atp edition Virtuelle inbetriebnahme von Transportsystemen (Vorschau)

6 / 2011 

53. Jahrgang B3654 

Oldenbourg Industrieverlag 

Automatisierungstechnische Praxis 

Virtuelle Inbetriebnahme 

von Transportsystemen | 26 

Inline-Check texturierter 

Kunststoffoberflächen | 34 

Holistic Workspace – Den Leitstand 

der Zukunft gestalten! | 44 

Tests von Feldgeräten mit 

Profibus PA-3.02 | 52

editorial 

Wie real ist die virtuelle 

Inbetriebnahme? 

Die „digitale Fabrik“ bietet Nutzungsmöglichkeiten über den gesamten Lebenszyklus 

von Produkten und Anlagen. Die Automatisierungstechnik kann 

dabei in vielerlei Hinsicht profitieren, etwa bei der Anforderungsermittlung, 

beim modellbasierten Entwurf von Regelungen und Steuerungen, beim Test 

oder bei der Fehlerdetektion und -diagnose. Beim Engineering automatisierter 

Anlagen liegt es gedanklich nahe, die Automatisierungsfunktionen anhand 

eines digitalen Modells der Anlage per Simulation zu testen, als „virtuelle 

Inbetriebnahme“ (VIBN), um Fehler im vorangegangenen Entwicklungs- beziehungsweise 

Engineeringprozess zu erkennen. Die methodischen Grundlagen 

dafür sind inzwischen gelegt. Beispielsweise wurden am 13. Mai an der 

TU Dresden die Ergebnisse des Verbundprojekts „OMSIS“ präsentiert: eine 

durchgängige Werkzeugkette für eine integrierte Test-Simulationsumgebung, 

welche die Teilaufgaben Simulation, Datenerfassung (Monitoring), Testfallgenerierung 

und -ausführung sowie Systemanalyse und -diagnose erleichtert. 

Virtuelle Anlagenmodelle werden auch in zwei Hauptbeiträgen dieser Ausgabe 

der atp edition behandelt. 

Welche Fehler bei der VIBN gefunden werden, hängt wesentlich davon ab, wie 

„real“ das Modell ist, das heißt, welche Aspekte des Produktionsprozesses, speziell 

der „Physik“, im Modell berücksichtigt werden. Bei fertigungstechnischen Prozessen 

liegt die Grenze in der Praxis derzeit bei der Berücksichtigung von Massenträgheit, 

Reibung und Schwingungen, bei verfahrenstechnischen Prozessen bei der 

Abbildung der chemischen und energetischen Abläufe. Grundsätzlich könnten alle 

diese Effekte mitmodelliert werden, dies bedeutet aber Aufwand. Dieser Aufwand 

hinsichtlich Zeit und Kosten für die Erstellung des Simulationsmodells der Produktionsanlage 

ist bislang das Haupthindernis für den systematischen Einsatz der 

VIBN in der Anlagenplanung und -realisierung; daher ist die VIBN in der Praxis 

noch nicht so „real“, wie es ihrem potenziellen Nutzen entspricht. 

Wie können die Kosten für die Modellerstellung reduziert werden? 

Prof. Dr.-Ing. 

Alexander Fay, 

Institut für Automatisierungstechnik, 

Helmut-Schmidt- 

Universität/Universität der 

Bundeswehr Hamburg 

Durch Nutzung von vorhandenen Modellen aus früheren Phasen 

des Engineerings, etwa aus der Verfahrenstechnik- oder Materialflusssimulation? 

Durch Mehrfachnutzung der Modelle in späteren Phasen, beispielsweise 

für die Schulung der Anlagenfahrer, für Optimierung und 

Diagnose? 

Durch zumindest teilweise automatische Generierung der Modelle, 

etwa aus Anlagenplanungsdaten? 

Diesen Fragen wird im GMA-Fachausschuss 6.11 nachgegangen. Die Entwickler 

von CAE-Systemen sind zur Mitarbeit eingeladen wie auch die Hersteller 

von Anlagenkomponenten, die künftig die dazugehörigen Simulationsmodelle 

zuliefern könnten, sobald es einen akzeptierten Standard gibt, mit dessen 

Hilfe Modellbibliotheken angelegt und verbreitet werden können. Wer daran 

mitarbeiten möchte, wende sich bitte an die GMA-Geschäftsstelle oder direkt 

an den FA-Leiter, Prof. Schumann (reimar.schumann@fh-hannover.de) – damit 

die VIBN bald reale Praxis wird! 

atp edition 

6 / 2011 

3

SIL 

Sprechstunde 

3. SIL-Sprechstunde 

Funktionale Sicherheit 

15. + 16.9.2011, Mannheim, Pepperl+Fuchs GmbH 

www.sil-sprechstunde.de 

Veranstaltungskonzept 

Thema 

Sie fragen – Experten antworten! 

Die SIL-Sprechstunde ist eine offene Dialogveranstaltung, 

bei der Sie aufgefordert sind, Fragen und Themen 

einzubringen. Diese werden im Expertenkreis diskutiert 

oder in interaktiver Gruppenarbeit bearbeitet. 

Kleinere Unternehmen bearbeiten oft Aufträge von großen 

Anwendern, die in vollem Umfang die Erfüllung der 

einschlägigen Sicherheitsnormen (z.B. Functional Safety 

Management) einfordern. 

Die 3. SIL-Sprechstunde behandelt den Themenbereich 

Funktionale Sicherheit in kleinen und mittelständischen 

Unternehmen – insbesondere rund um die 

Umsetzung der EN 61508/61511. 

Zielgruppe & Referenten 

Diese SIL-Sprechstunde richtet sich besonders an kleine 

und mittelgroße Unternehmen. 

Die Veranstaltung wird von profilierten Experten aus 

der Praxis moderiert und begleitet, die in renommierten 

Unternehmen oder Institutionen tätig sind. 

Nutzen Sie Ihre Chance! 

Machen Sie die 3. SIL-Sprechstunde zu Ihrer 

Veranstaltung und reichen Sie schon jetzt unter 

www.sil-sprechstunde.de Ihre individuellen Fragen ein. 

Termin & Ort 

Die SIL-Sprechstunde ist eine Zweitagesveranstaltung am: 

• Donnerstag, 15.9.2011 

11:30-17:00 Uhr: Fachreferate 

18:30-22:00 Uhr: Abendveranstaltung 

• Freitag, 16.9.2011 

9:00-14:00 Uhr: Workshops 

Pepperl+Fuchs GmbH 

Lilienthalstr. 200 

68307 Mannheim 

Programmablauf 

Am ersten Tag stehen Fachvorträge der Referenten auf der 

Agenda, während am zweiten Tag die im Vorfeld eingereichten 

Diskussionsthemen und Fragestellungen in parallel 

laufenden Workshops erarbeitet werden. 

Im Rahmen der Veranstaltung finden Sie ausreichend Zeit für 

den Meinungs- und Erfahrungsaustausch im Kollegenkreis. 

Teilnahmegebühr 

Abonnenten der atp edition: € 540,- 

auf Firmenempfehlung: € 590,- 

reguläre Gebühr: € 690,- 

Im Preis sind die Tagungsunterlagen sowie die Verpflegung 

im Rahmen der Veranstaltung (Kaffeepausen, Mittagessen, 

GetTogether) enthalten. 

Veranstalter 

Detaillierte Informationen zur Veranstaltung, das 

vollständige Programm sowie die Online- 

Anmeldung finden Sie im Internet unter 

www.sil-sprechstunde.de 

SOFORTANMELDUNG PER FAX: +49 (0) 201 / 8 20 02 40 

Ja, ich melde mich verbindlich für die 3. SIL-Sprechstunde am 15.-16.9.2011 bei Pepperl+Fuchs in Mannheim an. 

Ich beziehe atp edition im Abonnement 

Ich beziehe atp edition nicht im Abonnement 

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

Firma/Institution 

Telefon 

Telefax 

Titel, Vorname, Nachname 

E-Mail 

Straße/Postfach 

Land, PLZ, Ort 

Nummer 

Branche/Wirtschaftszweig 

✘ 

Ort, Datum, Unterschrift 

Nutzung personenbezogener Daten: Für die Auftragsabwicklung und zur Pflege der laufenden Kommunikation werden personenbezogene Daten erfasst und gespeichert. Mit dieser 

Anmeldung erkläre ich mich damit einverstanden, dass ich vom Oldenbourg Industrieverlag oder vom Vulkan-Verlag per Post, per Telefon, per Telefax, per E-Mail, nicht 

über interessante, fachspezifische Medien- und Informationsangebote informiert und beworben werde. Diese Erklärung kann ich mit Wirkung für die Zukunft jederzeit widerrufen.

in eigener sache 

Stabwechsel: Prof. Schiller übergibt 

Chefredaktion an Prof. Urbas 

Liebe Leser, 

die letzten Jahre waren nicht nur für Sie spannend. Auch bei uns in der Redaktion 

wurde viel diskutiert, um die angestoßenen Änderungen in der inhaltlichen Ausrichtung 

und des Layouts erfolgreich fortzuführen. Das Ergebnis kann sich sehen lassen, 

die Reaktionen der Leser und der Autoren sind durchweg positiv. Auf der Basis dieses 

Zuspruchs wird unsere Zeitschrift ihr einzigartiges Profil als Informationsplattform 

von Forschung und Industrie weiter schärfen können. 

Die Artikel der atp edition beschreiben aktuelle Entwicklungen in Wissenschaft und 

Industrie. Wie ich oft erfahren konnte, leiten sie häufig, zum Teil auch kontroverse, 

Diskussionen in der Fachwelt ein und fördern den firmen- und verbandsübergreifenden 

Informations- und Erfahrungsaustausch. Um eine solche Zeitschrift, in der Entwickler, 

Anwender und Technische Manager auf der einen und Doktoranden, Doktoren und 

Professoren auf der anderen Seite gleichermaßen das Wort ergreifen, beneidet uns die 

internationale Fachwelt. 

Prof. Dr.-Ing. Frank 

Schiller wechselt in 

die Industrie und gibt 

die Chefredaktion ab. 

Ich habe eine Tätigkeit als wissenschaftlicher Leiter in der Industrie angenommen. 

Daher war es notwendig, einen neuen Chefredakteur zu finden. Glücklicherweise konnte 

Prof. Urbas, Inhaber der Professur für Prozessleittechnik an der TU Dresden, für 

diese herausfordernde und schöne Aufgabe gewonnen werden. Ich werde der atp weiter 

eng verbunden bleiben und als Fachredakteur zur Verfügung stehen. 

Mit der Unterstützung der Herausgeber, der Beiräte, der Fachredakteure, des Verlags 

und natürlich auch der Unterstützung durch Sie als Leser und Autoren wird es uns 

gelingen, unsere Zeitschrift ständig weiterzuentwickeln. 

Ich freue mich auf die weitere Zusammenarbeit und wünsche Prof. Urbas viel Freude 

und Erfolg als Chefredakteur! 

Frank Schiller 

Prof. Dr.-Ing. Leon 

Urbas, neuer Chefredakteur, 

wird sich in 

einer der nächsten 

Ausgaben vorstellen. 

Liebe Leser, 

Herr Prof. Schiller hat zusammen mit dem atp-Team in den letzten zwei Jahren sehr 

erfolgreich gearbeitet. Ohne seinen unermüdlichen Einsatz für das Blatt und die Leser, 

seinen Mut zur Erneuerung und das hohe Qualitätsstreben wäre die atp edition in der 

Wirtschaftskrise untergegangen. Heute steht die Zeitschrift wieder hervorragend da. 

Wir gewinnen kontinuierlich neue Abonnenten. 

Über die reine Sachebene hinaus war die Kooperation mit Prof. Schiller für uns ebenfalls 

ein Vergnügen. Schließlich soll das Blattmachen den Beteiligten Spaß bringen. Dann 

fällt das Ergebnis auch im Sinne der Leser erfreulich aus. Wir sind Herrn Prof. Schiller 

zu großem Dank verpflichtet. 

Mit Herrn Prof. Urbas haben wir nach intensiver Suche einen Nachfolger für die Chefredaktion 

gefunden, der fachlich und als Mensch sehr gut zum atp-Team passt. Ich bin 

sicher, dass er sich rasch einarbeiten und das erfolgreiche Konzept fortführen wird. 

Fortführen allein reicht aber nicht, weil sich die Technik und der Markt voranbewegen. 

Herr Prof. Urbas bringt für die kontinuierliche Weiterentwicklung die besten Voraussetzungen 

mit. Ich habe ihn in den Gesprächen als hervorragenden Wissenschaftler, 

vielseitig interessierten Ingenieur und klugen Geist kennen gelernt. Wünschen wir ihm 

alle gemeinsam viel Glück und Erfolg bei dieser spannenden Aufgabe. 

Hans-Joachim Jauch, 

Geschäftsführer des 

Oldenbourg Industrieverlags: 

„Mit Prof. Urbas 

wird atp edition die 

hervorragende Entwicklung 

fortsetzen.“ 

Hans-Joachim Jauch 


6 / 2011 

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Inhalt 6 / 2011 

Forschung 

8 | Ausgezeichnet: Roboter arbeitet ohne 

Schutzzaun mit Menschen sicher zusammen 

Lauron löst auf sechs Beinen brenzlige Situationen 

9 | Optische 3D-Messsysteme ebnen den Weg zum 

Null-Fehler-Konzept im Produktionsprozess 

Hochstapler: Hersteller, Produzenten und Anwender 

forschen an Einbett-Technologien für Module 

Verband 

10 | Wenn die Amortisationsrechnung versagt – 

ZVEI-Tool zur Berechnung der Lebenszykluskosten 

Interbus-Club integriert seine Technologie in die 

Profibus-Nutzerorganisation und löst sich auf 

branche 

11 | VDE fordert neues Energieversorgungssystem 

mit automatisierten Verteilungsnetzen 

Deutsche Automatisierer gewinnen Marktanteile 

Roboter: mit optimierter Steuerung Energie sparen 

12 | Die Fertigungsmesstechnik der Zukunft: 

schneller, sicherer, genauer, flexibler 

14 | Distanzmessung mit PDM-Sensoren sorgt für 

größere Stabilität in automatischem Prozess 

16 | Italienisches Walzwerk formt Stahl 

mithilfe von schwedischen Drehgebern 

18 | Common Components gewährleisten eine 

„eingebaute“ Interoperabilität bei FDT 2.0 

22 | Die Fabrik auf dem Büroschreibtisch: 

virtuelle Lösungen für den Erfolg realer Anlagen 

6 


6 / 2011

Hauptbeiträge 

26 | Virtuelle Inbetriebnahme von Transportsystemen 

J. RoSSmann, O. Stern, R. Wischnewski 

34 | Qualitätskontrolle texturierter Kunststoffoberflächen 

W. Michaeli, K. Berdel 

44 | Holistic Workspace – Den Leitstand 

der Zukunft gestalten! 

T. Schwarz, H. Oortmann, H. Reiterer 

52 | Tests von Feldgeräten mit Profibus PA-3.02 

M. Pelz, S. Seintsch, S. Ochsenreither 

Praxis 

60 | Universelle Kommunikationsanbindung 

sorgt für verbesserte Prozesse 

62 | Beschichtung von Verstärkungsfasern: 

Präzisionsprozess übersichtlicher gesteuert 

64 | Einfach wie ein Relais, aber genauso flexibel 

wie eine sichere SPS 

rubriken 

3 | Editorial 

5 | In eigener Sache 

66 | Impressum, Vorschau 


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forschung 

Ausgezeichnet: Roboter arbeitet ohne 

Schutzzaun mit Menschen sicher zusammen 

Er ist der erste Roboter, der ohne Schutzzaun mit Menschen 

arbeiten kann – der Leichtbauroboter von Kuka 

und dem DLR-Institut für Robotik und Mechatronik sicherte 

sich beim euRobotics Technology Transfer Award 

Anfang April in Västerås (Schweden) die Spitzenposition. 

Der Leichtbauroboter ist dem menschlichen Arm nachempfunden: 

Die Entwickler legten Wert auf Sensivität und 

Nachgiebigkeit. Er ist leicht zu programmieren und gut 

geeignet für eine enge Mensch-Roboter-Interaktion. Dank 

des geringen Gewichts lässt er sich einfach transportieren. 

Er arbeitet energiesparend, was ihn für mobile Einsätze 

prädestiniert. 

Die Maschine sei für Roboteranwendungen in den Bereichen 

Dienstleistung und Medizin einsetzbar, so Ralf Koeppe, 

Leiter Forschung und Entwicklung bei Kuka Laboratories, 

der den Preis mit Dr. Alin Albu-Schaeffer (DLR) stellvertretend 

für ihre Entwickler-Teams entgegennahm. Der 

zweite Preis ging an SIMone, einen auf Robotertechnologie 

basierenden und interaktiven Geburtssimulator, der von 

der der ETH Zürich, der TU München und 3B Scientific zu 

Trainingszwecken für Ärzte entwickelt wurde. SIMone soll 

die Rate von Kaiserschnitten und zerebralen Lähmungen 

verringern, die infolge falschen Anlegens von Zange und 

Saugglocke auftreten. Herzstück von SIMone bildet eine 

kraftgeregelte Kinematik, die die Bewegung des Babykopfes 

im mütterlichen Becken und im Geburtskanal realitätsnah 

simuliert. Der Simulator ist mit Positions- und Kraftsensoren 

ausgestattet. 

Zu den weiteren Finalisten gehörten Fits me, ein estländisches 

Unternehmen, das mit den Universitäten Tallinn 

und Tartu eine Online-Anprobe für Kleidung entwickelt 

hat sowie Surgenius, ein Operationsroboter, der gemeinsam 

von Surgica Robotica und der Universität von Verona 

entwickelt wurde. Auch Workerbot trat an, ein dem Menschen 

nachempfundener zweiarmiger Roboter für die 

industrielle Handhabung und Montage, der einer Forschungskooperation 

von Pi4Robotics und dem Fraunhofer-Institut 

für Produktionssysteme (IPK) entstammt. 

Der Tech-Transfer-Award fand in diesem Jahr zum achten 

Mal statt mit dem Ziel, die Innovationskraft und wirtschaftliche 

Auswirkung von erfolgreichen Forschungskooperationen 

zwischen Industrie und Wirtschaft zu fördern. 

EUnited Robotics, 

Diamant Building, 

Boulevard A. Reyers 80, 

B-1030 Brüssel, Tel. +32 2706-8209, 

Internet: www.eu-nited.net 

Lauron löst auf sechs Beinen brenzlige Situationen 

Lauron: 

Die sechsbeinige 

Laufmaschine 

ist eine von der 

Natur motivierte 

Ent wicklung. 

Das Vorbild: Die indische Stabheuschrecke. 

Bilder: Faulhaber 

Die Bergung von Verschütteten in teileingestürzten 

Gebäuden, die Erkundung von Vulkanen oder das 

Räumen von Minenfeldern – das alles sind gefährliche 

Situationen, die für Menschen oder für rad- und kettengetriebene 

Systeme nur schwer passierbar sind. 

Die mit dem Faulhaber-Uni-Projekt-Award ausgezeichnete 

sechsbeinige Laufmaschine Lauron soll nun Abhilfe 

schaffen. Den Bewegungsmechanismus schauten sich die 

Konstrukteure vom FZI (Forschungszentrum Informatik 

aus Karlsruhe) bei der indischen Stabheuschrecke ab. Wie 

dieses Vorbild besitzt Lauron sechs Beine an einem länglichen 

Zentralkörper, in dem die notwendige Steuerungselektronik 

untergebracht ist. Jedes der sechs 50 cm 

langen Beine hat einen federgedämpften Fuß und wird 

mithilfe von drei Gelenken bewegt. Die Blickrichtung 

des Kopfes wird durch zwei unabhängige Achsen 

(Schwenken und Neigen) verändert, sodass die Bewegungsmaschine 

über 20 Freiheitsgrade verfügt. 

In jedem Fuß befinden sich 3D-Kraftsensoren und Federkraft-Messsysteme, 

die zusammen mit einer Motorstrommessung 

genutzt werden, um Kollisionen und den 

Kontakt mit dem Boden zu erkennen. Bei der Antriebslösung 

für die dreigelenkigen Einzelbeine war hohe Leistung 

bei vergleichsweise geringem Gewicht gefordert. 

Deshalb entschied sich das Projektteam der Gruppe Interaktive 

Planungstechnik des FZI für eine Motor-/Getriebekombination, 

bestehend aus einem DC-Kleinstmotor-Serie 

2657 … IE2 mit Planetengetriebe Serie 26/1 von Faulhaber. 

Um die bewegte Masse zu reduzieren, platzierte man 

die Antriebe möglichst nah am Körper. Getriebe und 

Seilzüge übertragen die Kraft der 20 graphitkommutierten 

DC-Antriebe von dort aus auf die Gelenke. Das erreichbare 

Nenndrehmoment liegt bei etwa 20 Nm (kurzzeitig 

40 Nm). Die Gelenkwinkel der Beine werden durch 

hochpräzise, optische Encoder erfasst. Jeder Motor verfügt 

über einen hochauflösenden Encoder, der zusätzliche 

Informationen über die Gelenkwinkel liefert. 

Dr. Fritz Faulhaber GmbH & Co. KG, 

Daimlerstr. 23/25, D-71101 Schönaich, 

Tel. +49 (0) 7031 63 80, Internet: www.faulhaber.com 

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Optische 3D-Messsysteme ebnen den Weg zum 

Null-Fehler-Konzept im Produktionsprozess 

Zu den Forderungen der GMA-Roadmap „Fertigungsmesstechnik 

2020“ (siehe Seite 12-13) hielt die Fraunhofer-Allianz 

Vision in Stuttgart Antworten bereit: Sie 

präsentierte Entwicklungen auf dem Gebiet der prozessintegrierten 

optischen Mess- und Prüfsysteme anlässlich 

der internationalen Leitmesse Control. 

Wie die Roadmap betont, ist Qualitätssicherung zum 

unverzichtbaren Bestandteil des Produktionsprozesses 

geworden. Null-Fehler-Konzepte streben die frühzeitige 

und vollständige Kontrolle aller qualitätsrelevanten 

Schritte an. Den Anspruch erfüllt der Einsatz industrieller 

Bildverarbeitung und berührungsloser Mess- und 

Prüftechnik. Auf dem Gemeinschaftsstand der Fraunhofer-Allianz 

Vision zeigten die Experten des Fraunhofer-Instituts 

für Fabrikbetrieb und Automatisierung 

optische 3D-Messsysteme zur geometrischen Qualitätsprüfung 

in der industriellen Fertigung. Ihre Grundlage 

ist die Mess- und Prüftechnologie „OptoInspect 3D“. 

Sie erlaubt die Erkennung von Qualitätsabweichungen 

bei der Entstehung und ermöglicht die rechtzeitige Reaktion 

auf Veränderungen innerhalb der Produktion. Zusätzlich 

präsentierte die Vision-Allianz Entwicklungen zur 

Inspektion von Oberflächen. Die Verfahren ermöglichen 

eine schnelle Bewertung der Oberflächeneigenschaften 

und helfen dabei, Veränderungen der Oberfläche und 

Oberflächenfehler zu erkennen. 

Das Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik 

entwickelte ein Messsystem, mit dem sich im Drahtziehprozess 

Oberflächenfehler wie Kratzer oder Riefen 

erkennen und analysieren lassen. Defektgrößen von 

unter 100 μm nimmt das System wahr. Voraussetzung 

für die Regelung in Echtzeit ist die extrem schnelle Bild- 

aufnahme mit Belichtungszeiten von 10 μs bei Drahtgeschwindigkeiten 

von bis zu 50 m/s. Die Inline-Inspektion 

von Draht ist ein Beispiel für den Einsatz einer 

Kameraarchitektur, basierend auf optischen zellularen 

neuronalen Netzwerken. Die eingesetzte Technologie 

bietet sich dort an, wo hochdynamische Prozesse per 

Bildverarbeitung in Echtzeit analysiert und geregelt werden 

müssen. Einen dritten Forschungsschwerpunkt bilden 

Thermographie, Ultraschall, Röntgen und Shearographie. 

So werden unter der Oberfläche liegende Fehler 

wie Mikro risse identifiziert. 

Fraunhofer-Allianz Vision, 

Am Wolfsmantel 33, D-91058 Erlangen, 

Tel. +49 (0) 9131 776 58 00, Internet: www.vision.fraunhofer.de 

Das Prüfsystem 

zur automatisierten 

3D-Geometriemessung 

von 

Eisenbahnradsätzen 

ermöglicht 

die fehlerfreie 

Qualitäts prüfung 

im Produktionsprozess. 

Bild: Berndt Liebl/ 

Fraunhofer IFF 

Hochstapler: Hersteller, Produzenten und Anwender 

forschen an Einbett-Technologien für Module 

Hochstapeln ausdrücklich erwünscht! Das Forschungsprojekt 

Manos befasst sich mit der Einbett-Technologie, 

die mittels Oberflächenbeschichtungen auf Nanopartikelbasis 

und Klebeverfahren optimiert werden soll. 

