noch weitere Anbaugeräte wie<br />

Zuluftstation, Grenzsignalgeber, Magnetventil o<strong>der</strong> ein<br />

Volumenstromverstärker hinzugefügt. Insgesamt bilden<br />

Stellgeräte und damit Regelventile eine komplexe Gerätefamilie,<br />

die sich nach DIN EN 60534-1 [5] beziehungsweise<br />

IEC 61987-21 (im Entwurf) in acht Hauptgruppen einteilen<br />

lässt, siehe Bild 2. Bei Hubventilen, Schiebern und Membranventilen<br />

wird <strong>der</strong> Drosselkörper linear zum Durchflussmedium<br />

bewegt. Bei Drehkegelventilen, Kugelhähnen,<br />

Kugelsegmentventilen, Kükenhähnen und Stellklappen<br />

erfolgt eine drehende Bewegung des Drosselkörpers.<br />

Regelventile werden anhand von Prozessdaten individuell<br />

ausgelegt und konfiguriert. Hierzu sind Angaben<br />

über das Durchflussmedium wie Dichte, Dampfdruck<br />

und Zähigkeit, die Durchflussrate, Eingangs- und Ausgangsdruck<br />

erfor<strong>der</strong>lich. Mit drei Betriebspunkten lässt<br />

sich <strong>der</strong> Betriebsbereich des Regelventils beschreiben.<br />

Hinzu kommen Anfor<strong>der</strong>ungen aus dem Einbauort und<br />

dem Prozess, wie in Bild 3 gezeigt.<br />

Für die Auslegung von Regelventilen müssen aus den<br />

Prozessdaten neben dem Durchflusskoeffizienten (kv-<br />

Wert), <strong>der</strong> Schalldruckpegel, die Strömungsgeschwindigkeit<br />

sowie die Antriebskräfte berechnet werden.<br />

Dazu sind eine Reihe von ventilspezifischen Kennwerten<br />

lastabhängig zu bestimmen. Die zu verarbeitende<br />

Information für die Auslegung eines Regelventiles besteht<br />

aus 150 bis 200 Daten. Bei komplexen Prozessbedingungen,<br />

beispielsweise bei Mehrphasenströmungen<br />

o<strong>der</strong> schalloptimierten Regelventilen, kommen weitere<br />

Daten hinzu.<br />

Der Datenaustausch erfolgt über ein standardisiertes<br />

Datenblatt nach DIN EN 60534-7 [6], siehe Bild 4, o<strong>der</strong> ISA<br />

S 75.14/ISA TR20.00.01 [10]. Das Datenblatt unterteilt die<br />

Daten in Gruppen und ordnet sie zeilenweise an. Zeilen,<br />

die gleichzeitig mehrere Daten enthalten – zum Beispiel<br />

enthält die Zeile Umgebungstemperatur den minimalen<br />

und maximalen Wert – erschweren die Datenverarbeitung.<br />

In den Zeilen 1 bis 30 übermittelt <strong>der</strong> Kunde die Prozessdaten<br />

und die Daten zur MSR-Aufgabe. Ab Zeile 31 trägt<br />

<strong>der</strong> Lieferant Daten aus <strong>der</strong> rechnerischen Ventilauslegung<br />

und zu den ausgewählten Geräten ein. Im Bemerkungsfeld<br />

lassen sich zusätzliche Informationen zu speziellen<br />

Abnahmeprüfungen o<strong>der</strong> weitergehende Anfor<strong>der</strong>ungen<br />

als Freitext beschreiben. Lei<strong>der</strong> wird das Datenblatt,<br />

wie in Bild 5 dargestellt, noch überwiegend in<br />

Papierform ausgetauscht und auf <strong>der</strong> Kunden- und <strong>der</strong><br />

