atp edition Datenkopplung mittels UML-Modellen (Vorschau)

12 / 2013 

55. Jahrgang B3654 

DIV Deutscher Industrieverlag GmbH 

Automatisierungstechnische Praxis 

Datenkopplung mittels 

UML-Modellen | 26 

Modell zur Beschreibung 

cyber-physischer Systeme | 38 

Nur Befehle befolgt | 46 

Komponentenkapselung 

und -selbstbeschreibung | 54

atp edition – die Referenzklasse 

der Automatisierungstechnik

EDITORIAL 

Industrie 4.0 – was nun? 

Die Vorträge sind gehalten, alle Statements abgegeben, Positionspapiere und 

Marketingaussagen ausgetauscht, eine Vielzahl von Arbeitskreisen gegründet. 

– Wie soll es nun weitergehen mit Industrie 4.0? 

Das Ziel des Zukunftsprojekts Industrie 4.0 ist die Optimierung der Organisation 

und Steuerung von Wertschöpfungsketten im Umfeld der industriellen Produktion. 

Erreicht werden soll dies auf der Grundlage einer durchgängigen IT- 

Unterstützung über den gesamten Lebenszyklus. Diese von der Verbändeplattform 

Industrie 4.0 in ihrer Definition (www.plattform-i40.de) ausgegebene 

Orientierung lenkt den Fokus auf den wirtschaftlichen Nutzen für die Industrie. 

IT-Konzepte sind also nicht Selbstzweck, sondern dienen dem Erreichen des 

beschriebenen Ziels. 

Um den wirtschaftlichen Nutzen möglichst frühzeitig zu generieren und die 

Entwicklung nachhaltig abzusichern, müssen die neuen IT-Konzepte stufenweise 

eingeführt werden. Im Stufenkonzept muss jede Stufe für sich einen signifikanten 

Nutzen generieren, und die Stufen müssen so gestaltet sein, dass Anwendungen 

bei der Implementierung einer neuen Stufe lauffähig bleiben. 

Im Fachausschuss 7.21 „Industrie 4.0“ der GMA wird an einem Vorschlag für eine 

Referenzarchitektur gearbeitet, die eine solche stufenweise Einführung erlaubt. 

Ziel der ersten Stufe ist die Schaffung einer Systemschicht, die einen dienstbasierten 

Zugriff auf alle Informationen des verteilten Systems ermöglicht. Dazu 

gehören Konzepte zur einheitlichen Repräsentanz von Objekten und Merkmalen 

im Dienstsystem. Schwerpunkt der zweiten Stufe sind Konzepte zur automatisierten 

Verteilung und Virtualisierung der Lokalität der Objekte und Dienste im 

Netzwerk. In diese Kategorie fallen zum Beispiel die Cloud-Konzepte. Der industrielle 

Einsatz von SelfX-Konzepten, adaptiven Netzwerkstrukturen und KI- 

Anwendungen wird erst in einer dritten Stufe erwartet. Eine Anforderung an 

das Design der ersten Stufe ist die direkte industrielle Realisierbarkeit als Systemplattform. 

Diese muss so gestaltet sein, dass sie später durch die IT-Konzepte 

der nächsten Stufen kompatibel ergänzt werden kann. 

Ziel muss es sein, im Verlauf der nächsten Monate mit allen Beteiligten – Wissenschaft, 

Hersteller und Anwender – unter Führung der Verbändeplattform 

einen Plan abzustimmen, der beschreibt, wie unsere Industrie-4.0-IT-Systemlandschaft 

morgen aussehen soll, wie übermorgen und wie überübermorgen. 

Eine wichtige Voraussetzung dafür ist eine kritische Analyse der neuen IT- 

Konzepte auf ihren konkreten Nutzen, den grundsätzlichen Forschungsbedarf, 

den Standardisierungs- und Normungsbedarf, den erwarteten Entwicklungsaufwand, 

ihre konzeptionelle Einbindbarkeit in die bestehenden Systeme und Prozesse 

und die Erfüll- und Nachweisbarkeit der geforderten QoS-Eigenschaften 

beziehungsweise der nichtfunktionalen Eigenschaften. Es muss Klarheit geschaffen 

werden, welche IT-Konzepte reif sind für die Anwendung in der industriellen 

Automation und welche Konzepte zwar Nutzenpotenziale versprechen aber die 

Voraussetzungen für einen flächendeckenden Einsatz in der industriellen Automation 

in den nächsten Jahren vermutlich nicht erfüllen. 

Auf der Grundlage von geprüften und standardisierten IT-Konzepten und einem 

in der Fachwelt abgestimmten Einführungs-Stufenplan kann eine zügige 

und nachhaltige Umsetzung gelingen, bei Herstellern und Anwendern schnell 

Nutzen schaffen und das Zukunftsprojekt Industrie 4.0 zum Erfolg führen. 

PROF. DR.-ING. 

ULRICH EPPLE, 

RWTH Aachen, Lehrstuhl für 

Prozessleittechnik 

atp edition 

12 / 2013 

3

INHALT 12 / 2013 

VERBAND 

6 | Markt für elektronische Komponenten 

wächst dank Halbleiter-Nachfrage wieder 

Technik der Prozessanalyse praktisch betrachtet 

VCI: Energiewende nicht um jeden Preis 

7 | IEC 62708: Internationale Arbeitsgruppe erarbeitet 

Baustein zur besseren Verständigung 

FORSCHUNG 

8 | Technoseum will mit neuer Initiative 

Jugendliche für Technik begeistern 

Automation 2014: Call for Papers ist online 

9 | Call for experts: Lebenszyklusmanagement 

und Total Cost of Ownership 

BRANCHE 

10 | Automatisierung der Zukunft verlangt dezentrale Steuerung, 

Modularität und Wiederverwendbarkeit 

12 | PC-basierte Steuerungstechnik als Grundlage 

für Entwicklung von Industrie 4.0 

RUBRIKEN 

3 | Editorial 

62 | Impressum, Vorschau 

4 


12 / 2013

PRAXIS 

16 | Elektromagnetische Verträglichkeit: 

Für industrielle Umgebungen ist sie 

besonders wichtig 

18 | Frequenzumrichter für den Bergbau 

erfüllen hohe Anforderungen bei unwirtlichen 

Bedingungen 

22 | Komplette Sicherheitslösung modernisiert 

größte Bowling-Anlage in Nordrhein-Westfalen 

Produkte, 

Systeme 

und Service 

für die 

Prozessindustrie? 

Natürlich. 

HAUPTBEITRÄGE 

26 | Datenkopplung mittels UML-Modellen 

B. VOGEL-HEUSER UND B. FEIZ-MARZOUGHI 

38 | Modell zur Beschreibung 

cyber-physischer Systeme 

U. DÖBRICH UND R. HEIDEL 

46 | Nur Befehle befolgt 

W. SPETH 

54 | Komponentenkapselung 

und -selbstbeschreibung 

W. HERFS, W. LOHSE, D. ÖZDEMIR UND A. MALIK 

System 800xA 5.1 hilft Anlagen 

noch effizienter zu betreiben 

und die Produktivität und Rentabilität 

zu verbessern. Dies wird durch 

gesteigerte Bediener-Effizienz, 

optimiertes Handling bei Batch- 

Produktion, effizientere Sequenzkonfiguration, 

verbesserte 

Asset-Verwendung und optimierte 

Engineering Best Practices erreicht. 

Wünschen Sie sich auch so eine 

effiziente Anlagenbedienung? 

www.abb.de/controlsystems 

Wussten Sie, dass Ihnen ABB 

neben maßgeschneiderten 

Leitsystemen ein umfassendes 

Portfolio für die Instrumentierung, 

herausragende Produkte und 

Lösungen für die Analysentechnik 

sowie erstklassigen Service bietet? 

Lesen Sie mehr unter: 

www.abb.de/ 

prozessautomatisierung 

ABB Automation GmbH 

Tel.: +49 (0) 1805 26 67 76 

marketing.control-products@de.abb.com

VERBAND 

Markt für elektronische Komponenten 

wächst dank Halbleiter-Nachfrage wieder 

Nach Ansicht des ZVEI-Fachverbands Electronic Components 

and Systems wird der deutsche Markt für elektronische 

Komponenten in diesem Jahr einen Anstieg um 

knapp drei Prozent auf gut 17 Milliarden Euro hinlegen. 

Das Nachkrisenjahr 2010 war von einer starken Erholung 

mit über 40 Prozent Wachstum geprägt. 2011 hatte 

diese sich fortgesetzt, allerdings nicht mehr so stark. 

„Nach einem Rückgang der Umsätze im vergangenen Jahr 

um knapp fünf Prozent wird der Markt für elektronische 

Komponenten im laufenden und kommenden Jahr wieder 

an Dynamik gewinnen“, sagt Kurt Sievers, Vorsitzender 

des ZVEI-Fachverbands. „Risiken bergen allerdings die 

Krisenherde im Nahen Osten und die anhaltende europäische 

Schuldenkrise.“ Die positive Marktentwicklung 

wird nach Einschätzung der Experten vor allem getragen 

von der anziehenden Nachfrage nach Halbleiterbauelementen, 

die mit einem Anteil von über 60 Prozent den 

Gesamtmarkt dominieren. 

Eine ähnliche Wachstumsrate wie der 

deutsche Markt zeigt der Weltmarkt 

für elektronische Komponenten im 

laufenden Jahr. Er wird um gut drei 

Prozent auf zirka 474 Milliarden US- 

Dollar steigen. Im Jahr 2014 erwartet 

der Verband einen Anstieg des Weltmarkts 

für elektronische Bauelemente 

um fünf Prozent auf 497 Milliarden 

US-Dollar. Der europäische Markt 

wird um gut drei Prozent wachsen 

und einen Umsatz von rund 62 Milliarden 

US-Dollar erreichen. (aha) 

ZVEI – ZENTRALVERBAND ELEKTROTECHNIK- 

UND ELEKTRONIKINDUSTRIE E.V., 

Lyoner Straße 9, D-60528 Frankfurt am Main, 

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

Technik der Prozessanalyse praktisch betrachtet 

KURT SIEVERS, 

Vorsitzender des 

ZVEI-Fachverbandes 

Electronic Components, 

blickt zuversichtlich 

auf das 

kommende Jahr. 

(Bild: ZVEI) 

BEI DER FACH- 

KONFERENZ 

„Prozessanalytische 

Messtechnik in der 

Chemieindustrie“ am 

26. und 27. Februar 2014 

diskutieren Experten 

Anwendungs beispiele. 

(Bild: VDI Wissensforum) 

Auf der VDI-Fachkonferenz „Prozessanalytische Messtechnik 

in der Chemieindustrie“ am 26. und 27. Februar 

2014 in Köln werden Möglichkeiten und Grenzen 

der Messgeräte und Sensoren in verschiedenen Anwendungen 

thematisiert. Unter der fachlichen Leitung von 

Dr. Michael Zöchbauer, Leiter Forschung und Entwick- 

Die Energiewende darf nicht zulasten von Arbeitsplätzen 

gehen. Das meint, laut einer repräsentativen Umfrage 

des Verbands der Chemischen Industrie (VCI), ein 

Großteil der deutschen Führungskräfte. Das Nürnberger 

Marktforschungsinstitut Trend & Move hatte im Auftrag 

des VCI 700 Führungskräfte und -anwärter aus Politik, 

Behörden, Wirtschaft, Wissenschaft und Medien zur Energiewende 

befragt. Demnach befürworten 77 Prozent der 

heutigen und angehenden Führungskräfte die von der 

Bundesregierung beauftragte Umstellung, sie dürfe den 

Wirtschaftsstandort Deutschland jedoch nicht schwälung 

bei Sick, diskutieren Experten über Erfahrungen mit 

der Prozessanalysentechnik im täglichen Betrieb. 

Auf der Konferenz befassen sich Fachleute unter anderem 

mit Einsatz- und Entwicklungspotenzialen der dialektrischen 

Hochfrequenzspektroskopie. Sie erörtern 

Möglichkeiten, virtuelle Gassensor-Arrays als Elektronische 

Nase zu verwenden. Wie sich die Röntgenfloureszenzanalyse 

zur Festkörper- und Flüssigkeitsanalyse nutzen 

lässt, ist ebenfalls Thema eines Vortrags. Am Vortag 

der Konferenz, 25. Februar 2014, bietet das VDI Wissensforum 

ein Spezialseminar zum Thema „Statische Versuchsplanung 

in der Chemie“ an. Konferenz und Spezialseminar 

können zu einem reduzierten Kombipreis gebucht 

werden. Wer an der Veranstaltung teilnehmen möchte, 

kann sich unter www.vdi.de/prozessanalysentechnik das 

Programm ansehen und sich anmelden. 

(aha) 

VDI WISSENSFORUM GMBH, 

VDI-Platz 1, D-40468 Düsseldorf, 

Tel. +49 (0) 211 621 40, Internet: www.vdi.de 

VCI: Energiewende nicht um jeden Preis 

chen. Die erfolgreiche Umsetzung der Energiewende ist 

wichtiges Ziel – aber nicht um jeden Preis. Sie muss mit 

einer Stärkung des Industrielandes Deutschland und der 

Sicherung von Arbeitsplätzen einhergehen“, sagt der VCI- 

Hauptgeschäftsführer Utz Tillmann. 

(aha) 

VERBAND DER CHEMISCHEN INDUSTRIE E.V., 

Mainzer Landstraße 55, 

D-60329 Frankfurt am Main, 

Tel. +49 (0) 69 255 60, 

Internet: www.vci.de 

6 


12 / 2013

IEC 62708: Internationale Arbeitsgruppe erarbeitet 

Baustein zur besseren Verständigung 

DKE: In der Anlagenplanung Dokumente weltweit einheitlich benennen 

Document kind Type de Document DCC Identifier 

Material safety data sheet (MSDS) Fiche technique de sécurité QB 004 

Certificate Certificat QC 001 

Test report Procès-verbal d'essai QC 002 

Acceptance documentation Documentation de réception QC 003 

Test sheet for SIF 

Feuille d'essai pour appareillages de QC 004 

protection 

SIL verification Contrôle SIL QC 005 

Installation drawing (hook-up) Schéma du montage TC 001 

Assembly drawing Dessin de montage TC 002 

Document kind Type de Document DCC Identifier 

Material safety data sheet (MSDS) Fiche technique de sécurité QB 004 

Certificate Certificat QC 001 

Test report Procès-verbal d'essai QC 002 

Acceptance documentation Documentation de réception QC 003 

Test sheet for SIF 

Feuille d'essai pour appareillages de QC 004 

protection 

SIL verification Contrôle SIL QC 005 

Installation drawing (hook-up) Schéma du montage TC 001 

Assembly drawing Dessin de montage TC 002 

AUSZUG AUS IEC 62708: Der Standard liefert in unterschiedlichen 

Sprachen einheitliche Benennungen für Dokumente. 

Table A.3 — Names of Document kinds in Chinese and German 

文件种类 Dokumentenart DCC Identifier 

文件列表 Dokumentenliste AB 001 

剩余工作清单 Restpunktliste BB 001 

工作分解结构 Projektstrukturplan BD 001 

沟通计划 Kommunikationsplan BD 002 

项目实施计划 Projektabwicklungsplan BD 003 

人力动员计划 Personaleinsatzplan BE 001 

时间表 Terminplan BE 002 

M限制出口设备清单 

Liste ausfuhrkritischer 

it dem neuen internationalen Ausrüstungen Standard IEC 62708 

wird es in Kürze eine weltweit einheitliche Basis für 

die Bezeichnung von Dokumenten der Anlagenplanung 

geben. Auf Initiative des Deutsche Kommisssion Elektrotechnik 

Elektronik Informationstechnik im DIN und VDE 

(DKE) 总体设计 Arbeitskreises 要求 

K941 Engineering Allgemeine hat sich über vier 

Engineeringspezifikation 

Jahre eine internationale Arbeitsgruppe der IEC damit 

befasst, solche Dokumente zu sammeln und zu dokumentieren. 

Diese Arbeiten stehen nun kurz vor dem Abschluss. 

Auslöser für die Entwicklung des Standards ist das 

Verwirrspiel um die Bezeichnung eines Dokuments. In 

allen Unternehmen gibt es eine traditionelle Bezeichnung 

für ein Dokument, aber keine einheitliche über 

die Unternehmensgrenze hinaus. So kennt man in einigen 

Unternehmen eine PLT-Stellenliste, in anderen 

eine Messstellenliste und in wieder anderen eine Instrumentenliste. 

Diese Dokumente haben dann oftmals 

ähnliche Inhalte und könnten Synonyme sein, wenn 

nicht zum Beispiel die Vorstellungen davon, was eine 

Instrumentenliste beinhaltet, so stark differieren würden. 

Andere schöne Beispiele lassen sich leicht finden 

und machen die Vereinbarung von Ingenieurleistungen 

jedes Mal einer Abstimmung bedürftig. 

Zu Beginn der Entwicklung wurden von allen Beteiligten 

der Arbeitsgruppe Referenzen und Beispiele für 

typische Dokumente aus der Elektro- und Leittechnikplanung 

gesammelt und abgestimmt. Eine wichtige Referenz 

war hier die IEC 61355, die einen Standard für die 

Klassifikation von Dokumenten liefert. Dieser Standard 

hilft jedoch nur die richtige Kodierung (Dokumentart- 

Klassenschlüssel) für eine Dokumentenart zu finden, sie 

normiert keine Dokumentenarten. Dies ist nun die Aufgabe 

der IEC 62708, zumindest in den ihr gegebenen Anwendungsbereichen. 

BF 001 

仪表数据表 PLT-Stellenblatt DA 001 

标识系统标识制 Kennzeichnungssystem DB 001 

测试与维护建议 Prüf- und Wartungsanleitung DC 001 

使用说明书 Betriebsanleitung DC 002 

测试与维护要求 Prüf- und Wartungsvorschrift DZ 001 

EC 001 

电气易耗品表 Liste elektrischer Verbraucher EC 002 

照明概念设计大纲 Beleuchtungskonzept EC 003 

Im Ergebnis der Arbeiten sind die Dokumente mit einer 

Dokumentenart klassifiziert, mit einer Beschreibung 

versehen und der notwendige Inhalt definiert. Damit 

dies einfacher zu erfassen ist, wurden Muster von Dokumenten 

beigelegt und die Dokumentenart in mehreren 

Sprachen benannt. Es liegen mit Englisch, Französisch, 

Deutsch und Chinesisch bereits wichtige Abwicklungssprachen 

vor. Mitte August 2013 wurde der CDV 

vom IEC TC 65 mit großer Mehrheit angenommen. Da 

nur geringfügige Änderungen zu erwarten sind, ist die 

Ausgabe des Standards Mitte 2014 realistisch. 

AUTOR 

Table A.3 — Names of Document kinds in Chinese and German 

文件种类 Dokumentenart DCC Identifier 

62708 IEC:2011 – 22 – 62708 CEI:2011 

文件列表 Dokumentenliste AB 001 

剩余工作清单 Restpunktliste BB 001 

工作分解结构 Projektstrukturplan BD 001 

沟通计划 Kommunikationsplan BD 002 

项目实施计划 Projektabwicklungsplan BD 003 

人力动员计划 Personaleinsatzplan BE 001 

时间表 Terminplan BE 002 

限制出口设备清单 

Liste ausfuhrkritischer 

BF 001 

Ausrüstungen 

仪表数据表 PLT-Stellenblatt DA 001 

标识系统标识制 Kennzeichnungssystem DB 001 

测试与维护建议 Prüf- und Wartungsanleitung DC 001 

使用说明书 Betriebsanleitung DC 002 

测试与维护要求 Prüf- und Wartungsvorschrift DZ 001 

总体设计要求 

Allgemeine 

EC 001 

Engineeringspezifikation 

电气易耗品表 Liste elektrischer Verbraucher EC 002 

照明概念设计大纲 Beleuchtungskonzept EC 003 

Dipl.-Ing. SVEN SCHÜLER 

ist Head of Electrical & 

Instrumentation bei 

ThyssenKrupp Uhde in Bad 

Soden/Taunus, Mitarbeiter 

im DKE K941 und Convenor 

der IEC TC65 WG15. 

ThyssenKrupp Uhde GmbH, 

Friedrich-Uhde-Straße 2, 

D-65812 Bad Soden am Taunus, 

Tel. +49 (0) 6196 205 16 51, 

E-Mail: sven.schueler@thyssenkrupp.com 


12 / 2013 

7

FORSCHUNG 

Technoseum will mit neuer Initiative 

Jugendliche für Technik begeistern 

Jugend für Technik“ ist eine Initiative des Landesmuseum 

für Technik und Arbeit (Technoseum) und will 

durch ungewöhnliche Aktionen Kinder und Jugendliche 

an naturwissenschaftliche und technische Themen heranführen. 

Mit einer Guerilla-Aktion, einem ungewöhnlichen 

Werbefeldzug, in baden-württembergischen Städten 

sorgte die Initiative bereits in der Nacht vom 14. auf 

den 15. Oktober 2013 für Aufmerksamkeit. In den Goethestraßen 

des Landes plakatierten jugendliche Helfer den 

Dichter, abgebildet mit Laptop und der Frage „Hätte Goethe 

so Faust III geschrieben?“. 

Damit wollen die Macher kreativ die nachhaltige Wirkung 

technischer Errungenschaften deutlich machen. 

„Wir schaffen mit der Initiative ein Dach, unter dem Aktivitäten 

und Partner zusammenkommen“, erklärt Technoseum-Direktor 

Prof. Dr. Hartwig Lüdtke. Er hat dabei 

besonders Kooperationen mit Industrie- und Handelskammern, 

Handwerkskammern, politischen Entscheidungsträgern, 

anderen Bildungseinrichtungen sowie 

Wirtschaftsunternehmen im Blick. 

Zu der Auftaktaktion im Oktober soll in den kommenden 

Wochen ein Kino-Spot mit Johann Wolfgang Goethe 

als Hauptdarsteller in allen Cinemaxx-Kinos in Deutschland 

für Aufmerksamkeit sorgen. Das Technoseum nutzt 

diese Werbung, um Persönlichkeiten aus Politik, Wirtschaft 

und Gesellschaft als Unterstützer zu gewinnen und 

sich mit ähnlichen Initiativen zu vernetzen. (aha) 

BEI DER MARKETINGAKTION hängten die 

Organisatoren Werbeplakate mit Goethe auf. 

(Bild: Technoseum) 

TECHNOSEUM – LANDESMUSEUM FÜR TECHNIK 

UND ARBEIT IN MANNHEIM, 

Museumsstraße 1, D-68165 Mannheim, 

Tel. +49 (0) 621 429 89, Internet: www.technoseum.de 

Automation 2014: Call for Papers ist online 

Unter dem Motto „Smart X – Powered by Automation“ 

findet im kommenden Jahr am 1. und 2. Juli 2014 

der Kongress Automation statt. Der 15. Branchentreff 

der Mess- und Automatisierungstechnik beschäftigt 

sich mit der Frage, in welchem Ausmaß die Automation 

Grundlage und Antrieb ist für smarte Technik und 

smarte Lösungen in Wirtschaft und Gesellschaft. Bis 

zum 11. November 2013 können Experten Kurzfassungen 

zu smarten Methoden, Technologien und Anwendungen 

unter www.automatisierungskongress.de 

einreichen. Die Abgabe der Manuskripte soll dann bis 

zum 16. Mai 2014 erfolgen. Beitragsvorschläge zu smarten 

Methoden, Technologien und Anwendungen sind 

erwünscht. Bei den Anwendungen stehen die Prozessautomation, 

die Fertigungsautomation, die Medizintechnik, 

die Gebäudeausrüstung und andere technische 

und nicht-technische Anwendungsfelder im Vordergrund. 

Als zusätzliches Gliederungselement wurde der 

Lebenszyklus gewählt – vom Geräte- und Systementwurf 

über den Betrieb automatisierter Anlagen bis zu 

Aspekten der Wartung und Diagnose. 

(aha) 

VIEL APPLAUS erwartet die Vortragenden auf dem Kongress 

Automation in Baden-Baden. (Bild: Archiv/Purschwitz) 

VDI WISSENSFORUM GMBH, 

VDI-Platz 1, D-40468 Düsseldorf, 

Tel. +49 (0) 211 621 42 01, 

Internet: www.automationskongress. de 

8 


12 / 2013

www.atp-edition.de 

Jetzt bestellen! 

Call for atp experts: 

Lebenszyklusmanagement 

und Total 

Cost of Ownership 

IN AUSGABE 56(6) DER ATP EDITION im Juni 2014 

diskutiert technische Ansätze und geschäftstechnische 

Methoden zum Lifecyclemanagement in der 

Automation. Dieser Aspekt gewinnt angesichts der 

Veränderungen durch steigende Komplexität der 

Aufgaben und höheren Anforderungen an Funktionalität 

und Flexibilität zunehmend an Bedeutung. 

Weitere Treiber sind immer kürzer werdende Lebenszyklen 

bei den Basistechnologien und innovative 

(Cloud)-Ansätze zur Unterstützung von Wertschöpfungsnetzwerken. 

Durch ihre fokussierten 

Beiträge kann das Themenheft den aktuellen Diskurs 

von Technik bis Organisation, von Konzeption 

und Planung bis Betrieb und Optimierung, von zukünftigen 

Architekturkonzepten bis zu aktuellen 

Lösungen in hinreichender Tiefe abdecken. 

Die Referenzklasse für die 

Automatisierungstechnik 

atp edition ist das Fachmagazin für die Automatisierungstechnik. 

Die Qualität der wissenschaftlichen Hauptbeiträge 

sichert ein strenges Peer-Review-Verfahren. Bezug zur 

automatisierungstechnischen Praxis nehmen außerdem 

die kurzen Journalbeiträge aus der Fertigungs- und Prozessautomatisierung. 

Sichern Sie sich jetzt diese erstklassige Lektüre! Als 

exklusiv ausgestattetes Heft oder als praktisches ePaper 

– ideal für unterwegs, auf mobilen Endgeräten oder zum 

Archivieren. 

Wählen Sie einfach das Bezugsangebot, das Ihnen zusagt: 

als Heft, ePaper oder Heft + ePaper! 

Wir bitten Sie bis zum 25.1.2014 zu diesem Themenschwerpunkt 

einen gemäß den Autorenrichtlinien 

der atp edition ausgearbeiteten Hauptbeitrag per 

eMail an urbas@di-verlag.de einzureichen. 

Die atp edition ist die hochwertige Monatspublikation 

für Fach- und Führungskräfte der Automatisierungsbranche. 

In den Hauptbeiträgen werden die 

Themen mit hohem wissenschaftlichen und technischen 

Anspruch und vergleichsweise abstrakt 

dargestellt. Im Journalteil werden praxisnahe Erfahrungen 

von Anwendern mit neuen Technologien, 

Prozessen oder Produkten beschrieben. 

Alle Beiträge werden von einem Fachgremium begutachtet. 

Sollten Sie sich selbst aktiv an dem Begutachtungsprozess 

beteiligen wollen, bitten wir um 

kurze Rückmeldung. Für weitere Rückfragen stehen 

wir Ihnen selbstverständlich gerne zur Verfügung. 

Redaktion atp edition 

Leon Urbas, Anne Purschwitz, Aljona Hartstock 

CALL FOR 

Aufruf zur Beitragseinreichung 

Thema: Lebenszyklusmanagement 

und Total Cost of Ownership 

Kontakt: urbas@di-verlag.de 

Termin: 25. Januar 2014 

atp edition erscheint in der DIV Deutscher Industrieverlag GmbH, Arnulfstr. 124, 80636 München

BRANCHE 

Automatisierung der Zukunft verlangt dezentrale 

Steuerung, Modularität und Wiederverwendbarkeit 

Ansatz soll Mechanik, Automatisierung und Elektrik zusammenbringen 

MECHANIK, 

ELEKTRIK 

UND AUTO- 

MATISIERUNG 

haben jeweils 

unterschiedliche 

Sichten auf ein 

Bauteil. Der 

mechatronische 

Ansatz bringt 

die Bereiche 

zusammen. 

FÜR DIE AUTOMATISIERUNG DER ZUKUNFT sind Lösungen 

gefragt, die zum einen in der Lage sind, Steuerungs - 

intelligenz zu verteilen und zum anderen gewährleisten, 

dass die notwendige Vernetzung mehrerer Steuerungen 

für den Anwender einfach zu handhaben bleibt. 

Smart Factory, Industrie 4.0, sich selbst steuernde Produktion, 

Internet der Dinge – im Maschinen- und 

Anlagenbau wird derzeit weit in die Zukunft geschaut. 

Getrieben wird diese Diskussion durch steigende Anforderungen 

an Produktivität sowie Verfügbarkeit von Maschinen 

und Anlagen. Dezentrale und modulare Steuerungsarchitekturen 

nehmen in zukunftsfähigen Automatisierungskonzepten 

eine zentrale Rolle ein. 

ZENTRALE ARCHITEKTUREN ERREICHT GRENZEN 

Mit zentralistisch ausgelegten Speicherprogrammierbaren 

Steuerungen (SPS) können die Vorteile einer Modularisierung 

nicht ausgeschöpft werden. Denn dort ist die 

gesamte Steuerungsfunktion in einer (oder wenigen) 

zentralen Steuerungen beheimatet und kommuniziert 

mit einfachen Feldgeräten, deren Hauptfunktion das 

Einsammeln und Ausgeben von Prozessdaten ist. Änderungen 

in einzelnen Anlagenteilen verursachen einen 

hohen Aufwand auf Steuerungsebene, da Programmstrukturen 

an zentralen Stellen der Steuerung verändert 

werden müssen. Im Hinblick auf Flexibilität und Anwenderfreundlichkeit 

werden klassische zentrale Automatisierungsarchitekturen 

mit monolithischen SPS- 

Steuerungen den zukünftigen Anforderungen nicht 

mehr gerecht. 

In zentralistisch aufgebauten Steuerungssystemen 

müssen Anzahl und Anordnung der Steuerungseinheiten 

vor Beginn der Konstruktion geklärt sein, da nachträgliche 

Änderungen einen erheblichen Mehraufwand 

bedeuten. Mit der Software-Entwicklung wird erst begonnen, 

wenn feststeht, wie eine Maschine aussehen 

soll. 

MODULARER AUFBAU AUF DEM VORMARSCH 

Im Sinne der Standardisierbarkeit legen Maschinen- und 

Anlagenbauer ihr Augenmerk zunehmend auf einen modularen 

Aufbau von Maschinen und Anlagen, um die geforderte 

Variantenvielfalt von Werkstücken in vorgegebenen 

Produktionszyklen zu erreichen. Die Modulbildung 

soll gleichermaßen auch auf den steuerungstechnischen 

Hardwareaufbau und die funktionalen Logikmodule übertragbar 

sein. Nur so entsteht ein durchgängiger mechatronischer 

Ansatz mit identischen Teilungsgrenzen, mit dem 

sich Engineeringprozesse vereinfachen sowie die Wiederverwendbarkeit 

der einzelnen Einheiten steigern lassen. 

Die Philosophie der Mechatronik verfolgt den Ansatz 

alle am Entstehungsprozess einer Maschine beteiligten 

Disziplinen zusammenzuführen: Mechanik, Elektrik und 

Automatisierungstechnik. Wichtig ist dabei das Zusammenspiel 

diverser automatisierungstechnischer Einzelkomponenten, 

Software-Tools und dazugehöriger Services 

mit dem Ziel einer einheitlichen Automatisierungslösung. 

Diese Durchgängigkeit erstreckt sich über die vier Ebenen 

der Automatisierungspyramide (Managementebene, Betriebsführungsebene, 

Steuerungsebene und Feldebene). 

In der Mechanik drückt sich dies in Form von eigenständigen 

Funktionseinheiten aus. Im Hinblick auf die 

Umsetzung für die Steuerungsebene stoßen allerdings 

heutige Systeme an ihre Grenzen. Denn dort herrschen 

zentralistisch ausgelegte Steuerungsarchitekturen vor. 

AUTARKE ZELLENSTEUERUNGEN AGIEREN IM VERBUND 

Für die Automatisierung der Zukunft rücken Lösungen in 

den Fokus, die zum einen in der Lage sind, Steuerungsintelligenz 

zu verteilen und zum anderen gewährleisten, 

10 


12 / 2013

DEZENTRALITÄT ERHÖHT WIEDERVERWENDBARKEIT 

Werden Steuerungsfunktionalitäten dezentralisiert, ergeben 

sich Vorteile in zwei Bereichen. Zum einen ermöglicht 

die Dezentralisierung der Peripherie den Verkabelungsaufwand 

und die damit verbundenen Kosten zu 

reduzieren. Zum anderen lassen sich aber auch identische 

Steuerungsprogramme und -teilfunktionen dezentralisieren, 

was wiederum die komplette Modularisierung 

in Form von Maschinenelementen ermöglicht. Ziel dabei 

ist es, möglichst viele Teile identisch wiederverwenden 

zu können. Dies ermöglicht dem Anwender darüber hinaus 

einen sehr hohen Freiheitsgrad, da jedes dezentrale 

E/A-System auch nachträglich um Steuerungsfunktionen 

erweitert werden kann. Dies kann gleichsinnig oder unabhängig 

für die Standardfunktionen alleine – oder gemeinsam 

mit den Sicherheitsfunktionen geschehen. 

