atp edition Virtuelle Inbetriebnahme von Produktionsanlagen (Vorschau)

4 / 2012

54. Jahrgang B3654

Oldenbourg Industrieverlag

Automatisierungstechnische Praxis

Virtuelle Inbetriebnahme

von Produktionsanlagen | 28

Simulationsbasierte

Steuerungsfunktionstests | 34

Emulation dezentraler

Steuerungslogik | 42

Anbau von Stellungsreglern

an pneumatische Antriebe | 50

editorial

Virtuelle Inbetriebnahme auch

für die Verfahrenstechnik!

Die virtuelle Inbetriebnahme (VIBN) war in den letzten Jahren immer wieder

ein Thema auf dem Kongress Automation der GMA, bei der Namur und entsprechend

auch in der atp edition. Wesentliche Motivation dafür ist die Perspektive,

Dauer und Kosten der realen Inbetriebnahme dadurch zu reduzieren, dass

die Funktionen der geplanten Anlage mithilfe einer VIBN per Simulation überprüft

und Planungsfehler so bereits vor dem Bau korrigiert werden.

Aus Sicht der Prozessleittechnik wird für Inbetriebnahme und Test des Prozessleitsystems

(PLS) nur das simulierte Klemmenverhalten der Anlage benötigt,

das die Reaktion der Anlage auf Eingriffe des PLS realistisch abbildet. Die

VIBN des PLS kann damit bereits heute auf der Basis des komplett emulierten

PLS durchgeführt werden.

Für die VIBN der Anlage als Ganzes greift allerdings dieser partikuläre Ansatz

zu kurz und muss durch einen ganzheitlichen Ansatz ersetzt werden: Dem

emulierten PLS ist jetzt ein qualitativ hochwertiges Anlagensimulationsmodell

an die Seite zu stellen, an dem nicht nur die Funktionen des PLS, sondern auch

die verfahrenstechnischen Eigenschaften der Anlage und ihrer Komponenten

im Detail verifiziert und so Planungsfehler in der Anlage detektiert werden

können. Der heute mit der Modellerstellung verbundene zeitliche und finanzielle

Aufwand führt aber dazu, dass eine solche VIBN meist nur bei Anlagen

mit erhöhten Sicherheitsanforderungen oder mit absehbaren Problemen bei der

Nachbesserung der Anlage während der realen Inbetriebnahme, etwa bei Unterwasserinstallationen,

durchgeführt wird.

Ein Ausweg aus dieser Situation könnten Strategien für die automatisierte

Erstellung von Simulationsmodellen für die VIBN sein, die das Modell aus den

Planungsdaten des Anlagen-CAE-Systems generieren, wozu sie auf Modellbibliotheken

für die Anlagenkomponenten zurückgreifen. Dass dies grundsätzlich

möglich ist, zeigt beispielhaft der Stand der Technik beim CAE von elektronischen

Schaltungen, der heute – nach mehr als 20 Jahren gemeinsamer

Anstrengung – erreicht worden ist: Hier können selbst aufwendige Schaltungen

direkt nach dem Entwurf ohne expliziten Modellierungsaufwand simuliert

und getestet werden, weil standardmäßig Modellbibliotheken auch für komplexe

Komponenten zur Verfügung stehen. Die dafür benötigten Simulationsmodelle

stellen die Komponenten-Hersteller ganz selbstverständlich bereit.

Es wäre wünschenswert, eine ähnliche Entwicklung auch für das verfahrenstechnische

Anlagen-Engineering in Gang zu setzen. Dazu müssen alle Beteiligten

– Anlagenplaner, Systemhersteller, Anwender und insbesondere die

Hersteller von Anlagenkomponenten – bereit sein, gemeinsam eine praxistaugliche

Strategie für die Realisierung einer VIBN im Rahmen der Anlagenprojektierung

zu entwickeln. Auch Sie können dabei mitwirken, beispielsweise im

GMA-Fachausschuss 6.11, der sich schwerpunktmäßig mit der VIBN befasst.

Sie können dafür mit der GMA-Geschäftsstelle oder direkt zu mir Kontakt

aufnehmen (reimar.schumann@fh-hannover.de).

Prof. Dr.-Ing.

Reimar Schumann,

Kompetenzzentrum AUBIOS,

Hochschule Hannover

atp edition

4 / 2012

3

Inhalt 4 / 2012

Forschung

6 | Die Digitale Fabrik nimmt in Saarbrücken Gestalt an

Simulation untersucht Angriffe auf IT-Security

von Infrastrukturen im öffentlichen Leben

Von Ameisen lernen heißt Logistik lernen

Verband

10 | GMA forciert Diskussion über cyber-physische Systeme

in einem neuen Fachausschuss

Die Chancen von Appification und Gamification:

Useware im Fokus von Tagung und Wettbewerb

11 | Zuversicht der Branche beflügelt die Achema

Dechema gibt sich eine neue Struktur

12 | Namur baut ihre strategischen Aktivitäten in China kontinuierlich aus

branche

8 | Komplexität beherrschen – Zukunft sichern mit Automation,

Robotik und Wireless Automation

9 | Wachstumsdelle ausgebügelt

Türkei nun auch Vollmitglied des Cenelec

22 | Hochpräzise Temperaturregelung ist bei Herstellung

von Prothesen eine besondere Herausforderung

24 | Ganzheitliche Automatisierungslösung optimiert

das Luftpfeifenstechen für Sandgussformen

26 | Eigensicherheit und hohe Leistung: Feldbusse

im explosionsgefährdeten Bereich betreiben

4

atp edition

4 / 2012

Hauptbeiträge

28 | Virtuelle Inbetriebnahme

von Produktionsanlagen

B. Grimm

34 | Simulationsbasierte

Steuerungsfunktionstests

J. Greifeneder, P. Weber, M. Barth und A. Fay

42 | Emulation dezentraler Steuerungslogik

M. Hoernicke und P. Bauer

50 | Anbau von Stellungsreglern

an pneumatische Antriebe

T. Karte, J. Kiesbauer, K.-B. Schärtner

und F. Valentin-Rumpel

Praxis

14 | Automatisierte Steuerungstests

vereinfachen die virtuelle Inbetriebnahme

in der Fabrikautomation

18 | Normen-Dschungel IT-Security:

Neue Standards sollen Konflikte

mit etablierten Regeln vermeiden

rubriken

3 | Editorial

58 | Impressum, Vorschau

Forschung

Die Digitale Fabrik nimmt in Saarbrücken Gestalt an

Politisch:

Bildungsministerin

Annette Schavan

(Mitte) und Ministerpräsidentin

Annegret Kramp-

Karrenbauer

informieren sich

am DFKI. Bild: DFKI

Die intelligente Fabrik (Smart Factory) hält am Deutschen

Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI)

Einzug. Durch dezentrale Selbstorganisation cyber-physischer

Systeme soll die 4. industrielle Revolution angestoßen

werden. Die Neuausrichtung der bislang unflexiblen Arbeitsschritte

„alter“ Fabriken soll Antworten auf Herausforde-

rungen des 21. Jahrhunderts finden: Ressourcenschonung,

Energiemanagement und Assistenzsysteme zur Unterstützung

älter Arbeitnehmer. In digital veredelten Anlagen werden

cyber-physische Systeme über IP-basierte Funkprotokolle

und semantische Technologien vernetzt und mit industriellen

Assistenzsystemen für die Mitarbeiter integriert. Das

DFKI forscht an solchen Zukunftslösungen. Am Innovative

Retail Laboratory (IRL) wird die Digitale Fabrik bereits in der

Praxis gelebt. In einer Kooperation mit der SB-Warenhauskette

Globus werden auf Basis unternehmensübergreifender

Softwarelösungen konkrete Beispiele für den Einzelhandel

getestet. Das IRL, Träger des EHI-Wissenschaftspreis 2012,

entwickelte beispielsweise eine intelligente Frischetheke.

Anhand von Zeigegesten wählt der Kunde die Ware aus. Er

bezahlt mit einer Anwendung seines Handys, die die Near-

Field-Communication-Technologie verwendet.

Deutsches Forschungszentrum

für Künstliche Intelligenz (DFKI) GmbH,

Campus D3_2, Stuhlsatzenhausweg 3,

D-66123 Saarbrücken, Tel. +49 (0) 681 85 77 50,

Internet: www.dfki.de

Simulation untersucht Angriffe auf IT-Security

von Infrastrukturen im öffentlichen Leben

Was passiert, wenn Hacker einen Angriff auf Daten

kritischer Versorgungsnetze unternehmen? Diese

Frage beantwortet die Simulationsumgebung, die das das

Institut IT Sicherheitsforschung der Fachhochschule

Sankt Pölten im Rahmen des Projektes CAIS (Cyber Attack

Information System) entwarf. Dabei seien Verkehrsund

Energieversorgung nur zwei Bereiche, in denen Ausfälle

und Angriffe die allgemeine Versorgung bedrohen,

so Dr. Ernst Piller, Dozent und Leiter des Instituts für IT

Sicherheitsforschung in St. Pölten. Wichtigere Herausforderungen

seien große Datenmengen, die dabei analysiert

und evaluiert werden und die hohe Komplexität des Systems.

Jedes IT-System besteht aus Knoten und Ebenen, die

miteinander in Wechselwirkung stehen. Durch Programmfehler

und Angriffe können mehrere Teilbereiche gleich-

zeitig ausfallen. Die Simulation soll Kosten reduzieren und

für den Ernstfall vorbereiten. Sie berechnet die Vernetzung

verschiedener Bereiche des Gemeinwesens. Dabei analysiert

sie Wechselwirkungen kritischer Infrastrukturen mit

Methoden des Risikomanagements. „Fällt beispielsweise

die Energieversorgung aus, so kann es zum Dominoeffekt

kommen,“ so Piller. Die Simulationsumgebung ist auch für

privatwirtschaftliche Unternehmen geeignet. Die FH St.

Pölten forscht an proaktiven Abwehrmaßnahmen gegen

Schadsoftware sowie Lösungen für die sichere Cloud.

Fachhochschule St. Pölten,

Institut für IT Sicherheitsforschung,

Matthias-Corvinus-Str. 15, A-3100 St. Pölten,

Tel. +43 2742 313 22 86 36, Internet: www.fhstp.ac.at

Von Ameisen lernen heißt Logistik lernen

Wie die Ameisen transportieren die Multishuttle Moves

Gegenstände zwischen Lagerhalle und Regalen. Niemand

steuert sie und doch kollidieren sie nicht. Sie sind

effizienter als herkömmliche Laufband-Systeme. Am

Fraunhofer-Institut für Materialfluss und Logistik IML forschen

Experten unter der Leitung von Prof. Dr. Michael ten

Hompel daran, mit Schwarmintelligenz Material- und Lagerflüsse

zu optimieren. 50 kleine Transporter kurven

durch eine 1000 Quadratmeter große Forschungshalle und

suchen Gegenstände aus dem Regallager. Die Mobile werden

dezentral gesteuert. Ihre Entwickler nutzen Ameisenalgorithmen

nach Marco Dorigo. Den Auftrag erhalten die

Shuttles über Softwareagenten. Sie kommunizieren über

WLAN. Die integrierte Lokalisations- und Navigationstechnik

verhindert Kollisionen. Die Vorteile: Die Zahl der Shuttles

kann beliebig verringert oder erweitert werden. Außerdem

verkürzen sich die Wege. Die Fördertechnik, die den

Weg versperrt, entfällt. Die Shuttles nehmen den kürzesten

Weg. Regalbediengeräte und Steigfördertechnik entfallen.

Fraunhofer-Institut

für Materialfluss und Logistik IML,

Joseph-von-Fraunhofer-Straße 2-4, D-44227 Dortmund,

Tel. +49 (0) 231 974 30, Internet: www.iml.fraunhofer.de

6

atp edition

4 / 2012

Kompetent in Sicherheit

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anche

Komplexität beherrschen – Zukunft sichern mit

Automation, Robotik und Wireless Automation

Die Komplexität wächst in der Industrie und in zahlreichen

Bereichen des Alltags unaufhörlich. Die damit

verknüpften Herausforderungen greift der Kongress Automation

2012 mit dem Motto „Komplexität beherrschen

– Zukunft sichern“ auf.

Die Vielfalt der Automation mit ihren dynamischen

technologischen Entwicklungen einerseits und der großen

Breite der Anwendungen andererseits in einem einzigen

Kongress zu erfassen, ist selbst eine komplexe

Aufgabe, betont die Kongressleitung. Bewältigt werde

diese Aufgabe durch eine Kongressstruktur, die sich

nicht explizit in diverse Einsatzgebiete gliedert. Viel-

die zukunft meistern: Wie sich mit Automatisierungstechnik

die wachsende Komplexität in Fertigungsund

Prozessindustrie bewältigen lässt, wird auf dem

GMA-Kongress Automation 2012 diskutiert. Bild: Siemens

mehr werde der Lebenszyklus von Lösungen der Automation

beleuchtet – vom Geräte- und Systementwurf,

über den Betrieb automatisierter Anlagen bis zu Aspekten

der Wartung und Diagnose.

Dies ermögliche zugleich Einblicke, wie Fachkolleginnen

und -kollegen aus anderen Einsatzbranchen ähnlich

gelagerte Aufgaben der Automation lösen, betonen

die Kongressleiter Dr.-Ing. Peter Adolphs, Prof. Dr.-Ing.

Ulrich Jumar und Dr.-Ing. Norbert Kuschnerus. Sie heben

hervor: „Ein fruchtbarer Gedankenaustausch und eine

enge Kooperation von Wissenschaftlern, Herstellern und

Anwendern sind Voraussetzung für zukunftssichernde

Automationslösungen. Eingeschlossen sind dabei wirtschaftliche

Aspekte ebenso wie die Interaktion des Menschen

mit den geschaffenen Systemen.“ Die Tagung Automation

in Baden-Baden, die sich im deutschsprachigen

Raum als der technisch-wissenschaftliche Leitkongress

von Herstellern, Anwendern, Forschungsvertretern und

dem technischen Nachwuchs auf dem Gebiet der Automation

etabliert habe, biete dafür eine optimale Plattform.

Veranstaltet wird Automation 2012 von der VDI/VDE-

Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik. Fachliche

Mitträger sind die Namur und der ZVEI. Parallel

finden auch die Tagungen Wireless Automation und Industrielle

Robotik statt, die den Besuchern der Automation

2012 ebenfalls offen stehen. Weitere Informationen

sind zu finden unter www.automatisierungskongress.de.

VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und

Automatisierungstechnik (GMA)

VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE E.V.,

VDI-Platz 1, D-40468 Düsseldorf,

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

Funktionale Sicherheit und Informationssicherheit

In Ausgabe 10/2012 der atp edition

möchten wir das Spannungsfeld funktionale

Sicherheit und Informationssicherheit

in der industriellen Automatisierung beleuchten.

In interoperablen vernetzten Systemen

sind Methoden und Werkzeuge gefragt,

die die spezifischen Anforderungen

beider Bereiche integrieren. Das Themenfeld

reicht von der systematischen Definition

von anlagenspezifischen Risiken und

Schutzzielen über mathematisch-algorithmische

Grundlagen sicherer Kommunikation

bis zu formalen Ansätzen zur Generierung

zertifizierbarer Automatisierungslogiken.

Besonderer Wert wird auf jene

Beiträge gelegt, die integrierenden oder

differenzierenden Charakter aufweisen.

Wir bitten Sie, bis zum 18. Mai zu diesem

Themenschwerpunkt einen gemäß atp-

Autorenrichtlinien ausgearbeiteten Hauptbeitrag

per E-Mail an urbas@oiv.de einzureichen.

Ziel ihres Beitrags sollte der „Brückenschlag“

zwischen aktuellen Erkenntnissen

und Innovationen, den methodischen

Grundlagen und den zukünftigen Anwendungen

in der industriellen Praxis sein.

Ansprechen soll Ihr Aufsatz technische

Führungskräfte, Entscheider und Key Experts

der Automatisierungsbranche.

In den Hauptbeiträgen der atp edition werden

die Themen mit hohem wissenschaftlichem

und technischem Anspruch und

vergleichsweise abstrakt dargestellt. Im

Journalteil schlägt atp edition die Brücke

zur Praxis. Hier werden Erfahrungen von

Anwendern mit neuen Technologien, Prozessen

oder Produkten beschrieben.

Alle Beiträge werden von einem Fachgremium

begutachtet. Sollten Sie sich selbst

aktiv an dem Begutachtungsprozess beteiligen

wollen, bitten wir um kurze Rückmeldung.

Für weitere Rückfragen stehen

wir Ihnen selbstverständlich gern zur

Verfügung.

Ihre Redaktion der atp edition:

Leon Urbas, Gerd Scholz, Anne Hütter

Call for

Aufruf zur Beitragseinreichung

Thema: Funktionale Sicherheit

und Informationssicherheit

Kontakt: urbas@oiv.de

Termin: 18. Mai 2012

8

atp edition

4 / 2012

Wachstumsdelle

ausgebügelt

Die deutsche Elektroindustrie erzielte zum Jahresstart

mit 11,9 Milliarden Euro den zweithöchsten Exportwert,

der jemals in einem Januar erreicht wurde und übertraf

damit den Vorjahreswert um fünf Prozent. Im gesamten

vergangenen Jahr hatten die Elektroausfuhren mit einem

Zuwachs von fünf Prozent auf 155 Milliarden Euro ein

neues Allzeithoch erreicht.

Die Konjunkturaussichten bleiben nach Einschätzung des

Branchenverbands ZVEI zum Jahresbeginn stabil. Zwar lagen

die Bestellungen im Januar fünf Prozent unter ihrem

entsprechenden Vorjahreswert. „Hier spielen aber auch Basiseffekte

eine Rolle“, sagte ZVEI-Chefvolkswirt Dr. Andreas

Gontermann. „So waren die Auftragseingänge im Januar

2011 noch um mehr als ein Fünftel in die Höhe geschnellt.

Zudem gab es zu Beginn des laufenden Jahres wie schon in

den drei Monaten zuvor keine Großaufträge.“

Die um Preiseffekte bereinigte Produktion der Elektrounternehmen

hat ihren Vorjahresstand im Januar 2012 indessen

um zehn Prozent übertroffen. „Dies war der auf Jahressicht

stärkste Zuwachs seit Herbst des vergangenen Jahres",

betonte Gontermann. Ihre Produktionspläne haben die

Elektrounternehmen im Februar 2012 den zweiten Monat

in Folge deutlich heraufgesetzt. Neun von zehn Firmen

planten, ihren Output in den kommenden drei Monaten

weiter zu erhöhen oder aufrechtzuerhalten.

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Türkei nun auch

Vollmitglied des Cenelec

Das Nationale Elektrotechnische Komitee der Türkei,

die TSE – Turkish Standards Institution, ist zu Jahresbeginn

als 32. Vollmitglied des Cenelec aufgenommen

worden. Die DKE hat sich im Rahmen der Intec-Initiative

mit dem türkischen Normungsinstitut TSE bereits in der

Vergangenheit in Normungsthemen ausgetauscht und

wird diese Kooperation in der Zukunft noch weiter verstärken.

Die DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik

Elektronik Informationstechnik im DIN und VDE vertritt

Deutschland in den technischen Gremien im Cenelec.

Hauptaufgabe von Cenelec ist die Umsetzung von IEC-

Normen in europäische Normen: Knapp 80 Prozent der

europäischen Normen basieren auf Arbeitsergebnissen

der IEC oder sind mit ihnen identisch. Darüber hinaus

erarbeitet Cenelec – mit dem Schwerpunkt auf europäische

Anforderungen – eigene europäische Normen. Cenelec

übt mit seinen Dienstleistungen eine Klammerfunktion

zwischen Normung und Gesetzgebung aus.

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verband

GMA forciert Diskussion über cyber-physische

Systeme in einem neuen Fachausschuss

Wie cyber-physische Systeme und

die Automatisierungstechnik ineinandergreifen,

will die GMA in einem neuen

Fachausschuss diskutieren. Bild: BASF

Mit einem neuen Fachausschuss zu cyber-physischen

Systeme (Cyber-Physical Systems, CPS) will die VDI/

VDE-Gesellschaft für Mess- und Automatisierungstechnik

(GMA) das Thema stärker auf die Agenda bringen

und die Rolle der Automatisierungstechnik in diesem

Kontext deutlich formulieren. Es sollen sowohl das Potenzial

der entstehenden Technologien für die Automatisierungstechnik

ausgelotet werden, als auch die möglichen

Beiträge aus der Automatisierungstechnik zur

Bewältigung der durch die neue Systemklasse entstehenden

Herausforderungen identifiziert werden.

Der Begriff der cyber-physischen Systeme, so betont die

GMA, habe sich schnell zum dominierenden Begriff in der

Diskussion zukünftiger Herausforderungen im Bereich vernetzter

technischer Systeme entwickelt. Mittlerweile habe

die Welle auch Deutschland erreicht, etwa in Form der von

der Bundesregierung initiierten „Forschungsagenda CPS“.

CPS werden als Systeme definiert, in denen rechentechnische

und physikalische Vorgänge und Ressourcen eng

verknüpft und koordiniert sind und über öffentliche, globale

Netze kommunizieren. Beispiele dafür sind die dezentrale

Erzeugung und Verteilung von Energie (Smart

Grids), Fahrerassistenz- und Verkehrssys teme auf Basis

einer Vernetzung von Fahrzeugen untereinander und mit

ihrer Umgebung (Car-to-X), vernetzte medizintechnische

Systeme mit Kopplung von körpernaher Sensorik und

Fernüberwachung (eHealth), oder verteilte, flexible,

selbstkonfigurierende Produktionsanlagen (Industrie 4.0).

Als typische Herausforderungen für Entwurf und Betrieb

von CPS werden laut GMA postuliert: komplexe

Interaktion von physikalischer Anlage, steuernder Software

und Kommunikationsnetzen; heterogene Systemstrukturen

mit inkompatiblen, sich verändernden

Schnittstellen; oder zur Entwurfszeit nicht vorhersehbare

Änderungen im Betrieb des CPS.

Die GMA bemängelt, dass die Bedeutung der CPS für

die Automatisierungstechnik bislang nicht angemessen

diskutiert werde, obwohl sie von den Problemstellungen

her als auch im Hinblick auf die erforderlichen Lösungskonzepte

einen unmittelbaren Bezug zur Automatisierungstechnik

haben. Das soll der neue Fachausschuss

ändern, der im GMA-Fachbereich-7 „Anwendungsfelder

der Automation“ angesiedelt ist. Die Leitung des Ausschusses

hat Prof. Dr.-Ing. Stefan Kowalewski, RWTH

Aachen, übernommen.

Weitere Informationen, vor allem für Experten, die in

dem Fachausschuss mitarbeiten möchten, sind in der

GMA-Geschäftsstelle verfügbar (gma@vdi.de).

VDI/VDE-Gesellschaft

Mess- und Automatisierungstechnik (GMA),




10

Die Chancen von Appification und Gamification:

Useware im Fokus von Tagung und Wettbewerb

Aus der Consumer Electronic bekannte Techniken zur

Bedienung von Geräten erhalten auch für die Gestaltung

der Mensch-Maschine-Schnittstelle in Automatisierungsanlagen

wachsende Bedeutung. Welches Potenzial

sie in diesem Feld bieten, ist das zentrale Thema der

Fachtagung „Useware 2012 – Mensch-Maschine-Interaktion“.

Diese Tagung der VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und

Automatisierungstechnik (GMA) findet am 4. und 5.

Dezember in Kaiserslautern statt. Die GMA bittet um

Einreichung von Vortragsvorschlägen für eines dieser

beiden Formate: Fachbeiträge zu Appification und Gamification

in herausfordernden Einsatzumgebungen

oder Demonstratoren, Designstudien sowie industrielle

Produktpräsentationen.

Zudem lobt die GMA den „Useware-Preis für nutzerorientierte

Technikgestaltung“ aus. Bis zum 31. August

atp edition

4 / 2012

können sich Unternehmen und Forschungseinrichtungen

selbst bewerben oder von Dritten als Kandidaten vorgeschlagen

werden. Ausgezeichnen will die GMA mit dem

Preis „herausragende Produktlösungen, neue Entwicklungsmethoden

und die Etablierung von Prozessen, die

dazu beitragen, Useware-Engineerings in Unternehmen

nachhaltig zu verankern“. Verliehen wird der Preis bei

der Useware-Konferenz in Kaiserslautern.

Weitere Informationen zu Tagung und Preis sind zu

finden unter: www.vdi.de/useware

VDI/VDE-Gesellschaft

Mess- und Automatisierungstechnik (GMA),




Zuversicht der Branche

beflügelt die Achema

Die gute Wirtschaftslage spiegelt sich auch in den

Prognosen für die Achema 2012 wider. Die weltgrößte

Messe für chemische Technik, Biotechnologie

und Umweltschutz erwartet gegenüber der letzten

Achema im Jahr 2009 steigende Ausstellerzahlen. Besonders

in den Bereichen Mess- und Regeltechnik

sowie Pharma- und Verpackungstechnik seien deutliche

Zuwächse zu verzeichnen, teilte die Dechema

als Messeveranstalterin mit. Die Achema findet vom

18. bis 22. Juni 2012 in Frankfurt am Main statt.

Das Programm des parallel zur Messe stattfindenden

Kongresses umfasst mit 900 Vorträgen die gesamte

Bandbreite von Verfahrenstechnik, pharmazeutischer

Produktion und Biotechnologie. Namur, ARC Advisory

Group und ZVEI veranstalten auf der Achema zudem

das Forum „Automation im Dialog“. An allen fünf

Ausstellungstagen werden Vertreter von Herstellern,

Anwendern, Lösungsanbietern, Consultants und Behörden

über wichtige Themen der Automatisierungstechnik

in der Prozessindustrie diskutieren.

Die Gesprächsrunden behandeln Trendthemen wie

Energie- und Ressourceneffizienz, IT-Security in der Automation

oder den Einsatz von Funk in der Prozessindustrie.

Daneben können sich interessierte Besucher auch

über aktuelle Entwicklungen wichtiger Dauerthemen

wie Ex-Schutz oder funktionale Sicherheit informieren.

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Dechema gibt sich

eine neue Struktur

Die Dechema Gesellschaft für Chemische Technik

und Biotechnologie hat sich neu aufgestellt. Die

Dechema Ausstellungs-GmbH wurde aus dem Dechema

e.V. ausgegründet und das Karl-Winnacker-Institut

an die Stiftung Dechema-Forschungsinstitut übergeben.

Die Dechema Gesellschaft für chemische Technik

und Biotechnologie e.V. werde sich weiterhin um die

Belange ihrer Mitglieder kümmern, unter anderem

etwa 100 themenbezogene Gremien betreuen und jährlich

50 Tagungen, darunter auch den Achema-Kongress,

organisieren. Die Stiftung Dechema-Forschungsinstitut

soll sich unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing.

Michael Schütze und PD Dr. Jens Schrader ganz auf

die Entwicklung nachhaltiger Technologien konzentrieren.

Die Stiftung Dechema-Forschungsinstitut und

die Dechema e.V. sind Anteilseigner der Dechema

Ausstellungs-GmbH.

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verband

Namur baut ihre strategischen Aktivitäten

in China kontinuierlich aus

Sieben Arbeitskreise mit lokalen Obmännern treiben die Arbeit vor Ort voran

Besonders in Asien weitet die Namur in jüngster Zeit

ihre internationalen Aktivitäten aus. In China

sind bereits sieben Namur-Arbeitskreise aktiv, die von

chinesischen Obmännern geleitet werden und sich jenen

Themen widmen, die lokale Unternehmen als die drängendsten

identifizierten. Im Herbst wird zudem bereits

die vierte Namur-Konferenz in Shanghai stattfinden. Ihr

strategisches Engagement in China hat die Namur auch

mit der Einrichtung eines neuen Arbeitsbereiches im

Vorstand unterstrichen, der sich allein den Aktivitäten

in China widmet und von Dai XiaoLong (BASF YPC)

geleitet wird. Im Gespräch mit atp edition erläuterten

Namur-Vertrteter die Eckpunkte der Arbeit in China.

Die Namur vertritt als Verband die Interessen der Anwender

von Automatisierungstechnik in der Prozessindustrie.

Zu den wichtigen Aktivitäten gehört der Austausch

von Erfahrungen innerhalb der Mitgliedsfirmen.

Die Arbeitskreise der Namur definieren aber auch Anforderungen

an Komponenten, Systeme und Dienstleistungen.