Lieferantenseite manuell verarbeitet. Die Folge: Übertragungsfehler,<br />

Doppelarbeit und Zeitverlust.<br />

2. STANDARDISIERTE MERKMALLEISTEN<br />

Standardisierte Merkmalleisten, etwa nach dem Eclass-<br />

Standard/Prolist/NE100 (NE100 – Namur-Empfehlung<br />

100,) und ein vom Betriebssystem unabhängiges Datenaustauschformat<br />

wie XML können in Zukunft die erfor<strong>der</strong>liche<br />

Plattform für den elektronischen Datenaustausch<br />

beim Engineering von Regelventilen und an<strong>der</strong>er<br />

Feldgeräte darstellen. Durch den elektronischen Datenaustausch<br />

lässt sich von <strong>der</strong> Anfrage über das Angebot<br />

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

6 / 2013<br />

49

HAUPTBEITRAG<br />

bis zur Bestellung eine konsistente Datenhaltung erreichen.<br />

Alle Daten sind während des Lebenszyklus des<br />

Regelventils verfügbar, zum Beispiel im Servicefall und<br />

bei Anlagenrevisionen.<br />

Um einen reibungslosen elektronischen Datenaustausch<br />

zu gewährleisten, sind Anfor<strong>der</strong>ungen an das<br />

Datenformat zu erfüllen:<br />

Dateninhalte mit Wert, Dimension und Datentyp<br />

Unterstützung gängiger physikalischer Einheiten<br />

(SI und nicht SI)<br />

Unterstützung verschiedener Sprachen<br />

(de, en, fr, …)<br />

Eindeutige Zuordnung <strong>der</strong> Merkmale<br />

Unabhängigkeit von <strong>der</strong> Software-Plattform<br />

Blockstruktur <strong>der</strong> Merkmale<br />

Flexibilität <strong>der</strong> Datenstruktur<br />

Die Datenstruktur ist flexibel gestaltbar. Hierfür stehen<br />

die Mechanismen Kardinalität, Vererbung und Polymorphismus<br />

zur Verfügung:<br />

Über ein Kardinalitätsmerkmal lässt sich die Anzahl<br />

eines Merkmals flexibel festlegen, sodass ein Merkmal<br />

beliebig oft wie<strong>der</strong>holt werden kann. Besitzt ein Gerät<br />

zum Beispiel verschiedene Prozessanschlüsse auf <strong>der</strong><br />

Eingangs- und Ausgangseite, wird das Kardinalitätsmerkmal<br />

Anzahl <strong>der</strong> Prozessanschlüsse gleich 2 gesetzt.<br />

Damit wird das Merkmal Prozessanschluss<br />

dupliziert und bietet Platz, den Eingangs- und Ausgangsprozessanschluss<br />

zu beschreiben, siehe Bild 6.<br />

Bei <strong>der</strong> Vererbung wird ein Block dupliziert und<br />

kann durch weitere Merkmale ergänzt werden, ohne<br />

dass sich die vererbten Merkmale verän<strong>der</strong>n.<br />

Der Mechanismus des Polymorphismus erlaubt es,<br />

einem Merkmal verschiedene Ausprägungen zuzuweisen.<br />

Besitzt ein Gerät zum Beispiel zwei verschiedene<br />

Signalausgänge, können über das polymorphe<br />

Merkmal Typ des Ausgangs beide Signalausgänge<br />

getrennt beschrieben werden. Wenn also ein Regelventil<br />

mit einem schaltenden Auf/Zu-Ausgang und<br />

einem stetigen Stromausgang ausgestattet ist, lassen<br />

sich beide Ausgänge in getrennten Blöcken definieren.<br />

Verfahrenstechnische<br />

Planung<br />

• Datenübernahme aus R&I<br />