AUTOMATISIERUNGSSTRUKTUREN NACH MASS: 

Von Stand-alone-Applikationen über die Umsetzung 

klassischer Automatisierung mit einer zentralen Steuerung 

bis hin zur konsequenten Verteilung von Steuerungsfunktionen 

in die Peripherie. (Bilder: Pilz GmbH & Co. KG) 

dass die notwendige Vernetzung mehrerer Steuerungen 

für den Anwender einfach zu handhaben bleibt. Mit modernen 

Automatisierungsstrukturen entstehen weitgehend 

autarke Zellensteuerungen, die untereinander im Verbund 

agieren können. Zentrale Idee ist die Verschmelzung der 

verschiedenen Teilbereiche wie Standard-Automation und 

Sicherheit. Prozess- oder Steuerungsdaten, Fail-safe-Daten 

und Diagnoseinformationen werden über Ethernet ausgetauscht 

und synchronisiert. Im Gegensatz zu zentralen 

SPS-Steuerungen spielt es für die Steuerungsfunktion keine 

Rolle, wo der zugehörige Programmteil abgearbeitet 

wird. Statt einer zentralen Steuerung, steht dem Anwender 

ein zur Laufzeit verteiltes Anwenderprogramm in einem 

zentralen Projekt zur Verfügung. Über dieses zentrale Projekt 

werden alle Netzteilnehmer konfiguriert, programmiert 

und diagnostiziert. So ist ein einfaches, einheitliches 

Handling im Gesamtprojekt möglich. Die Vorteile 

zeigen sich in einer höheren Verfügbarkeit durch lokale 

Fehlerreaktionen sowie einer höheren Produktivität infolge 

kürzerer Reaktionszeiten des Gesamtsystems. 

PARALLELES ENGINEERING SPART ZEIT 

Wird mechatronisch gedacht und konzipiert, können 

alle an einem Automatisierungsprojekt beteiligten Fakultäten 

bereits nach der initialen Projektabstimmung 

ihre konkrete Arbeit beginnen: System- und Hardwareentwicklung 

können also parallel arbeiten. Durch 

die hardwareunabhängige Programmierung einer Anlage 

entfällt diese Querbeziehung und es entsteht die dringend 

benötigte Flexibilität im Engineeringprozess. Durch 

die parallele Vorgehensweise kann Projektierungszeit 

gespart werden. Nur in einzelnen Schritten ist die Synchronisation 

beider Aufgabenfelder noch erforderlich. 

Sobald die Funktionen einer Maschine durch die Bildung 

von Komponenten in Bibliotheken standardisiert 

sind, genügen erste Informationen über die zu erstellende 

Maschine, um letztlich die Gesamtstruktur aufbauen 

zu können. Für den Konstrukteur wird es möglich, sich 

auf die Planung der für den Prozess notwendigen Komponenten 

zu konzentrieren; Performance- und Strukturthemen 

sind weitgehend unabhängig voneinander zu 

betrachten und treten – wenn gewünscht – noch weiter 

in den Hintergrund. Die detaillierte Funktion einer Komponente 

kann zu einem späteren Zeitpunkt über die individuellen 

Eigenschaften festgelegt werden. 

FAZIT 

Um die Automatisierungsaufgaben der Zukunft lösen zu 

können, müssen die Aspekte Modularität und Wiederverwendbarkeit 

bereits in der frühesten Planungsphase 

intensiv einbezogen und berücksichtigt werden. Voraussetzung 

dafür sind Automatisierungssysteme wie PSS 

4 000 von Pilz, die in der Lage sind, die in den mechatronischen 

Einheiten verteilte Intelligenz zentral und 

anwenderfreundlich zu verwalten. Anlagen lassen sich 

dann in übersichtliche, selbstständig arbeitende Einheiten 

zerlegen. Aufwände für Engineering, Inbetriebnahme 

und Wartung lassen sich deutlich reduzieren. 

AUTOR 

MARKUS SCHLÖGL ist Bereichsleiter 

Produktmanagement Operating and 

Monitoring Systems, Software Tools, 

bei Pilz GmbH in Ostfildern. 

Pilz GmbH & Co KG, 

Felix-Wankel-Straße 2, D-73760 Ostfildern, 

Tel. +49 (0) 711 340 96 93, E-Mail: m.schloegl@pilz.de 


12 / 2013 

11

BRANCHE 

PC-basierte Steuerungstechnik als Grundlage 

für die Entwicklung von Industrie 4.0 

Vorteile der Konvergenz von IT- und Automatisierungstechnik für Industrie 4.0 nutzen 

Die Vision, dass Werkstücke beziehungsweise Rohlinge 

sich dank Eigen-Intelligenz selbstständig durch 

die Fertigung bewegen und den Produktionseinheiten 

die Bearbeitungsparameter vorgeben, ist vielleicht in 

Zukunft denkbar, heute aber weit entfernt. Eine hierarchisch 

strukturierte Automatisierungstechnik bietet 

momentan den größten Nutzen für eine effiziente und 

flexible Produktion. 

Die Grundlage der Industrie-4.0-Idee bildet das Internet 

der Dinge, ein Begriff, der in Zusammenhang mit RFID 

und Sensortechnologien im Jahr 1999 entstanden ist und 

die Vernetzung von und mit Alltagsgegenständen beschreibt. 

Voraussetzung für eine konsequente Umsetzung 

sind die erstmals im Jahr 2006 definierten cyber-physischen 

Systeme (CPS). Gemeint sind damit die auf allen 

Ebenen eng miteinander verbundenen cyber-Komponenten 

– zur diskreten Informationsverarbeitung und Kommunikation 

– sowie physischen Komponenten. Dies spiegeln 

auch die BMBF-Förderrichtlinien wider: „Cyberphysische 

Systeme verfügen – in Erweiterung zu heutigen 

mechatronischen Systemen – über intelligente Sensoren 

zur Wahrnehmung ihrer Umwelt und über Aktoren, mit 

denen sie diese beeinflussen können. Sie unterscheiden 

sich von bestehenden technischen Systemen jedoch durch 

die Fähigkeit, mit ihrer Umgebung zu interagieren, das 

eigene Verhalten in Abhängigkeit der Umwelt zu planen 

und anzupassen sowie neue Verhaltensweisen und -strategien 

zu erlernen und sich somit selbst zu optimieren.“ 

INTELLIGENZ MODULAR ANORDNEN 

PC-Control von Beckhoff bietet die Flexibilität, zentrale 

und dezentrale Steuerungskonzepte zu realisieren. Eine 

hierarchische Organisation bleibt im Automatisierungsbereich 

die erste Wahl, und damit auch eine I/O-Ebene 

mit mehr oder weniger stark reduzierter Intelligenz. 

Hierzu gehören klar definierte Ebenen sowie Interfaces 

zwischen diesen – und die unter Industrie 4.0 im Fokus 

stehende Durchgängigkeit der Kommunikation. 

Um Industrie 4.0 letztendlich in einer wirklich ganzheitlichen 

Sicht zu realisieren, sind drei Aspekte umzusetzen: 

die horizontale Integration auch über Unternehmensgrenzen 

hinweg, die vertikale Integration mit vernetzten Produktionssystemen 

sowie die Durchgängigkeit des Engineerings 

während des gesamten Produktlebenszyklus. In Ver- 

Ein Partner für alles – und Sie gewinnen 

Sicherheit auf der ganzen Linie. 

Wenn es um Anlagensicherheit geht, erfüllen Sie mit der 

Erfahrung und dem Know-how von Endress+Hauser auch 

die höchsten Anforderungen. Dies garantieren Ihnen 

unsere zertifizierten Sicherheitsingenieure und Managementsysteme, 

die jahrzehntelange vertrauensvolle 

Zusammenarbeit mit weltweiten Prüf-, Zertifizierungsund 

Normungsstellen sowie über zehn Millionen installierte 

Geräte in Sicherheitsanwendungen. Gründe genug dafür, 

dass Sie mit uns Sicherheit auf der ganzen Line gewinnen.

TECHNISCHE UND 

TECHNO LOGISCHE 

ENTWICKLUNGEN 

als Voraussetzungen 

für die vier industriellen 

Revolutionen. (Bild: DFKI) 

bindung mit der betriebswirtschaftlichen Anwendungssoftware 

kann dies deutliche Optimierungspotenziale 

sowie zusätzliche Geschäftsmodelle erschließen – zum 

Beispiel über ein ‚Internet der Dienste‘. Für all dies bietet 

PC-Control die richtige Lösung. Zumal hier flexibel auf die 

jeweiligen Applikationsanforderungen reagiert werden 

kann: Intelligenz lässt sich hierarchisch modular unter der 

zentralen Steuerung, bei Bedarf auch dezentral, also gleichberechtigt 

nebeneinander anordnen. Nicht umsonst hat die 

Automatisierungspyramide bis heute Bestand. 

Geschäftsführer Hans Beckhoff sieht dementsprechend 

weltweit gute Perspektiven, um künftig mit der 

Der Film zum Komplettanbieter – 

jetzt informieren. 

Alles unter 

www.einfachalles-alleseinfach.de

BRANCHE 

Integration geeignet. Dafür eignet sich PC-Control, denn 

es bietet mit der Automation Device Specification (ADS), 

dem Ethercat Automation Protocol (EAP) und der OPC 

Unified Architecture (OPC UA) die passenden Möglichkeiten 

für eine Kommunikation‚ vom Sensor bis in die 

Cloud: 

ADS ist eine Nachrichten-basierte, routingfähige 

Transportschicht innerhalb des Twincat-Softwaresystems. 

Sie erlaubt azyklische Kommunikation 

innerhalb des Twincat-Systems und zu anderen 

Tools (wie zum Beispiel Visualisierung). 

Das echtzeitfähige EAP kann per Publisher-Subscriber-Mechanismus 

Prozessdaten zwischen Ethercat- 

Mastern zyklisch bis in den µs-Bereich hinein übertragen. 

OPC UA ist ein standardisierter herstellerunabhängiger, 

Ethernet- und Web-basierter Kommunikationsstandard, 

der nahtlos in MES- und ERP-Konzepte 

integrierbar ist. 

PC-CONTROL macht die Vorteile der Techno logie konvergenz aus 

IT- und Automatisierungs technik für industrielle Anwendungen 

nutzbar. (Bild: Beckhoff Automation) 

PC-basierten Steuerungstechnologie im Maschinen- und 

Anlagenbau weiter zu wachsen: „Mit unserer auf PC- 

Control basierenden Steuerungstechnologie sind unsere 

Kunden und wir für die unter dem Titel Industrie 4.0 

von der Bundesregierung verfolgte Hightech-Strategie 

optimal aufgestellt. Speziell die Konvergenz von IT- und 

Automatisierungstechnik ist ein gemeinsames wesentliches 

Wirkprinzip von Industrie 4.0 und von PC-Control. 

Es freut uns, dass dieses Konzept nun noch weiter 

in das Bewusstsein der allgemeinen und speziell der 

technischen Öffentlichkeit dringt, und wir sind sicher, 

dass der Standort Deutschland und auch die internationale 

Automatisierungs-Community sehr von dieser 

Philosophie profitieren werden, so wie es die Beckhoff- 

Kunden bereits seit dem Anbeginn von PC-Control vor 

mehr als 25 Jahren tun.“ 

PC MIT ETHERNET BILDET TECHNOLOGIEPLATTFORM 

Heute gibt es kaum ein technisches System, das nicht 

per PC bedienbar oder zumindest über eine Software 

darauf anzubinden wäre. Mit PC-Control können aktuelle 

und zukünftige Konzepte realisiert werden. Dies gilt 

in gleichem Maße für den Kommunikationsstandard 

Ethernet. Dank der sehr hohen Übertragungsraten ist er 

mittlerweile in der Industrie durchgängig akzeptiert. 

Dazu beigetragen haben die ergänzenden Ethernet-basierten 

Industrieprotokolle wie Ethercat und Safety-over- 

Ethercat, die Forderungen nach kurzen Zykluszeiten, 

Deterministik und sicherheitsrelevanter Datenübertragung 

erfüllen. 

Moderne Kommunikation ist Ethernet-basiert und für 

alle Anforderungen einer horizontalen und vertikalen 

INDUSTRIE 4.0 ERFORDERT INTEGRATION 

Mit dem PC und mit den Kommunikationsprotokollen 

ADS, EAP und OPC UA ist die Voraussetzung gegeben, 

um die von Industrie 4.0 geforderte vertikale und horizontale 

Integration umzusetzen. Dies ist notwendig, 

wenn die cyber-physischen Systeme künftig tatsächlich 

selbstständig, autonom und via Internet Produktion organisieren 

können, und das möglichst ohne Engineering 

in Handarbeit. 

Um in Zukunft die Automatisierungssoftware beherrschen 

zu können, muss die Software-Komplexität modularisiert 

werden, das heißt in kleine Einheiten aufgespalten. 

Diese Module müssen einen hohen Wiederverwendungsgrad 

haben. Die Modularität und Objektorientiertheit 

muss von den zugehörigen Softwaretools 

unterstützt werden. Zusätzlich muss die Engineeringsoftware 

in der Lage sein, die Module, oder besser die 

Tasks, auf Kerne eines Mehrkernprozessors zu verteilen. 

Die Automatisierungssoftware Twincat 3 kann eine Applikation 

auf einer Single-Core-CPU ablaufen lassen. 

Außerdem besteht die Möglichkeit, einzelne Tasks der 

Anwendung auf verschiedene Cores eines Mehrkernprozessors 

aufzuteilen. Damit kann der modulare Ansatz 

umgesetzt werden. Die Integration in das Microsoft Visual 

Studio bietet die Basis für ein durchgängiges Engineering 

über den gesamten Produktlebenszyklus hinweg. 

Dem Automatisierer stehen im Visual Studio alle 

modernen Software-Engineeringwerkzeuge zur Verfügung. 

Die SPS-Programmierer haben mit den um Objektorientierung 

erweiterten Programmiersprachen nach 

IEC 61131-3 neue Möglichkeiten, effizient und modular 

zu programmieren. Zudem können mit C/C++ und 

Matlab/Simulink weitere Sprachen genutzt werden. 

STETIGE FORSCHUNG FÜHRT ZU INNOVATION 

Zur Entwicklung von Industrie 4.0 haben beispielsweise 

frühe Forschungsarbeiten beigetragen. So etwa das 

im Jahr 2004 begonnene EU-Forschungsprojekt Eupass, 

bei dem Beckhoff für die Steuerungstechnik verantwortlich 

war. Ziel des Forschungsprojektes war die 

14 


12 / 2013

www.gwf-wasser-abwasser.de 

modulare Fertigungsmaschine, die mechanisch und 

softwaretechnisch standardisiert wurde. Damit 

konnte eine flexibel anpassbare Fertigungsumgebung 

realisiert werden. 

Nachdem das Projekt Industrie 4.0 im Jahr 2011 aus 

der Perspektive der Informations- und Kommunikationstechnologien 

konzipiert und in die Hightech- 

Strategie der Bundesregierung übernommen wurde, 

etablierte sich Ende 2011 auf Initiative der Forschungsunion 

Wirtschaft-Wissenschaft der Arbeitskreis 

‚Industrie 4.0‘. Im April 2012 veröffentlichte die 

Deutsche Akademie der Technikwissenschaften 

(Acatech) eine Forschungsagenda Cyber-Physical Systems, 

zu der unter anderem auch Beckhoff, in Zusammenarbeit 

mit Prof. Dr. Birgit Vogel-Heuser von der 

TU München, aus Sicht der Produktionstechnik und 

Automatisierung für das Scenario ‚Smart Factory‘ 

beigetragen hat. 

Auf dem Weg von der Mechatronik hin zu den Intelligenten 

technischen Systemen im Sinne von Industrie 

4.0 leitet das Unternehmen als Konsortialführer 

zwei Projekte im Technologienetzwerk It’s OWL 

(Intelligente Technische Systeme Ostwestfalenlippe): 

Scaut (Scientific Automation) behandelt die Integration 

ingenieurwissenschaftlicher Erkenntnisse in die 

Standardautomatisierung; mit Efa (Extreme Fast Automation) 

soll das Potenzial der Mehrkernprozessoren 

bei Standardbearbeitungsmaschinen ausgeschöpft 

werden. 


Das führende Fachorgan 

für das Wasser- und 

Abwasserfach 

Mit der technisch-wissenschaftlichen Fachzeitschrift 

gwf-Wasser | Abwasser informieren Sie sich gezielt zu 

allen wichtigen Fragen rund um die Wasser versorgung 

und Abwasser behandlung. 

Jedes zweite Heft mit Sonderteil R+S - Recht und Steuern 

im Gas und Wasserfach. 


als Heft, ePaper oder Heft + ePaper! 

FAZIT 

Bereits heute sind Industrie 4.0-Konzepte vielfach 

Realität, auch wenn die Vision für die Zukunft in 20 

bis 30 Jahren deutlich darüber hinausgeht. Die Entwicklung 

dahin wird evolutionär voranschreiten und 

von den aktuellen, sich ebenfalls weiterentwickelnden 

Automatisierungstechnologien begleitet werden. 

Die optimale Basis dafür bildet die PC-basierte Steuerungstechnik, 

mit der sich zentrale und dezentrale 

Konzepte realisieren lassen. 

AUTOR 

Beckhoff Automation GmbH, 

Eiserstraße 5, D-33415 Verl, 

Tel. +49 (0) 5246 96 30, 

E-Mail: info@beckhoff.de 

STEFAN ZIEGLER ist 

Technischer Redakteur 

im Bereich Marketing 

Communications bei 

Beckhoff Automation 

in Verl. 

gwf Wasser/Abwasser erscheint in der DIV Deutscher Industrieverlag GmbH, Arnulfstr. 124, 80636 München

PRAXIS 

Elektromagnetische Verträglichkeit: Für industrielle 

Umgebungen ist sie besonders wichtig 

Praktische Tipps und Lösungen für die störfreie Verkabelung im Feld 

DAMIT IN DER INDUSTRIE keine elektromagnetischen 

Störungen entstehen, sollten störsichere Komponenten 

eingesetzt werden. 

TYPISCHE GERÄTE im Feld können im 

Hinblick auf Störempfindlichkeit und 

Störpotenzial klassifiziert werden. 

Aus der Lautsprecher-Anlage dringen merkwürdige 

Geräusche, der Computer-Monitor flackert und das 

Thermometer zeigt in der sonst kühlen Halle plötzlich 

75° C an. Was ist passiert? Falsch geplante und schlecht 

entstörte elektrische Anlagen könnten der Grund dafür 

sein. Abhilfe schafft eine störfeste Verkabelung. Der 

Beitrag erläutert die Herausforderungen hinsichtlich 

Störfestigkeit und gibt praktische Tipps zur richtigen 

Ausrüstung. 

PLANUNG UND NORMUNG 

Was genau ist eigentlich elektromagnetische Verträglichkeit 

– kurz EMV genannt? Der VDE definiert EMV 

als „Fähigkeit eines Geräts, in der elektromagnetischen 

Umwelt zufriedenstellend zu arbeiten, ohne dabei 

selbst elektromagnetische Störungen zu verursachen, 

die für andere in dieser Umwelt vorhandene Geräte unannehmbar 

wären“. 

Für manche Ingenieure treten EMV-Probleme im Feld 

völlig überraschend auf – entsprechend schwierig gestaltet 

sich dann die Suche nach einer Lösung. Daher 

sollte das Thema EMV schon bei der Planung berücksichtigt 

werden. So muss zunächst zwischen Industrie-, 

Wohn-, Geschäfts- und Gewerbebereich unterschieden 

werden, denn die Normen, Bedingungen und Anforderungen 

sind jeweils unterschiedlich. Für die Industrie 

gelten zwei Fachgrundnormen: die EN 61000-6-4 für 

die Störaussendung sowie die EN 61000-6-2 für die Störfestigkeit. 

Charakteristisch für den Industriebereich ist zum Beispiel 

die direkte Anbindung an das Mittelspannungsnetz 

über betriebseigene Umspannanlagen. So können sich 

Störungen über das Werksgelände hinaus bemerkbar 

machen. Auf der anderen Seite ist aber innerhalb industrieller 

Umgebungen mit einem erhöhten Maß an elektromagnetischen 

Störungen zu rechnen, da oft Schalthandlungen 

an großen elektrischen Verbrauchern durchgeführt 

werden, wie zum Beispiel im Fahrzeugbau oder 

in der Schwerindustrie. Geräte, die im Industriebereich 

eingesetzt werden, müssen daher eine erhöhte Störfestigkeit 

aufweisen. 

Im Gegensatz dazu erfolgt die Energieversorgung im 

Wohn-, Geschäfts- und Gewerbebereich über das öffentliche 

Niederspannungsnetz. Hier können sich Störungen 

leicht mit dem 230-V-Netz über die Grenzen der eigenen 

Wohnung oder des eigenen Hauses ausbreiten, da die 

Filterwirkung eines Mittelspannungs-Transformators 

hier entfällt. Außerdem stehen in jedem Haushalt auch 

Geräte aus dem Bereich der Unterhaltungselektronik, die 

schon vom Prinzip her eine erhöhte Empfindlichkeit gegenüber 

elektromagnetischen Störungen aufweisen. Aus 

diesem Grund sind im Wohn-, Geschäfts- und Gewerbe- 

16 


12 / 2013

Falls kein ordnungsgemäßes Potenzial-Ausgleichssystem 

besteht oder EMV-Einflüsse unzulässig hohe Störspannungen 

erzeugen, ist es ratsam, optische Verbindungen 

zu wählen. 

SCHWEISSROBOTER UND ANTRIEBE verursachen 

eine hohe Belastung der elektromagnetischen 

Verträglichkeit. (Bilder: Phoenix Contact) 

bereich die Grenzwerte für zulässige Störaussendungen 

schärfer gefasst. 

PASSIVE SICHERHEIT 

Daraus resultiert, dass die EMV-Problematik schon frühzeitig 

in der Planungs- und Entwicklungsphase einer 

Anlage berücksichtigt werden muss. Denn nur so können 

unnötige Kosten für eine aufwendige Fehlersuche im 

laufenden Betrieb vermieden werden. Was nützt eine auf 

den Energieverbrauch optimierte Maschine, wenn sie am 

Einbauort nicht erwartungsgemäß funktioniert und die 

umgebenden Systeme stört? 

Lösungen zur sicheren Verkabelung im industriellen 

Umfeld, zum Beispiel für eine EMV-sichere Profinetund 

Ethernet-Installation, setzen geeignete Komponenten 

voraus: Steckverbinder, Leitungen und Outlets. Die 

in einem Kupfer-Netzwerk eingesetzten RJ45-Steckverbinder, 

die häufig in Profinet- und Ethernet-basierten 

Systemen eingesetzt werden, müssen daher besonders 

gute Schirmeigenschaften besitzen, um die hohen Anforderungen 

zu erfüllen. Weitere zu beachtende Punkte 

bei der Installation sind die richtige und durchgängige 

Verkabelung des Schirmes sowie ein fachgerechter 

Potenzialausgleich in der Anlage. Diese Faktoren 

haben einen großen Einfluss auf die Zuverlässigkeit 

des Netzwerks. 

DIE RICHTIGE WAHL 

Lösungen für diese Problematik bietet beispielsweise 

Phoenix Contact mit einem großen Produktprogramm 

für passive Datenverkabelung – sowohl für kupferbasierte 

wie auch für optische Verkabelungssysteme. Für eine 

störfeste Verkabelung – etwa bei Roboter-Applikationen 

– kommt der Push-Pull-Steckverbinder der Variante 14 

zum Einsatz, der im Gegensatz zu marktüblichen Komponenten 

ein fundiertes Schutzkonzept bietet. Dieser 

Steckverbinder hat zwischen den einzelnen Metallteilen 

einen doppelt geführten 360 Grad-Schirm sowie einen 

nieder-ohmigen Potentialausgleich. 

Die idealen Gegenspieler auf der Anbauseite sind die 

Terminal-Outlets für den sicheren Aufbau einer Hallenverkabelung. 

Als Gegenstück dienen auch Multiport- 

Verteiler, welche die Installation und den Anschluss an 

Roboter-Systeme erheblich erleichtern. Diese Steckverbinder-Systeme 

haben aber nicht nur hervorragende 

EMV-Schutzeigenschaften – sie beherbergen auch eine 

sichere und schnelle Feldinstallationstechnik auf Basis 

der Schnellanschlusstechnik Quickon. 

FAZIT 

Findet der Einsatz innerhalb oder außerhalb des Schaltschranks 

statt? Welche Anforderungen gibt es hinsichtlich 

der Schirmung und des Potential-Ausgleichsystems? 

Nur wenn diese Fragen schon im Vorfeld richtig beantwortet 

und die Produkte gezielt danach ausgewählt werden, 

kann das Datennetzwerk im industriellen Umfeld 

sicher funktionieren. 

AUTOR 

Dipl.-Ing. ULF LEUCHNER 

ist im Bereich Produkt- 

Marketing Datensteckverbinder 

bei Phoenix 

Contact GmbH & Co. KG 

in Blomberg tätig. 

Phoenix Contact GmbH & Co. KG, 

Flachsmarktstraße 8, 

D-32825 Blomberg, 

E-Mail: uleuchner@phoenixcontact.com, 

Internet: www.phoenixcontact.de 


12 / 2013 

17

PRAXIS 

Frequenzumrichter für den Bergbau erfüllen hohe 

Anforderungen bei unwirtlichen Bedingungen 

Master-Slave-Betrieb sorgt für gleichmäßige Auslastung aller Motoren 

Der Bergbau stellt an Mensch und Maschine hohe Anforderungen 

in Bezug auf Leistungsfähigkeit und 

Sicherheit, denn die Bedingungen unter Tage sind auch 

heute noch hart. Die moderne Technik erleichtert allerdings 

die Arbeit gegenüber früher enorm. Dazu müssen 

aber alle Komponenten extremen Anforderungen genügen. 

Speziell für den Bergbau entwickelte Frequenzumrichter 

tragen dem Rechnung. Sie trotzen Vibration und 

Schock, erlauben einen Master/Slave-Betrieb von Antrieben 

und punkten mit sehr hoher Verfügbarkeit bei langer 

Lebensdauer. 

Unter Tage gelten andere Bedingungen als in der übrigen 

Industrie. Für Anlagen und speziell Antriebe und 

deren Regelung ist daher bei der Auslegung einiges zu 

beachten. Refu Elektronik aus Pfullingen entwickelt daher 

speziell für Bergbauanwendungen ausgelegte Fre- 

VARIANTENREICHE FAMILIE der (Bergbau-)Frequenzumrichter. 

(Bild: REFU Elektronik) 

DER WALZENSCHRÄMLADER stellt 

hohe Anforderungen an die Frequenzumrichter. 

(Bild: Eickhoff Walzenlader, 

Typ SL 750, Eickhoff Bergbautechnik GmbH) 

PRINZIPSCHALTBILD 

der Umrichter im 

Walzenschrämlader. 


DIE EINSCHIENENHÄNGEBAHN arbeitet mit Umrichtern im Master/ 

Slave-Betrieb besonders ruhig und wirtschaftlich. (Bild: SMT Scharf GmbH) 

18 


12 / 2013

quenzumrichter. Die Umrichter sind nicht nur auf die 

unwirtlichen Bedingungen im Bergbau ausgelegt, sie 

tragen auch den speziellen, dort geforderten Automatisierungsanforderungen 

Rechnung. 

KOMPLEXE VERNETZUNG ALLER KOMPONENTEN 

Nimmt man die Kohleförderung als Beispiel für den 

modernen Bergbau, so fallen als Erstes die Komplexität 

und Vernetzung aller Komponenten auf. Stollen müssen 

bewettert (belüftet) werden, der Abtransport von Kohle 

und Abraum koordiniert und vieles mehr. Das kostet 

Geld und ist nur bei hoher Förderleistung rentabel. Ein 

Stillstand, beispielsweise durch Ausfall eines Frequenzumrichters 

in einem Abbaugerät kann so in kurzer Zeit 

Zehntausende Euro kosten. Eine sehr hohe Verfügbarkeit 

aller Komponenten hat also oberste Priorität. Gleichzeitig 

ist auch Sicherheit ein hohes Gut, denn im Störfall 

sind die Arbeiter im Stollen recht unbeweglich. Mit Eigenintelligenz 

ausgestattete Frequenzumrichter helfen 

hier weiter, denn sie entlasten nicht nur die übergeordnete 

Steuerung, sondern können auch viel schneller, 

quasi in Echtzeit, auf geänderte Bedingungen beziehungsweise 

Belastungen reagieren. Das steigert die Fördermenge 

und schont die Mechanik sowie die Motoren 

der Maschine. Gleichzeitig wird die Verfügbarkeit erhöht. 

Die robusten Refu-Drive-Frequenzumrichter tragen 

diesen Anforderungen Rechnung. Die übergeordnete 

Steuerung (SPS oder PC mit Bussystem) gibt nur die 

Sollwertvorgabe, die interne Master/Slave-Regelung der 

Umrichter sorgt für eine konstante Aufteilung der Last 

auf alle angeschlossenen Motoren oder für einen absoluten 

Gleichlauf der Antriebe. Das reduziert den Steuerund 

Regelungsaufwand für die übergeordnete Steuerung, 

bei gleichzeitig reflexartigen Reaktionszeiten am 

Antrieb. Unterschiedliche Leistungsklassen von 40 bis 

200 kW bei Eingangsspannungen von 400 bis zu 1140 V 

bei einem Wirkungsgrad von 98 Prozent stehen zur Verfügung. 

Eine integrierte Netzrückspeisung vermindert 

die abzuführende Wärmemenge und spart gleichzeitig 

Kosten durch die Rückspeisung der Bremsenergie in das 

Versorgungsnetz. Eine Nutzung dieser Energie in anderen 

Anlagenteilen ist damit möglich. Entsprechend den 

Arbeitsbedingungen im Bergbau tolerieren die Umrichter 

problemlos 60 Sekunden lang anderthalb-fache Überlast. 

Alle Umrichter sind mit Coldplate-Kühlung ausgestattet, 

so lassen sie sich schnell und ohne Eingriffe in 

einen Wasserkühlkreislauf einsetzen. Die Beispiele 

Walzenschrämlader und Antrieb einer Einschienenbahn 

zeigen deutlich, dass moderne Komponenten für 

den Bergbau bei besonderer Sorgfalt in Entwicklung, 

Fertigung und Qualitätssicherung im wahrsten Wortsinn 

„Berge versetzen können“. 

BEISPIELE AUS DER PRAXIS: KOHLEFÖRDERUNG VOR ORT 

Zum Kohleabbau in größeren Flözen ab 1,8 Meter Höhe 

wird oft ein Walzenschrämlader eingesetzt. Schneidwalzen 

mit Asynchronmotoren, die direkt am Netz 

laufen, lösen dabei die Kohle aus dem Berg, ein Trans-

PRAXIS 

portband befördert sie anschließend aus dem Streb. Bis 

zu vier Antriebsmaschinen, die per Getriebe auf den 

Triebstock (eine Art Kette) wirken, übernehmen den 

Vortrieb des Schrämers. Auf diese Weise fördert ein 

Walzenschrämer Kohle im Wert von rund einer Million 

Euro im Monat. Die Forderung nach Verfügbarkeit von 

mindestens 98,5 Prozent ist daher leicht einzusehen. 

Damit dieser Wert erreicht werden kann, müssen die 

einzelnen Komponenten in dieser Kette deutlich höhere 

Verfügbarkeiten bieten. Die Frequenzumrichter aus 

dem Hause Refu Elektronik weisen eine Verfügbarkeit 

von 99,5 Prozent auf. Da die Kohle unterschiedlich hart 

beziehungsweise auch mit Felsen durchsetzt ist, treten 

Stöße, Vibration und Lastspitzen praktisch permanent 

auf. Der mechanischen Belastung wird durch einen besonders 

robusten Aufbau begegnet, den Lastspitzen auf 

zweierlei Weise: Zum einen können die Umrichter für 

60 Sekunden um das anderthalb-fache überlastet werden, 

zum andern sorgt der variable Master/Slave-Betrieb 

für eine gleichmäßige Auslastung aller Motoren. 