Manos steht für das vom Bundesministerium für Bildung 

und Forschung (BMBF) geförderte Forschungsprojekt 

„Modularer Aufbau von Systemen mit nanomodifizierten 

Oberflächen für Automobil- und Industrie-Sensorik“. Acht 

Firmen engagieren sich innerhalb von drei Jahren in dem 

Projekt. Mithilfe von nanostrukturierten und nanomodifizierten 

Oberflächenbeschichtungen werden Verbindungstechniken 

auf Leiterplattenbasis geschaffen und 

Wege für das Stapeln modularer Systemkonzepte eröffnet. 

Ziel ist es, neue Techniken zu entwickeln, sie serientauglich 

zu machen und unter Berücksichtigung der Fertigungskosten 

zu optimieren. 

Die Firma Kerona entwickelt nanomodifizierte Oberflächenschutzschichten, 

die unterschiedliche Modifikationen 

aufweisen. Diese dienen dem Einsatz an optischen 

Sensoren sowie Temperatur- und Ortssensoren. 

Die Entwicklung unterschiedlicher Klebstoffe übernimmt 

Delo Industrie-Klebstoffe. Die Klebstoffe benötigt 

man für das Self-Assembly der Chips in die Leiterplatte 

und für das Stacking der Sensormodule. Die 

Klebstoffe sollen die elektrische oder thermische Leitfähigkeit 

übernehmen. Mit Embedding-Technologien 

bringt sich Würth Elektronik ein. 

Roodmicrotec ist für die Prozessbewertung über Kurzqualifikationen 

und die Zuverlässigkeitsuntersuchungen 

der Sensorsysteme zuständig. Dabei kommt es auf die 

Standardisierung von Qualifikationskonzepten an. Continental 

und Sick setzen die Systeme in unterschiedlichen 

Anwendungen ein. Continental baut Multisensorsysteme 

für automobile Getriebesteuerungen. Beide Hersteller sind 

auf die Standardisierung der Schnittstellen unter dem 

Aspekt der Wirtschaftlichkeit fokussiert. Unterstützung 

erhalten alle Projektpartner vom Fraunhofer IZM. 

Würth Elektronik GmbH & Co. KG, 

Salzstraße 21, D-74676 Niedernhall, 

Tel. +49 (0) 79 40 94 60, 

Internet: www.we-online.de 


6 / 2011 

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Ein einfaches 

Programm 

zur Berechnung 

der Lebenszykluskosten 

bietet der ZVEI 

zum kostenlosen 

Download 

an. Bild: ZVEI 

10 

verband 

Wenn die Amortisationsrechnung versagt – 

ZVEI-Tool zur Berechnung der Lebenszykluskosten 

Der ZVEI will Unternehmen beim Sparen helfen und 

hat dafür ein neues Software-Tool zur Berechnung 

der Lebenszykluskosten von Komponenten oder Anlagen 

vorgestellt. Das Potenzial: Laut ZVEI-Berechnungen können 

in Anlagen der deutschen Industrie und im kommunalen 

Bereich 10 bis 25 Prozent Energieeinsparung allein 

durch anforderungsgerechte Automatisierungstechnologie 

erreicht werden. Somit könnten in Deutschland 

jährlich bis zu 88 Mrd. Kilowattstunden an Energie- 

Äquivalenten, entsprechend sieben Mrd. Euro Energiekosten, 

eingespart werden. 

Mit dem von ZVEI und Deloitte entwickelten generischen 

Berechnungsmodell ‚Lifecycle Cost Evaluation‘ 

Interbus-Club integriert seine Technologie in die 

Profibus-Nutzerorganisation und löst sich auf 

Der Interbus-Club Deutschland und die Profibus-Nutzerorganisation 

(PNO) werden die Interbus-Technologie 

in die PNO integrieren. Bei den Anwendern ist ein starker 

Wandel von den Feldbustechnologien in Richtung Ethernet 

zu erkennen. Der Interbus-Club hatte sich daher frühzeitig 

entschieden, auf Profinet als zukünftigen Ethernetbasierten 

Standard zu setzen und in den entsprechenden 

Arbeitskreisen der PNO ein Integrationskonzept erstellt. 

Da die Interbus-Technologie als ausgereift betrachtet wird, 

haben die Mitglieder des Interbus-Clubs beschlossen, die 

Technologie an die PNO zu übertragen und den Verein 

nach Erreichung seines Vereinszwecks aufzulösen. 

Stefan Körte, bislang 1. Vorsitzender des Interbus Clubs 

betont: „Durch die einfache und wirtschaftliche Einbindung 

in Profinet ist sichergestellt, dass die Investitionen 

der Anwender in die Interbus-Technologie geschützt 

werden.“ Jörg Freitag, Vorstandsvorsitzender der PNO, 


6 / 2011 

(LCE) können Barwert und Annuität einer Investition errechnet 

werden. So lässt sich auf einfache Weise nachweisen, 

wie sich der Einsatz von energieeffizienten Geräten 

und Lösungen betriebswirtschaftlich rechnet. Das Tool ist 

downloadbar unter www.zvei.org/Lebenszykluskosten. 

Das Konzept ist aufgrund seines generischen Aufbaus 

für unterschiedlichste Anwendungsfälle und Industrien 

geeignet und erlaubt eine sehr detaillierte Bewertung. 

So sind zum Beispiel in der verfahrenstechnischen Industrie 

neben der unmittelbaren Kalkulation einzelner 

Komponenten – wie drehzahlgeregelter Pumpen, energieeffizienter 

Motoren oder hochwertiger Messinstrumente 

zur Prozessoptimierung – die Auswirkungen auf 

eine ganze Anlage berechenbar. Dadurch wird die Bedeutung 

von Einzelinvestitionen im Gesamtzusammenhang 

transparent gemacht. 

Helfen kann das Tool auch bei Aufträgen im öffentlichen 

Bereich. Denn weil bei Investitionsentscheidungen die reine 

Betrachtung von Anschaffungskosten oder die Amortisationsrechnung 

oft unzureichend sind, spricht unter anderem 

die öffentliche Vergabeverordnung davon, Lebenszykluskosten 

und Energieeffizienz als Auswahlkriterium 

zu berücksichtigen. Dies findet in der Praxis oft nicht statt, 

weil bislang keine praktikablen Berechnungsmöglichkeiten 

vorhanden waren. Das LCE-Tool löst dieses Problem. 

Als Berechnungsbeispiel präsentiert der ZVEI eine Investition 

an der Kläranlage Böblingen-Sindelfingen, bei 

der eine Umrüstung an den Pumpen erfolgte. Der einmaligen 

Investitionssumme von 25 000 Euro steht über einen 

Lebenszeitraum von 24 Jahren eine Energiekosteneinsparung 

von 200 000 Euro gegenüber. 

ZVEI – ZENTRALVERBAND ELEKTROTECHNIK- UND 

ELEKTRONIKINDUSTRIE E.V., 

Lyoner Straße 9, D-60528 Frankfurt am Main, 

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

ergänzt: „Die PNO hat in den vergangenen Jahren Profinet 

mit heute mehr als drei Millionen installierten Geräten 

als Marktführer unter den Ethernet-basierten Systemen 

etabliert. Durch die bereits erfolgte Migration von 

Interbus in Profinet liegt es nahe, die Technologie in die 

PNO zu integrieren.“ 

Der Interbus-Club hat seit seiner Gründung vor mehr 

als 20 Jahren unter aktiver Mitwirkung seiner Mitglieder 

die Weiterentwicklung des Interbus-Systems gefördert 

und dieses als ausgereifte Technologie erfolgreich am 

Markt etabliert. Interbus ist in der IEC 61158 und IEC 

61784 standardisiert und heute weltweit in zahlreichen 

Applikationen im Einsatz. 

PROFIBUS-NUTZERORGANISATION, 

Haid-und-Neu-Straße 7, D-76131 Karlsruhe, 

Tel. +49 (0) 721 965 85 90, Internet: www.profibus.com

VDE fordert neues Energieversorgungssystem 

mit automatisierten Verteilungsnetzen 

Branche 

Von den Smart Grids, die für Elektromobilität und erneuerbare 

Energien erforderlich sind, werden große 

Impulse für die elektrische Automatisierungstechnik 

erwartet. Der VDE fordert nun ein Smart System, das 

weit über den Smart-Grids-Ansatz hinaus geht. Das VDE- 

Konzept beinhaltet auch die Neudefinition von Verantwortlichkeiten, 

Marktregeln, Geschäftsmodellen, Tarifstrukturen 

und Anreizsystemen. 

Diese Forderung resultiert aus zwei Studien, in denen 

der Verband das Energiekonzept der Bundesregierung 

auf den Prüfstand stellte. Die Schlussfolgerung des VDE: 

„Um den für die nächsten Jahre geplanten deutlichen 

Ausbau erneuerbarer Energien zu ermöglichen, müssen 

bis zum Jahr 2020 alle Teile des Systems aus Erzeugung, 

Übertragung, Verteilung und Nutzung elektrischer Energie 

grundlegend weiter entwickelt werden, ansonsten 

wird es eng mit der Energiewende.“ 

Nötig sei ein komplett neues, integriertes Gesamtsystem 

– das Smart System –, um die horizontale und vertikale 

Systemintegration voranzutreiben. Damit solle der 

künftige europäische Verbundbetrieb ausgeweitet und 

ein effizientes Lastmanagement über die Hierarchieebenen 

Erzeugung, Übertragung und Verteilung hinweg 

ermöglicht werden. Besonders dringlich sei der massive 

Ausbau der Übertragungsnetze. 

Hier empfiehlt der VDE, zügig ein leistungsstarkes, 

europaweites Overlay-Netz zur Übertragung elektrischer 

Energie über weite Strecken zu etablieren. Um die 

Energiewende realisieren zu können, müssten über den 

Netzausbau hinaus das integrierte Gesamtsystem optimiert, 

die Verteilungsnetze automatisiert und auf allen 

Systemebenen Speichertechnologien zur Verfügung 

gestellt werden. 

VDE VERBAND DER ELEKTROTECHNIK 

ELEKTRONIK INFORMATIONSTECHNIK E.V., 

Stresemannallee 15, D-60596 Frankfurt am Main, 

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

Deutsche Automatisierer 

gewinnen Marktanteile 

Die deutsche Automatisierungsbranche steht nach der 

Krise vermutlich besser da als zuvor. Dr. Gunther Kegel, 

Vorsitzender des Fachverbands Automation im ZVEI 

zeigt sich überzeugt: „Wir haben im Aufschwung deutliche 

Marktanteile hinzugewonnen, vor allem gegenüber westlichen 

Konkurrenten.“ Allerdings sieht er auch neue Herausforderungen 

auf die Unternehmen zukommen. So werde 

die Volatilität des Geschäfts zunehmen, es werde „häufigere 

und kräftigere Ausschläge geben als bislang – darauf 

müssen wir uns einstellen“, betont er gegenüber atp edition. 

Wie stark die Schwankungen sein können, habe die 

jüngste Krise gezeigt. So sei die Produktion im Mai 2009 

im Vergleich zum Vorjahresmonat um 50 Prozent eingebrochen. 

Ein Jahr später sei sie wieder höher als vor der 

Krise gewesen, was im Vergleich zum Mai 2009 mehr als 

eine Verdopplung bedeutet habe. 

Aktuell wird das Wachstum der Elektroindustrie vor 

allem vom Export getragen. Im ersten Quartal legten die 

Auslandsbestellungen um 20, jene aus dem Inland um 

zwölf Prozent zu. Allerdings zeigen sich Hinweise auf eine 

Normalisierung des Wachstums. So nahmen die Auftragseingänge 

im März – arbeitstäglich und saisonbereinigt 

– um vier Prozent ab; die Inlandsorders gingen um vier 

Prozent zurück, jene aus dem Ausland legten noch um 

ein Prozent zu. Im Vergleich zum Vormonat stagnierte 

laut ZVEI der Umsatz im März, die Produktion sank um 

zwei Prozent. 

ZVEI – ZENTRALVERBAND ELEKTROTECHNIK- UND 

ELEKTRONIKINDUSTRIE E.V., 

Lyoner Straße 9, 

D-60528 Frankfurt am Main, 

Tel. +49 (0) 69 630 20, 

Internet: www.zvei.org 

Roboter: mit optimierter 

Steuerung Energie sparen 

Erhebliche Potenziale zur Energieeinsparung 

bei Robotern sieht der 

VDMA Robotik und Automation. Dessen 

Vorsitzender Dr. Michael Wenzel 

erläutert: „Neben besonders effizienter 

Antriebstechnik und Leichtbau 

von schnell bewegten Teilen, wie zum 

Beispiel Roboterarmen und Roboterwerkzeugen, 

bietet insbesondere die 

Steuerungstechnik ein großes Einsparpotenzial. 

Waren bei den Robotern 

Standby-Modi für Arbeitspausen Effiziente Antriebstechnik, 

bislang nicht vorgesehen, erlauben Leichtbau und optimierte 

neue Automatisierungskonzepte diese 

nun und führen zu einer beträcht- 

große Energieeinsparungen beim 

Steuerungstechnik erlauben 

lichen Energieeinsparung.“ 

Robotereinsatz. Bild: Reis/VDMA 

Als positiver Nebeneffekt steige 

die durchschnittliche Lebensdauer bestimmter Komponenten, 

was zusätzlich Kosten senke. Hinzu kommen Strategien 

zur energieeffizienten Roboterprogrammierung, die 

Vermeidung unnötig hoher Beschleunigungen, die Rückführung 

von Bremsenergie und die Simulation des Energiebedarfs. 

Energieverbrauch wird auf diese Weise systematisch 

an vielen Stellen erfasst und im komplexen Zusammenspiel 

einer größeren Anlage ganzheitlich minimiert. 

Robotik und Automation trügen aber auch zum 

Energiesparen bei, indem sie optimierte Produktionsprozesse 

zur wirtschaftlichen Fertigung „grüner“ Technologien 

zur Verfügung stellten. 

VERBAND DEUTSCHER MASCHINEN- 

UND ANLAGENBAU E.V. 

Lyoner Straße 18, D-60528 Frankfurt/Main, 

Tel. +49 (0) 69 660 30, Internet: www.vdma.org 


6 / 2011 

11

anche 

Die Fertigungsmesstechnik der Zukunft: 

schneller, sicherer, genauer, flexibler 

GMA-Roadmap stellt Trends und Forderungen für die industrielle Produktion vor 

Als Ende der 90er Jahre des letzten Jahrhunderts intensiv 

über das Drei-Liter-Auto diskutiert wurde, war auch die 

Messtechnik beteiligt. Erst durch Fortschritte, wie die Scanningtechnolgie 

auf Koordinatenmessgeräten und den produktionsnahen 

Einsatz von Messtechnik war es möglich, 

Informationen zu gewinnen, um Produktionsprozesse in 

engen Grenzen zu regeln. Damit werden Serienbauteile produziert, 

die kleine Toleranzen einhalten und wesentlich 

zur Reduzierung von Reibung in Motoren und Antriebskomponenten 

beitragen. 

Das Thema der Ressourceneffizienz spielt heute in der 

Produktion eine wichtige Rolle. Neue Verfahren in der Fertigung 

tragen zur Verbesserung der Ressourceneffizienz bei. 

Um sie zu beherrschen, ist der Einsatz von Messtechnik 

erforderlich, da nur Messtechnik Informationen zur Bewertung 

der Leistungsfähigkeit liefern kann. Die daraus resultierenden 

Trends und Forderungen hat die Roadmap Fertigungsmesstechnik 

2020 der GMA ermittelt. 

Produktionstechnik vor Herausforderungen 

Kundenforderungen nach individuell gestalteten Produkten 

und schwankender Nachfrage begegnet die Produktion 

durch durch größere Flexibilität. Das führt zur 

erheblichen Verringerung der Losgrößen, die oft nur 

durch verstärkten Einsatz von Messtechnik zu beherrschen 

ist. Man kann sich lange dauernde Produktionsanläufe 

und Vorserien kaum mehr leisten. Gleichzeitig 

verlangen mehr Branchen die lückenlose Dokumentation 

der Konformitätsbewertung aller gefertigten Produkte, 

die ebenfalls nur durch den verstärkten Einsatz von 

Messtechnik zu realisieren ist. 

Die Aufgabe der Fertigungsmesstechnik ist es, valide Informationen 

über das Produkt zur Absicherung der Prozessund 

Produktqualität zu liefern. Vor dem Hintergrund der 

Herausforderungen wird dazu in der Produktion in Zukunft 

mehr gemessen. Der Einsatz von mehr Messtechnik muss 

sich aber wirtschaftlich rechtfertigen lassen. Die Messtechnik 

muss leistungsfähiger werden. Diese Steigerung der 

Leistungsfähigkeit lässt sich zusammenfassend mit vier 

Begriffen beschreiben: 

Schneller 

Sicherer 

Genauer 

Flexibler 

Schneller 

Mit Schnelligkeit ist einerseits die Entwicklung und Anwendung 

messtechnischer Verfahren gemeint, mit denen 

in kürzerer Zeit Informationen über die Produktqualität 

gewonnen werden. Dabei kommt es weniger darauf an, 

Verfahren neu zu entwickeln. Vielmehr werden bekannte 

Messprinzipien zur Nutzung in der Produktion adaptiert. 

Dabei spielen optische Verfahren eine bedeutende 

Rolle. Andererseits gewinnt die Integration an Bedeutung 

bei der Beschleunigung von Messtechnik. Transportzeiten 

zu den Messeinrichtungen können verringert werden 

oder ganz entfallen. Weiterhin stehen die Informationen 

Trends in der Produktionstechnik 

Ressourcen- 

Flexibilität 

effizienz 

Erhöhung der 

Integration 

Zunehmende Vielfalt 

an Messverfahren 

Verringerung der 

Messzeit 

Transparenz 

Herausforderungen und Trends der Fertigungsmesstechnik 

Automatisierte 

Datenverarbeitung 

Verringerung von Messabweichungen/Messunsicherheit 

Steigende Nachweispflicht der Messunsicherheit 

Steigerung der 

Informationsdichte 

Neue Prozesse 

Schneller 

Genauer 

Sicherer 

Flexibler 

Trends und Herausforderungen der Fertigungsmesstechnik 

aus der Messtechnik unmittelbar in der Produktion, beispielsweise 

zur Realisierung von Regelkreisen, zur Verfügung. 

Durch die automatisierte Übertragung von Daten 

wird die Regelung besonders effizient realisiert: 

Beschleunigte Produktionstakte erfordern schnellere 

Messverfahren mit deutlich erhöhtem Dynamikumfang. 

Es erfolgt eine erhöhte Absicherung von einzelnen Prozessschritten 

durch dezentrale Messtechnik, die fertigungsnah 

oder -integriert eingesetzt wird. Dies führt zu 

einer Steigerung des wirtschaftlichen Nutzens der Fertigungsmesstechnik. 

Messdaten werden vermehrt in den Produktionsprozess 

zur Steuerung und Regelung zurückfließen. Damit wird 

die Fertigungsmesstechnik integraler Bestandteil des 

Produktionsprozesses. 

Die vermehrte Integration von Messsystemen in die Fertigung 

ermöglicht die 100%-Prüfung der Produkte. 

Die automatisierte Messdatenverarbeitung gewinnt vor 

dem Hintergrund der zunehmenden Informationsdichte 

an Bedeutung. 

Sicherer 

Der Nachweis der Messunsicherheit und ihre Berücksichtigung 

bei der Konformitätsbewertung werden zunehmend 

wichtiger. Die standardisierten Vorgehensweisen 

zur Bestimmung der Messunsicherheit etablieren sich 

weiter. Diese werden je nach Anwendung in unterschiedlicher 

Detaillierung angewendet. Bei der Kalibrierung von 

Normalen wird mehr Aufwand bei der Unsicherheitsbestimmung 

zu rechtfertigen sein als bei der Prüfung einfacher 

Produktmerkmale. Für die Produktion etablieren 

sich vereinfachte Vorgehensweisen. Gerade bei sicherheitsrelevanten 

Produkten, beispielsweise in der Luft- 

12 


6 / 2011

fahrtindustrie und der Medizintechnik, wird ein Nachweis 

über die Messunsicherheitsbestimmung und ihre 

Berücksichtigung bei der Prüfentscheidung zum Standard 

und die Produktsicherheit verbessern: 

Verbesserte Rechnerunterstützung und Methoden der 

Simulation (virtuelles Messgerät) vereinfachen die Ermittlung 

der Messunsicherheit. 

Stabile Prozesse und damit der Eignungsnachweis sowohl 

für den Fertigungs- als auch für den Messprozess 

gewinnen an Bedeutung. 

Überwachung der Produktion mittels sicherer Fertigungsmesstechnik 

minimiert das Risiko von Stillstandzeiten 

und trägt zur Ressourceneffizienz sowie zur 

Wettbewerbsfähigkeit bei. 

Genauer 

Durch höhere Qualitätsanforderungen steigen die Anforderungen 

an die Genauigkeit der Messtechnik. Eine besondere 

Rolle spielt die Steigerung der Ressourceneffizienz: 

Bauteile entwickeln sich dimensionell in zwei Richtungen: 

sehr kleine Bauteile und Strukturen einerseits, 

sowie sehr große Bauteile andererseits. Diese Spannbreite 

erfordert hochflexible sowie dynamische Messsysteme, 

um deren Merkmale genau zu erfassen. 

Optische Scanningverfahren und tomographische 

Messverfahren erhöhen deutlich die Messpunktdichte. 

Somit eröffnen sich neue ganzheitliche Auswertemöglichkeiten 

wie ein direkter Abgleich mit 3D-CAD-Daten, 

womit auch die Genauigkeit gesteigert wird. 

Der vermehrte Einsatz von Fertigungsmesstechnik verbessert 

das Verständnis von Fertigungsprozessen und 

damit erfolgt eine Steigerung der Produktqualität. 

Flexibler 

Die Vielfalt der zur Messung in der Produktion eingesetzten 

Verfahren nimmt rasant zu. Vermehrt werden verschiedene 

Verfahren in Messsystemen kombiniert und 

damit ihre Flexibilität gesteigert: 

Der konsequente Einsatz von Fertigungsmesstechnik 

hat die transparente Produktion zur Folge. Diese begünstigt 

die Anpassungsfähigkeit von Unternehmen 

und ermöglicht damit die Reaktion auf eine flexible, 

vernetzte Gesellschaft. 

Standardisierte Schnittstellen verbessern die Kommunikation 

der Messsysteme untereinander sowie 

die Kommunikation zur Prozesssteuerung und zu 

anderen Bereichen der Produktion. Die Produktion 

wird flexibler. 

Intelligente Sensoren und Multisensorik gepaart mit 

Lernvermögen der Messsysteme ermöglichen flexiblere 

Einsatzszenarien sowie wirtschaftliche Fertigungsmesstechnik. 

Die Bedienung der Messsysteme wird leichter. 

Verbesserte Ausbildungsangebote im industriellen und 

universitären Bereich einschließlich neuer Lerntechnik 

wie E-Learning führen zu besser ausgebildeten Fachkräften. 

Dadurch sind Messsysteme flexibler mit verbesserter 

Sicherheit einsetzbar. 

Neue Konzepte wie mobile, integrierbare Messsysteme 

oder globale Koordinatensysteme wie Indoor-GPS 

(iGPS) machen die Messtechnik flexibel. 

Die Forderung der Wandlungsfähigkeit produzierender 

Unternehmen nimmt zu. Werden flexible Mechanismen 

etabliert um den Produktionsfluss sowie die Prozessqualität 

sicherzustellen, kann die Produktion schneller 

auf Veränderungen reagieren. Grundlage für die Sicherstellung 

der Prozessqualität ist dabei eine angepasst 

flexible Fertigungsmesstechnik. 

Die Fertigungsmesstechnik ist eine Schlüsseltechnologie 

für die prozesssichere und wirtschaftliche Produktion 

und liefert damit einen wesentlichen Beitrag zur Entwicklung 

des Standorts Deutschland. 

Autoren 

Prof. Dr.-Ing. Robert Schmitt ist Leiter des 

Fachbereiches 3 der VDI/VDE-Gesellschaft 

Mess- und Automatisierungstechnik (GMA) 

„Sensoren und Messsysteme für die Fertigungstechnik“. 

Seit September 2004 ist er 

Inhaber des Lehrstuhls für Fertigungsmesstechnik 

und Qualitätsmanagement am 

Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH. 

Außerdem ist er als Direktoriumsmitglied des 

Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie IPT tätig und 

leitet die Abteilung Produktionsqualität und Messtechnik. Seit 

2010 fungiert Schmitt als geschäftsführender Direktor des WZL. 

RWTH Aachen, 

Werkzeugmaschinenlabor, Steinbachstraße 53 B, 

D-52074 Aachen, Tel. +49 (0) 241 802 02 83, 

E-Mail: r.schmitt@wzl.rwth-aachen.de 

Dr.-Ing. Dietrich Imkamp arbeitet seit 2010 

als stellvertretender Leiter des Fachbereiches 

3 der VDI/VDE Gesellschaft Mess- und 

Automatisierungstechnik (GMA) „Sensoren 

und Messsysteme für die Fertigungstechnik“ 

und und ist Mitglied des wissenschaftlichen 

Beirats der GMA. Als Direktor Visual Systems 

und Partnerprodukte ist Imkamp verantwortlich 

für optische Koordinatenmessgeräte bei 

der Carl Zeiss Industriellen Messtechnik in Oberkochen. 

Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH, 

D-73446 Oberkochen, Tel. +49 (0) 7364 20 20 45, 

E-Mail: imkamp@zeiss.de 


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13

anche 

Distanzmessung mit PMD-Sensoren sorgt für 

größere Stabilität in automatischem Prozess 

Automobilzulieferer verhindert so Fehlschaltungen bei der Bearbeitung von Getriebegehäusen 

Kompakt dank 

der Zusammenfassung 

von 

Sensorelement 

und der Elektronik 

zur Signalauswertung 

auf 

einem einzigen 

Siliciumchip: 

die PMD-Abstandssensoren. 

Bild: ifm 

Mithilfe von PMD-Abstandssensoren konnte der Automobilzulieferer 

Grüner Systemtechnik die Bearbeitung 

von Getriebegehäusen zuverlässiger gestalten. Die 

zuvor eingesetzten optischen Standardsensoren verursachten 

oft Fehlschaltungen aufgrund von Verschmutzungen. 

Die efector-pmd-Sensoren von ifm electronic hingegen sind 

vor Verschmutzungen aus dem Bearbeitungsprozess weitgehend 

sicher. Da sie exakte Messungen über große Distanzen 

erlauben, konnte Grüner sie in sicherer Entfernung zu 

Kühlschmiermittel- und Ölspritzern positionieren. 

Zusätzlich zur Fertigung von Motorblöcken, Zylinderblöcken 

und Kupplungsglocken hat sich die Grüner Systemtechnik 

GmbH & Co. KG auf die Bearbeitung von Getriebegehäusen 

für Getriebehersteller spezialisiert. Dabei muss 

das Unternehmen in Bad Überkingen den Kunden aus der 

Automobilindustrie eine konstant hohe Produktqualität 

und eine Just-in-time-Lieferfähigkeit garantieren. 

TONNENSCHWER UND HOCHPRÄZISE 

Um diese Anforderungen zu erfüllen, müssen die Bearbeitungszentren 

für die Bearbeitung der Getriebegehäuse 

absolut zuverlässig und wirtschaftlich arbeiten. Zur Erzielung 

maximaler Produktivität sowie hoher Zuverlässigkeit, 

konstruiert und baut Grüner Systemtechnik Bearbeitungszentren 

selbst. Das Unternehmen auf der Schwäbischen 

Alb greift dabei mittlerweile auf Erfahrungen und 

Know-how von über drei Jahrzehnten zurück. Grüner 

Systemtechnik rüstet die technisch anspruchsvollen Maschinen 

mit Sensorik der ifm electronic gmbh aus. Neben 

der bewährten ifm-Druck- und Strömungssensorik zur 

Überwachung des Kühlschmiermittelkreislaufs und der 

Hydraulikaggregate, setzt der Gehäusehersteller auch ifm- 

Abstandssensoren mit innovativer PMD-Technologie ein. 

Bei der Betrachtung der Bearbeitungszentren wird 

recht schnell deutlich, welch technischer Aufwand und 

welches Know-how erforderlich sind: Mit Abmessungen 

von etwa 8 x 4 x 3 m und einem Gewicht von 22 t erzeugen 

die Bearbeitungszentren hochpräzise Öffnungen, Bohrungen 

sowie Gewinde an vorgegebenen Positionen im 

µm-Bereich. Dabei ist die Bearbeitungszeit eines Getriebes 

so gering wie möglich zu halten, da es sich um Massenprodukte 

handelt. 

Die Getriebegehäuse werden zunächst mit Hilfe von 

Warenträgern über Förderbänder vor den Bearbeitungszentren 

positioniert. Eine Zuführvorrichtung nimmt die 

Gehäuse auf und befördert sie ins Innere der Maschine, 

um sie dort spanabhebend zu bearbeiten. An vorgegebenen 

Positionen werden Bohrungen, Öffnungen und Gewinde 

gesetzt beziehungsweise geschnitten. Zu diesem 

Zweck befinden sich in den Bearbeitungszentren Arbeitsspindeln, 

welche die erforderlichen Werkzeuge automatisch 

aufnehmen. Die Maschinen sind derart konstruiert, 

dass sie eine Vielzahl von Bohrungen und Gewinden 

zeitgleich erzeugen können. Somit lässt sich die Bearbeitungszeit 

eines Getriebegehäuses erheblich verkürzen 

und die Wirtschaftlichkeit der Maschine erhöhen. 

EXAKTE POSITIONSÜBERWACHUNG UNERLÄSSLICH 

Für einen sicheren Ablauf des Produktionsprozesses ist 

die Positionsüberwachung der Getriebegehäuse unerlässlich. 

Die ifm-Abstandssensoren detektieren, ob sich ein 

Warenträger an der Übergabestation befindet und ob dieser 

ein Getriebegehäuse trägt oder frei ist. Es würden erhebliche 

Schäden an der Maschine beziehungsweise der 

Zuführeinheit und damit auch Ausfallzeiten entstehen, 

wenn ein Getriebegehäuse aus dem Bearbeitungszentrum 

auf eine bereits belegte Übergabestation befördert würde 

oder gar kein Warenträger bereit stünde. 

Früher realisierte Grüner Systemtechnik die Überwachung 

mit optischen Standardsensoren. Nachteil: Die 

14 


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Sensoren mussten relativ nah am Förderband angebracht 

werden. Folge: Spritzendes Kühlschmiermittel und Öl 

gelangten häufig auf die Optiken der Sensoren, was Fehlschaltungen 

verursachte. Dazu kam, dass man bedingt 

durch die geforderte Genauigkeit der Positionsabfrage 

und der großen Reichweiten, auf die Verwendung von 

Einweglichtschranken angewiesen war. Bei den großen 

Reichweiten war die Justage von Sender und Empfänger 

zueinander besonders zeitraubend. 

IN SICHERER ENTFERNUNG VOM FÖRDERBAND 

Grüner Systemtechnik entschied sich, den efector pmd 

der ifm electronic einzusetzen. Dabei handelt es sich 

um einen optischen Abstandssensor. Seine Besonderheit: 

Im Bereich von 0,2 bis 10 m lassen sich Abstände 

millimetergenau erfassen. Mit diesem Leistungsmerkmal 

ist es nun möglich, die Sensoren in sicherer Entfernung 

vom Förderband zu betreiben. Geschützt vor 

spritzendem Öl und Kühlschmiermittel können sie ihre 

Aufgabe optimal erfüllen. Hinzu kommt, dass sich die 

Abstände auch dann sicher erfassen lassen, wenn der 

Lichtstrahl nicht senkrecht auf die Objektoberfläche 

auftrifft. Bei nicht glänzenden Oberflächen, wie sie die 

Getriebegehäuse aufweisen, darf der Einfallwinkel des 

Lichtstrahls bis zu 45° betragen. Der Kundennutzen ist 

klar: Im Vergleich zu optischen Standardsensoren ist 

man bei der Wahl der Montageorte der Sensoren besonders 

flexibel. 

MILLIMETERGENAU BEI HOHEN REICHWEITEN 

Der Abstandssensor efector pmd dient zur millimetergenauen 

Abstandsmessung bei hohen Reichweiten. 

Konventionelle Sensoren, die ebenfalls das Lichtlaufzeitverfahren 

verwenden, benutzen als Empfangseinheit 

eine Fotodiode. Eine zusätzliche Elektronik dient 

zur Signalerfassung und -verarbeitung. Nachteil: Dieses 

Sensordesign ist aufwendig, groß dimensioniert 

und daher oftmals nicht für industrielle Positionsabfragen 

einsetzbar und teuer. 

Im Vergleich dazu ist das Empfangselement des PMD- 

Sensors ein System-on-Chip-Design: Sowohl Sensorelement 

als auch die Elektronik zur Signalauswertung sind 

in einem einzigen Siliciumchip, dem sogenannten Photonenmischdetektor 

(PMD), integriert. Vorteil: Dieses 

innovative Design ermöglicht eine hohe Performance in 

einem kompakten, industrietauglichen Gehäuse und das 

zu einem Bruchteil des Preises herkömmlicher Systeme. 

Die gemessene Entfernung wird auf dem 4-stelligen Display 

angezeigt und lässt sich als skalierbares Analogsignal 

ausgeben. Der Anwender kann zwei Schaltausgänge parametrieren, 

die beim Erreichen einer bestimmten Distanz 

oder eines bestimmten Abstandsbereichs schalten. Bis zu 

50 Messungen pro Sekunde sind möglich. Der Lichtfleckdurchmesser 

beträgt 6 mm bei 10 m Abstand. Der Sensor 

eignet sich auch für Applikationen, bei denen es auf exakte 

Hintergrundausblendung ankommt. 

Dank der innovativen Abstandsensoren efector pmd 

der ifm electronic erfolgt die Positionsabfrage der Getrie- 

begehäuse bei Grüner Systemtechnik besonders einfach 

und robust. Zur Wirtschaftlichkeit trägt auch ein Preis 

bei, der in der Klasse der optischen Abstandsmessung 

neue Maßstäbe setzt. 

Autor 

Dipl.-Ing. Patric Kister 

ist Produktmanager Optische 

Sensoren bei der 

ifm electronic GmbH. 

ifm electronic GmbH, 

Friedrichstr. 1, 

D-45128 Essen, 

Tel. +49 (0) 201 24 22 15 14, 

E-Mail: patric.kister@ifm.com 

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praxis 

Italienisches Walzwerk formt Stahl 

mithilfe von schwedischen Drehgebern 

Praxislösung fordert unterschiedliche Geräteeigenschaften in der Anlage 

Erdbebenfester Stahl ist das Geschäft von Pittini, einem 

italienischen Eisenhütten-Unternehmen. Bei 

Ferriere Nord, dem Geschäftsbereich Walzwerk, werden 

die Drehgeber von Leine & Linde seit Jahren erfolgreich 

eingesetzt. Begonnen im Wärmeofen, durchläuft der rohe 

Stahl verschiedene Stationen im Walzwerk. Spezielle 

Drehgeber kommen gemäß den abschnittsspezifischen 

Anforderungen dabei an fast jeder entscheidenden Stelle 

zum Einsatz. 

Genauigkeit gelingt durch Drehgeber 

Der Stahl wird in dem vor drei Jahren in Betrieb genommenen, 

mit Erdgas beheizten Wärmeofen erhitzt, bis er 

weiß glüht. Der Durchsatz der Heizmaschine beträgt 

150 t/h bei kalter Beschickung und 200 t/h bei heißer 

Beschickung. Multiturn-Absolutdrehgeber mit überstehender 

Welle vom Typ RSA 608 (Bild 1) sind an der 

Zuführungs- und Beschickungsanlage des Ofens angebracht, 

um die Genauigkeit der Zubringungen zur 

Maschine sicherzustellen. Bei der Wechselstrom-Motorisierung 

in der Ofen-Zuführung sind inkrementale 

Hohlwellen-Drehgeber der Serie RSI 503 (Bild 3) im 

Einsatz, um eine Rückführung der Motordrehzahl 

zu gewährleisten. 

Für die Beschickung des Ofens bevorzugt der Anwender 

den Einsatz einer Seilzug-Abwickelungseinrichtung 

mit Drehgeber. Diese Technik kommt insbesondere bei 

der Automatisierung des Beschickungstisches und des 

Knüppel-Wahlschalters zum Einsatz. 

Zur Vermeidung von Winkelpositionsmessungen werden 

die Mechanismen mit Seilzug bei dieser Anwendung 

eingesetzt. Sie ermöglichen eine höhere Genauigkeit. 

Die lineare Bewegung des Seilzugs folgt direkt der 

Achsbewegung und vermeidet somit Fehler. Zudem 

erlaubt sie Einsparungen von Material und mechanischem 

Projektierungsaufwand. Eine präzise Montage 

ist notwendig, da der Seilzug ohne Winkelbildung abrollen 

muss. 

Auf Anwendungen in der rauen Umgebung der Eisenmetallurgie 

hat Leine & Linde seine Drehgeber samt Zubehör 

(Kupplungen, elektronische Geräte und Seilzug-Abwickelmechanismen) 

bereits seit längerem spezialisiert. Der 

schwedische Hersteller unterstützte die Konstrukteure der 

Pittini-Walzanlage in langen Projektphasen mit seinem 

Know-how. Über die Jahre entwickelte Leine & Linde gemeinsam 

mit den Italienischen Anwendern eine werksorienterte 

Lösung. Jeder Anlagenteil hat nämlich seine eigenen 

Problematiken und benötigt eine gezielte Geräte-Auswahl 

für seine optimale Funktionalität. 

Motorisierte Vorwalzgerüste 

Nachdem der weiß glühende Knüppel den Ofen verlassen 

hat, beginnt sein Weg auf einem Rollenförderer zum Vorwalzen. 

Dazu gelangt er in einen der zwei parallelen 

Transportkanäle die zu den vier größeren Vorwalzgerüsten 

der Anlage führen. Diese Gerüste bestehen aus zwei 

Zylindern, durch die man den heißen Stahl passieren 

lässt. Er reduziert sich beim Durchlauf und nimmt die 

gewünschte Form an. Dabei spielt das „Zylinderlicht“ (der 

Raum zwischen einem Zylinder und dem anderen, durch 

den das Metall gezwungen wird) eine tragende Rolle. Es 

wird immer kleiner, damit der Stahl letztendlich seine 

genaue Passform erreicht. Für die Berechnung dieses 

„Zylinderlichts“ in den Gerüsten und zur Festlegung der 

Knüppel-Abmessungen, die man mit dem Walzen dieses 

Gerüsts erreichen möchte, werden wieder die bereits 

erwähnten Absolut-Drehgeber mit Hohlwelle vom 

Typ RSA 608 (Bild 1) verwendet. 

Die Gerüste selbst sind Gleichstrom-motorisiert mit 

Rückführung durch Drehgeber des Typs RSI 503-52CLS 

(Bild 3). Es handelt sich um robuste Drehgeber, die sich 

zum Arbeiten mit Gleichstrom-Motorisierungen mit großen 

Abmessungen eignen. Der technische Ausgang ist 

strombegrenzt, um mit bestimmten DC-DC-Umrichtern 

besser kommunizieren zu können. 

Anbindung über Profibus DP 

Die Anbindung erfolgt über Profibus DP, indem man herkömmliche 

serielle Drehgeber mit EnDat-Schnittstelle in 

abgesetzter Kombination mit einem Profibus-Gateway 

einbaut, das der Anwendung gewidmet ist. Auf diese Art 

kann Ferriere Nord auch bei dem Gerüste-Teil mit Profibus 

arbeiten. Ohne den gewidmeten Drehgeber RHA 608 hätte 

diese Anwendung mit einer seriellen Punkt-zu-Punkt 

Verbindung entwickelt werden müssen, zulasten der Vorteile 

der zentralisierten Steuerung und Diagnose. 

Schopfscheren fordern robuste Sensoren 

Der Stahl durchfährt nun die mittelgroßen und schließlich 

die Feinbearbeitungs-Gerüste. Die Linie wird entsprechend 

dem Produktionstyp, den man erhalten möchte, 

zweigeteilt. Es geht durch zwei Danieli-Monoblöcke mit 

synchroner Motorisierung. Dies wird durch zwangsbelüftete 

Asynchronmotoren von ABB und Leine & Linde-Inkremental-Drehgeber 

vom Typ 861 (Bild 4) realisiert. 

Die Drehgeber der Baureihe 861 besitzen ein robustes 

Aluminiumgehäuse der Schutzart IP 66. Sie verfügen 

über 6 oder 3 kurzschlussfeste Ausgänge und eine elektrisch 

isolierte Hohlwelle mit einem Durchmesser von 

12 oder 16 mm. Die für eine Versorgungsspannung von 

5 V beziehungsweise 9...30 V ausgelegten Drehgeber 

sind mit dem Advanced Diagnostic System ADS ausgestattet. 

Die Strichzahl ist in feinen Abstufungen von 

500 bis 10 000 wählbar oder auch an die jeweiligen Anforderungen 

anpassbar. Die Anzahl der Messschritte 

entspricht der 4-fachen Strichzahl und erreicht maximal 

40 000 Messschritte pro Umdrehung. Die Betriebstemperatur 

darf zwischen -20 °C und +80 °C betragen. 

Mit 10 g ist die Schwingfestigkeit angegeben. Die Stoßfestigkeit 

liegt bei 100 g. 

Nach dem Durchlauf der Gerüste hat das Produkt die 

gewünschten Eigenschaften und Abmessungen erreicht. 

Es folgt die Stahlbearbeitung durch die zwei Schopfscheren. 

An Spitze und Ende des Stahlknüppels können Fehler 

im Walzprozess entstanden sein. Die Drehgeber in 

den Scheren müssen robust sein. Die Bearbeitung des 

16 


6 / 2011

Bild1: Die Drehgeber werden häufig durch 

Metallgehäuse geschützt. Hier handelt es sich um 

einen Absolutdrehgeber vom Typ RSA 608. 

Bild 2: 

Funkenflug, harte 

Bearbeitungsstöße, 

schwieriges 

Material: In Stahlwerken 

sind die 

Umgebungsbedingungen 

rau. 

Bild 3: Ein Inkrementaldrehgeber der Serie RSI 

503 mit Abwickelmechanismus mit 5 m langem 

Seilzug in einer Spulenwickel-Anwendung. 

Bild 4: Inkrementaldrehgeber der Baureihe 861, 

der vom Motorhersteller neu lackiert wurde. 

Bilder: Leine & Linde 

Metalls versetzt der Maschine, einschließlich des Sensors, 

beachtliche Stöße. Den Anlagen-Entwicklern werden 

daher für diese Einsätze die Heavy-Duty-Produkte 

empfohlen. Der normalerweise am meisten verwendete 

Typ ist ein Drehgeber der Serie 850 mit vorstehender 

Welle. Es handelt sich um ein Produkt mit Wellenkeil 

für eine bessere Verbindung mit der Kupplung und einem 

Euro-Flansch mit guten Kenndaten bezüglich der möglichen 

axialen oder radialen Belastungen, die sich aus 

den Maschinenkräften ergeben. 

Nach dem Abschopfen trifft der geformte Stahlknüppel 

auf seinem Weg auf einen neuen Zug von vier als mittelgroß 

definierten Gerüsten, die ebenfalls Gleichstrommotorisiert 

sind. 

Abkühlung und Auslieferung 

Schließlich wird das Metall auf Kühlteppichen abgelegt. 

Die Teppiche sind ebenfalls motorisiert, jedoch mit kleinen 

Gleichstrom-Motoren, bei denen keine Drehgeber 

nötig sind. Nach dem Abkühlen gelangt das Metall in die 

Endphase. Es wird zu Coils geformt, verdichtet und auslieferungsfertig 

gebundend. Bei Pittini ist auch diese Phase 

in der Belieferungsanlage, einer Sund-Anlage, vollständig 

automatisiert. Die vorgestellten Drehgeber kommen 

dort ebenfalls zum Einsatz. 

Der Pittini-Stahl gilt wegen seiner Duktilität als erdbebenfest. 

Nicht nur in Italien ist er aufgrund seiner Eigenschaften 

daher so beliebt. 

Autor 

Klaus Korger 

(Techn. Betriebswirt) ist 

Geschäftsführer der Leine & 

Linde (Deutschland GmbH) 

in Aalen. 

Leine & Linde (Deutschland), 

Bahnhofstraße 36, 

73430 Aalen, 

Tel.: +49 (0) 7361 78 09 30, 

E-Mail: k.korger@leinelinde.de 


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17

anche 

Common Components gewährleisten eine 

„eingebaute“ Interoperabilität bei FDT 2.0 

Toolkit für Rahmenapplikation bereits verfügbar – Entwicklung für die DTM-Seite läuft 

Um die Interoperabilität von FDT-2.0-Produkten von 

Anfang an zu gewährleisten, stellt die FDT Goup ihren 

Mitgliedern sogenannte Common Components (CC) 

als Toolkit zur Vefügung. Diese Komponenten bilden die 

Basis für Produkte, die die neue FDT-2.0-Spezifikation 

unterstützen. Neben der hohen Qualiät durch intensive 

Tests ermöglichen die Komponenten die Reduktion des 

Entwicklungsaufwands und eine schnellere Bereitstellung 

von Produkten. Durch die eingebaute Interoperabilität 

reduziert sich der Aufwand für die Zertifizierung 

und die Inbetriebnahme im Feld. 

FDT GROUP STELLT BASISKOMPONENTEN BEREIT 

Nach Abschluß der FDT-2.0-Spezifikation hat die FDT 

Group das nächste Projekt in Angriff genommen: die Bereitstellung 

von Komponenten für die Entwicklung von 

FDT-2.0-Produkten. Damit soll von Anfang an die Basis 

gelegt werden für eine hohe Produktqualität und eine 

hohe Interoperabilität zwischen den Produkten. Bei FDT 

1.x lag der Schwerpunkt auf der Bereitstellung von Testund 

Zertifizierungswerkzeugen. Mit FDT 2.0 geht die FDT 

Group nun einen Schritt weiter und stellt Basiskomponenten 

für ihre Mitgliedsfirmen bereit. 

Das Objektmodell in FDT 2.0 wurde gegenüber FDT 

1.x vereinfacht und auf die wesentlichen Teile konzentriert 

(Bild 1). Das Objekt „Frame Application“ repräsentiert 

die FDT-Rahmenapplikation, oft auch FDT- 

Container genannt. Es stellt die Schnittstelle zur Verfügung, 

damit ein DTM (Device Type Manager) in der 

Applikationsumgebung ausführbar ist. Der DTM repräsentiert 

das entsprechende Feldgerät und besteht 

üblicherweise aus zwei Teilen, dem „DTM User Interface“ 

und der „DTM Business Logic“. Das Objekt „Communication 

Channel“ kommt bei Kommunikationsund 

Gateway-DTMs zum Tragen. Das in FDT 1.x verwendete 

Objekt „Process Channel“ steht für Prozessdaten 

und wird jetzt durch eine Datenstruktur ersetzt 

(„Process Data Info“). 

INTERAKTION LÄUFT ÜBER RAHMENAPPLIKATION 

Die Interaktion zwischen den DTM-Objekten erfolgt gemäß 

Bild 2 immer über die Rahmenapplikation und nicht 

mehr direkt zwischen DTMs. Dadurch wird unter anderem 

die Anzahl der Interfaces reduziert und die Verteilung 

der DTM-Komponenten auf unterschiedliche Systeme 

wird möglich, ohne dass die jeweiligen DTM-Objekte 

Kenntnis davon haben müssen (Bild 3). 

Das Konzept der Bereitstellung von Basiskomponenten 

für die Entwicklung von FDT-2.0-Produkten nennt sich 

Common Components. Dieses Konzept fußt auf der oben 

vorgestellten Architektur. Dabei sind jeweils die beiden 

Gegenstücke Rahmenapplikation und DTM zu betrachten. 

In Bild 4 ist die prinzipielle Struktur bei der Nutzung 

der Common Components dargestellt. Auf jeder 

Seite gibt es jeweils eine CC, die die FDT-2.0-Schnittstellen 

abdeckt. Auf der Seite der Rahmenapplikation 

kommt noch die Unterstützung von FDT 1.x hinzu 

zwecks Gewährleistung der Rückwärtskompabilität. 

Aufbauend auf der jeweiligen CC werden dann die produktspezifischen 

Anteile implementiert. Die CC stellen 

eine Abstraktionsebene dar, die sicherstellt, dass sich 

die Komponenten gemäß der FDT-2.0-Spezifikation verhalten. 

Diese Vorgehensweise bringt enorme Vorteile 

sowohl für die Hersteller von FDT-Produkten als auch 

für die Endanwender: 

Sicherstellung der Interoperabilität durch einheitliche 

Nutzung der FDT-2.0-Schnittstellen und 

gemeinsame Tests während der Entwicklung 

höhere Qualität durch vorgefertigte und intensiv 

getestete Komponenten 

schnellere Entwicklung von FDT-Produkten 

(Time-to-Market) 

Reduzierter Testaufwand (sowohl Einzeltests als 

auch Interoperabilitätstests verschiedener Hersteller) 

Reduktion des Entwicklungsaufwands (Kosten) 

Konzentration auf die Implementierung der 

applikationsspezifischen Produktanteile 

Vereinfachung der Zertifizierung von FDT-2.0- 

Produkten 

Reduzierter Aufwand bei der Kommisionierung 

im Feld 

AUFBAU DER RAHMENAPPLIKATION 

Die Struktur der CC für Rahmenapplikationen zeigt 

Bild 5. Der blaue Kasten beinhaltet die Funktionalität 

der CC. Mithilfe dieser Komponenten kann eine FDT- 

Rahmenapplikation entwickelt werden, die DTMs der 

Versionen 1.x und 2.0 unterstützt. Es werden Basisfunktionen 

zur Verfügung gestellt, die jede Rahmenapplikation 

üblicherweise benötigt. Die CC ist bereits seit einigen 

Jahren für FDT 1.x am Markt verfügbar und wird 

jetzt um FDT-2.0-Funktionalitäten erweitert. Ein Prototyp 

ist bereits verfügbar und wird bei der Entwicklung 

der DTM-CC zum Testen verwendet. Da bereits heute 

viele FDT-Group-Mitglieder diese Komponente in ihren 

Produkten einsetzten, hat die FDT Group auf eine Neuentwicklung 

im Rahmen von FDT 2.0 verzichtet. Stattdessen 

wird die Komponente als Common Component 

für Rahmenapplikationen von der FDT Group zertifiziert 

und mit einer vertraglichen Vereinbarung rechtlich 

abgesichert. 