• Verfahrensdatenblatt<br />

• Elektr. Energieverbraucher<br />

• …<br />

Basic-Engineering<br />

• PLT-Stellenblatt<br />

• El. Energieverbraucher<br />

• Gerätekonfiguration<br />

• Ex-Nachweise<br />

• Gerätebilanz<br />

• Anschlusspläne<br />

• Hook-Ups<br />

• Funktionspläne<br />

• …<br />

Detail-Engineering<br />

• Wirkungspläne<br />

• Klemmenpläne<br />

• Feldverteilerpläne<br />

• Schrankaufbau<br />

• Kabellisten<br />

…<br />

Druckmin<strong>der</strong>er<br />

Ventil<br />

Stellgerät für<br />

strömende Stoffe<br />

Regel- und automatisiertes<br />

Auf/Zu Ventil<br />

Antrieb<br />

Zubehör<br />

. . .<br />

Verschiedenes<br />

BILD 1: CAE-System Prodok von Rösberg Engineering [3]<br />

Ventil /<br />

linear<br />

Ventil /<br />

Schwenk<br />

Linear<br />

Antrieb<br />

Schwenkantrieb<br />

Hubventil<br />

Schieber<br />

Membranventil<br />

Drehkegelventil<br />

Kugelhahn<br />

Kugelsegmentventil<br />

Kükenhahn<br />

Stellklappe<br />

Quelle: Fa. Rösberg Engineering - PRODOK<br />

• Prozessdaten<br />

Q, p 1 , p 2 , T ...<br />

• Einbauort<br />

• Rohrleitung<br />

QS-Anfor<strong>der</strong>ungen<br />

• Spez. Daten<br />

des Mediums<br />

, v, p c , p v ...<br />

Stellventil<br />

• Zertifikate<br />

SIL, TA-Luft<br />

PED etc.<br />

Quelle: SC 65B/JWG (IEC 61 987-21)<br />

BILD 2: Einteilung <strong>der</strong> Stellgeräte nach DIN EN 60534-1 [3]<br />

und IEC 61987-21 (im Entwurf)<br />

• Dimensionierung<br />

kv-Wert, Kennlinie<br />

Nennweite<br />

Schalldruck etc.<br />

• Leckage<br />

Innen<br />

Außen<br />

• Sicherheitsstellung<br />

• Stellzeit<br />

BILD 3: Auswahlkriterien für Regelventile [2]<br />

Kunde<br />

PLT-Ing.<br />

Lieferant<br />

Vertrieb<br />

Datenübertragung<br />

Fax, Post, PDF-Dokument<br />

BILD 5: Bestellvorgang heute (Datenaustausch<br />

zwischen Kunde und Lieferant)<br />

BILD 4: Datenblatt nach DIN EN 60534-7 (Ausschnitt) [6]<br />

50<br />

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

6 / 2013

Die Merkmalleisten glie<strong>der</strong>n sich in drei Bereiche, siehe<br />

Bild 7:<br />

Administrativer Bereich mit allgemeinen<br />

Informationen zur PLT-Stelle<br />

Betriebsmerkmalleiste mit Angaben zu den<br />

Prozessgrößen<br />

Gerätemerkmalleiste mit Angaben zum Gerät<br />

Um möglichst viele Anwendungsfälle, Gerätekonfigurationen<br />

und Geräteausführungen abdecken zu können,<br />

wurde in <strong>der</strong> Merkmalleiste <strong>der</strong> NE 100 (Prolist) eine<br />

sehr detaillierte Beschreibung mit mehreren hun<strong>der</strong>t<br />

Merkmalen aufgebaut. Da selten alle Merkmale benötigt<br />

werden, bietet es sich an, benutzerabhängige Ansichten<br />

zu definieren. Die benutzerabhängige Ansicht blendet<br />

über einen Filter nicht benötigte Daten aus und erhöht<br />

damit die Übersichtlichkeit. Eine wichtige Funktion<br />

stellt <strong>der</strong> Datenvergleich dar, <strong>der</strong> erst durch den elektronischen<br />