Dabei übernimmt automatisch der last- und bewegungsabhängig 

besser geeignete Umrichter die Master-Funktion 

und regelt die nachfolgenden Umrichter in wenigen 

Millisekunden entsprechend nach. Die SPS wird damit 

nicht belastet. 

Auch die Möglichkeit, Bremsenergie rückzuspeisen 

wird in dieser Anwendung genutzt: Bei schräg im Berg 

stehenden Flözen kann im Abwärtsbetrieb erhebliche 

Bremsenergie anfallen. Im generatorischen Betrieb wird 

per Netzrückspeisung die Energie ins Betriebsnetz zurückgespeist. 

Da die Umrichter an bis zu 1140 V angeschlossen 

werden können, entfallen dann die sonst nötigen 

Transformatoren. 

EINSATZ BEI „NAHVERKEHRSMITTEL“ UNTER TAGE 

Bei den meist langen Strecken vom Förderschacht zur 

Abbaustelle übernehmen oft Einschienenhängebahnen 

den Transport von Mensch und Material. Vorteil dieser 

Lösung, sie ist unempfindlich gegenüber Sohlenhebungen 

und flexibel. Als Kombination von Umrichter und 

Elektromotor aus dem Netz betrieben, bietet sie zudem 

einen hohen Wirkungsgrad und eine für den Maschinenhersteller 

einfache Regelung der Anlage. Diese Regelbarkeit 

wird durch die Zusammenstellung von einzelnen 

Zügen und Waggons im Zugverband beeinflusst. In der 

Praxis bedeutet das, wie bei der Eisenbahn, dass sich die 

einzelnen „Waggons“ beim Start auseinanderziehen und 

beim Bremsen zusammenschieben. Um dabei harte Stöße, 

Rucke oder sogar sich aufschwingende Züge zu vermeiden, 

übernimmt der vorderste Umrichter im Zug 

wiederum die Masterfunktion, die im ganzen Zugverband 

verteilten Slave-Antriebe folgen diesem und sorgen 

für die entsprechend optimale Funktion des Zuges. Ob 

Anfahren oder Bremsbetrieb, aufgrund der sehr schnellen 

Reaktion der Umrichter werden alle Antriebe gleichmäßig 

belastet, die Regelung sorgt für weiche beziehungsweise 

schwing-, stoß- und ruckfreie Übergänge. 

Unbestimmte Zustände sind damit ausgeschlossen; es 

kann also beispielsweise nicht sein, dass der vorderste 

Motor schon im Bremsbetrieb arbeitet, während der hintere 

noch für Vortrieb sorgt. Das schont die Antriebe und 

das Material der Hängebahn bei gleichzeitig verbessertem 

Fahrkomfort. 

Die Frequenzumrichter, die neben den obligatorischen 

Sicherheitsanforderungen konstruktiv auch weitere Eigenheiten 

der Antriebe im Bergbau berücksichtigen, tragen 

so wesentlich dazu bei, die Kosten zu reduzieren. 

AUTOREN 

PRINZIPSCHALTBILD 

der Umrichter in der 

Einschienenhängebahn 


STEFFEN NOTZ ist Leiter des Bereichs 

Applikation bei der Refu Elektronik GmbH 

in Pfullingen. 

Refu Elektronik GmbH, 

Marktstraße 185, 

D-72793 Pfullingen, 

Tel. +49 (0) 7121 433 20, 

E-Mail: mail@refu-elektronik.de 

Dipl. Chem. ANDREAS ZEIFF 

vom Redaktionsbüro Stutensee. 

Redaktionsbüro Stutensee, 

Am Hasenbiel 13-15, 

D-76297 Stutensee, 

Tel. +49 (0) 7244 73 96 90, 

E-Mail: azeif@rbsonline.de 

20 


12 / 2013

Die Referenzklasse für die 


www.atp-edition.de 

atp edition ist das Fachmagazin für die Automatisierungstechnik. 

Die Qualität der wissenschaftlichen Hauptbeiträge 

sichert ein strenges Peer-Review-Verfahren. Bezug 

zur automatisierungstechnischen Praxis nehmen außerdem 

die kurzen Journalbeiträge aus der Fertigungs- und 

Prozessautomatisierung. 

Sichern Sie sich jetzt diese erstklassige Lektüre! Als exklusiv 

ausgestattetes Heft oder als praktisches ePaper – ideal für 

unterwegs, auf mobilen Endgeräten oder zum Archivieren. 


• Heft 

• ePaper 

• Heft + ePaper 

25% ersten Bezugsjahr 

Rabatt im 

atp edition erscheint in der DIV Deutscher Industrieverlag GmbH, Arnulfstr. 124, 80636 München 

WISSEN FÜR DIE 

ZUKUNFT 

Vorteilsanforderung per Fax: +49 Deutscher 931 Industrieverlag / 4170-494 GmbH | Arnulfstr. oder 124 abtrennen | 80636 München und im Fensterumschlag einsenden 

Ja, ich möchte atp edition regelmäßig lesen und im ersten Bezugsjahr 25 % sparen. 

Bitte schicken Sie mir die Fachpublikation für zunächst ein Jahr (10 Ausgaben) 

als Heft für € 359,25 zzgl. Versand 

(Deutschland: € 30,- / Ausland: € 35,-). 

als ePaper (Einzellizenz) für € 359,25 

als Heft + ePaper für € 497,03 

inkl. Versand (Deutschland) / € 502,03 (Ausland). 

Alle Preise sind Jahrespreise und verstehen sich inklusive Mehrwertsteuer. Nur wenn ich nicht bis 8 Wochen 

vor Bezugsjahresende kündige, verlängert sich der Bezug zu regulären Konditionen um ein Jahr. 

Firma/Institution 

Vorname, Name des Empfängers 

Straße / Postfach, Nr. 

Land, PLZ, Ort 

Antwort 

Leserservice atp 

Postfach 91 61 

97091 Würzburg 

Telefon 

E-Mail 

Branche / Wirtschaftszweig 

Telefax 

Widerrufsrecht: Sie können Ihre Vertragserklärung innerhalb von zwei Wochen ohne Angabe von Gründen in Textform (z.B. 

Brief, Fax, E-Mail) oder durch Rücksendung der Sache widerrufen. Die Frist beginnt nach Erhalt dieser Belehrung in Textform. Zur 

Wahrung der Widerrufsfrist genügt die rechtzeitige Absendung des Widerrufs oder der Sache an den Leserservice atp, Postfach 

9161, 97091 Würzburg. 

✘ 

Ort, Datum, Unterschrift 

PAATPE2014 

Nutzung personenbezogener Daten: Für die Auftragsabwicklung und zur Pflege der laufenden Kommunikation werden personenbezogene Daten erfasst und gespeichert. Mit dieser Anforderung erkläre ich mich damit einverstanden, 

dass ich vom DIV Deutscher Industrieverlag oder vom Vulkan-Verlag per Post, per Telefon, per Telefax, per E-Mail, nicht über interessante, fachspezifische Medien und Informationsangebote informiert und beworben werde. 

Diese Erklärung kann ich mit Wirkung für die Zukunft jederzeit widerrufen.

PRAXIS 

Komplette Sicherheitslösung modernisiert größte 

Bowling-Anlage in Nordrhein-Westfalen 

Im Gelsenkirchener Firebowl wurde die Wartezeit verkürzt und das Spiel noch sicherer gemacht 

VEREINFACHT DIE SICHERHEIT: 

Die „All-Master“-Sicherheits-SPS Pluto 

S20 entspricht dem Performance Level 

PL e nach EN ISO 13849-1 sowie SIL 3 

nach IEC-62061. 

DANIELA KARRUKU (20) von 

Firebowl freut sich über kurze 

Wartezeiten und hohe Sicherheit 

beim Bowlen. (Bilder: ABB) 

DIE BOWLINGKEGEL werden in der 

Maschine über einen Arm vollautomatisch 

an die einzelnen Zellen verteilt. 

Für den sicheren Betrieb der vollautomatisierten Bowling-Anlage 

setzt der Betreiber Firebowl in Nordrhein- 

Westfalens größter Bowling-Halle die Sicherheitskomplettlösung 

von ABB Stotz Kontakt ein. Damit sollen 

in Gelsenkirchen seit März 2012 Mitarbeiter und Spielgäste 

geschützt werden. Die Lösung ermöglicht durchgängig 

den höchsten Performance Level PL e gemäß 

EN ISO 13849-1 und erfüllt so die hohen Anforderungen 

der für die Hotellerie und Gastronomie zuständigen Berufsgenossenschaft 

Nahrungsmittel BGN. 

Für den Personenschutz am Eingang der 30 Bahnen 

kommen 15 Unfallschutz-Lichtschranken Spot 35 und 

an der Kegel-Aufrichtvorrichtung hinter der Fassadenwand 

15 zweistrahlige Unfallschutz-Lichtgitter K1C-500 

zum Einsatz. Die Steuerung und Überwachung übernehmen 

acht Sicherheits-SPS Pluto S20. Der mobile Zustimmungstaster 

JSHD4 mit 15 zugehörigen Steckplätzen 

ermöglicht sichere und bequeme Wartungsarbeiten und 

Eingriffe bei Störungen im Verteilsystem. Bei Gefahreneintritt 

wird ein sofortiger Not-Halt ausgelöst. 

VERKÜRZTE WARTEZEITEN BEIM BOWLEN 

Das Gelsenkirchener Firebowl setzt Kegelaufsteller vom 

Typ MC-2 des chinesischen Herstellers VIA Bowling ein. 

Bälle und Kegel befinden sich hier in einem Kreislauf. 

Wird ein Ball von einem Spieler geworfen, rollt er zunächst 

die 18,3 m lange, mit Spezialöl geschützte Spielfläche 

entlang, bis er die auf dem Pindeck in Form eines 

gleichseitigen Dreiecks aufgestellten zehn Kegel erreicht. 

Das Öl reduziert die Reibung zwischen Bahnoberfläche 

und Bowlingball. 

Hat der Ball das Pindeck überquert, fällt er zusammen 

mit den umgefallenen Kegeln in die Grube und wird vom 

Ballheber über eine innerhalb der Maschine befindliche 

Rampe zum Spieler zurückgeführt. Hierbei rollt der Bowlingball 

unterhalb der Bahn auf Schienen bis zum Ballträger 

auf dem Anlauf. Die 20 Bowlingkegel in der Maschine 

werden über einen Verteilerarm (Distributor) an 

die einzelnen Zellen verteilt. 

Im ersten Arbeitsschritt wird ein voller Satz Kegel aufgestellt. 

Im zweiten Arbeitsschritt greifen die am Tisch 

angebrachten Finger die stehengebliebenen Kegel und 

ziehen diese nach oben. Der nach hinten fahrende Kegelrechen 

schiebt die umgeworfenen Kegel in die Grube. 

Sie werden von dort über das Pinrad wieder nach oben 

zum Distributor befördert. Die übrigen Kegel werden 

wieder auf das Pindeck gestellt und der Spieler kann den 

zweiten Wurf ausführen. Die zwei vollen Kegelsätze in 

der Maschine verkürzen die Wartezeit für ein Spiel auf 

etwa fünf Minuten. 

22 


12 / 2013

EMPFÄNGER DER 

UNFALLSCHUTZ- 

LICHTSCHRANKE 

SPOT 35 mit M12- 

Stecker. Die auch 

als Ausrichthilfe 

fungierende LED- 

Anzeige und die 

1-kanalige Verdrahtung 

sparen 

Zeit und Kosten. 

SASCHA NIEHAGE (40) und Michael Prebreza (31) haben die 

30 vollautomatisierten Bowling-Bahnen für den maximalen 

Personen- und Anlagenschutz nach PL e konzipiert. Links das 

2-strahlige, gelbe Unfallschutz-Lichtgitter Focus K1C-500. 

DER 3-STUFIGE 

ZUSTIMMUNGS- 

TASTER JSHD4 dient 

der sicheren Durchführung 

von Einricht-, 

Wartungs- und 

Servicearbeiten. 

Bei panikartigem 

Durchdrücken oder 

Loslassen schaltet 

die Anlage 

unverzögert ab. 

KOSTEN- UND PLATZEFFIZIENZ GESCHAFFEN 

Als sicherheitsgerichtete Logik wurde hier zentral für je 

zwei Doppelbahnen, also vier Einzelbahnen, eine Sicherheits-SPS 

Pluto S 20 eingesetzt. Sie basiert auf dem „Alles-Master“-Konzept, 

das den Entwurf von Sicherheitssystemen 

vereinfacht und den höchsten Performance 

Level PL e gemäß EN ISO 13849-1 sicherstellt. Aufgrund 

des verringerten Verdrahtungs-, Projektierungs- und 

Materialaufwands erzielte der Anlagenbetreiber Kosteneinsparungen. 

Viele Sicherheitsrelais entfallen und 

die kleine Baugröße der Sicherheits-SPS Pluto mit nur 

45 Millimeter Breite schaffen im Schaltschrank ausreichende 

Platzreserven. 

Pluto kann für einzelne Maschinen und für große 

Maschinenanlagen eine wirtschaftliche Lösung bieten. 

Von Plutos 20 E/A können acht als Eingänge oder Ausgänge 

konfiguriert werden, manchmal sogar gleichzeitig 

als Ein- und Ausgang, vier sind unabhängige, fehlersichere 

Sicherheitsausgänge. Alle Unfallschutzgeräte 

können an das Pluto-Gerät angeschlossen werden. 

Die doppelte Anzahl von Unfallschutzgeräten lässt sich 

anschließen, wenn man dynamische Sensoren von 

ABB einsetzt. 

Dank der dynamischen Taktsignale konnten die Vorteile 

der Sicherheits-SPS voll ausgenutzt werden. Nur ein 

Eingang an Pluto sichert die Spieler auf einer Doppelbahn 

gemäß dem höchstem Performance Level nach 

EN ISO 13849 PL e Kat. 4 ab. 

Geschützt werden die Besucher durch die Unfallschutz-Lichtschranke 

Spot 35, die nach EN 61496 

dem Sicherheitsniveau Typ 4 entspricht. Die einstrahligen 

Lichtschranken sind in zwei Ausführungen lieferbar: 

Spot 10 für Reichweiten bis zu zehn Meter und Spot 

35 für bis zu 35 Meter. Sie bestehen aus einem Sender 

und einem Empfänger. In Kombination mit dem Sicherheitscontroller 

Vital oder der Sicherheits-SPS Pluto erfüllt 

Spot die Anforderungen für Kategorie 4 gemäß 

EN ISO 13849-1 und Typ 4 gemäß EN 61496. 

Der Einsatz von 1, 2 oder 3 zusätzlichen Umlenkspiegeln 

ermöglicht eine Rundum-Absicherung von Gefahrenstellen 

wie Roboterbereichen. Jede Unterbrechung des 

Strahls führt zur Öffnung der Ausgangskontakte und 

somit zur Abschaltung der gefahrbringenden Bewegung. 

Mehrere Lichtschranken, berührungslose Schalter Eden 

und Not-Abschaltgeräte können in Serie angeschlossen 

werden und erreichen somit das hohe Sicherheitsniveau 

für die Steuerschaltung. Laut Sascha Niehage, dem technischen 

Leiter von Firebowl, war es durch die auch als 

Ausrichthilfe fungierende LED-Anzeige, den M12-Anschluss 

und die hardwaretechnische 1-kanalige Verdrah- 


12 / 2013 

23

PRAXIS 

tung einfach, die Sicherheitstechnik von ABB in die 

vorhandene Anlage zu integrieren. 

ZUVERLÄSSIG BEI STARKEN VIBRATIONEN 

Selbst die hohen Vibrationen, die bei einem Volltreffer 

entstehen, lösten an den Anfang 2012 installierten Unfallschutz-Lichtschranken 

bislang keine einzige Fehlauslösung 

aus. Da der Anlagenbetreiber wünschte, dass 

Doppelbahnen autark abschalten können, wurde hier für 

eine Doppelbahn eine Spot-Lichtschranke integriert, was 

wiederum zwei Eingänge an Pluto bedeutet. Der sogenannte 

„Catwalk“ dient als Zugang zum Maschinenpark 

und als Verbindung zwischen den einzelnen Maschinen. 

Zum Schutz des Mitarbeiters wurden die einzelnen 

Maschinen mit einem Lichtgitter Focus K1C-500 ausgerüstet. 

Das 2-strahlige Unfallschutz-Lichtgitter hat einen 

Querschnitt von nur 37 Millimeter x 48 Millimeter und 

eine Auflösung beziehungsweise Schutzfeldhöhe von 

500 Millimetern. Die in einer Höhe von 400 Millimetern 

und 900 Millimetern angeordneten Infrarotstrahlen mit 

Reichweiten von 0,2 bis 12 Metern lösen beim Eindringen 

in den Gefahrenbereich den Abschaltbefehl aus. Das 

vom TÜV nach der Sicherheitsnorm EN/IEC 61496-1/2 

zertifizierte Lichtgitter vom Typ 4 lässt sich leicht ausrichten 

und installieren. Zu den besonderen Merkmalen 

zählen außerdem die Pre-Reset-Funktion, manuelle, 

überwachte oder automatische Rückstellung, zwei überwachte 

PNP Sicherheits-Ausgänge mit Querschluss- 

Überwachung (OSSD) und M12 Anschlüsse. LEDs sorgen 

für einfache Ausrichtung und Anzeige von Verschmutzung, 

Betriebsspannung (24 VDC) und Ausgangszustand. 

EINGRIFF IM LAUFENDEN BETRIEB MÖGLICH 

Manchmal ist es notwendig, bei laufendem Betrieb Eingriffe 

in die Maschine vorzunehmen. Für diesen Fall 

führt der Mitarbeiter einen Dreistufen-Zustimmungstaster 

JSHD4 mit sich und steckt diesen an der Stelle der 

Anlage ein, an der der Zugriff erfolgt. Das Drücken des 

Tasters in die Mittelstellung überbrückt nur das Lichtgitter 

der Doppelbahn. Der 3-stufige JSHD4 sichert mit 

seinen 15 zugehörigen Steckplätzen Einricht-, Wartungsund 

Servicearbeiten an den Kegel-Aufrichtvorrichtungen 

der 30 Bahnen. Sollte der Wartungstechniker aufgrund 

einer drohenden Gefahr den 2-kanaligen Zustimmungstaster 

panikartig durchdrücken oder loslassen, 

schaltet die Anlage sofort ab. 

Der Zustimmungstaster erteilt in der oberen und unteren 

Stellung einen Abschaltbefehl, und in der Mittelstellung 

ein Start- oder Bereitschaftssignal. Nach Abschaltung 

in der unteren Stellung ist ein Start- oder 

Bereitschaftssignal nicht möglich. Erst nachdem der 

Griff des Dreistufen-Tasters völlig losgelassen und anschließend 

wieder in die Mittelstellung gedrückt worden 

ist, erfolgt die Freigabe. Wenn man den Taster an ein 

2-kanaliges Sicherheitsrelais (RT6) oder an eine Sicherheits-SPS 

Pluto anschließt, werden Kurzschlüsse im 

Kabel sowie Fehler an den Eingängen und an den Ausgangsschützen 

sofort erkannt. 

Die Lichtschranke Spot im vorderen Bereich der Kunden 

bleibt aktiv und kann nicht überbrückt werden. Nun 

kann der Mitarbeiter mit dem Zustimmungstaster die 

Anlage bei laufendem Betrieb betreten und Arbeiten an 

Abräumer, Ballheber oder Pinaufzug vornehmen. Zwei 

optionale Zusatztasten realisieren Hilfsfunktionen. Bei 

Robotern werden Dreistufen-Taster häufig an Einricht- 

Panels für Fehlersuche, Programmierung und Probebetrieb 

eingesetzt. 

INSPEKTEURE EMPFEHLEN DIE LÖSUNG WEITER 

Der bei Firebowl in Gelsenkirchen mit der Planung, 

Installation und Wartung betraute Technische Leiter, 

Sascha Niehage ist mit der von Michael Prebreza entworfenen 

Sicherheits-Komplettlösung sowie dem 

durchgängigen Erreichen des höchsten Performance 

Levels PL e zufrieden. 

Nachdem er sich anfangs mit Sicherheitslichtschranken 

anderer Marken häufige Ausfälle und viel Kundenärger 

eingeholt hatte, wechselte er auf vibrationsfeste 

Unfallschutz-Komponenten von ABB um. Seitdem funktioniert 

die Bowling-Anlage so zuverlässig und sicher, 

dass die Inspekteure der Berufsgenossenschaft BGN die 

Sicherheitslösung weiterempfehlen. 

Neben den Preisvorteilen lobt Niehage die hohe Fachkompetenz 

von ABB beim Projektieren, Installieren und 

Programmieren mit der zugehörigen kostenlosen Software 

Pluto Manager sowie beim Durchführen der umfangreichen 

Funktionstests. Zudem ist der Kunde vom 

kurzfristig verfügbaren Service und der ausführlichen 

Beratung überzeugt. Die einfache Bedienung und der 

problemlose Einbau der schwedischen Unfallschutzgeräte 

ersparten ihm viel Zeit und Kosten. 

AUTOR 

Dipl.-Wirtsch.-Ing 

MICHAEL PREBREZA 

ist Vertriebsbeauftragter 

für Nordrhein-Westfalen 

bei ABB Stotz-Kontakt in 

D-78549 Spaichingen. 

ABB Stotz-Kontakt GmbH, 

Max-Planck-Straße 21, D-78549 Spaichingen, 

Tel. +49 (0) 7424 95 86 50, 

E-Mail: michael.prebreza@de.abb.com 

24 


12 / 2013

IT-Security in der Praxis 

Industrielle Informationssicherheit 

Gereviewte Beiträge aus dem Automatisierungsfachtitel atp edition 

sind unter dem Schwerpunkt „Industrielle Informationssicherheit“ neu 

zusammen gestellt worden. Praxisrelevante Maßnahmen zur Umsetzung 

aktueller Normen und Leitfäden sicherer Kommunikation in der 

Industrie geben den aktuellen Stand der Wissenschaft wieder. 

Hrsg.: Leon Urbas 

1. Auflage 2014 

96 Seiten, farbig, Broschur 

ISBN: 978-3-8356-7113-3 

Preis: € 59,– 

www.di-verlag.de 

Das Buch erscheint im DIV Deutscher Industrieverlag GmbH, Arnulfstr. 124, 80636 München 



ZUKUNFT 

Bestellung per Fax: +49 201 / 820 Deutscher 02-34 Industrieverlag oder GmbH abtrennen | Arnulfstr. und 124 im | Fensterumschlag 80636 München einsenden 

Ja, ich bestelle gegen Rechnung 3 Wochen zur Ansicht 

___Ex. 

Industrielle Informationssicherheit 

1. Auflage 2014 – ISBN: 978-3-8356-7113-3 für € 59,– (zzgl. Versand) 





Telefon 

Telefax 

Antwort 

Vulkan-Verlag GmbH 

Versandbuchhandlung 

Postfach 10 39 62 

45039 Essen 

E-Mail 


Bevorzugte Zahlungsweise Bankabbuchung Rechnung 

Bank, Ort 


Brief, Fax, E-Mail) oder durch Rücksendung der Sache widerrufen. Die Frist beginnt nach Erhalt dieser Belehrung in Textform. 

Zur Wahrung der Widerrufsfrist genügt die rechtzeitige Absendung des Widerrufs oder der Sache an die Vulkan-Verlag GmbH, 

Versandbuchhandlung, Postfach 10 39 62, 45039 Essen. 

Bankleitzahl 


Kontonummer 

PAATP52013 

Nutzung personenbezogener Daten: Für die Auftragsabwicklung und zur Pflege der laufenden Kommunikation werden personenbezogene Daten erfasst und gespeichert. Mit dieser Anforderung erkläre ich mich damit einverstanden, dass ich 

vom DIV Deutscher Industrieverlag oder vom Vulkan-Verlag per Post, per Telefon, per Telefax, per E-Mail, nicht über interessante, fachspezifische Medien und Informationsangebote informiert und beworben werde. 


HAUPTBEITRAG 

Datenkopplung mittels 

UML-Modellen 

Engineering- und IT-Systeme für Industrie 4.0 vernetzen 

Für Industrie 4.0 ist die Kopplung der Daten aus Engineeringsystemen, Laufzeitsystemen 

sowie übergeordneten IT-Systemen eine Voraussetzung, um flexibel auf Änderungen im 

Produktionsprozess aber auch in der Ablösung von IT-Systemen reagieren zu können. In 

dem Beitrag werden zunächst Anforderungen an die Modellierung der Datenkopplung 

verschiedener Engineering-, Produktions- sowie ERP-Systeme aufgestellt und die Auswahl 

von UML als Modellierungssprache entlang eines Kriterienkatalogs begründet. Anschließend 

wird die Information, die für die Durchführung der Datenkopplung notwendig ist, 

modellbasiert und aufgabenorientiert in sieben Untermodelle gegliedert und mit unterschiedlichen 

UML-Diagrammen modelliert. Der Ansatz ist im Rahmen eines Forschungsprojektes 

für einen Produktionsbetrieb erarbeitet und implementiert worden. 

SCHLAGWÖRTER Datenintegration / UML-Modell / Daten-Backbone 

Data Coupling using UML Models – 

Coupling Engineering and IT Systems as Basis for Industry 4.0 

For Industry 4.0, the coupling of data from engineering systems, run-time systems, and 

higher level IT systems forms a basis for flexible reactions to changes in the production 

process or to the replacement of IT systems. This article explains the selection of UML as 

a notation for modelling the data coupling of engineering systems, run-time systems on the 

control level, as well as MES, ERP or other IT systems. The information needed for the data 

coupling is structured in seven sub-models with differing UML-diagrams. The approach 

has been developed and implemented for a production plant as part of a research project. 

KEYWORDS data coupling / UML model / data backbone 

26 


12 / 2013

BIRGIT VOGEL-HEUSER, Technische Universität München 

BAGHER FEIZ-MARZOUGHI, Siemens 

Es ist illusionär, zu glauben, es ließe sich ein System 

bauen, das alle Daten der realen Welt enthält, 

und sei es auch nur eines realen Produktionsstandorts, 

und damit alle gewünschten 

Funktionen versorgt. Die Komplexität der realen 

Welt kann nicht reduziert werden; die Aufgabe ist es, sie 

beherrschbar zu machen. 

Der Grundgedanke des vorgestellten Ansatzes ist es, 

einen Mechanismus zu finden, der möglichst automatisch 

und generisch die Durchgängigkeit der Daten und 

Datenstrukturen – im Folgenden als Transparenz bezeichnet 

– zur Verfügung stellt, mit dem sich unter anderem 

die unterschiedlichen IT-Systeme, die diese Daten 

manipulieren, kombinieren lassen. 

Daten überdauern schon allein aufgrund der notwendigen 

Datenarchivierung im Zusammenhang mit Validierung 

oder Zertifizierungsprozessen. Die Funktionen, 

die auf diesen Daten ausgeführt werden müssen oder 

die zwischen diesen Daten bestehen, ändern sich hauptsächlich 

wegen Änderungen im Produktionsablauf. Zur 

Ablösung existierender monolithischer, starrer Systeme 

durch neue muss eine solche Transparenz zu Grunde 

gelegt werden. Für die Innovation beziehungsweise Änderungen 

aufgrund technologischer Umgestaltung der 

Schnittstellen solcher Systeme ist eine derartige Transparenz 

notwendig, um die Migration und Implementierung 

von Standard-Software-Produkten zu erlauben, 

vor allem im produktionsnahen Umfeld. Hier ist die 

Dynamik der Datenänderung sehr hoch und in der Regel 

nicht vorhersehbar. 

Das Prinzip des Daten-Backbone, der sich aus einer 

zentralen Datenstruktur (und nicht Datenhaltung à la 

Data Warehouse), Modellen und Codegeneratoren zusammensetzt, 

stellt das Realisierungskonzept dieser Transparenz 

dar, siehe Bild 1. 

Im zentralen Daten-Backbone werden die unterschiedlichen 

Datenaspekte eines Unternehmens (Geschäfts-, 

Prozess-, Daten-, Modell-, Anwendungs-,…-Sicht) im Datenmodell 

abgebildet und miteinander in Verbindung 

gesetzt und gepflegt. Diese Datentransparenz soll die 

Grundlage einer beispielhaften Realisierung von Industrie 

4.0 werden, bei der darüber hinaus die Aspekte 

Cloud-Computing und serviceorientierte Architektur 

(SOA) berücksichtigt werden müssen. 

1. MODELL DER AUTOMATISIERUNGSTECHNIK: 

VON DER PYRAMIDE ZUM DIABOLO 

Über Jahrzehnte hinweg war die Automatisierungspyramide, 

siehe Bild 2, das Modell zur Einordnung von 

Automatisierungsaufgaben und -geräten. Auf unterster 

Ebene werden die vielen kleinen echtzeitfähigen Datenpakete 

der Feldgeräte (Sensoren und Aktoren) gesammelt 

und zur übergeordneten Kontrollebene geleitet, 

wo diese zur Steuerung des Produktionsprozesses 

verwendet werden. Zur nächsthöheren Ebene der 

Mensch-Maschinen-Schnittstellen wird nur noch die 

Information weitergeleitet, die für den Operator einer 

Anlage wichtig ist. Diese Datenübertragungen sind 

typischerweise umfangreicher, treten jedoch in geringerer 

Häufigkeit auf. Zur Spitze der Pyramide hin werden 

nur noch Leistungskennzahlen und Produktionszahlen 

an die Betriebsplanung der Produktionsanlage 

übermittelt. 

Für die Hersteller von Automatisierungssystemen erwies 

sich die Einteilung der Automatisierungstechnik 

in Automatisierungsebenen lange Zeit als vorteilhaft, 

da die Hersteller mit ihren Systemen lediglich die Anforderungen 

einer Ebene erfüllen mussten. Ein Anbieter 

von Feldgeräten, die für den Einsatz in der untersten 

Ebene bestimmt sind, musste mit seinen Systemen all 

diejenigen Funktionen bereitstellen, die von der übergeordneten 

Automatisierungsebene benötigt wurden. 

Jedes System innerhalb der Informationspyramide muss 

nur die Schnittstelle zur direkt über- beziehungsweise 

unterlagerten Ebene bedienen, sodass Hersteller sich bei 

der Entwicklung ihrer Produkte auf eben diese fokussieren 

konnten. 

Immer intelligentere Feldgeräte mit leistungsfähigeren 

Prozessoren und Diagnosefähigkeiten (Self-X-Fähigkeit) 

führen ebenso zu einem Zusammenfallen der unteren 


12 / 2013 

27

HAUPTBEITRAG 

Ebenen der Pyramide wie die Einführung von echtzeitfähigen 

Ethernet-Derivaten für Feldgeräte-, Steuerungsund 

HMI-Systeme. Daraus entstand der Diabolo [1], siehe 

Bild 3. Das Akronym Diabolo kann als Distributed Information 

Architecture to Bolster Lifecycle Optimization, 

also als eine verteilte Datenarchitektur zur Unterstützung 

der Lebenszyklusoptimierung verstanden werden. 

Der untere Konus beinhaltet die Funktionalitäten der 

Feldgeräte und der Steuerungs- und Visualisierungsebene. 

Der obere Konus repräsentiert die MES-Ebene mit der 

Schnittstelle zum ERP, die durch die Abbildung des 

MESA-Modells repräsentiert wird. 

1.1 Module und Schnittstellen 

Um Plug-and-produce zu ermöglichen, siehe Bild 3, müssen 

die Schnittstellen zwischen den Systemen im Hinblick 

auf eine unternehmensweite Datenintegration modelliert 

werden. Mit der Einführung der Datenmodellschicht 

(Informationsmodell) als übergreifende Schnittstelle 

aller Informationsflüsse lässt sich dieses Ziel 

erreichen. Die Platzierung als Ebene zwischen den beiden 

Teilsystemen (Konussen) ermöglicht, dass ein effizienter 

vertikaler und horizontaler Datenaustausch entweder 

mit Hilfe der Einführung standardisierter Datenformate 

oder einem einheitlichen Vorgehen zur Datenmodellierung 

samt Notation erreicht werden kann, 

beziehungsweise durch sich selbst organisierende serviceorientierte 

Komponenten. 

Der Lebenszyklus wurde beim Diabolo in X-Richtung 

dargestellt: Die Daten werden während der Phasen des 

Lebenszyklus immer weiter verfeinert und gehen von 

den Engineeringsystemen in die Laufzeitsysteme wie 

speicherprogrammierbare Steuerungen, Prozessleitsysteme 

oder CNC über, während im oberen Teil des Konus 

die IT-Systeme repräsentiert sind. 