Diese Vorgaben stellen eine wertvolle Hilfe für

Anbieter dar, die sich bei der Entwicklung von Produkten

gerne daran orientieren, um die Praxistauglichkeit

ihres Angebots sicherzustellen.

internationale Ausrichtung verstärkt

Gerade der Erfolg dieser zweiten wesentlichen Aktivität

der Namur hängt stark davon ab, ob sie international

sichtbar ist und beachtet wird. Die Namur hat deswegen

im vergangenen Jahrzehnt ihre internationale Ausrichtung

deutlich verstärkt, zum einen durch Kooperationen

mit Verbänden in anderen Ländern, zum anderen

auch durch ein verstärktes Engagement in internationalen

Normungsaktivitäten. Eine verstärkte internationale

Vernetzung der Anwenderverbände bringt auch

für die Hersteller als international aufgestellte Unternehmen

Vorteile.

Der asiatische Wirtschaftsraum hat in den vergangenen

Jahren stark an Bedeutung gewonnen. Viele Mitgliedsfirmen

der Namur haben dort Tochterfirmen. Die

Namur hat deswegen im Jahr 2008 beschlossen, zunächst

eine Konferenz in China zu veranstalten, um

damit den Erfahrungsaustausch zu fördern. Gleichzeitig

sollte ausgelotet werden, ob es einen Bedarf gibt,

einen ständigen Erfahrungsaustausch in Arbeitskreisen

zu organisieren. Die Konferenz unter dem Motto „Namur

comes to China“ wurde von einem Kernteam aus

Mitarbeitern von Tochterunternehmen von Namur-

Mitgliedsfirmen inhaltlich vorbereitet und organisiert.

Zu diesem Kernteam gehören:

BASF-YPC (Nanjing)

Bayer Technology and Engineering (Shanghai)

Bayer MaterialScience China (Shanghai)

Evonik Degussa (Shanghai)

Wacker Chemicals (Zhangjiagang)

die wichtigsten themen identifiziert

Die bereits von 88 Teilnehmern besuchte Konferenz

2009 zeigte, dass es einen großen Bedarf und ein großes

Interesse an einem permanenten Erfahrungsaustausch

in China gibt. Während der Konferenz wurden in direkten

Diskussionen mit dem Publikum die wesentlichen

Themen identifiziert, bei denen die Teilnehmer die größten

Vorteile aus einem Firmen-übergreifenden Erfahrungsaustausch

erwarten. Aus der gesamten Breite der

Namur-Arbeit kristallisierten sich dabei sieben Themen

heraus. Zu diesen Themen wurden nach der Konferenz

Arbeitskreise (Working Groups, WG) gegründet, die von

jeweils einem Mitglied des Kernteams als Sponsor unterstützt

werden.

Das Kernteam der Namur in China (von links nach rechts):

BiDai Xiaolong (BASF-YPC), Martin Zeller (Bayer Technology and

Engineering), Hu Weigang (Wacker Chemicals), Darius Simon

(Bayer Material Science China), Ottmar Schilling (Evonik Degussa).

Bild: Namur

„Planung und Errichtung“(WG 1.1)

„PLS-Engineering“(WG 1.10)

„Niederspannungs-Technik“(WG 3.14)

„Wartung“(WG 4.1)

„Anlagensicherheit“(WG 4.5)

„Explosionsschutz“(WG 4.7)

„Energieeffizienz“(WG 4.17)

Die zweite Konferenz der Namur fand 2010 unter dem

Motto „Namur Activities in China“ ebenfalls in Shanghai

statt. Bei dieser Tagung mit über 100 Teilnehmern

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atp edition

4 / 2012

Die Working Groups der Namur in China

WG 1.1 Planung und Errichtung

Obmann: William Chen, Evonik Degussa

Sponsor: Ottmar Schilling, Evonik Degussa

Zuständig für:

Behördliche Vorschriften für PLT -Projekte

Projektausführung für PLT in China

Management der PLT-Montage

PLT-Dokumentationsstruktur

WG 4.1 Maintenance

Obmann: Zhao Yongming, BASF-YPC

Sponsor: Dai Xiaolong, BASF-YPC

Zuständig für:

Wartungspläne für E&I in China (Vorschriften und Musterlösungen)

Vorbeugende Instandhaltung

Zustandsorientierte Instandhaltung auf der Basis von PLT-Asset

Management Systemen (Machbarkeitsstudie mit marktgängigen Systemen)

WG 1.10 PLS-Engineering

Obmann: Le Wang, BMSC

Sponsor: Martin Zeller, BTES

Zuständig für:

Alarmmanagement

Asset LifeCycle Management bei Prozessleitsystemen

im Spannungsfeld kurzer

Produktzyklen und langer Anlagenlaufzeiten Anforderungen

an die Statusüberwachung von Prozessleitsystemen

Standardbibliotheken für Softwarebausteine

Qualitätssicherung bei der Instandhaltung

Abfahren von Anlagen

Akzeptanzkriterien für die Abnahme

IT-Security in der Automation

WG 3.14 Niederspannungstechnik

Obmann: Gao Zhirong, BASF-YPC

Sponsor: Hu Weigang, Wacker

Zuständig für:

Sammeln von Best Practices

Einheitliches Konzept für zukünftige

Niederspannungssysteme in der Prozessindustrie

Niederspannungsverteilung

Elektrische Antriebe

Integrierte Motorsteuerung

Frequenzumrichter

Konkrete Umsetzung von Anforderungen in IEC- und

GB-Standards

WG 4.5 Anlagensicherheit

Obmann: Wang Haitao, Wacker Chemicals

Sponsor: Hu Weigang , Wacker Chemicals

Zuständig für:

Funktionale Sicherheit in der Prozessindustrie

(Technische Aspekte, Managementsysteme)

Praktische Umsetzung der IEC 61511 / GB/T21109 (Prüfung oder

Abnahme von sicherheitsgerichteten Systemen durch Chinesische Behörden und

zugelassene Prüfstellen mit ausreichender fachlicher Expertise, Praktisches

Vorgehen bei SIL-Zertifikaten für in China hergestellte Geräte oder Systeme).

Elektromechanische Bauteile in Sicherheitseinrichtungen

WG 4.7 Explosion Protection

Obmann: Pan Qingsheng, BASF (China) Company Ltd.

Sponsor: Dai Xiaolong, BASF-YPC

Zuständig für:

Checkliste für die Abnahme von Ex-Motoren nach Reparatur

Induktionsmotor und Frequenzumrichter im Ex-Bereich

Kontakt zu chinesischen Regelsetzern und Prüfstellen im

Explosionsschutz

WG 4.17 Energieeffizienz

Obmann: Wang Bin, BMSC

Sponsor: Darius Simon, BMSC

Zuständig für:

Energieeffizienz in der Beleuchtung

(Marktübersicht und Empfehlungen)

Wirtschaftliche Auslegung von Niederspannungskabeln

Energieeffiziente Motoren

Energieeffizienz in Umspannungseinrichtungen

Energieeffizienz von Frequenzumrichtern im Vergleich zu konventionellen Antrieben

wurden die beeindruckenden Arbeitsergebnisse des ersten

Jahres vorgestellt, Anregungen an die Arbeitskreise

herangetragen und das weitere Vorgehen besprochen.

Auch diese Konferenz war geprägt von intensiven fachlichen

Gesprächen und der Möglichkeit zum gegenseitigen

Kennenlernen.

eigenständige organisation in china

Neben der Etablierung eines regelmäßigem Erfahrungsaustausches

zwischen den Mitgliedsfirmen verfolgt die

Namur mit dem Engagement in China auch das Ziel, den

Kontakt zu chinesischen Normungsgremien und ähnlichen

Organisationen zu intensivieren. Als sehr fruchtbar

bei den Bemühungen, einen einheitlichen Standard im

Bereich „Wireless Automation“ zu erreichen, hat sich dabei

der Kontakt zum ITEI (Instrumentation Technology

and Economy Institute) erwiesen.

Die Namur hat in China innerhalb des ersten Jahres

ihrer Aktivitäten eine ganze Reihe von Themen aus der

Automatisierungstechnik aufgegriffen und bearbeitet.

Sie tut das im Interesse der beteiligten Firmen und trägt

auch in China dazu bei, die Verfügbarkeit und Sicherheit

der Anlagen zu erhöhen. Der Bedarf an Erfahrungsaustausch

zeigt sich in der großen Zahl von Kollegen, die

sich an der Arbeit in den Arbeitskreisen beteiligen. Die

ersten beiden Jahre der Namur in China waren damit ein

deutlicher Erfolg.

Bei der Namur-Tagung in Shanghai 2011 unterstrich

der kurz zuvor neu gewählte Vorstandsvorsitzende Dr.

Wilhelm Otten vor mehr als 120 Teilnehmern die Bedeutung

der Aktivitäten in China. Er hob hervor, Namur

China sehe man nicht als Filiale des deutschen Verbands,

sondern als eigenständige Organisation, die ihre

eigenen Themen setzen und bearbeiten solle. Die Namur

werde ihr strategisches Engagement in China bestärkt

durch den bisherigen Erfolg fortsetzen und ausbauen.

atp edition

atp edition

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praxis

Automatisierte Steuerungstests vereinfachen die

virtuelle Inbetriebnahme in der Fabrikautomation

Projekt OMSIS verbindet die beteiligten Softwarewerkzeuge zu einem praktikablen Workflow

Virtuelle Inbetriebnahmen (VIBN) von Maschinen oder

Fabriken mit dem Ziel, ausgetestete Steuerungsprogramme

zu erzeugen, benötigen zu ihrem Gelingen nicht nur bloße

Hardware-in-the-Loop-Simulationen, sondern eine durchgängige

und automatisierte Werkzeugkette für Steuerung,

Simulation, Monitoring, Analyse sowie Testfallverwaltung

und -ausführung. Im Rahmen des Forschungsprojektes

OMSIS wurde solch eine integrierte Test- und Simulationsumgebung

prototypisch realisiert und diese These bekräftigt.

Obwohl die virtuelle Inbetriebnahme von Anlagen der

Fabrikautomation ein großes Potenzial besitzt, scheuen

sich nach wie vor viele Unternehmen, diese Technik einzusetzen.

Wesentlicher Grund für diese Ablehnung sind

nicht etwa fehlende Teillösungen zur 3D-Anlagensimulation

oder zur Kopplung dieser Simulationen mit realen

Steuerungen (SPSen). Was fehlt, ist eine geeignete Gesamtlösung,

welche die vorhandenen Werkzeuge zu einem praktikablen

Workflow verbindet, um die notwendige Nutzerakzeptanz

bei Automatisierern und Betreibern für diese

Technologie zu erreichen. Deshalb hat sich ein Konsortium

aus zwei Universitäten, drei Simulatorherstellern sowie

vier IT-Dienstleistern aus den Bereichen Messtechnik, Automotive

und Halbleiter im Rahmen des Förderprojektes

OMSIS (On-the-fly-Migration und Sofort-Inbetriebnahme

von automatisierten Systemen) damit beschäftigt, die Anwendbarkeit

von VIBN in der Praxis zu verbessern und

deren Fokus von reiner Simulation auf den automatisierten

Test von Maschinensteuerungen zu erweitern.

SOFTWARETESTS BESITZEN HOHE BEDEUTUNG

Weil Neubau und Erneuerung von Automatisierungstechnik

in modernen Unternehmen kein einmaliger, sondern

ein permanenter Prozess ist, kommt solchen Softwaretests

eine große Bedeutung zu. Errichter und Betreiber von automatisierten

Industrieanlagen sehen sich dabei typischerweise

mit folgenden Problemstellungen konfrontiert:

Bild 1: Virtuelle Inbetriebnahme als bloße Hardware-inthe-Loop-Simulation.

Programmierung, Softwaretest und

Leistungsbewertung zu Zeitpunkten, da die reale Maschine

noch gar nicht existiert, sind damit allein oft nicht möglich.

Bild 3: Testfall-Beschreibung im Testautomatisierungswerkzeug

ECU-Test. Hier wird beispielhaft getestet, ob eine Aktivierung

beziehungsweise Deaktivierung einer einzelnen Maschine

einer Taktstraße das spezifizierte Verhalten bewirkt.

Bild 2: Integrierte Test- und Simulationsumgebung zur automatisierten

Testfallausführung und –überwachung. Sie ermöglicht

dem Anwender ein systematisches und reproduzierbares

Austesten aller denkbaren Prozesssituationen, auf welche die

Steuerung später reagieren können muss.

Bild 4: Tool-Mapping des Testfalls auf verschiedene Software

(SW) oder Hardware (HW) während einzelner Entwicklungsphasen.

Damit wird die symbolische Entkopplung der Testschritte

von den tatsächlich angesteuerten Werkzeugen möglich.

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atp edition

4 / 2012

Die Entwicklung und der Test von Steuerungsprogrammen

sollen aus Termingründen bereits vor der

Fertigstellung einer zu errichtenden Anlage erfolgen.

Bestimmte Anlagenkomponenten, wie Steuerungen

(MES, SPS) oder Maschinen, müssen quasi im laufenden

Anlagenbetrieb ausgewechselt oder um neue

Komponenten erweitert werden.

Neue Strategien zur Fertigungsplanung oder optimierte

Dispatching-Regeln für die Materiallogistik

müssen erprobt werden, ohne den geordneten Produktionsablauf

zu gefährden.

Sowohl während einer Prototypen-Entwicklung als auch

einer Migration sollen demzufolge Programmierung,

Softwaretest und Leistungsbewertung zu Zeitpunkten

stattfinden, wo die reale Maschine noch gar nicht existiert

oder nicht benutzt werden darf. Genau diese Anforderung

soll die VIBN (Bild 1) eigentlich erfüllen, aber oft

genügt sie diesem Anspruch nicht. Warum?

Kommerzielle Anbieter in diesem Segment konzentrieren

ihre Lösungen für die Fabrikautomation überwiegend

auf die Anlagensimulation und die Steuerungskopplung.

Die Simulation übernimmt dabei die realitätsnahe Nachbildung

aller relevanten Maschinenfunktionen und ist

häufig mit einer informativen 3D-Visualisierung ausgestattet.

Die Kopplung ist meist eine kombinierte Hardware-Software-Lösung

und dient der echtzeitfähigen

Anbindung eines realen Controllers sowie weiterer HMI-

Geräte wie Operator Panels. Letztere können wahlweise

auch rein simulativ nachgebildet werden.

BISLANG NUR PROBIEREN UND BEOBACHTEN

Prinzipiell lassen sich VIBN mit solch einer Hardwarein-the-Loop-Simulation

durchführen, die gebotenen

Möglichkeiten reduzieren sich aber auf visuelles Testen

– also Probieren und Beobachten. Warum das nicht

hinreichend ist und die VDI 3633 konsequenterweise

eine Verknüpfung von Simulation und (automatisiertem)

Funktionstest fordert, lässt sich leicht nachvollziehen,

wenn man betrachtet, dass es die VIBN einer

durchschnittlichen Anlage bedingt, mehrere Hundert

Eingangs-Signale kombinatorisch verknüpft zu stimulieren

und die erwarteten Ausgangs-Reaktionen zu

prüfen und zu protokollieren. Daraus resultieren mehrere

Tausend Testfälle, die iterativ ausgeführt werden

müssen, sobald sich Teile der Software ändern, zum

Beispiel aufgrund einer nachträglichen Fehlerbehebung.

Jeder einzelne Testlauf wiederum verlangt vom

Testpersonal die Ausführung einer Reihe von Bedienhandlungen

wie

das Initialisieren oder Rücksetzen des Simulationsmodells,

den Neustart der Steuerung (SPS/MES),

das folge- und zeitrichtige Stimulieren bestimmter

Prozesssignale und

das Beobachten sowie Protokollieren des Steuerungsverhaltens.

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praxis

Aufgrund der mangelhaften Werkzeugunterstützung für

VIBN im Bereich der Fabrikautomation müssen diese

Schritte für gewöhnlich mühsam von Hand ausgeführt

werden. Testfehler und eine geringe Testgeschwindigkeit

sind die logischen Folgen.

AUTOMATISIERTE TESTUMGEBUNG ERFORDERLICH

Spätestens dann, wenn die Steuerung von der simulierten

auf die reale Anlage umgeschaltet wird, zeigt sich,

inwieweit die Steuerungssoftware bis dahin wirklich

ausgetestet und ausgereift ist – und zwar hinsichtlich

ihrer Funktion und Performance. Ab einem bestimmten,

minimalen Reifegrad ist eine automatisierte Test- und

Simulationsumgebung erforderlich, die aus einer integrierten

Werkzeugkette für Simulation, Monitoring, Datenanalyse

und Testfallausführung besteht (Bild 2). Diese

Umgebung ermöglicht dem Anwender ein systematisches,

reproduzierbares und nachweisbares Austesten

aller denkbaren Prozesssituationen, auf welche die Steuerung

später reagieren können muss. Ziel ist, den Mensch

von den oben genannten Routineaufgaben zu entlasten

und dadurch die Testeffizienz und -qualität zu steigern.

Alle beteiligten Hardware- und Softwarekomponenten

einschließlich der zu testenden Steuerung werden zu diesem

Zweck über Schnittstellen mit einer zentralen Instanz,

dem sogenannten Testsystem-Manager verbunden. Dieser

bietet den Komfort, alle Systemkomponenten auf Knopfdruck

konfigurieren, starten oder stoppen zu können. So

wird der Steuerungstest, und damit die eigentliche virtuelle

Inbetriebnahme, erst effizient und praktikabel. Solch

eine integrierte Test- und Simulationsumgebung wurde

im Rahmen des Projektes OMSIS prototypisch realisiert.

TESTFÄLLE FÜR GESAMTEN ENTWICKLUNGSPROZESS

Als Testsystem-Manager kam die Software ECU-Test

(TraceTronic) zum Einsatz, ein im Automobilbereich etabliertes

Testautomatisierungswerkzeug zur Spezifikation,

Implementierung, Ausführung und Dokumentation

von Testfällen. Sogenannte Tool-Adapter bilden dabei

die Schnittstellen, über welche ECU-Test mit der jeweiligen

Systemkomponente kommuniziert. Im Rahmen des

Projektes wurden mit wenig Aufwand Tool-Adapter für

mehrere Werkzeugklassen entwickelt, die folgende

Funktionalitäten bieten:

Simulation – Enterprise Dynamics (Incontrol):

Erzeugen, Lesen und Schreiben von Modellelementen

und deren Attributen,

Starten, Stoppen und Rücksetzen der Simulation,

Steuerung – SPS SIMATIC S7 (Siemens):

Stoppen und Neustarten der Steuerung,

Lesen und Schreiben ausgewählter Signale,

Monitoring – Analysator AutoSPy (GWT-TUD):

Dokumente zum Speichern der Monitoringdaten

erzeugen, Aufzeichnungen starten und anhalten.

ECU-Test gestattet neben der Interaktion mit dem

Testaufbau auch die grafische Bearbeitung von Testfällen,

die Spezifikation von entsprechenden Erwartungswerten,

eine bedingte Testschrittausführung, Schleifendurchläufe

und schließlich komplexe Bewertungen, die

im Testreport sichtbar werden. Bild 3 zeigt einen solchen

Testfall. Hier wird beispielhaft getestet, ob eine

Aktivierung beziehungsweise Deaktivierung einer einzelnen

Maschine einer Taktstraße das spezifizierte Verhalten

bewirkt.

Erfahrungen aus der Automobilbranche zeigen, dass

es ökonomisch sinnvoll ist, Testfälle nicht nur für einzelne

Phasen der Steuerungsentwicklung zu entwerfen,

sondern diese Tests möglichst über den gesamten Entwicklungsprozess

weiterzuverwenden. ECU-Test unterstützt

dieses Konzept durch die symbolische Entkopplung

der Testschritte von den tatsächlich angesteuerten

Werkzeugen mittels des sogenannten Tool-Mapping, wie

in Bild 4 dargestellt.

Das Projekt OMSIS (Förderkennzeichen 16IN0650)

wurde finanziert vom Bundesministerium für Wirtschaft

und Technologie und endete im Juli 2011. Im

ersten Quartal 2012 erfolgte die praktische Validierung

der geschaffenen Werkzeuge und gewonnenen Erkenntnisse

in einem Pilotprojekt zur virtuellen Inbetriebnahme

einer Sondermaschine. Darin konnten die Praktikabilität

und der Nutzen der vorgestellten Testumgebung

bestätigt werden.

Autoren

Prof. Dr.-Ing. habil.

Klaus Kabitzsch

ist Leiter des Lehr -

stuhls für Technische

Informationssysteme

der

TU Dresden.

Technische Universität Dresden,

Institut für Angewandte Informatik,

Helmholtzstraße 10, D-01069 Dresden,

Tel. +49 (0) 351 46 33 82 89,

E-Mail: klaus.kabitzsch@tu-dresden.de

Dipl.-Inf. André

Gellrich ist

Wissenschaftlicher

Mitarbeiter mit

Forschungsschwerpunkt

energieeffiziente

Software am

Institut für Angewandte

Informatik

der TU Dresden.

Technische Universität Dresden,

Institut für Angewandte Informatik,

Helmholtzstraße 10, D-01069 Dresden,

Tel. +49 (0) 351 46 33 84 78,

E-Mail: andre.gellrich@tu-dresden.de

Dipl.-Inf.

Jens Naake ist

Produktverantwortlicher

für die

Monitoring- und

Analysesoftware

AutoSPy bei der

GWT-TUD GmbH.

GWT-TUD GmbH,

Arbeitsgruppe AutoSPy,

Blasewitzer Straße 43, D-01307 Dresden,

Tel. +49 (0) 351 46 33 84 75,

E-Mail: jens.naake@gwtonline-fb.de

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atp edition

4 / 2012

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praxis

Normen-Dschungel IT-Security: Neue Standards

sollen Konflikte mit etablierten Regeln vermeiden

UK 931.1 des DKE formuliert Anforderungen an die künftige Normenreihe IEC 62443

Die Informationstechnik bringt ohne Zweifel eine Steigerung

der Effizienz vieler Geschäftsprozesse. Damit

einher gehen aber auch neue Bedrohungen der Verfügbarkeit

von Produktionsanlagen oder der Integrität und

Vertraulichkeit von Geschäftsdaten. Angestrebt wird,

abgestimmte technische Regeln, Normen oder Standards

aufzustellen, um für die verschiedenen Industrien einheitliche

Vorgehensweisen und angepasste Schutzkonzepte

gegen diese neuen Bedrohungen zu verabreden.

Für moderne Prozessleitsysteme werden Hard- und Softwaretechnologien

eingesetzt, wie sie auch in der Standard-

IT für die Büroumgebung zum Einsatz kommen. Damit

stehen preiswerte, leistungsfähige Systeme zur Verfügung.

Aber aufgrund der technologischen Gleichheit der Lösungen

werden neue Bedrohungs-Szenarien relevant, welche

zuvor keine Rollte spielten, da proprietäre Systeme eingesetzt

wurden. Dabei sind die Anforderungen in der Prozessautomatisierung

deutlich höher: Während etwa bei

Banken oder Speditionen kurzzeitige Ausfälle als durchaus

akzeptabel gelten, müssen in der Prozessindustrie die

Systeme für die Basisautomatisierung uneingeschränkt

verfügbar sein. Denn auch kurzzeitige Ausfälle der Systeme

können zu gravierenden Produktionsverlusten führen.

STANDARDISIERTE VORGEHENSWEISE

Um diesen Anforderungen entsprechende Lösungen entwerfen

zu können, hat sich in vielen Bereichen eine quasi

standardisierte Strategie etabliert:

Es wird eine Bedrohungsanalyse ausgeführt und dokumentiert.

Es werden Maßnahmen zur Beherrschung der identifizierten

Risiken definiert.

Es wird ein Plan zur Implementierung der definierten

Maßnahmen erarbeitet.

Es wird ein Auditierungsschema erarbeitet, mit dem

Einhaltung und Wirksamkeit der definierten Maßnahmen

überwacht werden.

Für Automatisierungsanwendungen kann dieses Konzept

auch für die IT-Sicherheit übernommen werden, jedoch müssen

Einzelheiten angepasst werden. Details dieser Vorgehensweise

sind in den einschlägigen Normen und Spezifikationen

wie der Richtlinie VDI/VDE 2182 erläutert. Zur technischen

Umsetzung der risikominimierenden Maßnahmen werden

dann bekannte Lösungen aus der Büro-IT wie Verschlüsselungstechniken

oder Passwort-gestützte Authentifizierung

herangezogen, die noch an die speziellen Erfordernisse der

Prozessautomatisierung angepasst werden müssen.

NACHRÜSTUNG ALS HERAUSFORDERUNG

Zu den im Prozessbereich notwendigen Anpassungen gehört,

dass die BPC (Basic Process Control)-Systeme in der

Regel nicht mit Virenscannern ausgestattet werden. Stattdessen

dienen zusätzliche, geschützt aufgestellte Rechner,

als Daten-Gateway (etwa als Virenschleuse). Die BPC werden

als „demilitarisierte Zone“ ohne Schutzmaßnahmen

gegen Schadsoftware betrieben. Dabei ist es aber wichtig,

dass auch die Nutzung externer Datenträger, wie USB

Sticks oder externe Service Notebooks, hinreichend geregelt

und wo notwendig eingeschränkt wird.

Bei der Errichtung neuer Anlagen und Betriebe können

alle erforderlichen Sicherheitsmaßnahmen direkt umgesetzt

und vor allem mit dem eigentlichen Produktionsprozess

im Vorfeld abgestimmt werden. Denn hier sind

die komplette IT und die damit verbundenen Schwachstellen

bekannt. Bei IT-Änderungen einer existierenden

Prozessautomatisierungsanlage, wo die notwendigen

Maßnahmen für die IT-Sicherheit nachgerüstet werden

müssen, besteht die Herausforderung darin, die durch

die neuen IT-Funktionen erzeugten Schwachstellen genau

und vollständig zu analysieren und die erforderlichen

Schutzmaßnahmen in die bestehende Prozessautomatisierungsanlage

nahtlos zu integrieren.

SCHNELLIGKEIT VERSUS ZUVERLÄSSIGKEIT

Die unterschiedlichen Vorgehensweisen im Büro- und

Prozessbereich schlagen sich in folgenden Punkten nieder:

Steht bei Anwendungen der Büro-IT im Vordergrund,

Schwachstellen und Fehler möglichst auszumerzen bevor

Schaden entsteht, so legt man bei BPC auf sorgfältige Inbetriebnahme

und umfangreiche Betriebserfahrungen

Wert. Erkannte Fehler auf Systemniveau werden im Bürobereich

schnellstmöglich durch Software Patches

(Patch = Pflaster) korrigiert, bei BPC werden diese vermerkt

und möglichst umgangen. Nur wenn eine Umgehung

(Work Around) nicht sinnvoll oder möglich ist, werden

Systemupgrades vorgenommen, nachdem diese von

den jeweiligen Lieferanten ausgiebig getestet worden sind.

Das führt dazu, dass die BPC im Lauf der Zeit anfälliger

für IT-Bedrohungen werden, da die Systeme früher

oder später nicht mehr up to date sind. Dies ist von besonderer

Bedeutung, wenn etwa Bestandsanlagen nachträglich

mit Wartungszugängen ausgestattet werden.

Anwendungen, die von Ihrer Aktualität leben (wie Virenscanner)

sind unter diesen Bedingungen nur bedingt

wirksam, da sie auf ständige Aktualisierungen angewiesen

sind und nur mit den Security Patches des Betriebssystems

den gewünschten Schutz bieten.

Die Verwendung externer Werkzeuge (wie Laptops von

Servicetechnikern) ist kritisch zu hinterfragen, da

Schadsoftware, die durch ein aktuelles Betriebssystem

blockiert wird, unter einem alten Betriebssystemstand

verheerend wirken kann.

SAFETY UND SECURITY

Von besonderer Bedeutung sind im Hinblick auf die IT-

Sicherheit all die Automatisierungssysteme, für welche

besondere Rahmenbedingungen aufgrund gesetzlicher

oder normativer Anforderungen bestehen. Neben den

Systemen zur nachvollziehbaren Aufzeichnung von Produktionsdaten

sind dies vor allem die Systeme der funktionalen

Sicherheit.

Im Englischen verdeutlichen die Begriffe Safety und

Security die unterschiedliche Bedeutung dieser Sicherheitsgebiete.

Im technischen Bereich spricht man von

18

atp edition

4 / 2012

Für moderne Prozessleitsysteme werden Hard- und

Softwaretechnologien eingesetzt, wie sie auch in der

Standard-IT für die Büroumgebung zum Einsatz kommen.