Datenaustausch möglich wird. Durch das Laden<br />

von verschiedenen Gerätespezifikationen lassen sich die<br />

Unterschiede bei Revisionen o<strong>der</strong> auch Alternativen von<br />

technischen Angeboten vergleichen.<br />

Beim elektronischen Datenaustausch werden die Daten<br />

über eine Schnittstelle, wie in Bild 8 gezeigt, in das CAE-<br />

System des Lieferanten eingelesen und stehen ihm dann<br />

zur Berechnung des Regelventils zur Verfügung. Nach<br />

Abschluss <strong>der</strong> Berechnung und Konfiguration des Regelventils<br />

werden die neu erzeugten Daten in den vorhandenen<br />

XML-Datensatz geschrieben und dem Kunden<br />

zugesendet. Für den Import und Export <strong>der</strong> Daten in<br />

verschiedene Programme ist eventuell ein Mapping <strong>der</strong><br />

Daten erfor<strong>der</strong>lich, um die Zuordnung <strong>der</strong> Variablennamen<br />

festzulegen.<br />

3. STAND DER NORMUNG<br />

Die Merkmalleisten <strong>der</strong> NE 100 (Prolist) wurden Anfang<br />

2013 an Eclass übergeben, um den Fortbestand <strong>der</strong> Daten<br />

zu gewährleisten. Gegenwärtig wird eine internationale<br />

IEC-Norm in einer Arbeitsgruppe des technischen Ko-<br />

Merkmalleiste<br />

„Regelventil"<br />

Merkmalleiste<br />

„Regelventil"<br />

Wert<br />

Werkstoff<br />

Werkstoff<br />

Stahlguss<br />

Farbe<br />

Farbe<br />

blau<br />

Gewicht<br />

Gewicht<br />

7,5<br />

kg<br />

Kardinalitätsmerkmal<br />

Geometrie<br />

Anzahl<br />

Prozessanschlüsse<br />

Prozessanschluss<br />

Bezeichnung<br />

PN<br />

DN<br />

Wie<strong>der</strong>holung<br />

hängt ab von<br />

Anwendung<br />

Geometrie<br />

Anzahl<br />

Prozessanschlüsse<br />

Prozessanschluss_1<br />

PN<br />

DN<br />

Prozessanschluss_2<br />

2<br />

Bezeichnung<br />

Bezeichnung<br />

PN<br />

DN<br />

Wert<br />

Eingang<br />

40<br />

16<br />

Wert<br />

Ausgang<br />

50<br />

16<br />

BILD 6: Aufbau einer<br />

Merkmalleiste in Blockstruktur<br />

mit Anwendung<br />

eines Kardinalitätsmerkmals<br />

nach NE 100 zur Wie<strong>der</strong>holung<br />

eines Blockes<br />

(hier Prozessanschluss) [4]<br />

BILD 7: Aufbau einer Merkmalleiste<br />

im CAE-System Prodok [3]<br />

BILD 8: Beispiel <strong>der</strong> Datenübergabe zwischen dem CAE-System<br />

Prodok und dem Samson-Ventilauslegungsprogramm [2]<br />

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

6 / 2013<br />

51

HAUPTBEITRAG<br />

mitees TC65 (Technical Commitee) erarbeitet. Die Merkmalleisten<br />

bestehen aus<br />

DLOPs – Device List of Properties –<br />

entspricht <strong>der</strong> Gerätemerkmalleiste<br />

OLOPs – Operation List of Properties –<br />

entspricht <strong>der</strong> Betriebsmerkmalleiste<br />

Aufbauend auf <strong>der</strong> Basis-Norm für das Datenmodell in<br />

<strong>der</strong> IEC 61360 [8]/ISO 13584 [7] werden die allgemeinen<br />

Strukturen für die Geräte in den IEC 61987-x-1-Teilen<br />

beschrieben. Für die Gerätemerkmalleisten gibt es jeweils<br />

individuelle Teile <strong>der</strong> Normenreihe IEC 61987 [9],<br />

für die Stellventile ist beispielsweise die künftige IEC<br />

61987-21 vorgesehen. Aktuell liegen bereits DLOPs für<br />

Regelventile, Stellklappen, Kugelhähne sowie Druckmin<strong>der</strong>er<br />