Aus informationstechnischer Sicht werden die Prozessdaten 

und die Produktionsdaten initial durch Feldgeräte 

oder deren Kombination geliefert, die im Anschluss 

verknüpft und somit durch weitere Information 

angereichert werden, die unter Zuhilfenahme von intelligenten 

Vorverarbeitungssystemen innerhalb des unteren 

Konus erzeugt werden. Das Generieren der Daten 

kann dementsprechend als Zusammenspiel einer Vielzahl 

unterschiedlicher Systeme gesehen werden, die ihre 

angereicherten Daten über eine neutrale Datenmodellschicht 

oder modellierte Datenkopplungen den Systemen 

des oberen Konus zur Verfügung stellen. 

Prinzipiell handelt es sich um Informationsdienste. 

Die Weitergabe der Daten von den Informationsdiensten 

an die Datenmodellschicht erfolgt auf der Basis eines 

definierten Satzes an Diensten oder Services. Die Architektur 

der Datenmodellschicht lässt sich daher als serviceorientierte 

Architektur bezeichnen. 

Bei den zeitlichen Anforderungen kann die Datenmodellschicht 

Prozessdaten mit sehr eingeschränkten Echtzeitanforderungen 

an den oberen Konus bereitstellen, da 

die hier enthaltenen Systeme an den zeitlichen Bedürfnissen 

ihrer menschlichen Anwender orientiert sind. Die 

Kommunikation innerhalb des unteren Konus hingegen 

ist bestimmt durch Echtzeitanforderungen und muss 

Abtastraten von mehreren kHz gewährleisten. Für das 

Informationsmodell sollen eine serviceorientierte Archi- 

BILD 2: Informationspyramide der Automatisierungstechnik [1] 

BILD 1: Daten-Backbone zwischen 

PLM, ERP, MES und Prozess-Ebene 

28 


12 / 2013

tektur unterstützt und gleichzeitig auch Echtzeitbedingungen 

eingehalten werden. 

Um die Komplexität des Produktionsprozessmodells 

beherrschbar zu machen, empfiehlt es sich, den Gesamtprozess 

in aufgabenspezifische Module zu unterteilen. 

Mit der Einführung des Diabolo lassen sich komplexe 

Produktionsprozesse in eine Kombination verschiedener 

Teilprozessdiabolo überführen, die in horizontaler Richtung 

über ihre Informationsschichten gekoppelt werden. 

Um die beschriebenen Ebenen der unterschiedlichen 

Diabolos miteinander verknüpfen und damit einen Datenaustausch 

realisieren zu können, ist eine systemübergreifende 

Datenkopplung notwendig. Diese Datenkopplung 

ist ohne ein geeignetes Modellierungskonzept kaum 

beherrschbar. Im Folgenden werden die Anforderungen 

an ein solches Konzept zur Beschreibung der System- 

Datenverknüpfung erläutert. 

2. ANFORDERUNGEN AN DEN MODELLIERUNGSANSATZ 

Die hohe Dynamik der Veränderungen von Produktionsanlagen 

und die Mehrdimensionalität der Einflussfaktoren 

zwingen Anlagenbetreiber, über den Tellerrand zu 

schauen und die Schnittstellen der eigenen Bereiche mit 

den benachbarten zu berücksichtigen, um mehr Flexibilität, 

hohen Automatisierungsgrad, hohe Qualität und 

gesicherte Lieferfähigkeit zu gewährleisten. 

Das betrifft die komplette Lieferkette und interdisziplinäre 

Aspekte, wie IT-Innovationen und -Trends, Informationssicherheit, 

Produkthaftung, globale Rückverfolgbarkeit, 

Eingliederung beziehungsweise Ausgliederung bestimmter 

Unternehmenseinheiten (Carve-In, Carve-Out). 

Als eine mögliche Lösung bietet sich ein generischer Modellierungsansatz 

an, der in der realen Welt des Produktionsstandortes 

implementiert und überprüft werden 

muss. Dies führt in der Regel wiederum zu einer Anpassung 

der Modelle. Je öfter diese Erprobung und anschließende 

Anpassung geschieht, desto globaler sollte die Einsetzbarkeit 

dieser Modelle werden. Die Idee ist also, anstatt 

bei jeder Veränderung, wie beispielsweise der Einführung 

eines neuen IT-Systems beziehungsweise dessen Ablösung 

oder des Abbaus einer alten Produktionslinie und des Ersatzes 

durch eine neue, ein neues Vorhaben (Projekt) zu 

starten, die zu betrachtende Welt (zum Beispiel Control 

mit allen IT-Systemen und Produktionslinien) einmalig 

modellbasiert abzubilden und die laufenden Veränderungen 

durch die Etablierung von definierten Geschäftsprozessen 

zeitnah durch Anpassung des Modells aufnehmen 

zu können. Dadurch lassen sich diverse Prozesse simulieren, 

bevor die eigentliche Umsetzung gestartet wird. 

Die durch Modelle abgebildete Information beinhaltet 

dadurch die Struktur der Produktionsinfrastruktur und 

die Information zur Anbindung relevanter IT-Systeme 

und deren Schnittstellen. Wird ein IT-System abgelöst, 

kann anhand von transparenten Datenstrukturen und 

Funktionen, die durch generische und spezifische Modelle 

geschaffen wurden, eine Ablösestrategie gefunden 

werden, bevor eine Zeile Code geschrieben wurde. Zur 

Abgrenzung der unterschiedlichen Unternehmensebenen 

(MES, ERP, PLM) dienen diese Modelle ebenso wie 

zur Sicherstellung ihrer Interoperabilität. 

Durch das Ablegen von definierten Zuordnungen zwischen 

Systemen und einzelner Informationsobjekte und 

Toolkopplung 

Modulkopplung 

Lebenszyklus 

Informationsmodell 

Kopplung Modul 

zu Modul 

Enterprise Resource Planning (ERP) 

1) 2) 


1) 2) 

Kopplung Modul 

zu Modul 


1) 2) 

BILD 3: Diabolo der 

Automatisierungstechnik [1] 

1) 2) 

Prozessmodul (n) 

Prozessmodul (2) 

Prozessmodul (1) 

Produktionsprozess 

Design 

Inbetriebsetzung 

und Abnahme 

Betrieb/ 

Wartung 

Anforderungsermittlung 

Komponentenentwicklung 

Komponententest 

Re- 

Engineering 


12 / 2013 

29

HAUPTBEITRAG 

Beschreibungsmittel 

Nicht deterministisch 

Statisch 

Entity-Relationship-Model (ERM) x x x x 

UML 2.0 [02] x x x x x x x x x x x x x x x x x x 

SysML [02] x x x x x x x x x x x x x x x x x x x 

BPMN 2.0 [02] x x x x x x x x x x x x 

AutomationML x x x x x x x x 

Objektzuordnung 

Verhaltensbeschreibung 

Explizite 

Zeitdarstellung 

Formal 

Semi-formal 

Informal 

Deterministisch 

Dynamisch 

Ereignisgetrieben diskret 

Zeitdiskret (taktgetrieben) 

Zeitkontinuierlich 

Hierarchie 

Komposition / Dekomposition 

Textuell 

Formale Basis 

Struktur 

Synchronisation 

(falls verteilte 

Prozesse möglich) 

Darstellung 

Kriterium 

Strukturveränderung 

Synchron 

Asynchron 

Nebenläufig 

Mathematisch-symbolisch 

Grafisch 

Datenstruktur 

Regelbeschreibung 

Ablaufsteuerung 

Sichten 

Instanziierung 

Datenkopplung 

Verschachtelung 

TABELLE 1: Erfüllung der erweiterten Einordnungskriterien durch ausgewählte Beschreibungsmittel 

in Anlehnung an VDI/VDE 3681 [13] 

deren Attribute wird eine Analyse der aktuellen Systemlandschaft 

möglich und die Erarbeitung neuer Produktions- 

beziehungsweise IT-Konzepte effizient. Sind 

beispielsweise die Bestandteile eines Fertigungsauftrags 

(Key, Eigenschaft, Attribute) sowie die Ebene für 

die Manipulation von Attributen bekannt, kann nach 

der Zuordnung der jeweiligen IT-Systeme zu den Ebenen 

bei der nächsten Anforderung eine generische Lösung 

erzeugt werden. 

Als Basis für die Erläuterung der Anforderungen 

dient das im Folgenden beschriebene Beispiel. Zwischen 

zwei Systemen soll technische Information zu 

einem Produkt ausgetauscht werden. Diese Information 

lässt sich in einem Datenelement zusammenfassen. Das 

Datenelement kann hierarchisch in Objekte zerlegt werden. 

Ein ERP-System gibt eine vollständige Produktinformation 

an ein MES weiter, das dieses Datenelement 

benötigt, um die Produktionsanlagen zu parametrieren. 

Um das Element im Datenverkehr eindeutig wiederzuerkennen, 

sind Identifikationsdaten nötig. Das wichtigste 

Objekt des Elements bilden dafür die Kopfdaten 

mit dem Unterobjekt Identifikationsbezeichnung. Beispielhaft 

sind dies ein alphanumerisches Präfix, welches 

im ERP-System dem Identifier vorangestellt ist; es 

muss für das MES entfernt werden. Anhand dieses 

Beispiels können bereits die wichtigsten Anforderungen 

an eine Modellierungssprache zur Datenkopplung 

abgeleitet werden. 

Die Basis des Datenaustausches bildet das zu übertragende 

Element mit dem hierarchischen Aufbau von Objekten, 

Unterobjekten und Attributen. Dabei stellen Attribute die 

unterste Einheit eines Datenelements dar. Für den Übertrag 

vom ERP-System ins MES müssen die Objekte des Ausgangssystems 

entweder ganz oder basierend auf ihre Unterobjekte/Attribute 

teilweise den entsprechenden Objekten 

des MES zugeordnet werden. Die dabei notwendigen Anpassungen 

der Objekte, wie die im Beispiel erwähnte Reduktion 

um das Präfix, müssen in der Abbildung der Datenkopplung 

beschreibbar sein. Für die Übermittlung des 

Datenelements vom ERP zum MES sind meist systemspezifische 

Abfolgen von Befehlen notwendig. Zusätzlich erfordert 

es im Allgemeinen komplexe Anfrage- und Anmeldesequenzen, 

um die Kommunikation mit einem System 

zu initialisieren. Der gesamte Vorgang des Austauschs eines 

Datenelements findet im Kontext eines unternehmensinternen 

Prozesses eines Geschäftsprozesses statt. 

Zusammenfassend ergeben sich folgende Anforderungen 

an die Modellierung einer systemübergreifenden 

Datenkopplung: 

Der Modellierungsansatz muss die Abbildung statischer 

Datenstrukturen, deren Zusammenhänge und 

30 


12 / 2013

Eigenschaften sowie die Modellierung systemübergreifender 

Objektzuordnungen ermöglichen. 

Transformationen und eine Möglichkeit der Ablaufsteuerung 

müssen modellierbar und in die Datenzuordnung 

integrierbar sein. 

Modelle können nicht nur zur Entwurfsplanung genutzt 

sondern durch die Einhaltung formalisierter 

Kriterien direkt von einer Ablaufumgebung interpretiert 

und ausgeführt werden. 

Systemspezifische Abläufe sind abzubilden, ebenso 

wie übergeordnete Geschäftsprozesse. 

Anforderungen an die Modellierungsnotation: 

Die Modellelemente sollen möglichst reduziert und 

an die Modellierungsaufgabe angepasst sein. 

Modulbildung, Schachtelung und Instanziierung 

müssen möglich sein. 

Im Hinblick auf ein unternehmensweites Netzwerk 

mit vielen angeschlossenen IT- und Produktionssystemen 

ist es essenziell, eine geeignete Semantik und 

darauf aufbauend eine neutrale, systemunabhängige 

Datenstruktur zu definieren. Alle Anpassungen an 

Datenelemente und die Zuordnungen der Objekte zwischen 

den Systemen (ERP und MES) sollen basierend 

auf dieser Struktur formuliert werden können. Ferner 

kann diese Datenstruktur als zentrale Schnittstelle 

eingesetzt werden, an die alle Systeme eines Netzwerks 

verbunden werden. Eine zusätzliche zentrale 

Datenhaltung soll dabei entgegen vielen aktuellen 

Ansätzen nicht erforderlich sein, um Konsistenzprobleme 

zu vermeiden. Wird ein System ausgetauscht 

oder kommt ein neues hinzu, müssen nur die Zuordnungen 

der Objekte im zentralen Datenmodell definiert 

oder angepasst werden. 

3. DATENKOPPLUNG VON ENGINEERINGWERKZEUGEN 

Eine derzeit verbreitet eingesetzte Möglichkeit zur Datenkopplung 

stellen die Enterprise-Service-Busse (ESB) 

verschiedener Hersteller dar [2]. Durch die Verwendung 

eines ESB können unterschiedliche Systeme miteinander 

verknüpft werden, ohne dass die Datenelemente 

zentral gespeichert werden müssen. ESB verwenden 

eigene interne (neutrale) Datenformate für den Austausch 

und bieten eine Vielzahl an Schnittstellen (Adapter), 

um IT-Systeme anbinden zu können. Durch die 

Auswahl eines ESB-Anbieters wird gleichzeitig die anbieterspezifische 

Beschreibungssprache ausgewählt. Die 

Beschreibung der Zusammenhänge findet hier jedoch 

meist auf Basis von Code statt und lässt sich nur mit viel 

Aufwand von einem ESB auf einen anderen übertragen. 

Es müssen andere Funktionen oder schlimmstenfalls 

andere Programmiersprachen verwendet werden. Für 

das zu erarbeitende Konzept gilt die Anforderung, die 

Systemkopplung ESB-neutral zu beschreiben, um dieses 

Wissen anbieterunabhängig und damit dauerhaft, im 

Sinne von auf verschiedene Anbieter adaptierbar, zur 

Verfügung zu stellen. Als Basis für die Datenkopplung 

wird ein zentrales Datenmodell erarbeitet und in Abschnitt 

5 vorgestellt. 

3.1 Datenaustauschformate 

Bereits existent sind hierfür unter anderem die Electronic 

Device Description Language (EDDL) [3], Computer 

Aided Engineering Exchange (CAEX) [4], eClass [5] 

und AutomationML [6]. Diese Datenmodelle beschränken 

sich auf eine bestimmte Ebene der Automatisierungspyramide. 

Sie stellen daher nicht jede für den 

unternehmensübergreifenden Datenaustausch benötigte 

Meta-Information bereit (wie beispielsweise die Zuordnung 

oder Dimension). Für den Datenaustausch 

zwischen IT-Systemen, abgesehen von ESB-Lösungen, 

wurde der Industriestandard OLE for Process Control 

Data Access (OPC DA) [7] und OPC Unified Architecture 

(UA) [8] entwickelt. Beide Standards sind für den 

Austausch von Prozessdaten gedacht, nicht für beliebige 

Daten aus beliebigen IT-Systemen. Eine weitere 

Entwicklung ist der Automation Service Bus (ASB) [9]. 

Ein ASB ist stark auf das Engineering von Anlagen 

zugeschnitten, nicht auf die Kopplung von im Betrieb 

eingesetzten IT-Systemen. Des Weiteren wurde im SFB 

476 [10] die Optimierung von Engineeringprozessen 

und des -workflows sowie die Integration der disziplinspezifischen 

Engineeringsysteme entlang des Lebenszyklus 

der Prozessindustrie untersucht [11]. Die 

Integration fokussiert auf das Engineering mit einem 

datei- und segmentbasierten Ansatz und vernachlässigt 

die Laufzeit und die Leit- und Steuerungssysteme. Um 

die Datenelemente in der Automatisierungstechnik 

abbilden zu können, sind von den bestehenden Formaten 

beispielsweise die XML-basierten interessant. Diese 

sind systemunabhängig und lassen sich einfach als 

Ausgangsbasis für eine Anpassung nutzen. 

Ein Schwachpunkt vieler Kopplungskonzepte besteht 

darin, dass eine Referenzstruktur zur Speicherung komplex 

strukturierter Anlagendaten fehlt, auf die alle weiteren 

statischen wie dynamischen Modellierungen zurückgreifen 

können. Die AutomationML schließt diese 

Lücke, indem sie das etablierte, objektorientierte Austauschformat 

der CAEX für den automatisierungstechnischen 

Einsatz weiterentwickelt. Das XML-basierte 

Datenformat unterstützt Konzepte wie Klassen, Instanzen 

und Vererbung. Ausgehend von der Darstellung rein 

hierarchischer Objektinformationen mit CAEX wird die 

AutomationML sukzessive um Speicherformate für Geometrie- 

und Kinematikdaten erweitert, basierend auf der 

Spezifikation COLLADA (COLLAborative Design Activity) 

[12] und für Verhaltensbeschreibungen mittels 

PLCopen [13]. Durch die Kombination dieser etablierten 

Standards und Spezifikationen entsteht ein gewerkeübergreifendes 

Austauschformat. 

Obwohl die AutomationML für den Datenaustausch 

entwickelt wurde, beschränkt sie sich auf den sehr 

engen Bereich der Datenstrukturierung. Die Semantik 

der Daten wird jedoch nur eingeschränkt betrachtet. 

Abläufe, die für den Datenaustausch notwendig sind, 


12 / 2013 

31

HAUPTBEITRAG 

bleiben ebenfalls unbeachtet. So eignet sich die AutomationML 

vor allem für den Bereich der Modellierung 

von Datenstrukturen, kann jedoch auch zur Darstellung 

bei der Zuordnung von Objekten eingesetzt werden. 

Ist ein anbieterunabhängiges Austauschformat 

definiert, muss der für die Datenkopplung notwendige 

Ablauf und der benötigte Adapter beschrieben werden. 

Grundsätzlich stellt sich die Frage, ob eine bestehende 

Modellierungssprache mit ihren Diagrammen 

und Notationselementen für den Einsatz zur Beschreibung 

einer systemübergreifenden Datenkopplung geeignet 

ist. 

3.2 Kriterien zur Bewertung von Modellierungssprachen 

In diesem Abschnitt wird für die Bewertung der Modellierungssprachen 

die Richtlinie VDI/VDE 3681 [14] um 

die Anforderungen zur systemübergreifenden Datenkopplung 

ergänzt, um existierende Modellierungssprachen 

im Anschluss zu bewerten, vergleiche Tabelle 1. 

Die erste der kopplungsspezifischen Kriterien adressiert 

die Darstellung der Datenstrukturen der an ein Unternehmensnetzwerk 

angeschlossenen Systeme. Die 

Modellierungssprache muss zur Darstellung von Hierarchien, 

Kompositionen und Zusammenhängen von Klassen 

und Attributen eine neutrale Struktur bereitstellen. 

Die Modellierung einer neutralen Datenstruktur, in die 

alle Systeme abgebildet werden, ebenso wie die Darstellung 

der spezifischen Strukturen der anzukoppelnden 

Systeme stellt den Kern eines modellbasierten Kopplungskonzeptes 

dar. 

Um die Zuordnung zweier Datenobjekte aus zwei zu 

koppelnden Systemen zu ermöglichen, ist die notwendige 

Datentransformation in das Datenmodell zu integrieren. 

In die Modellierung müssen die Anpassungen 

der Daten eingebettet werden können, um ein Datenobjekt 

eines Quellsystems an die Datenstruktur des Ziel- 

BILD 4: 

Daten-Backbone: 

Modelllandschaft 

und Anwendung 

auf Runtime 

DataModel MappingModel Transformation - 

Model 

Objekt- und 

Attribut- 

Beziehungen 

Systemübergreifende 

Attribut- 

Zuordnung 

Transformationen 

IMIP-Databackbone 

AdapterModel 

Interoperability- 

Model 

SystemLand - 

scapeModel 

Protokollanpassung 

Ablaufsteuerung 

Systemzuordnung 

BusinessRule - 

Model 

Geschäftsregeln 

Code -Generatoren 

xsd wsdl xslt btm 

… 

Development Environment 

Databackbone -Runtime 

Austauschbar! 

BizTalk 

JBoss 

Modell-Bezeichnung Anforderung/Einsatzzweck UML-Diagramm- 

Komponente 

DataModel Abbildung der Datenstrukturen einzelner Systeme Klassendiagramm 

MappingModel Mapping von unterschiedlichen Systemattributen Klassendiagramm 

TransformationModel Vorschriften und Logik zur Transformation unterschiedlicher Daten Aktivitätsdiagramm 

AdapterModel Anpassung und Konvertierung von Übermittlungsprotokollen Sequenzdiagramm 

InteroperabilityModel Ablaufsteuerung, Vorschriften zur Verarbeitungsfolgen Aktivitätsdiagramm 

- 

Abbildung der realen beziehungsweise physischen/physikalischen 

SystemLandscapeModell 

UML- Diagramm- 

Modell-Bezeichnung 

Anforderung/Einsatzzweck 

Klassendiagramm 

Systeme, die in der Systemlandschaft miteinander kommunizieren Komponente 

DataModel Abbildung der Datenstrukturen einzelner Systeme Klassendiagramm 

MappingModel Mapping von unterschiedlichen Systemattributen Klassendiagramm 

TransformationModel Vorschriften und Logik zur Transformation unterschiedlicher Daten Aktivitätsdiagramm 

AdapterModel Anpassung und Konvertierung von Übermittlungsprotokollen Sequenzdiagramm 

InteroperabilityModel Ablaufsteuerung, Vorschriften zur Verarbeitungsfolgen Aktivitätsdiagramm 

SystemLandscapeModel 

Abbildung der realen bzw. physischen/physikalischen Systeme, 

die in der Systemlandschaft mit einander kommunizieren 

Klassendiagramm 

TABELLE 2: Datenmodelle, Einsatzzweck und verwendete UML-Diagramme 

32 


12 / 2013

systems anzupassen. Eine Modellierungssprache muss 

die grundlegenden Elemente zur Datenmanipulation 

bereitstellen und hierfür eine formalisierte Spezifikation 

aufweisen. 

Für die unternehmensweite Kopplung aller IT-Systeme 

ist die Menge an Information kaum beherrschbar. 

Auch für einen modellbasierten Kopplungsansatz wird 

eine Vielzahl von Modellen benötigt, die miteinander 

in Verbindung stehen. Die Modellierungssprache muss 

Sichten (views) unterstützten, um die Komplexität für 

die unterschiedlichen Anwender reduziert darzustellen. 

Die Komplexität wird ebenfalls durch die beiden 

Kriterien Instanziierung und Verschachtelung reduziert. 

Sie muss eine Klassenbildung und deren Instanziierung 

unterstützen, wodurch der Aufbau einer 

Klasse und ihr projektspezifischer Einsatz getrennt 

werden kann. 

Zusätzlich muss eine Modellierungssprache die 

Schachtelung (nesting) unterstützen. Während in der 

Entwurfsphase übergeordnete Prozesse und Klassen betrachtet 

werden, müssen diese um die Generierung von 

Code, der später in einem ESB ausgeführt wird, ergänzt 

werden. Die einzelnen Detaillierungsstufen werden in 

übergeordnete Elemente geschachtelt und ergänzen die 

anfänglichen abstrakten Modelle so zum Gesamtmodell 

einer unternehmensweiten Datenkopplung. 

Außerdem muss sich der Ablauf innerhalb eines Datenaustauschprozesses 

abbilden lassen. Für Datenmanipulationen 

oder komplexe Anmeldevorgänge zum Aufbau 

einer Kommunikation zwischen IT-Systemen werden 

Möglichkeiten benötigt, um diese in der Modellierungssprache 

darstellen zu können. Im Folgenden 

werden die Modellierungsnotationen entsprechend der 

Anforderungen bewertet. 

4. BEWERTUNG BESTEHENDER 

MODELLIERUNGSSPRACHEN 

4.1 Entity Relationship Model (ERM) 

BILD 5: Daten-Backbone: DataModel PLM [24] 

Die UML [15] entstand als objektorientierte Modellierungssprache 

für die Softwareentwicklung. Sie basiert 

auf dem ERM und entwickelt dessen Konzept von 

Klassen, Beziehungen und Attributen weiter. Gegenüber 

Programmiersprachen ist in der UML die Darstellung 

übergeordneter Zusammenhänge auf einer abstrakten 

Ebene möglich. Mit der Version 2.0 baut die 

UML die Möglichkeit der redundanten Modellierung 

gleicher Zusammenhänge mit unterschiedlichen Diagrammtypen 

aus und ermöglicht so benutzergruppenorientierte 

Modellierungssichten. Dies wird oft als 

großer Kritikpunkt gegenüber vorhergehenden Versiclass 

DataModel PLM extended 

BOM 

Header 

BOM counter 

- DataType :integer 

BOM category 

- DataType :bom_category 

Material 

- DataType :string 

Plant 


Item 

Item number 


Component quantity 


Unit of measure 

Das Entity Relationship Model (ERM) [25] stellt das akzeptierte 

Spezifikationshilfsmittel für relationale Datenbanken 

dar. Es flossen Erweiterungen aus der Objektorientierung, 

wie Generalisierung und Aggregation, in die 

Entwicklung der ERM ein. Das Konzept des ERM basiert 

auf der Verknüpfung von Entitäten (Gegenständen), Attributen 

der Entitäten und Beziehungen zwischen Entitäten 

(Relationen), die durch die Angabe von Beziehungstypen 

spezifiziert werden. 

Für den Einsatz in der Automatisierungstechnik kann 

das ERM nur bedingt eingesetzt werden. Das Grundkonzept 

des ERM mit den drei Basiselementen ist formal 

spezifiziert, ermöglicht jedoch nur die Darstellung statischer 

Beziehungen ohne dabei die angegebene Beziehungsart 

vollständig auswerten zu können. Strukturierungen 

sind nur durch Benennungen der Modellierungselemente 

möglich, können jedoch mit der reinen ERM 

nicht formal abgebildet werden. Die Voraussetzung für 

den speziellen Einsatz zur Kopplung von IT-Systemen 

bilden die Möglichkeiten zur formalen Abbildung von 

Beziehungen und deren Bedeutung. 

- DataType :unit_quant 

Item ID 


Component description 


Item category 

- DataType :item_category 

Assembly 

- DataType :boolean 

Sub-Items 


4.2 Unified Modelling Language (UML) 


12 / 2013 

33

Plant 


HAUPTBEITRAG 

Item 

Item number 


Component quantity 


Unit of measure 

- DataType :unit_quant 

Item ID 


Component description 


Item category 

- DataType :item_category 

onen gesehen. Die Vielzahl der Modelle muss für 

Assembly 

eine 

zielgerichtete Anwendung reduziert und - angepasst 

DataType :boolean 

werden. Dafür stellt die UML Erweiterungsmechanismen 

zur Verfügung. 


Sub-Items 

Bei der Bewertung der UML 2.0 zeigt sich die fehlende 

formale Beschreibung dieser Sprache. Die Erweiterungsmechanismen 

stellen die Mechanismen zur Formalisierung 

bereit. Dadurch entsteht ein domänen-spezifisches 

Profil wie die UML-PA [16] beziehungsweise die PLCML 

[17] mit einer begrenzten Gültigkeit. 

Die UML unterstützt statische wie auch dynamische 

Beschreibungen, letztere weisen jedoch durch die Vielzahl 

nicht festgelegter Verhaltensinterpretationen kein 

eindeutiges Verhalten auf. Für den Einsatz in der Datenkopplung 

ist eindeutiges Verhalten essenziell. Die Darstellung 

gleichläufiger Prozesse ist mit den Mitteln der UML 

möglich, jedoch fehlt eine Unterstützung zur Synchronisation 

der Prozesse. Bei der Datenkopplung treten vorrangig 

asynchrone und nebenläufige Prozesse auf, die über 

Ereignisse und Übergabewerte miteinander synchronisiert 

werden müssen. Das Fehlen der Synchronisationsmechanismen, 

die mit dem Profil MARTE [18] abbildbar 

sind, hat daher keine negative Auswirkung auf die Eignung 

der UML für die Modellierung der Datenkopplung. 

Die Anforderung an die Darstellung von Regeln wird 

nur teilweise erfüllt. Zum einen ist die UML nicht voll- 

class MappingModel PLM-DBB 

DataModel 

PLM::BOM 

DataModel 

PLM::Header 

DataModel PLM::BOM counter 

DataModel PLM::BOM category 

Transformation 

BOM-PartList 

BOM 

counter 

BOM 

category 

List 

t 

reference 

DataModel DBB::List name 

DataModel DBB::List reference 

DataModel 

DBB::Title 

block 

DataModel 

DBB::Part list 

DataModel 

PLM::Item 

DataModel PLM::Item number 

DataModel DBB::Part reference 

DataModel 

DBB::Part 

DataModel PLM::Component 

quantity 

DataModel DBB::Quantity 

DataModel PLM::Unit of measure 

DataModel DBB::Unit 

DataModel PLM::Item ID 

DataModel DBB::Part number 

DataModel PLM::Component 

description 

DataModel DBB::Remarks 

BILD 6: Daten-Backbone: MappingModel PLM – DBB [24] 

act Transformation BOM-PartList 

DBB PLM 

add_BOM 

:BOM counter 

:BOM category 

«flow» 

«flow» 

input_01 

input_02 

string together 

part_list_added 

output_01 

:List reference 

«flow» 

BILD 7: 

Daten-Backbone: 

TransformationModel 

[24] 

34 


12 / 2013

ständig formal spezifiziert. Zum anderen können zwar 

Entscheidungen, beispielsweise im Aktivitätsdiagramm, 

modelliert werden, Grundbausteine zur Datenmanipulation 

fehlen jedoch. 

Die UML besitzt eine Vielzahl unterschiedlicher Teilmodelle, 

die bei ihrer Darstellungsweise auf spezielle 

Fokusse optimiert sind, sich jedoch in ihrem Umfang 

der darstellbaren Information oft überschneiden. Dies 

ermöglicht es dem Benutzer, Zusammenhänge unter 

verschiedenen Gesichtspunkten zu betrachten und zu 

bearbeiten, und unterstützt so das für die Datenkopplung 

wichtige Kriterium der Sichtenbildung. Zur Reduktion 

der Komplexität kann in der UML das geforderte 

Konzept der Instanziierung und der Schachtelung verwendet 

werden. 

4.3 System Modelling Language (SysML) 

Um das Konzept der UML abseits der Softwareentwicklung 

für die Systementwicklung und den Einsatz in unterschiedlichen 

Domänen einsetzbar zu machen, wurde 

die UML für das Systems Engineering zur SysML [19] 

erweitert. Die SysML beinhaltet als neue Diagramme einerseits 

die Anforderungsdiagramme zur integrierten 

Modellierung von Anforderungen und deren Erfüllung 

REFERENZEN 

[1] Vogel-Heuser, B., Kegel, G., Bender, K.,Wucherer, K.:Global 

Information Architecture for Industrial Automation. atp - Automatisierungstechnische 

Praxis 51(1), S. 108–115, 2009 

[2] De Leusse, P., Periorellis, P., Watson, P.: Enterprise service 

bus: an overview. Technical Report CS-TR-1037, University of 

Newcastle upon Tyne, 2007. (http://www.cs.newcastle.ac.uk/ 

publications/trs/papers/1037.pdf) 

[3] IEC 61804-3: Funktionsbausteine für die Prozessautomation 

- Teil 3: Elektronische Gerätebeschreibungssprache (EDDL). 

September 2011 

[4] IEC 62424: Darstellung von Aufgaben der Prozessleittechnik 

- Fließbilder und Datenaustausch zwischen 

EDV-Werkzeugen zur Fließbilderstellung und CAE-Systemen. 

August 2008 

[5] eCl@ss e. V.: eCl@ss. (http://www.eclass.de/eclasscontent/ 

index.html.de) 

[6] AutomationML consortium: AutomationML– The Glue for 

Seamless Automation Engineering (Version 2.0, Mai 2012). 

(https://www.automationml.org/o.red/uploads/dateien/ 

1338989640-AutomationML%20Whitepaper%20Part%204%20 

-%20AutomationML%20Logic%20Description%20v2.pdf) 

[7] OPC Foundation: OPC DA 3.00 Specification (Version 3.00.1.00, 

März 2003). (http://www.opcfoundation.org/) 

[8] OPC Foundation: OPC UA 1.02 Specification (Version 1.02, 

August 2012). (http://www.opcfoundation.org/) 

[9] Biffl, S., Mordinyi, R., Moser, T.: Integriertes Engineering mit 

Automation Service Bus. atp edition – Automatisierungstechnische 

Praxis 54(12), S. 36-43, 2012 

[10] Collaborative Research Center IMPROVE (SFB 476). 

(http://www.se.rwth-aachen.de/research/sfb476/index.html) 

[11] Nagl, M.,Marquardt, W.: Collaborative and Distributed 

Chemical Engineering. From Understanding to Substantial 

Design Process Support – Results of the IMPROVE Project, 

Lecture Notes in Computer Science 4970.Springer-Verlag, 

Berlin 2008 

[12] The Khronos Group Inc.: COLLADA – Digital Asset Schema 

(Version 1.5.0, Oktober 2008). 