Um den Firmen, die die Komponente heute nicht in 

ihren Produkten einsetzen, die Migration zu FDT 2.0 zu 

erleichtern, werden Teile der Rahmenapplikation CC als 

sogenannte Low Level-Komponente zur Verfügung gestellt. 

Hierbei handelt es sich um die im Bild 5 mit rötlicher 

Farbe dargestellten Blöcke. 

LOW-LEVEL-KOMPONENTE ERLEICHTERT WECHSEL 

Interaction Manager: Dieser Block ist die Schnittstelle 

zwischen Rahmenapplikation und DTM, da der 

Datenaustausch immer hierüber erfolgt. Der Interaction 

Manager entkoppelt die FDT-2.0-Objekte. Dadurch 

wird die Interoperabilität verbessert. Die Regeln 

für die Synchronisation und die parallele Ab- 

18 


6 / 2011

BILD 1: Das Objektmodell in FDT 2.0 wurde gegenüber FDT 1.x 

vereinfacht und auf die wesentlichen Teile konzentriert. 

BILD 2: Die Interaktion zwischen den DTM-Objekten 

erfolgt immer über die Rahmenapplikation und nicht 

mehr direkt zwischen DTMs. 

Bild 4: Das Konzept der Common Components 

System 

FDT 1.x-Schnittstelle 

Rahmenapplikation 

Rahmenapplikation CC 

Rahmenappl. CC-Schnittstelle 

FDT 2.0-Schnittstelle 

DTM 

FDT 1.x 

DTM CC 

DTM 

FDT 2.0 

DTM CC- 

Schnittstelle 

BILD 3: Durch die neue Strutkur wird unter anderem 

die Anzahl der Interfaces reduziert. 

BILD 4: Das Konzept der Common Components: Auf jeder Seite 

befindet sich jeweils eine CC, die die FDT 2.0 Schnittstellen abdeckt. 

wicklung von Tasks gemäß Spezifikation können hier 

geprüft werden. Durch die Entkopplung wird auch die 

Verteilung von Komponenten auf unterschiedliche 

Systeme unterstützt („Remoting“, Bild 3). Weiterhin 

ist hier das Logging aller FDT-2.0-Aufrufe möglich, 

was insbesondere für den Test der Objektinteraktionen 

hilfreich ist. 

Surrogate/Proxy (CLR Extension Concept): Dieser 

Block ermöglicht die Verwendung von DTMs, die eine 

andere .NET-Laufzeitumgebung erwarten, als die der 

Rahmenapplikation (Common Language Runtime). Dieser 

Block stellt den Stellvertreter (Proxy) des DTM dar, 

der eine andere .NET-Laufzeitumgebung benötigt. Der 

DTM läuft dann in einem eigenen Betriebssystem-Prozess 

(Surrogate genannt), der unabhängig von dem der 

Rahmenapplikation ist. 

Data Type Converters: Dieser Teil stellt Funktionen 

bereit, die es DTMs der Version 1.x und 2.0 erlauben, 

miteinander zu kommunizieren. (Rückwärts-Kompatibilität). 

Hier werden die XML-Dokumente aus FDT 

1.x in Datentypen von FDT 2.0 transformiert und umgekehrt. 


6 / 2011 

19

anche 

Bild 6: DTM CC - Architektur 

IDtmUiFunction 

IDtmUiFunction 

DTMUI 

Container 

IFrameUi 

Custom 

DTM UI 

IDtm 

IDtm 

IDeviceModel 

DTMBO 

Container 

DTMBO 

Core 

IDtmCC 

Device 

Model 

ICommunicationChannel 

DTM 

Channel 

BILD 5: Die Struktur der CC für Rahmenapplikationen: Der blaue 

Kasten beinhaltet die Funktionalität der CC. Mihilfe dieser 

Komponenten kann eine FDT Rahmenapplikation entwickelt 

werden, die DTMs der Versionen 1.x und 2.0 unterstützt. 

Bild 7: DTM BO Core 

BILD 6: Die CC deckt alle FDT-2.0-Schnittstellen eines 

DTM ab (gestrichelter Kasten). „Customer DTM UI“ 

und „Device Model“stellen den herstellerzifischen 

Implementierungsanteil dar. 

IDtm 

ISignal 

ISignal 

Incoming 

Call / 

Signal 

Adapter 

Execution 

Engine 

Incoming 

Signal / 

Call 

Adapter 

Lifetime 

Manager 

Configuration 

Manager 

BILD 7: Eine Verfeinerung 

der Architektur 

der Kernkomponente: 

Im Zentrum der 

Komponente steht die 

Ausführung von 

FDT-2.0-Aufrufen 

(Execution Engine) im 

Zusammenspiel mit 

der Zustandsmaschine 

eines DTM. 

DTMBO 

Container 

IFrame 

Outgoing 

Signal / 

Call 

Adapter 

ISignal 

ISignal 

State Machine 

ISignal 

Outgoing 

Call / 

Signal 

Adapter 

Parameter 

Manager 

Function 

Manager 

Communication 

Manager 

Topology 

Manager 

Device 

Model 

COMMON COMPONENT FÜR ALLE SCHNITTSTELLEN 

Die Architektur für die DTM CC zeigt Bild 6. Die CC deckt 

alle FDT-2.0-Schnittstellen eines DTM ab (gestrichelter 

Kasten). Der herstellerspezifische Implementierungsanteil 

ist durch die beiden Elemente „Customer DTM UI“ 

(grafische Benutzeroberfläche eines DTM) und „Device 

Model“ (gerätespezifische Funktionen) dargestellt. Der 

Block „DTM BOCore“ ist der wesentliche Teil der DTM CC 

und implementiert die Logik der Common Compent. Der 

Block „DTMBO Container“ repräsentiert das Objekt 

„DTM Business Logic“ nach außen und offeriert der Rahmenapplikation 

die FDT-2.0-Schnittstelle eines DTM 

(Bild 2 und 3). Eine Verfeinerung der Architektur der 

Kernkomponente zeigt das Bild 7. Im Zentrum der Kom- 

20 


6 / 2011

ponente steht die Ausführung von FDT-2.0-Aufrufen 

(Execution Engine) im Zusammenspiel mit der Zustandsmaschine 

eines DTM. Eingehende Aufrufe von der Rahmenapplikation 

beziehungsweise des Gerätemodells 

werden in Signale umgewandelt, die von der Verarbeitungseinheit 

weiterverarbeitet werden. 

Bei ausgehenden Aufrufen werden Signale als Ergebnis 

der Verarbeitung in entsprechende Funktionsaufrufe 

umgesetzt. Im zentralen Teil werden die Signale in Warteschlangen 

verwaltet und in der entsprechenden Reihenfolge 

in der Zustandsmaschine verarbeitet. Die Verarbeitungseinheit 

ermöglicht die parallele Verarbeitung 

von einund ausgehenden Aufrufen, sowie die Handhabung 

von Asynchronität durch eigenständige Tasks. 

Durch diese Struktur ist gewährleistet, dass die synchrone 

und asynchrone Verarbeitung gemäß der Spezifikation 

vonstatten geht. 

MANAGER REALISIEREN WEITERE FUNKTIONEN 

Weitere Funktionen eines DTMs werden durch entsprechende 

Verwaltungskomponenten („Manager“) realisiert: 

Lifetime Manager für das Starten und Beenden des 

DTM inklusive der Initialisierung des Gerätemodells 

Configuration Manager für die Konfigurierung des 

DTMs und die Bereitstellung dieser Daten für die 

Rahmenapplikation 

Parameter Manager für die Verwaltung der DTM- 

Datensätze (Transaktionen, Online/Offline) 

Function Manager für die Ausführung von DTM- 

Funktionen, das Öffnen/Schliessen von User-Interfaces 

Communication Manager für die Kommunikation zu 

über- beziehungsweise untergeordneten Objekten 

Topology Manager für die Durchführung von Operationen, 

die mit der Topologie zusammenhängen 

(etwa Netzwerk-Scan, Protokollinformation, Erzeugung 

von „Kinder“-DTMs) 

ENTWICKLUNGSPROJEKT FÜR DIE DTM-SEITE 

Während für die Rahmenapplikation bereits eine verfügbare 

CC existiert, muss auf der DTM-Seite eine solche 

Komponente noch entwickelt werden. Dafür hat die 

FDT Group ein Projekt ins Leben gerufen. Die DTM-CC 

soll dann den Mitgliedern zur Verfügung gestellt werden. 

Zur Finanzierung haben sich zwanzig FDT-Group- 

Mitgliedsfirmen in einem Konsortium zusammengeschlossen 

und die Implementierung an einen Dienstleister 

vergeben. Alle teilnehmenden Firmen erhalten 

am Ende des Projekts die Entwicklungsergebnisse 

(Source Code, Dokumente, Test Skripts), um daraus ihre 

gerätespezifischen DTMs zu erstellen (Geräte-, Kommunikations- 

und Gateway-DTM). Die Rechte der Entwicklung 

liegen bei der FDT Group, sodass sichergestellt ist, 

dass jedes FDT-Group-Mitglied die Komponente erwerben 

und einsetzen kann. 

Das Entwicklungsprojekt wurde Anfang des Jahres 

gestartet und hat eine Laufzeit von zirka einem Jahr. 

Der Entwicklungsprozess folgt den Prinzipien von 

Scrum. Die Entwicklung ist also in sogenannte 

„Sprints“ unterteilt, die jeweils einen Monat dauern. 

Am Ende eines jeden Sprints stehen installierbare 

und lauffähige Software sowie automatisierte Tests 

zur Verfügung. So können sich die teilnehmenden 

Firmen in einem frühen Stadium mit der Software 

vertraut machen und entsprechendes Feedback geben. 

Das Projekt wird begleitet von einem Team von FDT- 

Experten, die nach jedem Sprint ein umfassendes 

Review durchführen. 

Die während der Entwicklung entstehenden Tests können 

später auch von den Entwicklern von DTMs für Regressiontests 

genutzt und erweitert werden. Bereits nach 

zwei Sprints waren zirka 200 Testfälle erstellt worden. 

Im Rahmen des Projekts erfolgt auch eine enge Zusammenarbeit 

mit dem Entwicklungsteam der Rahmenapplikation 

CC. Intensive Tests stellen sicher, daß die Interoperabilität 

zwischen Rahmenapplikation und DTM für 

FDT 2.0 von Anfang an gewährleistet ist. 

NEUS GREMIUM STEUERT WEITERENTWICKLUNG 

Neben Qualität und Entwicklungseffizienz, ist Interoperabilität 

der wichtigste Erfolgsfaktor für Technologien, 

die auf offenen Standards basieren. Der Einsatz der 

Common Components reduziert dramatisch die Komplexität, 

die durch die unzähligen Kombinationsmöglichkeiten 

von Systemen und Geräten entsteht. 

Nach der Entwicklung der Komponenten geht die Qualitätssicherung 

durch die FDT Group weiter. Es wird ein 

„Change Control Board“ installiert, das die Wartung und 

Weiterentwicklung der Common Components Toolkit 

steuert. Dadurch wird sichergestellt, daß die Qualität 

und Konsistenz der Komponenten über die gesamten 

Lebenszyklus erhalten bleibt. 

Autor 

Dipl.Ing. (FH) Manfred 

Brill (geb. 1954) ist bei 

Schneider Electric, Unternehmensbereich 

Industrie, 

für die Harmonisierung von 

Softwarewerkzeugen tätig. 

Brill ist seit 2005 Mitglied 

im Executive Committee der 

FDT Group. Er ist auch 

Projektleiter der FDT Group für die Entwicklung 

der in diesem Beitrag beschriebenen 

Komponenten für FDT 2.0. 

Schneider Electric Automation GmbH, 

Steinheimer Strasse 117, 

D-63500 Seligenstadt, 

Tel. +49 (0) 6182 81 22 73, 

E-Mail: manfred.brill@schneider-electric.com 


6 / 2011 

21

anche 

Die Fabrik auf dem Büroschreibtisch: virtuelle 

Lösungen für den Erfolg realer Anlagen 

Simulation vereinfacht die Inbetriebnahme und bildet das Bedienungspersonal besser aus 

Was vor einigen Jahren kaum denkbar war, wird immer 

mehr zum Standard. Die Fabrik auf dem 

Schreibtisch im Büro ist Wirklichkeit geworden: Die 

Software zur Automatisierung einer realen Anlage wird 

mittels einer simulierten, virtuellen Anlage im Büro erstellt 

und getestet. Und auch die Steuerungsumgebung 

kann virtuell generiert und getestet werden. Diese virtuellen 

Systeme lassen sich auch leicht für Schulungen 

der Bediener oder für weitere Zwecke einsetzen. 

Wesentliche Gründe für den Einsatz einer Simulation 

in der Automatisierung sind das Einsparen von Zeit und 

Geld, das Ersetzen von im Büro nicht vorhandenen Systemen 

und das Training von Personal für kritische Situationen. 

In der Vergangenheit – teilweise sogar noch 

heute – treffen Automatisierungssoftware und die Anlage 

erst bei der Inbetriebnahme aufeinander. Lange Inbetriebnahmezeiten 

aufgrund ungenügender oder fehlerhafter 

Abbildung der Anlage in der Software sind dabei 

oft die Realität, während der Endkunde die Anlage schon 

zum Produzieren nutzen möchte. Im Extremfall kann es 

wegen der noch fehlenden Qualität zu Fehlverhalten 

kommen und Geräte und Anlagenteile können dadurch 

beschädigt oder zerstört werden. Ein solches Fehlverhalten 

kann auch deswegen entstehen, weil die Simulation 

direkt in den Automatisierungscode geschrieben und 

dieser auf der Anlage nicht eliminiert oder komplett ausgeschaltet 

wird. 

Doch mit einer Simulation sollten auch Qualität ausgeliefert 

und Fehler minimiert werden. Denn wenn der 

Stecker des Simulationssystems erst mal gezogen wird, 

ist jeglicher Simulationsmodus auf der realen Anlage 

nicht mehr vorhanden. 

Schon beim Engineering 

wird die Anlage simuliert und die 

Auto matisierungssoftware getestet. 

Es entsteht eine komplette 

virtuelle Umgebung im Büro. 

Visualisierungs- 

Visualisierungsoder 

Processoder 

Process- 

Control-System 

Control-System 

Simulations-System 

Simulations-System 

Fabrik/Fertigung, Ihr Prozess 

Fabrik/Fertigung, Ihr Prozess 

Geräte (Simit) 

Geräte (Simit) 

beliebig im Netzwerk verteilbar / realtime 

beliebig im Netzwerk verteilbar realtime 

Engineering- 

Engineering- 

System 

System 

(Simatic-Manager) 

(Simatic-Manager) 

Simatic- 

Simatic- 

Steuerungen 

Steuerungen 

(Simit-Emu) 

(Simit-Emu) 

1 bis > 60 

bis 60 

Zur Absicherung 

der Softwarequalität, 

wird die Simulation 

beispielsweise 

in der Zementindustrie 

eingesetzt. 

Bilder: Siemens 

22 


6 / 2011

Zwei in Einem 

VIRTUELLES ENGINEERING STEIGERT DIE QUALITÄT 

Das Engineering für die Automatisierung findet in der 

Regel in einer Büroumgebung statt. Dort gibt es jedoch 

keine automatisierenden Geräte und Anlagen. Wenn es 

sich um eine Neuanlage handelt, ist diese auch in der 

Realität noch nicht vorhanden. Simulation macht hier 

ein qualitativ hochwertiges Engineering erst möglich 

und liefert sozusagen die Anlage auf den Schreibtisch 

– mit all ihren Motoren, Lichtschranken, Pumpen, Ventilen 

und so weiter. 

Bedeutsam ist die Simulation auch für Trainingszwecke. 

Denn Personal, das ungenügend trainiert 

wurde, wird in vielen Fällen falsch reagieren. Dies 

kann zu Produktions- und Qualitätsverlusten führen 

oder eventuell sogar zur Gefährdung von Anlagen, 

Personen oder der Umwelt. Mit einer Simulation gewinnt 

der Bediener Erfahrung in einer sicheren Umgebung 

und reagiert auf der realen Anlage richtig. 

AUTOMATISIERUNGSTEST UND TRAINING 

Wollte man früher seine Automatisierung in einer annähernd 

realen Umgebung testen, wurden je nach Größe 

der Applikation mehrere Schaltschränke oder Racks 

aufgebaut. Im Extremfall und bei Platzmangel musste 

man vielleicht sogar eine Halle anmieten. Und dann 

galt es die Technik zu verkabeln. Zur Simulation wurden 

Testboxen angeschlossen, über die per Knopfdruck 

oder Potenziometer Werte vorgegeben werden konnten. 

Komplexe oder schnelle Signalabläufe ließen sich so 

aber nicht testen. Die Testtiefe blieb extrem gering und 

auf der realen Anlage war noch viel zu tun. 

Darüber hinaus durften die Bediener erst kurz vor 

Ende der Inbetriebnahme an die Anlage. Oftmals benötigten 

sie dann viele Wochen, bis sie mit der neuen 

Automatisierung vertraut waren und die volle Verfügbarkeit 

und Produktivität der Anlage erreicht war. Da 

sie nicht in allen Belangen ausgebildet waren, reagierten 

sie bei Fehlern falsch. Dies führte zu Ausfallzeiten 

der Anlage sowie zu Mängeln an den Produkten. 

BIS ZUR VOLLEN VERHALTENSSIMULATION 

Mit den heute verfügbaren Lösungen wird die Anlage 

bereits beim Engineering simuliert und die Automatisierungssoftware 

getestet. Szenarien und Situationen 

für die Abnahme können schon im Büro definiert und 

gespeichert werden. Per Knopfdruck ruft man diese 

beim Abnahmetest mit dem Kunden wieder auf. Beide 

Seiten, Lieferant und Kunde, können so sehen, was die 

Software leistet und ob die Erwartungen erfüllt wurden. 

Damit kann die Software bereits mit einer hohen 

Qualität in die Anlage integriert werden, was zu wesentlich 

kürzeren Inbetriebnahmezeiten führt. Die 

erreichten Werte bewegen sich in der Regel zwischen 

30 und 80 %. In einigen Fällen kam es sogar zu einer 

Einschaltinbetriebnahme. Das heißt, es wurden keine 

Fehler mehr festgestellt. Da es wesentlich weniger Unstimmigkeiten 

gibt, wird das Kunde-Lieferanten-Verhältnis 

gestärkt. 

A01095DE 

• Industrieregler TROVIS 6495-2 

Viele Regelanwendungen benötigen zwei 

Regelkreise, die der neue Industrieregler 

TROVIS 6495-2 beherrscht. Er ist kinderleicht 

zu bedienen und führt mit seinen gut 

strukturierten Klartextmenüs bis in detaillierteste 

Funktionen. 

Fachkundigen sei verraten, dass der Regler 

u. a. die Strukturumschaltung gleitend 

fahren, seinen I-Anteil begrenzen und Störgrößen 

vielseitig aufschalten kann. 

Natürlich lassen sich die Einstellungen 

auch mit der kostenfreien Software 

TROVIS-VIEW vornehmen. 

Zum Schnuppern dient ein kostenfreier 

Software-Emulator mit identischer Bedienung. 

Am besten gleich mal ausprobieren 

unter: 

www.samson.de Produkte 

Support & Downloads 

SAMSON AG • MESS- UND REGELTECHNIK 

Weismüllerstraße 3 • 60314 Frankfurt am Main 

Telefon: 069 4009-0 • Telefax: 069 4009-1507 

E-Mail: samson@samson.de • www.samson.de

anche 

Zur Simulation bietet Siemens Industry Solutions zwei 

Systeme: Mit Simit werden sowohl die Signale als auch 

die Aktoren (zum Beispiel Motor) und Sensoren (beispielsweise 

Lichtschranke) simuliert. Das Ganze kann 

ausgebaut werden und ist skalierbar bis zur vollen Verhaltenssimulation. 

Die Projektierung der Simulation 

geschieht grafisch und ist leicht zu erlernen. Damit lässt 

sich eine simulierte Anlage über Orginalbussysteme wie 

Profinet und Profibus an eine echte Steuerung anschließen. 

Failsafe-Signale können ebenfalls simuliert werden, 

das heißt, die Steuerungssoftware bleibt unverändert. 

Simit-Emu emuliert Steuerungen des Typs Simatic-S7. 

Das heißt, die Anwendersoftware der Steuerungen läuft 

auf einer PC-Plattform. Diese Plattform emuliert zusätzlich 

das Verhalten und viele Eigenschaften einer Steuerung, 

beispielsweise bezüglich Failsafe oder der Kommunikation 

mit weiteren emulierten Steuerungen, aber 

auch in einer gemischten Konfiguration mit echten Steuerungen. 

Das größte bisher emulierte System umfasst 59 

Steuerungen. 

TRAININGSSZENARIEN MIT ECHTER APPLIKATION 

In kleineren Fällen kann ein solches System sogar auf nur 

einem PC installiert werden. Bei größeren Systemen lassen 

sich die einzelnen Applikationen frei im Netzwerk 

verteilen. Ein Knopfdruck genügt, um den Zustand aller 

Steuerungen und der Simulation gleichzeitig und zu jeder 

Zeit zu speichern und wieder aufzurufen. Dabei kann der 

Zeitpunkt der zu speichernden Situation auch in der Vergangenheit 

liegen. Die Vorbereitung, Speicherung und 

Durchführung von Test-, Debugging- und Abnahmeszenarien 

werden damit sehr einfach. Vor allem Szenarien, 

die auf der Anlage möglichst nicht durchgeführt werden 

sollten (Gefährdung von Mensch, Maschine oder Umwelt), 

lassen sich so gefahrlos abnehmen. 

Mit einer vollständig virtuellen Plattform und der 

Möglichkeit, komplexeste Zustände auf Knopfdruck zu 

speichern, lässt sich auch ein Trainings- und Know-how- 

Managementsystem einfach aufbauen. Denn für jedes zu 

trainierende Szenario wird der Anfangszustand gespeichert 

und ist sofort wieder abrufbar. Damit ist das System 

auch für kurze Trainingszeiten nutzbar, zum Beispiel 

während einer Gerätewartung. Da auf der Plattform 

die echten Applikationen der Steuerungsebene und der 

Prozessleitebene laufen, lernt der Bediener genau mit 

einer Replika seiner eigenen Anlage. 

SIMULATION IST IN DER PRAXIS BEREITS REALITÄT 

Somit lassen sich Szenarien testen, wie zum Beispiel das 

Hoch- und Herunterfahren von Anlagen und Applikationen, 

ein Produkt- oder Produktmixwechsel, ein Lastwechsel 

oder verschiedene Fehlerszenarien. Das können 

beispielsweise fehlende Rückmeldungen, Rohrleitungsleckagen, 

Blockierung von Antrieben oder der Ausfall von 

Messaufnehmern sein. 

In einem weiteren Schritt kann jede Änderung am laufenden 

System in der virtuellen Umgebung evaluiert und 

die Installation gefahrlos ausprobiert werden. Da nur 

evaluierte Veränderungen eingebracht werden, erhöht 

sich dadurch auch die Verfügbarkeit der Anlage. 

Beispiele zeigen die Vorteile in der Praxis. Beim Test 

von Software in der Zementindustrie waren früher etwa 

zwei Wochen Aufwand zur Vorbereitung für den Factory 

Acceptance Test (FAT: Abnahmetest) notwendig. Für 

die Entfernung aller Testmodifikationen musste eine 

weitere Woche eingerechnet werden. Es blieb die Unsicherheit, 

ob alle Testmodifikationen wieder entfernt 

wurden, was auf der Anlage zu Fehlverhalten führen 

konnte. In den eigentlichen Tests ließ sich nur eine geringe 

Testtiefe erreichen. Zudem wurden nur Teiltests 

durchgeführt. 

Heute wird der Test mithilfe von Simulation durchgeführt. 

Diese wird zu einem großen Teil generiert. Die 

Vorbereitungszeit ist auf zirka zwei Tage geschrumpft. Da 

mit dem Ziehen des Steckers alle Simulationsfunktionen 

definitv entfernt sind, entfällt auch die Nachbereitung. 

Der Fall des holländischen Wasserversorger PWN (Waterleidingsbedrijf 

Noord-Holland) zeigt den Einsatz einer 

kompletten virtuellen Plattform in der Wasseraufbereitung 

(atp edition berichtete in Ausgabe 3/2011, S. 62-63). 

Bei PWN wurde mit zehn virtuellen Steuerungen, dem 

Simulationssystem und den realen Engineeringsystemen 

die gesamte Software konzipiert, getestet und Trainingsszenarien 

entwickelt. 