Erforderlich sind daher Maßnahmen zur IT-Security, für die

handhabbare Normen erarbeitet werden müssen. Bild: BASF

Kurzname Arbeitskreisname Arbeitsschwerpunkt Webseite

AGA 12 American Gas Association Cryptographic Protection of SCADA (Supervisory

Control And Data Acquisition) Communications

ATIS

AWV

BDI

Alliance for Telecommunications

Industry Solutions

Arbeitsgemeinschaft für

wirtschaftliche Verwaltung e.V.

Bundesverband der Deutschen

Industrie e.V.

T1S1 Security Subcommittee (T1S1sec) Security

T1M1 – OAM&P Network Management Security,

Secure Management Security Focus Group

Arbeitskreis Sicherheit in der Informationstechnik

Datenschutz der Spitzenorganisationen der

Wirtschaft

Bitkom AK Sicherheitsmanagement Fragen der Sicherheit von elektronischen Geschäftsprozessen

und informationellen Ressourcen. Zu den

Themenbereichen zählen unter anderem elektronische

Signaturen, Biometrie und Web-Identitäten.

Bitkom FA Frühwarnsysteme Zusammenarbeit deutscher IT-Unternehmen bei der

Frühwarnung zu Internet-Gefahren

Bitkom

IEC

TC65WG10

IETF

ISA99

AK Sicherheit in Unternehmensnetzen

International Electrotechnical

Committee TC65 WG10

Internet Engineering Task

Force

The Instrumentation, Systems,

and Automation SocietySP99

Aktuelle politische, technologische und rechtliche

Entwicklungen auf dem Gebiet der IT-Sicherheit

WG to develop standard 62443;

came out of SC65C WG13,

IP Security, SIP security, SRTP, MIKEY Security

aspects in a number of working groups (including

NSIS, Geopriv, EAP, AAA, RADEXT, PANA, etc.)

Manufacturing and Control Systems Security,

Defining an overall Standard for Manufacturing

and Control Systems Security (Model, Technology,

Implementation of a Security Program, Audit,

System – and Product Requirements)

www.aga.org

www.atis.org

www.awv-net.de

www.bdi-online.de

www.bitkom.org

www.bitkom.org

www.bitkom.org

www.iec.ch

www.ietf.org

www.isa.org

Tabelle 1: Eine schier unübersehbare Vielzahl von Gremien ist aktiv, um Normen, Standards

und industrielle Richtlinien zur funktionalen Sicherheit und IT-Sicherheit up to date zu halten.

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praxis

functional Safety (funktionale Sicherheit) und IT-Security

(IT-Sicherheit). Auch im Deutschen ist eine saubere Trennung

notwendig, denn funktionale Sicherheit beschreibt

ein komplett anderes Eigenschaftsfeld als IT-Sicherheit.

Eine Abgrenzung findet sich auf der Homepage des VDE.

Bei der funktionalen Sicherheit geht es darum, durch

Automatisierungstechnik sicherzustellen, dass von einem

Gerät oder einer Anlage keine Gefahr für Menschen oder

Umwelt ausgeht. Diese Art von Sicherheit schützt die Umgebung.

Bei der IT-Sicherheit lautet das Ziel, Gefahren

abzuwehren, die von außen auf das System einwirken und

dessen Funktion beeinträchtigen, beispielsweise Schadsoftware

oder einen nicht autorisierten Zugriff.

Damit ist die Verbindung zwischen beiden Themen sichtbar:

Wenn das betrachtete System etwa eine sicherheitsgerichtete

Steuerung oder ein Feldgerät in einer Sicherheitseinrichtung

ist, dann ist jede Beeinträchtigung seiner Funktion

auch gleichzeitig eine der (funktionalen) Sicherheit.

NORMUNG: GANZHEITLICHE BETRACHTUNG FEHLT

Dennoch findet die Normung in unterschiedlichen Gremien

statt. In den einschlägigen Normen wird darauf

hingewiesen, dass das jeweils andere Thema zu beachten

ist. Es fehlt ihnen jedoch eine ganzheitliche Betrachtung.

Eine schier unübersehbare Vielzahl von Gremien ist aktiv,

um diese Normen, Standards und industriellen

Richtlinien up to date zu halten. Dabei ergeben sich unterschiedliche

Analysen, Konzepte und Sichtweisen. So

haben sich etwa unterschiedliche Begriffe entwickelt,

die im Kern aber alle für die gleiche Risikoproblematik

der IT-Sicherheit stehen, wie IT-Sicherheit in der Automatisierungstechnik,

Automation Security, Cyber Security

oder Industrial Security.

ZIELKONFLIKTE UND ÜBERLAPPUNGEN VERMEIDEN

Die IEC hat ihre Arbeitsgruppe TC 65 WG 10 mit der Erarbeitung

einer internationalen Normenreihe für die IT-

Sicherheit in der Prozessautomatisierung beauftragt. Sie

stützt sich dabei wesentlich auf die Arbeit der ISA99

(USA), in der nationale Vorarbeit geleistet wird. Im Rahmen

der ISA-Arbeit zur Normierung wurde unter anderem

ein eigenes Managementsystem für die IT-Sicherheit für

Automatisierungsanwendungen entwickelt nebst zugehörigen

spezifischen Sicherheitsanforderungen und Bewertungsmaßstäben.

In Deutschland wurde parallel zu den Aktivitäten von

ISA und IEC ein Vorgehensmodell zur Risikoanalyse und

Beherrschung erarbeitet, das auf den Bedarf der Automatisierungsanwendungen

zugeschnitten ist. Besonders

berücksichtigt werden dabei die Rollen von Anwendern,

Systemintegratoren und Produktherstellern. Dieses Vorgehensmodell

postuliert keine eigenen Anforderungen,

sondern stützt sich auf etablierte Standards. Es wurde

als Richtlinie VDI/VDE 2182 veröffentlicht. Bei Anwendung

von IT-Systemen in Unternehmen sind üblicherweise

IT-Sicherheits-Managementsysteme auf der Basis

der ISO/IEC 27000-Serie etabliert.

Dies führt dazu, dass Anwender kommerzieller IT-

Systeme, die gleichzeitig für den Fertigungs- beziehungsweise

Prozessbereich die ISA99 oder die entsprechende

internationale IEC-Normenreihe 62443 umsetzen wollen,

damit für unterschiedliche Unternehmensbereiche nicht

nur verschiedene Managementsysteme etablieren müssen.

Sondern diese sind auch noch untereinander abzustimmen

und zu verzahnen. Da je nach Anwendung

unterschiedliche Zertifizierungsstellen in Anspruch

genommen werden sollen, ist das Entstehen weiterer

Konflikte nicht auszuschließen.

ANFORDERUNG AN DIE NORMUNGSARBEIT

Wesentliche Aufgabe der WG 10 des TC 65 wird aus Sicht

der Verfasser sein, diesen Zielkonflikt aufzulösen. Darüber

hinaus gibt es momentan eine Reihe branchenspezifischer

Spezifikationen (etwa WIB, BDEW, Namur, GMA),

die unabhängig voneinander erarbeitet wurden.

Es muss ein Ziel der Normungsarbeit sein, für Unternehmen

effiziente und handhabbare Vorschriften zu

entwickeln. Das übliche Vorgehen bei der Erstellung

einer IEC-Norm erfolgt Top Down. Dabei entwickeln

und formulieren die Mitglieder eines IEC-Komitees als

Autoren

Dr. rer. nat. Gerd Wartmann

ist unter anderem Mitglied

verschiedener Arbeitskreise

und Komitees zum Thema der

IT-Sicherheit in der Automatisierungstechnik:

DKE UK 931.1

und VDI/VDE GMA FA 5.22. In

der Firmengruppe

Endress+Hauser verantwortet er

als Director Information Security die Umsetzung

und Weiterentwicklung der Informationssicherheit.

Endress+Hauser Consult AG,

Kägenstrasse 2, CH-4153 Reinach,

Tel. +41 61 715 77 23,

E-Mail: gerd.wartmann@holding.endress.com

BIS alpha msr GmbH,

Dr.-Julius-Leber-Str. 12,

D-67433 Neustadt/Weinstraße,

Tel. + 49 (0) 6321 40 05 50,

E-Mail: P.Sieber@alpha-msr.de

Dipl. Ing. Peter Sieber

ist Geschäftsführer der

BIS alpha msr GmbH in

Neustadt an der Weinstraße.

20

atp edition

4 / 2012

delegierte Experten eine Norm und legen diese den nationalen

Normungsgremien zur Begutachtung und

Überprüfung vor.

Bei der jetzt entstehenden Normenreihe IEC 62443 werden

die Vorarbeiten zu weiten Teilen in nationalen Standardisierungsgremien

geschaffen. Aus Sicht des UK 931.1

des DKE hat die IEC nun die Kernaufgabe, entstehende

Überlappungen mit existierenden Normen und Standards

zu identifizieren und aufzulösen. Insbesondere sollte die

neue IEC 62443 auf die etablierte Normenreihe zur IT-Sicherheit

ISO/IEC 27000 abgestimmt sein, die das IT-Sicherheitsmanagement

für ein Unternehmen als Ganzes betrachtet.

Dies begründet sich aus dem Reifegrad und der

Anwendungsbreite dieses bereits vorliegenden Standards.

FOKUSSIERTER LÖSUNGSANSATZ ERFORDERLICH

Andere Normen und Standards, die spezifische industrielle

Forderungen abdecken, wie die zur funktionalen

Sicherheit von industriellen Komponenten oder Anlagen,

sind zu berücksichtigen. Sollte dies nicht gelingen, wird

es künftig identische Produkte und Anwendungen geben,

für die unterschiedliche normative Anforderungen gelten.

Dies sollte mit Rücksicht auf die kommerziellen Konsequenzen

für Hersteller und Anwender unbedingt vermieden

werden.

Die wichtigsten Punkte der Haltung des UK 931.1 des

DKE zu den Eckpunkten einer zu schaffenden Normenreihe

zum Thema IT-Sicherheit für die Prozessautomatisierung

lauten:

Es ist ein risikoorientierter Lösungsansatz vorzusehen.

Der Lösungsansatz soll sich eng auf das eigentliche

Thema fokussieren, angrenzende Bereiche gehören

in andere Dokumente.

Die zum Einsatz kommenden Managementsysteme

müssen sich an den bereits vorhandenen orientieren

– Widersprüche sind zu vermeiden.

Es wird der Entwicklung eine Reihe von „Rezepten“

zur Anwendung der existierenden normativen Forderungen

Vorzug gegeben vor der Aufstellung neuer

technischer Anforderungen an die IT-Sicherheit von

Automatisierungsanlagen.

Existierende Spezifikationen, die auf der Anwendung

gültiger thematisch gleicher IEC-Standards beruhen,

sind zu berücksichtigen.

Es müssen Lösungsstrategien definiert werden, die

auch für Bestandsanlagen anwendbar sind.

Diese Forderungen scheinen schwer zu erfüllen zu sein.

An anderer Stelle, etwa in der DIN EN 61508 (VDE 0803),

konnte eine vergleichbare Lösung jedoch gefunden werden.

Feldbusunabhängig

in den Ex-Bereich!

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

explosionsgefährdeten als auch in explosionsgefährdeten Bereichen der

Industrie und des Bergbaus ausgelegt.

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

Zone 2 / 22 eingesetzt werden und bietet eine sichere, einfache und

wirtschaftliche Verbindung zur Sensorik und Aktorik der Zone

0 / 20 und 1 / 21.

Die hierfür entwickelten Ex i Busmodule bilden hierbei ein eigensicheres

Segment, das integriert in einen Standardbusknoten dem Anwender

sämtliche Vorzüge moderner Feldbustechnik bietet: Feldbusunabhängigkeit,

Flexibilität, Modularität, IEC 61131-3 Programm ierbarkeit, Zuverlässigkeit,

Wirtschaftlichkeit, etc.

Zur Verfügung stehen die Ex i Busmodule: Digital Eingang NAMUR, Digital

Ausgang, Analog Eingang 4-20mA, Analog Eingang 4-20mA HART,

Analog Eingang RTD, Analog Eingang TC, Analog Ausgang 0-20mA und

die Ex i Einspeisung 1,0A.

Zertifiziert nach ATEX, IEC-EX, UL ANSI/ISA 12.12.01, UL 508 und

Schiffbau (u.a. GL, LR).

www.wago.com

anche

Hochpräzise Temperaturregelung ist bei Herstellung

von Prothesen eine besondere Herausforderung

Neogramm optimiert Visualisierung und Steuerung von Industrieöfen bei Aesculap

Fingerspitzengefühl ist bei der Herstellung von

Prothesen gefragt. Dies gilt auch für die Hochtemperaturöfen,

in denen die chirurgischen Elemente geformt werden.

In diesem DreherDofen werden Prothesen von

Aesculap angefertigt. Die hochpräzise Regelung

der Öfen ist eine besondere Herausforderung für

das Steuerungssystem. Bilder: Neogramm

Die Aesculap AG in Tuttlingen, Hersteller orthopädischer

Implantate, beauftragte Könn GmbH Industrieofenbau

aus Ketsch mit der Entwicklung eines speziellen

Drehherdofens für das präzise und kontrollierte

Erhitzen von Rohlingen aus Titan- und Kobaltlegierungen

bis maximal 1300 °C.

Diese werden in einem anschließenden Gesenkschmiedeprozess

umgeformt und dann zu hochbelastbaren Gelenkprothesen

weiterverarbeitet. Die softwareseitige Umsetzung

und damit die Programmierung der Ofensteuerung,

die Temperaturregelung und Rezepturverwaltung

sowie die Dokumentation übernahm die Neogramm GmbH

& Co. KG. Die Softwarespezialisten aus Mannheim implementierten

zudem ein flexibles Visualisierungssystem mit

vielfältigen statistischen Auswertungsfunktionen.

In der Weiterentwicklung von medizinischen Produkten

zählen vor allem Qualität, Innovation und Sicherheit.

Als Partner der Chirurgie trägt Aesculap besondere Ver-

antwortung für einen zuverlässigen Herstellungsprozess.

Medizinische Prothesen und chirurgische Instrumente

unterliegen in der Herstellung strengsten Qualitätsanforderungen.

Neogramm entwickelte für Könn eine entsprechend

individuell angepasste Steuerungs- und Visualisierungssoftware.

Diese kommt in der Wärmebehandlung

von Implantat-Rohlingen im Drehherdofen von

Könn zum Einsatz. Die Herausforderungen dieses Projektes

lagen in den von Aesculap geforderten komplexen

Überwachungsfunktionalitäten und gleichzeitig hoch

flexiblen Bedienungsmöglichkeiten der Anlage.

SOFTWARE ALS MASSANFERTIGUNG

Es sollte ein hoch flexibles System geschaffen werden, das

verschiedene Produktionsprogramme abdeckt und Daten

zuverlässig dokumentiert. Dazu war eine individuelle Neuentwicklung

der SPS-Software notwendig. Diese wurde

mit Siemens Simatic STEP 7 und WinCC flexible realisiert.

22

atp edition

4 / 2012

Die Ofensteuerung umfasst diverse Funktionalitäten.

Im Hauptbetrieb werden die beiden Vorgänge Produktion

und Entleerung unterschieden. Im Produktionsbetrieb

erfolgt das automatische Verfahren des Drehherds

zum nächsten Segment samt Türöffnung und -schließung.

Der Bediener stößt diesen Vorgang über einen Fußschalter

an. Die Steuerung überwacht dabei die Temperaturen

und die Verweilzeiten für jedes einzelne Segment.

Bei einer Zeitüberschreitung weist sie den Bediener

auf die Entnahme hin. Wahlweise kann hier die

Zeitüberwachung auch blockierend justiert werden. In

diesem Fall ist es im Automatikbetrieb nicht möglich,

die Ofentür zu öffnen bevor die Minimalzeit für das aktuelle

Segment erreicht ist. Die Entleerung des Ofens

erfolgt ohne Zeitüberwachung.

Um die verschiedenen Prothesenrohlinge dem Material

entsprechend behandeln zu können, regelt die Software

drei Temperaturzonen im Ofen mit insgesamt 24

Segmenten. Für verschiedene Produkte können vorab

verschiedene Behandlungsprogramme mit minimaler

und maximaler Verweilzeit und gewünschter Temperatur

hinterlegt werden. Auch Taktzeiten sind variabel.

So wird durch die Steuerung sichergestellt, dass sich

die zu erhitzenden Teile weder zu kurz noch zu lang im

Ofen befinden, womit optimale Voraussetzungen für das

nachfolgende Schmieden geschaffen werden. Alle Taktzeiten,

Ofenreisezeiten, Temperaturen und Regelparameter

können vom Anwender flexibel oder über die Rezeptverwaltung

produktbezogen eingestellt werden.

Darüber hinaus werden Toleranzgrenzwerte, Drehgeschwindigkeit,

Beschleunigungszeiten und Taktweiten

komfortabel konfiguriert. Die elektromotorische

Verstellung der gesamten Ofenherdhöhe erlaubt eine

ergonomische Nutzung des Ofens für unterschiedlich

große Bediener.

INTUITIVE BEDIENUNG ÜBER TOUCHPANEL

Es wurde eine flexible Panelsteuerung realisiert, die eine

umfassende, intuitive und konsistente Bedienung der Anlage

ermöglicht. Das mit WinCC flexible entwickelte Visualisierungssystem

überzeugt durch einfache Parametrierung,

Anpassungsfähigkeit und ein klare Menüführung.

Sollwerte können manuell eingegeben, Parameter für Ofen

und Peripherie eingestellt und Benutzer zugewiesen und

verwaltet werden.

Wärmebehandlungsprogramme werden in Rezepten

gespeichert. Über die HMI-Schnittstelle ist der Bediener

in der Lage, die Sollwerte und Regelparameter dieser Rezepturen

zu verwalten und Betriebsarten problemlos zu

wechseln. Aufträge können mit ihren Kenndaten eingegeben

werden. Sämtliche Rezepturen lassen sich im Sinne

der Datensicherung auf einen USB-Stick exportieren

und von dort auch wieder importieren. Der Ofenzustand

und relevante Prozessdaten sind jederzeit abrufbar.

LÜCKENLOSE DOKUMENTATION

Die Ofensoftware Thermosoft dient der Prozessführung

und Optimierung von Regelstrecken sowie der Dokumentation

kompletter thermischer Prozesse. In der Medizinbranche

ist eine lückenlose Rückverfolgbarkeit einzelner

Produktionsschritte wichtig. Die Verfolgung aktueller

Prozesse in Echtzeit ermöglicht ein sofortiges Eingreifen

durch den Bediener. Um der Dokumentationspflicht Rechnung

zu tragen, bietet das System Meldeübersichten zu

entsprechenden Ereignissen, wie Störungen am Ofen oder

der Peripherie. Eine chargenbezogene Archivierung der

Prozessdaten ist über implementierte Markos möglich.

Als weiteres optionales Steuerungs- und Visualisierungselement

entwickelte Neogramm ein Feature zur

statistischen Auswertung der letzten fünfzehn Aufträge.

Auswertungsdaten sind die Anzahl korrekt und inkorrekt

behandelter Produkte, die minimale, maximale sowie

mittlere Verweilzeit oder Ofentemperatur, das Startund

Enddatum, die Auftragsgesamtdauer sowie die Daten

aller beteiligten Bediener.

KOMPLEXE OFENANLAGE – EINFACHES HANDLING

Trotz des Software-Schwerpunktes hat Neogramm seinen

Kunden vorab bei der Auswahl der geeigneten Hardware

beraten. Es wurden die notwendigen Schnittstellen für

die Ein- und Ausgänge der SPS sowie die Auftragskennung

geplant und definiert. Gemeinsam mit Könn wurde

die Anlage beim Kunden in Betrieb genommen. Dies umfasste

die Parametrierung der Anlage und den Test der

Steuerungs- und Visualisierungssoftware. Im Teach-In

wurden die Prothesenrohlinge entsprechend validiert.

Des Weiteren fand eine intensive Schulung und Einweisung

des Bedienpersonals an der Anlage statt. Für eine

schnelle und unkomplizierte Handhabung im Fall einer

Störung ist ein Fernwartungsmodul inklusive Softwareerweiterung

als Option nachrüstbar.

Die Kombination einer hoch modernen Ofenanlage mit

individuell gestalteter Software macht komplexe Produktionsprozesse

transparent und leicht zu handhaben.

Autor

Dipl.-Inform.

Stephan Könn

ist Geschäftsführer und

Key Account Manager

bei Neogramm.

Neogramm GmbH & Co. KG,

Julius-Hatry-Straße 1, D-68163 Mannheim,

Tel. +49 (0) 621 150 25 00,

E-Mail: s.koenn@neogramm.de

atp edition

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23

anche

Ganzheitliche Automatisierungslösung optimiert

das Luftpfeifenstechen für Sandgussformen

Das Setzen von Entlüftungskanälen wurde in das Gießanlagen-Leitsystem integriert

Das „Luftpfeifenstechen“ ist für Gießereien eine kritische

Aufgabe: Denn das Stechen der Entlüftungskanäle

in Formen für den Sandguss ist zeitaufwendig

und fehleranfällig. Die Aluminiumgießerei-Abteilung

des Metallwerks Ohm & Häner verwendet dafür mit

großem Erfolg nun eine Automatisierungslösung: Pro

Jahr setzt ein ABB-Roboter mit einem speziellen Werkzeug

und gesteuert von dem Softwarepaket Flex-Mould-

Venter zwischen 500 000 und 750 000 Löcher in die

Sandgussformen für Aluminiumteile. Anders als beim

manuellen Stechen treten nun auf der Innenseite der

Formen keine Ausbrüche mehr auf. Das erspart Nacharbeit

an den Gussteilen. Zudem erlaubt die Steuerung

auch das schräge Stechen der Entlüftungskanäle.

Beim Metallguss ist das Stechen von Löchern, den

Luftpfeifen, in die Sandform ein qualitätsbestimmender

Schritt. Durch die Luftpfeifen entweicht während

des Gießprozesses die Luft aus den Hohlräumen der

Form. Präzis gestochene Luftpfeifen reduzieren den

nachträglichen Putzaufwand am Gussteil. Bisher üblich

sind weitgehend noch das manuelle Luftpfeifenstechen

oder das maschinelle Stechen mit hydraulischen

Vorrichtungen.

Manuelles Stechen wählen die Sandformer meist für

Einzelstücke oder Kleinserien. Der Former braucht dabei

viel Erfahrung und Feingefühl. Beim Durchstechen

können Sandausbrüche auf der gegenüberliegenden

Formseite entstehen. Muss er dabei von der Außenseite

her in die Form stechen, entstehen die Ausbrüche auf

der Gutseite (Modellseite). Sie verursachen dann am

gegossenen Werkstück aufwendiges, kostenintensives

Nacharbeiten.

MANUELLES STECHEN IST FEHLERANFÄLLIG

In der Serienfertigung kommt es darauf an, die Luftpfeifen

präzise immer an gleicher Stelle anzubringen.

Dafür haben sich maschinelle Luftstechvorrichtungen

etabliert. Eine hydraulisch absenkbare Platte, auf der je

nach Form und Größe des Gussteils entsprechend verteilte

Nadeln sitzen, platziert der Former gemäß der

Zeichnungsvorgabe und der Positionsdaten der Formteile.

Er senkt das mit Nadeln bestückte Werkzeug dann

hydraulisch in die Sandform und fährt es anschließend

wieder heraus.

Werkleiter Dr. Georg Dieckhues erläutert: „Dieses konventionelle

Luftpfeifenstechen zeigt jedoch insbesondere

bei wechselnden Losen einen gravierenden Nachteil:

Der Former muss Position, Anzahl und Einstechtiefe der

Nadel jeweils wieder anpassen – das ist fehleranfällig,

zeit- und kostenaufwendig.“

Der Wunsch nach Verbesserungen war also vorhanden.

Denn Ohm & Häner liefert Jahr für Jahr rund 4500 Tonnen

Gussteile in den Geräte- und Maschinenbau, an Automobilbauer

und Schienenfahrzeughersteller sowie für

die Stromerzeugung und -durchleitung. Und bei jährlich

500 000 bis 750 000 zu stechenden Luftpfeifen spielen

Qualitätsverbesserungen und höhere Wirtschaftlichkeit

eine gravierende Rolle.

INDUSTRIELLES NEULAND BETRETEN

Doch noch fehlten industrielle Referenzen für die Roboterlösung.

Mit diesem System zum automatisierten Setzen

der Entlüftungskanäle musste Ohm & Häner Neuland

betreten. Aber gute Erfahrungen mit Gießrobotern von

ABB im Werk I von Ohm & Häner veranlassten die Technik-Manager,

den Vorschlag der Friedberger Roboterspezialisten

zu prüfen.

Anfang 2009 startete dann in der Aluminiumgießerei-

Abteilung im Werk II bei Ohm & Häner am Standort Olpe-

Friedrichsthal der Probebetrieb des automatisierten Luftpfeifenstechens.

Nach der erfolgreichen Testphase bewährt

sich das neue System von ABB Automation seit Ende 2009

im täglichen Normalbetrieb. Es besteht aus einem Industrieroboter

IRB 6620, einem speziellen Werkzeug zum Führen

der Nadel und dem Softwarepaket FlexMouldVenter.

Sowohl die Vorbereitung als auch die Entwicklungs- und

die Realisierungsphase des Projekts überzeugten, und von

den Ergebnissen fühlen sich die Gießerei-Manager bestätigt.

„Wir sind absolut zufrieden mit dem Roboter. Er arbeitet

unter Gießereibedingungen zuverlässig, ist sehr wartungsarm

und vorbildlich hinsichtlich seiner Verfügbarkeit“,

fasst Dr. Georg Dieckhues die Erfahrungen zusammen

und ergänzt: „Seit der Inbetriebnahme im Normalbetrieb

läuft der FlexMouldVenter störungsfrei. Diese Automatisierungslösung

ist ein bedeutender Schritt nach vorn.“

DATENFLUSS OHNE MEDIENBRÜCHE

Moderne Industrieroboter sind ohne spezifische Programmierkenntnisse

einfach zu bedienen. Frei von Medienbrüchen

übernimmt die Steuerungssoftware des

Roboters die 3D-CAD-Daten des Werkstückes als Basis

für das Luftpfeifenstechen. Manuelle Übertragungen

und Einstellungen entfallen. Dies verringert Fehlerquellen

und die Vorbereitungs- sowie Werkzeugwechselzeiten.

Eine zentrale Datenbank des Anlagenleitsystems,

das im Fallbeispiel von dem Formanlagenhersteller HWS

stammt, enthält alle Werkstückdaten. Die Werker können

sie von dort jederzeit aufrufen. Dies betrifft neben den

CAD-Geometriedaten der zu gießenden Werkstücke auch

Informationen zum optimalen Belegen der Formkästen

und zum Setzen der Einstechpunkte. So entfällt für ein

bereits bekanntes Werkstück die Vorbereitungszeit nahezu

vollständig.

Das Parametrieren der Roboter erfolgt automatisiert

direkt aus dem Anlagenleitsystem. Die Software ermittelt

automatisch die optimale Lochreihenfolge. Die Roboterlösung

mit den intelligenten Funktionen ihres Softwarepaketes

und den Sensoren gewährleistet eine außerordentlich

gute Reproduzierbarkeit der Ergebnisse. Mithilfe

der automatischen Nadelüberwachung erkennt der

Roboter Nadelverbiegungen oder -brüche und ermöglicht

so das rechtzeitige Austauschen der Nadeln. Dies vermeidet

Fehler und eventuell daraus folgenden Ausschuss.

Im Rahmen der Nadelüberwachung wird die

Position der Nadelspitze nach jedem Stechzyklus mit

einem Koordinaten-Messsystem kontrolliert. Ist die Position

unverändert, ist auch die Nadel in Ordnung.

24

atp edition

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Zu qualitativ hochwertigen Gussprodukten,

effizient hergestellt, trägt das Luftpfeifen-Stechsystem

von ABB Automation bei. Vier exakt an die richtige

Position um die Aussparung in der Bildmitte gesetzte

Luftpfeifen werden anschließend beim Bearbeiten der

Gussfläche entfernt. Bild: Ohm & Häner

Ohne spezifische

Programmierkenntnisse

gibt der Nutzer

über intuitiv erfassbare

grafische Oberflächen

dem Roboter

seine Arbeit vor.

Automatisiert,

in hoher Qualität

und Geschwindigkeit

sticht das

System Flex-

MouldVenter

Entgasungslöcher

in Sandformen,

bei Bedarf auch

unter variierenden

Winkeln.

Hinzu kommen Vorteile der digitalisierten Datentechnik.

Die Entwickler von ABB integrieren auf Wunsch

Optionen wie das Messen der Stechkräfte, Hard- und

Software für Sicherheitsmodule, Prozessüberwachung

und -dokumentation, die zentrale Lochdatenverwaltung,

unterschiedliche Montageelemente und weitergehende

Dienstleistungen.