(http://www.khronos.org/collada/) 

[13] van der Wal, E.: PLCopen. IEEE Industrial Electronics 

Magazine 3 (4), S. 25, 2009 

[14] VDE/VDI 3681: Einordnung und Bewertung von Beschreibungsmittel 

aus der Automatisierungstechnik. Oktober 2005 

[15] Object Management Group, Inc.: Unified Modeling 

Language (UML) (Version 2.4.1, August 2011). 

(http://www.omg.org/spec/UML/2.4.1/) 

[16] Katzke, U., Vogel-Heuser, B.: Vergleich der Anwendbarkeit 

von UML und UML-PA in der anlagennahen Softwareentwicklung 

der Automatisierungstechnik. at - Automatisierungstechnik 

57 (7), S. 332–340, 2009 

[17] Witsch, D.: Modellgetriebene Entwicklung von Steuerungssoftware 

auf Basis der UML unter Berücksichtigung der 

domänenspezifischen Anforderungen des Maschinen- und 

Anlagenbaus. Sierke-Verlag, Göttingen 2013 

[18] Object Management Group, Inc.: UML Profile for MARTE: 

Modeling and Analysis of Real-Time Embedded Systems 

(Version 1.1, Juni 2011). 

(http://www.omg.org/spec/MARTE/) 

[19] Object Management Group, Inc.: Systems Modeling 

Language (SysML) (Version 1.3,Juni 2012). 

(http://www.omg.org/spec/SysML/1.3/) 

[20] Object Management Group, Inc.: Business Process Model 

and Notation (BPMN) (Version 2.0,Januar 2011). 

(http://www.omg.org/spec/BPMN/2.0/) 

[21] Witsch, M., Vogel-Heuser, B.: Modeling of Manufacturing 

Execution Systems - an Interdisciplinary Challenge. 

Proceedings 15th IEEE Int. Conf. Emerging Technologies 

and Factory Automation (ETFA), [CD]. IEEE 2010 

[22] OASIS Standard: Web Services Business Process Execution 

Language (Version 2.0, April 2007). (http://docs.oasisopen.org/wsbpel/2.0/OS/wsbpel-v2.0-OS.html) 

[23] Workflow Management Coalition: Process Definition 

Interface-- XML Process Definition Language (Version 2.1, 

August 2010). (http://www.wfmc.org/xpdl.html) 

[24] Hufnagel, J.; Frank, T.; Vogel-Heuser, B.: Framework for a 

Model-Based, Cross-Domain System Interconnection in 

Automation Technology. In: Proc. 18th IEEE Int. Conf. 

Emerging Technologies and Factory Automation (ETFA), 

[CD]. IEEE 2013 

[25] Vossen, G.: Datenbankmodelle, Datenbanksprachen und 

Datenbank-Management-Systeme, Addison-Wesley, 1994 


12 / 2013 

35

HAUPTBEITRAG 

durch Systemelemente und andererseits die Parameterdiagramme 

zur Modellierung von Gleichungssystemen, 

die besonders für die Modellierung regelungstechnischer 

Aufgaben beziehungsweise kontinuierlicher Prozesse 

interessant sind. 

Bei der Bewertung der Einsatzmöglichkeiten der Sys- 

ML im Bereich der Datenkopplung wird die Verwandtschaft 

zur UML deutlich. Die SysML unterscheidet sich 

lediglich in einem Punkt: Im Vergleich zur UML wurde 

die Möglichkeit zur Modellierung kontinuierlicher Prozesse 

integriert. Bei den erweiterten Kriterien zur Datenkopplung 

einer Systemlandschaft erweisen sich 

SysML und UML in identischem Maße als geeignet. 

Durch die Erweiterungsmechanismen der beiden Sprachen 

lassen sich diese so optimieren, dass auch zunächst 

nicht erfüllte Anforderungen berücksichtigt 

werden können. 

4.4 Business Process Model und Notation (BPMN) 

Während sich die ERM auf statische Zusammenhänge 

beschränkt, fokussiert sich die BPMN [20] auf die Darstellung 

von Abläufen und das Zusammenwirken der 

einzelnen Geschäftsprozesse innerhalb eines Unternehmens. 

Zur Modellierung stehen drei dynamische Diagrammtypen 

und fünf Elementkategorien zur Verfügung, 

die mit dem Schwerpunkt auf ihrer grafischen Repräsentation 

spezifisch auf die Modellierung von Geschäftsprozessen 

ausgerichtet sind. 

Aufbauend auf [21] können für die Bewertung der 

BPMN bezüglich der Richtlinie VDI/VDE 3681 die Kriterien 

auf die Analyse der dynamischen Darstellungen 

beschränkt werden, da Beschreibungsmittel für statische 

Zusammenhänge fehlen. Mit der Version 2.0 wurde 

die formale Spezifikation der BPMN vorangetrieben, 

jedoch weist diese noch Lücken auf und kann so nur als 

semiformal eingestuft werden. Im industriellen Einsatz 

werden diese beiden Schwachpunkte durch die Kombination 

der BPMN mit den Beschreibungen der Sprachen 

Business Process Execution Language (BPEL) [22] und 

XML Process Definition Language (XPDL) [23] behoben. 

Die Darstellung verteilter Prozesse ist möglich, eine zeitliche 

Synchronisationsmöglichkeit fehlt jedoch. 

Die eigentliche Stärke der BPMN für den Einsatz zur 

Datenkopplung liegt im Bereich der Geschäftsprozesssteuerung. 

Während ihr statische Beschreibungsmittel 

fehlen, bietet die BPMN speziell angepasste Modellierungselemente 

für die Steuerung und Koordination von 

Geschäftsprozessen. Mit der Unterstützung von Datenobjekten 

kann die Schnittstelle zur statischen Datenmodellierung 

hergestellt und die BPMN somit zur Prozesssteuerung 

in andere Modellierungssprachen integriert 

werden. 

4.5 Begründung der Auswahl der UML 

ERM ist für die Beschreibung von Datenbanken entwickelt 

worden. Der Sprache fehlen die Möglichkeiten, 

Zusammenhänge über einfache Relationen hinaus darzustellen. 

Die UML bietet umfangreiche Möglichkeiten 

zur Anpassung und Erweiterung auf den jeweiligen 

Einsatzzweck. Zur Modellierung von hardwarelastigeren 

Systemen wurde die UML zur SysML um verschiedene 

Punkte erweitert, die jedoch keine weiteren Vorteile 

für die Beschreibung von Datenkopplung mit sich 

bringen. Zur Beschreibung von Prozessen wurde die 

BPMN entwickelt. Andere für die Datenkopplung essenzielle 

Aspekte, wie die Darstellung von Datenstrukturen, 

fehlen jedoch. 

Die UML erscheint aufgrund ihrer Ausrichtung und 

der Erweiterbarkeit am besten für die Datenkopplung 

und die Datenmodellierung geeignet, muss jedoch angepasst 

werden. Die UML kann gemeinsam mit BPMN in 

einem neuen Konzept zur Beschreibung von Datenkopplungen 

in der Automatisierungstechnik verwendet werden. 

Die AutomationML kann darüber hinaus für die 

Beschreibung einer neutralen Datenstruktur genutzt 

werden. Im Folgenden wird dieses neue Konzept beschrieben. 

5. MODELLIERUNG DER DATENKOPPLUNG MIT UML 

In den vorangehenden Abschnitten wurden die Anforderungen 

identifiziert, anhand derer sich eine Modellierungssprache 

für die Datenkopplung bewerten lässt. Für 

diesen Ansatz wurden aus diesen Anforderungen konkrete 

Aufgaben formuliert, die das zu entwickelnde Konzept 

eines Daten-Backbone (DBB) erfüllen muss. Die Information, 

die für die Durchführung der Datenkopplung 

notwendig ist, wird modellbasiert und aufgabenorientiert 

in sieben Untermodelle gegliedert, siehe Bild 4 und 

Bild 5, die unterschiedliche Anforderungen erfüllen und 

mit unterschiedlichen UML-Diagrammen modelliert 

werden, vergleiche Tabelle 2. 

Den Grundbaustein der Datenkopplung bilden die auszutauschenden 

Daten. Diese Daten werden von den IT- 

Systemen nicht als einzelne Werte, sondern eingebettet 

in eine Datenstruktur mit hierarchischer Gliederung in 

Datenstrukturbezeichnung, Unterkategorien und Attributnamen 

übertragen, siehe Bild 5. Für den Austausch 

von Daten ist jedoch lediglich der Wert, der diesen Strukturierungselementen 

zugeordnet ist, von Bedeutung. Um 

diese Datenstrukturen, die von den IT-Systemen verschickt 

werden, zu verstehen und nach den eigentlichen 

Dateninhalten untersuchen zu können, muss die Struktur 

eines Systems bekannt und für die Datenkopplung 

hinterlegt sein. 

Das Datenmodell weist eine allgemeingültige und neutrale 

Datenstruktur auf und wird als Referenz oder Bezugspunkt 

für alle systemspezifischen Datenstrukturen 

verwendet. Alle Modellierungen beziehen sich somit auf 

die Kopplung der spezifischen Datenstruktur eines anzukoppelnden 

Systems mit der kanonischen Datenstruktur 

des DBB, siehe Bild 6. Durch die so entstehende sternförmige 

Kopplungsarchitektur ist es möglich, in der 

Modellierung die Anzahl der Schnittstellen pro anzuschließendem 

System auf je eine Kopplung zwischen 

36 


12 / 2013

DBB und System zu reduzieren. Für den Einsatz in einer 

Laufzeitumgebung wird die modellbasierte Information 

kombiniert und in einzelne systembezogene Schnittstellen 

gegliedert. Die Information des zentralen Datenmodells 

wird dabei für jede Schnittstelle interpretiert und 

in diese integriert. 

Für die Übertragung von einem Datenelement sind 

möglicherweise Transformationen notwendig (Bild 7). 

Diese Transformationen können beliebig komplexe Kombinationen 

von Grundoperationen umfassen. Die Grundoperationen 

können in die jeweilige Laufzeitumgebung 

überführt werden. 

Zu diesem Zweck werden Codegeneratoren eingesetzt, 

die die Modelle in die jeweilige programmspezifische 

Sprache übersetzen. Je nach Hersteller sind mehrere unterschiedliche 

Dateien nötig, um eine Systemkopplung 

vornehmen zu können, siehe Bild 4. 

Das beschriebene Konzept wird derzeit in einem Prototypen 

umgesetzt, sodass ein Datenaustausch zwischen 

einem ERP-System und einem MES möglich ist. Hierfür 

werden alle nötigen Dateien für die Laufzeitumgebung 

(EAI) ausgeleitet. 

ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 

Im Rahmen von Industrie 4.0 und der vertikalen Integration 

im Sinne des Diabolo entlang des Lebenszyklus 

zeigt das im Beitrag vorgestellte Konzept einen Ansatz, 

in einem realen Produktionswerk verteilte Daten modellbasiert 

und systemübergreifend zu koppeln und so eine 

durchgängige Datenbasis für IT-Systeme zu schaffen. 

Verschiedene Modellierungsansätze wurden auf ihre 

Eignung zur Modellierung des Datenmodells für den 

Daten-Backbone bewertet und die UML ausgewählt. Der 

entwickelte Ansatz basiert auf einer systemübergreifenden 

Datenzuordnung, bei der die Daten nicht mittels 

eines zentralen Datenspeichers, sondern durch modellbasierte 

Zuordnungen der Daten über alle IT-Systeme 

eines Unternehmens hinweg in einem Daten-Backbone 

gekoppelt werden. 

Es sind vier Pilotanwendungen in einem realen Unternehmen 

angestrebt. Die Auswertung der Umsetzungsphase 

wie auch der Kopplungsqualität wird wichtige 

Hinweise über die Anwendbarkeit dieses Ansatzes geben. 

Mit der Schaffung einer einheitlichen, unternehmensweiten 

Datenkopplung wäre ein entscheidender 

Schritt in Richtung Industrie 4.0 und der vertikalen Integration 

entlang des Lebenszyklus gelungen. Aufbauend 

auf diesem Kopplungsansatz könnten Unternehmen zukünftig 

alle Funktionen ihrer sich stets wandelnden IT- 

Systemlandschaft auf einer unternehmensweit verfügbaren 

und vollständigen Datenbasis ausführen, während 

die darunterliegende Datenkopplung im gesamten Unternehmen 

und über alle eingesetzten Systeme hinweg 

konstant bleibt. 

MANUSKRIPTEINGANG 

08.08.2013 

Im Peer-Review-Verfahren begutachtet 

AUTOREN 

Prof. Dr.-Ing. BIRGIT 

VOGEL-HEUSER (geb. 1961), 

Ordinaria des Lehrstuhls 

für Automatisierung und 

Informationssysteme an der 

Technischen Universität 

München (seit 2009), forscht 

an der Entwicklung und 

Systemevolution verteilter 

intelligenter eingebetteter Systeme in mechatronischen 

Produkten und Produktionsanlagen, 

um die Qualität der Produkte und die Effizienz 

und Durchgängigkeit im Engineering zu 

verbessern. 

Lehrstuhl für Automatisierung 

und Informationssysteme, 

Boltzmannstraße 15, 

D-85748 Garching bei München, 

Tel. +49 (0) 89 28 91 64 00, 

E-Mail: vogel-heuser@ais.mw.tum.de 

Dipl.-Ing. BAGHER FEIZ-MARZOUGHI (geb. 1958) 

studierte Nachrichtentechnik und ist seit 1989 bei 

der Siemens AG tätig. Er leitet die Abteilung I IA IT 

MES an mehreren Produktionsstandorten für die 

Division Industry Automation. Er verantwortet die 

Konzeption, Realisierung und Implementierung von 

Standard IT-Lösungen im Bereich Manufacturing 

und leitet das Programm MES for Industry Automation 

mit dem Ziel, Standardsoftware als Bestandteil 

der Digital Enterprise Platform im Bereich Product Manufacturing in 

den Siemens-Werken einzuführen, um die Basis der Industrie 4.0 zu 

bilden. Ein wesentlicher Baustein hierzu ist die Integration der funktionalen 

Unternehmenslayer PLM und MES und die Herstellung einer 

modellbasierten Interoperabilität der Systeme in diesen Layern. 

Siemens AG, 

IndustrySector, Industry Automation Division, I IA IT MES, 

Werner-von-Siemens-Straße 50, 

D-92224 Amberg, 

Tel. +49 (0) 9621 80 32 00, 

E-Mail: bagher.feiz-marzoughi@siemens.com 


12 / 2013 

37

HAUPTBEITRAG 

Modell zur Beschreibung 

cyber-physischer Systeme 

Modellierung mit Merkmalen unterstützt Industrie 4.0 

Im Rahmen der Aktivitäten zu Industrie 4.0 gewinnen cyber-physische Systeme an Bedeutung. 

In IEC TC 65 WG 16 wird ein Modell entwickelt, mit dem sich solche Systeme 

auf Basis einer merkmalsorientierten Methodik beschreiben lassen. Das Modell basiert 

auf nach IEC 61360 [2] definierten Merkmalen und wird in dem seit Herbst 2012 vorliegenden 

Dokument IEC TR 62794 [1] behandelt. Im Beitrag werden Fragen zum Anlagenentwurf 

mit cyber-physischen Systemen auf Basis von Merkmalen erörtert. Die Anwendung 

der Methodik zur Speicherung informatischer Abbilder realer Anlagen in Data 

Repositories und deren Nutzung in beliebigen anlagenrelevanten Prozessen wird erläutert, 

und das Verbinden einzelner Komponenten (Assets) zu einer Anlage auf Basis ihrer Merkmale 

betrachtet. Cyber-physische Systeme stellen dabei einen Assettyp dar. Es wird erklärt, 

wie sich durch die beschriebene Methodik die Zahl semantischer Umsetzungen in 

einem System signifikant senken lässt. 

SCHLAGWÖRTER Cyber-physische Systeme / Industrie 4.0 / Merkmale / Merkmalstypen / 

IEC TR 62794 / Digitale Fabrik / Modell / IEC 61360 / Common Data 

Dictionary 

Model for the Description of Cyber-Physical Systems – 

Modelling with Properties Supports Industry 4.0 

Cyber-Physical Systems (CPS) will play an increasingly important role in the course of 

activities relating to the recently started German Industry 4.0 initiative. In autumn 2012 

the IEC TR 62794 document [1] was released by the IEC TC65 Working Group 16 which 

shows how to describe “assets” using the property oriented methodology (Property Principle) 

in accordance with IEC 61360 [2]. A virtual plant stored in a data repository and 

containing the applied products as lists of their properties represents a real plant. The 

creation of a CPS as one asset type by specifying its semantically unique properties is 

shown. A side effect of this methodology is a significant reduction in the number of semantic 

conversions in a system. A brief overview of the international standardization 

efforts is included. 

KEYWORDS cyber-physical systems / Industry 4.0 / properties / property types / 

IEC TR 62794 / Digital Factory / IEC 61360 / Common Data Dictionary 

38 


12 / 2013

UDO DÖBRICH, Convenor IEC TC 65 WG16 Digital Factory 

ROLAND HEIDEL, Chairman IEC TC 65 

Seit mehr als einem Jahrzehnt wird der herstellerneutrale 

aufwandsarme Entwurf automatisierungstechnischer 

Anlagen diskutiert. Mehrere 

Ansätze, zum Beispiel in der Namur in den 

1980er-Jahren kamen über Anfangserfolge 

nicht hinaus. Die Gründe waren unter anderem nicht 

ausreichender Speicher und fehlende Rechenleistung, 

aber auch der unausgereifte Stand der Informatik. Er 

bestand vor allem aus Paradigmen zu ablauffähigem 

Code verbunden mit der Spezifikation von rein datenorientierten 

Schnittstellen und er verstand Daten allenfalls 

in Form von Deklarationen beziehungsweise als 

Datenbankablagen. 

Im Rahmen der Initiative Industrie 4.0 werden cyberphysische 

Systeme (CPS) diskutiert, die Realität und 

deren virtuelle datentechnische Darstellung repräsentieren. 

Der VDI/VDE GMA-Fachausschuss 7.20 Cyber 

Physical Systems befasst sich mit der Definition cyberphysischer 

Systeme in Abstimmung mit dem VDI/VDE 

GMA-Fachausschuss 7.21 Industrie 4.0. Der Fachausschuss 

7.20 zitiert in seiner Druckschrift vom April 

2013 [5] die Forschungsagenda CPS [6] wie folgt: „Cyber-Physical 

Systems (CPS) sind gekennzeichnet durch 

eine Verknüpfung von realen (physischen) Objekten 

und Prozessen mit informationsverarbeitenden (virtuellen) 

Objekten und Prozessen über offene, teilweise 

globale und jederzeit miteinander verbundene Informationsnetze“. 

Diese Sichtweise eröffnet neue Perspektiven im Hinblick 

auf Transparenz und Implementierung automatisierungstechnischer 

Anwendungen. Der Beitrag befasst 

sich mit der im Dokument IEC TR 62794 [1] aufgezeigten 

Möglichkeit, den virtuellen Teil eines CPS als Typ von 

in IEC TR 62794 Assets genannten Anlagenkomponenten 

zu erzeugen. 

Etwa seit dem Jahr 2000 geht es bei mehreren Projekten 

um die Normung von Produktdaten mit dem Ziel, elektronisch 

verarbeitbare Datenblätter zu generieren. Bei 

elektronischen Bauelementen (wie Widerstände, Kondensatoren) 

ergab sich aufgrund von Anforderungen bei 

den Bestückungsautomaten früh die Notwendigkeit für 

solche Daten, da Bestückungsautomaten mittels maschinenlesbarer 

Datenblätter mit der erforderlichen Information 

über die Eigenschaften der Bauelemente zur Bestückung 

der Leiterplatten versorgt werden. Das Ergebnis 

in IEC war die Basisnorm IEC 61360-1/2 [2] mit ihrem 

inhaltlich identischen Pendant ISO 13489-42, beide als 

Ableitung aus ISO 10303 (STEP) [15]. 

Die Entwicklung hin zu Produktdaten wurde durch 

den E-Business-Hype weiter beschleunigt. In Deutschland 

entstand eClass [3], in USA auf Basis von UNSPSC- 

Inhalten ECCMA. Schnell wurde klar, dass die damals 

auf den Einkauf ausgerichtete Produkttypenklassifikation 

die Kundenerfordernisse allein nicht abdecken 

konnte. Deshalb startete die chemische Industrie im Jahr 

2004 in ihrem Verband Namur [4] das Projekt Prolist mit 

dem Ziel, Produktdaten für das Engineering zu erzeugen. 

Das Ergebnis war die Namur-Empfehlung NE 100, 

die in der Version 3.2 vorliegt [12] und in die IEC-Normung 

eingeflossen ist (siehe Abschnitt 4). Damit ist die 

Grundlage zur Beschreibung cyber-physischer Systeme 

geschaffen. 

Um die Arbeiten zu Produktdaten besser bündeln zu 

können hat sich Prolist International e.V. zum 1. Januar 

2013 mit eClass vereinigt. Nun steht zum Beispiel in der 

eClass-Sachgruppe 27 (Elektro-, Automatisierungs- und 

Prozessleittechnik) [3] eine tragfähige Lösung zur Klassifikation 

und Beschreibung automatisierungstechnischer 

Produkte mittels Merkmalen zur Verfügung, deren 

Ergebnis die neue eClass-Version 8.0 advanced darstellt. 

Auch dieses Ergebnis ist in die internationale Normung 

eingeflossen. 

1. PRODUKTDATEN IN DATENBLÄTTERN SIND MERKMALE 

2. MODELLIERUNG EINER ANLAGE MIT CPS 

Die Frage ist, ob und wie sich mit Merkmalen der virtuelle 

Teil eines CPS als Spiegel der Realität hinreichend 


12 / 2013 

39

HAUPTBEITRAG 

genau beschreiben lässt und welche Forderungen bezüglich 

des Anlagenentwurfs damit erfüllt werden können. 

Schon länger gibt es seitens der Anwender folgende Forderungen: 

1 | Ein produktneutraler Entwurf einer Anlage soll 

möglich sein (Typ-Perspektive). 

2 | Der produktneutrale Entwurf soll später in einen 

produktspezifischen Entwurf überführt werden 

können (Instanz-Perspektive). 

3 | Die durch die Komplexität einer Anwendung 

bedingten Entwurfsaufgaben sollen so strukturiert 

werden können, dass sie datentechnisch mit 

möglichst geringem Aufwand gelöst werden und 

der Mensch einbezogen ist. 

4 | Information soll über die oft lange Lebenszeit 

einer Anlage während aller Lebensphasen 

genutzt und jederzeit abgerufen werden können. 

Im Folgenden wird erläutert, wie sich diese Forderungen 

durch die Beschreibung von cyber-physischen Systemen 

mit dem in IEC TR 62794 [1] vorgeschlagenen Verfahren 

erfüllen lassen, und wie durch die Verbindung mehrerer 

CPS ein Anlagen-CPS entsteht. Konkrete Implementierungen 

der CPS könnten dann unter anderem auf Normen 

wie IEC 61346 (Structuring Principles and Reference 

Designations), IEC 62424 (CAEX), IEC 62714 (AutomationML) 

basieren. 

2.1 Modellierung mit IEC TR 62794 und IEC 61360 

In IEC TR 62794 wird jede Komponente einer Anlage 

Asset genannt. Es wird vorausgesetzt, dass alle Komponenten, 

also auch cyber-physische Systeme, mittels 

Merkmalen, zum Beispiel nach IEC 61360 hinreichend 

beschrieben sind. Im Prinzip lassen sich maschinenverarbeitbare 

Merkmale von Komponenten 

vergleichen mit den Pixeln eines Digitalfotos – sie 

stellen Information zur Verfügung, die völlig neue 

Möglichkeiten eröffnet. 

Für die umgangssprachlich unscharfe Benennung 

Merkmal wird von den Autoren deshalb die informatisch 

korrekte Benennung Merkmalstyp benutzt, das heißt ein 

Merkmalstyp besitzt keinen konkreten Wert. Erst mit 

Zuweisung eines konkreten Wertes wird aus dem Merkmalstyp 

ein Merkmal. Für die Anlagenplanung bedeutet 

dies, dass zunächst ein produktneutraler Anlagentyp 

mittels Verbindung von Merkmalstypen aller Assets (also 

auch aller CPS) einer Anlage erzeugt wird. 

Die konkrete Anlage mit ihren konkreten Produktkomponenten 

entsteht in einem zweiten Schritt anhand von 

Datenblättern aus dem Anlagentyp durch Zuweisung 

produktspezifischer Werte an die Merkmalstypen der 

Assets beziehungsweise CPS. 

Wenn eine Anlage allgemein als System aufgefasst 

wird, lässt sich aus diesem Sachverhalt ein Systembegriff 

definieren: 

BILD 1: Schematische Darstellung der Repräsentation 

von Assets mittels Merkmalstypen. 

described 

by its 

properties 

described 

by its 

properties 

# 5013; Diameter of the Sensor Cell 

# 2004 ; Sensor Cell Material 

# 7030 ; Weight of the Sensor 

# 8544 ; Dimension of the Housing 

# 723 ; Material of the Housing 

# 1234 ; Local Operator Panel 

# 2354 ; Threshold Level and Signalling 

# 5673 ; Linearization Curve 

# 7758 ; Time Stamp Function 

# 5563 ; Self Calibration 

etc. 

# 7713 : Size of the Housing 

# 2354 ; 230 Voltage 

# 9030 ; maximum Power 

# 8344 ; Star Start 

# 7239 ; Multiswitch 

# 3456 ; Rack Assembly 

# 2354 ; Overloading Protection 

etc. 

Classification of the Properties and 

the Principle Relationships 

Construction 

Konstruktion 

e Business 

- business 

Performance 

(Mechanik, (Mechanical & Elektrik) Electrical 

Equipment) 

Ortsinformatio 

Location 

nen 

Function 

Functions 

(Software) 

(Software) 

described 

by its 

properties 

# 7713 : Size of the Housing 

# 2354 ; 230 Voltage 

# 9030 ; maximum Power 

# 7344 ; maximum rpm 

# 7239 ; maximum newton meter 

# 3456 ; 8 screw fixing 

etc. 

BILD 2: In IEC TR 62794 werden Merkmalstypen 

in fünf Basic Elements klassifiziert, die im 

Verbund Eigenschaften eines Assets oder einer 

ganzen Anlage repräsentieren (Prinzip). 

40 


12 / 2013

Ein System ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens 

ein Merkmal einer Komponente mit einem 

Merkmal einer anderen Komponente verbunden ist. 

Ein Merkmal besteht mindestens aus einer eindeutigen 

Benennung und einem Wert. 

Hinweis: Komponenten werden in IEC TR 62794 neutral 

Assets genannt 

Das Prinzip der Abbildung realer Dinge mittels Merkmalstypen 

wird Property Principle (PP) beziehungsweise 

Merkmalsprinzip [9] genannt. Ein CPS stellt dabei 

einen speziellen Assettyp dar. Dabei erscheint es zweckmäßig, 

dass die Semantik der Merkmalstypen eineindeutig 

definiert, mögliche Wertebereiche einschließlich 

dazu gehörender Formate festgelegt sind und dies in 

Normen hinterlegt ist. Wie noch gezeigt wird, werden 

damit semantische Schnittstellenprobleme in beliebigen 

Installationen weitgehend nebenbei gelöst. 

Die Normung der Merkmalstypen erfolgt zweckmäßigerweise 

über die internationalen Normungsgremien. 

Die Regeln zur Erstellung von Merkmalstypen sind in 

IEC 61360 [2] beziehungsweise ISO 13584-42 [13] enthalten. 

In [7] wird hierauf näher eingegangen. Konkrete 

Produkttypen, zum Beispiel Messumformer werden in 

der Normenreihe IEC 61387-ff [8] mittels Merkmalstyplisten 

(Templates) beschrieben. Die Kerngedanken der 

Modellierung werden nachfolgend vorgestellt. 

2.2 Mit Merkmalstypen charakterisierte Assets 

Zur Verarbeitung in Rechnern besitzt jeder Merkmalstyp 

einer Anlagenkomponente einen eindeutigen Identifier 

(ID=#xxxx) und eine bevorzugte Benennung, siehe 

Bild 1. Ein Merkmalstyp wird durch Zuweisung eines 

konkreten Werts zu einem konkreten Merkmal; Lesebeispiel: 

ID=#5013, bevorzugte Benennung=Diameter of the 

Sensor Cell, Wert=17cm. 

2.3 Klassifikation von Merkmalstypen 

Die Klassifikation von Merkmalstypen bildet einen Teil 

eines künftigen Merkmalmanagements und dient der 

thematischen und fachlichen Zuordnung der vielen tausend 

Asset-Merkmale, aber ebenso im Hinblick auf Gewerke 

und Verantwortlichkeiten von Personen. Das 

Prinzip zeigt Bild 2. In IEC TR 62794 werden Merkmalstypen 

in fünf Basic Elements klassifiziert, die spezifische 

Eigenschaften eines Assets repräsentieren. Der 

Vorteil dieser Vorgehensweise ist, dass sich jede Merkmalstypklasse 

beim Anlagenentwurf einerseits weitgehend 

getrennt behandeln lässt, andererseits die Anlage 

aber mittels Verbindung der Klassen-Merkmalstypen 

entworfen werden kann. Denn im Merkmalstypverbund 

repräsentieren die Merkmalstypen die Eigenschaften 

der ganzen Anlage. Klassifiziert werden dabei jeweils 

BILD 3: Beispiel für einen Assettyp CPS Programmable Logical 

Controller, erzeugt durch Verbindung von Basic Elements. 

Programmable Logical Controller 

P1 

Sensor Controller Actuator 

P2 P2 

P3 P3 

P4 P4 

L2 L3 L4 

L1 

C2 C2 

C3 C3 

C4 C4 

C1 

Ccom 

B2 B2 

B3 B3 

B4 B4 

B1 

F1 

d 

F2 

d 

F3 

F1 

F2 

BILD 4: Erzeugung eines Anlagenteils durch 

Verschaltung mehrerer mittels Basic Elements 

strukturierter Assettypen. Die Verbindung zwischen 

F1, F2 und F3 stellt eine Datenverbindung dar. 


12 / 2013 

41

HAUPTBEITRAG 

nur die relevanten Merkmalstypen der Assets; folgende 

Basic Elements ergeben das BCFLP-Modell: 

Business 

Construction 

Function 

Location 

Performance 

In IEC TR 62794 werden Merkmalstypen in fünf Basic 

Elements klassifiziert (siehe Bild 2), die im Verbund Eigenschaften 

eines Assets oder einer ganzen Anlage repräsentieren 

(Prinzip). 

Das Basic Element Business (B) steht stellvertretend 

für alle geschäftsrelevanten Eigenschaften der Assets. 

Hierzu gehören unter anderem Preis, Lieferzeit 

und Anzahl der in einer Liefereinheit enthaltenen 

Assets. 

Das Basic Element Construction (C) repräsentiert die 

mechanischen und konstruktiven Eigenschaften 

eines Assets. Dies können sein: Abmessungen, Gehäusebeschaffenheit 

oder Steckertyp. 

Das Basic Element Function (F) beschreibt alle funktionalen 

Aspekte eines Assets. Hierzu zählen zum 

Beispiel Anwendungsfunktionen und Eigenschaften 

im operationalen Betrieb. 

Das Basic Element Location (L) beschreibt den Ort 

eines Assets innerhalb einer Anlage. Mögliche Angaben 

sind absolute oder relative Koordinaten oder 

Wertelisten bei mobilen Assets. 

Das Basic Element Performance (P) steht stellvertretend 

für komplexere Merkmale, wie Verarbeitungsgeschwindigkeit, 

Zykluszeiten, Startzeit, aber auch 

für Schwellwerte und Energiebedarf. 

IEC TR 62794 enthält keine Vorschriften, welcher Merkmalstyp 

welchem Basic Element zugeordnet werden soll, 

und lässt damit den Anlagenplanern ihre Freiheiten. Die 

einmal getroffene Entscheidung ist dann im Normalfall 

aber während der gesamten Anlagenlaufzeit bindend. 

Da alle Assetmerkmalstypen als Basic Elements klassifiziert 

sind, stellt die Anlage in ihrer Gesamtheit ebenfalls 

ein klassifiziertes Asset beziehungsweise CPS als 

spezifischen Assettyp dar. 