Die virtuelle Fabrik und das virtuelle Automatisierungssystem 

für die Softwareentwicklung, den Softwaretest 

und die Bedienerschulung sind also bereits 

Wirklichkeit, zum Beispiel in der Kohlevergasung, in 

Kraftwerken, in der Chemie, Autoindustrie, Zementindustrie, 

Marine, Metallindustrie und vielen Branchen 

mehr. Und die Akzeptanz virtueller Systeme für obige 

Aufgaben wächst ständig, da auch der Druck steigt, effizienter 

zu entwickeln und zu testen. 

Autor 

Siemens Solutions Division, 

Werner-von Siemens-Str. 60, 

D-91052 Erlangen, 

Tel. +49 (0) 9131 72 37 25, 

E-Mail: ifflaender@siemens.com 

Dipl. Ing. (FH) Bernhard 

Iffländer leitet das 

Simulation Center der 

Siemens AG. 

24 


6 / 2011

atp kompakt 

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Virtuelle Inbetriebnahme 

von Transportsystemen 

Werkstückträgertransfersysteme simulieren 

Die virtuelle Produktion kann insbesondere im Rahmen einer virtuellen Inbetriebnahme 

dazu beitragen, Fertigungsanlagen mit hoher Qualität in kürzerer Zeit zu errichten. Zur 

Realisierung wird idealerweise ein 3-D Modellierungs- und Simulationssystem eingesetzt. 

Dabei liegt – wie dieser Beitrag beschreibt – ein Schwerpunkt auf der Integration von 

werkstückträgerbasierten Transportsystemen, da diese hinsichtlich der in großem Umfang 

genutzten Sensoren und Aktoren sehr komplex sind. Hier können Ingenieure mithilfe 

eines digitalen Modells Steuerungsprogramme erstellen und verifizieren, lange bevor die 

reale Anlage aufgebaut wird. 

SCHLAGWÖRTER Virtuelle Produktion / Virtuelle Inbetriebnahme / Werkstückträgertransfersysteme 

/ Modellierung / Simulation 

Virtual Production for Carrier-based Transport Systems – 

Modeling and Simulation for Virtual Commissioning 

Virtual Production methods, especially Virtual Commissioning, are powerful means to 

build high-quality production lines in less time. A common means to achieve this, is the 

application of 3-D modeling and simulation systems. Here, the integration of carrier-based 

transport systems is of special interest. This is because of their high complexity due to 

the huge number of applied sensors and actors. With the help of Virtual Commissioning, 

engineers can develop and verify the according control programs long before the actual 

production line is built. 

KEYWORDS Virtual Production / Virtual Commissioning / Transport Systems / Modeling / 

Simulation 

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6 / 2011

Jürgen RoSSmann, RWTH Aachen 

Oliver Stern, Roland Wischnewski, RIF e.V., Dortmund 

Automatisierte Fertigungsanlagen sind in vielen 

Industriezweigen im Einsatz, wobei die Komplexität 

des mechanischen und elektrischen 

Aufbaus sowie der eingesetzten Steuerungsprogramme 

die gemeinsame Problematik bilden. 

Dies führt oft zu unvorhergesehenen Schwierigkeiten 

im Engineering, wodurch sich der Produktionsstart 

erheblich verzögern kann. Methoden der virtuellen Produktion 

werden von führenden Unternehmen hier bereits 

angewandt, um solche Risiken zu reduzieren. Die 

damit verbundenen zusätzlichen Planungsprozesse und 

die daraus resultierenden Kosten werden akzeptiert, weil 

über die gesamte Projektlaufzeit – insbesondere auch bei 

der Inbetriebnahme der realen Anlage – eine Zeit- und 

Kostenersparnis erwartet wird. 

Ein generelles Problem dieses Ansatzes ist, dass in der 

Regel nur große Unternehmen die teure PLM- und CAD- 

Software anschaffen und das benötigte spezialisierte 

Personal vorhalten können, um die virtuelle Produktion 

im gesamten Anlagenlebenszyklus sinnvoll einsetzen 

zu können. Im Gegensatz dazu nutzen kleine und mittlere 

Unternehmen (KMU) das digitale Engineering nur 

in ausgewählten Projektphasen. In diesem Beitrag wird 

als Lösungsansatz eine Vorgehensweise präsentiert, die 

insbesondere die Virtuelle Inbetriebnahme (VIBN) von 

Fertigungsanlagen mit spurgeführten Werkstückträgertransfersystemen 

[1] kostengünstig ermöglichen kann. 

1. Virtuelle Produktion 

Auch bei einem einfach gehaltenen Ansatz muss die virtuelle 

Produktion notwendigerweise alle wesentlichen 

Phasen im Lebenszyklus einer Fertigungsanlage unterstützen, 

das heißt Planung, Konstruktion, Programmierung, 

Inbetriebnahme und Wartung. Insbesondere KMU 

setzen hier unterschiedliche Werkzeuge in den einzelnen 

Phasen ein, was dazu führt, dass die digitalen Modelle 

zwischen den Abteilungen und Projektphasen nur mit 

sehr großem Konvertierungsaufwand und hohem Informationsverlust 

ausgetauscht werden können. Um dies zu 

vermeiden, muss ein entsprechendes Softwarewerkzeug 

dazu in der Lage sein, alle Hauptphasen abzudecken [2]. 

Zusätzlich ist für eine hohe Akzeptanz ausschlaggebend, 

dass sich vorhandene Prozesse im betrieblichen Arbeitsablauf 

gut abbilden lassen. Da durch den Softwareeinsatz 

üblicherweise eine strengere Einhaltung dieses Workflows 

erzwungen wird, kann der Einsatz eines solchen 

Werkzeugs schon von sich aus dazu beitragen, Probleme 

in den einzelnen Projektphasen zu identifizieren. 

Bild 1 zeigt den Ablauf der Phasen im Engineering einer 

automatisierten Fertigungsanlage, die in einem umfassenden 

Werkzeug für die virtuelle Produktion Berücksichtigung 

finden müssen. Die Hauptaufgaben liegen dabei im 

mechanischen Anlagendesign unter Berücksichtigung des 

Fabriklayouts, der elektrischen Verdrahtung zum Verbinden 

von Feldgeräten und Steuerungen sowie der Auslegung 

der zugehörigen Steuerungsprogramme. Die dabei 

entstehenden Lösungen können dann im Rahmen des virtuellen 

Anlagenbetriebs ausführlich getestet werden. 

Der durchgängige Einsatz eines solchen Softwarewerkzeugs 

ermöglicht die einfache Rückführung kleinerer 

Änderungen in vorgelagerte Engineeringphasen. Insbesondere 

Ergebnisse des virtuellen Betriebs können sich 

entsprechend auswirken, zum Beispiel müssen Hubeinheiten 

eines Transportsystems neu auf dem Band positioniert 

werden, wenn einzelne Positionen von Robotern 

nicht erreicht werden können. Wenn die Änderungen 

mittels eines neuen Simulationslaufs dann validiert sind, 

können sie an das Inbetriebnahmeteam weitergegeben 

werden. Während der VIBN können aber auch Probleme 

aufgedeckt werden, die zu größeren Rückflüssen führen, 

welche sich nicht mittels kleiner Anpassungen im digitalen 

Modell lösen lassen. Für solche Varianten muss 

dann unter Umständen ein neues Modell erstellt werden, 

das erneut in allen Phasen überprüft wird. 

Generell geht es bei der Modellierung immer darum, einen 

Kompromiss zwischen einfacher und benutzerfreundlicher 

Vorgehensweise einerseits und einem detaillierten 

und exakten digitalen Modell andererseits zu finden. Um 

beide Ziele gleichzeitig erreichen zu können, wurde ein 

zweistufiges Modellierungskonzept entwickelt. Die sys- 


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27

Hauptbeitrag 

temnahe Modellierung wird dabei von Simulationsexperten 

durchgeführt, die genaue Kenntnisse über die abzubildenden 

Geräte besitzen. Die eingesetzten Softwaresysteme 

bieten zwar viele Möglichkeiten zum Aufbau realitätsnaher 

Modelle, die Ingenieure benötigen aber dennoch ein gewisses 

Maß an Training und – insbesondere bei komplexen 

Komponenten – einige Erfahrung. Auf einer abstrakteren 

Modellierungsebene können dann auch Anlageningenieure 

ohne tiefes Simulationswissen solche systemnah vorgefertigten 

Modelle einfach miteinander kombinieren. 

1.1 Mechanisches und elektrisches Modell 

Üblicherweise werden während der mechanischen Konstruktion 

bekannte Bauteile aus Katalogen mittels 2-Doder 

3-D-CAD-Werkzeugen positioniert und zu einer Gesamtanlage 

zusammengesetzt. Im hier beschriebenen 

Ansatz erfolgt dieser Schritt bereits innerhalb der Simulationssoftware. 

Dazu stellen Bibliotheken optisch und 

funktional korrekte Modelle wie zum Beispiel Transportbänder, 

Werkstückträger zur Verfügung. Nicht vorhandene 

Komponenten können aus einem CAD-System importiert 

und dann mit funktionalem Verhalten ergänzt werden. 

Viele mechanische Bewegungen können dabei auf 

Linear- oder Drehachsen, kinematische Ketten, Greifmechanismen 

oder beschränkte Freiheitsgrade abgebildet 

werden. Verschiedene Modellzustände werden durch manuellen 

Eingriff herbeigeführt oder durch simulierte Sensorsignale 

erkannt, sodass bereits in einer frühen Projektphase 

ein funktionsfähiges Simulationsmodell vorliegt. 

Mithilfe eines solchen Modells kann schon eine erste 

Taktzeitermittlung durchgeführt werden. Bild 2 zeigt 

wie Aktoren und Aktionsinstanzen in Taktzeitdiagram- 

BILD 1: Virtuelles Engineering 

für eine Fertigungsanlage 

BILD 2: Ermittlung von Taktzeiten 

BILD 3: Verbindung einer externen 

Steuerung mit dem Simulationssystem 

via OPC: E/As von Steuerungen sind 

direkt sichtbar und können mit E/As 

von Komponenten verbunden werden. 

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6 / 2011

men miteinander verbunden werden, um die gewünschte 

Ausführungsreihenfolge festzulegen. Die Gesamttaktzeit 

kann dann entlang des kritischen Pfades eines solchen 

Netzes abgelesen werden. Diese Taktzeitdiagramme 

können auch verwendet werden, um direkt das Simulationsmodell 

zu steuern und um SPS-Programme zu erzeugen. 

Versuche mit Modellvarianten helfen so, die 

Produktionsprozesse bereits in einer frühen Engineeringphase 

zu optimieren. 

Auf Basis des funktionalen mechanischen Modells wird 

in einem weiteren Schritt ein Stromlaufplan für die Fertigungsanlage 

erstellt. Dazu werden im Rahmen der elektrischen 

Modellierung E/A-Module sowie Ventilinseln definiert 

und verschaltet. Manchmal besitzt das Modell eines 

Feldgerätes hierbei nicht die originale E/A-Anschaltung. 

In einem solchen Fall kann dem Simulationsmodell ein 

Logikkonverter vorgeschaltet werden, der die Originalbelegung 

herstellt, um so die realen Steuerungsprogramme 

unverändert testen zu können. In diesem Engineeringschritt 

ist es außerdem besonders wichtig, die einzelnen 

E/As manuell schalten und das logische Verhalten detailliert 

in der Simulation beobachten zu können. 

1.2 Steuerungsprogramme 

Ein wesentlicher Vorteil der virtuellen Produktion ist 

die Möglichkeit, Steuerungsprogramme gegen ein realitätskonformes 

Simulationsmodell testen zu können, 

ohne den realen Anlagenaufbau zu benötigen. Die Programmierung 

kann dann viel früher beginnen, was aufgrund 

des Zeitvorteils beim Testen zu besseren Steuerungsprogrammen 

zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme 

führt. Dabei ist insbesondere entscheidend, dass die 

Steuerungsprogramme im Simulationssystem in den 

Originalsprachen verwendet werden können, um die 

direkte Verwendbarkeit auf der realen Fertigungsanlage 

ohne Konvertierung sicherzustellen. 

SPS-Programme können hierbei in der originalen Entwicklungsumgebung 

des jeweiligen Herstellers (zum Beispiel 

Siemens STEP 7) erstellt und innerhalb des Simulationssystems 

interpretiert werden [3]. Auch der Ablauf auf 

der Originalhardware mit einer Simulationskopplung mittels 

OPC [4] und Hardware-in-the-Loop (HiL) oder die Verbindung 

mit einem SPS-Emulator wie beispielsweise Siemens 

PLCsim sind möglich. Bild 3 zeigt, wie E/As einer 

externen SPS mithilfe eines Steuerungsobjekts in die Simulationsumgebung 

integriert werden. Für die Modelle 

der einzelnen Feldgeräte ist die elektrische Anbindung 

damit vollkommen transparent, das heißt eine Unterscheidung 

je nach Art der elektrischen Ansteuerung ist nicht 

nötig. Hierdurch wird es sehr einfach, die unterschiedlichen 

Kopplungsarten zu verwenden und auszutauschen. 

Eine weitere Möglichkeit zur Erstellung von SPS-Programmen 

ist die Verwendung der beschriebenen Taktzeitdiagramme. 

Diese Sequenzen definieren Aktionen von 

Aktoren innerhalb des Modells und können die Simulation 

direkt steuern. Dies funktioniert allerdings nur in eine 

Richtung, da Systemantworten aus dem Modell in Form 

von elektrischen Signalen (zum Beispiel digitale Ausgangswerte 

eines Sensors) nicht ausgewertet werden. Um solche 

Signale in die Taktzeitdiagramme zu integrieren, werden 

die Aktionen der Aktoren mit Anfangs- und Endbedingungen 

ergänzt, die erfüllt sein müssen, bevor eine Aktion 

ausgeführt werden kann. Diese erweiterten Taktzeitdiagramme 

enthalten dann alle notwendigen Informationen, 

um bidirektional mit dem Simulationsmodell interagieren 

zu können. Diese Darstellungsform kann automatisch in 

die Ablaufsprache (AS) nach IEC 61131-3 überführt werden, 

um damit die Simulation zu steuern. Außerdem ermöglicht 

das eingesetzte Simulationssystem einen Export dieser 

Ablaufdiagramme, um sie anschließend in eine SPS-Entwicklungsumgebung 

zu importieren. 

1.3 Virtuelle Inbetriebnahme 

Nachdem die Phasen der mechanischen und elektrischen 

Modellierung sowie der Steuerungsprogrammierung 

durchlaufen wurden, kann das digitale Gesamtmodell 

einer Fertigungsanlage im Rahmen einer VIBN eingehend 

untersucht werden. Dazu wird die digitale Anlage in 3-D 

realzeitsynchron simuliert, wobei die originalen Steuerungsprogramme 

zum Einsatz kommen. Hiermit können 

die einzelnen Planungsstände validiert und Fehler oder 

Probleme aufgedeckt werden. Dabei umfasst die Simulation 

die folgenden Möglichkeiten: 

Mehrrobotersimulation mit den originalen Roboterprogrammen 

SPS-Simulation mit Taktzeitdiagrammen, Ablaufdiagrammen 

oder originalen Steuerungsprogrammen 

Simulation von Aktoren und Sensoren 

Transportsimulation für spurgeführte Werkstückträgertransfersysteme 

Anbindung von originalen Mensch-Maschine- 

Schnittstellen (HMI) an das Simulationsmodell 

Die Simulation von Robotern und Transportsystemen erlaubt 

die realitätsnahe Abbildung unterschiedlichster 

Gerätetypen verschiedener Hersteller, wobei die Programmierung 

der Roboter und SPSen in den Originalsprachen 

erfolgt. Externe Steuerungen, zum Beispiel der Stäubli 

CS8-Emulator oder Siemens PLCsim können ebenfalls an 

die Simulation gekoppelt werden und Achswerte senden 

oder E/A-Werte austauschen. Durch die Verwendung dieser 

externen Steuerungen werden die erzielbaren Taktzeitaussagen 

noch präziser. Insgesamt kann die VIBN so 

Probleme bereits in frühen Projektphasen aufdecken, teure 

Inbetriebnahmezeit vor Ort einsparen und einen früheren 

Produktionsstart ermöglichen. 

2. Integration von Transportsystemen 

Da automatisierte Fertigungsanlagen oft spurgeführte 

Transportsysteme beinhalten, muss das Simulationssystem 

dazu in der Lage sein, diese zu modellieren, zu simulieren 

und zu steuern. Ein Konzept, um dies zu erreichen, 

wird in [5] und [6] detailliert dargestellt; das zugrunde 

liegende Simulationssystem wird in [7] diskutiert. 

Die folgenden Abschnitte konzentrieren sich 

deshalb auf die Anwendung dieser Technologie für die 

VIBN, hier insbesondere bei der Simulation von Werkstückträgertransfersystemen. 

2.1 Modellierung 

Das erwähnte Konzept der zweistufigen Modellierung 

lässt sich auch auf Transportsysteme anwenden. In der 

systemnahen Modellierung werden dabei Transportkom- 


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29

Hauptbeitrag 

ponenten technisch detailliert abgebildet. Bild 4 zeigt 

die Kombination einer „toten“ CAD-Geometrie mit einem 

„unsichtbaren“ funktionalen Bibliotheksmodell. Dieses 

definiert ein Transportsegment zwischen zwei Knoten 

und kann einfach skaliert werden, um die Länge dem 

CAD-Modell anzupassen. 

Wenn eine Komponente ohne Verzerrungen intuitiv 

skalierbar sein soll, müssen die Einzelteile der Baugruppe 

mit Regeln ausgestattet werden, die unscharfe Kommandos 

wie zum Beispiel „Gesamtlänge 1200 mm“ interpretieren 

können. Diese werden dann in exakte Angaben 

für die einzelnen geometrischen und funktionalen 

Teilelemente überführt. Bild 5 zeigt zwei Beispiele für 

diese „intelligente“ Skalierung. Wenn das komplette 

Transportband links in der Länge gestreckt wird, darf 

der Motor nicht mitskaliert sondern er muss an eine neue 

Position versetzt werden. Zusätzlich wird auch das funktionale 

Transportsegment angepasst. Bei einer Längenanpassung 

der Transportstrecke auf der rechten Seite 

werden im richtigen Abstand neue Tragrollen auf dem 

gestreckten Element repliziert. 

Sobald das Modell einer Transportbaugruppe systemnah 

modelliert und erfolgreich getestet wurde, kann es 

in eine Bibliothek für die abstrakte Modellierung übernommen 

werden. Bild 6 zeigt ein typisches Beispiel für 

die Nutzung solcher vormodellierten Komponenten auf 

einer höheren Modellierungsebene. Eine Transportband, 

ein Kurvenelement, eine Hubeinheit und zwei Stopper 

werden aus der Modellbibliothek instanziiert und dem 

Gesamtmodell hinzugefügt. Anschließend werden diese 

Baugruppen mit Hilfe der Maus an die gewünschte Stelle 

im 3-D-Raum gezogen, wo sie automatisch mit den 

weiteren Komponenten funktional und geometrisch verbunden 

werden, wodurch ein voll funktionsfähiger 

Transportabschnitt entsteht. Hierbei müssen keine zusätzlichen 

Daten eingegeben werden, da die Gesamtfunktion 

durch die Aggregation der Daten in den Baugruppenmodellen 

bestimmt wird. 

2.2 Simulation 

Wenn das Transportsystem und die Werkstückträger 

auf die beschriebene Art modelliert und zusammengesetzt 

wurden, ist das Gesamtmodell komplett für die 

Simulation vorbereitet, wobei das Simulationskonzept 

dabei einen hybriden Ansatz verfolgt. Die Transportsimulation 

wurde in ein Simulationssystem eingebettet, 

dem ein zeitdiskreter Ansatz mit festen Zeitschritten 

zugrunde liegt. Diese zeitbasierte Simulation wird 

für alle Roboter, SPSen, Aktoren und Sensoren des Modells 

eingesetzt. Da Transportprozesse sehr zeitkritisch 

sind, nutzt die Transportsimulation eine ereignisbasierte 

Simulation innerhalb jedes einzelnen Zeitschritts 

des „umgebenden“ Simulationssystems. Dabei wird der 

Zeitpunkt jedes einzelnen Transportereignisses exakt 

berechnet. Ein solches Ereignis ist zum Beispiel das 

Auffahren eines Werkstückträgers auf einen Stopper 

oder einen weiteren Werkstückträger. 

Da der Zustand des Gesamtmodells für jeden Zeitschritt 

bestimmt und die 3-D-Szene dann neu gezeichnet 

wird, kann die Simulation in Echtzeit direkt verfolgt 

werden [8]. Während der laufenden Simulation werden 

ständig Benutzereingaben abgefragt, sodass jederzeit die 

Ansicht verändert oder mit der virtuellen Anlage interagiert 

werden kann. Hierdurch kann beispielsweise ein 

Träger vom Band entfernt und an einer anderen Stelle 

wieder eingesetzt werden, um die Reaktion der Steuerung 

zu überprüfen. 

Bei der Simulation der Transportprozesse werden die 

Bewegungen der Werkstückträger entlang von geometrischen 

Pfaden berechnet. Dabei können den Transportbändern 

und/oder den Werkstückträgern Antriebe mit 

einer Maximalgeschwindigkeit v und einer Beschleunigung 

a zugeordnet werden. Die Simulation berücksichtigt 

dann auch physikalische Effekte wie Gravitation 

und Gleitreibung. Letzteres erfordert die Vorgabe von 

globalen oder lokalen Gleitreibungskoeffizienten µK. Die 

hierfür entwickelte Berechnungsmethode benötigt keinerlei 

Massen der Werkstückträger oder der transportierten 

Objekte, sodass der Aufwand zur Erhebung der 

Modellparameter gering ist. Das Kontaktverhalten der 

Werkstückträger wird auf Basis der geometrischen Hülle 

simuliert. Bild 7 zeigt hierzu den Ausschnitt eines 

Transportmodells mit Werkstückträgern, die sich in einer 

Kurve aufstauen. 

3. Nutzung von virtueller Realität (VR) 

Eine entscheidende Eigenschaft der virtuellen Produktion 

ist die Möglichkeit, Ideen, Designs und Prozesse 

mit Hilfe von hochwertigen digitalen 3-D-Modellen und 

Simulationsergebnissen zu kommunizieren. Diese 

Kommunikation kann noch weiter verbessert werden, 

wenn die Präsentation der Modelle auf großen Bildschirmen 

mit Hilfe von 3-D-Stereoprojektion erfolgt. 

Derartige Systeme werden zum Beispiel im Rahmen des 

Kontinuierlichen Verbesserungsprozesses (KVP) bereits 

exemplarisch eingesetzt [9]. Die höchste Ausbaustufe 

ist dann die Nutzung einer 360° Stereo-Projektionsumgebung, 

in der sich der Betrachter frei bewegen und 

dabei die gesamte Anlage beobachten und im Idealfall 

auch mit ihr interagieren kann. 

Allgemein werden die im Rahmen des virtuellen Engineering 

erstellten Anlagenmodelle jedoch kaum in 

VR-Anwendungen weiter genutzt. Stattdessen werden 

einfache Teilmodelle für die VR parallel erstellt, was 

eine VR-gestützte VIBN unmöglich macht. Eine Verwendung 

funktionaler Modelle der virtuellen Produktion 

in der VR kann jedoch deren gewinnbringenden 

Einsatz weiter steigern. 

Die Nebenläufigkeit der beiden Vorgehensweisen 

kann beseitigt werden, indem beim virtual engineering 

ein Simulationssystem verwendet wird, welches 

auch die Methoden der VR unterstützt. Die durchgängige 

Integration von Methoden der VR in das betriebliche 

virtual engineering eröffnet Unternehmen so die 

Möglichkeit, die VR in jeder Projektphase unkompliziert 

zu nutzen. Sie begleiten durch die Unterstützung 

etwa von Marketing, Schulung und Weiterentwicklung 

das Fertigungssystem in seinem Lebenszyklus 

deutlich über den Produktionsstart hinaus. Durch die 

Minimierung von Schnittstellen gewährleistet diese 

vereinheitlichende Betrachtung den nahtlosen Übergang 

zwischen den einzelnen Phasen im Anlagenlebenszyklus 

[10]. 

Eine wesentliche Anforderung an die virtuelle Realität 

im Umfeld des Engineering von Fertigungsanlagen ist, 

dass die Nutzer in intuitiver Weise mit dem digitalen 

Modell interagieren müssen. Ein Simulationssystem das 

hier zum Einsatz kommt, muss also über die Fähigkeit 

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6 / 2011

BILD 4: Systemnahe Modellierung eines Transportbandes 

durch Kombination einer „toten“ Geometrie mit einem 

„unsichtbaren“ funktionalen Modell 

BILD 5: Intelligente Skalierung von Transportkomponenten 

BILD 6: Abstrakte Modellierung: automatisches 

Verbinden von Bibliothekskomponenten in 3-D 

BILD 7: 

Abschnitt eines 

Transportsystems: 

Werkstückträger stauen 

sich in einer Kurve. 

verfügen, jederzeit während der laufenden Simulation 

auf Änderungen des Modells von außen zu reagieren, 

wobei unterschiedliche Methoden für die Benutzerinteraktion 

verwendet werden können [11]. 