JEDER STICH WIRD INDIVIDUELL GESTEUERT

Ein weiterer entscheidender Fortschritt ergibt sich aus der

Kinematik des Roboters in Kombination mit der Bewegung

des Werkzeuges inklusive der Stechnadel. Im Unterschied

zum manuellen und zum klassischen hydraulischen

Luftstechen mit einstellbaren Vorrichtungen lässt

sich hier jeder Stich individuell steuern. Dabei bietet der

Roboter eine interessante Besonderheit: Er kann die Luftpfeifen

„schräg“ stechen, also auch in Winkellagen zur

Hauptstechrichtung. Das ist von Vorteil, wenn die Luft

direkt von einem auf dem Gussteil definierten Punkt abgezogen

werden soll. Mit den schräg gestochenen Luftpfeifen

werden dann zusätzliche Kanäle überflüssig.

Wesentlichen Anteil an der deutlich erhöhten Qualität,

einem Hauptziel des Projekts, haben die hohe Positionier-

und Wiederholgenauigkeit des Roboters. Ein weiterer

Vorteil ergibt sich aus seiner Beweglichkeit und

dem Zugang auch an schlecht erreichbare Positionen.

Deshalb kann der Roboter in der überwiegenden Zahl

der Situationen die Nadel ohne zeit- und kostenintensives

Anformen die Stiche von der Modellseite her setzen.

Das Robotersystem kann Luftpfeifen von 5 bis 10 mm

Lochdurchmesser mit Tiefen bis 650 mm in Geschwindigkeiten

bis zu 2,5 m/s stechen. In der Praxis entspricht

das rund einem Loch pro Sekunde.

Einen wichtigen Pluspunkt bietet der Flexibilitätsgewinn

bei kleinen, häufig wechselnden Losgrößen. Produktionsunterbrechungen

wegen der Nadeljustage entfallen.

Der Roboter ermöglicht eine kontinuierliche Produktion

– unabhängig von der jeweiligen Formkastenbelegung

oder Geometrie des Werkstückes. So lassen sich

immer gleiche Gießbedingungen und konstante Liniengeschwindigkeiten

erzielen. Mit einer Verfügbarkeit von

99 % bieten die Industrieroboter von ABB beste Voraussetzungen

für einen störungsfreien Betrieb.

Autor

Michael Kremer

ist Segment Manager

Foundry bei der ABB

Automation GmbH.

ABB Automation GmbH,

Unternehmensbereich Robotics,

Grüner Weg 6, D-61169 Friedberg,

Tel. + 49 (0) 6031 852 95,

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

atp edition

4 / 2012

25

anche

Eigensicherheit und hohe Leistung: Feldbusse

im explosionsgefährdeten Bereich betreiben

Dynamic Arc Recognition and Termination hebt die bisherigen Leistungsbeschränkungen auf

Den Fehler schnell

erkennen:

Dart reagiert und begrenzt

die Zündenergie.

Ausgangswerte

DART

Transmitterspeisegerät

FISCO

Feldbus

Spannung

U

Leistung

P

Kabellänge

50 VDC ca. 50 W 100 m

24 VDC ca. 22 W 100 m

50 VDC ca. 8 W 1000 m

24 VDC ca. 8 W 1000 m

16 VDC ca. 320 mW 1000 m

12,8 VDC ca.1,4 W 1000 m

Eigensicherheit im Vergleich:

Übertragbare Leistung mit und ohne Dart

Zukunftsgerichtet und Rückwärtskompatibel:

Mit Dart lässt sich jede Feldbusinfrastruktur eigensicher auslegen.

Der High-Power Trunk hat Feldbussystemen auch im

Bereich der Prozessanlagen endgültig zum Durchbruch

verholfen. Dynamic Arc Recognition and Termination

(DART oder Dart) baut auf dieser Basistechnologie

auf und sorgt für eine problemlose Eigensicherheit

im Ex-Bereich. Alle eigensicheren Feldgeräte und Foundation

Fieldbus-H1- und Profibus-PA-Infrastrukturen

können weiter verwendet werden. Die bisherigen Leistungsbeschränkungen

gelten nicht mehr. Die Validierung

der Eigensicherheit erfolgt über ein Systemzertifikat

und erfordert damit keinerlei eigene Berechnungen.

Obwohl Dart erst auf dem Weg zum anerkannten

IEC-Standard ist, gilt die Technologie in der Prozessindustrie

jetzt schon als die nächste Generation der Eigensicherheit.

hoher aufwand für eigensichere stromkreise

Eigensichere Stromkreise im Ex-Bereich waren bisher

stets mit einem hohen Aufwand und zahlreichen Kompromissen

behaftet. Das Entity-Modell erforderte nicht

nur komplexe Berechnungen. Es begrenzte auch die maximal

verfügbare Leistung auf einem Feldbus-Segment

auf 1,2 Watt, was für maximal drei Feldgeräte ausreichte.

Das 2005 in die IEC 60079-27 aufgenommene Fieldbus

Intrinsically Safe Concept (Fisco) beseitigte nicht alle

Nachteile. Zwar entfielen damit die umständlichen Berechnungen.

Aber die Leistungsbegrenzung blieb weiterhin

erhalten.

FELDBUSKOPPLER REDUZIEREN DIE ENERGIE

Grundlegende Änderungen brachte erst das zur Jahrtausendwende

von Pepperl+Fuchs vorgestellte High-Power-

Trunk-Konzept. Es beruht auf dem Prinzip, dass die

Feldbus-Hauptleitung zunächst unbegrenzt Energie zur

Verfügung stellt, die dann mithilfe von Feldbuskopplern

auf ein im Ex-Bereich sicheres Niveau begrenzt wird. Dadurch

ließen sich immerhin bis zu 16 eigensichere Feldgeräte

einsetzen. Außerdem war erstmals ohne Einschränkungen

eine redundant aufgebaute Stromversorgung

möglich.

Das High-Power-Trunk-Konzept löste den Durchbruch

von Feldbus-Infrastrukturen im Bereich der Prozessau-

26

atp edition

4 / 2012

tomation aus. Mit der federführend von Pepperl+Fuchs

entwickelten und im Jahr 2008 erstmals vorgestellten

Technologie Dynamic Arc Recognition and Termination

(Dart) wurde ein völlig anderer Ansatz realisiert, um

die Entstehung gefährlicher Funken im Ex-Bereich auszuschließen.

Diese neue Technologie setzt nicht einfach

auf eine Begrenzung der Leistung auf ein ungefährliches

Niveau. Sie überwacht vielmehr den Stromkreis

und erkennt das charakteristische elektrische Verhalten,

welches das Entstehen eines Funkens anzeigt. Innerhalb

von 5 bis 10 Mikrosekunden schneidet sie dann

die Energie ab und verhindert auf diese Weise, dass der

Funke eine zündfähige Temperatur erreicht.

VIERMAL SO VIEL EIGENSICHERE leistung

Die Kombination des High-Power-Trunk-Konzepts mit

Dart kann ohne Übertreibung als die nächste Generation

der Eigensicherheit bezeichnet werden. Die Nennleistung

pro Feldbus-Segment liegt bei 8 Watt, sodass künftig im

Vergleich zu FISCO eine mehr als viermal so hohe eigensichere

Leistung für dreimal so viele Feldgeräte verbunden

mit langen Kabelwegen zur Verfügung steht.

Derzeit arbeitet ein Konsortium von Unternehmen unter

der Führung der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt

daran, Dart zu einem IEC-Standard zu machen.

Der Erfolgsweg für Dart ist vorgezeichnet und es ist nur

eine Frage der Zeit, bis diese Technologie völlig neue

Anwendungen im Ex-Bereich eröffnet.

Hardwareseitig funktioniert die Technologie mit jeder

vorhandenen Feldbus-Infrastruktur mit High-Power

Trunk. Es werden lediglich Dart-Power-Module und

Dart-Feldbuskoppler „Segment Protektoren“ benötigt,

um die einzelnen Stromkreise bis hin zu den Feldgeräten

zu überwachen und bei Funkenbildung die Energieversorgung

zu kappen. Die Stromversorgungen gibt es mit

redundanten Steckmodulen, eine Funktion die mit

Fisco so nicht realisierbar ist.

PROBLEMLOSE WARTUNG IM EX-BEREICH

Dart-Eigensicherheit funktioniert auch, wenn zum Beispiel

ein Feldgerät an- oder abgeklemmt wird. Kommt

es dabei zur Funkenbildung, spricht das System automatisch

an und schaltet die Stromversorgung aus – um

sie bereits nach wenigen Millisekunden wieder einzuschalten.

Feldgeräte können somit selbst im Ex-Bereich

problemlos gewartet werden, ohne dass dafür ein Feuerschein

erforderlich ist. Durch die extrem kurze

Stromunterbrechung wird zwar jede gefährliche Funkenbildung

ausgeschaltet, aber der Datenverkehr bleibt

unbehelligt. Über im Protokoll definierte Wiederholungen

wird das eine oder andere zerstörte Telegramm

wiederholt. Das ist bei Foundation Fieldbus H1 und

Profibus PA so gang und gäbe.

einfache validierung der eigensicherheit

Ein weiterer entscheidender Vorteil ist die problemlose

Validierung der Eigensicherheit. Durch die Zertifizierung

des Systems und der damit zusammenhängenden Komponenten

ist es nicht mehr notwendig, eigene Berechnungen

anzustellen, um die Validierung der Eigensicherheit

für jedes System nachzuweisen. Stattdessen genügt die

Installation eines Dart-Power-Hubs in Verbindung mit

Dart-Segment-Protektoren, die über maximal 1000 Meter

lange Feldbuskabel vom Typ A miteinander verbunden

sind. Die Ausgänge der Dart-Segment-Protektoren und

damit die Stichleitungen (Spurs) sind klassisch eigensicher

und nach Ex ib IIC. Das heißt, die Anlage ist selbst

vor den höchst explosiven Gasen der Gruppe IIC geschützt.

Und es können alle heute zugelassenen eigensicheren

Feldbusfeldgeräte, die für die Zone 1 zugelassen

sind, angeschlossen werden.

ZUKUNFTSGERICHTET UND RÜCKWÄRTSKOMPATIBEL

Grundsätzlich lässt sich mithilfe von Dart jede Feldbusinfrastruktur

eigensicher auslegen. Es steht daher nicht

nur ein breites Programm an Feldgeräten zur Verfügung.

Es ergibt sich auch ein maximaler Investitionsschutz für

die bereits vorhandene Instrumentierung.

Die neueste Version des FieldConnex Segment Checkers

steht nun zum Download bereit. Das Tool zur effizienten

Planung von Foundation-Fieldbus-H1- und Profibus-PA-Segmenten

beinhaltet jetzt alle Dart-Komponenten

und den neuen Blitzschutz.

Dart ist also eine Technologie, die in die Zukunft weist

und gleichzeitig rückwärtskompatibel ist. Damit wird es

erstmals möglich, explosionsgefährdete Bereiche uneingeschränkt

mit der sichersten Explosionsschutzart in die

Prozesssteuerung zu integrieren, ohne sich dabei mit

einer Fülle von Vorschriften, Berechnungen und Einschränkungen

auseinandersetzen zu müssen.

Autor

Andreas Hennecke

ist Produkt Marketing

Manager im Geschäftsbereich

Prozessautomation

bei Pepperl+Fuchs.

Pepperl+Fuchs GmbH,

Lilienthalstrasse 200,

D-68307 Mannheim,

Tel. +49 (0) 621 776 16 01,

E-Mail: ahennecke@de.pepperl-fuchs.com

atp edition

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27

hauptbeitrag

Virtuelle Inbetriebnahme

von Produktionsanlagen

Neuer Prozessschritt beim Anlagenengineering

In der Automobilindustrie wird die virtuelle Inbetriebnahme vermehrt angewendet. Dabei

ist es neben der gewissenhaften Durchführung wichtig, die virtuellen Anlagenmodelle

effizient zu erstellen. Anpassungen in den damit zusammenhängenden Engineering-Schritten

erleichtern den Modellaufbau. Die virtuelle Inbetriebnahme ist in vieler Hinsicht

nützlich, erfordert jedoch auch, dass in den vorhergehenden Engineering-Schritten einige

Voraussetzungen geschaffen werden. Dieser Beitrag beschreibt, worauf es dabei ankommt.

SCHLAGWÖRTER Virtuelle Inbetriebnahme / Digitale Fabrik / Anlagenengineering

Virtual commissioning of production plant –

A new step in plant engineering

Virtual commissioning is increasingly used in the automotive industry. In addition to

careful implementation, it is also important to create the virtual plant models efficiently.

Adjustments in the related engineering steps make it easier to construct the models. The

virtual commissioning offers various benefits, but it does involve certain preconditions

being met in the preceding engineering stages. The key factors are described.

KEYWORDS Virtual commissioning / digital factory / plant engineering

28

atp edition

4 / 2012

Björn Grimm, Daimler

Die Automobilbranche ist geprägt von zunehmender

Globalisierung und Konkurrenzdruck. Um

den Herausforderungen zu begegnen, verkürzen

die Hersteller die Innovationszyklen und erhöhen

die Vielfalt ihrer Produktpalette. Dies führt

zu mehr Produktionsanläufen und zu erhöhten Anforderungen

an die Produktionsanlagen, die eine größere Anzahl

an Typen abbilden müssen [1]. Vor diesem Hintergrund

gewinnen Produktionsplanung und Inbetriebnahme

an Bedeutung. Gleichzeitig verkürzt sich die Zeit, die für

Anläufe zur Verfügung steht, und Produkte werden in Anlagen

integriert, die bereits im produktiven Betrieb sind.

Deshalb muss das Engineering von Anlagen angepasst

werden. Mithilfe der virtuellen Inbetriebnahme als neuem

Engineering-Schritt lassen sich die Planungsergebnisse

und insbesondere die Steuerungssoftware absichern

noch bevor die reale Produktionsanlage existiert.

1. Einordnung der virtuellen Inbetriebnahme

Das Ziel der virtuellen Inbetriebnahme ist die Optimierung

und Absicherung des Zusammenspiels von Anlagenmechanik,

-elektrik und Steuerungssoftware, ohne

dass die reale Fertigungsanlage vorhanden ist. Die virtuelle

Inbetriebnahme ersetzt also keine Schritte im Planungsprozess,

sondern ergänzt den Prozess um die zusätzliche

Möglichkeit der Absicherung. Simulation, Offline-Programmierung,

die Erstellung des SPS-Programms

und die weiteren Schritte im Engineering behalten ihre

Bedeutung und liefern die Eingangsdaten zur virtuellen

Inbetriebnahme, die nicht isoliert betrachtet werden darf.

Um einen möglichst großen Nutzen dieses neuen Engineering-Schrittes

zu erzielen, muss der Aufbau des

Modells für die virtuelle Inbetriebnahme effizient erfolgen.

Ebenso muss es möglich sein, das Modell bei Änderungen

der realen Anlage schnell, einfach und zuverlässig

zu aktualisieren. Die virtuelle Inbetriebnahme sollte

zwischen verschiedenen Anlagen vergleichbar und das

Modell sollte stets ähnlich aufgebaut sein, um dem Benutzer

einen großen Wiedererkennungseffekt zu bieten.

Der Benutzer ist der Bediener der virtuellen Anlage.

Er arbeitet in der virtuellen Inbetriebnahme mit dem

SPS-Programmierer und dem Roboter-Programmierer

zusammen, um die steuerungstechnischen Programme

zu testen, die in einem weiteren Schritt auf die reale

Anlage übertragen werden.

2. Technische Umsetzung

Da die virtuelle Inbetriebnahme eine Vorwegnahme der

realen Inbetriebnahme darstellt, ähneln sich die Architekturen

einer realen und einer virtuellen Anlage sehr.

In einer realen Anlage ist die Anlagensteuerung mit den

steuerungstechnisch relevanten Komponenten über einen

Industriebus verbunden. Steuerung und Komponenten

tauschen über diesen Bus Befehle und Rückmeldungen aus

(Bild 1). Durch das Zusammenspiel der Komponenten wird

der Fertigungsablauf abgebildet, der Materialfluss der Produkte

ergibt sich durch den Steuerungsablauf. Eine besondere

Gruppe der Komponenten bilden die Industrie-Roboter,

die jeweils einen eigenen individuellen Ablauf haben.

Für die virtuelle Inbetriebnahme kommt eine reale

Steuerung zum Einsatz, wie sie an der Produktionsanlage

eingesetzt wird. Sie wird über den Industriebus mit

der virtuellen Anlage gekoppelt (Bild 2). Über diese Architektur

ist es möglich, zusätzlich reale Komponenten

einzubinden. Die virtuelle Anlage setzt sich aus drei

Komponenten zusammen:

Busankopplung

Logik-Modell

3D-Modell mit Roboter-Emulation

Die Busankopplung verbindet das Logik-Modell mit der

Anlagensteuerung. Sie hat die Aufgabe, den Busaufbau

nachzubilden und die Eingänge und Ausgänge der Steuerung

an das Logik-Modell weiterzureichen. Die Anlagensteuerung

akzeptiert die über die Busankopplung abgebildeten

Komponenten wie reale Komponenten, das heißt, die

Kommunikationsebene der Anlage ist somit abgebildet.

atp edition

4 / 2012

29

Hauptbeitrag

Über das Logik-Modell wird das Verhalten der einzelnen

steuerungstechnischen Komponenten simuliert. Auf die

Signale von Seiten der Steuerung erfolgen Reaktionen und

Antworten wie von realen Geräten. Ein Unterschied zur

realen Anlage ist für die Anlagensteuerung kaum zu erkennen.

Das Logik-Modell stellt auch das Bindeglied zum

3D-Modell dar. Über simulierte Komponenten werden Positionen

und Geschwindigkeiten ermittelt und damit das

3D-Modell angesteuert. In der umgekehrten Richtung

nimmt das Logik-Modell von dem 3D-Modell Sensorsignale,

wie zum Beispiel Bauteilkontrollen, entgegen und

reicht sie an die Anlagensteuerung weiter. Die Umsetzung

des Logik-Modells erfolgt mit Hilfe der Software WinMOD.

Über das 3D-Modell erhält der Bediener eine visuelle

Rückmeldung über die Abläufe in der Anlage. Neben den

Geometrien und Kinematiken ist auch der Materialfluss

im 3D-Modell abgebildet. Hierüber werden Bauteilsignale

erzeugt, die über das Logik-Modell zurückgemeldet

werden. Eine weitere zentrale Rolle spielt das 3D-Modell,

weil es die Emulation der Roboter beinhaltet. Die Roboterprogramme

werden interpretiert und zusammen mit

den in den Roboterprogrammen definierten Signalen

ausgeführt. Das 3D-Modell inklusive Roboteremulation

wird durch die Software Invision realisiert.

Logik-Modell und 3D-Modell werden jeweils auf einem

separaten PC ausgeführt. Die Aufteilung der Modelle

rührt daher, dass die Software WinMOD für Windows-

Betriebssysteme erstellt wurde und die Software Invision

auf Linux basiert. Das Erreichen der Performance-

Anforderungen, die Bedienung und Visualisierung wird

durch diese Aufteilung unterstützt.

Die zuvor erwähnte Einbindung von realen Busteilnehmern

lässt sich in verschiedenen Szenarien anwenden.

Zur Verbesserung der Bedienbarkeit werden zum

Beispiel einzelne Bedienpulte integriert, sodass während

der Durchführung der virtuellen Inbetriebnahme bestimmte

Funktionalitäten, wie die Anwahl von Handoder

Automatikbetrieb oder das Quittieren von Meldungen

direkt aufgerufen werden können. Ebenso ist es

möglich, Geräte einzubinden, die noch nicht in der Komponentenbibliothek

abgebildet sind, weil sie außerhalb

des Standards zur Umsetzung seltener Funktionalitäten

in der betreffenden Anlage eingesetzt werden.

3. Aufbau der Modelle

Die Anforderungen an das Anlagenmodell für die virtuelle

Inbetriebnahme sind vielschichtig. Um die Übertragbarkeit

der Ergebnisse aus der virtuellen auf die reale

Inbetriebnahme sicherzustellen, muss das Anlagenmodell

der realen Anlage möglichst genau entsprechen, sowohl

im logischen Verhalten als auch in der geometrischen

Darstellung. Damit verbunden ist die Anforderung,

dass das Modell eine Antwortzeit sicherstellen muss, in

der die Signale mit der Anlagensteuerung auszutauschen

sind. Dem gegenüber stehen die Grenzen, die die Ressourcen

der PC-Systeme setzen. Es muss also ein Kompromiss

zwischen Detailtreue und Ressourcen gefunden werden.

Dies führt zu definierten Ungenauigkeiten im Modell,

zum Beispiel im Zeitverhalten oder in der geometrischen

Darstellung. Da bei der virtuellen Inbetriebnahme die

Absicherung des Anlagenablaufes im Vordergrund steht,

sind diese Ungenauigkeiten akzeptierbar.

Eine weitere Anforderung besteht im effizienten Aufbau

des Modells und der Möglichkeit, eventuelle Änderungen

aus dem Planungsprozess ohne großen Aufwand nachpflegen

zu können. Daher ist ein möglichst großer Anteil des

Modellaufbaus zu standardisieren und – wenn möglich – zu

automatisieren. Dies führt zu einer definierten Qualität der

Modelle und einer guten Vergleichbarkeit zwischen den Modellen

verschiedener Anlagen. Das erleichtert es, die Modelle

bei einem Integrationsprojekt und bei Schulungsmaßnahmen

erneut zu verwenden, da ein starker Wiedererkennungseffekt

eintritt. Die zu schulenden Bediener können sich auf

die Besonderheiten der jeweiligen Anlage konzentrieren.

Die Eingangsdaten für den Aufbau des Logik-Modells

sind die Hardwarekonfiguration und die Zuordnungsliste

des SPS-Programms, in der die Symbole den Ein- und

Ausgängen zugeordnet werden. Weitere Informationen

werden über den Elektroplan und eine Liste der verwendeten

Funktionsgruppen bereitgestellt. Für die Erstellung

des 3D-Modells werden das Simulationsmodell der Anlage,

Dokumentationen über die Zuordnung von Ventilen,

Kinematiken und Sensoren sowie Informationen über

Ablauf und Materialfluss benötigt.

Für den Modellaufbau können Logik- und 3D-Modell

zunächst getrennt betrachtet werden (Bild 3).

3.1 Logik-Modell

Eine Vorlage für das Logik-Modell und eine Komponentenbibliothek

bilden neben den genannten Eingangsdaten die

Basis, um das Logik-Modell zu erstellen. Über diese Vorlage

sind bereits Signalformate und globale Einstellungen für das

Logik-Modell vordefiniert. Die Komponentenbibliothek umfasst

Verhaltensmodelle für die Geräte, die gemäß dem bei

der Daimler AG eingesetzten Steuerungstechnikstandard

integra zum Einsatz kommen. Diese Verhaltensmodelle wurden

vorab für die virtuelle Inbetriebnahme erstellt und bilden

neben Elektroplan-Vorlagen, SPS-Software-Bausteinen und

Dokumentationen eine weitere Ebene im Standard integra.

Die Erstellung der Verhaltensmodelle erfolgt unter Berücksichtigung

der Anforderungen an die Performance, Detailtreue

und Bedienerfreundlichkeit. Damit wird auch das Logik-Modell

vorbereitet. In abschließenden Tests wird die Qualität und

Korrektheit der Modelle überprüft. Diese Komponentenbibliothek

wird den Anlagenlieferanten zur Verfügung gestellt. Damit

reduziert sich der Aufwand zur Erstellung der Modelle

und die Vergleichbarkeit der Anlagenmodelle zwischen verschiedenen

Lieferanten und Baureihenprojekten wird erreicht.

Durch die weitgehende Standardisierung im Bereich Steuerungstechnik,

insbesondere durch die vorhandenen Software-Bausteine,

die Bezeichnungssystematik und die darauf

abgestimmte Komponentenbibliothek, lässt sich mit Hilfe

von Generierungswerkzeugen innerhalb kurzer Zeit eine

Engineering-Liste erzeugen. Mit der WinMOD-Engineering-

Assistenz wird aus dieser Liste und der Komponentenbibliothek

das Logik-Modell aufgebaut. Im Idealfall ist dieses

Modell sofort lauffähig. Durchzuführen sind noch Anpassungen,

wie die Beschaltung von globalen Signalen, die Visualisierung

besonderer Signale und Parametrierung einzelner

Verhaltensmodelle. Wurde im Vorfeld bereits die Busankopplung

parametriert, so kann nun eine erste Testkopplung

mit der Anlagensteuerung vorgenommen werden.

3.2 3D-Modell

Als Grundlage für das 3D-Modell dient das Simulationsmodell

aus dem Simulationswerkzeug der Roboter-Offline-

30

atp edition

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Programmierung. Hieraus wird das Modell in das Datenaustauschformat

AutomationML exportiert. Mit diesem

Datenformat können die Topologie einer Anlage, Geometrie-

und Kinematik-Informationen sowie Logik-Informationen

abgespeichert und übertragen werden [2, 3, 4]. Im

Anwendungsfall werden nur Anlagentopologie sowie

Geometrie und Kinematik verwendet.

Vor dem Export werden die Geometriedaten auf Standardkonformität

überprüft und, sofern noch nicht für die

Offline-Programmierung geschehen, selektiv in einem

Batch-Prozess reduziert. Nach dem Export steht für die

virtuelle Inbetriebnahme ein AutomationML-Dokument

zur Verfügung. Wie für das Logik-Modell existiert auch

für das 3D-Modell eine Vorlage, in die das Automation-

ML-Dokument eingelesen wird. Falls ein SPS-Bereich in

der Simulation in mehrere Absicherungsbereiche aufgeteilt

werden musste, lässt er sich in diesem Schritt beim

Import in das 3D-Modell wieder zum kompletten SPS-

Bereich zusammenführen.

Nach dem Import wird das erzeugte Modell mit dem

Simulationsmodell verglichen. Neben den richtigen Positionen

der Komponenten werden auch Bewegungsrichtung,

Bewegungsbereich und definierte Positionen der

Kinematiken überprüft und in Einzelfällen korrigiert.

Für die folgenden Schritte braucht es zusätzliche Dokumentationen

aus den vorangehenden Planungsschritten.

Für die Erstellung des Materialflusses muss dieser

als Dokument vorliegen oder aus dem Ablaufdiagramm

der Anlage abgeleitet werden. Weiter werden Übersichten

für die einzelnen Bearbeitungsstationen benötigt, um die

Sensorik zu den Bauteilen zuzuordnen. Mit diesen Informationen

wird in Invision definiert, an welchen Stellen

Produkte in die Anlage eintreten, welchen Weg sie durch

die Anlage nehmen und wo sie die Anlage verlassen.

Auch das Fügen von Bauteilen zu einem Zusammenbau

wird im Rahmen des Materialflusses definiert. Abschließend

wird die Schnittstellendefinition zur Kopplung mit

dem Logik-Modell eingelesen und mit den Signalen von

Materialfluss, Kinematik und Robotern verknüpft. Indem

eine Bezeichnungssystematik durchgängig verwendet

wird, erleichtert das diese Verknüpfung sehr; sie kann

teilweise automatisch erfolgen.

heitsprogramms, Handbetrieb, Automatikbetrieb, Sonderfunktionen

und Störfälle.

Bei diesen Tests bilden der Programmierer der Anlagensteuerung,

der Roboterprogrammierer und der Bediener

der virtuellen Anlage ein Team. Zu Beginn der Tests

wird das SPS-Programm in die SPS geladen und die Roboterprogramme

werden in die Software Invision eingelesen.

Das SPS-Programm kann direkt in der Hardware-

Steuerung eingespielt werden. Die Roboterprogramme,

die neben den Bewegungsbefehlen mindestens auch die

Verriegelungssignale enthalten sollten, müssen zunächst

aus der nativen Roboter-Programmiersprache in ein neutrales

Format übersetzt werden und werden von der Software

Invision emuliert.

Bild 1: Architektur einer

realen Fertigungsanlage

3.3 Testkopplung der Modellbestandteile

Die beiden Teile des Modells sind nun bereit für eine erste

Testkopplung. Im Rahmen dieser Kopplung werden die verschiedenen

Ansteuersignale seitens des Logik-Modells und

die Rückmeldesignale seitens des 3D-Modells überprüft. Die

Verbindung des Logik-Modells mit der SPS erfolgt über die

Busankopplung, die Verbindung zwischen Logik-Modell und

3D-Modell wird über eine Ethernet-Verbindung hergestellt.