mit den zugehörigen Antrieben vor. Ein internationaler<br />

Norm-Entwurf (CD, Committee Draft) soll<br />

noch in diesem Jahr veröffentlicht werden.<br />

ZUSAMMENFASSUNG<br />

Der elektronische Datenaustausch von Merkmalleisten<br />

bietet viele Vorteile. Neben <strong>der</strong> konsistenten Datenhaltung<br />

von <strong>der</strong> Anfrage über das Angebot bis zur Bestellung<br />

stehen die Daten über den Lebenszyklus <strong>der</strong> Anlage<br />

zur Verfügung. Voraussetzung ist jedoch, die Merkmalleisten<br />

und die Definition <strong>der</strong> verwendeten Begriffe zu<br />

standardisieren. Der Beitrag hat aufgezeigt, dass Regelventile<br />

eine beson<strong>der</strong>e Herausfor<strong>der</strong>ung an das Datenformat<br />

darstellen, da es sich bei ihnen um Composite-<br />

Geräte handelt, die aus mehreren konfigurierbaren Komponenten<br />

bestehen.<br />

Für die Bearbeitung von Massendaten bei Projekten<br />

sind geeignete Werkzeuge zu schaffen, um die Daten<br />

effizient zu verarbeiten. Insbeson<strong>der</strong>e bei standardisierten<br />

Armaturen, wie Handkugelhähnen, die nach Rohrklassen<br />

eingeteilt werden, ist eine Bearbeitung in <strong>der</strong><br />

Form von Übersichtstabellen erfor<strong>der</strong>lich. Das aufwendige<br />

Auslegen über die Prozessdaten entfällt, sodass<br />

man sich bei diesen Geräten auf die Gerätemerkmalleisten<br />

beschränken kann. Um alle Möglichkeiten des elektronischen<br />

Datenaustauschs nutzen zu können, ist eine<br />

breite Akzeptanz auf <strong>der</strong> Kunden- und <strong>der</strong> Lieferantenseite<br />

erfor<strong>der</strong>lich. Setzt sich <strong>der</strong> elektronische Datenaustausch<br />

in <strong>der</strong> Praxis durch, ist es denkbar, dass<br />

künftig auch Einstellparameter von smarten Stellungsreglern<br />

o<strong>der</strong> Information zur Ersatzteilbeschaffung auf<br />

diesem Weg weitergegeben werden.<br />

MANUSKRIPTEINGANG<br />

21.03.2013<br />

Im Peer-Review-Verfahren begutachtet<br />

REFERENZEN<br />

Merkmalsleisten<br />

„Allgemeine<br />

Strukturen“<br />

„Grundlagen“<br />

Basis-Normen<br />

(Datenmodell)<br />

AUTOR<br />

Durchfluss<br />

IEC 61987-12<br />

Druck<br />

IEC 61987-13<br />

Messgeräte<br />

IEC 61987<br />

-11<br />

Dichte<br />

IEC 61987-16<br />

Regelventile<br />

IEC 61987-22<br />

Stellgeräte<br />

IEC 61987<br />

-21<br />

Signalanpass.<br />

IEC 61987-32<br />

… … … …<br />

Signalanp.<br />

IEC 61987<br />

-31<br />

IEC 61987-10<br />

horizontale Norm<br />

IEC 61360 / ISO 13584<br />

Aspekte<br />

IEC 61987-92<br />

BILD 9: Normenlandschaft zur Normung<br />

<strong>der</strong> Merkmalleisten <strong>der</strong> NE 100 [2]<br />

Schaltgeräte<br />

IEC 62683<br />

Dipl.-Ing. UWE VOGEL (geb. 1958) ist Leiter<br />

Produktmanagement und Marketing Armaturen<br />

und Regler ohne Hilfsenergie Samson Group.<br />

Samson AG,<br />

Mess- und Regeltechnik,<br />

Weismüllerstraße 3, D- 60314 Frankfurt am Main,<br />

Tel. +49 (0) 69 40 09 12 23, E-Mail: uvogel@samson.de<br />

[1] Still, W., Dubovy, M.: Umsetzung <strong>der</strong> NE 100 in <strong>der</strong><br />