Möglichkeiten zur Manipulation des Simulationsmodells 

beinhalten zum Beispiel das Drücken von virtuellen 

Schaltern, den Umgang mit Fertigungseinrichtungen 

oder das Bewegen von Werkstücken. Bild 8 zeigt im oberen 

Bereich eine Aufnahme, die in einer siebenseitigen 

Stereo-Rückprojektionsumgebung aufgenommen wurde. 

Bei dem Modell handelt es sich um eine komplette Fabrik 

mit einem Werkstückträgertransfersystem. Im Bild 

nimmt der Anwender einen Werkstückträger von einem 

Transportband, um ihn zu inspizieren und die Reaktion 

des Steuerungsprogramms auf diese Aktion zu untersuchen. 

Hier wird erkennbar, dass es für den Arbeitsfluss 

von entscheidender Bedeutung ist, dass die Modelle und 

Interaktionsmöglichkeiten in der VIBN und der VR übereinstimmen. 

Dies wird durch die in Bild 8 dargestellte 

Systemstruktur gewährleistet. 

4. Anwendungsbeispiele 

Bild 9 zeigt ein Transportsystem mit Bandstrecken, Kurven, 

einem geneigten Band, einem Aufzug, Hubquereinheiten, 

Hubpositioniereinheiten und einigen Werkstückträgern. 

Die Steuerungsprogramme für alle Komponenten 

wurden in der Entwicklungsumgebung für Siemens 

Step7 erstellt und zur internen Interpretation in einer 

virtuellen SPS in das Simulationssystem importiert. 

Bild 10 stellt das Modell einer umlaufenden Produktionslinie 

dar, die bei der Anlagenplanung aufgebaut wurde, 

um eine VIBN durchzuführen. Die Methoden der 


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31

Hauptbeitrag 

BILD 8: Systemstruktur mit VR für die VIBN 

BILD 10: Virtuelle Fabrik: Werkstückträger transportieren 

Material zu Roboterarbeitsstationen. 

BILD 9: Modell eines 

komplexen Transportsystems 

Bild 11: Übergabe eines Werkstückträgers 

an einen virtuellen Werker 

Transportsimulation dienen dem Transport von Werkstückträgern 

über ein Bandsystem zwischen den einzelnen 

Roboterarbeitsstationen. Die Orientierung der Werkstückträger 

kann anhand einer farblichen Markierung, 

die in den Stationen von einem Farbsensor ausgelesen 

wird, ermittelt werden. Es ist also möglich, einen Werkstückträger 

an einer beliebigen Stelle zu entnehmen und 

an einer anderen Stelle in beliebiger Orientierung wieder 

einzulasten. 

Bild 11 zeigt eine Möglichkeit zur Interaktion während 

einer VIBN. Ein entnommener Werkstückträger kann zu 

einem Werker in der virtuellen Welt hin bewegt werden. 

Bei ausreichender Nähe erscheint vor dem Werker die 

Metapher einer Ablageposition. Der Träger kann nun losgelassen 

werden und wird automatisch dem Werker 

übergeben. Dieser führt dann eine von verschiedenen 

vordefinierten Aufgaben aus. Im Bild rechts wird der 

entnommene Werkstückträger wieder in das Transportsystem 

eingelastet. 

Während die Interaktion mit dem Simulationsmodell 

stattfindet, werden alle anderen Komponenten des Modells 

normal weiter simuliert: Die Werkstückträger kreisen 

im System und die Roboter bearbeiten Werkstücke 

mit originalen Roboterprogrammen. So kann im Rahmen 

einer VIBN auf die gleiche Art und Weise mit einem Simulationsmodell 

interagiert werden wie mit der realen 

Fertigungsanlage. 

Zusammenfassung 

Zur virtuellen Inbetriebnahme von Transportprozessen mit 

einem 3-D-Simulationssystem wurden Verfahren zur Modellierung, 

Simulation und Steuerung von spurgebundenen 

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Transportsystemen vorgestellt. Ein zweistufiges Modellierungskonzept 

ermöglicht dabei die detaillierte systemnahe 

Modellierung und eine einfache abstrakte Modellierung 

von Gesamtsystemen. Physikalische Effekte wie Gravitation, 

Gleitreibung und Kontaktverhalten werden ohne zusätzlichen 

Modellierungsaufwand in der Simulation berücksichtigt. 

Durch ein hierarchisches Simulationsverfahren 

erfolgt neben einer exakten Simulation der Transportprozesse 

auch eine Berücksichtigung der Peripherie, insbeson- 

dere auch von SPSen und Sensoren. Realitätskonforme E/A- 

Schnittstellen ermöglichen die Verwendung originaler 

Programme zur Steuerung der Simulationsmodelle. Während 

der Simulation kann ein Anwender jederzeit mit dem 

Modell interagieren und direkt die Reaktion der simulierten 

Komponenten beobachten. 

Manuskripteingang 

31.01.2011 

Im Peer-Review-Verfahren begutachtet 

Referenzen 

Autoren 

[1] Roßmann, J.; Stern, O.; Wischnewski, R.: Virtual Production 

for Industrial Manufacturing Plants with Transport 

Systems. 6th EUROSIM Congress on Modelling and 

Simulation, Ljubljana, Slowenien, 9.-13. September 2007 

[2] Roßmann, J.; Stern, O.; Wischnewski, R.: Eine 

Systematik mit einem darauf abgestimmten Softwarewerkzeug 

zur durchgängigen Virtuellen Inbetriebnahme 

von Fertigungsanlagen – Von der Planung über die 

Simulation zum Betrieb. atp Automatisierungstechnische 

Praxis, Jahrgang 49, Heft 7, S. 52-56, Oldenbourg 

Verlag, München, 2007 

[3] Freund, E.; Hypki, A.; Heinze, F.; Bauer, R.: COSIMIR 

PLC – 3D Simulation of PLC Programs. 6th IFAC 

Symposium on Cost Oriented Automation, Berlin, 

Oktober 2001 

[4] Iwanitz, F.; Lange, J.: OPC – Grundlagen, Implementierung 

und Anwendung. Hüthig Verlag, 2005 

[5] Wischnewski, R.; Freund, E.: Modeling, Simulation and 

Emulation of Modular Carrier Based Transport 

Systems. Proceedings of the 2004 IEEE International 

Conference on Robotics and Automation (ICRA); New 

Orleans, USA, April 2004 

[6] Wischnewski, R.; Roßmann, J.: A New Hybrid Time- 

Based / Event-Based Simulation Method for Transport 

Systems Considering Physical Effects, Proceedings of 

the 2010 IEEE Conference on Robotics, Automation and 

Mechatronics (RAM), Singapur, 28.-30. Juni 2010 

[7] Roßmann, J.; Wischnewski, R.; Stern, O.: A Comprehensive 

3-D Simulation System for the Virtual 

Production, Proceedings of the 8th International 

Industrial Simulation Conference (ISC), Budapest, 

Ungarn, 7.-9. Juni 2010, S. 109-116 

[8] Freund, E.; Feist, R.; Pensky, D.; Wischnewski, R.: 3-D 

Graphical Simulation of Complete Manufacturing 

Systems in Real-Time. Proceedings of the 6th IASTED 

Conference on Control and Applications (CA 2004); 

Marina del Rey, USA, März 2004 

[9] Aurich, J. C.; Hagen, H.; Ostermayer, D.; Bertram, M.: 

VR-unterstützter KVP-Workshop - Neues Anwendungsfeld 

des virtual engineering. wt Werkstatttechnik 

online, Jahrgang 96, Heft 1/2, 2006 

[10] Roßmann, J.; Stern, O.; Wischnewski, R.: Ein Konzept 

und ein Werkzeug für den durchgängigen Einsatz der 

VR im virtual engineering. 11. IFF-Wissenschaftstage 

2008; Magdeburg, 25.-26. Juni 2008 

[11] Roßmann, J.; Wischnewski, R.: Realitätsnahe 

Simulation und Visualisierung industrieller Transportprozesse 

in VR-Anwendungen. 6. Workshop Augmented 

& Virtual Reality in der Produktentstehung, 

Paderborn, 14.-15. Juni 2007 

Prof. Dr.-Ing. Jürgen 

RoSSmann (geb. 1964) leitet 

den Lehrstuhl und das 

Institut für Mensch-Maschine-Interaktion 

der RWTH 

Aachen. Der Schwerpunkt 

seiner Arbeit liegt in der 

Verknüpfung von Forschungsergebnissen 

aus den 

Bereichen Robotik, Simulationstechnik und 

virtuelle Realität zur Entwicklung neuer Konzepte 

der Mensch-Maschine-Kommunikation. 

Institut für Mensch-Maschine-Interaktion, 

RWTH Aachen, Ahornstr. 55, D-52074 Aachen, 

Tel. +49 (0) 241 802 61 01, 

E-Mail: rossmann@mmi.rwth-aachen.de 

Dipl.-Inform. Oliver Stern 

(geb. 1969) leitet die Abteilung 

Robotertechnik der Dortmunder 

Initiative zur rechnerintegrierten 

Fertigung. Er beschäftigt 

sich hauptsächlich mit 

der Integration von Steuerungs- 

und Robotersimulationssystemen. 

RIF e.V. Robotertechnik, 

Joseph-von-Fraunhofer-Str. 20, D-44227 Dortmund, 

Tel. +49 (0) 231 970 07 82, E-Mail: stern@rif-ev.de 

Dr.-Ing. Dipl.-Inform. 

Roland Wischnewski 

(geb. 1971) leitet die Gruppe 

Industrielle Simulationsverfahren 

der Dortmunder 

Initiative zur rechnerintegrierten 

Fertigung. Sein 

Arbeitsgebiet ist insbesondere 

die 3-D-Echtzeitsimulation 

komplexer Transportsysteme. 

RIF e.V. Robotertechnik, 

Joseph-von-Fraunhofer-Str. 20, D-44227 Dortmund, 

Tel. +49 (0) 231 970 07 79, 

E-Mail: wischnewski@rif-ev.de 


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hauptbeitrag 

Qualitätskontrolle texturierter 

Kunststoffoberflächen 

Inspektion von Bahnwaren nach dem Prägen oder Bedrucken 

Bedruckte oder geprägte Kunststoffoberflächen sind insbesondere in der Möbel- und Autoindustrie 

beliebte Dekorelemente. Mit den verfügbaren Bildverarbeitungssystemen ist 

nur die Inspektion unstrukturierter Folien möglich. Bei unregelmäßigen Texturen, wie 

zum Beispiel Kunstleder oder Holzimitat, können diese Systeme die Fehlstellen nicht von 

der gewünschten Textur unterscheiden. Durch die Verwendung von Texturanalysealgorithmen 

wird auch für diese Produkte eine durchgängige Qualitätskontrolle möglich. Die 

Fehlstellen können in Echtzeit detektiert und klassifiziert werden. 

SCHLAGWÖRTER Bahninspektion / Texturanalyse / Extrusion 

Inline-inspection of textured plastics surfaces – 

Subheadline Essay englisch 

Embossed or printed plastic surfaces are widely used as decoration elements especially 

in the automotive or furniture industry. However, no inspection systems exist that can 

inspect products with irregular textures such as artificial leather or imitation wood.This 

paper describes a system for the inline inspection of extruded surfaces with irregular 

textures. By incorporating algorithms for texture analysis into an inspection system, 

defects can be reliably detected and classified at real-time. 

KEYWORDS web inspection / texture analysis / extrusion 

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Walter Michaeli, Klaus Berdel, Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV), RWTH Aachen 

Eine automatische, lückenlose Qualitätskontrolle 

von Kunststoffhalbzeugen wie Folien oder 

Profilen ist unter mehreren Gesichtspunkten 

wichtig: 

Die durchgängige Qualitätssicherung während der 

gesamten Wertschöpfungskette eines Produkts ermöglicht 

es, Fehler frühzeitig zu erkennen, Ausschuss 

zu vermeiden sowie Kosten, Material und 

Energie zu sparen. 

Erst die genaue Kenntnis der Produktqualität erlaubt 

es, den Herstellungsprozess zu optimieren. Dies ist 

insbesondere bei Einfahrprozessen, häufigen Produktwechseln 

oder Versuchsanlagen von Bedeutung [1]. 

In Märkten, in denen sich die Funktionalität konkurrierender 

Produkte kaum unterscheidet, kann die 

Qualität das kaufentscheidende Kriterium sein. Optische 

Inspektionssysteme helfen, diese sicherzustellen 

und vermeiden Reklamationen [2]. 

Die nach ISO 9000 ff. geforderte Qualitätsdokumentation 

wird für Kunststoffverarbeiter, insbesondere 

in der Automobilbranche, immer wichtiger [3]. 

Es ist für den Menschen ab einer Laufgeschwindigkeit 

von zirka 30 m/min unmöglich, eine Oberfläche 

von Bahnenware komplett zu überprüfen. Des Weiteren 

lässt die Aufmerksamkeit bei langwieriger, 

monotoner Arbeit stark nach. Daher ist eine automatische 

Qualitätskontrolle in vielen Fällen sinnvoll 

und notwendig. 

Folieninspektionssysteme für transparente oder glatte, 

unbedruckte Folien stellen den Stand der Technik dar und 

sind aus Bereichen wie der Medizintechnik oder der Verpackungsbranche 

nicht mehr wegzudenken [3]. Auch für 

Oberflächen mit sehr regelmäßigen Texturmustern oder 

textile Gewebe gibt es inzwischen zuverlässige Inspektionssysteme 

[4,5]. Diese Systeme versagen jedoch, wenn 

die Oberflächen eine unregelmäßige Textur aufweisen. 

Bei der Produktion dekorativer Produkte soll der Eindruck 

einer strengen Periodizität jedoch vermieden werden, 

da er nicht „natürlich“ wirkt. Typische Beispiele 

sind Holzimitat oder Kunstleder für die Möbel- beziehungsweise 

Autoindustrie (Bild 1). Die entsprechenden 

Texturen werden durch Prägen oder Bedrucken aufgebracht. 

Dabei werden die Druck- oder Prägewalzen entweder 

mit sehr langen Periodenlängen versehen, die 

nicht mehr als periodisch wahrgenommen werden, oder 

es werden mehrere Texturen mit unterschiedlichen Periodenlängen 

überlagert. 

Bei der Herstellung solcher Produkte können allerdings 

Fehler auftreten. Einerseits sind das typische Extrusionsfehler 

wie zum Beispiel Stippen, schwarze 

Punkte, Löcher, Streifen oder sonstige Verschmutzungen 

[6]. Andererseits treten auch beim Präge- oder Druckprozess 

Fehler auf. Mögliche Ursachen können Ablagerungen 

am Werkzeug sein, die sich lösen und dann an einer 

Walze haften bleiben, Schmutz, der sich von den Absauganlagen 

über den Walzen löst, Abnutzungserscheinungen 

oder Farbspritzer. Die Fehler zeichnen sich dadurch 

aus, dass sie nur sporadisch auftreten und so bei stichprobenartiger 

Sichtprüfung durch den Maschinenbediener 

nicht entdeckt werden. 

Daher hat das Institut für Kunststoffverarbeitung 

(IKV) an der RWTH Aachen im Rahmen eines durch 

das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie 

(BMWi) über die Arbeitsgemeinschaft industrieller 

Forschungsvereinigungen e.V. (AiF) geförderten Forschungsvorhabens 

(Nr. 15256 N) ein Verfahren zur Inline-Inspektion 

unregelmäßig texturierter Kunststoffbahnwaren 

entwickelt. 

1. Stand der Technik 

1.1 Aufbau von Inspektionssystemen 

Die Prüfaufgaben eines Folien- und Profilinspektionssystems 

sind die Erkennung der Position von Fehlstellen 

sowie ihre Klassifikation und Dokumentation. Inspektionssysteme 

bestehen aus einer oder mehreren Kameras, 

einer Lichtquelle und der Bedien- beziehungsweise Re- 


6 / 2011 

35

Hauptbeitrag 

cheneinheit (Bild 2). Diese Komponenten werden in die 

Anlage integriert. Für die Folien- und Profilinspektion 

werden CCD-Zeilenkameras als Bildsensoren eingesetzt. 

Um die Fehlstellen optimal abzubilden, wird eine Zeilenbeleuchtung 

so angebracht, dass der Kontrast zwischen 

Fehlstelle und Gutbereich im Bild maximal wird. 

Die Bilddaten der Kamera werden durch einen Framegrabber 

in ein digitales Format gewandelt und in den 

Rechner übertragen. Häufig finden auch schon erste 

Schritte der Bildauswertung auf dem Framegrabber statt. 

Der Rechner stellt mit seiner Software die zentrale Analyseeinheit 

eines Bildverarbeitungssystems dar. Er übernimmt 

die Auswertung der Bilddaten und dient zur 

Kommunikation mit Bediener und Qualitätsmanagementsystem. 

1.2 Inspektion einfarbiger, glatter und 

transparenter Folien 

Bei Inspektionssystemen für glatte, einfarbige oder transparente 

Folien erfolgt die Segmentierung, das heißt die 

Detektion der Position der Fehlstellen, über einen Schwellwert. 

Die Entscheidung, ob an einem Bildpunkt eine Fehlstelle 

vorliegt, hängt direkt vom gemessenen Helligkeitswert 

ab. Die Systeme speichern eine fehlerfreie Referenzzeile 

und ziehen diese von der aktuell gemessenen Zeile 

ab. Liegt die Differenz an einer Position über dem vom 

Einrichter oder Anwender vorgegebenen Empfindlichkeitswert, 

wird diese Position als fehlerhaft markiert. 

Um die unterschiedlichen Fehlertypen, wie Stippen, 

Brenner oder Fremdpartikel klassifizieren zu können, 

berechnet das System Merkmale, zum Beispiel basierend 

auf der Form der Fehlstelle. Anhand derer wird eine 

Klassifikation vorgenommen [6]. Moderne Systeme können 

selbst kleine Fehlstellen bei Abzugsgeschwindigkeiten 

von über 200 m/min zuverlässig erkennen. Diese 

Systeme versagen jedoch, wenn die Oberflächen mit einer 

Textur versehen sind. Die Textur verhindert, dass die 

Systeme eine geeignete Referenzzeile finden können. 

1.3 Grundlagen der Texturanalyse 

Es gibt keine einheitliche Definition für den Begriff der 

Textur [7,8]. In einer verbreiteten Definition werden die 

lokalen Feinstrukturen von Objekten, die sich durch 

Oberflächen-Eigenschaften und Lichtreflexionen ergeben, 

als Textur bezeichnet [7]. Texturen sind nur durch 

die Betrachtung von Nachbarschaften um jeden Pixel zu 

verstehen, da sie eine Beziehung zwischen benachbarten 

Pixeln herstellen. 

Es gibt mehrere Möglichkeiten, Texturen zu kategorisieren 

[7,8]. Eine verbreitete Einteilung besteht darin, 

BILD 1: 

Arten texturierter 

Kunststoffoberflächen 

BILD 2: 

Aufbau und 

Komponenten von 

Folieninspektionssystemen 

36 


6 / 2011

zwei Kategorien zu unterscheiden: Periodische (auch 

reguläre oder regelmäßige) Texturen und komplexe (oder 

auch irreguläre, statistische oder unregelmäßige) Texturen 

[7]. Bei Ersteren kann ein Basiselement identifiziert 

werden, durch dessen Wiederholung in horizontaler und 

vertikaler Richtung die Textur beschrieben werden 

kann. Bei komplexen Texturen ist es nicht möglich, ein 

solches Basiselement zu extrahieren. Sie wirken scheinbar 

zufällig (Bild 1). 

Um Texturen beschreiben und unterscheiden zu können, 

müssen aus den Bilddaten quantitativ erfassbare 

Merkmale extrahiert werden. Sie werden zu einem Merkmalsvektor 

zusammengefasst, der einen Bildpunkt oder 

eine Nachbarschaft von Bildpunkten charakterisiert. 

Nach Xie werden dazu vier grundsätzliche Ansätze unterschieden 

[9]: 

Strukturelle Ansätze können zur Beschreibung sehr 

regelmäßiger Texturen verwendet werden. Sie basieren 

darauf, dass es möglich ist, ein sich wiederholendes 

Basiselement und die dazugehörende Wiederholungsregel 

zu beschreiben. 

Statistische Ansätze nutzen statistische Maße, die 

die räumliche Verteilung der Bildpunkte charakterisieren. 

Die einfachsten Vertreter dieser Klasse sind 

die Berechnung des lokalen Mittelwerts oder der lokalen 

Varianz sowie Statistiken höherer Ordnung. 

Filterbasierte Ansätze gehen von der Annahme aus, 

dass ähnliche Texturen ein ähnliches Fourierspektrum 

aufweisen. Durch Verwendung von Filterbänken 

werden charakteristische Merkmale berechnet. 

Modellbasierte Ansätze versuchen, die Textur als 

statistischen Prozess, wie zum Beispiel als Markov- 

Kette, zu modellieren. Anhand der Parameter dieser 

Modelle können verschiedene Texturen erkannt 

werden. 

Es gibt jedoch keinen Ansatz, der für alle möglichen Texturen 

die besten Klassifikationsergebnisse liefert. Daher 

ist der benötigte Rechenaufwand das wichtigste Kriterium 

für die Auswahl eines Merkmalsextraktionsverfahrens 

für Echtzeitanwendungen. 

1.4 Klassifikation von Texturmerkmalen 

Ein Inspektionssystem muss anhand der Texturmerkmale 

zwischen Fehlstelle und Gut-Textur unterscheiden. 

Der Klassifikator unterteilt den Merkmalsraum in 

Bereiche, die einer Klasse zugeordnet werden. Merkmalsvektoren, 

die in einen bestimmten Bereich fallen, 

werden der entsprechenden Klasse zugeordnet. Es bieten 

sich drei grundlegende Ansätze für die Klassifikation 

an [9, 10]: 

BILD 3: 

Prüfstand zur Simulation 

der Inspektion endloser 

Halbzeuge 

online 

Merkmalsextraktion 

Klassifikation 

Kamerabild 

Auswertung 

Trainingsbild 


Training 

BILD 4: 

Aufbau der Software des 

Inspektionssystems 

Label 

offline 


6 / 2011 

37

Hauptbeitrag 

Bei der unüberwachten Klassifikation ist die Anzahl 

der Klassen nicht bekannt und es gibt keine Beispielvektoren 

für die einzelnen Klassen. Ausgehend von 

der Annahme, dass sich Merkmalsvektoren einer 

Klasse in räumlicher Nachbarschaft befinden, schätzt 

der Klassifikator die Anzahl der Klassen und die 

Klassenzugehörigkeit der Merkmalsvektoren ab. 

Bei der überwachten Klassifikation wird der Klassifikator 

sowohl mit der Gut-Textur als auch mit typischen 

Fehlermustern trainiert. Anhand dieser Trainingsdaten 

„lernt“ der Klassifikator den Unterschied 

zwischen der Gut-Textur und den einzelnen Fehlerklassen. 

Bei der semiüberwachten Klassifikation wird der 

Klassifikator vom Einrichter des Systems nur mit der 

Gut-Textur trainiert. Das Verfahren erkennt Abweichungen 

von der gewünschten Textur automatisch. 

Für die hier vorliegende Prüfaufgabe sind unüberwachte 

Ansätze, wie zum Beispiel Clustering, nicht geeignet, 

da sie zu rechenintensiv sind [10]. Semiüberwachte Ansätze 

ermöglichen eine einfache Einrichtung des Inspektionssystems, 

weil nur die Gut-Textur bekannt sein muss. 

Sie eignen sich gut, wenn die zu erwartenden Fehlerklassen 

unbekannt sind. Dabei weisen sie jedoch häufig höhere 

Fehlalarmraten auf als überwachte Ansätze. Semiüberwachte 

Ansätze können nur die zwei Klassen Gut- 

Bereich und Fehlstelle unterscheiden. Die Bestimmung 

der Art der Fehlstelle muss in einem gesonderten Schritt 

erfolgen. Der Vorteil der überwachten Klassifikatoren 

besteht neben der im Allgemeinen besseren Klassifikationsleistung 

darin, dass sie direkt zwischen den einzelnen 

Klassen unterscheiden können [9]. Um bisher unbekannte 

Fehler zu erkennen, kann der Klassifikator auf 

künstlich erzeugte Fehler trainiert werden [11]. 

1.5 Inspektion regelmäßig texturierter Oberflächen 

Es gibt zahlreiche Ansätze für die automatische Inspektion 

regelmäßig texturierter Oberflächen, insbesondere 

für Textilbahnwaren, die auf den beschriebenen Ansätzen 

beruhen. Ein guter Überblick dieser Ansätze findet 

sich in [5]. 

Am IKV wurde ein Verfahren zur Inspektion regelmäßig 

texturierter Kunststoffoberflächen entwickelt [4]. Es 

wird ein struktureller Ansatz verfolgt, bei dem von einem 

periodisch wiederholten Basiselement ausgegangen 

wird. Dieses Element wird bei der Segmentierung durch 

ein Template-Matching-Verfahren gesucht. Dadurch entstehen 

Bildsegmente, die im fehlerfreien Fall alle dem 

Basiselement entsprechen sollten. Anschließend wird 

für jedes Segment ein Differenzbild berechnet. In diesem 

können die Fehlstellen erkannt werden. 