Durch das manuelle Setzen (Forcen) definierter Signale auf

Seiten des Logik-Modells lassen sich die Verfahrwege der

Kinematiken testen und der Materialfluss durchspielen.

Wenn auch die Testkopplung erfolgreich verläuft, so ist

das Modell bereit, um eine virtuelle Inbetriebnahme

durchzuführen.

Bild 2: Architektur einer virtuellen Anlage

4. Virtuelle Inbetriebnahme

Die Durchführung der virtuellen Inbetriebnahme orientiert

sich an der Vorgehensweise der realen Inbetriebnahme.

Auch hier gliedern sich die Schritte in Test des Sicher-

Bild 3: Aufbau des Anlagenmodells

atp edition

4 / 2012

31

Hauptbeitrag

Test von Hand- und Automatik-Betrieb

Wie bei der Abnahme an der realen Anlage wird beim Test

des Sicherheitsprogrammes jedes Sicherheitselement ausgelöst

und anschließend überprüft, ob die in der Sicherheitsmatrix

definierten Elemente in einen sicheren Zustand

überführt wurden. Korrekturen kann der SPS-Programmierer

direkt im Steuerungsprogramm vornehmen.

Anschließend steuert der Steuerungsprogrammierer die

einzelnen Komponenten in der Anlage über die Visualisierung

an und verfährt sie zwischen den einzelnen Positionen.

Dabei werden die Verfahrwege im 3D-Modell überprüft.

Die Bewegungsrichtungen und Rückmeldungen aus

den einzelnen Endlagen verarbeitet das Steuerungsprogramm.

Bei diesem Test wird die Ansteuerung der einzelnen

Komponenten durch das Steuerungsprogramm validiert.

Daneben wird die Handverriegelung von Komponenten

getestet. In manchen Fällen muss beim Verfahren der

mechanischen Komponenten eine bestimmte Reihenfolge

eingehalten werden, weil sich die Bewegungsräume der

Komponenten überschneiden oder sich Komponenten in

einem bestimmten Zustand im Bewegungsraum einer anderen

Komponente befinden. In diesem Fall wird auch das

Handverfahren von Komponenten verriegelt, um eine Kollision

in jedem Fall auszuschließen.

Sobald der Handbetrieb getestet ist, wird die Anlage

Station für Station in den Automatikbetrieb versetzt. Dabei

wird, beginnend an den Quellen des Materialflusses,

der Automatikablauf eingeführt. Hierzu sind Optimierungen

im Steuerungsprogramm und Roboterprogrammen,

wie das Freigeben des Einfahrens in Stationen, das

Setzen von Rückmeldungen durch den Roboter und Anpassungen

im Ablauf, notwendig. Während sich die Änderungen

im SPS-Programm an der Originalsoftware

ohne großen Aufwand durchführen lassen, sind die Änderungen

des Signalaustausches in den Roboterprogrammen

zunächst in der Simulationsumgebung vorzunehmen

und separat zu dokumentieren. Im Anschluss werden

die Änderungen in den Originalroboterprogrammen

nachvollzogen und die Programme über den Zwischenschritt

der Konvertierung in das neutrale Format übersetzt

und in die virtuelle Anlage eingelesen. Schritt für

Schritt wird so Station für Station in Betrieb genommen,

bis ein Fertigungsablauf für ein Bauteil ohne Eingriff

durch den SPS-Programmierer oder den Roboterprogrammierer

durch die virtuelle Anlage produziert wurde. Anschließend

werden die Tests auf die Varianten der in der

Anlage zu produzierenden Produkte ausgedehnt. Entsprechend

der Spezifikation der Anlage werden auch die

Wechsel zwischen den Produktvarianten erprobt.

Test von Sonderfunktionen und Störszenarien

Dem Test des Automatikbetriebs folgen die Tests der Sonderfunktionen.

Hierzu zählen das Aus- und Einschleusen

von Bauteilen. Ein besonderes Augenmerk gilt Anlagenzuständen,

die nur nach einer größeren Anzahl an Zyklen herbeigeführt

werden, wie zum Beispiel das Kappenfräsen bei

Anlagen mit Punktschweißapplikationen. Der Vorteil der

virtuellen Inbetriebnahme, dass eine unbegrenzte Anzahl

von Bauteilen beliebiger Varianten verfügbar ist, hilft besonders

beim Test von Sonderprogrammen, wie dem Vollfahren

und Leerfahren der Anlage. Diese Tests können an der realen

Anlage erst zu einem sehr späten Zeitpunkt durchgeführt

werden, da die Bauteile in der Phase der Inbetriebnahme nur

in begrenzter Anzahl zur Verfügung stehen.

Sofern noch Zeit für weitere Tests zur Verfügung steht,

lassen sich durch das Forcen von Signalen Störszenarien,

wie Störungen von einzelnen Komponenten, einspielen,

um die Robustheit des SPS-Programmes zu testen. Wie

beschrieben, werden die Optimierungen und Fehlerbehebungen

im Rahmen der virtuellen Inbetriebnahme

direkt durchgeführt. Wenn dies nicht möglich ist, weil

Anpassungen auch Änderungen in der Hardware bedürfen

oder weil es aus Zeitgründen nicht machbar ist, werden

die noch durchzuführenden Maßnahmen dokumentiert

und mit den betroffenen Gewerken besprochen.

5. Einbindung in den Engineering-Prozess

Im Gegensatz zu anderen Optimierungen im Engineering-

Prozess werden durch die virtuelle Inbetriebnahme keine

bisherigen Prozessschritte ersetzt oder modifiziert, sondern

ein neuer Prozessschritt eingeführt. Trotzdem wirkt

sie sich auf den restlichen Engineering-Prozess aus. Bereits

zu einem frühen Zeitpunkt ist auszuwählen, an welchen

Anlagen eine virtuelle Inbetriebnahme durchgeführt

werden soll. Kriterien hierfür sind die Komplexität

der Anlage, eine Verwendung für mehrere Varianten eines

Bauteiles, zukünftige Planungen oder besondere Projektumstände.

Ist eine Anlage ausgewählt, muss im Projektzeitplan

die virtuelle Inbetriebnahme berücksichtigt und

sichergestellt werden, dass sich die beteiligten Gewerke

früher als im bisherigen Prozess detailliert abstimmen.

Dies betrifft zum Beispiel den Steuerungs- und Roboterprogrammierer

hinsichtlich der Signale zur Verriegelung

der Roboter untereinander und mit anderen Komponenten

der Anlage. Bisher erfolgte dieser Schritt erst kurz vor

Beginn der realen Inbetriebnahme. Weiter ist es unabdingbar,

dass die Eingangsdaten zum Aufbau der Modelle

für die virtuelle Inbetriebnahme in einem konsistenten

und aktuellen Stand vorliegen.

Nach dem Aufbau des Modells sind Änderungen in

der Ausführung der Anlage stets zu verfolgen und, sofern

der Umfang größer ist, im Modell zu definierten Zeitpunkten

nachzupflegen. Der Projektzeitplan kann so

gestaltet werden, dass der SPS-Programmierer an der

virtuellen Inbetriebnahme teilnimmt, bevor seine Anwesenheit

auf der Baustelle erforderlich wird. Gegebenenfalls

müssen hierzu das Prüfen der Elektroinstallation,

Signaltest oder ähnliche Tätigkeiten bei Beginn der

Inbetriebnahme an andere Personen delegiert werden.

Allerdings müssen Personen, die erstmals an der virtuellen

Inbetriebnahme teilnehmen, oft erst von ihrem

Nutzen überzeugt werden. Dabei muss ihnen verdeutlicht

werden, dass sich Mithilfe dieses Engineering-

Schrittes der Aufwand bei der realen Inbetriebnahme

vermindert.

Die Erkenntnisse aus der virtuellen Inbetriebnahme

müssen bei der realen Inbetriebnahme berücksichtigt

werden. Hierzu zählen neben behobenen und offenen

Mängeln auch Informationen über die durchgeführten

Tests und deren Ergebnisse. Nach Abschluss der realen

Inbetriebnahme sollte das Anlagenmodell auf den

Stand der realen Anlage gebracht werden. Die verschiedenen

Programme können dann wieder in die

virtuelle Inbetriebnahmeumgebung eingespielt werden

und sollten zum gleichen Verhalten führen wie an

der realen Anlage.

Mit dem aktualisierten Modell steht dann ein wertvolles

Werkzeug für weitere Integrationsprojekte zur Verfügung.

Diese finden bei laufender Produktion statt. Die

virtuelle Inbetriebnahme sorgt für vorgetestete Program-

32

atp edition

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me, verkürzt damit Stillstandszeiten und entlastet das

Inbetriebnahmepersonal.

6. Erfahrungen

Der erste Nutzen der virtuellen Inbetriebnahme tritt bereits

vor dem eigentlichen Modellaufbau ein. Abstimmungen

zwischen den verschiedenen Gewerken, die sonst oft

erst während der realen Inbetriebnahme durchgeführt

werden, finden zu einem früheren Zeitpunkt statt und

machen Letztere dadurch besser planbar.

Durch den Test der Sicherheitsprogramme am Modell

wird erreicht, dass ein funktionierendes Sicherheitsprogramm

zu einem frühen Zeitpunkt an der Anlage eingespielt

werden kann. Durch den systematischen Vortest

am virtuellen Modell wird die Abnahmezeit des Programms

an der realen Anlage verkürzt.

Der Test des Handbetriebs und der Automatikabläufe

unterstützt bei kurzen Testzyklen und enger Zusammenarbeit

von SPS-Programmierer und Roboterprogrammierer

die Abstimmung und Weiterentwicklung der verschiedenen

Programme.

Besonders beim Test der Betriebsfunktionen, wie Vollfahren

und Leerfahren der Anlage sowie der verschiedenen

zu produzierenden Typen, bringt die virtuelle

Inbetriebnahme entscheidende Vorteile, da eine beliebige

Anzahl von Bauteilen verschiedener Varianten zur

Verfügung steht. Eine Situation, die an der realen Anlage

durch die Knappheit der ersten Prototypen- und Serienteile

nicht gegeben ist. Macht sich dieser Nutzen

bereits beim Aufbau von neuen Anlagen bemerkbar, sorgt

die virtuelle Inbetriebnahme bei Integrationsprojekten

in bestehende Anlagen für zusätzliche Sicherheit.

Den beteiligten Personen müssen die Möglichkeiten

und Grenzen der virtuellen Inbetriebnahme bekannt

sein. Die Übertragbarkeit von Ergebnissen hängt stark

von der Genauigkeit und der Aktualität des Modells ab.

Die Beteiligten müssen das Modell als Möglichkeit für

Tests akzeptieren und können damit die Arbeit auf der

Baustelle auf die Punkte fokussieren, die an einer virtuellen

Anlage nur begrenzt abbildbar sind.

Eine weitere Erfahrung ist, dass die Einbettung des

neuen Prozessschrittes virtuelle Inbetriebnahme in den

Engineering-Prozess sehr wichtig ist. War es bisher möglich,

die Engineering-Ergebnisse Schritt für Schritt an

die reale Anlage zu liefern, gibt es jetzt mit dem Start der

virtuellen Inbetriebnahme beziehungsweise mit dem

Start des Modellaufbaus einen definierten Abgabezeitpunkt

für den kompletten Umfang. Hierauf müssen sich

die vorgelagerten Prozessen einstellen.

7. Weitere Anwendungsfälle

Eine virtuelle Anlage kann über die virtuelle Inbetriebnahme

hinaus noch in folgenden Tätigkeiten Anwendung

finden, vorausgesetzt, es wird nach Abschluss der realen

Inbetriebnahme aktualisiert:

Fazit

Schulung: In der Ausbildung von Anlagenführern

und Instandhaltungspersonal liefert das Modell einen

wertvollen Beitrag. Bisher konnte nur an stark reduzierten

Anlagennachbildungen oder an der realen

Anlage ausgebildet und geübt werden.

Instandhaltung: Verbesserungen lassen sich an der

virtuellen Anlage vorab testen und an der realen Anlage

beobachtete Fehlerzustände zwecks Ursachenfindung

und -behebung am Modell nachbilden.

Test von Standardbausteinen: Standardbausteine

können über verschiedene virtuelle Modelle umfangreicher

vor der Freigabe getestet werden.

Die virtuelle Inbetriebnahme leistet einen guten Beitrag zur

Verkürzung einer Inbetriebnahme und zur Verringerung

der mit ihr verbundenen Risiken. Zusätzlich werden durch

die für die virtuelle Inbetriebnahme erforderliche frühzeitige

Abstimmung zwischen den betroffenen Gewerken positive

Effekte erzielt. Es ist jedoch nötig, weiter an der Integration

der virtuellen Inbetriebnahme in die Prozesskette

der Anlagenplanung und -realisierung zu arbeiten.

Manuskripteingang

29.12.2011

Im Peer-Review-Verfahren begutachtet

Referenzen

Autor

[1] Kiefer, J.: Mechatronikorientierte Planung automatisierter

Fertigungszellen im Bereich Karosserierohbau,

Schriftenreihe Produktionstechnik, Band 43,

Universität des Saarlandes 2007

[2] L. Hundt, A. Lüder, E. Estévez Estévez, Kiefer, J.:

Engineering of manufacturing systems within engineering

networks, 15th IEEE International Conference on Emerging

Technologies and Factory Automation (ETFA 2010), Bilbao,

Spain, September 2010, Proceedings-CD

[3] Strube, M., Fay, A.; Truchat S., Figalist, H.:

Modell gestützte Modernisierungsplanung. In:

Zeitschrift atp-edition, 53 (7-8), S. 46-53, 2011

[4] Drath, R. (Herausgeber): Datenaustausch in der

Anlagenplanung mit AutomationML,

Springer-Verlag 2010

Dipl.-Ing. Björn Grimm (geb. 1977)

studierte Elektrotechnik und Informationstechnik

an der Universität

Karlsruhe (TH). Seit 2004 arbeitet

er bei der Daimler AG an der Einführung

und Weiterentwicklung von

Engineering-Werkzeugen sowie neuen

Produktionskonzepten.

Mercedes-Benz Werk Sindelfingen,

Produktionsplanung,

Planung Presswerk, Karosseriebau, Lackierung,

Automatisierungs- und Steuerungstechnik (PKL/AST),

D-71059 Sindelfingen, Tel. +49 (0) 7031 908 20 56,

E-Mail: bjoern.grimm@daimler.com

atp edition

4 / 2012

33

hauptbeitrag

Simulationsbasierte


Generierung von Modellen aus PLS-Engineering-Systemen

Das Testen des implementierten Steuerungscodes von Prozessleitsystemen (PLS) ist ein

wichtiger Bestandteil des PLS-Engineering-Prozesses und Voraussetzung für eine zügige

Inbetriebnahme und einen fehlerfreien Anlagenbetrieb. Mithilfe der Simulation des IO-

Verhaltens der beteiligten Aktoren und Sensoren sowie – damit verbunden – des physikalischen

Anlagenprozesses lassen sich diese Tests früher, schneller und umfassender

durchführen. Dieser Beitrag diskutiert wesentliche Aspekte des effizienten simulationsbasierten

Testens von Steuerungsprogrammen. Er stellt ein Simulationswerkzeug vor,

welches die Simulationsmodellgenerierung auf Basis von Daten aus dem PLS-Engineering-

Werkzeug semi-automatisiert ausführt. In einem Folgebeitrag [12] wird in Erweiterung zu

der hier vorgestellten praxisorientierten Lösung ein Forschungsansatz beschrieben, mit

dessen Hilfe sich Simulationsmodelle auf Basis von objektorientierten CAE-Planungsdaten

vollautomatisch generieren lassen.

SCHLAGWÖRTER Factory-Acceptance-Test / automatische Modellgenerierung / Simulation /

MS Excel / PLS-Test-Engineering

Simulation based control logic tests –

Generating simulation models based on PCS Engineering Systems

Testing the control code implemented in the Process Control System (PCS) is an important

part of the PCS engineering process and a prerequisite for rapid commissioning and the

correct functioning of the plant. With the aid of simulation of the IO behaviour of the

relevant sensors and actuators as well as the physical process, these tests can be carried

out earlier, quicker and more comprehensively. In this article, essential aspects of an efficient

simulation-based testing of control programs are discussed. A simulation tool is

presented which is able to generate the simulation model semi-automatically on the basis

of PCS engineering tool data. In a related article, a research approach will be presented

with which simulation models based on object oriented CAE data can be generated fullyautomatically.

KEYWORDS Factory acceptance Test / automated model generation / simulation /

MS Excel / PCS test engineering

34

atp edition

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Jürgen Greifeneder, Peter Weber, Mike Barth, ABB Forschungszentrum

Alexander Fay, Helmut-Schmidt-Universität

Angelehnt an Testprozeduren von Software-Applikationen

beinhaltet das Engineering eines

Prozessleitsystems mehrere Prüfschritte. Je

nach Fortschritt bei der Implementierung der

Leitsystemfunktionen werden Grenzwerte für

Alarme und Meldungen, Verriegelungen, Schrittketten

sowie Wirkrichtungen von Reglern daraufhin überprüft,

ob sie den Spezifikationen entsprechen. Die Ingenieure

stehen hierbei vor der Herausforderung, dass die für den

Factory-Acceptance-Test (FAT) zur Verfügung stehende

Zeit immer kürzer wird – Reduzierung der Gesamtprojektdauer

seit 1970: 25 % [1]. Die Anzahl und Komplexität

der durchzuführenden Tests hat dagegen aufgrund des

zunehmenden Funktionsumfangs der Automatisierung

stetig zugenommen. Die Frage ist, ob sich Vorbereitung

und Durchführung dieser Tests durch den Einsatz von

Simulationsmodellen effizienter gestalten oder zumindest

teilweise in frühere Projektphasen verlagern lassen.

Die als Inhouse-Tests bezeichneten Prüfungen des

Steuerungscodes beinhalten Funktions-, Integrationstest

und den FAT und werden beim PLS-Systemintegrator

durchgeführt, bevor das fertig konfigurierte und programmierte

PLS an den Kunden ausgeliefert wird. Die

Reihenfolge ist dabei nicht streng sequenzieller Natur

sondern zeichnet sich durch zeitliche Überlappungen

und Iterationen [2, 3] aus:

Im funktionalen Anlagentest (Funktionstest) werden

die Steuerungslogik und die Bedien- und Beobachtungsfunktionen

überprüft. Da in vielen Fällen vorgetestete

Bibliotheksbausteine (Typicals) und Bediendialoge

(Faceplates) eingesetzt werden, kann der

Funktionstest auf die Bereiche Verschaltung von

Funktionsbausteinen, Parametrierung (zum Beispiel

Grenzwerte), Verriegelungen, Schrittketten, Bediendialog

HMI-Ankopplung und Protokollierung konzentriert

werden.

Der Integrationstest befasst sich mit den im Leitsystem

angelegten Systemfunktionen wie Netzwerkverbindungen,

Zugriffsberechtigungen, Gerät-Logik-

Verknüpfungen (connectivity), Reaktion auf Fehlverhalten

(zum Beispiel E/A-Kartenausfall), Systemalarmen,

Zeitsynchronisation, Speicherverbrauch und

CPU-Auslastung.

Der FAT beinhaltet systemintegrative und funktionale

Aspekte und wird in den meisten Fällen im Beisein

des Kunden durchgeführt. Der Abschlussbericht

wird von den Beteiligten abgezeichnet. Er gilt zusammen

mit der anschließenden Überführung des Prozessleitsystems

auf die Baustelle als Abschluss der

Inhouse-Engineering-Tätigkeiten.

In diesem Beitrag werden jene Teile der funktionalen und

Abnahme-Tests behandelt, bei denen die reale Hardware

durch emulierte Komponenten ersetzt werden kann [4].

Auf Basis dessen fokussieren die Autoren folgende Testaufgaben:

Verriegelungslogiken, zum Beispiel das Aktivieren

eines Sekundärkreislaufes bei Trockenlauf einer

Pumpe

Schrittketten, beispielsweise die Überprüfung korrekter

Schaltbedingungen

Ein-/Ausgabeverhalten, wie die korrekt konfigurierte

Wirkrichtung von Reglerbausteinen

Die Überprüfung der implementierten Grafiken von

Bediendialogen und Alarmen. Hierbei wird getestet,

ob die Lesbarkeit gegeben ist, die korrekte Farbwahl

getroffen wurde, die Sensor- und Stellwerte in der

korrekten Einheit, Genauigkeit und Darstellungsvariante

(wie Trend, Säule, Digitalanzeige) angezeigt

werden.

Der Vollständigkeit halber muss auch die Überprüfung

der eingesetzten Bibliotheken genannt werden. Diese

wird dann relevant, wenn projektübergreifend eingesetzte

Funktionsbausteine auf die Anforderungen eines konkreten

Projektes abgestimmt wurden. Der Stand der Technik

beim Testen wird durch das manuelle Aufschalten

von Signalen (Signalwertaufschaltung) dominiert. Im

Unterschied zu früheren Vorgehensweisen, bei denen mit

Schaltern und Potenziometern gearbeitet wurde, wird die

atp edition

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35

Hauptbeitrag

Setzen

Variablenwerte

Verändern

Parameter

E_ACS350

(Simulierte) Hardware

Funktionsobjekt

Objekte im Leitsystem

Zugehörige Hardware

Signalwertaufschaltung (Signal Forcing) heute durch

Softwareprogramme unterstützt. Dieses softwaregestützte

Vorgehen bildet eine erste native Form von simulationsbasierten

Testverfahren.

1. Simulationsbasierte Testverfahren

Leitsystem

Bild 1: Objektweises Testen, im Beispiel für ein Drive (ACS350),

das eine Pumpe ansteuert

Die zuvor erläuterten Funktions- und Abnahme-Tests betreffen

Steuerungsaspekte, welche durch die Verhaltensmodellierung

einzelner Anlagenobjekte getestet werden

können, und Funktionen, für deren Test mehrere Anlagenobjekte

sowie deren Abhängigkeiten simuliert werden

müssen. Letzteres betrifft vor allem die Tests von Verriegelungen,

Ablaufsteuerungen und Wirkrichtungen von

Reglern. Um das zu erläutern, werden im Folgenden die

Vorgehensweisen objektweises Testen und Testen mit Prozessmodellen

eingeführt.

Als objektweises Testen wird die aus der klassischen

Signalwertaufschaltung stammende Simulation eines

einzelnen Objektes beziehungsweise die damit einhergehende

Prüfung einer Leitsystemfunktion definiert. Bei

einem solchen Objekt kann es sich um einen Aktor (zum

Beispiel Pumpe) oder einen Sensor (beispielsweise Füllstandsensor)

handeln. Beim Test wird das korrekte Zusammenwirken

von Anlagenobjekt und Leitsystemfunktion

überprüft. Im einzelnen Projekt werden die gemäß

der Spezifikation eingestellten Grenzwerte (wie Laufzeit-

Eingangssignale

Simulationswerkzeug

Ausgangssignale

Visualisieren

Steuerungssignale

Rückmeldesignale

Füllstands-

Sensor

LT

Füllstands-

Regelung

LIC

Ventil

FV

Pumpe

EU

!

Interlock-

Logik!

!

Durchfluß-

Regelung

Mit der Entwicklung von Werkzeugen wie Matlab/Simulink

(Mathworks), welche Simulation auch außerhalb einer

hoch spezialisierten Forschung ermöglichen, lassen sich

die dabei entstehenden Vorteile für das Tagesgeschäft der

Ingenieure nutzen [5, 6]. Hieraus hervorgegangen sind

kommerzielle PLS-Test-Werkzeuge wie 800xA Simulator

(ABB), Simit (Siemens), WinMod (Mewes) und Virtuos

FIC

Durchfluß-

Sensor

Bild 2: Darstellung des funktionalen Zusammenhangs zwischen

einzelnen Anlagenobjekten

FT

(ISG), welche als eigenständige Software oder als weiteres

Modul für ihre jeweilige PLS-Engineering-Umgebung erhältlich

sind. Je nach deren Anbindung an die emulierte

(Soft-SPS) oder real vorhandene Steuerung wird zwischen

den Testarten Systemsimulation und Hardware-in-the-

Loop (HIL) [7] unterschieden. Bei der Systemsimulation

[8] werden der zu steuernde Prozess und die Steuerungs-

Hardware simuliert (ausschließliche Simulation). Die Systemsimulation

eignet sich insbesondere für schnell umzusetzende

Untersuchungen zu Beginn eines Projekts. Sie

erlaubt es, falsche Lösungsansätze frühzeitig auszuschließen

oder verschiedene Lösungsansätze bezüglich ihrer

jeweiligen Performanz miteinander zu vergleichen. Hierbei

liegt der Controller in der Regel in emulierter Form,

das heißt als Soft-SPS, vor. Das Anlagenmodell kann dabei

in einer externen Simulationsumgebung modelliert und

zum Beispiel über OPC an die Soft-SPS angeschlossen

werden als auch im Controller selbst aufgebaut sein [10].

Eine Variante der Systemsimulation für das PLS-Test-

Engineering bilden im Controller implementierte Modelle.

Diese sind in den zu Typicals zusammengefassten Funktionsbausteinen

implementiert und damit Bestandteil des

Steuerungscodes. Dem sich ergebenden Vorteil in Bezug

auf das Wegfallen eines zusätzlichen Simulationswerkzeuges

steht der Nachteil gegenüber, dass die Simulationsmodelle

nach dem Test deaktiviert werden. Dies bedeutet

eine nachträgliche Änderung des Steuerungscodes nach

erfolgtem Test, wobei die Auswirkungen nicht vollständig

absehbar sind. Zwar ist auch hier eine rückwirkungsfreie

Alternative möglich, zum Beispiel durch den Einsatz eines

zweiten Controllers, doch diese ist gleichzusetzen mit dem

Einsatz eines externen Simulationswerkzeuges.

Das Testen durch HIL-Simulation (Hardware-In-The-

Loop) hat für den Systemintegrator größere Bedeutung. Die

zu liefernde, bereits erstellte PLS-Infrastruktur wird mit

einem Simulations-Modell des zu steuernden Prozesses

gekoppelt. Bei der HIL-Simulation lässt sich der Simulationsrechner

zum Beispiel als simulierte Remote-IO Komponente

über Feldbus mit dem realen Controller verbinden.

2. Objekt- und Prozessmodelle

36

atp edition

4 / 2012

parameter, HHH/HH/H-Alarmwerte) getestet. Das objektweise

Testen beinhaltet des Weiteren Syntaxprüfungen,

die Überprüfung von Variablenzuweisungen und Reaktionsprüfungen.

Letztere könnte die Farbänderung einer

Anzeige bei Änderung eines Variablenwertes oder die

Erfüllung einer Schaltbedingung sein.

Als Prozesssignale von den simulierten Anlagenobjekten

werden Konstanten, Sprungfunktionen (binäre Sensorwerte)

oder zeitabhängige Eingangssignale (zum Beispiel

Rampen als Teil einer Regelfunktion TIC (Temperature

Indication and Control) modelliert. So wird beispielsweise

das binäre Rückmeldesignal eines

geschlossenen Ventils (GO-) simuliert, nachdem es ein

Aktorsignal aus der Steuerung erhalten hat. Dies veranschaulicht

Bild 1, in welchem die Leitsystemfunktion

Rückmeldesignale vom simulierten Objekt empfängt,

nachdem sie zuvor ein Steuersignal an das simulierte

Objekt gesendet hat. Hierbei kann zusätzlich die Weitergabe

von Signalen der Leitsystemfunktion an eine Visualisierung

getestet werden. Die an das simulierte Objekt

gesendeten beziehungsweise empfangenen Signale kann

der Testingenieur jederzeit durch eigene Eingangswerte

(zum Beispiel direkt am Funktionsbaustein im Leitsystem

oder Simulationswerkzeug) überschreiben.

Anders als das optionale Aufschalten von Fehlerwerten

erfordert das Testen von Verriegelungen, Schrittketten

oder Folgealarmen zwingend manuelle und zeitlich abgestimmte

Eingriffe des Testingenieurs (beziehungsweise

die Aktivierung von definierbaren Testsequenzen).

Zum Beispiel muss für das Testen einer Befüllungssequenz

eines Mischbehälters der Materialfluss (bei Einsatz

eines Durchflussmessers), mindestens aber ein ansteigender

Füllstand im Behälter simuliert werden, um die Transitionsbedingung

„Behälter voll“ zu aktivieren.