2.4 Datentechnische Strukturierung mit Basic Elements 

Die in verschiedenen Normen, zum Beispiel IEC 61987- 

ff [8], enthaltenen Merkmalstyplisten erleichtern in 

Form von Templates die Erzeugung produktspezifischer 

Merkmalstypstrukturen für die jeweiligen Assettypen, 

im Fall von IEC 61987-12 für Messumformer, bei 

IEC 62693 für Niederspannungsschaltgeräte. Allerdings 

handelt es sich um eine sehr große Zahl von Merkmalstypen 

pro Asset, sodass der Überblick schnell verloren 

gehen kann. Hier hilft sehr gut die Klassifikation in 

Form der Basic Elements, ermöglicht sie doch die Konzentration 

auf das Wesentliche mit der Möglichkeit zur 

stufenweisen Verfeinerung. Zur Veranschaulichung dieses 

Sachverhalts ist in Bild 3 die prinzipielle Struktur 

des Assets Programmable Logical Controller unter Anwendung 

der Basic Elements gezeigt. Es lässt sich erkennen, 

dass dieses Asset aus einer mechanischen Komponente 

(Hardware) C1 mit einer Kommunikationshardware 

C com besteht. Auf der Hardware C1 laufen zwei 

Funktionen ab. Natürlich hat auch dieses Asset einen 

Preis B1, eine Performance P1 und einen Einbauort L1. 

Der Informationsgehalt jeder Basic-Element-Klasse 

kann durch Hinzufügen weiterer gleichartiger Elemente 

beliebig angereichert und unterstrukturiert werden, 

was zum Beispiel bei C1 mit der Unterstrukturierung 

C com schon der Fall ist. Genauso ist es möglich, durch 

Hinzufügen von F1.1 an F1 die Funktion F1 verfeinert 

darzustellen. 

Hinter Basic Element F2 verbirgt sich ein Merkmalstyp 

Function, der mit einem Merkmalstyp eines anderen Assets 

vom Typ Function verschaltet werden könnte, siehe 

hierzu Bild 4. 

2.5 Verschaltung zu einer virtuellen Installation (VI) 

Bild 4 zeigt den Entwurf einer Anlage beziehungsweise 

eines Anlagenteils im Hinblick auf den statischen wie den 

dynamischen Aspekt. Eine in einem Rechnersystem als 

Abbild einer realen Installation (RI) gespeicherte virtuelle 

Installation (VI) entsteht durch das Verbinden von 

Merkmalstypen zweier Assets (CPS) mit demselben Merkmalstyp-Identifier 

(statischer Teil). Das zeitliche Verhalten 

von Verbindungen wird in IEC TR 62794 durch folgende 

Verbindungstypen charakterisiert (dynamischer Teil): 

Permanently connected/related/located 

Temporarily connected/related/located 

Folgende Attribute können unter anderem den Verbindungen 

zugewiesen werden: 

st = starting 

d = sending data 

2.6 Speichern von VI im Digital Factory Repository 

Ein Repository mit den Assets der Anlage enthält alle 

Merkmalstypen, einschließlich ihrer die jeweilige Anlage 

charakterisierenden Verbindungen. Diese Information 

stellt die Informationsplattform für alle Prozesse einer 

Anlage innerhalb ihrer gesamten Laufzeit dar. Im Kontext 

von IEC TR 62794 repräsentiert das Repository die Digitale 

Fabrik, siehe Bild 5, und wird daher Digital Factory 

Repository (DFR) genannt. Dieses kann datentechnisch 

beliebig zentral oder dezentral organisiert sein. Grenzen, 

wie fehlender Speicherplatz und zu geringe Verarbeitungsgeschwindigkeit, 

die früher eine Realisierung eines Repository 

behinderten, sind heute nicht mehr vorhanden. 

42 


12 / 2013

BILD 5: Ein Beispiel für ein Repository mit dem 

datentechnischen Abbild eines Anlagenteils als 

Verbindung von klassifizierten Asset-Merkmalstypen. 

Verbindungen können statische und 

dynamische (d) Eigenschaften repräsentieren. 

Legacy Systems Activities 

Engineerinration 

Configu- 

Operation 

Maintenance 

Security 

Upcoming new topics 

Condition 

Power 

Handling 

Monitoring 

:: 

(Smart Grid) 

Simulation 

Direct Information Access 

digital factory repository 

d 

d 

d 

Program/ 

Software 

BILD 6: Die prozessunterstützenden Werkzeuge 

arbeiten alle auf das Digital Factory Repository (DFR). 

BILD 7: Die Zahl der semantischen Gateways 

wächst quadratisch mit der Zahl der Werkzeuge 

mit unterschiedlichem Datenmodell. 

Measuring Devices 

IEC 61987- 

Actuators 

IEC 61987- 

Signal 

adjustment 

IEC 61987- 

Low Voltage – Control and 

Switch Gear 

IEC 62683 

Drives Converters I/O PLC 

Tool 1 

Data Model 1 

Tool 3 

Data Model 3 

Flow -12 

Pressure -13 

-14 

Temperature 

-15 

Level 

Common for all 

Measuring equip. 

-16 

Density 

Control Valve -22 

Common for 

Actuators 

Signal adj. -32 

Common for 

Signal adj. 

Contactors, Starters 

Control, Switches 

Circuit Breakers 

Switches, Disconnectors 

Terminal Blocks 

IEC 61987-11 

IEC 61987-21 

IEC 61987-31 

Tool 2 

Data Model 2 

= Semantical Gateway 

Tool 4 

Data Model 4 

General Structures: Horizontal Standard for Automation Devices 

IEC 61987-10 

BILD 8: IEC arbeitet an der Spezifikation von Merkmalstyplisten 

für unterschiedliche automatisierungstechnische Produktgruppen 

(grün: verfügbar, gelb: in Arbeit, weiß: geplant). 

: 


12 / 2013 

43

HAUPTBEITRAG 

2.7 Erzeugung einer realen Installation 

Anhand der von Herstellern zur Verfügung gestellten 

konkreten Werte aus elektronisch verarbeitbaren Produktdatenblättern 

kann eine konkrete Anlage (reale 

Installation, RI) erzeugt werden. Prozessunterstützende 

Werkzeuge können auf das datentechnische Abbild 

einer Installation wahlfrei zugreifen, siehe Bild 6. Mit 

informatischen Standardfunktionen wird das koordinierte 

Verändern, Erstellen und Löschen von Information 

sichergestellt. Jedes Werkzeug kommuniziert mittels 

eines Protokolls mit dem DFR über eine Schnittstelle. 

Es sind verschiedene Protokolle möglich, soweit 

die Implementierung des DFR diese unterstützt. Das 

Repository enthält nur semantisch eineindeutige 

Merkmale. Daher reduziert sich bei der Lösung nach 

Bild 6 die Anzahl der semantischen Informationsumsetzungen, 

oft semantische Gateways genannt, auf 

Null, wenn die mit dem Repository kommunizierenden 

Systeme (zum Beispiel Werkzeugketten) die eineindeutige 

Semantik der im DFR gespeicherten Merkmale 

übernehmen. Denn damit ist die Interoperabilität 

der Werkzeuge durch das von den Merkmalstypen 

vorgegebene Datenmodell implizit gegeben. Näheres 

hierzu in [9]. 

Zum Vergleich wird die Situation bei heutigen vermaschten 

Werkzeuglösungen dargestellt, siehe Bild 7. 

Hier sind im schlechtesten Fall an jeder Schnittstelle 

wegen der unterschiedlichen Datenmodelle Bedeutungsumsetzungen, 

also zwei semantische Gateways 

erforderlich (Hin- und Rückweg). Die Anzahl N der semantischen 

Gateways n beträgt damit im schlechtesten 

Fall N = n * (n-1), wächst also annähernd quadratisch 

mit der Zahl der Werkzeuge. Folgen hingegen die Gewerke 

und deren Werkzeuge in einer Anlage den einheitlichen 

Regeln des Modells der IEC TR 62794 und den 

Beschreibungsregeln nach IEC 61360 wird es sogar erstmalig 

möglich, ohne semantische Brüche auch gewerke 

übergreifend zu planen und damit viele Planungsfehler 

bereits in frühen Phasen zu erkennen. 

3. NORMUNG VON MERKMALSTYPEN 

FÜR PRODUKTTYPEN 

Die Erarbeitung von Templates mit eineindeutigen 

Merkmalstypen ist für die verschiedenen automatisierungstechnischen 

Produkttypen in vollem Gang. Während 

IEC SC 3D für die Grundlagen zur Erstellung von 

Produktdaten, also für die Regeln zur Erstellung einzelner 

Produktmerkmalstypen zuständig ist, werden 

koordiniert reale Produkttypen mit ihren Merkmalstypen 

in IEC TC 65 [8] und seit einiger Zeit auch in 

IEC TC 17B [11] spezifiziert. Die Merkmalstyplisten 

(Produkttypen-Templates) für automatisierungstechnische 

Produkte sind demnächst online in der IEC- 

Datenbank Common Data Dictionary (CDD) verfügbar, 

bei elektronischen Bauelementen ist dies schon heute 

der Fall [10]. Das CDD wird schrittweise mit den in der 

Normung erarbeiteten Merkmalstyplisten gefüllt. Der 

in der bereits erwähnten eClass- Sachgruppe 27 für die 

Automatisierungstechnik verfügbare Inhalt der Version 

8.0 advanced ist in weiten Teilen identisch mit den 

Inhalten des IEC CDD. Bild 8 zeigt die im Fokus der 

Arbeiten stehenden Gerätetypen. Eine grüne Ampel 

signalisiert entweder schon verfügbare oder demnächst 

erscheinende Normen. Die Arbeiten beschränken 

sich in IEC bislang auf Automatisierungskomponenten. 

Auch in der International Standardisation 

Organisation (ISO) sind vereinzelte aber noch nicht 

koordinierte Projekte zur Merkmalstypspezifikation 

vorhanden. In eClass wird intensiv, ebenfalls auf Basis 

der IEC 61360, an der Spezifikation von Merkmalen 

gearbeitet, zum Beispiel für das Gesundheitswesen 

und in inhaltlicher Abstimmung mit IEC TC65 für die 

Automatisierungstechnik. 

AUTOREN 

Dipl. Inf. UDO DÖBRICH 

(geb. 1954) ist Obmann 

der Arbeitsgruppe 

IEC TC 65 WG16 

(Digital Factory). 

Dipl.-Ing. ROLAND HEIDEL 

(geb. 1952) ist Chairman 

des in der IEC für automatisierungstechnische 

System themen zuständigen 

Komitees TC 65. 

Siemens AG, 

Industry, I IA ATS SR, 

Rheinbrückenstraße 50, D-76181 Karlsruhe, 

Tel. +49 (0) 721 595 25 50, 

E-Mail: udo.doebrich@siemens.com 

Siemens AG, 

Industry, I IA ATS SR, 

Rheinbrückenstraße 50, D-76181 Karlsruhe, 

Tel. +49 (0) 721 595 46 32, 

E-Mail: roland.heidel@siemens.com 

44 


12 / 2013

ZUSAMMENFASSUNG 

Mit dem beschriebenen Ansatz werden die eingangs angeführten 

Forderungen an den Anlagenentwurf folgendermaßen 

erfüllt: 

1 | Die Einigung auf einen Satz von Merkmalstypen 

mit genormter weltweit gültiger Semantik und eineindeutigem 

Identifier für jedes Asset erlaubt einen 

produktneutralen Anlagenentwurf (Typebene). 

Dies gilt auch für den Assettyp CPS. 

2 | Durch Zuweisung von Werten an die Merkmalstypen 

auf Basis konkreter Produkte kann der produktneutrale 

Entwurf in einen produktspezifischen 

Entwurf überführt werden (Instanzebene). 

3 | Die Klassifikation der Merkmalstypen erlaubt eine 

klare Abgrenzung von Zuständigkeiten der handelnden 

Personen und die gewerkeübergreifende 

Nutzung und Verarbeitung von Information in 

den zugehörigen Werkzeugen. Der informationsorientierte 

Ansatz mittels Merkmalstypen erhöht 

in Verbindung mit deren eineindeutiger Semantik 

deutlich die Transparenz einer Installation und 

hilft so, die Komplexität der Anlage besser zu beherrschen. 

4 | Die Information über eine Anlage kann aufgrund 

der genormten Semantik der Merkmalstypen während 

allen Lebensphasen der Anlage, also über lange 

Zeit, genutzt werden. 

IEC TR 62794 beschreibt anhand von Beispielen, wie 

mit dem behandelten Modell beliebige Installationen 

beziehungsweise Anlagen geplant werden können. Dabei 

wird auf viel Bekanntes, aber bislang aufgrund fehlender 

Erfordernisse nicht Systematisiertes, zurückgegriffen. 

IEC TR62794 impliziert einen merkmalsorientierten 

Systembegriff. Mit so beschriebenen cyber-physischen 

Systemen dürften sich wesentliche Forderungen 

zur Planung, Inbetriebnahme, zum laufenden Betrieb 

und zur Wartung auf deutlich bessere Weise erfüllen 

lassen als bisher. Aufgrund der semantischen Eineindeutigkeit 

der Merkmale, verbunden mit der Speicherung 

der virtuellen Installation in einem Digital Factory 

Repository DFR, reduziert sich die Zahl der erforderlichen 

semantischen Umsetzungen zwischen einzelnen 

Instanzen deutlich: ein wesentlicher Beitrag zur Verbesserung 

der Interoperabilität und der Transparenz. 

Die vorgeschlagene Methodik zur Realisierung von 

Anlagen auf Basis von IEC TR 62794 ist im Prinzip für 

jede Installation anwendbar. 

REFERENZEN 

[1] IEC, Genf, IEC TR 62794, Industrial-process measurement, 

control and automation; Generic reference 

model for the Digital Factory and automation assets 

[2] IEC, Genf: IEC 61360 -1 to 4 - Standard data element 

types with associated classification scheme for 

electric components. 

[3] eCl@ss e.V. 2013, Klassifikation und Datenbank 

Version 8.0 / Alle Klassen und Merkmale, 

http://www.eclass.eu. 

[4] NAMUR 2013,: http://www.namur.de 

[5] VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik, 

Druckschrift Thesen und Handlungsfelder, 

“Cyber-Physical Systems: Chancen und Nutzen aus 

Sicht der Automation“; April 2013 

[6] Integrierte Forschungsagenda Cyber-Physical 

Systems, Acatech 2012; 

http://www.acatech.de/?id=1405 

[7] Springer-Verlag 2012, Informatik Spektrum, 

Daten getriebene Programmsysteme, Band 35, 2012, 

Heft 3, S.190-203, Udo Döbrich, Roland Heidel 

[8] IEC, Genf, IEC 61987-10, Industrial-process measurement 

and control - Data structures and elements in 

process equipment catalogues - Part 10: Lists of 

Properties for Industrial-Process Measurement and 

Control for Electronic Data Exchange. Fundamentals, 

Part 11, Part 12 

[9] Oldenburg Wissenschaftsverlag 2011, Automatisierungstechnik 

(AT), Merkmale als Grundlage der 

Interoperabilität technischer Systeme, Band 59 

Heft 7, S.440-450, Ulrich Epple (RWTH Aachen), 

[10] IEC CDD 2013, http://std.iec.ch/iec61360 

[11] IEC 2013; Genf, IEC 62683, Low-voltage switchgear 

and controlgear - Product data and properties for 

information exchange 

[12] NAMUR/ PROLIST International e.V. 2006, 

NE 100 V3.2 Specification of Device Properties 

[13] ISO 1998, Genf, ISO 13584-42, Industrial automation 

systems and integration -- Parts library -- Part 42: 

Description methodology: Methodology for 

structuring part families 

[14] VDI/VDE GMA-Kongress, VDI-Berichte 2209, VDI 

Verlag GmbH, Düsseldorf 2013, Automation 2013, 

ISBN 978-3-18-092209-6, Seite 321- Seite 325, 

Ein Modell zur Beschreibung Cyber-Physikalischer 

Systeme – Ein Beitrag zu Industrie 4.0 

[15] ISO 10303, Genf, Standard for the Exchange of 

Product model data (STEP) 

Dieser Artikel erschien in seiner Urfassung im Tagungsband 

zum VDI/VDE GMA-Kongress Automation 2013, 

der am 25./26.6.2013 in Baden-Baden stattfand [14]. 


30.07.2013 



12 / 2013 

45

HAUPTBEITRAG 

Nur Befehle befolgt 

CPS erfordern sichere Identitäten 

Die Ad-hoc-Kommunikation der Komponenten von cyber-physischen Systemen wirft Fragen 

der Angriffssicherheit auf. Es bedarf sicherer Identitäten und semantische Aspekte 

müssen geklärt werden, damit die Komponenten in den gleichen Begriffen für Rollen, 

Rechte und vor allem Funktionen kommunizieren. Der Beitrag beschreibt die Brisanz 

dieser Problematik und erklärt die Notwendigkeit, dass sie auch für Komponenten gelöst 

sein muss, die erst später und von Dritten hergestellt werden. 

SCHLAGWÖRTER Cyber-physische Systeme / Identitätsnachweise / Zertifikate / Trusted 

Platform Module / Ad-hoc-Kommunikation 

We were only Following Orders – 

CPS Requires Secure Identities 

The ad hoc communication of components of cyber physical systems raises various security 

issues, for example regarding potential identity theft. Machine to machine communication 

also requires globally defined semantics so that components can use the same 

concepts for functions, roles and rights. The difficulties are described as well as the importance 

of solutions for components which will be produced in future or by third parties. 

KEYWORDS plug and produce / identification / trusted platform modules / ad-hoc 

communication 

46 


12 / 2013

WALTER SPETH, Bayer Technology Services 

Massenkarambolage auf der Autobahn: Etliche 

Fahrzeuge haben spontan eine Vollbremsung 

durchgeführt. In der Analyse der Aufzeichnungen 

von digitalen Systemen, die in 

den Fahrzeugen zur Verbesserung der Sicherheit 

verbaut waren, zeigt sich, dass jeweils ordnungsgemäß 

ein Kommando abgearbeitet wurde. Dieses 

spezielle Kommando ist vorgesehen, vom Navigationssystem 

nach Auswertung des Traffic Message Channels 

ausgegeben zu werden, um das Auffahren auf ein Stauende 

zu verhindern. Nur, dass diesmal gar keine Staunachricht 

eingegangen war. Das Kommando wurde vermutlich 

von einer Schadsoftware aus einem überholenden 

Fahrzeug ausgesandt und diese benutzte Car-to-Car- 

Kommunikation, um ihre Opfer zu befallen. 

Ein konstruiertes Horrorszenario, mit heutiger Technik 

angesichts der Kommunikationswege in den Fahrzeugen 

nicht denkbar, jedoch geeignet, die Gefahren 

aufzuzeigen, die ein Verbund technischer Komponenten 

mit mechanischen und elektronischen Teilen birgt, die 

über eine Infrastruktur kommunizieren, wenn Schadsoftware 

über diese Infrastruktur angreift. Im Umfeld 

Industrie 4.0 wird solch ein Verbund als cyber-physisches 

System (CPS) bezeichnet. 

Neben dem intelligenten Produkt sind solche ad hoc 

miteinander kommunizierenden Komponenten in der 

– nach Dampfkraft/Wasserkraft, Elektrifizierung/Massenfertigung 

und der Digitalisierung/Automatisierung 

– vierten industriellen Revolution eine tragende Strategie, 

um die wandlungsfähige, kundenintegrierende und 

oft konsumentennahe Smart Factory zu realisieren. 

Nicht zuletzt ist es aufgrund der Komplexität der zu erwartenden 

Strukturen und Kommunikationsbeziehungen 

zwischen den teilweise autonom agierenden technischen 

Systemkomponenten ratsam, die Sicherheitsaspekte 

frühzeitig in die Lösungen hinein zu konstruieren. 

Die folgenden Betrachtungen zeigen den Bedarf an technischer 

Absicherung und semantischer Vereinbarung in 

der Sicherheit von Ad-hoc-Kommunikation auf, ebenso 

Technologien, die hierfür einsetzbar sind und die Erfordernisse, 

diese zu adaptieren. Damit ist noch kein Lösungskonzept 

aufgezeigt. Der Beitrag weist aber auf nutzbare 

existierende Konzepte und Technologien hin, die 

eingearbeitet werden können, um die funktionale Ausgestaltung 

von Ad-hoc-CPS-Kommunikation gegen Angriffe 

abzusichern. 

1. SICHERHEIT 4.0 

Einige der möglichen Angriffe auf CPS werden in [7] mit 

Fokus auf Embedded-Systeme beschrieben und dort werden 

konkrete Integritätsschutzmaßnahmen im Hinblick 

auf Industrie 4.0 aufgezeigt. Die Standards hinken wieder 

mal hinterher: Wie die Zeitschrift für Informations- 

Sicherheit kes [1] berichtet, besteht Bedarf, die Risiken 

zu erkennen, die sich durch die neu entstehenden Angriffsvektoren 

ergeben und die notwendigen Sicherheitsstandards 

erst noch zu schaffen. Die Umsetzungsempfehlungen 

für das Zukunftsprojekt Industrie 4.0 [2] bezeichnen 

Sicherheit als erfolgskritischen Faktor für Industrie 

4.0, denn produktionstechnische Anlagen 

müssen betriebssicher sein, was bedeutet, dass von ihnen 

keine Gefährdung für Menschen, andere Anlagen oder 

die Umwelt ausgehen darf, und sie sollten angriffssicher 

sein, denn die Bedrohungen nehmen zu und erreichen 

teils nationales Interesse [8]. Dort wird betont, dass noch 

nicht vollständig gelöste Sicherheitsfragen aus Industrie 

3.0 fortbestehen. In CPS-basierten Produktionssystemen 

kommen neue Sicherheitsanforderungen hinzu und eine 

nachträgliche Anreicherung der Systeme um Security- 

Funktionen reicht nicht aus. Alle Aspekte der Sicherheit 

müssen von Anfang an einbezogen werden. 

Die spezifische Herausforderung in der Ad-hoc-Kommunikation 

besteht im Ansatz in der Vorstellung, dass 

die Komponenten die Kommunikation selbständig aufnehmen, 

ohne zuvor von einem Administrator in die 

Infrastruktur aufgenommen worden und ab dann der 

hierfür geltenden Sicherheits-Policy unterworfen zu 

sein. Es wird oft unterstellt, dass diese Komponenten 

nomadisieren (was Lokation und Besitz betrifft) und sich 

dabei wechselnden Infrastrukturen unterwerfen. 


12 / 2013 

47

HAUPTBEITRAG 

Damit sind die wesentlichen Sicherheitsanforderungen 

bezüglich ihrer Identitätsnachweise: Unterscheidbarkeit, 

Wiedererkennung, Fälschungssicherheit und 

Integrität (Bindung an die Funktion) bei einem semantisch 

scharfen gemeinsamen Verständnis über die 

Funktion, ihrer Parameter und der erforderlichen und 

zugestandenen Berechtigungen. Abgebildet auf Beispiele 

aus der industriellen Produktion bedeutet das, dass 

sich die Schranke nur und immer wieder für den richtigen 

Kesselwagen öffnet, dass die Waage das ermittelte 

Gewicht an den Lkw – und nur an diesen – überträgt, 

dass der Gabelstapler die richtigen Paletten an der Verpackungslinie 

abholt und der Roboter nur die bestellten 

Bauteile auf das Endprodukt montiert. In funktionaler 

Betrachtung werden diese Themen traditionell mit 

Sorgfalt behandelt. In diesem Beitrag gilt das Augenmerk 

der Manipulationssicherheit. Nicht nur die referenzierten 

Publikationen lassen erkennen, dass die 

Erfüllung der Sicherheitsanforderungen für Industrie 

4.0 wesentlicher Erfolgsfaktor sein wird. Erfreulicherweise 

werden bereits unternehmensübergreifend in der 

Gremienarbeit Anstrengungen unternommen, Strategien 

und Lösungen zu erarbeiten. 

Die folgenden Überlegungen richten sich auch an Planer 

und Betreiber, denn Sicherheit lebt vom Verständnis 

der Zusammenhänge, das gleichermaßen in Kaufentscheidungen, 

Lösungskonzepte und Architekturfragen 

einfließen muss. Es gilt zu verhindern, dass sich die 

Schranke für falsche Kesselwagen öffnet, der Lkw der 

Waage ein falsches Leergewicht mitteilt, der Gabelstapler 

zu viele Erzeugnisse übergibt und der Roboter nichtbestellte 

Komponenten montiert – Aktionen, die Wirkung 

von Schadprogrammen sein können, wo Sicherheitsmängel 

Angriffsflächen bieten. Es muss sichergestellt 

sein, dass eine Komponente weiß, mit wem sie 

kommuniziert, dass also ihre Kommunikationspartner 

unterscheidbar, wiedererkennbar, verifizierbar und in 

der übermittelten Information und den Kommandos 

kompatibel sind. 

2. SAG MIR, WER DU BIST 

Natürlich soll eine Komponente innerhalb eines CPS nur 

auf ordnungsgemäße Kommandos reagieren, und ordnungsgemäß 

bezieht sich auf die Korrektheit und auf 

den Absender des Kommandos. Bevor die Zuständigen 

sich über Authentifizierung Gedanken machen, muss 

eine Betrachtung von Identitäten angestrengt werden, 

denn Authentifizierung ist nichts anderes als die Verifikation, 

dass eine behauptete Identität auch die faktische 

ist. Dabei sind in heutigen digitalen Systemen vielfältige 

Arten von Identitätsnachweisen üblich, sowohl 

für Anwender (Benutzerkonten im Sinne von Aliasse 

oder SID), als auch für Systeme (IP-Adressen, MAC- 

Adressen, SSID von WLAN). Es ist offensichtlich, dass 

Identitätsnachweise oft dazu dienen, einen Kommunikationspartner 

zu erklären und eben nicht nur, den Eigentümer 

von Objekten wie etwa Dateien auszuweisen. 

Aber in der Kommunikation geht es letztlich ebenso um 

den kontrollierten Zugang zu teils entfernten Objekten 

und die Ausführung von Funktionen. 

Für Industrie 4.0 wird es wesentlich sein, Verfahren 

zur Erzeugung und zum Diebstahlschutz solcher Identitätsnachweise 

zu implementieren. Erfunden werden 

müssen sie nicht: Die Technik ist verfügbar. Es ist nur 

der Besonderheit Rechnung zu tragen, dass der Besitz 

der Komponenten wechselt und daher die Komponente 

selbst für ihre Eigensicherheit verantwortlich ist und 

deshalb über ihre Schlüssel wachen muss. Technisch 

gibt es hier mehrere Ansätze und Integratoren wie Betreiber 

von CPS müssen vor dem Hintergrund denkbarer 

Angriffe ein Konzept zur Network Access Control (NAC) 

wählen, das die Identität des Kommunikationspartners 

hinreichend absichert, bevor dieser autorisiert und ihm 

Zugriff auf die Ressourcen gewährt wird. NAC-Systeme 

werden von diversen Unternehmen vermarktet, aber im 

Hinblick auf Identitätsschutz besteht für die Ad-hoc- 

Vernetzung Bedarf an ergänzenden Technologien. Ein 

vielversprechendes Beispiel – aber noch im Forschungsstadium 

– sind Physical Unclonable Functions (PUF), 

oder das von Microsoft dominierte Network Access Protection 

(NAP) und Trusted Network Connect (TNC) von 

der Trusting Computing Group. Die Technik, die unter 

der Bezeichnung Trusted Platform Module (TPM) kursiert, 

wird von verschiedenen Herstellern mit Produkten 

hinterlegt und scheint den Anforderungen eines CPS am 

ehesten gerecht zu werden. 

3. TRUSTED PLATFORM MODULES 

Angreifer dürfen nicht in der Lage sein, den geheimen 

Schlüssel, auf dem die Sicherheit des Identitätsnachweises 

einer CPS-Komponente basiert, zu extrahieren oder 

den Identitätsnachweis oder den Programm-Code zu 

ändern. Deswegen wird der Code fest eingebrannt und 

der geheime Schlüssel wird in der Hardware erzeugt und 

nie übertragen: Das leistet beispielsweise ein CodeMeter 

[7], der als Software-Kopierschutzstecker (Dongle) einen 

fälschungssicheren Identitätsnachweis enthält, mit Zusatzssoftware 

zum Smartcard-Token wird und in einer 

einlötbaren Bauform erhältlich ist. Diese Eigenschaften 

hat er mit den TPM gemeinsam. Ein TPM ist ein Chip, 

der sich in der Elektronik einer CPS-Komponente verbauen 

lässt. Der Chip verhält sich in einigen Punkten 

wie eine fest eingebaute Smartcard, das Kryptoverfahren 

ist RSA und die Schlüssellänge 2048 Bits. Das ist nach 

heutigen Maßstäben sicher gegen Fälschungen. Auf dieser 

Basis lassen sich Verfahren für Remote Attestation 

implementieren, die es autorisierten Stellen erlauben, 

Änderungen in der Hardware und der Software der CPS- 

Komponenten zu erkennen, insbesondere solche, die 

darauf angelegt sind, Schutzmaßnahmen zu umgehen. 

Es gibt bereits Konzepte, um Identitätsnachweise in 

der Form von Certified Migratable Keys von einem TPM 

auf ein anderes TPM zu transferieren. Die Sicherheit 

wird dadurch aufrecht erhalten, dass das Zielsystem 

oder aber eine Migration Authority im TPM von Anfang 

an festgelegt war und nicht änderbar ist. 

48 


12 / 2013

4. PSEUDONYME REICHEN NICHT 

Die Identifizierung erfolgt ad hoc nicht notwendigerweise 

gegen ein Verzeichnis, das im Rahmen eines Identity- 

Managements von Administratoren aufgebaut wurde. 

Die Identitätsnachweise dienen also zunächst nur der 

Wiedererkennung und haben die Qualität von Pseudonymen 

wie wir sie im Web-Kontext etwa von dem Cookie-Mechanismus 

kennen. Fälschungssichere Identitätsnachweise 

schützen eine Komponente vor einem Austausch 

des Komunikationspartners durch einen Identitätsdieb. 

Dies verhindert damit auch viele Varianten 

(nicht zum Beispiel eine Wiedereinspielung) des Janus- 

Angriffes (man in the middle attack), aber es sind weitere 

Strukturen erforderlich, um die Rechtmäßigkeit 

eines Kommandos abzusichern. Denn dass eine Folge 

von Befehlen immer von der derselben Quelle kommt 

und keine Fremdkomponente mit gestohlenem Identitätsnachweis 

unlautere Ziele in der Aussendung ihrer 

Befehle verfolgen kann, hält das Sicherheitsniveau nach 

der ersten Kontaktaufnahme aufrecht und behandelt die 

Identitätsnachweise eben als Pseudonyme: Sie verweisen 

immer auf dasselbe, aber es muss ja irgendwann 

geklärt werden, welche konkrete Komponente zugelassen 

wird. 

Bevor CPS-Komponenten erstmals miteinander kommunizieren, 

müssen Sie voneinander wissen. Dazu muss 

ein Kommunikationspartner den anderen entdecken. 

Dieser übt dann die Funktion eines Access-Point für sich 

und gegebenenfalls nachgeschaltete Komponenten aus. 

Solche Discovery-Mechanismen kennen wir von WLAN- 

Clients oder von SOA-Clients, die über UDDI eine Auswahl 

an Service Providern ermitteln können, aber auch 

von UPnP im Home-Entertainment-Bereich. 

Als nächstes baut der Client die bilaterale Kommunikation 

auf. Das Bus-Paradigma und Broadcast-Aktivitäten 

sind hier ungeeignet. Der Access-Point stellt sich 

transparent dar. Dem oft in der gleichen Komponente 

eingebauten Server obliegt das Access-Management auf 

vorhandene Ressourcen beziehungsweise Services, jedenfalls 

insofern der Zugriff client-agnostisch oder offen 

ist. Andernfalls ist eine Paarung erforderlich, wie 

wir sie von WPS (Wi-Fi Protected Setup) oder Bluetooth 

kennen. Bei der Push Button Configuration (PBC) von 

WPS können Geräte dem Netzwerk während einer zweiminütigen 

Phase beitreten, was die Paarung vereinfacht, 

allerdings weitergehenden Sicherheitsüberlegungen 

nicht standhält. Alternativ ist nach dem Knopfdruck 

die Übertragung eines Geheimnisses erforderlich, 

wie wir es von der Paarung von Bluetooth-Geräten 

kennen. Dazu kann ein Kommunikationspartner eine 

Information generieren (Display), die ein Administrator 

dem anderen Kommunikationspartner mitteilt (Input), 

ohne dass das Geheimnis über den Kommunikationskanal 

transportiert wird – erforderlich ist der Umweg 

über eine vertrauenswürdige dritte Instanz: den Besitzer 

beziehungsweise den Bediener. Ihm obliegt die Verantwortung, 

über die Rechtmäßigkeit der Verbindung 

zu entscheiden. Das mag oft hinreichend sein, erzielt 

aber nicht die Qualität in Punkto Flexibilität der Adhoc-Kommunikation, 

wie sie für CPS postuliert wird. 