1.6 Inspektion komplex texturierter Oberflächen 

In der Literatur finden sich mehrere Ansätze zur Inspektion 

komplex texturierter Folien. Ein ausführlicher Überblick 

über dieses Thema ist bei [9] zu finden. Die meisten 

der Ansätze wurden für die Inspektion texturierter Oberflächen 

aus anderen Materialien, wie zum Beispiel Holz, 

Textil, Stahl, Stein, Papier oder Keramikfliesen entwickelt 

oder sind nicht echtzeitfähig. 

Für die Inspektion von Marmorimitaten aus Kunststoff 

stellen Liu und MacGregor in [12] ein System vor. Hier liegt 

der Fokus allerdings weniger auf der Detektion von Fehlstellen, 

als auf der Bewertung des visuellen Gesamteindrucks. 

Massen et al. stellen in [13] ein System zur Inline- 

Inspektion texturierter Extrusionsartikel vor. Dort liegt 

der Schwerpunkt weniger auf der Analyse der Texturen 

als auf der Beleuchtungsstrategie. Die Fehlstellen werden 

durch eine multisensorielle Beleuchtungsstrategie hervorgehoben, 

bei der mehrere Beleuchtungs-/Kamera-Module 

wie Farbkameras, UV-Kameras und Graustufenkameras 

mit stark gerichteter Beleuchtung kombiniert werden. 

2. Aufbau und Struktur des 

InspektionS Systems 

Für Entwicklungs- und Testzwecke werden die Komponenten 

Kamera, Beleuchtung und Recheneinheit zu einem 

Laborsystem zusammengestellt, welches zusätzlich über 

eine angetriebene Probenaufnahme verfügt, die den kontinuierlich 

laufenden Extrusionsprozesses simuliert (Bild 

3). Eine LED-Linienleuchte wirft einen linienförmigen 

Lichtstrahl quer zur Extrusionsrichtung auf die Produktoberfläche. 

Ihr Winkel zur Probe und zur Kamera lässt 

sich frei wählen. Eine Zeilenkamera bildet die Oberfläche 

ab. Die Zeilenrate der Kamera wird mit der Abzugsgeschwindigkeit 

über einen Inkrementaldrehgeber synchronisiert, 

sodass die Pixelgröße in Extrusionsrichtung von 

der Abzugsgeschwindigkeit unabhängig ist. 

Bild 4 stellt den Ablauf des Bildverarbeitungsalgorithmus 

der Auswertungssoftware schematisch dar. Das System 

nutzt einen überwachten Klassifikator. Dabei gibt der 

Einrichter dem System sowohl die Gut- als auch Fehlermuster 

vor, mit denen der Klassifikator in einem Training, 

das heißt offline, bei der Einrichtung des Systems, trainiert 

wird. Im Inspektionsmodus (online) werden mehrere 

aufeinanderfolgende Bildzeilen zu einem Bild (frame) 

zusammengefasst. Aus diesen Bilddaten werden mit dem 

gleichen Ansatz wie beim Training Merkmalsvektoren 

bestimmt, anhand derer der zuvor trainierte Klassifikator 

zwischen den einzelnen Klassen unterscheidet. Danach 

können die Daten protokolliert oder als Fehlerkarte auf 

dem Bildschirm dargestellt werden. 

2.1 Merkmalsextraktion mit dem 

Local Binary Pattern-Operator 

Im Merkmalsextraktionsschritt werden aus den Bilddaten 

Texturmerkmale extrahiert, die zu einem Merkmalsvektor 

zusammengefasst werden. Dazu wird in diesem Projekt 

ein statistischer Ansatz, das so genannte Local Binary 

Pattern (LBP)-Verfahren, verwendet. Das Verfahren benötigt 

wenige Rechenschritte und ist daher für die Echtzeitanwendung 

geeignet. Des Weiteren ist es invariant 

gegenüber langsamen Änderungen des Helligkeitsmittelwerts, 

wie sie beispielsweise bei Änderungen der Umgebungsbeleuchtung 

oder Vibrationen der Bahn auftreten. 

Die Local Binary Patterns wurden in [14] vorgestellt. 

Sie stellen ein statistisches Maß für den lokalen Bildkon- 

38 


6 / 2011

BILD 5: 


mit dem LBP-Operator 

Thread 

Programmsteuerung 

Thread 

Bildaufnahme 

Thread 


und Klassifikation 

. . . 

Thread 



. . . 

Thread 

Ausgabe, 

Auswertung, 

Kommunikation 

Thread 



BILD 6: 

Parallelisierung durch 

Aufteilung auf Threads 

trast dar. Für jedes Pixel des Bildes wird der LBP-Code 

berechnet. Dabei wird um jeden Pixel ein 3 x 3 Pixel großes 

Fenster betrachtet. Der Mittelpunkt dient als Referenzwert. 

Alle Nachbarpixel mit einem höheren oder 

gleichen Grauwert werden mit einer 1 markiert, die übrigen 

mit einer 0. Die gewichtete Summe der Markierungen 

ergibt den LBP-Code, wobei die Gewichte unterschiedliche 

Zweierpotenzen in Abhängigkeit von ihrer 

Position im Fenster sind (Bild 5, oben). Danach wird das 

gesamte Bild gekachelt. Für jede Kachel wird die Häufigkeitsverteilung 

der LBP-Codes gebildet und als Merkmalsvektor 

verwendet (Bild 5, unten). So wird ein 256-dimensionaler 

Merkmalsvektor für jede Bildkachel erzeugt. 

Die optimale Größe der Bildkacheln ist abhängig von der 

Textur und den Fehlern und wird experimentell ermittelt. 

Durch die Kachelung wird die Anzahl der nötigen 

Klassifikationen auf die Anzahl der Kacheln reduziert, 

was einen Geschwindigkeitsvorteil mit sich bringt. 

2.2 Klassifikation 

Für die überwachte Klassifikation werden in der Literatur 

zahlreiche Ansätze vorgestellt [10]. In diesem System 

werden künstliche neuronale Netze mit der Multilayer- 

Perzeptron-Topologie verwendet. Sie zeichnen sich dadurch 

aus, dass sie auch nicht linear trennbare Merkmalsräume 

trennen können und weisen unabhängig von 

der Anzahl der Trainingsdaten eine hohe Ausführungsgeschwindigkeit 

auf. Sie wurden am IKV bereits in früheren 

Projekten erfolgreich eingesetzt [4,6]. 

Künstliche neuronale Netze sind in Analogie zum 

menschlichen Gehirn aus Neuronen aufgebaut. Die 

Neuronen sind untereinander über gewichtete Verbindungen 

verknüpft. In Abhängigkeit dieser Gewichte 

wird ein am Eingang gegebener Merkmalsvektor einer 

bestimmten Klasse zugeordnet. Während der Lernphase 

werden die Gewichte der Verbindungen solange angepasst 

bis der Erkennungsfehler auf den Trainingsdaten 

minimal wird. 

2.3 Implementierung und Parallelisierungsstrategien 

Die Auswertung läuft auf einem leistungsfähigen, handelsüblichen 

Industrie-PC. In der Entwicklung neuer 

Prozessoren werden in Zukunft immer häufiger Mehrkernprozessoren 

statt höherer Taktraten für einen Prozessorkern 

verwendet [15]. Diese verfügen über mehr als 

einen Hauptprozessor auf einem einzigen Chip. Um die 


6 / 2011 

39

Hauptbeitrag 

BILD 7: 

Typische Fehlstellen 

auf bedruckten oder 

geprägten Extrudaten 

BILD 8: 

Manuell aufgebrachte 

Fehlstellen auf komplex 

texturierten Oberflächen 

Möglichkeiten dieser Technologie effektiv zu nutzen, 

werden die Komponenten der Auswertungsalgorithmik 

auf Threads verteilt, das heißt Teile des Programms, die 

parallel ablaufen können. Bild 6 stellt diese Aufteilung 

dar. Dabei müssen jeweils ein Bildaufnahme-, ein Ausgabethread 

sowie mehrere Arbeitsthreads, die die Analyse 

parallel durchführen, vorhanden sein. 

Die Bilddaten werden vom Bildaufnahmethread von der 

Kamera in den Rechner übertragen und dann auf die Arbeitsthreads 

verteilt, in denen die eigentliche Analyse der 

Bilddaten parallel erfolgt. Ein weiterer Thread übernimmt 

die Ausgabe, Auswertung und Kommunikation. Verfügt 

ein Rechner über eine größere Anzahl an Prozessorkernen, 

können auch mehr Analysen gleichzeitig stattfinden. 

Dadurch können die Bilder in schnellerer Folge aufgenommen 

werden. So profitiert das Inspektionssystem direkt 

von neuen Entwicklungen im Bereich der PC Hardware. 

3. Test und Bewertung des Systems 

In Bild 7 sind typische Fehlstellen auf bedruckten oder 

geprägten Extrudaten abgebildet. Dabei handelt es sich 

um Fehler, die beim Prägen oder Bedrucken auftreten 

können. Die Aufnahmen wurden in Zusammenarbeit mit 

der Döllken-Kunststoffverarbeitung GmbH, Gladbeck, 

bei einem Test des Inspektionssystems unter industriellen 

Bedingungen erstellt. 

Diese Fehlstellen treten nur sehr selten und sporadisch 

auf, dennoch muss ein Inspektionssystem in der Lage 

sein, sie zuverlässig zu detektieren. Für die Entwicklung 

und Validierung des Inspektionssystems werden jedoch 

mehrere Fehlstellen gleichen Typs benötigt. Daher werden 

ähnliche Fehler verschiedener Größen auf Proben 

mit Kunstleder- und Holzimitat aufgebracht (Bild 8). Auf 

die 80 cm langen Proben werden jeweils 30 simulierte 

Fehlstellen von zwei (Holzimitat) beziehungsweise drei 

(Lederimitat) Fehlerklassen aufgebracht. 

Bei dem Versuch mit den Lederimitat-Testdaten wurde 

das System mit je zwei Fehlermustern pro Fehlerklasse 

trainiert, das heißt insgesamt sechs Fehlermuster. Für die 

Versuche mit dem Holzimitat wird mit insgesamt sieben 

Fehlermustern bei zwei verschiedenen Klassen trainiert. 

Für den LBP-Operator wird eine Kachelgröße von 32 x 32 

Pixeln verwendet. Das künstliche neuronale Netz wird 

mit 64 Eingangsneuronen und einer verdeckten Schicht 

40 


6 / 2011

Anzahl [ - ] 

35 

30 

25 

20 

15 

10 

5 

Gesamtzahl der 

Fehlstellen 

korrekt erkannt 

Fehlalarme 

BILD 9: 

Untersuchung der 

Klassifikationsleistung 

des Systems 

0 

Holzimitat 

Lederimitat 

BILD 10: 

Untersuchung der 

Klassifikationsgenauigkeit 

mit 32 Neuronen eingerichtet. Die Ergebnisse dieser Versuche 

sind in Bild 9 dargestellt. Bei dem Holzimitat-Datensatz 

werden 26 von 30 Fehlstellen korrekt erkannt. Es 

gibt keinen Fehlalarm, also keine Stelle, an der ein Gut- 

Bereich als fehlerhaft markiert wird. Bei dem Lederimitat- 

Datensatz werden bei zwei Fehlalarmen 27 von 30 Fehlstellen 

als solche erkannt. Damit kann gezeigt werden, 

dass eine zuverlässige, überwachte Detektion von Fehlstellen 

auf texturierten Kunststoffbahnwaren machbar ist. 

Zur Untersuchung des Auflösungsvermögens des Systems 

werden mit einem Grafikprogramm synthetische 

Fehlstellen verschiedener Größen in eine Aufnahme der 

Lederimitatprobe gezeichnet. Die Größe der Fehlstellen 

ist 5 x 5 Pixel, 8 x 8 Pixel, 10 x 10 Pixel, 20 x 20 Pixel, 

40 x 40 Pixel und 80 x 80 Pixel. Zum einen wird ein Gaußsches 

Rauschen und zum anderen eine homogene Fläche 

über die Textur gelegt. Der Klassifikator wird mit einem 

Bild trainiert, das eine 100 x 100 Pixel große Fehlstelle 

zeigt. Bild 10 zeigt die beiden Testbilder zusammen mit 

den Segmentierungsergebnissen bei einer Kachelgröße 

von 4 x 4 Pixeln, 8 x 8 Pixeln, und 16 x 16 Pixeln. 

Die kleinste detektierbare Fehlergröße hängt dabei 

sowohl von der gewählten Kachelgröße für den LBP- 

Operator als auch vom Verhältnis zwischen Fehlstelle 

und Struktur ab. Wird die Kachelgröße klein gewählt 

(4 x 4 Pixel), können auch sehr kleine Fehlstellen noch 

detektiert werden, der Preis dafür ist jedoch eine sehr 

hohe Fehlalarmrate. Ab einer Kachelgröße von 8x8 Pixeln 

können alle eingebauten Fehlstellen ab einer Größe 

von 8x8 Pixeln gefunden werden. Wird eine größere 

Kachelgröße gewählt, können kleinere Fehler nicht 

mehr detektiert werden. 

Um die Echtzeitfähigkeit zu testen, werden auf dem 

in Bild 3 dargestellten Prüfstand Versuche bei unterschiedlichen 

Abzugsgeschwindigkeiten durchgeführt. 

Bei diesen Versuchen kann bei einer eingestellten Auflösung 

von 137 µm/Pixel auf einem Intel-Xeon-Prozessor 

mit vier Prozessorkernen und Verwendung einer 

Kachelgröße von 32 x 32 Pixel bei einem neuronalen 

Netz mit 64 Eingangsneuronen und einer verdeckten 

Schicht mit 32 Neuronen eine Abzugsgeschwindigkeit 

von 30 m/min in Echtzeit untersucht werden. Da es sich 

bei diesem Aufbau jedoch nur um ein Funktionsmodell 

handelt, ist bei weiterer Optimierung von Hard- und 

Software die Inline-Inspektion bei weit höheren Geschwindigkeiten 

möglich. 


6 / 2011 

41

Hauptbeitrag 

Fazit und Ausblick 

Mit dem beschriebenen System wird gezeigt, dass die 

zuverlässige Detektion von Fehlstellen auf Kunststoffhalbzeugen 

mit komplexen Texturmustern auch bei 

hohen Abzugsgeschwindigkeiten machbar ist. Das System 

wurde mit Standard-Hardwarekomponenten realisiert, 

sodass eine einfache Übertragung der Ergebnisse 

in die Praxis durch Integration der vorgestellten Algorithmen 

in Folieninspektionssysteme möglich ist. Es ist 

im Laboreinsatz und unter industriellen Bedingungen 

getestet worden und hat sich als wenig anfällig gegen 

Störungen und Umwelteinflüsse gezeigt. Durch Laborversuche 

an Praxisbauteilen bei Geschwindigkeiten, 

wie sie bei Extrusionsprozessen mit Prägung oder Bedruckung 

üblich sind, wurden gute Klassifikationsergebnisse 

erzielt. 

Durch die Verteilung der Aufgaben auf mehrere Prozessorkerne 

kann das System direkt von Entwicklungen 

im Bereich der Hardware profitieren und die Inspektion 

in Zukunft auch bei höheren Extrusionsgeschwindigkeiten 

beziehungsweise Auflösungen durchführen. 


11.06.2010 


Autoren 

Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. 

Walter Michaeli 

(geb. 1946) leitet seit 1988 

das Institut für Kunststoffverarbeitung 

(IKV) an der 

RWTH Aachen. 

Dipl.-Ing. Klaus Berdel 

(geb. 1978) ist seit 2006 

wissenschaftlicher Mitarbeiter 

am IKV und leitet dort 

die Arbeitsgruppe digitale 

Bildverarbeitung/Qualitätssicherung. 

Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) 

an der RWTH Aachen, 

Pontstr. 49, D-52062 Aachen, 

Tel. +49 (0) 2 41 802 72 77, 

E-Mail: berdel@ikv.rwth-aachen.de 

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42 


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hauptbeitrag 

Holistic Workspace – Den 

Leitstand der Zukunft gestalten! 

Wie neue Technologien die Operatoren unterstützen 

Vor dem Hintergrund der zunehmenden Komplexität der Mensch-Maschine-Schnittstelle 

in der Arbeitsumgebung von Leitwartenoperatoren stellt der Beitrag eine domänenübergreifende 

Nutzungskontextanalyse vor: Was wird wann, wie und warum benutzt beziehungsweise 

sollte benutzbar sein? Auf Basis der erhobenen Daten werden neue Möglichkeiten 

entwickelt, um die Arbeitsumgebung von Operatoren zu optimieren. Die Konzepte 

berücksichtigen gleichermaßen die Gestaltungsebenen der Interaktion, der sozialen Kommunikation, 

die Unterstützung der Workflows sowie die physische Arbeitsumgebung. 

SCHLAGWÖRTER Mensch-Maschine-Interaktion / Nutzungskontextanalyse / Interaktionstechnologien 

Holistic Workspace – Designing the Future Control Room – 

How New Technologies Assist Operators 

This article presents an inter-domain context-of-use analysis that addresses the challenge 

posed by the constantly increasing complexity of the human-computer interface in the work 

environment of control room operators: what is when, how, and why used or should be 

usable, respectively? The data gathered are taken as a basis to develop new ways of optimizing 

the operators‘ work environment. These concepts consider likewise the design levels 

of interaction, social communication, workflow support, and physical surroundings. 

KEYWORDS Human-Machine-Interaction / Contextual Inquiry / Interaction Technologies 

44 


6 / 2011

Tobias Schwarz, Holger Oortmann, Siemens AG 

Harald Reiterer, Universität Konstanz 

Innerhalb der letzten Jahrzehnte ist die Komplexität der 

Arbeitsumgebung eines Operators durch immer mehr 

Informationen und die Anzahl der technischen Geräte 

gestiegen. Die zunehmende Automatisierung erleichtert 

es Operatoren, die einzelnen Vorgänge zu beherrschen, 

doch sie erschwert es ihnen, ein ganzheitliches 

mentales Modell der zu überwachenden Prozesse zu bilden. 

Dabei ist gerade die Generierung eines mentalen Modells 

für die Überwachung des aktuellen Systemstatus, 

im Speziellen beim Feststellen von Veränderungen in der 

Prozessdynamik, essenziell wichtig [1]. Das Überwachen 

und Kontrollieren von komplexen Prozessen, wie beispielsweise 

in der Energieerzeugung, erfordert eine hohe 

kognitive Beanspruchung von Operatoren [1]. Nach Künzler 

(2002) lassen sich 70 % bis 90 % aller Unfälle in Produktionsprozessen 

auf menschliche Fehler zurückführen 

[2]. Diese Zahlen verdeutlichen, dass der Mensch mit 

seinen angeborenen kognitiven Fähigkeiten beim Entwurf 

der Systeme nicht ausreichend berücksichtigt wurde. 

Dieses Problem lässt sich lösen, indem man nutzer- und 

arbeitsorientierte Konzepte entwickelt. Diese zielen darauf 

ab, Arbeitssysteme ganzheitlich zu gestalten, das heißt der 

soziotechnischen Tradition folgend die Entwicklung und 

den Einsatz von Technik, Organisation und Qualifikation 

der Nutzer gemeinsam zu optimieren. Anstatt also die Anpassung 

des Menschen an die Technik zu fordern, muss 

sich die Technik an den Menschen anpassen, „human 

pull“ statt „technology push“, oder „human driven“ statt 

„technology driven“. Ausgangspunkt für eine soziotechnische 

Systemgestaltung ist das Verständnis vom Denken 

und Handeln des Benutzers. So müssen schon in frühen 

Phasen eines anwenderorientierten Entwicklungsprozesses 

(User Centred Product Innovation) Bedürfnisse und 

Anforderungen der Benutzer evaluiert werden. Häufig enstehen 

Probleme bei der Produktakzeptanz dadurch, dass 

die Produkte nicht ausreichend auf die Aufgaben (Workflows) 

der Benutzer ausgerichtet sind [3]. 

Im Rahmen des Beitrags werden erste Ergebnisse des 

Forschungsprojektes „Holistic Workspace“ vorgestellt 

und diskutiert. Ziel ist die Gestaltung einer holistischen 

Arbeitsumgebung für Leitwartenmitarbeiter unter der 

Berücksichtigung neuer Technologien und Ansätze aus 

der Mensch-Maschine-Interaktion. In einer ersten Phase 

sind neben wissenschaftlichen Erkenntnissen auch die 

Bedürfnisse und Erwartungen der Nutzer über verschiedene 

Domänen hinweg, wie beispielsweise Kraftwerke, 

Flugsicherung und Tagebau, mittels einer Nutzungskontextanalyse 

vor Ort erhoben worden. Der Beitrag erläutert 

den Ablauf der Analyse, stellt die bedeutendsten Ergebnisse 

vor und leitet daraus Grundsätze für die zukünftige 

Gestaltung von Leitwarten ab. 

1. Grundlagen Mensch-Computer-Interaktion 

Erkenntnisse aus der Kognitionswissenschaft bestätigen, 

dass eine enge Verbindung zwischen Denkprozessen, der 

Wahrnehmung und körperlichen sowie sozialen Handlungen 

besteht [4]. Daraus folgt für das Design von interaktiven 

Systemen, dass der Mensch mit seinen physischen 

und kognitiven Fähigkeiten, seinem Kontext und seinem 

sozialen Umfeld zu betrachten ist [4]. Die Erkenntnisse aus 

der Kognitionspsychologie, der multimodalen Interaktion 

sowie des Tangible [5] und Social Computing werden zu 

einem neuen Paradigma unter dem Begriff Reality-Based 

Interaction [6] zusammengefasst. Dabei orientiert sich die 

Interaktion zwischen Mensch und Maschine an der realen 

Welt. Somit können gelernte und evolutionsbedingte Charakteristiken 

des Menschen genutzt werden, um Interaktion 

begreifbarer zu gestalten. Weiser veröffentlichte 1991 

seine Vision vom Computer des 21. Jahrhunderts [7]. Die 

Vision ist in der Wissenschaft unter den Paradigmen Ubiquitous 

Computing bekannt. Das menschliche Handeln 

soll allgegenwärtig durch eine Vielzahl von vernetzten, 

kontextsensitiven, interaktiven Geräten mit unterschiedlichen 

Formfaktoren (Pads und Boards) wie beispielsweise 

Smartphones, Tablet PCs oder hochauflösenden Großdisplays 

unterstützt werden [7]. 

Die dritte Phase in der Evolution der Mensch-Computer-Interaktion 

ist von dem Ziel geprägt, die Interaktion 

mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Endgeräten im 

Sinne des Ubiquitous Computing an den Prinzipien der 


6 / 2011 

45

Hauptbeitrag 

Realitiy-Based Interaction zu orientieren [8]. Benutzer 

interagieren dabei allein oder in Teams an gleichen oder 

unterschiedlichen Orten und wechseln dabei nahtlos 

zwischen realweltlicher Interaktion und Kommunikation 

sowie computergestützter Interaktion und Kommunikation. 

Dabei kommt es zu einer Vermischung (Blend) 

von realer und digitaler Welt in vielfältigen Bereichen. 

Die Arbeitsgruppe Mensch-Computer-Interaktion der 

Universität Konstanz bezeichnet dieses neue Interaktionsparadigma 

daher als Blended Interaction [8]. Bild 1 

zeigt die Gestaltungsebenen des Blended Interaction. 

Im Bereich der persönlichen Interaktion soll eine möglichst 

intuitive Bedienung erreicht werden, da die Benutzer 

an ihre Alltagserfahrungen bezüglich der Interaktion 

mit Objekten in der realen Welt anknüpfen können. 

Das Schreiben beispielsweise mit digitalen Stiften 

auf Papier bewirkt eine analoge und digitale Darstellung. 

Soziale Kommunikation kann zum Beispiel durch Multitouch-Systeme 

unterstützt werden. Der Einsatz der 

Systeme ermöglicht eine gleichberechtigte (demokratisierte) 

Form der Kommunikation, da mehrere Benutzer 

gleichzeitig interagieren und soziale Konventionen unmittelbare 

Berücksichtigung finden können. 

Im Rahmen der computergestützten Abläufe (Geschäftsprozesse) 

geht es um die Gestaltung der organisatorischen 

Einbettung von Abläufen in umfassende Prozesse sowie 

deren Unterstützung durch Informationstechnologie. Dabei 

sollte die Organisationsgestaltung an die Abläufe des Mitarbeiters 

angepasst sein. So wird beispielsweise in komplexen 

Prozessen meist nicht nur individuell, sondern verstärkt 

in Teams gearbeitet. Teammitglieder können durch den 

Einsatz digitaler Möglichkeiten, wie der Digital Pen & Paper- 

Technologie, sofort die Schichtprotokolle betrachten und 

per Suchfunktion in den Dokumenten suchen. Die Gestaltung 

der physischen Arbeitsumgebung bezeichnet McCullough 

(2004) als Digital Ground. Dabei werden Tische, Stühle, 

Wände, aber auch Ton und Licht in die Gestaltung der 

Interaktion miteinbezogen [9]. Ein- und Ausgabemedien 

werden ebenfalls an die räumlichen Gegebenheiten optimal 

angepasst (zum Beispiel gebogene Displays). 