Auch für den Test von Verriegelungen bietet sich die

Simulation der Material- und Energieströme in der Produktionsanlage

an, da diese (hinsichtlich Kausalität und

zeitlicher Folge) korrekte Signalsequenzen der beteiligten

Sensoren, Aktoren und sonstigen Anlagenelemente

(zum Beispiel Behälter) generieren kann Testen mit

Prozessmodellen. Ein solches Szenario wird in Bild 2

dargestellt: Obwohl im PLS lediglich Funktionsbausteine

zur Ansteuerung der Anlagenelemente konfiguriert

sind, ist deren physikalische Interaktion elementar, da

beispielsweise getestet werden muss, ob ein Unterschreiten

eines kritischen Füllstandes im Behälter zum Schließen

des Abflussventils und in Folge dessen auch zur

Abschaltung der Pumpe (Verriegelung) führt. Wenn es

sich um eine Antriebsschaltung handelt, ist zu klären,

ob ein Überschreiten der kritischen Drehzahl oder des

zulässigen Stromes eine Notabschaltung auslöst.

Das Arbeiten mit Prozessmodellen setzt jedoch deren

Generierung voraus. Wie in Abschnitt 1 erläutert, ist dies

eine Tätigkeit, welche bislang überwiegend manuell vom

Testingenieur durchgeführt werden muss. Dieser Aufwand

ist, einhergehend mit dem bestehenden Zeit- und

Kostendruck im PLS-Engineering, ein wesentlicher Grund

dafür, weshalb sich der Einsatz von Prozessmodellen für

den Steuerungscodetest bislang nicht durchsetzen konnte

[9]. In den folgenden Abschnitten werden eine Methodik

sowie das Werkzeug vorgestellt, mit dessen Hilfe sich

der manuelle Aufwand signifikant, unter Beachtung der

praktischen Umsetzbarkeit, reduzieren lässt.

3. Eine MS Excel-basierte PLS-Testumgebung

Im Zuge der Diskussion um die sinnvolle Integration von

XML-basierten Datenaustauschformaten werden in den

PLS-Engineering-Systemen zunehmend XML-Exportund

Import-Möglichkeiten integriert. Ein Beispiel ist das

proprietäre SimaticML-Format des SimaticManager von

Siemens. Mit CAEX ist ein offenes Datenaustauschformat

in das Engineering-System des Leitsystems 800xA (ABB)

integriert worden. Beide Beispiele sind jedoch noch als

Einzelfälle zu betrachten.

Dagegen wird in [11] darauf hingewiesen, dass das Tabellenkalkulationswerkzeug

Microsoft Excel (im Folgenden

Excel genannt) als einziges Werkzeug durchgehend

von den PLS-Engineering-Systemen unterstützt wird

und somit quasi einem Standardwerkzeug im PLS-Engineering

entspricht. Die verbreitete Anwendung von Excel

wird durch die Arbeiten des Namur-Arbeitskreises 1.10

bestätigt, in denen eine Vereinheitlichung von herstellerspezifischen

Signallisten angestrebt wird. Diese werden

bislang standardmäßig in Form einer Excel-Tabelle

umgesetzt. Des Weiteren werden Excel-Tabellen unter

anderem für die massenhafte Parametrisierung (Bulk-

Data-Engineering) von Signalen oder die Einrichtung

einer OPC-Kommunikation verwendet. Hierbei lassen

sich die Kopier- und die Auto-Vervollständigungs-Funktionalitäten

(DigitalInput_1; DigitalInput_2; Digital

Input_x….) von Excel sinnvoll einsetzen. Einer der entscheidenden

Gründe, Excel im PLS-Engineering zu verwenden,

hängt damit zusammen, dass Excel auf nahezu

jedem PC-Arbeitsplatz vorinstalliert und dadurch jedem

Ingenieur zugänglich und geläufig ist.

Auf dieser Argumentation basierend können lizenzrechtliche

und schulungstechnische Nachteile im Zusammenhang

mit dem Einsatz von kommerziellen Simulationsumgebungen

durch den Einsatz von Excel als

Simulationswerkzeug aufgehoben werden. Zusätzlich

werden die bestehenden Ex- und Importschnittstellen

mit PLS-Engineering-Werkzeugen sinnvoll verwendet.

Wie in Abschnitt 1 erläutert, erfolgt die Generierung von

Simulationsmodellen bislang überwiegend manuell.

Eine mit mehreren Projektingenieuren aus unterschiedlichen

Anwendungsbereichen der Prozessleittechnik

(PLT) durchgeführte Analyse [10] ergab, dass die Verwendung

von Simulationswerkzeugen zum Test des PLS

in größerem Umfang primär am zusätzlichen, vor allem

für die Modellerstellung notwendigen Zeitaufwand

scheitert. Dementsprechend wird ein solches Werkzeug

nur dann akzeptiert, wenn es möglich ist, den projektierten

Steuerungscode sowie alle zugehörigen Bedienkomponenten

unverändert und ohne zusätzliche Instrumentierung

in einer virtuellen Umgebung zu testen und

das Simulationsmodell, das die physikalische Anlage

modelliert, weitestgehend automatisiert zu generieren.

3.1 Modellierung der Anlagenobjekte in Excel

Mit Hilfe von Excel werden zellbasierte Integratoren miteinander

verknüpft. Dabei beinhaltet Excel das Programmierwerkzeug

VBA (Visual Basic for Applications) als

Zusatzmodul. Aus VBA heraus kann auf einzelne Zellwerte

zugegriffen werden. Diese Werte lassen sich auf

atp edition

4 / 2012

37

Hauptbeitrag

dem VBA-Code basierend manipulieren und wieder zurück

in die Ausgangszelle beziehungsweise beliebige weitere

Zellen schreiben. Für die Anwendung von Excel als

Simulationsumgebung ergeben sich zwei Anwendungsmöglichkeiten

für VBA:

1 | die Berechnung von Zellwerten und damit die direkte

Umsetzung von Simulationsmodellen in VBA

2 | die Manipulation von Zellwerten und -beziehungen,

wodurch ein auf VBA basierender Modellgenerator

implementiert werden kann

Der Zugriff auf einen Zellwert aus VBA heraus gestaltet

sich in Kombination mit dessen anschließender Verarbeitung

vergleichsweise CPU-ressourcenintensiv. Deshalb

werden die Formeln direkt als Zellbeziehungen implementiert

und im Zuge der Modellgenerierung offline

durch VBA manipuliert. Der Einsatz von VBA bietet sich

jedoch an, wenn – zusätzlich zu den Grundfunktionen

– komplexe, automatisch auszuführende Testszenarien

zu implementieren sind.

Bei der Implementierung von Modellen in Excel muss

zwischen Parametern und Variablen unterschieden werden.

Ein Beispiel: der Füllstand eines Behälters zu Beginn

der Simulation. Dessen Startwert wird als Parameter und

dessen Zeitwert als Variable festgelegt. Als Integrationsverfahren

wurde das explizite Euler-Cauchy implementiert.

Hierbei wird die Änderung (dV) des aktuellen Zeitwertes

innerhalb eines definierten Zeitschrittes (dt) ermittelt.

Diese Änderungen werden integriert und für jedes

Zeitintervall einmal berechnet. Um den entstehenden

Zirkularbeziehungen (Zellen referenzieren sich selbst

V=V+dV) zu entgehen, muss die Anzahl der iterativen

Berechnungsschritte vorab manuell festgelegt werden.

Die Umsetzung der zellbasierten Integratoren in Excel

wird anhand des in Bild 3 dargestellten Behältermodells

erläutert. Im Fokus steht dabei die Berechnung der Masse

im Behälter, die sich als zeitliches Integral der Differenz

von Zulaufmassenstrom (dm_in) und Ablaufmassenstrom

(dm_out) ergibt. Zur Erklärung ist in Bild 3

(unten) die Berechnung des Zellwertes dm_out dargestellt.

Dabei werden die Eingangsgrößen h (= aktueller

Füllstand im Behälter) und p B (= Druck auf Flüssigkeit

im Behälter) als Ergebnis der Wurzelrechnung („sqrt“)

in die Strömungsgeschwindigkeit am Behälterausgang

umgerechnet. Anschließend wird hieraus der Massenstrom

dm_out durch die Multiplikation mit den Parametern

Dichte und der Querschnittsfläche der Rohrleitung

A berechnet. Dabei wird der in Form der signalflussbasierten

Modellierung dargestellte Formelzusammenhang

komplett in einer Zelle implementiert.

3.2 Generierung der Simulationsmodelle

Für den Aufbau von Test-Simulationsmodellen stehen

den Ingenieuren dieselben Daten zur Verfügung, wie sie

für die Konfiguration des PLS verwendet werden, nämlich

CAE-Dokumente – insbesondere R&I-Fließbilder, Signallisten,

Stellenpläne, Funktionspläne – sowie Spezifikationen

des gewünschten und gegebenenfalls auch des unerwünschten

Systemverhaltens. Letztere dienen als

Grundlage, um Testfälle für den FAT abzuleiten. Der für

ein Simulationsmodell notwendige Aufbau der Anlage

lässt sich hieraus nicht ableiten.

Als Basis für die Generierung der Simulationsmodelle

stehen daher die genannten CAE-Planungsdokumente

sowie die daraus entstehende Implementierung im Engineering-Werkzeug

des Leitsystems zur Verfügung. Für

eine semi-automatische Generierung des Simulationsmodells

sind jedoch rechnerauswertbare Quelldaten nötig.

Somit lassen sich Papier-Zeichnungen beziehungsweise

in Textform vorhandene Spezifikationen nicht verwenden.

Zwar werden, wie in Abschnitt 2 erläutert, erstmals

Datenaustauschformate zur Übertragung von Planungsdaten

aus CAE-Systemen implementiert, diese spiegeln

jedoch noch nicht den Stand der Technik wider. In dieser

Arbeit werden dahingehend die Möglichkeiten untersucht

und ausgeschöpft, das PLS-Engineering-Werkzeug als Datenquelle

für die Modellerstellung zu nutzen. In diesem

sind die Automatisierungsfunktionen inklusive der Prozessankopplung

bereits konfiguriert. Auf Basis dieser

Informationen können diejenigen Anlagenobjekte identifiziert

werden, deren Verhalten simuliert werden soll.

Die Generierung wird anhand der in Bild 4 dargestellten,

aus einem 3-Tank-Kreisprozess bestehenden, Anlage

erläutert.

Zur Implementierung einer semi-automatischen Modellgenerierung

sowie einer Signalrangierung ist es erforderlich,

zu wissen, welche Anlagenobjekte in Form von PLS-

Funktionen vorhanden sind. Unterstützt das verwendete

PLS-Engineering-System den direkten Datenaustausch mit

Excel, so lassen sich, wie in Bild 5 am Beispiel 800xA gezeigt,

die projektierten PLS-Funktionen auswählen und

samt ihrer Attribute und Signalinformationen importieren.

Bild 5 zeigt die in Bild 4 dargestellte Anlage aus Sicht

des Prozessleitsystems. Hier sind ausschließlich die informationsgebenden

und -empfangenden Objekte sichtbar.

Diese sind in der Regel als Typicals im Engineering-

System des PLS instanziiert. Am Beispiel der Funktion

E001 entspricht dies einem Motorbaustein für eine Pumpe

(EU_FC). Die Behälter (B001-B003) sind als automatisierungstechnisch

passive Objekte nicht im PLS-Engineering-System

instanziiert. Es ist jedoch möglich, diese

passiven Objekte dennoch automatisch zu instanziieren,

indem auf Basis von Sensorfunktionen (zum Beispiel Level

– L001) oder aufgrund des sich ergebenden Materialflussnetzes

auf deren Vorhandensein geschlossen wird.

Jeder in der Bibliothek des PLS-Engineering-Werkzeuges

enthaltenen Funktion wird ein entsprechendes Simulationsobjekt

zugeordnet, beispielsweise der PLS-Funktion

Flow Control (FC) das Simulationsobjekt regelbares

Durchflussventil. Ein solches – in Excel in einer einzigen

Zeile repräsentiertes – Simulationsobjekt verfügt über

Informationen zur Simulation des dynamischen Verhaltens,

zu den zu berücksichtigenden IO-Signalen, zu auftretenden

Störeinflüssen und zum physikalischen Verhalten,

welches für die Berechnung der über dieses Objekt

abgewickelten Material- und Energieströme wichtig

ist. Die Verknüpfung der PLC-IO-Variablen mit den Simulationsvariablen

(beziehungsweise Spalten im Excel-

Sheet) geschieht automatisch auf Basis einer Tabelle,

welche zum Beispiel für das Signal E001_OUT der Pumpe

E001 eine Verknüpfung mit der Spalte iON vorsieht.

Alle bisher beschriebenen Simulationsobjekte können

automatisch instanziiert werden. Für eine vollstän-

38

atp edition

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Ablauf Zulau Masse im Behälter

dm_out dm_in M

0,7 0,5 2100,67

Bild 3:

Umsetzung der Excel-

Zellmodellierung [9]

Zeitwertänderung

ṁ out

ṁ

in

- +

Integrator

1

s

Pb

2

9,81

g [m/s²]

+ +

sqrt

1000

ρ [kg/m³]

0,1

A [m²]

h

1/1000

1/ρ

1/[kg/m³]

Parameter

Parameter

Bild 4:

Beispiel einer

Umsetzungsanlage

Bild 6: Materialflussdefinition

Bild 5: Import der

PLS-Funktionen in MS Excel

atp edition

4 / 2012

39

Hauptbeitrag

dige Modellgenerierung fehlt jedoch die Definition der

Material- und Informationsverbindungen. Aufgrund

dessen lässt sich die PLS-basierte Modellgenerierung

nicht vollständig automatisieren. Je nachdem, in welchem

Umfang die Objektverbindungen manuell nachgearbeitet

wurden, können nun entweder einzelne Objekte

simuliert oder das physikalische Prozessmodell

generiert und simuliert werden. Dies wird in Bild 6

dargestellt, in dem das Ventil Y003 als Nachfolgeobjekt

von Behälter B003 definiert ist.

Die Simulationsobjekte der Prozess-Sensorik und -Aktorik

inklusive der Material- und Wärmeströme werden

in einer benutzerdefinierbaren Bibliothek bereitgestellt

und müssen im Wesentlichen folgende Aspekte berücksichtigen:

Kalkulation der Prozesswerte, wie zum Beispiel

Durchfluss oder Flüssigkeitsniveau

Berechnung der Materialflüsse in einem verzweigten

Flussnetzwerk sowie die Ermittlung der Energieflüsse

im Falle von Temperaturregelungen

Verarbeitung von Ausgangssignalen des Steuerungsprogramms,

wie Ventilstellung oder das Einschalten

einer Pumpe

Generieren von Feedback-Signalen, zum Beispiel

„Pumpe läuft“ oder die Stromaufnahme eines Motors

Der Datenaustausch zwischen Simulationswerkzeug,

Bedienoberfläche und Engineering-System funktioniert

über einen OPC-Server, welcher es erlaubt, Zugriffsprioritäten

zu setzen. Im Unterschied zur realen IO-Rangierung

wird das Simulationsmodell also nicht über die

Ein- und Ausgänge der IO-Module, sondern direkt mit

den internen Variablen (Signalen) verbunden. Diese Art

des Datenaustausches zwischen Simulationswerkzeug

und Steuerung erleichtert zwar die Initialisierung der

Kommunikation – lediglich die OPC-Variablen und OPC-

Server müssen konfiguriert werden – allerdings können

hierbei keine Fehler in der IO-Rangierung identifiziert

werden. Gerade bei der automatischen Initialisierung der

Kommunikation erweist sich das PLS-Engineering-System

als wertvolle Datenquelle für die Modellgenerierung.

Hierbei lässt sich automatisch ein direkter Bezug zwischen

Simulationsobjekten und deren Ein- und Ausgangssignalen

zu den PLS-Variablen herstellen.

Der für den Einsatz des Excel-Simulators erforderliche

Ressourcenbedarf wurde lediglich empirisch anhand

von Pilotprojekten bestimmt. Demnach ist Echtzeitfähigkeit

bei einer Zeitschrittweite von 100 Millisekunden

erreichbar. Es wurden mittelgroße Systeme mit bis zu

5000 I/Os getestet, wobei sich eine Abhängigkeit der

Performance von der I/O-Anzahl nicht feststellen ließ.

Ein RAM-Überlauf oder ähnliche Probleme von Stan-

referenzen

Autoren

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

Praxis – atp 44, Heft 1/2002, S. 40-44

[2] IEC 62381: Automation systems in the process industry –Factory acceptance

test (FAT), site acceptance test (SAT), and site integration test (SIT), 2006

[3] IEC 62337: Commissioning of electrical, instrumentation and control systems

in the process industry, 2006

[4] Hoernicke, M.; Greifeneder, J.: Virtuelles Emulatoren Framework: Konzept zur

domänenübergreifenden Integration heterogener Emulatoren, eingereicht

atp-edition, 2012

[5] Drath, R.; Weber, P.; Mauser, N.: Virtuelle Inbetriebnahme – ein evolutionäres

Konzept für die praktische Einführung, Automation 2008, Baden Baden, S. 73-76

[6] Barth, M.; Fay, A.; Wagner, F.; Frey, G.: Effizienter Einsatz Simuations-basierter

Tests in der Entwicklung automatisierungstechnischer Systeme.

Automation 2010, Baden-Baden, S. 47-50

[7] Abel, D.: Rapid Control Prototyping: Methoden und Anwendungen, Springer

Verlag Berlin Heidelberg, 2006, S. 9

[8] Abel, D.: Integration von Advanced Control in der Prozessindustrie,

Wiley-VCH Verlag Weinheim, 2008, S. 6

[9] Barth, M.: Automatisch generierte Simulationsmodelle verfahrenstechnischer

Anlagen für den Steuerungstest. Fortschritt-Berichte VDI Reihe 20

Nr. 438: Rechnergestützte Verfahren. Düsseldorf: VDI Verlag 2011

[10] Barth, M.; Weber, P.; Fay, A.; Greifeneder, J.: Modellbasierte Prozesssimulation

für Steuerungstests auf Excel-Basis – Mechatronik 2009,

VDI Fachkongress, Wiesloch, S. 171-178

[11] Gutermuth, G.: Engineering. In: Hollender (Hrsg.): Collaborative Process

Automation Systems, ISA-International Society of Automation, 2010, S.156-182

[12] Barth, M; Fay, A.; Greifeneder, J.; Weber, P.: Simulationsbasierte Steuerungsfunktionstests:

Automatische Generierung von Simulationsmodellen auf Basis

von CAE-Planungsdaten, eingereicht atp-edition - Automatisierungstechnische

Praxis, (54/5), 2012

Dr.-Ing. Jürgen Greifeneder (geb. 1975) ist

seit 2008 Wissenschaftler am ABB Forschungszentrum

in Ladenburg. Er studierte Technische

Kybernetik in Stuttgart und promovierte über

formale Antwortzeitanalyse netzbasierter

Automatisierungssysteme in Kaiserslautern.

Seine wissenschaftlichen Schwerpunkte liegen

auf Systemmodellierung einerseits und effizientem

Engineering andererseits.

ABB Forschungszentrum Deutschland,

Wallstadter Str 59, D-68526 Ladenburg,

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

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

Dipl.-Phys. Peter Weber (geb. 1956) ist

Principal Scientist am ABB Forschungszentrum

in Ladenburg. Seine Schwerpunkte liegen

im Bereich Virtuelle Inbetriebnahme und

Advanced Engineering Methods.

ABB Foschungszentrum Deutschland,

Wallstadter Str. 59, D-68526 Ladenburg,

Tel. +49 (0) 6203 71 62 74,

E-Mail: peter.weber@de.abb.com

40

atp edition

4 / 2012

dard-Software konnten beim zweiwöchigen Dauertest

(350 Stunden) nicht festgestellt werden.

Zusammenfassung

Mit der Entwicklung einer modellbasierten Simulationsumgebung

zur Unterstützung des Steuerungstests von Prozessleitsystemen

hat ABB in Kooperation mit der Helmut-

Schmidt-Universität einen wichtigen Schritt unternommen,

PLS-Applikations-Implementierungsfehler systematisch,

effizient und frühzeitig zu erkennen. Die sich daraus

ergebenden Vorteile in Bezug auf höhere Qualität, frühere

Produktionsstarts und höhere Effektivität durch zielgenauere

Implementierung bilden die Grundlage eines erfolgreichen

Projektes des PLS-Systemintegrators. Durch den modularen

Aufbau, den signifikanten Automatisierungsgrad

sowie die Flexibilität in Bezug auf die Anbindung an bestehende

Prozessleitsysteme hat sich der entwickelte Prototyp

der Simulationsumgebung in Tests gut bewährt. Das positive

Feedback der beteiligten Anwender bestätigt ebenfalls

den gewählten Ansatz.

Manuskripteingang

15.07.2011


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M. Sc. Mike Barth (geb. 1981) war von 2008

bis 2011 wissenschaftlicher Mitarbeiter von

Prof. Fay an der Helmut-Schmidt-Universität

in Hamburg. Seit März 2011 ist er Mitarbeiter

am ABB Forschungszentrum in Ladenburg.

Seine Arbeitsgebiete umfassen das Engineering

und die Kollaboration von Automatisierungssystemen.

ABB AG Forschungszentrum Deutschland,

Wallstadter Straße 59, D-68526 Ladenburg,

Tel. +49 (0) 6203 71 64 61,

E-Mail: mike.barth@de.abb.com

Prof. Dr.-Ing. Alexander Fay (geb. 1970) ist

Professor für Automatisierungstechnik in der

Fakultät für Maschinenbau der Helmut-Schmidt-

Universität Hamburg. Forschungsschwerpunkte:

Beschreibungmittel, Methoden und Werkzeuge

für einen effizienten Entwurf von Automatisierungssystemen.

Institut für Automatisierungstechnik,

Helmut-Schmidt-Universität /

Universität der Bundeswehr Hamburg,

Holstenhofweg 85, D-22043 Hamburg,

Tel. +49 (0) 40 65 41 27 19,

E-mail: alexander.fay@hsu-hh.de

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hauptbeitrag

Emulation dezentraler

Steuerungslogik

Dynamisches Testen von Field-Control-Systemen

Die Emulation der Steuerungslogik ist ein wichtiger Bestandteil des dynamischen Tests

einer Prozessanlage. Dezentrale Steuerungslogik kann jedoch nur selten emuliert werden,

da hierfür die Technologie nur eingeschränkt verfügbar ist. Dies führt oft zu hohen Kosten,

da Applikationsfehler erst während der Inbetriebsetzung erkannt und korrigiert werden.

Dieser Beitrag schlägt einen modularen und objektorientierten Ansatz zur Emulation

von Funktionsblöcken dezentraler Steuerungslogik vor. Der ganzheitliche dynamische

Test der Steuerungslogik verspricht eine hohe Qualitätssteigerung der Automatisierungsfunktionen.

SCHLAGWÖRTER Emulation / Werksabnahme / Foundation Fieldbus / Dezentrale

Steuerungslogik

Emulation of control-in-the-field –

Testing field control system with Foundation Fieldbus

The emulation of control logic is an important element of the dynamic tests of a process

plant. However, decentralised control logic can rarely be emulated because of the limited

availability of the necessary technology. This often leads to higher costs because application

faults can only be recognised and corrected during the commissioning phase. This

article presents a modular, object-oriented approach to the emulation of functional blocks

of decentralised control logic. The holistic dynamic testing of the control logic may considerably

improve the quality of the automation functions.

KEYWORDS Emulation / Foundation Fieldbus / Factory Acceptance Test / Foundation

Fieldbus / control-in-the-Field

42

atp edition

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Mario Hoernicke, ABB Forschungszentrum

Philipp Bauer, Technische Universität Kaiserslautern

Motivation – „The adoption of Foundation

Fieldbus has skyrocketed over the past several

years. ARC estimates that the total market

for fieldbus products and services is rapidly

approaching a billion dollars [1].“ Fortgeschrittene

Diagnose, neue und verbesserte Redundanzkonzepte,

weniger Verkabelungsaufwand – dies sind nur

einige Argumente für den Einsatz von Feldbussen. Ebenso

ist Foundation Fieldbus nur ein Beispiel für die rapide

Verbreitung intelligenter Feldgeräte.

Kostendruck bei den Anbietern verteilter Steuerungen

führt dazu, dass diese zunehmend intelligente Feldgeräte

und Technologien erforschen und entwickeln,

um Kosten zu sparen und die Komplexität zu verringern

[2]. Intelligenz wird weg von zentralen Steuerungen,

hin zu den Feldgeräten verlagert. Foundation Fieldbus

bietet zusätzlich zu den üblichen Diagnosefunktionen

die Möglichkeit, Steuerungs- und Regelungsfunktionen

in die Feldgeräte einzubinden. Die dadurch realisierte

dezentrale Steuerung bietet weitere Vorteile [3]: beispielsweise

höhere Flexibilität verglichen mit konventionellen

Feldbussen, geringerer Einfluss eines einzelnen

Fehlers oder dergleichen.

Die Automatisierungsfunktion ist damit auf dem Weg

ins Feld. Diese Architektur eines Feldbus-basierten, dezentralen

Steuerungssystems wird nach [4] mit dem Begriff

Field-Control-System (FCS) beschrieben.

Trotz aller Vorteile von FCS ergeben sich durch den

steigenden Kosten- und Zeitdruck auch neue Herausforderungen

für das Engineering. Das FCS und das umgebende

Leitsystem müssen effizient konfigurierbar

sein, ebenso wie eine zentrale Steuerung. Dies betrifft

die dezentrale Steuerungslogik und die Bus-Topologie.

Aktuell ist noch schwer abzusehen, wie ein effizientes

Engineering, zum Beispiel auf Basis von Massendaten,

aussehen könnte [5].

In [4] wird ersichtlich, dass die Planung der Bus-Topologie

in direkter Abhängigkeit zur verteilten Steuerungslogik

zu betrachten ist. So kann sich eine Änderung der

Logik auf die Buslast auswirken, eine Änderung der Visualisierung

nach sich ziehen, oder generell zu Nacharbeiten

in früheren Engineeringphasen führen. Integrierte

Planungswerkzeuge, wie in [6] beschrieben, müssen

daher sicherstellen, dass ein durchgängiges Engineering

des FCS ermöglicht wird und effizient handhabbar ist.

Die Qualität darf hierbei nicht vernachlässigt werden

und macht eine Werksabnahme (Factory-Acceptance-

Test, FAT) zur Fehlerfindung unabdingbar. Üblicherweise

werden etablierte, simulationsgestützte Methoden

der virtuellen Inbetriebnahme zum FAT von Automatisierungssystemen

eingesetzt. Die Automatisierungstechnik

wird emuliert, zum Beispiel durch

SoftSPSen (SPS: Speicherprogrammierbare Steuerungen),

und der Prozess wird mittels geeigneter Methoden

(oft vereinfacht) simuliert [7]. Deren Kombination ergibt

die virtuelle Anlage, welche zum dynamischen Testen

verwendet wird. Damit lässt sich ein Fehlverhalten des

Automatisierungssystems schon während des FAT feststellen

und korrigieren.

Für die dezentrale Steuerlogik eines FCS existieren

nur sehr eingeschränkt Emulatoren. Feldbus-Emulatoren

fokussieren üblicherweise auf das korrekte Versenden

von Telegrammen oder auf Performanceanalysen

[8], jedoch nicht auf die Emulation der Logik. Deshalb

wird der FAT eines FCS oft nur anhand eines Beispielsegments

durchgeführt, (vergleiche [5]), da die Feldgeräte

meistens nicht zur Verfügung stehen. Vielfach geht

damit ein Qualitätsverlust einher, der anschließend

während der finalen Tests in der Inbetriebnahme kompensiert

werden muss. Deshalb verlängert sich die Inbetriebnahmezeit,

und es erhöhen sich die Kosten (siehe

„Faktor 10“ Regel [9]).

Eine Emulation, ähnlich der einer SoftSPS, einsetzbar

bereits während des FAT, würde die Qualität der dezentralen

Applikation verbessern, damit die Inbetriebnahmezeiten

senken und Kosten sparen [10]. Deshalb

schlägt dieser Beitrag einen modularen, objektorientierten

Ansatz zur Emulation von Foundation Fieldbus vor.

Foundation Fieldbus wird als Beispiel verwendet, wobei

der beschriebene Ansatz mit nur wenigen Änderungen

auf ein anderes FCS, wie zum Beispiel IEC 61850,

übertragbar ist.

atp edition

4 / 2012

43

Hauptbeitrag

1. Anforderung an das Design

Field-Control-Systems sind Automatisierungssysteme, die

die Möglichkeit bieten, Logik auf Feldgeräte auszulagern.