BASF. <strong>atp</strong> – <strong>Automatisierung</strong>stechnische Praxis (1),<br />

S. 38-43, 2008<br />

[2] Vogel, U.: Engineering von Regelventilen unter<br />

Verwendung von standardisierten Merkmalsleisten.<br />

Vortrag auf NAMUR-Hauptsitzung 2012<br />

[3] Roesberg: http://www.roesberg.com/images/stories/<br />

public/Roesberg_PRODOK_D_small.pdf<br />

[4] Prolist: www.prolist.org<br />

[5] DIN EN 60534-1: Stellventile für die Prozessregelung<br />

– Teil 1: Begriffe und allgemeine Betrachtungen<br />

(IEC 60534-1:2005, Deutsche Fassung<br />

EN 60534-1:2005). Beuth 2005, www.beuth.de<br />

[6] DIN EN 60534-7: Stellventile für die Prozessregelung<br />

– Teil 7: Datenblatt für Stellventile (IEC 60534-7:2010,<br />

Deutsche Fassung EN 60534-7:2010). Beuth 2010,<br />

www.beuth.de<br />

[7] ISO 13584: Industrial automation systems and<br />

integration – Parts library. Beuth 2001,<br />

www.beuth.de<br />

[8] IEC 61360-1: Common Data Dictionary.<br />

(Deutsche Fassung DIN EN 61360-1:2002).<br />

Beuth 2004,<br />

www.beuth.de<br />

[9] IEC: Online CDD.<br />

http://std.iec.ch/cdd/iec61987/cdddev.nsf<br />

[10] ISA-TR20.00.01: Specification Forms for Process<br />

Measurement and Control Instruments Part 1:<br />

General Consi<strong>der</strong>ations, 2007<br />

52<br />

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

6 / 2013

KNOWLEDGE<br />

for the FUTURE<br />

Qualified reading<br />

for automation<br />

experts<br />

Process Control Systems Engineering<br />

Process Control Systems (PCS) are distributed control systems<br />

(DCS) that are specialized to meet specific requirements of the<br />

process industries.<br />

The text book focuses on PCS engineering basics that are common<br />

to different domains of the process industries. It relates to an<br />

experimental research plant which serves for the exploration<br />

of the interaction between process modularization and process<br />

automation methods. This permits to capture features of highly<br />

specialized and integrated mono-product plants as well as<br />

application areas which are dominated by locally standardized<br />

general-purpose apparatus and multi-product schemes. While<br />

the text book’s theory is applicable for all PCS of different<br />

suppliers, the examples refer to Siemens’ control system PCS 7.<br />

Focusing on a single PCS enables rea<strong>der</strong>s to use the book in basic<br />

lectures on PCS engineering as well as in computer lab courses,<br />

allowing students to gain hands-on experience.<br />

Editor: L. Urbas<br />

1 st <strong>edition</strong> 2012, 204 pages, content in English * , hardcover<br />

*<br />

German language version coming soon<br />

Or<strong>der</strong> now by fax: +49 201 / 8 20 02 34 or detach and send in a letter<br />

<br />

Yes, I place a firm or<strong>der</strong> for the technical book. Please send me<br />

Company/Institution<br />

___ copies of Process Control Systems Engineering<br />

1 st <strong>edition</strong> 2012 (ISBN: 978-3-8356-3198-4)<br />

at the price of € 49,80 (plus postage and packing)<br />

First name and surname of recipient<br />

Street/P.O. Box, No.<br />

Reply / Antwort<br />

Vulkan-Verlag GmbH<br />

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Postfach 10 39 62<br />

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by mail, by phone, by fax, by email, none. This approval may be withdrawn at any time.<br />