Im übrigen ist dieses Vorgehen nur dann geeignet, wenn 

die zu koppelnden Komponenten zumindest temporär 

denselben Besitzer haben und sich beide physisch in 

dessen Reichweite befinden. Mit Besitz ist nicht notwendig 

die Eigentümerschaft gemeint, sondern die Verfügungsgewalt, 

die in der Kopplung der Komponenten 

ausgeübt wird. Nach heutigem Expertenverständnis ist 

eine Zero-Touch-Konfiguration – also eine solche, die 

ohne Bediener-Aktion rein auf der Kommunikation basieren 

würde – nicht denkbar, ohne die Sicherheit zu 

kompromittieren. 

5. BERECHTIGUNGSERFORDERNISSE AD HOC 

Auch wenn eine Signaturprüfung des Clients durch den 

Server und umgekehrt (mutual) stattfindet, beschränkt 

sich Identifizieren auf Wiedererkennen und die Attributierung 

der Funktionsanforderung. Authentifizierung ist 

die Überprüfung, dass die Identität ursprünglich ist und 

nicht gefälscht oder gestohlen. Aus dem täglichen Leben 

wissen wir, dass Identitätsnachweise – die beiden gebräuchlichsten 

sind der Personalausweis und der Führerschein 

– durch Sicherheitsmerkmale vor Fälschbarkeit 

gesichert werden, da sonst leicht Handlungen im 

Namen einer gestohlenen Identität und zu deren Schaden 

durchgeführt werden können. Wir authentisieren 

uns durch einen oder mehrere Faktoren: durch ein Besitztum 

(einen Schlüssel), eine immanente Eigenschaft 

(Biometrie) oder durch ein Wissen (Parole, Kennwort). 

In der Maschine-Maschine-Kommuniation eines CPS 

sind die Schlüssel das geeignete Mittel, weil sich digitale 

Nachrichten mit heute verfügbaren Verfahren verund 

entschlüsseln lassen und asymmetrische Kryptoverfahren 

zum Einsatz kommen, wo ein Schlüsselaustausch 

über den Kommunikationsweg als Schwachstelle 

erkannt wurde. Eine Anzahl Ausstellerzertifikate 

sind der Komponente bei der Herstellung (fälschungssicher) 

eingebrannt worden – genauer: dem TPM; ähnlich 

wie ein Web-Browser bei der Installation bereits 

über die Zertifikate der wichtigen Stammzertifizierungsstellen 

verfügt, um beim Aufbau von SSL-Verbindungen 

die Zertifikatskette zu schließen. Der Zugriff auf 

Zertifikatsrückruflisten ist kaum praktikabel; das ist die 

Archillesverse des Verfahrens. Bei gewissen CPS-Szenarien 

ist es aber denkbar, dass eine dienstleistende 

Komponente über das RADIUS-Protokoll [9] einen Authentifizierungs-Server 

anspricht, der mittels eigener 

Konfigurationsdateien, eigener Konfigurationsdatenbanken 

oder durch Anfragen an weitere Datenbanken oder 

Verzeichnisdienste (etwa Active Directory) über die 

Akzeptanz des Kommunikationspartners und seiner 

Berechtigungen Auskunft erteilt. 

Kommt es zur Autorisierung, wäre ein Verzeichnis von 

Rollen und Rechten eine zentrale Funktion, die dem 

Ansatz der Ad-hoc-Vernetzung von CPS nicht angemessen 

ist, zumal verschiedene Hersteller verschiedene 

Baureihen zu unterschiedlichen Zeiten fertigen werden. 

Ersatzweise müssen die möglichen Rechte durch Nor- 


12 / 2013 

49

HAUPTBEITRAG 

mung in ihrer Semantik vereinbart sein, während sich 

das Ausmaß an entgegen zu bringendem Vertrauen für 

eine ordnungsgemäße Funktionsausführung in der Rolle 

manifestiert, die sich zum Beispiel aus einem Attribut 

im Zertifikatssubjekt ableiten lässt. Dementsprechend 

müssen Trustcenter, die die Zertifkate für die TPM ausstellen, 

für Industrie 4.0 ihre Produktpalette erweitern. 

Heute können sie der Anforderung meist nur mit der 

Einstufung über Zertifikatsklassen begegnen, was nicht 

die erforderliche Flexibilität birgt; jeder Klasse ist eine 

Policy zugeordnet. Aber auch hier ist zunächst die Normung 

erforderlich, um die Semantik zu definieren. Diese 

Thematik veranschaulicht Tabelle 1. 

Es ist offensichtlich, dass es eines Vergabe- und Normierungsgremiums 

bedarf, um eine Notation für die 

Funktionen und die Rechte und Rollen durchzusetzen 

und entsprechende Codes (ID) zu vergeben. Die Notation 

kann Abstract Syntax Notation One (ASN.1) sein, das in 

der Kommunikation über LDAP, SNMP oder GSM sehr 

verbreitet ist. Eine technische Bearbeitung ist damit 

leicht möglich: sprachen-neutral, syntaktisch eindeutig 

und für die Maschine-Maschine-Kommunikation ohne 

Erfordernis einer Bediener-Interpretation geeignet. Das 

Internet hat die Notwendigkeit, die Vielzahl von Nummern 

und Namen und deren Zuordnung und Bedeutung 

zu koordinieren, bereits in seinen Anfängen erkannt. Mit 

der Internet Assigned Numbers Authority (IANA) entstand 

eine der ältesten Institutionen im Internet, die für 

Zuordnung von Nummern und Namen im Internet zuständig 

ist. Etwas Vergleichbares ist für CPS erforderlich. 

6. ACHILLES UND DIE SCHILDKRÖTE 

Das klassische Paradoxon bewirkt Erstaunen und Verwirrung, 

weil der Zeitfaktor unberücksichtigt bleibt. 

Ebenso steht die Zeitfrage an, wenn die oben genannten 

Schritte im Kommunikationsaufbau abgearbeitet sind 

und eine Kommunikationssitzung besteht: Wie hält der 

angesprochene Dienst den Vertrauensstatus des Anfragers 

aufrecht? Eine drahtlose Verbindung kann einer 

Unterbrechung unterliegen und Komponenten, die einen 

Vertrauensstatus genießen, sollten ihn nicht notgedrungen 

bei jeder späteren Zusammenarbeit neu erwerben 

müssen, was zeitlichen Aufwand erfordern würde. Technisch 

gesehen braucht eine Komponente ein Gedächtnis 

(Memory), um sich ihre Kommunikationspartner und 

deren Vertrauensstatus zu merken. Das Gedächtnis muss 

sicher gegen Manipulation und hinreichend groß sein, 

um eine sinnvolle Anzahl von Identitätsnachweisen zu 

enthalten. Darüber hinaus braucht es einen Algorithmus, 

wie im Falle eines vollgelaufenen Speichers zu verfahren 

ist – etwa: keinen weiteren Kommunikationspartner akzeptieren 

oder: den ältesten verwerfen. 

7. ES MUSS NICHT IMMER ETHERNET SEIN 

Mobile drahtlose Kommunikationstechnik, die bei CPS 

in der Regel unterstellt wird, hat viele Formen. Die neben 

dem WLAN nach dem Standard der IEEE-802.11- 

Familie verbreitetste ist der Mobilfunk mit den Protokollen 

GSM, UMTS oder LTE, in dem die Erreichbarkeit 

durch Roamingverfahren weltweit gegeben ist. Die Identität 

wird hier an der SIM-Karte festgemacht, dem “Tresor 

unserer Identität“ wie sie in [4] bezeichnet wird. 

Während die Mobilfunkübertragung für CPS geeignet 

ist, muss auch hier für die Authentifizierung eine Zusatztechnik 

im Sinne eines TPM zum Einsatz kommen, 

schon deswegen, weil SIM-Karten aus CPS-Komponenten 

entfernt und physisch in andere übertragen werden 

können. Dabei darf nicht die Identität transferiert werden 

können. Nicht zuletzt wäre im Falle eines bekannt 

gewordenen Sicherheitseinbruchs in die SIM-Karte deren 

Sperrung beim Mobilfunkbetreiber und der Austausch 

von SIM-Karten durch den Besitzer oder CPS- 

Bediener logistisch und organisatorisch kaum zu bewältigen. 

Dass solche Sicherheitseinbrüche möglich sind, 

berichtet [4]. Danach können SIM-Karten von beliebig 

entfernten Orten geklont werden. Immerhin bietet der 

Mobilfunk das technische Potenzial, CPS mit weltumspannenden 

Dimensionen zu bauen. 

8. PATENSCHAFT BLUETOOTH 

Von den Bluetooth-Konzepten lässt sich eine Menge lernen 

und übernehmen, allen voran die vier Betriebsmodi, 

was nicht heißt, dass die Ad-hoc-Kommunikation von 

CPS Bluetooth nutzen muss. Die Betriebsmodi sind in 

Tabelle 2 nachzulesen. Auch wenn die technischen Beschränkungen 

ihren Ursprung in technischer Effizienz 

haben, erhöhen sie das Sicherheitsniveau der Kommunikation. 

Die Komponenten befinden sich in einer Nachbarschaft, 

dem Piconet. Entfernte Kommunikationspartner 

können nicht zugelassen werden, nahe Kommunikationspartner 

sind in der Anzahl limitiert, ein Gerät, das 

seine Funktion einstellt, stellt die Kommunikation ein 

oder reduziert sie und damit die Angriffsfläche für 

Schadkomponenten auf kurze Intervalle. 

Obwohl Geräte ohne Eingabemöglichkeit (Headsets, 

Mäuse) meist mit der PIN 0000 in jedes Piconet aufgenommen 

werden – aus Sicherheitsbetrachtung unzulänglich, 

verfügt Bluetooth über mehr Sicherheitsmechanismen als 

WLAN nach IEEE 802.11b. So ist der Hauptschlüssel fest 

in der Hardware des Gerätes hinterlegt oder das Gerät verfügt 

über Eingabemöglichkeiten. Dieser Passkey wird nie 

über die Kommunikationsstrecke übertragen. Er wird 

dazu genutzt, einen Initialisierungsschlüssel zu erzeugen 

mit dem der Unit Key für die Sitzung erstellt wird, der 

nach Abbau der Sitzung wieder verworfen wird. Bei diesem 

handelt es sich um die Information, die zur Wiedererkennung 

des Kommunikationspartners gespeichert werden 

muss. Teilnehmer im Piconet ignorieren Nachrichten, 

die nicht über den richtigen Zugriffscode verfügen, der 

eine flexiblere Identifikation als eine reine Geräteadresse 

ermöglicht und außerdem eine Kennung des Piconets enthält, 

bei dem der Sender als Mitglied registriert ist. 

Neben den Konzepten lässt sich auch aus den Angriffen 

auf Implementierungsschwächen ein reichhaltiger 

50 


12 / 2013

Erfahrungsschatz ableiten. Bezeichnungen für solche 

Methoden sind unter anderem BlueJacking (das Senden 

unangeforderter Nachrichten, in Guerilla-Marketing- 

Kampagnen genutzt, normalerweise harmlos, kann aber 

für eine Fehlfunktion des Gerätes gehalten werden), 

BlueSnarfing (Zugang auf Kalender, Adressbuch, E-Mails 

und Textmitteilungen), BlueStumbling (Gerät lokalisieren 

und Nutzer auf der Grundlage ihrer Bluetooth-Geräte-Adressen 

identifizieren). 

9. KOMPOSITION À LA CARTE 

Wenn sich Komponenten zu einem CPS zusammenschließen, 

stellt sich die Frage, wie sich der Verbund in 

der Kommunikation nach außen verhält. Sofern er nach 

Extern kommuniziert, kann er sich offenbar wie eine 

einzige Komponente geben, die aus Subkomponenten 

besteht, was für den Kommunikationspartner möglicherweise 

transparent ist. Daraus ergeben sich neue Fragen 

zur Sicherheit. Angenommen, eine Subkomponente übt 

die Sprecherfunktion für den Verbund nach Extern aus, 

in dem sie einen Proxy (Stellvertreter für den Verbund) 

darstellt, der die Funktionen der Subkomponenten aggregiert. 

Da das Kompositionsverhalten kaskadierbar ist 

(ein CPS verhält sich nach Extern wie eine einzige Komponente, 

was im Verbund mit weiteren Komponenten zu 

einem komplexeren CPS führt), ist es angemessen, von 

Stufen als Detaillierungsgrad zu sprechen. Eine physische 

Komponente ist dann zum Beipiel ein CPS der Stufe 

0, der Verbund, den sie eingeht, ein CPS der Stufe 1, 

der Verbund dieses mit weiteren Komponenten oder 

Verbunden ein CPS der Stufe 2 und so weiter. 

Ein Proxy kann keine neue Identität darstellen, denn 

die darf nicht von der Komponente oder der Komposition 

dynamisch erzeugt werden. Das würde sonst einen Ansatz 

für Manipulation bieten. Identitätsnachweise müssen 

fest eingebrannt sein. Ebenso ist die Menge der Rollen und 

Funktionen des Proxy fest. Ein Proxy kann über seine 

Stellvertreter-Funktion hinaus auch eine gewöhnliche 

funktionale Komponente sein, und manchmal mangelt es 

einem vereinsamten Proxy an weiteren Subkomponenten 

und deren Funktionen. Die Vereinsamung ist einer von 

vielen denkbaren Betriebszuständen der Komposition, die 

der Proxy repräsentiert. Die nach außen deklarierten 

Funktionen lassen sich dann nicht ausführen. Eine Beschränkung 

des funktionalen Umfangs ist nicht sicherheitsrelevant, 

eine Erweiterung hingegen schon. 

Der Betriebszustand, das heißt die Betriebsfähigkeit 

eines CPS, ist eine Zustandsgröße, die von außen abfragbar 

sein muss. Die Frage ist, ob ein Proxy nur für Komponententypen 

agieren darf, deren funktionaler Umfang 

Roles 

Rights 

(Functions) 

1.1 

1.2 

1.3 

1.4 

1.5 

1.6 

2.1.1 

2.1.2 

2.2 

2.1.2.1 

2.1.2.2.1 

2.1.2.2.2 

2.3 

2.4 

Paired by human (pw entry both sides) 

Friends & family (pre installed certs) 

Trusted third party (manfacturer) 

Verified identity (email verified) 

Unverified identity (pseudonym) 

Anonymous (identity agnostic) 

List functions 

Execute function 

Administer Component 

File transfer 

Question Identity 

Question Location 

Allocate Interface 

Move/turn… 

TABELLE 1: 

Beispiele für festzulegende 

Rollen, Rechte und Funktionen. 

Eine vollständige Auflistung 

würde nahezu endlos werden. 

Active Mode 

Hold Mode 

Sniff Mode 

Park Mode 

maximal 7 Slaves sind gleichzeitig aktiv 

(Daten senden und empfangen) 

bis zu 250 Slaves können ohne Aktivität Teilnehmer 

im Netz sein 

für ein zwischen Master und Slave vereinbartes 

Invervall lauscht der Slave, ob er eine Meldung erhält, 

die ihn zu aktiver Kommunikation auffordert 

im Zustand geringsten Stromverbrauchs kann der 

Slave von einem Programm oder einem Master 

geweckt werden. 

TABELLE 2: 

Betriebsmodi von 

Bluetooth-Geräten. 

Ähnlich könnten die Modi 

von CPS-Komponenten 

hinsichtlich der 

Kommunikation aussehen. 


12 / 2013 

51

HAUPTBEITRAG 

bei seiner eigenen Erstellung/Programmierung bereits 

vorgesehen war und ob es mehr als eine Proxykomponente 

im Verbund geben darf. Beide Eigenschaften bieten 

Angriffsmöglichkeiten für Manipulation des Gesamtverhaltens, 

mindestens im Sinne von Trojanern, 

und sollten konzeptionell ausgegrenzt werden. 

Was aber, wenn eine CPS-Komponente von Schadsoftware 

angegriffen wurde? Nach einem Konzept der 

Fraunhofer SIT [3] für mobile Geräte und dynamische 

Netze (Mobile Ad hoc Network, MANET) entscheiden 

die anderen Komponenten über die Vertrauenswürdigkeit 

und sind in der Lage, die befallene Komponente 

von der weiteren Kommunikation auszuschließen. Alternativ 

wäre eine menschliche Interaktion erforderlich, 

die aber nicht den Kommunikationskanal nutzen 

darf. Dieser ist ja potenziell unter der Kontrolle des 

Schadprogramms. 

REFERENZEN 

[1] Humpert-Vrielink, F.: Neue Herausforderungen für 

CISOs. 2013(3), Seite 56, 2013 

[2] Promotorengruppe Kommunikation der Forschungsunion 

Wirtschaft – Wissenschaft: Umsetzungsempfehlungen 

für das Zukunftsprojekt Industrie 4.0: Abschluss bericht 

des Arbeitskreises Industrie 4.0, April 2013, online: 

http://www.plattform-i40.de/sites/default/files/ 

Abschlussbericht_Industrie4%200_barrierefrei.pdf 

[3] Rein, A.: TrustMANET - Development and Evaluation 

of a Trusted Mobile Ad-hoc Network, Technischen 

Hochschule Mittelhessen, Fraunhofer-Institut für 

Sichere Informationstechnologie (SIT), März 2012, 

http://sit.sit.fraunhofer.de/smv/publications/ 

download/ArThesisFinal12.pdf 

[4] Biermann, K.: Millionen SIM-Karten sind nicht sicher. 

Zeit Online 21.07.2013, http://www.zeit.de/digital/ 

mobil/2013-07/sim-karte-hack-nohl 

[5] Kunschert, S.: Unser Beitrag zur Sicherheitsbetrachtung 

bei Industrie 4.0, Sicherheit im Sinne von Security 

als erfolgskritischer Faktor. CONNECTED 2013(1) 

S. 6-BIS 

[6] Streib, J.: Industrie 4.0 erfordert sichere Identität. 

Markt und Technik 2013(28), S. 28-BIS, v. 12.7.2013 

[7] Winzenried, O.: Integritätsschutz für Embedded-Systeme. 

Elektronik industrial 2012(November), S. 28-BIS. 

http://www.elektroniknet.de/embedded/hardware/ 

artikel/93004/ 

[8] Reißmann, O., Lischka, K.: Bericht der Bundesregierung: 

Bomben gegen Cyber-Krieger. Spiegel online 

12. Oktober 2012: http://www.spiegel.de/netzwelt/ 

netzpolitik/cyberkrieg-bomben-gegen-cyberkriegera-861002.html 

[9] Topf, J.: Authentifizierung bei temporärem Netzzugang 

– Einwahlbeschränkung. In: iX Magazin 10 (2000), 

S. 122. Heise Verlag 2000 

FAZIT 

Ad-hoc-Kommunikation ist die Büchse der Pandora für 

die Angriffssicherheit eines CPS, und die schwächste 

Stelle ist der Aufbau der Kommunikation, der noch dazu 

zeitaufwendig ist. Sichere Identitäten können nur durch 

fälschungssichere Identitätsnachweise erreicht werden 

und Technolgien wie TPM sollten vereinbart und durch 

Standards von den Komponentenanbietern eingefordert 

werden. Aber auch ohne Berücksichtigung der Sicherheitsproblematik 

ist der funktionale Mehrwert für CPS 

in Industrie 4.0 erst erreichbar, wenn die semantischen 

Fragen geklärt sind und die Komponenten verschiedener 

Hersteller und Baureihen in den gleichen Begriffen für 

Rollen, Rechte und vor allem Funktionen kommunizieren. 

Die Brisanz dieser Problematik liegt in der Erfordernis, 

dass sie auch für Komponenten gelöst sein muss, die 

erst später und von Dritten hergestellt werden. Technologisch 

bestehen viele Entwicklungen, auf die zurückgegriffen 

werden kann, was zu Diversität und damit zu 

Inkompatibilitäten führen wird. Hier ist Gremienarbeit 

zwecks Standardisierung und Normung erforderlich, um 

die Flexibilität von CPS zu ermöglichen und Industrie 

4.0 in breitem Ansatz zu implementieren. 

AUTOR 

Dr. WALTER SPETH (geb. 1959) 

ist Mitglied des Namur- 

Arbeitskreises „Automation 

Security“. Nach dem Studium 

der Physik mit abschließender 

Promotion auf dem Feld 

der Teilchenphysik folgten 

Tätigkeiten als Berater, 

Abteilungs leiter und Geschäftsführer 

in der IT-Branche mit Schwerpunkt 

Security und Biometrie. Derzeit ist er als Senior 

Project Manager für Bayer Technology Services 

tätig. Seine Aufgabenfelder sind: Produktschutz 

durch Track-und-Trace-Lösungen für die Pharma- 

Branche, Schwachstellenanalyse für industrielle 

Produktionsanlagen hinsichtlich Cyber-Angriffen 

und Software-Entwicklungsstrategien für sicheren 

Code. 

Bayer Technology Services GmbH, 

D-51368 Leverkusen, 

Tel. +49 (0) 214 304 94 57, 

E-Mail: walter.speth@bayer.com 


08.08.2013 


52 


12 / 2013

Wissenschaftlich 

fundierte Beiträge zur 

Anlagensicherheit 

Safety in der Praxis 

Die Automatisierungstechnik wird durch neue Forschungen und Entwicklungen 

bestimmt. Damit Ingenieure fit für ihren Job sind und die aktuellen Trends in der 

Automatisierungstechnik schnell und praktisch zur Hand haben, hat die Zeitschrift 

„atp edition – Automatisierungstechnische Praxis“ die Buchreihe „atp kompakt“ 

etabliert. Daraus erscheint der mittlerweile sechste Band: „Safety in der Praxis“. 

Hrsg.: Leon Urbas 

1. Auflage 2014 

112 Seiten, farbig, Broschur 

ISBN: 978-3-8356-7115-7 

Preis: € 59,– 


Das Buch erscheint im DIV Deutscher Industrieverlag GmbH, Arnulfstr. 124, 80636 München 



ZUKUNFT 

Bestellung per Fax: +49 201 / 820 Deutscher 02-34 Industrieverlag oder GmbH abtrennen | Arnulfstr. und 124 im | Fensterumschlag 80636 München einsenden 

Ja, ich bestelle gegen Rechnung 3 Wochen zur Ansicht 

___Ex. 

Safety in der Praxis 

1. Auflage 2014 – ISBN: 978-3-8356-7115-7 für € 59,– (zzgl. Versand) 





Telefon 

Telefax 

Antwort 




45039 Essen 

E-Mail 


Bevorzugte Zahlungsweise Bankabbuchung Rechnung 

Bank, Ort 


Brief, Fax, E-Mail) oder durch Rücksendung der Sache widerrufen. Die Frist beginnt nach Erhalt dieser Belehrung in Textform. 

Zur Wahrung der Widerrufsfrist genügt die rechtzeitige Absendung des Widerrufs oder der Sache an die Vulkan-Verlag GmbH, 

Versandbuchhandlung, Postfach 10 39 62, 45039 Essen. 

Bankleitzahl 


Kontonummer 

PAATP62013 

Nutzung personenbezogener Daten: Für die Auftragsabwicklung und zur Pflege der laufenden Kommunikation werden personenbezogene Daten erfasst und gespeichert. Mit dieser Anforderung erkläre ich mich damit einverstanden, dass ich 

vom DIV Deutscher Industrieverlag oder vom Vulkan-Verlag per Post, per Telefon, per Telefax, per E-Mail, nicht über interessante, fachspezifische Medien und Informationsangebote informiert und beworben werde. 


HAUPTBEITRAG 

Komponentenkapselung 

und -selbstbeschreibung 

Konzept und Anwendung in der Prozessautomation 

Die Kapselung heterogener Automatisierungskomponenten durch webbasierte Standards, 

wie Websockets nach dem RFC 6455-Standard, ermöglicht im Vergleich zu SOAP oder 

REST, Antwortzeiten signifikant zu verringern sowie bidirektionale ereignisbasierte Server-Client-Verbindungen 

aufzubauen. Eine zusätzliche XML-basierte Komponentenselbstbeschreibung 

eröffnet Potenziale, anwendungsspezifische Ablaufbeschreibungssprachen 

automatisiert zu generieren. Die Anwendung wird im Beitrag am Beispiel der Automatisierung 

biotechnologischer Prozesse demonstriert. 

SCHLAGWÖRTER Automatisierung / Komponentenintegration / Webtechnologien 

Component Encapsulation and Self-Description – 

Concept and Application in Process Automation 

The encapsulation of heterogeneous automation components using web-based techniques 

like web sockets in accordance with RFC 6455 promises significantly faster response times 

compared to SOAP or REST and bidirectional event-based server-client communication. 

An additional XML-based component self-description has a potential for automated generating 

of application specific languages. The use of the concept is demonstrated using 

an example for the automation of biotechnological processes. 

KEYWORDS automation / component integration / web technologies 

54 


12 / 2013

WERNER HERFS, WOLFRAM LOHSE, DENIS ÖZDEMIR, ADAM MALIK, RWTH Aachen University 

Die Anbindung von Automatisierungskomponenten 

an übergeordnete Leitsysteme erfolgt durch 

eine weitgehend manuelle Implementierung einer 

Kapselungsschicht. Eine weitere Möglichkeit 

ist die Selbstbeschreibung von Automatisierungskomponenten, 

die der teilautomatisierten Anbindung 

dient. In beiden Fällen ist eine Kommunikationstechnologie 

für den Datenaustausch notwendig. Im zweiten Fall 

müssen zusätzlich Komponenten mittels einer geeigneten 

Sprache beschrieben werden. Als Kommunikationstechnologie 

kann OPC UA verwendet werden [1]. Komponenteneigenschaften 

werden mit Sprachen, wie Electronic Device 

Description Language (EDDL) beschrieben. Diese zielen 

primär auf die Diagnose und die Kalibrierung von 

Geräten ab. Der Einsatz von OPC UA setzt voraus, dass der 

OPC-UA-Server vom Komponentenhersteller angeboten 

wird. Insbesondere kleinere Hersteller von Automatisierungskomponenten, 

Hersteller spezialisierter Geräte, wie 

Komponenten für biologische Labore, bieten oft keine OPC- 

UA-Server für ihre Produkte an. In diesen Fällen kann 

entweder auf vorhandene Werkzeuge zur Entwicklung von 

OPC-UA-Servern oder auf andere Möglichkeiten des netzwerkbasierten 

Zugriffs auf Automatisierungskomponenten, 

wie auf Webservices, zurückgegriffen werden. 

Im Bereich speicherprogrammierbarer Steuerungen 

gibt es bereits Lösungen, die den HTTP-basierten Zugriff 

auf interne Variablen einer Steuerung gestatten, wie zum 

Beispiel Beckhoff ADS-HTTP. Die Nutzung dieser Technologien 

hat den Nachteil eines hohen Kommunikations- 

Overheads und dadurch verhältnismäßig langsamer 

Antwortzeiten. Zudem sind die aufgebauten Verbindungen 

unidirektional, sodass sich eine ereignisbasierte 

Kommunikation zwischen dem Server und dem Client 

nur unter Nutzung technischer Umwege verwirklichen 

lässt [2]. Diese beiden Nachteile können durch die Nutzung 

von HTML5-Websockets nach dem RFC 6455-Standard 

umgangen werden [3]. Websockets eignen sich dabei 

für die Anbindung von Automatisierungskomponenten 

an Leitsysteme, falls die Entwicklung von OPC-UA-Servern 

nicht in Frage kommt, und Webservices aufgrund 

ihres zeitlichen Verhaltens ungeeignet sind. 

1. WEBSOCKETS NACH RFC 6455 

Mit Websockets wurde ein Standard für die bidirektionale 

Kommunikation im World Wide Web festgelegt. Ziel 

war es, die Echtzeitkommunikation in die wachsende 

Zahl von Webanwendungen zu integrieren. Echtzeitkommunikation 

bedeutet zunächst, dass eine Client-Server- 

Verbindung ermöglicht wird, bei der der Server und der 

Client ohne Aufforderung eine Nachricht an das Gegenüber 

versenden können. Dadurch werden der Client und 

der Server befähigt, Meldungen über auftretende Ereignisse 

sofort zu versenden. Diese Meldungen werden auch 

als Push-Nachrichten bezeichnet. Zusammen mit einer 

Reduzierung der Größe versendeter Nachrichtenpakete 

verringert sich so deutlich die Latenz zwischen dem 

Auftreten eines Ereignisses und der Benachrichtigung 

über dieses Ereignis, abhängig von der Geschwindigkeit 

der Netzwerkverbindung. Die Verringerung dieser Latenz 

macht die Anwendung von Websockets in der Automatisierung 

von Produktionsanlagen interessant. 

Die bidirektionale Kommunikation im World Wide 

Web wurde bisher auf Umwegen durch Verfahren wie 

Polling und Long Polling erreicht. Beide versuchen den 

Nachteil von HTTP, die Halbduplex-Kommunikation, zu 

umgehen. Im ersten Fall wird der Server in einem bestimmten 

Intervall vom Client gefragt, ob neue Information 

vorliegt. Im zweiten Fall wird eine aufgebaute HTTP- 

Verbindung erst nach der Übermittlung neuer Daten 

durch den Server an den Client geschlossen. Danach 

muss der Client erneut eine Verbindung aufbauen und 

auf Nachrichten des Servers warten. In beiden Fällen 

werden viele Protokollverwaltungsdaten erzeugt. HTTP 

Request/Response Header können einige hundert Byte 

lang sein. Zusätzlich muss noch das I/O-Handling vom 

Server durchgeführt werden. Beim Polling werden zudem 

unnötige Nachrichten über die Nichtänderung des 

Zustands des Servers an den Client gesendet. Die mangelnde 

Leistungsfähigkeit dieser Methoden verhinderte 

die Entwicklung von Webanwendungen, die auf schnelle 

Echtzeitkommunikation angewiesen sind, wie kollaborative 

Websites. Die genannten Nachteile verursachen 


12 / 2013 

55

HAUPTBEITRAG 

zudem auf mobilen Geräten wegen des häufigen Verbindungsaufbaus 

und größeren Datenaufkommens einen 

erhöhten Energieverbrauch. Abhilfe leisten an dieser 

Stelle Websockets. 

Websockets ermöglichen eine Vollduplex-Kommunikation 

über eine TCP-Verbindung mit wenig Overhead 

(2 Byte pro Nachricht). Der Aufbau der Verbindung zwischen 

dem Client und dem Server beginnt mit einem 

Websocket-Handshake. Hierbei stellt der Client über das 

HTTP-Protokoll eine Anfrage an den Server. Nach erfolgreichem 

Verbindungsaufbau wird auf das Websocket- 

Protokoll umgeschaltet. Dabei zeigt sich eine wichtige 

Eigenschaft von Websockets: Die bidirektionale Verbindung 

über Websockets kann unter Nutzung des gleichen 

Ports wie bei HTTP-Verbindungen arbeiten. 

1.1 Websockets in der Automatisierungstechnik 

Die klassische Einteilung der Kommunikation innerhalb 

produzierender Unternehmen nach der ISO TR 10314 

sieht fünf Ebenen vor, die ein hierarchisches Paradigma 

für die Entwicklung von Automatisierungslösungen vorgeben 

[4]. Die klassische Einteilung in Ebenen wurde 

unter anderem durch unterschiedliche Anforderungen 

an die Kommunikation bezüglich Datendurchsatz und 

Reaktionszeit vorgenommen. Im Zuge der Entwicklung 

neuer ethernetbasierter Bussysteme, die die Anforderungen 

an die kurze Reaktionszeit und an die Datenübertragungsrate 

erfüllen, löst sich die Einteilung der Automatisierungsebenen 

aber, sodass flacher hierarchisierte 

Steuerungsarchitekturen realisiert werden können. Hierzu 

werden Protokolle benötigt, die sich in breiteren Bereichen 

einsetzen lassen. 

Die Verwendung von Websockets zur Kapselung von 

Automatisierungskomponenten, die über ethernetbasierte 

Netzwerke kommunizieren, bietet zunächst den Vorteil, 

dass eine Webtechnologie genutzt werden kann, deren 

Konzept von Anfang an auf die Kommunikation über das 

Internet ausgelegt war. Im Zuge der Entwicklungen der 

Industrie 4.0 wird so ermöglicht, die Internettechnologien 

und die Automatisierungstechnik stärker zu verflechten. 

Da der Websocket-Standard inzwischen von vielen Webbrowsern 

unterstützt wird (Google Chrome, Safari, Opera 

ab Version 10.70, Mozilla Firefox ab Version 4.0, Internet 

Explorer ab Version 10.0), können Automatisierungskomponenten 

prinzipiell auch durch eine HTML5-basierte 

Nutzerschnittstelle bedient und angesteuert werden. 

2. KAPSELUNGSKONZEPT 

Die Kommunikation mit heterogenen Automatisierungskomponenten 

unterschiedlicher Hersteller erfordert ein 

Konzept für eine einheitliche Schnittstelle, welche die 

einzelnen Komponenten kapselt und damit für das übergeordnete 

Leitsystem einheitliche Zugriffsmethoden anbietet. 