Im Gegensatz zur SPS oder DCS (Distributed-Control-

System/Verteilte Steuerung) wird die Logik nicht auf einem

dedizierten Gerät ausgeführt, sondern auf verschiedene

Feldgeräte verteilt. Jedes Feldgerät stellt eine diskrete

Anzahl Funktionsblöcke eines oder mehrerer Typen

bereit, welche in einer Instanz des Geräts ausgeführt werden

können. Diese Art der Logikparametrierung führt im

Wesentlichen zu drei Anforderungen, welche bei der Entwicklung

des Emulationskonzepts zu beachten sind. Diese

betreffen die Bereiche Konfiguration, Bereitstellen der

Funktionsbausteine und Kommunikation.

1.1 Konfiguration

Foundation Fieldbus verwendet verschiedene, vollständig

spezifizierte Funktionsbausteine (FB). Diese reichen

von einfachen Auswahlblöcken, Filtern, Ein- und

Ausgabeblöcken bis hin zu komplexen Reglern. Die

Funktionsweise der Bausteine ist in der FF-Spezifikation

festgeschrieben, genau wie deren Ein- und Ausgabeparameter,

parameterabhängiges Verhalten und diverse

Grundprinzipien, wie Modusumschaltung oder

Signalskalierung.

Analog zum Funktionsblockdiagram der IEC61131-3

[11] werden die Funktionsbausteine miteinander verbunden.

Eine Applikation besteht aus mehreren

Funktionsblöcken, üblicherweise verteilt auf mehrere

Feldgeräte. Jedes Feldgerät stellt eine festgelegte

Anzahl Funktionsblöcke bereit, wodurch der Funktionsumfang

zwar eingeschränkt, jedoch sehr mächtig

sein kann.

Eine typische Applikation in der Prozessindustrie ist

die PID-Regelung. Diese besteht aus drei FF-Funktionsblöcken:

einem Analogen Eingangsblock (AI), einem PID-

Regler (PID) und einem Analogen Ausgabeblock (AO).

Der AI wird auf einem Sensor ausgeführt, der PID üblicherweise

auf dem Aktuator und der AO ebenfalls auf

dem Aktuator. Darüber hinaus werden Transducer-Blöcke

eingesetzt, um die physikalischen Prozesswerte des

Sensors in logische Werte zu wandeln und analog die

logischen AO-Werte in physikalische zu transformieren,

siehe Bild 1.

Zu Beginn der Emulation muss der Emulator die Konfiguration

der FF-Applikation und des FF-Subnetzes kennen.

Ein einfacher Download ist schwer realisierbar, da

mehrere Feldgeräte emuliert werden und der Emulator

die projektierte Topologie nicht automatisch erkennen

kann. Er benötigt demnach zunächst die entsprechende

Bekanntgabe der Konfiguration zu emulierender FF-Applikationen

und des FF-Subnetzes. Hinzu kommt die

Hardwareabhängigkeit der Transducer-Blöcke. Die Emulation

sollte die Hardwareabhängigkeiten auflösen und

durch entsprechend simulierte Werte ersetzen. Hierfür

wird eine separate, möglichst automatische Konfiguration

benötigt.

Bild 1

Trancducer-Block

Sensor

Sensor

AI

PID

Aktuator

AO

Trancducer-Block

Aktuator

Bild 1:

Typische FF-Applikation

Bild 2:

Innerer Aufbau des

PID-Funktionsbausteins

– nach [12]

Bild 3

HMI

Leitsystem

Engineering-

Werkzeug

OPC

OPC

busspezifisch

Controller

Feldbus-Koppler

FCS

Bild 3: Typische Kommunikation eines FCS

44

atp edition

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1.2 Bereitstellen der Funktionsbausteine

Das Applikationsdesign von Foundation-Fieldbus-Komponenten

beruht auf einem Standard [12]. Hersteller können

die standardisierten Blöcke in ihre Feldgeräte einbetten

und damit dem Nutzer zur Verfügung stellen. Da

Foundation Fieldbus grundsätzliche Funktionen zur Interoperabilität

bereitstellt, lassen sich verschiedenste FBs

aus unterschiedlichen Feldgeräten herstellerunabhängig

zu Applikationen verknüpfen. Durch die genaue Spezifikation

der Bausteine sollen diese gegen Bausteine anderer

Hersteller ausgetauscht werden können. Doch es gibt Interpretationsspielraum;

die Funktionalität der Bausteine

wird üblicherweise herstellerspezifisch erweitert. Die FBs

sind dann zwar gemäß Spezifikation entwickelt, werden

jedoch durch zusätzliche Funktionalität angereichert.

Diese herstellerabhängigen Parameter und das entsprechende

Verhalten stellen eine Herausforderung für die

Emulation dar. Die erweiterten Blöcke können nicht

ohne Weiteres in eine Emulationsumgebung im vollen

Umfang eingebettet werden – ein Konzept zur Identifikation

des zugrundeliegenden Standardbausteins ist

erforderlich. Die Implementierung der erweiterten Funktionalität

ist häufig nicht ersichtlich und kann deshalb

schwer nachgebildet werden.

Obwohl die verschiedenen Standard-Funktionsbausteine

oft sehr komplex sind, basieren sie auf ähnlichen

Teilbausteinen, siehe innerer Aufbau des PID in Bild 2.

Hier gilt es, ein Konzept zur Wiederverwendung bereits

implementierter Teile zu entwickeln. Zusätzlich muss

es möglich sein, nachträglich FBs in die Emulationsumgebung

einzubringen, ohne die Umgebung zu verändern.

So könnten, neben den Standardbausteinen, später auch

herstellerspezifische Bausteine, falls Nachbauten vorhanden

sind, emuliert werden.

1.3 Kommunikation

Bild 4

Middleware zum

Erzeugen der

Konfiguration

Steuerungsemulation

Konfigurationsdatei

HMI +

Leitsystem

Engineering

Tool

Emulator

Spezifische

Kommunikation

Generalisierte

FCS Emulation

Zur Emulation eines Feldbusses gehört auch die Kommunikation.

Diese spielt zwar für die Logikemulation eine

untergeordnete Rolle, jedoch sollte es möglich sein, die

emulierten Werte mit den Engineering-Werkzeugen und

dem HMI (Human-Machine-Interface/Mensch-Maschine-

Schnittstelle) zu beobachten. Die Kommunikation findet

üblicherweise über ein busspezifisches Protokoll, bei

Foundation Fieldbus über High Speed Ethernet (HSE) oder

Foundation Fieldbus H1, statt. Es gibt mit OPC aber auch

feldbusunabhängige Protokolle, welche in der Prozessautomation

verwendet werden.

Zur Simulation der spezifischen Protokolle gibt es häufig

entsprechende Software. Diese beinhaltet oft die benötigten

Zugriffsprotokolle und ist in der Lage, die Nachrichten

des Feldbusses zu simulieren. Da diese jedoch

sehr feldbusspezifisch sind, muss in der Emulation der

Logik, beziehungsweise im Konzept, eine Abstraktion

stattfinden, sodass sich das Kommunikationsprotokoll

(konzeptionell) leicht austauschen lässt.

Hinzu kommen die Kommunikation mit der Engineeringumgebung

des Feldbusses, sowie die Kommunikati-

Konfigurationsdaten

Logikgenerator

OPC Schnittstelle

Logik-Engine

Abstrakte

Kommunikationsschnittstelle

Funktionsbausteinrepository

Funktionsbaustein Schnittstelle

Bild 4: Modulares Konzept zur FCS-Emulation

atp edition

4 / 2012

45

Hauptbeitrag

on zum Leitsystem. Diese ist normalerweise direkt über

das spezifische Protokoll möglich oder via OPC. Dementsprechend

muss auch diese Schicht abstrahiert werden,

um einfach austauschbar zu sein.

Zuletzt gilt es, eine Kommunikation zwischen den

Feldgeräten und SPSen beziehungsweise DCS mit Feldbuskopplern

herzustellen. Da viele SoftSPSen und Controller

nicht in der Lage sind, die Koppler selbst nachzubilden,

muss dafür gesorgt werden, dass der Foundation-

Fieldbus-Emulator die ausgetauschten Signale zum

Controller versendet. Dies ist oftmals nicht über das

normale Feldbusprotokoll machbar, weshalb auch hier

eine Lösung über eine andere Schnittstelle gefunden

werden muss. Bild 3 stellt die Kommunikationspfade

eines typischen FCS grafisch dar.

2. Konzept und Architektur

Die Anforderungen sind für die Konzeption der Emulation

von großer Bedeutung. Das Konzept fokussiert sich, da

es sich im Wesentlichen um eine Logikemulation handelt,

auf die Konfiguration und die Bereitstellung der Funktionsbausteine.

Die Kommunikation wird jedoch nicht vernachlässigt,

da diese als Modul eingebettet werden soll.

2.1 Der modulare Kern der FCS Emulation

Im Zentrum des Emulators steht ein modulares Konzept,

welches zur Konfiguration und Ausführung der

Funktionsbausteine verwendet wird, aber auch Schnittstellen

zur Engineering-Umgebung und dem Leitsystem,

sowie zur Steuerung, bereitstellt. Das Konzept

besteht aus mehreren Teilen, welche zum einen abhängig

vom zu emulierenden System, zum anderen generisch

aufgebaut sind und sich somit für verschiedene

Systeme wiederverwenden lassen. Das Gesamtkonzept

ist in Bild 4 dargestellt.

Wie Bild 4 zeigt, beginnt die Emulation mit der Konfiguration

des Emulators. Zur Konfiguration wird hier eine

XML-basierte Datei vorgeschlagen, welche direkt aus

dem Engineering-Werkzeug erzeugt werden kann oder

über eine Middleware die Konfiguration in das entsprechende

Format konvertiert. XML wurde gewählt, da es

sich im Feldbusbereich üblicherweise um eine hierarchische

Topologie handelt, welche in XML gut dargestellt

werden kann. Ein Auszug einer XML-Konfigurationsdatei

für Foundation Fieldbus ist in Bild 5 dargestellt.

Es zeigt die Konfiguration für die Standardapplikation

AI-PID-AO, wie in 1.1 beschrieben.

Die Konfigurationsdaten können anschließend über

eine generische Schnittstelle in den Emulator eingelesen

werden und mittels eines Moduls „Konfigurationsdaten“

der Emulation bereitgestellt werden. Ausgehend von den

Konfigurationsdaten kann ein Logikgenerator, welcher

Zugriff auf die zu verwendenden Bausteine hat, die Applikationen

(die Funktionsbausteine und deren Verknüpfungen)

nachbilden.

Die Funktionsbausteine werden über eine spezifizierte

und damit eindeutige Software-Schnittstelle bereitgestellt,

sodass diese erkannt und für die Emulation verwendet

werden können. Hierfür wird eine Plug-in-Architektur

gewählt, da diese eine spätere Erweiterung der

Bausteinbibliothek erlaubt.

Die zuvor generierte Applikation wird anschließend

auf einer Logik-Engine ausgeführt. Diese stellt ihrerseits

die benötigten Kommunikationsschnittstellen bereit.

Eine generische Schnittstelle, die üblicherweise zur

Kopplung zum Leitsystem und zur Anbindung des HMI

verwendet wird, ist OPC. Da OPC standardisiert ist, kann

diese generisch implementiert werden und ist damit

mehr oder minder unabhängig vom angebundenen Leitsystem

oder OPC-Server.

Eine Abstraktion der busspezifischen Schnittstelle,

welche zur Anbindung an das Engineering-Werkzeug

verwendet wird, sorgt für einfachen Austausch des Busprotokolls,

ohne dass der Emulator dafür verändert werden

muss. Die abstrakte Schnittstelle kann von nahezu

beliebigen Systemen implementiert werden und somit

lässt sich der Emulator anpassen und einfach verändern.

Im Falle des Foundation-Fieldbus-Emulators wird als

Kommunikationsprotokoll Foundation-Fieldbus-HSE

verwendet, da dieses auf normaler Rechner-Hardware

mit Ethernetschnittstelle verwendet werden kann.

Während des Betriebs ist letztlich die Logik-Engine

dafür zuständig, die Eingangswerte zu lesen und die Ausgangswerte

zu schreiben. Dazwischen werden die Applikationen

ausgeführt, welche die Änderungen der Ausgänge

hervorrufen. Dies kann zyklisch und asynchron

geschehen, je nach Implementierung des Bussystems und

dessen Anforderungen. Für Foundation Fieldbus ist eine

zyklische Ausführung vorgesehen, welche entsprechend

der Applikationen und deren Zykluszeiten abläuft.

Die Anbindung an die Steuerungsemulation wird

mittels OPC realisiert. Oft sind Softcontroller in der

Lage, einen OPC-Server mit Werten zu versorgen. Des

Weiteren werden die ausgetauschten Signale als OPC-

Werte bereitgestellt, sowohl auf Steuerungsseite, als

auch auf Feldbusseite. Ein Mapping, gewöhnlich in den

Engineering Werkzeugen durchgeführt, wird verwendet,

um eine Konfiguration bereitzustellen. Hierdurch

müssen nur geänderte OPC-Signale bei der Gegenstelle

aktualisiert werden, welches durch einen OPC-Client

einfach zu realisieren ist. Ein Beispiel wird in Bild 6

dargestellt. Wenn sich der Wert des Signals „Signal 2

FF“ verändert, wird bei der Gegenstelle „Signal 2“ mit

aktualisiertem Wert geschrieben.

2.2 Entwicklung der Funktionsbausteine

Als Herz des Emulators ist die Logik selbst anzusehen.

Die Funktionsbausteine müssen dem Emulator bekannt

gegeben werden. Des Weiteren muss ein Konzept zur maximalen

Wiederverwendung bereits implementierter

Funktionalität entworfen werden. Grundsätzlich können

zwei Ansätze betrachtet werden:

1 | Portierung von Bausteinen echter Geräte – das

Portieren der Bausteine eines oder mehrerer echter

Geräte ist eine Variante, um die Logik bereitzustellen.

Die Bausteine müssen vom Feldgerät auf

einen Standard-PC portiert werden. Hierbei ergibt

46

atp edition

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Bild 5: Konfigurationsdaten

für eine FF-Applikation

FB

Block

Alarm

Mode

Optional Invert

Output Track

Setpoint

Simulate

Simulate_D

Convert

Cutoff

Filter

Output

BG X X X X X X X

CS X X X X X X

PD X X X X X

PID X X X X

AI X X

DI X X X X X X

ML X X X X X X

Bild 6

Bild 7: Mehrfach verwendete interne FB-Funktionalität (Ausschnitt)

Bild 6:

Konfigurationsdaten für

eine FF-Applikation

OPC Server Steuerung

Signal 1

OPC Client

Mapping

Signal 1 à Signal 1 FF

OPC Server FF

Signal 1 FF

Signal 2

Signal 2 ß

Signal 2 FF

Signal 2 FF

sich der Vorteil, dass die Logik bereits ausgiebig

getestet und im Einsatz ist – es wird auf bewährte

Funktionalität zurückgegriffen. Ein Nachteil ist

die Hardwareabhängigkeit. Die Bausteine lassen

sich schwer aus ihrer nativen Umgebung auf einen

Standard-PC portieren, da die Implementierung

stark an die Hardware gebunden ist. Hierdurch

entsteht ein hoher Aufwand.

2 | Nachbauen der Funktionalität in speziellen Klassen

– die spezifizierte Funktionalität der Bausteine

lässt sich nachbauen. Hierbei kann der Entwickler

von vorneherein auf Hardwareabhängigkeit achten,

was eine einfachere Entwicklung und Einbettung

in den Emulator zur Folge hat. Der Nachteil liegt

darin, dass die neuen Bausteine nicht im realen

Einsatz sind und deshalb nicht sicher ist, dass diese

entsprechend der FF-Spezifikation implementiert

wurden. Um dies sicherzustellen, sind umfangreiche

Tests nötig.

Prinzipiell können beide Verfahren verwendet werden,

weshalb auch das Integrationskonzept beide Verfahren

unterstützt. Für die Neuentwicklung der Bausteine werden

jedoch entsprechende vereinfachende Maßnahmen

mit einbezogen, da große Teile in mehreren Bausteinen

Verwendung finden, siehe Bild 7.

Da sich beide Verfahren auch in Kombination anwenden

lassen, wird im Folgenden ein objektorientiertes

Konzept vorgestellt, welches offen für Integration ist und

Templates für mehrfach verwendete Funktionalität bereitstellt.

Implementierung und Integration der Bausteine

Nachbauten von Bausteinen können unter Verwendung

der mehrfach genutzten internen Bausteine, vergleiche

Bild 7, verhältnismäßig einfach entwickelt werden.

Hierfür wird zunächst eine Templatebibliothek implementiert,

welche mehrfachgenutzte interne Bausteine,

wie Filter, Alarm Handling oder Skalierung, bereitstellt.

In dieser Bibliothek müssen auch die FF-spezifischen

Datentypen (Strukturen) implementiert werden,

um diese den Bausteinen bekanntzugeben. Ein neuer

Baustein kann von dieser Klasse erben und erwirbt damit

die gesamte Grundfunktionalität, die er mit anderen

Bausteinen gemeinsam hat.

Der Baustein kann anschließend wie ein Puzzle zusammengesetzt

werden und um die spezifische Funktionalität,

siehe Bild 8, zum Beispiel den Steueralgorithmus,

atp edition

4 / 2012

47

Hauptbeitrag

erweitert werden. Auf diese Art und Weise lassen sich

sehr effizient weitere Bausteine nachbauen. Bild 9 zeigt,

wie die implementierten oder portierten Bausteine dem

Emulator bekanntgegeben werden. Die Schablone reicht

die Plug-in-Schnittstelle zum Baustein weiter und dieser

implementiert die spezifizierte Funktionalität. Die Funktionalität,

die der Funktionsbaustein implementiert, ist

im Wesentlichen der Ablauf der einzelnen internen Blöcke

in einer vorgegebenen Funktion. Des Weiteren stellt

der Funktionsbaustein Managementfunktionalität, wie

zum Beispiel den Namen des implementierten Bausteintyps

sowie eine typspezifische Identifikation, bereit.

Wie aus Bild 9 ersichtlich, lassen sich auch herstellerspezifische

Bausteine sehr einfach integrieren. Sie können

von bereits implementierten Standardbausteinen

abgeleitet und um die zusätzliche Funktionalität erweitert

werden. Hierdurch sind auch diese, wenn die erweiterte

Funktionalität bekannt ist, sehr einfach in den

Emulator einzubetten.

Auflösen der Hardwareabhängigkeit

Die Hardwareabhängigkeit, beziehungsweise die Abhängigkeit

von den Transducer-Blöcken, ist in der Emulation

aufzulösen. Die Transducer-Bausteine sind

schwer nachzubauen, da diese direkt auf die Hardware

zugreifen und die physikalischen Werte direkt schreiben

oder lesen.

Deshalb werden die Transducer-Bausteine zunächst

von den Funktionsbausteinen gelöst. Die Emulation enthält

lediglich die Logikbausteine, siehe Bild 10, da nur

diese für den Logiktest relevant sind.

Eingangs- und Ausgangsbausteine bieten bereits spezifizierte

Simulationsparameter. Deshalb liegt es nahe,

diese zur Simulation der physikalischen Werte zu benutzen.

Für die Ausführung des FAT ohne ein Prozessmodell

(Handsimulation) ist dies die zu bevorzugende Lösung.

Wenn allerdings ein Prozessmodell angebunden

wird, sind die Kanäle, die normalerweise vom Transducer-Baustein

beschrieben werden, vom Prozessmodell zu

Bild 9

Bild 8

Funktionsbausteinschablone

Logikgenerator

Logik-Engine

Filter

Skalie

rung

PID Baustein

Plug-In Schnittstelle

FB Schablone

Output

Setpoint

IN

CAS_IN

Spezifischer

Algorithmus

Setpoint

Skalie

rung

Output

OUT

Zusammengesetzt

aus Schablone und

durch spezifische

Funktionalität

erweitert

PID

Portiert von einem

echten Baustein +

Schnittstelle

Implementiert

PID –

ABB1

Vererbung der

Standardfunktionalität

und mit Spezifika

erweitert

AI

AI –

Metso

AO

AO –

ABB

Bild 8: Schablonenkonzept zur Implementierung

neuer Bausteine

Bild 10

Bild 9: Bereitstellen der implementierten Bausteine

Trancducer-Block

Sensor

AI

PID

Bild 11

AO

Trancducer-Block

Aktuator

Bild 10: Auflösen der

Hardwareabhängigkeit

Simulation

AI

Prozess-

Prozessmodellein/ausganmodel-

ng

AO

Transducer

Simulate

Out

Handsimulation

Transducer

Simulate

Out

BKCAL_OUT

Bild 11: Anbindung

an Prozessmodell

oder Handsimulation

48

atp edition

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eschreiben. Auch hierfür gibt es in der FF-Spezifikation

beschriebene Parameter, die zur Anbindung zu nutzen

sind, siehe Bild 11. Das heißt, jeder simulierte E/A-Baustein

bietet intern einen Kanal, der zur Anbindung an

das Prozessmodell verwendet wird.

Fazit

Prozesssimulation verknüpft mit einer SoftSPS ist nicht

mehr ausreichend zum dynamischen Test einer Anlage.

Je leistungsfähiger die Feldbusse werden, desto wichtiger

werden Logikemulatoren. Der beschriebene Ansatz

zur Emulation von Foundation-Fieldbus-Control-in-the-

Field-Logik zeigt ein modulares Konzept, das zur Emulation

von FCS benutzt werden kann. Die Foundation-

Fieldbus-spezifischen Module sind dabei so gehalten,

dass diese einfach ausgetauscht werden können, wo-

durch das Konzept sehr flexibel ist. Zusätzlich werden

objektorientierte Methoden zur einfachen Implementierung

von und Erweiterbarkeit durch neue Logikbausteine

vorgestellt.

Die Emulation des Gesamtsystems verspricht eine

Qualitätssteigerung im Engineering. Gesamtsysteme

können Mithilfe von Prozesssimulation, Softcontrollern

und FCS-Logikemulatoren ganzheitlich getestet

werden, wodurch sich die Fehlerfindung im FAT erheblich

vereinfacht. Fehler können bereits in frühen Engineering-Phasen

erkannt und behoben werden, sodass

die Inbetriebnahme verkürzt und damit die Kosten

gesenkt werden.

Manuskripteingang

30.11.2011


Autoren

Referenzen

Dipl.-Ing. (FH)

Mario Hoernicke

(geb. 1984) ist wissenschaftlicher

Mitarbeiter des

ABB Forschungszentrums

Deutschland. Sein Hauptinteresse

gilt der Entwicklung

neuer und innovativer

Engineering konzepte,

unter anderem im Bereich Emulation von

Leitsystemfunktionen und Subsystemen, sowie

der Automation des Engineerings.

ABB AG Forschungszentrum,

Wallstadterstr. 59, D-68526 Ladenburg,

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

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

Dipl.-Ing. Philipp Bauer

(geb. 1984) ist wissenschaftlicher

Mitarbeiter am

Lehrstuhl für Automatisierungstechnik

der TU

Kaiserslautern. Im Rahmen

seiner Forschungstätigkeit

beschäftigt er sich mit

Effizienzsteigerung mittels

Gebäudeautomation und der generischen

Erzeugung von Steuerungsalgorithmen für

Energiesysteme in kleineren Gebäudeeinheiten.

TU Kaiserslautern,

Erwin-Schrödinger-Straße 12,

D-67663 Kaiserslautern,

Tel. +49 0) 631 2 05 43 10, E-Mail: bauer@eit.uni-kl.de

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ARC Advisory Group, White Paper, 2009

[2] Young, B., Hill, D., Miller, P.: Distributed Control Systems Worldwide

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2004 – The sixth international scientific, technical conference,

S. 244-256 (http://www.kar.elf.stuba.sk/~georgiev/)

[4] Berge, J.: Fieldbus for Process Control: Engineering, Operation and

Maintenance. ISA, North Carolina, 2004

[5] Sato, H: The Recent Movement of Foundation Fieldbus Engineering.

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(http://www.abb.de/product/seitp334/0cbf7a688713e846c12571bc0050

20c0.aspx?productLanguage=ge&country=DE&tabKey=4)

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Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr Hamburg,

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Reihe 20, 2011

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Technology (ICIT), 2004, Volume 2, S. 787-792

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– visuelle Entscheidungssysteme im Anlagenbau. Digital Plant

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with SoftFF. ABB Review, Volume 1, 2012, Zürich, S. 55-60

(http://www.abb.com/cawp/abbzh254/699bd5d4cb7e7706c1256dab

003085da.aspx)

[11] IEC61131-3: Programmable Controllers – Part 3: Programming

Languages. Edition 2.0, 2003

[12] Foundation Fieldbus: Foundation Specification – Function Block

Application Process. Part 2, FF-891, FS1.8, 2008

atp edition

4 / 2012

49

hauptbeitrag

Anbau von Stellungsreglern

an pneumatische Antriebe

Eine vergleichende Bewertung aus Herstellersicht

Im Zusammenspiel der Feldgeräte in der Prozesstechnik spielt der Anbau der Stellungsregler

an pneumatische Antriebe eine wichtige Rolle. Der Stand der Technik wird durch die

Fortschreibung der VDI/VDE 3847 dokumentiert, aber ebenso durch proprietäre Entwicklungen

mit neuen Konzepten. Ein Anbau ohne Verrohrung zwischen Stellungsregler und

Antrieb sowie die Verwendung von berührungslosen Sensoren kennzeichnen Entwicklungsschritte

auf dem Weg, die Verfügbarkeit zu verbessern. Dieser Beitrag beschreibt den

Stand der Technik und bewertet verschiedene Lösungen anhand ihrer Lebenszykluskosten.

SCHLAGWÖRTER Stellgeräte / Automatisierung / Stellungsregleranbau / Integrierter

Anbau / VDI/VDE 3847

Positioner attachment to pneumatic actuators –

A comparative study from a manufacturer's point of view

In process engineering, the attachment of positioners to pneumatic actuators is of great

importance. Progress in this field is evident in the revision of VDI/VDE 3847 as well as in

proprietary developments based on new approaches. Attachment without piping between

positioner and actuator and the use of non-contact sensors mark the development towards

improved reliability. In this article, we describe the state of the art and assess various

solutions based on their life cycle costs.

KEYWORDS Control valves / automation / inegral positioner attachment / positioner

attachment / VDI/VDE 3847

50

atp edition

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Thomas Karte, Jörg Kiesbauer, Karl-Bernd Schärtner,

Frank Valentin-Rumpel, Samson

Stellgeräte in Prozessanlagen mit Regel- und Absperrkreisen

beeinflussen die Stoffströmung

entsprechend den Sollwerten, die im Leitsystem

oder dem übergeordneten Regler gebildet

werden. Neben der Armatur, die in die Medienströmung

eingreift, ist der – meist pneumatisch ausgeführte

– Antrieb von Bedeutung sowie der Stellungsregler.

Ein elektrisches Signal dient als Führungsgröße des

Regelkreises, Stellgröße ist der Antriebsdruck, Regelgröße

die Ventilstellung.

Pneumatischer Antrieb und Stellungsregler sind nach

heutigem Stand der Technik separate Geräte. Entsprechend

der beschriebenen Funktion muss der Anbau eines

Stellungsreglers an einen Antrieb neben der mechanischen

Fixierung auch die Übermittlung der aktuellen

Position des Antriebs gewährleisten sowie die Stellgröße

Antriebsdruck übertragen.

1. Anbau an Hubventile

Geeignete Montagebedingungen werden durch die

IEC 60534-6 [1] gewährleistet. Dieser von der Namur

unter NE 04 [2] erarbeitete Standard sorgt für mechanische

Kompatibilität zwischen Fabrikaten verschiedener

Hersteller. In diesem Standard sind Geometrien für die

Befestigung des Stellungsreglers am Ventiljoch sowie

Befestigungspunkte an der Ventilstange für den Wegabgriff

festgelegt. Leider wird diese Definition in mehreren

Ländern unterschiedlich beachtet. Speziell in

Ländern des angelsächsischen Sprachraums, sind viele

Beispiele proprietärer – herstellerspezifischer – Anbauten

zu finden.

Im Bestreben nach höherer Anlagenverfügbarkeit und

insbesondere, um die Gefahr von Unfällen zu mindern,

wurde aufgrund spezieller Anfragen aus der Chemie

Ende der 1980er-Jahre nach einer neuen Lösung gesucht.