PAPCSE2012

IMPRESSUM / VORSCHAU<br />

IMPRESSUM<br />

VORSCHAU<br />

Verlag:<br />

DIV Deutscher Industrieverlag GmbH<br />

Arnulfstraße 124, D-80636 München<br />

Telefon + 49 (0) 89 203 53 66 0<br />

Telefax + 49 (0) 89 203 53 66 99<br />

www.di-verlag.de<br />

Geschäftsführer:<br />

Carsten Augsburger, Jürgen Franke<br />

Verlagsleiterin:<br />

Kirstin Sommer<br />

Spartenleiterin:<br />

Anne Hütter<br />

Herausgeber:<br />

Dr.rer.nat. Thomas Albers<br />

Dr. Gunther Kegel<br />

Dipl.-Ing. Hans-Georg Kumpfmüller<br />

Dr.-Ing. Wilhelm Otten<br />

Beirat:<br />

Dr.-Ing. Kurt Dirk Bettenhausen<br />

Prof. Dr.-Ing. Christian Diedrich<br />

Prof. Dr.-Ing. Ulrich Epple<br />

Prof. Dr.-Ing. Alexan<strong>der</strong> Fay<br />

Prof. Dr.-Ing. Michael Felleisen<br />

Prof. Dr.-Ing. Georg Frey<br />

Prof. Dr.-Ing. Peter Göhner<br />

Dipl.-Ing. Thomas Grein<br />

Prof. Dr.-Ing. Hartmut Haehnel<br />

Dr.-Ing. Jörg Kiesbauer<br />

Dipl.-Ing. Rolf Marten<br />

Dipl.-Ing. Gerald Mayr<br />

Dr. Jörg Nothdurft<br />

Dr.-Ing. Josef Papenfort<br />

Dr. Andreas Wernsdörfer<br />

Dipl.-Ing. Dieter Westerkamp<br />

Dr.rer.nat. Christian Zeidler<br />

Organschaft:<br />

Organ <strong>der</strong> GMA<br />

(VDI/VDE-Gesell schaft Messund<br />

<strong>Automatisierung</strong>s technik)<br />

und <strong>der</strong> NAMUR<br />

(Interessen gemeinschaft<br />

<strong>Automatisierung</strong>s technik <strong>der</strong><br />

Prozessindustrie).<br />

Redaktion:<br />

Anne Hütter (ahü)<br />

(verantwortlich)<br />

Telefon + 49 (0) 89 203 53 66 58<br />

Telefax + 49 (0) 89 203 53 66 99<br />

E-Mail: huetter@di-verlag.de<br />

Gerd Scholz (gz)<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 />

und Informationstechnik<br />

Professur für Prozessleittechnik<br />

D-01062 Dresden<br />

Telefon +49 (0) 351 46 33 96 14<br />

E-Mail: urbas@di-verlag.de<br />

Fachredaktion:<br />

Dr.-Ing. Michael Blum<br />

Dipl.-Ing. Heinrich Engelhard<br />

Prof. Dr.-Ing. Jürgen Jasperneite<br />

Dr.-Ing. Bernhard Kausler<br />

Dr.-Ing. Niels Kiupel<br />

Prof. Dr.-Ing. Gerrit Meixner<br />

Dr.-Ing. Jörg Neidig<br />

Dipl.-Ing. Ingo Rolle<br />

Dr.-Ing. Stefan Runde<br />

Prof. Dr.-Ing. Frank Schiller<br />

Bezugsbedingungen:<br />

„<strong>atp</strong> <strong>edition</strong> – <strong>Automatisierung</strong>stechnische<br />