Das vorgestellte Konzept nutzt Websockets für die 

Kommunikation und verbindet Automatisierungskomponenten 

über ein Protokoll, das gleichzeitig für die bidirektionale 

Kommunikation im Internet verwendet wird. 

2.1 Synchrone und asynchrone Aktionen 

Heterogene Komponenten in der Automatisierungstechnik 

umfassen speicherprogrammierbare Steuerungen 

unterschiedlicher Hersteller und Embedded Boards mit 

eigener Steuerungslogik oder Software, die zum Beispiel 

für die Durchführung bestimmter Prozesse zuständig ist 

und die Ergebnisse an ein übergeordnetes Leitsystem 

übermittelt. In allen genannten Fällen werden Teil-Prozessschritte, 

Aktionen genannt, ausgeführt. Die Ausführung 

einer Aktion kann dabei aus einem atomaren oder 

mehreren zusammengesetzten Schritten bestehen. Eine 

weitere Unterscheidung betrifft die Dauer der Aktion. 

Aktionen von kurzer Dauer lassen sich meist synchron 

aufrufen. In diesem Fall wartet das übergeordnete Leitsystem 

so lange mit der Ausführung nachfolgender Anweisungen, 

bis die synchrone Aktion erfolgreich abgelaufen 

ist. Länger andauernde Aktionen mit unbekannter 

Dauer erfordern eine asynchrone Ausführung. In diesem 

Fall wird der Ablauf in einem übergeordneten Leitsystem 

nicht blockiert und nachfolgende Aktionen können parallel 

gestartet werden. Das übergeordnete Leitsystem 

wird über die erfolgte Ausführung der asynchronen Aktion 

benachrichtigt. Das Kapselungskonzept unterstützt 

die synchrone und asynchrone Ausführung von Aktionen. 

Das erfordert zunächst den Aufbau einer Kommunikationsschicht. 

2.2 Kommunikationsschicht 

Das Konzept für die Kommunikationsschicht implementiert 

ein Remote-Procedure-Call-Protokoll und baut dabei 

auf einer zunächst beliebigen bidirektionalen Transportschicht 

auf, die für die Übertragung der Daten verantwortlich 

ist. Das Konzept sieht eine beliebige Austauschbarkeit 

dieser Schicht unter der Bedingung vor, 

dass eine bidirektionale Kommunikation ermöglicht 

wird. Zusätzlich muss die Transportschicht das Senden 

von Daten als String oder Byte-Array und die Übergabe 

dieser Daten an eine Methode bereitstellen. So sind 

Websockets, reine TCP/IP-Verbindungen oder auch direkte 

Verknüpfungen über Ereignisse, als Transportschicht 

denkbar. Im letzten Fall kann die Kommunikation 

vollständig in einer Bibliothek gekapselt werden. 

Unidirektionale Protokolle, wie Webservices, können in 

Kombination mit einem Polling-Algorithmus ebenso als 

Transportschicht genutzt werden, was jedoch aufgrund 

des Aufwands nur die Ausnahme ist. 

Senden von Nachrichten 

Die Ausführung von Aktionen auf einer gekapselten 

Komponente und das Empfangen von Rückmeldungen 

erfordern die Umsetzung von Aufrufen in Nachrichtenobjekte, 

die in ein für die Transportschicht passendes 

Format (Text oder Binärdaten) serialisiert werden. Das 

Konzept sieht Nachrichtenobjekte bestehend aus einer 

ID, einem Adressfeld und einer beliebigen Anzahl von 

benannten Parametern vor. Die ID identifiziert eindeutig 

eine Nachricht während der Verarbeitung. Das Adressfeld 

beinhaltet den Namen der aufzurufenden Aktion 

56 


12 / 2013

eziehungsweise die ID der Nachricht, die beantwortet 

wird. Parameter werden jeweils als ein assoziatives Feld 

von String-Objekt-Paaren versendet und hängen vom 

Kontext der jeweiligen aufzurufenden Aktion und ihren 

Parametern ab. 

Für das Senden von Nachrichten werden zwei Methoden 

bereitgestellt. Die erste serialisiert lediglich die übergebene 

Nachricht und versendet sie anschließend über 

die unterliegende Transportschicht. Die zweite Methode 

synchronisiert zudem die sonst asynchrone Kommunikation, 

indem der Methodenaufruf nach dem Senden bis 

zum Eintreffen einer Antwortnachricht blockiert wird. 

Synchrone Aufrufe können insbesondere bei sequenziellen 

Aufrufen von Aktionen in einer festgelegten Reihenfolge 

sinnvoll sein, wenn die Aktion gleiche Anlagenkomponenten 

nutzt. 

Empfangen von Nachrichten 

Bei der Verarbeitung empfangener Nachrichten werden 

drei Fälle unterschieden. Im Fall einer Nachricht, die 

die Ausführung einer Aktion bewirken soll, wird eine 

zuvor registrierte Funktion aufgerufen. Bei der Registrierung 

werden dabei Aktionsnamen mit lokalen Funktionen 

verknüpft, die Nachrichtenobjekte als Parameter 

entgegennehmen. Nachrichten, die ab diesem Zeitpunkt 

den zuvor verknüpften Aktionsnamen als Adresse angeben, 

werden an die entsprechende lokale Funktion 

übergeben. Im Fall einer Antwortnachricht wird eine 

zuvor beim Senden angegebene Callback-Funktion aufgerufen. 

Der letzte Fall betrifft Nachrichten, für die keine 

zuständige Aktion ermittelt werden kann, da keine 

Callback- und keine öffentliche Funktion registriert 

wurden. In diesen Fällen wird eine Fehlernachricht 

übermittelt. 

Sicherheit 

Der Aufbau von Websocket-Verbindungen kann über normale 

HTTP- oder geschützte HTTPS-Verbindungen erfolgen. 

Eine zertifikatsbasierte Authentifizierung und Verschlüsselung 

über Transport Layer Security (TLS) wird 

im Fall von HTTPS angeboten. Daten können somit sicher 

über Websocket-Verbindungen transportiert werden. 

Aktionsnamen, einen Text zur Erläuterung der Aktion, 

eine Liste von Parameterbeschreibungen, eine Angabe 

zu der voraussichtlichen Dauer der Aktionsausführung 

sowie einige Flags mit Metainformationen, die je nach 

Einsatzfall zusätzliche prozessspezifische Informationen 

enthalten können. Letztere kann zum Beispiel die 

Information über die Möglichkeit der erneuten Ausführung 

einer Aktion nach einer Not-Aus-Unterbrechung 

sein. Parameterbeschreibungen können den Namen, 

den Parametertyp, einen Beschreibungstext und die 

Information, ob der Parameter optional ist, enthalten. 

Ebenso können Default-Werte, zulässige Wertebereiche 

sowie eine Schrittweite möglicher Werte angegeben 

werden. Wertebereiche von String-Parametern werden 

über reguläre Ausdrücke oder spezielle, vordefinierte 

Klassen eingegrenzt. 

Zwischenschichten 

Beim Aufrufen von Aktionen einer Automatisierungskomponente 

kann Information aus externen Quellen 

notwendig sein. Ein Beispiel ist der Materialfluss in einer 

Produktionsanlage, wo die örtlichen Koordinaten einzelner 

Werkstücke in einer Datenbank gespeichert werden. 

Der Aufruf der Transportaktion der zuständigen 

Automatisierungskomponente muss in diesem Fall mit 

aktuellen Koordinaten des zu transportierenden Werkstücks 

erfolgen. Für solche Fälle wurde ein Konzept für 

beliebig viele Zwischenschichten entwickelt, die einen 

Aufruf und seine Parameter transparent manipulieren 

können, siehe Bild 1. 

Die Zwischenschichten lassen sich auch nutzen, um 

die Aufrufe zu protokollieren. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit 

ist das Manipulieren der Aktionsbeschreibung 

einer Automatisierungskomponente. Ein 

solcher Schritt kann zum Beispiel nötig sein, wenn 

Aktionen mit vielen vorhandenen, jedoch in der aktuellen 

Anwendungsdomäne nicht benötigten Parame- 

2.3 Komponentenselbstbeschreibung 

Die Transportschicht bietet bereits eine bidirektionale 

Kommunikation für Nachrichten in Form von Strings 

und Byte-Arrays an. Allerdings definiert die Transportschicht 

nicht, welche Aktionen einzelne Automatisierungskomponenten 

offerieren und wie diese sich aufrufen 

lassen. Das vorgestellte Konzept ermöglicht die 

Identifikation einzelner Komponenten und ihrer möglichen 

Aktionen zur Laufzeit bis hin zum Aufbau einer 

anwendungsspezifischen Sprache für die Komponentenansteuerung. 

Aktionsbeschreibung 

Eine Aktionsbeschreibung besteht aus Daten und Metadaten, 

die die Schnittstelle einer Automatisierungskomponente 

vollständig definieren. Sie umfasst den 

BILD 1: Server-Client-Kommunikation über Zwischenschichten 


12 / 2013 

57

HAUPTBEITRAG 

tern, verwendet werden sollen. In diesem Fall kann eine 

reduzierte, an die Anwendungsdomäne angepasste Aktionsbeschreibung, 

realisiert werden. Der Aufruf der 

entsprechenden Aktion kann dann durch die Zwischenschicht 

transparent mit zusätzlichen Parametern 

erweitert werden. 

Die Zwischenschichten müssen zuvor im Client registriert 

werden. Sie werden während der Kommunikation 

in der Reihenfolge ihrer Registrierung aufgerufen. Die 

registrierten Zwischenschichten müssen ihre Manipulationen 

auf die jeweils aktuellen Aktionsmengen aus 

vorher ausgeführten Zwischenschichten beziehen, da 

diese bereits dort verändert werden können. 

2.4 Anwendungsspezifische Sprache 

Die Programmierung von Abläufen auf Basis von Aktionen 

einzelner gekapselter Automatisierungskomponenten 

wird durch die Nutzung des vorgeschlagenen Selbstbeschreibungskonzepts 

unterstützt. Die Selbstbeschreibung 

von Komponenten enthält bereits die notwendige 

Information über die aufrufbaren Aktionen sowie ihre 

Parameter. Diese Information kann zum Aufbau einer 

XML-basierten Sprache verwendet werden, deren Elemente 

aus komponentenspezifischen Befehlen bestehen. 

Ablaufprotokolle 

Das Konzept der anwendungsspezifischen Sprache (application 

specific language, ASL) für die Ablaufprotokolle 

sieht die automatische Generierung von XML-Schemadateien 

vor, die später die Struktur vorgeben. Bild 2 zeigt 

den Prozess der Schemagenerierung. Dabei werden statische 

XSD-Schemata mit dynamischen Inhalten ergänzt. 

Sämtliche gekapselten Komponenten einer Automatisierungsanlage 

stellen XML-basierte Aktionsbeschreibungen 

bereit (siehe 2.3). Zusammen mit statischen XSD- 

Schema-Templates, die unter anderem vordefinierte Kontrollstrukturen 

für die Modellierung von Ablaufprotokollen 

enthalten, werden durch Ergänzung um 

dynamische Inhalte (vorhandene Komponenten-Aktionsbeschreibungen) 

XSD-Schemata generiert. Die XSD-Schemata 

können später in einem XML-Editor bei der manuellen 

Definition von XML-Ablaufprotokollen die Struktur 

und den möglichen Inhalt eines Protokolls vorgeben. Die 

Schema-Generierung besteht aus drei Schritten. Im ersten 

Schritt wird ein XML-Schema mit XML-Datentypen erzeugt. 

Diese domänenspezifischen Datentypen können 

zuvor in einem XSD-Template vorgegeben werden. Denkbar 

sind hier Begriffe, die zum Beispiel fachspezifisch 

Werkstücke beschreiben. Im zweiten Schritt wird auf 

Basis der registrierten Anlagenkomponenten und ihrer 

verfügbaren Aktionen jeweils eine Schema-Datei generiert. 

Hierbei wird aus jedem Modulnamen und einem 

vorgegebenen Präfix ein Name für einen XML-Namensraum 

erzeugt. Dieser Namensraum wird mit Elementen 

vervollständigt, die aus den Aktionsbeschreibungen der 

Anlagenkomponenten stammen. Dabei werden Argumente 

einer Aktion zu Attributen eines Elements. Im letzten 

Schritt wird eine zentrale XSD-Schemadatei unter Einbindung 

der zuvor erstellten Schemata generiert, die die 

Syntax des künftigen XML-Protokolldokuments enthält. 

3. ANWENDUNGSBEISPIEL BIOLOGISCHE ZELLPRODUKTE 

Das Kapselungskonzept wurde am Beispiel der individualisierten 

Herstellung biologischer Zellprodukte in 

dem Projekt StemCellFactory [5, 6] umgesetzt. Hierzu 

wurden Komponenten einer automatisierten Anlage, siehe 

Bild 3, zur Kultivierung von induzierten pluripotenten 

Stammzellen (iPS-Zellen) an ein übergeordnetes 

Leitsystem angebunden. 

Das am Werkzeugmaschinenlabor der RWTH Aachen 

University entwickelte Leitsystem unterstützt die Herstellung 

individualisierter Zellprodukte, sodass jede Zellprobe 

nach einem individuellen biologischen Protokoll 

durch die einzelnen Komponenten der Automatisierungsanlage 

wandern kann. Die zuvor beschriebene anwendungsspezifische 

Sprache vereinfacht in diesem Fall die 

Formalisierung biologischer Ablaufbeschreibungen. 

3.1 iPS-Zellen 

Induzierte pluripotente Stammzellen [7, 8] sind Stammzellen, 

die durch die künstliche Reprogrammierung von 

Körperzellen entstehen. Die Möglichkeit der Herstellung 

von iPS-Zellen eröffnet neue Potenziale für die Medizin. 

Insbesondere im Bereich der Medikamentenherstellung 

können so Präparate mit Hilfe patienteneigener Zellen 

getestet werden. Im Gegensatz zu embryonalen Stammzellen, 

deren Gewinnung ethisch problematisch ist, können 

iPS-Zellen aus Haut- und Knochenmarkszellen gewonnen 

werden. Bisher wurden iPS-Zellen mit hohem 

manuellen Aufwand im Labor gezüchtet. Die Automatisierung 

dieser Züchtung senkt die Herstellungskosten 

signifikant und ermöglicht so in Zukunft mehr Menschen 

den Zugang zu neuen Heilungsmethoden. 

3.2 Automatisierungsanlage 

Die Anlage zur automatisierten Herstellung von iPS-Zellen 

besteht aus heterogenen Laborkomponenten, die jeweils 

durch unterschiedliche Schnittstellen nach proprietären 

Protokollen angesteuert werden, siehe Bild 4. 

Einzelne Anlagenkomponenten (Materialschleuse, 

Decapper (Öffnen von Zentrifugenröhrchen), Inkubator, 

Barcode-Scanner, Greifer, Linearachse, Zentrifuge und 

Schüttler) wurden über den Ethercat-Feldbus beziehungsweise 

Ethercat-Feldbusklemmen (RS232, DeviceNet) an 

einen Beckhoff Industrie-PC mit integrierter SPS angebunden. 

Dieser Industrie-PC (Microsoft Windows 7) wurde 

mit einem .NET-basierten Websocket-Server ausgestattet. 

Der Pipettierroboter (Liquid Handling Unit) verfügt 

über eine Steuerung auf Basis eines Embedded Boards. 

An dieser Stelle wurde ein javabasierter Websocket-Server 

verwendet. Weitere Komponenten (Messtechnik) werden 

über die Software LabView angesteuert. Von LabView bereitgestellte 

Webservices werden durch eine lokale Trans- 

58 


12 / 2013

BILD 2: Generierung der anwendungsspezifischen 

Sprache für die Ablaufprotokolle 

BILD 4: Steuerungstechnische Architektur 

der automatisierten Anlage 

BILD 3: Komponenten einer Anlage 

zur Herstellung von iPS-Zellen 

BILD 5: Exemplarische Modellierung von biologischen 

Ablaufprotokollen mit einer ASL 

portschicht gekapselt. Sämtliche Komponenten verfügen 

über eine Selbstbeschreibung der verfügbaren Aktionen. 

3.3 Generierte anwendungsspezifische Sprache 

Die generierte anwendungsspezifische Sprache ermöglicht 

die Modellierung von biologischen Ablaufprotokollen 

in einem XML-Editor, hier Microsoft Visual Studio, 

siehe Bild 5, wobei die Autovervollständigungsfunktion 

auf Basis des zuvor generierten XSD-Schemas mögliche 

Aktionen und notwendige Parameter vorschlägt. Die anwendungsspezifische 

Sprache ist gezielt auf die biologische 

Domäne ausgelegt und berücksichtigt die verfügbaren 

Aktionen einzelner Anlagenkomponenten, wie die 

Transportaktionen. In der automatisierten Anlage werden 

Zellproben in Transportgefäßen, wie Microtiterplatten 

(MTP) und Zentrifugenröhrchen (Tube), mit Hilfe 

eines Roboters durch die automatisierte Anlage transportiert. 

Jedes Transportgefäß trägt einen Barcode. 

Ein Roboter kann Transportgefäße in bestimmte Anlagenstationen, 

wie den Inkubator einstellen (putMaterial) 

oder aus diesem entnehmen (takeMaterial). Weiterhin können 

Transportgefäße geöffnet (openMTP, openTube), verschlossen 

(closeMTP, closeTube) oder entsorgt (trashMaterial) 

werden. Ebenso können Barcodes einzelner Zellproben 

gelesen werden (ScanBarcode). Das vorgestellte 

Konzept der Zwischenschichten ermöglicht die Erstellung 

von Protokollen mit individuell benannten Transportgefäßen 

(hier myMTP), wobei die örtlichen Koordinaten für 


12 / 2013 

59

HAUPTBEITRAG 

die Transportaktion nach dem Aktionsaufruf datenbankbasiert 

in einer Zwischenschicht ergänzt werden. 

ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 

Ein Konzept für die Kapselung von Automatisierungskomponenten 

auf Basis bidirektionaler Websocket-Kommunikation 

wurde in diesem Beitrag vorgestellt. Eine 

zusätzliche Komponentenselbstbeschreibung wird für 

die Generierung einer anwendungsspezifischen Sprache 

auf XML-Basis verwendet, die die Modellierung von Ablaufprotokollen 

ermöglicht. Das vorgestellte Konzept 

wurde an einer automatisierten Anlage zur Herstellung 

induzierter pluripotenter Stammzellen angewendet. 

Es erfordert einen initialen Aufwand für die manuelle 

Implementierung der Client-Server-Struktur, der 

Komponentenselbstbeschreibung und der ausführbaren 

Aktionen sowie der auftretenden Ereignisse. Die Implementierung 

folgt jedoch in weiten Teilen einem Muster 

und kann generativ ablaufen. Die Erstellung eines formalen 

Schnittstellenmodells für die Kapselung der 

Server-Client-Kommunikation ist geeignet, um gleichzeitig 

als bindende Spezifikation für weitere Implementierungen 

zu dienen. 

REFERENZEN 


13.08.2013 


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

Architecture, Springer Verlag, Berlin Heidelberg 2009 

[2] Crane, D., McCarthy, P.: Comet and Reverse Ajax: 

The Next-Generation Ajax 2.0, Apress, Berkeley 

California 2009 

[3] Wang, V., Salim, F., Moskovits, P.: The Definitive Guide 

to HTML5 WebSocket: Build Real-Time Applications 

with HTML5, Apress, New York 2013 

[4] Weck, M., Brecher, C.: Werkzeugmaschinen: Automatisierung 

von Maschinen und Anlagen, Springer 

Verlag, Berlin Heidelberg 2006 

[5] Marx, U., Schenk, F., Behrens, J., Meyr, U., Wanek, P., 

Zang, W., Schmitt, R., Brüstle, O., Zenke, M., Klocke, F.: 

Auto matic Production of Induced Pluripotent Stem 

Cells, Procedia CIRP 5 (2013), S. 2-6. 

[6] Bio.NRW Ziel2 Wettbewerb 2009: StemCellFactory, 

http://www.stemcellfactory.de 

[7] Takahashi, K., Tanabe, K., Ohnuki, M., Narita, M., 

Ichisaka, T., Tomoda, K., Yamanaka, S.: Induction of 

pluripotent stem cells from adult human fibroblasts 

by defined factors, Cell 131 (2007), H. 5, S. 861–872. 

[8] Yum J , Vodyanik, M.A., Smuga-Otto, K., Antosiewicz- 

Bourget, J., Frane, J.L., Tian, S., Nie, J., Jonsdottier, 

G.A., Ruotti, V., Stewart, R., Sluvkin, I.I., Thomson, J.A.: 

Induced pluripotent stem cell lines derived from human 

somatic cells, Science 318 (2007), Nr. 5858, S. 1917–1920. 

AUTOREN 

Dr.-Ing. WERNER HERFS, MBA (geb. 1975) hat 

zwischen 2007 und 2012 die Abteilung Steuerungstechnik 

und Automatisierung geleitet und ist 

seit März 2012 geschäftsführender Oberingenieur 

und akademischer Rat des Lehrstuhls für Werkzeugmaschinen 

an der RWTH Aachen University. 

RWTH Aachen University, 

Werkzeugmaschinenlabor (WZL), 

Steinbachstr. 19, D-52074 Aachen, 

Tel. +49 (0) 241 802 74 10, 

E-Mail: w.herfs@wzl.rwth-aachen.de 

Dipl.-Ing. WOLFRAM LOHSE (geb. 1981) war von 

2007 bis 2012 als wissenschaftlicher Mitarbeiter am 

Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen der RWTH 

Aachen University tätig. Seit März 2012 leitet er die 

Abteilung Steueurungstechnik und Automatisierung. 




Tel. +49 (0) 241 802 74 55, 

E-Mail: w.lohse@wzl.rwth-aachen.de 

Dipl.-Ing. DENIS ÖZDEMIR (geb. 1984) war seit 

2009 wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl 

für Werkzeugmaschinen der RWTH Aachen 

University. Seit 2012 leitet er die Gruppe Informationstechnik 

und -management in der Abteilung 

Steuerungstechnik und Automatisierung. Seine 

Hauptarbeitsgebiete umfassen Verhaltenssimulation 

und Produktdatenmanagement. 




Tel. +49 (0) 241 802 74 58, 

E-Mail: d.oezdemir@wzl.rwth-aachen.de 

Dipl.-Inform. ADAM MALIK (geb. 1976) arbeitet 

seit 2010 als wissenschaftlicher Mitarbeiter in 

der Gruppe Informationstechnik und -management 

am Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen der 

RWTH Aachen University in der Abteilung 

Steuerungstechnik und Automatisierung. Seine 

Hauptarbeitsgebiete umfassen Fertigungsleitsysteme 

und modellbasierte Softwareentwicklung. 




Tel. +49 (0) 241 802 74 56, 

E-Mail: a.malik@wzl.rwth-aachen.de 

60 


12 / 2013

Process Control 

Systems Engineering 

Process Control Systems (PCS) are distributed control systems (DCS) that 

are specialized to meet specific requirements of the process industries. The 

text book focuses on PCS engineering basics that are common to different 

domains of the process industries. It relates to an experimental research 

plant which serves for the exploration of the interaction between process 

modularization and process automation methods. This permits to capture 

features of highly specialized and integrated mono-product plants as well 

as application areas which are dominated by locally standardized generalpurpose 

apparatus and multi-product schemes. While the text book’s theory 

is applicable for all PCS of different suppliers, the examples refer to 

Siemens’ control system PCS 7. Focusing on a single PCS enables readers to 

use the book in basic lectures on PCS engineering as well as in computer 

lab courses, allowing students to gain hands-on experience. 

Editor: L. Urbas 

1 st edition 2012, 204 pages, content in English, hardcover, 

ISBN: 978-3-8356-3198-4 

Price € 49,80 


DIV Deutscher Industrieverlag GmbH, Arnulfstr. 124, 80636 München 

Order now! 

KNOWLEDGE FOR THE 

FUTURE 

Order now by fax: +49 201 / 820 Deutscher 02-34 Industrieverlag or send GmbH in a letter | Arnulfstr. 124 | 80636 München 

Yes, I place a firm order for the technical book. Please send 

— copies of Process Control Systems Engineering 

1st edition 2012 (ISBN: 978-3-8356-3198-4) 

at the price of € 49,80 (plus postage and packing) 

Company/Institution 

First name, surname of recipient (department or person) 

Street/P.O. Box, No. 

Country, Postalcode, Town 

reply / Antwort 




45039 Essen 

GERMANY 

Phone 

E-Mail 

Line of business 

Fax 

Please note: According to German law this request may be withdrawn within 14 days after order date in writing 

to Vulkan Verlag GmbH, Versandbuchhandlung, Postfach 10 39 62, 45039 essen, Germany. 

In order to accomplish your request and for communication purposes your personal data are being recorded and stored. 

It is approved that this data may also be used in commercial ways by mail, by phone, by fax, by email, none. 

this approval may be withdrawn at any time. 

Date, signature 

PAPCSE2013

IMPRESSUM / VORSCHAU 

IMPRESSUM 

VORSCHAU 

Verlag: 

DIV Deutscher Industrieverlag GmbH 

Arnulfstraße 124, D-80636 München 

Telefon + 49 (0) 89 203 53 66 0 

Telefax + 49 (0) 89 203 53 66 99 


Geschäftsführer: 

Carsten Augsburger, Jürgen Franke 

Verlagsleiterin: 

Kirstin Sommer 

Spartenleiterin: 

Anne Purschwitz geb. Hütter 

Herausgeber: 

Dr.rer.nat. Thomas Albers 

Dr. Gunther Kegel 

Dipl.-Ing. Hans-Georg Kumpfmüller 

Dr.-Ing. Wilhelm Otten 

Beirat: 

Dr.-Ing. Kurt Dirk Bettenhausen 

Prof. Dr.-Ing. Christian Diedrich 

Prof. Dr.-Ing. Ulrich Epple 

Prof. Dr.-Ing. Alexander Fay 

Prof. Dr.-Ing. Michael Felleisen 

Prof. Dr.-Ing. Georg Frey 

Prof. Dr.-Ing. Peter Göhner 

Dipl.-Ing. Thomas Grein 

Prof. Dr.-Ing. Hartmut Haehnel 

Dr.-Ing. Jörg Kiesbauer 

Dipl.-Ing. Rolf Marten 

Dipl.-Ing. Gerald Mayr 

Dr. Jörg Nothdurft 

Dr.-Ing. Josef Papenfort 

Dr. Andreas Wernsdörfer 

Dipl.-Ing. Dieter Westerkamp 

Dr.rer.nat. Christian Zeidler 

Organschaft: 

Organ der GMA 

(VDI/VDE-Gesell schaft Messund 

Automatisierungs technik) 

und der NAMUR (Interessengemeinschaft 


der Prozessindustrie). 

Redaktion: 

Anne Purschwitz geb. Hütter (ahü) 

(verantwortlich) 

Telefon + 49 (0) 89 203 53 66 58 

Telefax + 49 (0) 89 203 53 66 99 

E-Mail: purschwitz@di-verlag.de 

Aljona Hartstock (aha) 

Telefon + 49 (0) 89 203 53 66 78 

E-Mail: hartstock@di-verlag.de 

Gerd Scholz (gz) 

Einreichung von Hauptbeiträgen: 

Prof. Dr.-Ing. Leon Urbas 

(Chefredakteur, verantwortlich 

für die Hauptbeiträge) 

Technische Universität Dresden 

Fakultät Elektrotechnik 

und Informationstechnik 

Professur für Prozessleittechnik 

D-01062 Dresden 

Telefon +49 (0) 351 46 33 96 14 

E-Mail: urbas@di-verlag.de 

Fachredaktion: 

Dr.-Ing. Michael Blum 

Dipl.-Ing. Heinrich Engelhard 

Prof. Dr.-Ing. Jürgen Jasperneite 

Dr.-Ing. Bernhard Kausler 

Dr.-Ing. Niels Kiupel 

Prof. Dr.-Ing. Gerrit Meixner 

Dr.-Ing. Jörg Neidig 

Dipl.-Ing. Ingo Rolle 

Dr.-Ing. Stefan Runde 

Prof. Dr.-Ing. Frank Schiller 

Bezugsbedingungen: 

„atp edition – Automatisierungstechnische 

Praxis“ erscheint 

monatlich mit Doppelausgaben im 

Januar/Februar und Juli/August. 

Bezugspreise: 

Abonnement jährlich: € 468,– + € 30,–/ 

€ 35,– Versand (Deutschland/Ausland); 

Heft-Abonnement + Online-Archiv: 

€ 638,40; ePaper (PDF): € 468,–; 

ePaper + Online-Archiv: € 608,40; 

Einzelheft: € 55,– + Versand; 

Die Preise enthalten bei Lieferung 

in EU-Staaten die Mehrwertsteuer, 

für alle übrigen Länder sind es 

Nettopreise. Mitglieder der GMA: 30% 

Ermäßigung auf den Heftbezugspreis. 

Bestellungen sind jederzeit über den 

Leserservice oder jede Buchhandlung 

möglich. 

Die Kündigungsfrist für Abonnementaufträge 

beträgt 8 Wochen zum Bezugsjahresende. 

Abonnement-/ 

Einzelheftbestellung: 

DataM-Services GmbH, Leserservice atp 

Herr Marcus Zepmeisel 

Franz-Horn-Str. 2, 97082 Würzburg 

Telefon + 49 (0) 931 417 04 59 

Telefax + 49 (0) 931 417 04 94 

leserservice@di-verlag.de 

Verantwortlich für 

den Anzeigenteil: 

Inge Spoerel 

Telefon + 49 (0) 89 203 53 66 22 

Telefax + 49 (0) 89 203 53 66 99 

E-Mail: spoerel@di-verlag.de 

Es gelten die Preise der Mediadaten 2013 

Anzeigenverwaltung: 

Brigitte Krawczyk 

Telefon + 49 (0) 89 203 53 66 12 

Telefax + 49 (0) 89 203 53 66 99 

E-Mail: krawczyk@di-verlag.de 

Art Direction / Layout: 

deivis aronaitis design | dad | 

Druck: 

Druckerei Chmielorz GmbH, 

Ostring 13, 

D-65205 Wiesbaden-Nordenstadt 

Gedruckt auf chlor- und 

säurefreiem Papier. 

Die atp wurde 1959 als „Regelungstechnische 

Praxis – rtp“ gegründet. 

DIV Deutscher Industrieverlag 

GmbH München 

Die Zeitschrift und alle in ihr enthaltenen 

Beiträge und Abbildungen sind urheberrechtlich 

geschützt. Mit Ausnahme der 

gesetzlich zugelassenen Fälle ist eine 

Verwertung ohne Ein willigung des Verlages 

strafbar. 

Gemäß unserer Verpflichtung nach § 8 

Abs. 3 PresseG i. V. m. Art. 2 Abs. 1c DVO 

zum BayPresseG geben wir die Inhaber 

und Beteiligungsverhältnisse am Verlag 

wie folgt an: 

DIV Deutscher Industrieverlag GmbH, 

Arnulfstraße 124, D-80636 München. 

Alleiniger Gesellschafter des Verlages 

ist die ACM-Unternehmensgruppe, 

Ostring 13, 

D-65205 Wiesbaden-Nordenstadt. 

ISSN 2190-4111 

DIE AUSGABE 1-2 / 2014 DER 

ERSCHEINT AM 10.02.2014 

MIT AUSGEWÄHLTEN BEITRÄGEN DER 

NAMUR-HAUPTSITZUNG 2013 

Der Prolist-Workflow 

im Eclass-Umfeld 

Effektives Engineering und 

früher Start-up – Virtuelle 

Inbetriebnahme am Beispiel 

eines Batch-Projekts 

Einsatz von Operator Training 

Simulatoren (OTS) in der 

Prozessindustrie 

Datenaustausch in heterogenen 

Systemlandschaften 

Package Unit Integration – 

Abstrakte Beschreibung 

mit EDD 

Aus aktuellem Anlass können sich die Themen 

kurzfristig verändern. 

LESERSERVICE 

E-MAIL: 

leserservice@di-verlag.de 

TELEFON: 

+ 49 (0) 931 417 04 59 

62 


12 / 2013

Erreichen Sie die Top-Entscheider 

der Automatisierungstechnik. 

Sprechen Sie uns an wegen Anzeigenbuchungen 

und Fragen zu Ihrer Planung. 

Inge Spoerel: Tel.: +49 89 203 53 66-22 

E-Mail: spoerel@di-verlag.de

atp edition Datenkopplung mittels UML-Modellen (Vorschau)

Erfolgreiche ePaper selbst erstellen

Template löschen?

Als Template speichern?