Als Schwachpunkte des etablierten Anbaus nach

IEC waren Verletzungsgefahr durch offen liegende Hebel

sowie Verschleiß und Beschädigung eben dieser

Hebel identifiziert worden. Daneben spielte die komplexe

Montage eine Rolle, die speziell unter schwierigen

Bedingungen geschultes Personal erfordert. Als Antwort

auf dieses Anliegen hat sich der integrierte Anbau

seit etwa 1990 durchgesetzt und ist inzwischen in hohen

Stückzahlen im Feld verbreitet. Bild 1 zeigt die

ehemals patentierte Lösung von Samson. Dieser Anbau

wird geschätzt, technische Schwachpunkte sind nicht

bekannt. In der Praxis existieren Anbauten an diese

Ausführungsform des Ventiljochs beziehungsweise Antriebs

von namhaften Fabrikanten von Stellungsreglern

Nachbauten von Joch oder Antrieb durch Ventilhersteller

sind nicht bekannt.

Der „Anbau Samson integriert“ realisiert einen aufeinander

abgestimmten Entwurf der Mechanik von Antrieb

und Stellungsregler. Die wesentlichen Merkmale:

Montage des Stellungsreglers mit nur zwei Schrauben

nahe an der Antriebsstange: Dies ergibt eine stabile,

vibrationsfeste Verbindung. Die Notwendigkeit zur

Justage durch genaue Positionierung des Stellungsreglers

entfällt, weil die Geometrien entsprechend

ausgelegt sind.

Integrierte Luftführung von Stellungsregler zu Antrieb

ohne Verrohrung: Dies geschieht durch einen

Block, der gleichzeitig zur Aufnahme eines Magnetventils

vorbereitet ist. Die als Hilfsenergie zugeführte

Druckluft wird auf diesen Anschlussblock aufgelegt;

dadurch kann der Stellungsregler einfach gewechselt

werden, ohne Arbeiten an der Verrohrung

durchführen zu müssen. Die Wahl der Wirkrichtung

ist ebenfalls über den Block konfigurierbar und führt

dadurch zu einer Standardisierung der benötigten

Komponenten. Ein Druckminderer/Filter lässt sich

einfach anflanschen.

Kopplung des Wegabgriffs über einen an der Antriebsstange

befestigten Mitnehmer, dessen Position

durch einen federbelasteten Hebel erfasst wird: Diese

montagefreundliche Verbindung (kein Stecken)

hat sich als vibrations- und verschleißresistent erwiesen.

Standardisierte Geometrien vereinfachen

eine Einstellung von Nullpunkt und Spanne.

atp edition

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51

Hauptbeitrag

Bild 1:

Anbau Samson

integriert

Bild 3: Vorgaben der VDI/VDE 3847

für den Anbau an Drehstellventile

Bild 2: Anbau Samson integriert (oben)

und Anbau nach VDI/VDE 3847 (unten)

Bild 4: Anbau des

intelligenten Grenzsignalgebers

von Samson

Vollständige Kapselung des Abgriffraums verhindert

jegliche Beschädigung von außen und eliminiert die

Verletzungsgefahr, wie von der Maschinenrichtlinie

gefordert. Die Spülung des Abgriffraums und der die

Federn enthaltenden Antriebskammer mit Instrumentenluft

(Beschleierung) soll Korrosion vermeiden.

Nicht nur die Mechanik der Schnittstelle ist von Bedeutung.

In Verbindung mit einem intelligenten Stellungsregler

ergibt sich eine einfache Montage und Inbetriebnahme:

Stellungsregler verschrauben, Luft und elektrische

Verbindung auflegen, Selbstabgleich per Knopfdruck

durchführen – auch Personal ohne spezielle Einweisung

kann bei dieser Prozedur mit schnellen, reproduzierbaren

und zuverlässigen Einstellungen aufwarten.

Im Gegenzug profitiert der Stellungsregler von der

genauen, spielfreien Übermittlung der Wegposition.

Der Drosselkörper im Stellgerät kann auf wenige

0,1-%-Genauigkeit positioniert werden. Eine Wegmessung

dieser Güte ist für die Dynamik der Regelung

und insbesondere für die Diagnose bedeutend.

Die VDI/VDE 3847 [3], [4], seit 2003 in Kraft, versucht den

Normungsstand diesem Stand der Technik anzupassen

[5], [6]. Es wurde eine Anbaufläche mit Punkten zur mechanischen

Befestigung und zur Realisierung der pneumatischen

Verbindungen an einfach- und doppeltwirkende

Stellungsregler definiert. Bezüglich Wegmessung wurden

für Hubantriebe die Befestigungspunkte an der Ven-

52

atp edition

4 / 2012

tilstange gemäß IEC 60534-6 übernommen, für

Schwenkantriebe ist die Geometrie nach VDI/VDE 3845

vorgesehen. Damit ist eine genaue Definition der Ankoppelung

der Wegrückmeldung ausgespart, die realisierten

Lösungen sind jeweils herstellerspezifisch. Dies zieht einen

entsprechenden Montageaufwand nach sich, wenn

beim Wechsel des Stellungsreglers ein anderes Fabrikat

eingesetzt wird. Seit Januar 2011 existiert ein Vorschlag

des VDI/VDE-GMA FA 4.14, der als zusätzliche Option

einen pneumatischen Absperrhahn für den Wechsel im

laufenden Betrieb vorsieht. Bild 2 zeigt schematisch eine

Gegenüberstellung der beiden Varianten Anbau Samson

integriert und Anbau nach VDI/VDE 3847 für Hubventile.

1.1 Anbau an Drehstellventile

Die Vorgaben der VDI/VDE 3847 für den Anbau an Drehstellventile

zeigt Bild 3. Es sind Befestigungsflächen, Verschraubungspunkte

sowie die relative Lage der Drehachse genormt.

Eine integrierte Luftführung ist möglich. Durch diese Vorgaben

wird wiederum ein Wechsel verschiedener Stellungsreglerfabrikate

bezüglich Montage des Gehäuses problemlos

ermöglicht. Der spezielle Anbau der Wegrückmeldung an

die Drehachse muss aber – wie im Falle der Hubventile dargelegt

– herstellerspezifisch vorgenommen werden.

Seit 2009 ist speziell für Drehstellventile mit Schwenkantrieben

eine weitere, wiederum proprietäre Lösung

verfügbar [7]. Bild 4 zeigt einen intelligenten Grenzsignalgeber,

der Magnetventil, Endlagenschalter (beziehungsweise

deren elektronische Nachbildung) sowie

Wegsensorik beinhaltet. Der Wegabgriff erfolgt nun berührungslos,

ein am Antriebsschaft befestigter Magnet

wirkt auf einen im vollständig gekapselten Gehäuse

befindlichen Sensor. Die Luftführung geschieht durch

die Oberseite des speziell gebohrten Antriebes direkt in

den Grenzsignalgeber. Damit ist die Montage nun nochmals

vereinfacht: Adapterplatte ohne jegliche Ausrichtung

oder Montage aufschrauben, Magnet in beliebiger

Stellung an die Antriebswelle schrauben, Grenzsignalgeber

aufsetzen, automatischen Abgleich starten, fertig.

1.2 Vergleich der Varianten

Tabelle 1 stellt diese fünf Anbauvarianten gegenüber. Hiermit

soll summarisch ein Vergleich der verschiedenen Möglichkeiten

gezogen werden. Die Bewertung ist exemplarisch

zu sehen, sie kann durchaus in einer gegebenen Anlage

oder Anwendung oder auch für ein spezielles Fabrikat

ein unterschiedliches Resultat ergeben. So wird zum Beispiel

unter Standardanbau nach IEC 60534-6 das Merkmal

„berührungsloser Abgriff“ als nicht verfügbar gewertet, da

die Norm über ein Lochbild hinaus die Ausführung des

Anbaus nicht festlegt. Sehr wohl kann ein spezielles Fabrikat

eines Stellungsreglers aber einen berührungslosen

Abgriff aufweisen. Als wesentlich wird die Auflistung der

Kriterien für eine mögliche Bewertung gesehen.

Stichwortartig sollen im Folgenden einige Hinweise zu

den Beurteilungskriterien gegeben werden:

Verschleißarm: Kann der Positionsstift der Wegrückmeldung

im Gegenlager einschleifen, Schutz des

Anbauraumes vor Umgebungsatmosphäre

Montagefreundlich/Montagefehler: muß der Stellungsregler

bei Montage positioniert werden, Einführung Positionsstift

der Wegrückmeldung in Langloch notwendig,

Montage einer Feder um Spielfreiheit zu erreichen

Luftleitung falsch montiert: Verrohrungsfehler, der zum

Beispiel Leckage verursacht, mechanische Verspannung

durch fehlerhafte Einpassung Verbindungsrohr

Empfindlichkeit gegen Vibrationen: Kraftführung der

Verschraubung, Spiel in der Anlenkung des Positionsstiftes

der Wegrückmeldung

Verschmutzte/Korrosive Umgebung/Feuchte: Grad

der Kapselung, Schutz vor mechanischen Einflüssen,

Schutz vor Umgebungsatmosphäre durch Spülluft

Temperatureinfluss: Vereisungsgefahr

2. Lebenszykluskosten

Um die Attraktivität einer der Lösungen zu beurteilen, ist

eine Analyse der Kosten im gesamten Lebenszyklus [7]

einer Anlage unerlässlich. Die wichtigsten Kriterien für

die einzelnen Phasen sind in Tabelle 2 dargestellt.

Im Einzelfall müssen diese Kriterien weiter differenziert

werden. Insbesondere ist für den Reparaturfall die

Vorgabe wichtig, ob bei Gerätetausch das gleiche Modell

eingesetzt werden oder die Option für ein anderes Fabrikat

offen gehalten werden soll. Diese Fragestellung

wiederum muss im Kontext bewertet werden:

Anzahl eingesetzter Ventiltypen: Besteht die freie

Auswahl oder existiert eine Einschränkung auf wenige

Modelle zum Beispiel durch Standardgerätelisten?

Anzahl eingesetzter Stellungsreglerfabrikate: Gestattet

das Leitsystem den Einsatz eines anderen Fabrikates

beziehungsweise wie hoch ist der Änderungsaufwand?

Als Szenarien sind Neuanlagen von Altanlagen zu unterscheiden.

2.1 Neuanlagen

Unter dem Gesichtspunkt der Investitionskosten und

unter dem Aspekt der Zuverlässigkeit ist es vorteilhaft,

das komplette Stellgerät mit Antrieb, Stellungsregler und

gegebenenfalls anderen Anbauteilen als vormontierte

und geprüfte Einheit von einem Hersteller zu beschaffen.

Für den Stellungsregler ist davon auszugehen, dass für

eine Anlage durchgängig eine Bauart eingesetzt wird.

Bei der Auswahl eines Stellgerätes sind auch die späteren

Phasen des Lebenszyklus – Betrieb und Reparaturfall –

zu berücksichtigen, das Augenmerk muss auf höchster

Verfügbarkeit liegen. Dadurch dürfte das Ereignis Reparaturfall

selten auftreten. Falls aber doch mal ein Stellungsregler

ausgewechselt werden muss, ist anzunehmen,

dass als Ersatzgerät wieder die schon verbaute

Bauart gewählt wird.

2.2 Altanlagen

Bei einer Altanlage ist es denkbar, dass unterschiedliche

Typen von Stellungsreglern und Armaturen im Einsatz

sind. Generell bestehen folgende Handlungsoptionen:

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4 / 2012

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Hauptbeitrag

Legende

nv Merkmal nicht verfügbar

X Merkmal vorhanden

0 Neutral

+ positiv

+ + sehr positiv

*1 Abhängig vom Stellungsreglerfabrikat

Anbaugerät

Stellungsregler Stellungsregler Stellungsregler Grenzsignalgeber

IEC 60534-6 VDI 3847 Samson

Integriert

Konzept

Intelligenter

Grenzsignalgeber

Luftführung

Luftführung Antrieb - Stellungsregler

verrohrungsfrei durch Anflanschen

nv X X X

Antriebsbeschleierung *1 optional optional X

Beschleierung Hubabgriff nv nv X nicht relevant

Verblockung möglich nv optional nv nv

Ventilstellungsabgriff

Berührungslos nv nv nv X

Montagefreundlich 0 + + + + +

integriertes Magnetventil *1 *1 optional X

externes Magnetventil ohne Verrohrung

anflanschbar

nv X X X

Druckminderer ohne Verrohrung

anflanschbar

nv nv X nv

Filter ohne Verrohrung anflanschbar nv nv X nv

Manometeranschluss *1 *1 optional nv

Fehlersicherheit

Montagefehler mechanischer Anbau 0 + + + + +

Luftleitung Antrieb zu Stellungsregler

falsch montiert

0 0 + + + +

Empfindlichkeit gegen Vibrationen 0 + + + + +

Verschmutzte Umgebung 0 0 + + + +

Korrosive Umgebung 0 0 + + + +

Umgebungstemperatur 0 0 + + +

Feuchte 0 0 + + + +

Verschleißarm 0 0 + + +

Tabelle 1: Vergleich der Anbauvarianten

Phase des Lebenszyklus

Beschaffung

Montage

Inbetriebnahme

Betrieb

Wartung

Reparaturfall

Geräteeigenschaft

Investitionskosten

Einfache, selbsterklärende Montage

Selbstabgleich, Bedienerfreundlichkeit, Parametrierungsaufwand

Verfügbarkeit, Robustheit, Zuverlässigkeit

Robustheit, notwendige Wartung, Wartungsumfang

Montageaufwand bei Wechsel, Aufwand für Parametrierung

Tabelle 2: Kostenrelevante Geräteeigenschaften im Lebenszyklus

54

atp edition

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Umrüstung auf IEC 60534-6, falls dieser Standard

noch nicht eingehalten wird

Umrüstung auf VDI/VDE 3847

Umrüstung auf Schnittstelle Samson integriert

Eine Nachrüstung aller Stellgeräte auf einen Standard erscheint

wegen der hohen Investitionskosten unwahrscheinlich.

Für den Reparaturfall gibt es zwei Möglichkeiten:

Sind die Antriebe bereits nach IEC 60534-6 oder einem

anderen Standard ausgerüstet, so ist ein Ersatz

in gleicher Technologie zu erwägen.

Bei spezieller, keinem Standard entsprechender Montage

des Stellungsreglers (zum Beispiel bei Altgeräten)

ist es vorteilhaft, auf eine Montageart gemäß

einem der Standards überzugehen.

Idealerweise lässt sich ein Stellungsreglerfabrikat mit

Hilfe verschiedener Anbausätze für alle Optionen einsetzen

(Bild 8).

Bei der Bewertung der Variante Anbau Samson integriert

helfen folgende Aspekte:

Bild 5: Stellungsregler-Bauart 3730 von Samson

Bild 6:

Integration von

Stellungsregler

und Antrieb für

kleine Antriebe

Bild 7: Anbau mehrerer Zusatzkomponenten

an große Antriebe

Im wichtigsten Kriterium Verfügbarkeit bietet der

vollständig gekapselte und mit Instrumentenluft beschleierte

Anbauraum wesentliche Vorteile. Wegen

der hohen Kosten eines Anlagenstillstandes ist dieses

Kriterium für Regelkreise ausschlaggebend. Noch

wichtiger wird dieser Aspekt in sicherheitsgerichteten

Kreisen. Die Einstufung dieser Kreise nach

DIN EN 61511 (SIL) erfordert eine quantitative Bewertung

der Ausfallwahrscheinlichkeit (PFD – Probability

of failure on demand).

Bezüglich der Investitionskosten ist diese Lösung,

insbesondere bei Lieferung aus einer Hand, etwa

gleichauf mit einem Anbau nach IEC 60534-6, aber

vorteilhaft gegenüber VDI/VDE 3847. Bei der letztgenannten

Variante fällt insbesondere der hohe Materialaufwand

ins Gewicht.

Wird ein Stellungsregler ausgetauscht, aber nicht das

Fabrikat gewechselt, so bietet der Anbau Samson integriert

einfachste Voraussetzungen. Auch bei einem

Anbau nach IEC 60534-6 ist durch den speziellen

Montagesatz die Luftzufuhr am Anbausatz aufgelegt,

und damit fallen keine Verrohrungsarbeiten an. Wird

beim Austausch das Fabrikat des Stellungsreglers

gewechselt, so ist eine Montage nach VDI/VDE 3847

als herstellerübergreifende Norm vorteilhafter.

3. Diagnose durch Stellungsregler

Neben den direkten Kosten von Stellungsreglern und dem

Anbau sind auch weitere Gesichtspunkte zu berücksichtigen.

In einer hierarchisch gestaffelten Betrachtung der

Lebenszykluskosten wären als nächstes die Kosten des

Stellgerätes in der Anlage zu bewerten. Entsprechend [8]

bietet die Stellungsreglerdiagnose einen Werkzeugkasten,

um hier entscheidend einzugreifen. Dieses mächtige

Werkzeug entfaltet seine volle Wirksamkeit dann, wenn

Stellungsregler und Stellgerät von einem Hersteller kommen.

Es geht dabei beispielsweise um die komplexen Möglichkeiten

und Verfahren unter den Stichworten „Durchflussmessung

durch das Stellgerät“, „Leckageüberwa-

atp edition

4 / 2012

55

Hauptbeitrag

Referenzen

[1] IEC 60534-6

[2] Namur-Empfehlung NE 04: Anbau von Stellungsreglern

an Stellantrieben. September 2006

[3] VDI/VDE 3847 Blatt 1: Stellgeräte für strömende Stoffe

– Schnittstelle zwischen Stellgerät und Stellungsregler

– Stellgeräte mit Hubantrieb. Juli 2003

[4] VDI/VDE 3847 Blatt 2: Stellgeräte für strömende

Stoffe – Schnittstelle zwischen Stellgerät und

Stellungsregler – Stellgeräte mit Schwenkantrieb.

September 2004

[5] Bachmann, S.: Verbindungsfreudig und unkompliziert.

P&A 7/2010

[6] ARCA: „Herstellerneutraler rohrloser Stellungsregleranbau

nach VDI/VDE 3847“, ARCA-ristics Nr. 63

(12/2005)

[7] Karte, T., Kiesbauer, J., Schärtner, K.-B.: Intelligenter

Grenzsignalgeber für Auf/Zu-Armaturen in der

Prozesstechnik. atp – Automatisierungstechnische

Praxis 5/2009

[8] Kiesbauer, J., Vnucec, D.: Lebenszykluskosten von

Stellventilen – Neuer Ansatz zur Berechnung von

Ventilauslegungen. atp – Automatisierungstechnische

Praxis 11/2010

[9] Kiesbauer, J., König, G.: Ganzheitliches Asset Management

bei Stellgeräten. Industriearmaturen 4/2005

[10] Kiesbauer, J., Erben, S.: Integration kommunikationsfähiger

Stellgeräte in Leitsysteme, atp – Automatisierungstechnische

Praxis 8/2008

chung durch Körperschallsensor“, „Verschleißermittlung“,

ausführliche Darstellungen finden sich in [9].

Erstaunlicherweise spielt diese Stimmigkeit zwischen

Stellgerät und Stellungsregler bei Diskussionen über Neuanlagen

nicht immer die entscheidende Rolle. Vielmehr

überwiegt die Furcht, die Anbindung des Stellungsreglers

an das übergeordnete Leitsystem könne bei Fabrikaten

verschiedener Hersteller zu Inkompatibilitäten führen.

Diese Schnittstelle zwischen Leitsystem und Feldgerät

ist aber sehr detailliert genormt; es gilt die Vorgaben

der einschlägigen Standards konsequent zu beachten.

Hierfür betreiben einige namhafte Feldgerätehersteller,

wie Samson oder Endress+Hauser, spezielle Laboratorien.

Dort wird die Integration der Feldgeräte in verschiedene

Leitsysteme getestet. Im Smart Valve Integration Center

von Samson befassen sich die Ingenieure über Fragen der

Kompatibilität hinaus intensiv mit der Anwendungstechnik,

die Stichworte sind hier vor allem „Intelligentes

Ventil“ und „Asset Management“ [10].

4. Technische Abgrenzung

Was lässt sich aus den bisherigen Ausführungen folgern?

Ein mögliches Fazit könnte folgendermaßen gezogen

werden: Bietet eine herstellerspezifische Lösung

Vorteile bezüglich Verfügbarkeit, so hat dieses Argument

übergeordnete Bedeutung gegenüber der Verwendung

einer standardisierten Schnittstelle. Für alle nicht

durch eine solche Lösung abgedeckten Einsatzfälle, wie

zum Beispiel den Anbau an große Antriebe, stellt die

VDI/VDE 3847 eine sinnvolle Ergänzung der IEC 60534- 6

Autoren

Dr. rer. nat. Thomas Karte (geb. 1955) beschäftigt

sich bei der Samson AG mit der Anwendungstechnik

elektropneumatischer Geräte. Er ist Mitglied im

FA 6.13 der GMA-VDI/VDE und im DKE GK 914.

Samson AG,

Mess- und Regeltechnik,

Weismüllerstr. 3, D-60314 Frankfurt am Main,

Tel. +49 (0) 69 40 09 20 86,

E-Mail: tkarte@samson.de

Dipl.-Ing. (FH) Karl-Bernd Schärtner

(geb. 1950) ist Leiter der Entwicklung

Pneumatik der Samson AG.

Samson AG,



Tel. +49 (0) 69 40 09 13 20,

E-Mail: kschaertner@samson.de

Dr.-Ing. Jörg Kiesbauer (geb. 1960) ist Mitglied

des Vorstandes für Forschung und Entwicklung der

Samson AG. Normungsaktivitäten: Working

Group 9 Final Control Elements des IEC SC 65B,

DKE K 963 Stellgeräte für strömende Stoffe sowie

ISA SP 75 Control Valve Standards.

Samson AG,



Tel. +49 (0) 69 40 09 13 00,

E-Mail: drjkiesbauer@samson-ag.com

Dipl.-Ing. (FH) Frank Valentin-Rumpel

(geb. 1968) ist Mitarbeiter der Entwicklungsabteilung

Pneumatik der Samson AG und

beschäftigt sich als Projektleiter mit der

Entwicklung pneumatischer und elektropneumatischer

Geräte.

Samson AG,



Tel. +49 (0) 69 40 09 17 25,

E-Mail: fvalentin@samson.de

56

atp edition

4 / 2012

dar. Wird das Verbesserungspotenzial für Antriebe und

Anbaugeräte grundsätzlich betrachtet, gilt es, folgende

Überlegungen zu berücksichtigen:

Für kleine Anlagen, zum Beispiel im Technikumsmaßstab,

sind die äußeren Abmessungen entscheidend.

In äußerster Konsequenz verlangt dies die Integration

von Stellungsregler und Antrieb (Bild 9). Das Stellgerät

wird als Unit betrachtet, die Schnittstellen zur Außenwelt

sind das 4–20-mA-Signal zur Einspeisung des Sollwertes

(beziehungsweise ein entsprechendes Bussignal)

und der Anschluss der Druckluft als Hilfsenergie. Bei

zuverlässiger Konstruktion und hoher Verfügbarkeit

stellt dies die optimale Lösung dar. Anders die Situation

bei großen Antrieben: Hier kommen zusätzlich zum

Stellungsregler Zusatzkomponenten wie Booster, Magnetventile,

Schnellentlüfter und andere Anbaugeräte

zum Einsatz. Einen solchen Aufbau zeigt Bild 10. Die

Kosten für den Aufbau dieser Komponenten, die spezielle

Verrohrung und die einzelnen Fittings übersteigen

die Kosten eines Stellungsreglers bei weitem. Optimierungsmöglichkeiten

ergeben sich unter anderem, wenn

abgestimmte Komponenten verwendet werden, die beispielsweise

durch Flanschverbindungen montiert werden

könnten. Das Regelungskonzept müsste alle Komponenten

berücksichtigen. Die Diagnose von Stellungsregler

und Ventil als wichtigstes Handlungsfeld zur

Erhöhung von Verfügbarkeit und Senkung der Wartungskosten

wurde bereits erwähnt. Auch dieses Potenzial

erschließt sich nur bei optimaler Anpassung aller

Komponenten aufeinander.

Zusammenfassung

Der Standard VDI/VDE 3847 schließt teilweise zum Stand

der Technik auf, wie er durch bereits verfügbare integrierte

Antriebe vorgegeben ist. Er ergänzt vorhandene

Lösungen sinnvoll. Aus der spezifischen Situation – wie

zum Beispiel Altanlage, Neuanlage, Antriebsgröße, Ausfallverhalten

der eingesetzten Feldgeräte, Logistiksituation

– lässt sich durch Analyse der Lebenszykluskosten

aus den vorhandenen Möglichkeiten die spezifisch beste

Lösung auswählen. Demgegenüber erscheint eine flächendeckende

Anwendung der VDI/VDE 3847 nicht optimal.

Weitere Entwicklungen werden in Richtung Integration

hin zu kompakten Stellgeräten und zur Minimierung

von Schnittstellen gehen. Dabei gilt es, trotz verbesserter

Technik und damit erhöhter Verfügbarkeit, die

Kosten zu senken. Insbesondere bei sehr großen und sehr

kleinen Antrieben existiert noch Optimierungspotenzial.

Eine sinnvolle Normung ist hier schwer abzusehen. Es

wird erwartet, dass herstellerspezifische Lösungen am

ehesten der gestellten Aufgabe gerecht werden. Neben

den mechanischen Schnittstellen bietet die Stellungsreglerdiagnose

das entscheidende und oft gewichtigere

Werkzeug zur Kostensenkung und Erhöhung der Verfügbarkeit.

Insgesamt ergibt sich aus der Abstimmung von

Antrieb und Zusatzkomponenten ein höheres technisches

und ökonomisches Potenzial als aus Standardisierung

und Austauschbarkeit.

Manuskripteingang

08.11.2011


Herausforderung


Mit dem atp-award werden zwei Autoren der atp edition für

hervorragende Beiträge ausgezeichnet. Ziel dieser Initiative

ist es, Wissenschaftler und Praktiker der Automatisierungstechnik

anzuregen, ihre Ergebnisse und Erfahrungen in Veröffentlichungen

zu fassen und die Wissenstransparenz in der

Automatisierungstechnik zu fördern. Teilnehmen kann jeder

Autor der zum Zeitpunkt der Veröffentlichung nicht älter als

35 Jahre ist. Nach Veröffentlichung eines Beitrags ist der Autor,

wenn er die Bedingung erfüllt, automatisch im Pool. Die

Auswahl des Gewinners übernimmt die atp-Fachredaktion.

Derjenige Autor, der im Autorenteam der jüngste ist, erhält

stellvertretend für alle Autoren die Auszeichnung. Der Preis

wird in zwei Kategorien ausgelobt: Industrie und Hochschule.

Die Kategorien ermittlung ergibt sich aus der in dem Beitrag

angegebenen Adresse des jüngsten Autors.

Veröffentlichungen – Beitrag zum Wissenspool im

Fachgebiet Automatisierungstechnik

Die Entwicklung eines Wissensgebietes erfolgt durch einen

kooperativen Prozess zwischen wissenschaftlicher Grundlagenforschung,

Konzept- und Lösungsentwicklung und Anwendung

in der Praxis. Ein solcher Prozess bedarf einer gemeinsamen

Informationsplattform. Veröffentlichungen

sind die essentielle Basis eines solchen Informationspools.

Der atp-award fördert den wissenschaftlichen Austausch

im dynamischen Feld der Automationstechnik. Nachwuchsinge

nieure sollen gezielt ihre Forschungen präsentieren

können und so leichter den Zugang zur Community erhalten.

Der Preis ist mit einer Prämie von jeweils 2000€ dotiert.

Die Auswahl erfolgt in zwei Stufen:

Voraussetzung für die Teilnahme ist die Veröffentlichung

des Beitrags in der atp edition. Jeder Aufsatz, der als Hauptbeitrag

für die atp edition eingereicht wird, durchläuft das

Peer-Review-Verfahren. Die letzte Entscheidung zur Veröffentlichung

liegt beim Chefredakteur. Wird ein Beitrag veröffentlicht,

kommt er automatisch in den Pool der atp-award-

Bewerber, vorausgesetzt einer der Autoren ist zum Zeitpunkt

der Veröffentlichung nicht älter als 35 Jahre. Ausgezeichnet

wird der jüngste Autor stellvertretend für alle Autoren der

Gruppe. Eine Jury aus Vertretern der atp-Fachredaktion

und des -Beirats ermittelt schließlich den Gewinner in den

jeweiligen Kategorien Hochschule und Industrie.

Der Rechtsweg ist ausgeschlossen.

Beiträge richten Sie bitte an:

Oldenbourg Industrieverlag GmbH

Herrn Prof. Leon Urbas

Chefredakteur atp edition / automatisieren! by atp

Rosenheimer Straße 145 • 81761 München

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Praxis – rtp“ gegründet.

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