Praxis“ erscheint<br />

monatlich mit Doppelausgaben im<br />

Januar/Februar und Juli/August.<br />

Bezugspreise:<br />

Abonnement jährlich: € 468,– + € 30,–/<br />

€ 35,– Versand (Deutschland/Ausland);<br />

Heft-Abonnement + 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 Län<strong>der</strong> sind es<br />

Nettopreise. Mitglie<strong>der</strong> <strong>der</strong> GMA: 30%<br />

Ermäßigung auf den Heftbezugspreis.<br />

Bestellungen sind je<strong>der</strong>zeit über den<br />

Leserservice o<strong>der</strong> 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 41 704 94<br />

Telefax + 49 (0) 931 41 704 92<br />

E-Mail: leserservice@di-verlag.de<br />

Verantwortlich für<br />

den Anzeigenteil:<br />

Inge Matos Feliz<br />

Telefon + 49 (0) 89 203 53 66 22<br />

Telefax + 49 (0) 89 203 53 66 99<br />

E-Mail: matos.feliz@di-verlag.de<br />

Es gelten die Preise <strong>der</strong> Mediadaten 2013<br />

Anzeigenverwaltung:<br />

Brigitte Krawczyk<br />

Telefon + 49 (0) 89 203 53 66 12<br />

Telefax + 49 (0) 89 203 53 66 99<br />

E-Mail: krawczyk@di-verlag.de<br />

Art Direction / Layout:<br />

deivis aronaitis design | dad |<br />

Druck:<br />

Druckerei Chmielorz GmbH<br />

Ostring 13,<br />

D-65205 Wiesbaden-Nordenstadt<br />

Gedruckt auf chlor- und<br />

säurefreiem Papier.<br />

Die <strong>atp</strong> wurde 1959 als „Regelungstechnische<br />

Praxis – rtp“ gegründet.<br />

DIV Deutscher Industrieverlag<br />

GmbH München<br />

Die Zeitschrift und alle in ihr enthaltenen<br />

Beiträge und Abbildungen sind urheberrechtlich<br />

geschützt. Mit Ausnahme <strong>der</strong><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 />

und Beteiligungsverhältnisse am Verlag<br />

wie folgt an:<br />

DIV Deutscher Industrieverlag GmbH,<br />

Arnulfstraße 124, D-80636 München.<br />

Alleiniger Gesellschafter des Verlages<br />

ist die ACM-Unternehmensgruppe,<br />

Ostring 13,<br />

D-65205 Wiesbaden-Nordenstadt.<br />

ISSN 2190-4111<br />

DIE AUSGABE 7-8 / 2013 DER<br />

ERSCHEINT AM 07.08.2013<br />

MIT DEM SCHWERPUNKT<br />

„GMA-KONGRESS AUTOMATION 2013“<br />

Methodische Identifikation<br />

wie<strong>der</strong>verwendbarer Module<br />

für die Simulation von<br />

<strong>Automatisierung</strong>ssystemen<br />

Bus-ID: Orientierung für<br />

Blinde mittels RFID<br />

Durchgängiger Entwurf<br />

von Visualisierungen für<br />

Fertigungsanlagen<br />

Fehlererkennung und<br />

-lokalisierung in Fertigungsanlagen<br />

Bewertung <strong>der</strong> Energieeffizienz<br />

in <strong>der</strong> Fertigungstechnik<br />

Aus aktuellem Anlass können sich die Themen<br />

kurzfristig verän<strong>der</strong>n.<br />

LESERSERVICE<br />

E-MAIL:<br />

leserservice@di-verlag.de<br />

TELEFON:<br />

+ 49 (0) 931 417 04 94<br />

54<br />

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

6 / 2013

Erreichen Sie die Top-Entschei<strong>der</strong><br />

<strong>der</strong> <strong>Automatisierung</strong>stechnik.<br />

Sprechen Sie uns an wegen Anzeigenbuchungen<br />

und Fragen zu Ihrer Planung.<br />

Inge Matos Feliz: Tel. +49 89 203 53 66-22<br />

E-Mail: matos.feliz@di-verlag.de

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