Die alleinige Steigerung des Realitätsbezuges der Interaktion 

reicht hierbei nicht aus [8]. Die besondere Herausforderung 

und der vom Standpunkt des Operators entscheidende 

Vorteil besteht im sinnvollen Ineinandergreifen der 

erprobten Möglichkeiten der realen Welt und den digitalen 

Äquivalenten. In Anbetracht dessen ist es notwendig, einen 

aufeinander abgestimmten holistischen Ansatz für einen 

Operatorenarbeitsplatz zu gestalten, der sowohl die technische 

Infrastruktur (Benutzungsoberfläche, Eingabe-, Ausgabe-, 

Kommunikationsgeräte), die Arbeitsabläufe als auch 

die physischen Räumlichkeiten und sozialen Interaktionen 

sowie Kommunikation berücksichtigt. Der Ausgangspunkt 

für die Gestaltung einer holistischen Arbeitsumgebung ist 

die breit angelegte Nutzungskontextanalyse. 

2. Untersuchung 

2.1 Methodisches Vorgehen 

Die Nutzungskontextanalyse beschreibt ausführlich die 

realen Nutzungsbedingungen der Operatoren sowie die 

BILD 1: Die vier 

Gestaltungsebenen 

des 

Blended 

Interaction 

46 


6 / 2011

funktionellen Anforderungen an das System. Hierbei werden 

typische Arbeitsschritte (Workflows) aufgedeckt und 

kontextspezifische Schwierigkeiten berücksichtigt. Um 

eine hohe Ergebnisqualität zu erreichen, ist es erforderlich, 

die Experten in der natürlichen Arbeitsumgebung 

direkt vor Ort zu befragen. Der Nutzungskontext wurde 

aufgaben- und systemorientiert analysiert, folglich mit 

Hilfe eines Methodenmix aus Cognitive Work Analysis 

[10, 11] und Contextual Design [12]. Aufgrund der Besonderheiten 

bei der Analyse von komplexen Systemen, 

im Speziellen für Kraftwerke, wurde die Cognitive Work 

Analysis (CWA) entwickelt. Die CWA bildete den theoretischen 

Rahmen – die konkrete Anwendung der Methode 

erfordert jedoch eine langwierige und tiefgreifende Auseinandersetzung 

mit dem System. Gerade für einen Vergleich 

mehrerer Domänen sind daher die Instrumente des 

Contextual Design [12] (ethnographischer Ansatz) – teilnehmende 

Beobachtungen und Experteninterviews – besser 

geeignet. Bild 2 zeigt den Ablauf der Untersuchung 

vor Ort. Insgesamt wurden die jeweiligen Domänen zwischen 

sechs und acht Stunden vor Ort analysiert. 

Insgesamt konnten 12 unterschiedliche Operatorenarbeitsplätze 

in den 6 untersuchten Leitständen (Feuerwehrleitstand, 

Postautomatisierung, Tagebau, Flugsicherung und 

zwei Kraftwerksleitwarten) identifiziert werden. Die Arbeitsplätze 

unterscheiden sich durch jeweils andere Zuständigkeitsbereiche 

und andere Kernaufgaben innerhalb des 

Gesamtprozesses. Im Rahmen der Nutzungskontextanalysen 

wurden Interviews mit insgesamt 13 männlichen Mitarbeitern 

(7 Operatoren und 6 Schichtleitern) durchgeführt. 

Die Befragten waren durchschnittlich 47,38 (Standardabweichung, 

SD = 5,92) Jahre alt. Die selbst berichtete Computer-Expertise 

lag bei durchschnittlich 3,59 (SD = 0.92) auf 

einer Ratingskala von 1 = keine Kenntnisse bis 5 = ausgezeichnete 

Kenntnisse. Die besuchten Leitstände waren im 

Durchschnitt M = 3,48 (SD = 3,26) Jahre alt, der jüngste besuchte 

Leitstand ein halbes, der älteste 10 Jahre alt. 

2.2 Ergebnisse 

Im Rahmen der teilnehmenden Beobachtungen zeigte sich, 

dass für einen reibungslosen Ablauf des Prozesses eine 

ständige Kommunikation der beteiligten Personen erforderlich 

ist. Nachts und an Wochenenden arbeiten bis zu 4 

Personen (M = 2,55; SD = 1,04), tagsüber sogar bis zu 8 Personen 

gleichzeitig (M = 3,73; SD = 2,24) mit demselben System 

am gleichen Prozess. Derzeitige Systeme scheinen 

diese zwingende Kollaboration aber nur wenig zu unterstützen, 

da meist nur Eingabemöglichkeiten wie Maus und 

Tastatur zur Verfügung stehen. Kollaboration ist jedoch 

nicht nur zwischen den Mitarbeitern innerhalb der Leitwarte 

erforderlich. Zum Beispiel ist auch die Koordination 

von Technikern vor Ort eine wichtige Aufgabe. Gerade bei 

anormalen Betriebszuständen findet die Kommunikation 

über verschiedene Kanäle parallel statt – während der 

Techniker vor Ort über Funk kontaktiert werden kann, ist 

zur Kommunikation mit der Betriebszentrale ein Handy 

oder Telefon erforderlich. Dazu kommt die Kommunikation 

zwischen den Mitarbei tern, die meist von Angesicht 

zu Angesicht stattfindet, aber auch indirekt über papierbasierte 

Artefakte wie Notizen, Memos oder Warnschilder. 

Einführung in 

die Systeme 

1 bis 2 h 

Erste 

teilnehmende 

Beobachtung 

2 h 

Experten - 

interview 

45 min 

Zweite 

teilnehmende 

Beobachtung 

2 bis 3 h 

Abschluss - 

interview 

30 min 

BILD 2: Ablauf der Untersuchung vor Ort 

36 

32 

34 

28 

Anzahl der Geräte 

24 

20 

16 

12 

8 

4 

0 

22 

17 

18,67 

9 

7 

9 

6,25 

4 

3,42 

3 

1 

Eingabe Ausgabe Kommunikation Gesamt 

Mittelwert 

BILD 3: Eingabe-, 

Ausgabe- und 

Kommunikationsgeräte 

an den 

Arbeitsplätzen 


6 / 2011 

47

Hauptbeitrag 

BILD 4: Ergebnisse der 

Experteninterviews bezüglich 

der Optimierungspotenziale 

4 

Personalisierung 

7% 

5 

Geräte am 

Arbeitsplatz 

9% 

12 

Sonstige 

21% 

10 

Bildschirme 

17% 

13 

Physische 

Arbeitsumgebung 

23% 

13 

Informationsvisualisierung 

23% 

Anzahl Nennungen 

14 

12 

10 

8 

6 

4 

2 

0 

Mobile-Devices 

Multitouch 

Digital Pen&Paper 

Laser-Pointer 

Gesture-Interaction 

Eye-Tracking 

Voice-Control 

Nein 

Vielleicht 

Ja 

BILD 5: Bewertung der Nützlichkeit von Technologien durch Operatoren 

Die vielfältigen digitalen und analogen Kommunikationsmöglichkeiten 

führen zu einer entsprechenden Zahl 

an Geräten – bis zu 7 Kommunikationsgeräte wie Telefone, 

Handys und Funkgeräte befinden sich an einem 

Arbeitsplatz. Hinzu kommen Mäuse, Tastaturen, Joysticks, 

Bildschirme und so weiter, sodass ein durchschnittlicher 

Leitwartenmitarbeiter bei seiner täglichen 

Arbeit durchschnittlich bis zu M = 18,67 Geräte bedienen 

und beobachten muss (siehe Bild 3). 

Gleichermaßen verhält es sich bei der Verwendung von 

Software. Operatoren verwenden durchschnittlich 

M = 1,57 (SD = 2,23) Softwareprodukte. Schichtleiter hingegen 

sind bei ihrer täglichen Arbeit auf M = 7 (SD = 1,26) 

Software angewiesen. Erklärbar wird der Unterschied 

durch zusätzliche Verwaltungsaufgaben der Schichtleiter 

wie das Führen von Schichtplänen. Für diese Art von 

Aufgaben wird Bürosoftware wie beispielsweise MS 

Word oder MS Excel eingesetzt. 

Die hohe Zahl an unterschiedlichen Geräten und Softwareprodukten 

ist nach Aussagen der Mitarbeiter historisch 

gewachsen. Tatsächlich lässt sich beobachten, dass 

zwei oder mehr Softwareprogramme für identische Aufgaben 

genutzt werden. In Bezug auf die Informationsvisualisierung 

der Branchensoftware – vor allem die Darstellung 

von Meldungen – konnte mehrfach beobachtet 

werden, dass eine Vielzahl von Meldungen beim Operator 

angezeigt werden (bis zu 12 Meldungen pro Minute). 

Hinzu kommt der Umgang mit nicht einheitlich gestalteten 

Farbcodierungen, was auf die unterschiedlichen 

Softwareprodukte zurückzuführen ist. 

Im Rahmen der halbstandardisierten Experteninterviews 

wurden die Mitarbeiter zu Optimierungspotenzialen 

an ihren eigenen Arbeitsplätzen befragt. Es ergaben 

sich 57 Nennungen, die inhaltsanalytisch ausgewertet 

und aggregiert wurden. Nach Aussagen der Mitarbeiter 

besteht Handlungsbedarf in den Punkten physische Arbeitsumgebung, 

Informationsvisualisierung, Bildschirme, 

Anzahl der Geräte am Arbeitsplatz und Personalisierung 

(siehe Bild 4). 

In der physischen Arbeitsumgebung steht besonders 

der Wunsch nach besseren akustischen, vereinzelt auch 

Licht- und Klimaverhältnissen, im Vordergrund. In der 

Kategorie Informationsvisualisierung wünschen sich die 

Mitarbeiter eine verbesserte Prozessdarstellung und effizientere 

Anzeigen im Bereich Alarmmanagement. Neben 

der deutlichen Reduzierung von Einzelgeräten wünschen 

sich Operatoren und Schichtleiter größere Bildschirme 

mit höherer Auflösung. Die Befragten vermissen auch 

Funktionen zur Personalisierung von Systemen, also zum 

Beispiel die Möglichkeit, Oberflächen und Einstellungen 

stärker nach ihren Bedürfnissen zu konfigurieren. 

Ferner wurden neue Interaktionstechnologien für zukünftige 

Entwicklungen vorgestellt und deren Vor- und 

Nachteile für den spezifischen Arbeitskontext (N = 12) 

diskutiert. Über 80 % der Befragten beurteilten die Technologien 

Gesture-Interaction, Voice-Control und Eye- 

Tracking als nicht hilfreich im Kontext der Leitstände. 

Mobile-Devices würden sich 75 % der Befragten als Ergänzung 

in ihrer derzeitigen Arbeitsumgebung wünschen, 

da sich die Leitwartenmitarbeiter während der 

Schicht nicht oder nur sehr begrenzt von ihrem Arbeitsplatz 

entfernen dürfen (siehe Bild 5). 

Nach Aussagen der Mitarbeiter würde ein mobiles Gerät 

eine räumliche Flexibilität unterstützen. Die teilnehmende 

Beobachtung zeigte, dass sich zwei Operatoren 

vom Arbeitsplatz entfernen müssen, um beispielsweise 

Systemanzeigen außerhalb der Leitwarte zu überprüfen. 

Der Workflow der Mitarbeiter kann hier durch den Einsatz 

eines mobilen Geräts unterstützt werden. Das Gerät 

könnte beispielsweise jeweils die wichtigsten Meldungen 

visualisieren. Multitouch-Systeme wurden mit erleichterter 

Kollaboration und intuitiver Bedienung in 

Zusammenhang gebracht und daher von der Hälfte der 

Befragten als vorteilhaft für den eigenen Arbeitskontext 

48 


6 / 2011

BILD 6: 

Die holistische Arbeitsumgebung 

für Operatoren 

gesehen. Auch einen Einsatz der Digital Pen & Paper- 

Technologie konnten sich die meisten Befragten durchaus 

vorstellen. Die Mitarbeiter zweifelten jedoch an der 

Alltagstauglichkeit der Geräte. Die großen Wandbildschirme 

dienen lediglich der Überwachung von Teiloder 

Gesamtprozessen, daher wird im Arbeitskontext 

nur selten mit ihnen interagiert. So wurde der Laser- 

Pointer als wenig nützlich beurteilt. 

3. Diskussion der Ergebnisse 

Die Ergebnisse aus der Studie liefern wertvolle Erkenntnisse 

für die Gestaltung einer holistischen Arbeitsumgebung. 

Es zeigte sich, dass bei heutigen Entwicklungen 

immer das einzelne Produkt im Mittelpunkt steht, aber 

nie die Komposition aller Geräte am Arbeitsplatz. So müssen 

Operatoren beispielsweise Sammelsurien von bis zu 

34 Geräten beherrschen. Folglich findet der Operator keinen 

homogenen Arbeitsplatz vor sich, sondern eine Ansammlung 

von vielen verschiedenen Einzelgeräten. Die 

Vielzahl unterschiedlicher Geräte und Softwareprodukte 

könnte gerade bei anormalem Betrieb zu einer kognitiven 

Überforderung (cognitive overload) führen [13]. Folglich 

wird die Wahrscheinlichkeit von fehlerhaften Entscheidungen 

erhöht [14]. 

Eine konsistente Gestaltung der Benutzungsoberfläche 

und ein durchgängiges Bedienkonzept ermöglicht es dem 

Benutzer, Informationen schnell und effizient aufzufinden. 

Die Informationsvisualisierung und das Meldungsmanagement 

innerhalb der Softwaresysteme tragen derzeit 

wenig dazu bei, die Operatoren kognitiv zu entlasten 

– stattdessen werden häufig alle eingehenden Meldungen 

in Form von unübersichtlichen Listen angezeigt. Im Bereich 

der Informationsvisualisierung kann beispielsweise 

durch den gezielten Einsatz von Zoomingkonzepten 

eine Verbesserung erreicht werden. Des Weiteren sind 

Kollaboration und Kommunikation innerhalb der Leitwarte 

oder mit Technikern vor Ort essenzielle Bestandteile 

alltäglicher Arbeitsabläufe. Operatoren werden derzeit 

von den eingesetzten Technologien im Bereich der 

kollaborativen Arbeit durch die Maus oder Tastatur nicht 

ausreichend unterstützt. Dies wird auch von den Leitwartenmitarbeitern 

gesehen, die Informationsvisualisierung 

und Vereinheitlichung von Geräten am Arbeitsplatz als 

Optimierungspotenziale erkennen. Zukünftige Entwicklungen 

im Leitwartenkontext sollten sich daher stärker 

um einheitliche und nachhaltige Konzepte bemühen, die 

auf die kognitiven Informationsverarbeitungskapazitäten 

der Operatoren zugeschnitten sind. 

Die Experteninterviews haben gezeigt, dass der Einsatz 

neuer Technologien, wie beispielsweise die Multitouch- 

Technologie, von den Operatoren akzeptiert würde. Es 

gilt jedoch zu beachten, dass es sich bei der Stichprobe 

der befragten Operatoren um Personen mittleren Alters 

handelte, die aus sehr unterschiedlichen Berufen stammen. 

Beide Faktoren stellen, trotz der hohen Selbsteinschätzung 

der Probanden bezüglich ihrer Computerexpertise, 

besondere Anforderungen an die Gestaltung. 

4. Ausblick 

Im folgenden Abschnitt wird ein erstes Konzept für eine 

holistische Arbeitsumgebung vorgestellt, das als Grundlage 

für den Operatorenarbeitsplatz von Morgen angesehen 

werden kann (siehe Bild 6). Ziel ist dabei, durch Einsatz 

neuer technologischer Möglichkeiten der computergestützten 

Interaktion und Kommunikation, Menschen 

in ihren realen Abläufen zu entlasten. Dabei wird besonders 

Wert auf den nahtlosen Wechsel zwischen realweltlicher 

sowie computergestützter Interaktion gelegt (siehe 

Abschnitt 1). Die Interaktion zwischen Operator und System, 

die Kommunikation zwischen den Operatoren, die 


6 / 2011 

49

Hauptbeitrag 

BILD 7: 

Digital Pen & 

Paper-Technologie 

am 

Beispiel 

Schichtbuch 

Arbeitsabläufe sowie die Gestaltung des physischen Arbeitsumfelds 

werden gleichermaßen beachtet. So schafft 

beispielsweise die ergonomische Gestaltung der Räumlichkeiten 

und des Arbeitsplatzes (physisches Arbeitsumfeld) 

eine Atmosphäre, in der ein produktives Arbeiten 

unterstützt wird [15]. 

Innovative Lösungen erleichtern und beschleunigen 

die Arbeitsabläufe und reduzieren Fehlentscheidungen 

und Kosten. Insbesondere die Multitouch-Technologien 

ermöglichen die gemeinsame Eingabe mehrerer Personen 

und fördern damit kollaboratives Arbeiten. Gemeinsamer 

Zugriff erlaubt soziale Interaktionen wie Gesprächsführung, 

Gestik und Organisation. Durch die direkte Manipulation 

wird zugleich die Bedienung natürlicher. 

Das kollaborative Arbeiten beispielsweise bei Schichtübergaben 

kann durch große berührempfindliche Wandbildschirme 

unterstützt werden. Diese können zusätzlich 

mit der Ambient-Light-Technologie ausgestattet werden und 

je nach Status eine andere Farbgebung der Hintergrundbeleuchtung 

annehmen. So könnte sich im Störfall die Umrandung 

beispielsweise rot einfärben (siehe Bild 6). 

Im Bereich der Informationsdarstellung können durch 

den Einsatz von speziellen Visualisierungstechniken erhebliche 

Verbesserungen bei der Präsentation von großen 

Datenmengen erzielt werden. So werden beispielsweise 

mit der Fisheye-Technik Informationen im Fokus klar lesbar 

und vergrößert angezeigt, der Kontext wird zwar sichtbar 

aber nur auszugsweise abgebildet und dient somit der 

Referenzen 

[1] Wickens, C. D. und Holland, J. G.: Engineering psychology and 

human performance. Prentice Hall, New Jersey 2000 

[2] Künzler, C.: Kompetenzförderliche Sicherheitskultur, 

Ganzheitliche Gestaltung risikoreicher Arbeitssysteme 

Mensch, Technik, Organisation. Band 36. vdf Hochschulverlag, 

Zürich 2002 

[3] Schwichtenberg, B., Knapp, B., Oortmann, H.: Wokflow 

Analyse für Investitionsgüter. Usability Professionals (UPA), 

München 2010 

[4] Dourish, P.: Where The Action Is: The Foundations of 

Embodied Interaction. MIT Press, Cambridge 2001 

[5] Ishii, H., und Ullmer, B.: Tangible Bis: Towards Seamless 

Interfaces between People, Bits and Atoms. In Proceedings 

of the SIGCHI conference on Human factors in Computing 

Systems CHI 2007. ACM Press, New York, S. 234-241 

[6] Jacob, R. J., Girouard, A., Hirshfield, L. M., Horn, M. S., Shaer, 

O., Solovey, E. T., Zigelbaum, J.: Reality-based interaction: 

a framework for post-WIMP interfaces. In Twenty-Sixth 

Annual SIGCHI Conference on Human Factors in Computing 

Systems CHI 2008. ACM Press, New York, S. 201-210 

[7] Weiser, M.: The Computer for the Twenty-First Century. In 

Scientific American Vol. 265, No.3 1991, S. 94-100 

[8] Arbeitsgruppe Mensch-Computer Interaktion Universität 

Konstanz (2010). (http://hci.uni-konstanz.de/index. 

php?a=research&lang=en), Zugriff 04.04. 2010 

[9] McCullough, M.: Digital Ground: Architecture, Pervasive 

Computing, and Environmental Knowing. MIT Press, 

Cambridge 2004 

[10] Rasmussen, J.: Information Processing and Human-Machine 

Interaction. North-Holland, New York 1986 

50 


6 / 2011

Orientierung. Ferner werden bei semantischen Zoomverfahren 

die darzustellenden Inhalte beim Zoomen berücksichtigt, 

das heißt der Operator kann beispielsweise unter 

Erhalt des Kontextes in einer Kartendarstellung zoomen. 

Dabei bleibt der Überblick bei der Navigation im Kontext 

erhalten, und die Menge der dargestellten Information 

orientiert sich am verfügbaren Platz. 

Des Weiteren können spezifische Arbeitsabläufe durch 

Nomadic Devices wie beispielsweise Smartphones unterstützt 

werden. Die Visualisierung der wichtigsten Informationen 

auf diesen Geräten ermöglicht es, Aufgaben durchgängig 

an verschiedensten Orten, auch abseits des eigenen 

Arbeitsplatzes, verantwortungsvoll wahrzunehmen. 

Das Schichtbuch kann beispielsweise mittels der Digital 

Pen & Paper-Technologie geführt werden, wodurch 

die Daten sowohl in analoger als auch in digitaler Form 

vorliegen (siehe Bild 7). Somit findet nahezu ein nahtloser 

Übergang zwischen digitaler Welt und physischem 

Arbeitsbereich statt. 

5. Fazit 

Die erarbeiteten Konzepte einer holistischen Arbeitsumgebung 

werden auf Basis der domänenübergreifenden 

Untersuchungen im nächsten Schritt weiter umgesetzt. 

Dabei soll ein nahtloser Wechsel zwischen der realen und 

der computergestützten Interaktion sowie Kommunikation 

möglich sein, um die Arbeitszufriedenheit der Mitarbeiter 

zu steigern. Neue Interaktionstechnologien können 

einen wichtigen Beitrag zur Optimierung der Zusammenarbeit 

von Mensch und Technik leisten. Innovative und 

intuitive Lösungen erleichtern und beschleunigen die Arbeitsabläufe 

und reduzieren Fehlentscheidungen sowie 

Kosten im Unternehmen. 


26.05.2010 


Autoren 

M. Sc. Tobias Schwarz 

(geb. 1980) ist Doktorand 

der Siemens AG (Corporate 

Technology). Er ist verantwortlich 

für das Forschungsprojekt 

„Holistic 

Workspace“ mit den 

Schwerpunkten Usability 

Engineering und Interaction 

Design. Das Projekt wird in Kooperation mit 

der Universität Konstanz durchgeführt. 

Siemens AG, 

Corporate Research and Technologies 

(CT T DE IT 2), 

Otto-Hahn-Ring 6, 

D-81739 München, 

Tel. +49 (0) 89 63 64 96 53, 

E-Mail: schwarz.tobias.ext@siemens.com 

Dr.-Ing. Dipl.-Wirtsch.- 

Ing. Holger Oortmann 

(geb. 1970) ist als Program 

Manager verantwortlich für 

das Thema Usability 

Engineering bei der Corporate 

Technology der Siemens 

AG. Seit 1997 ist er 

auf dem Gebiet Usability 

Engineering für technische Systeme aktiv. 

Siemens AG, 

Corporate Research and Technologies 

(CT T DE IT 2), 

Otto-Hahn-Ring 6, 

D-81739 München, 

Tel. +49 (0) 89 63 64 63 42, 

E-Mail: holger.oortmann@siemens.com 

[11] Vicente, K. J.: Cognitive Work Analysis: Towards Safe, 

Productive, and Healthy Computer-Based Work. L. 

Erlbaum Associates Inc, Hillsdale 1999 

[12] Beyer, H. und Holtzblatt, K.: Contextual design: defining 

customer-centered systems. Morgan Kaufmann Publishers 

Inc, San Francisco 1998 

[13] Wittenberg, C.: Virtuelle Prozessvisualisierung am Beispiel 

eines verfahrenstechnischen Prozesses. Fortschritt- 

Bericht VDI Verlag, Düsseldorf 2001 

[14] Grams, T.: Bedienfehler und ihre Ursachen (Teil 1). 

atp-Automatisierungstechnische Praxis 40 (3). Oldenbourg 

Verlag, München 1998, S. 53-56 

[15] Hettinger, T., Kaminsky, G., Schmale, H.: Ergonomie am 

Arbeitsplatz. Daten zur menschengerechten Gestaltung der 

Arbeit (2. Aufl.). Kiehl Friedrich Verlag, Ludwigshafen 1989 

Prof. Dr. Harald 

Reiterer (geb. 1961) leitet 

die Arbeitsgruppe Mensch- 

Computer Interaktion im 

Fachbereich Informatik 

und Informationswissenschaft 

der Universität 

Konstanz. 

Seine Forschungsschwerpunkte 

liegen in den Bereichen Interaction 

Design, Usability Engineering und Information 

Visualization. 

Universität Konstanz, 

Arbeitsgruppe Mensch-Computer Interaktion, 

Universitätsstr. 10, D 73, 

D-78457 Konstanz, 

Tel. +49 (0) 7531 88 37 04, 

E-Mail: Harald.Reiterer@uni-konstanz.de 


6 / 2011 

51

hauptbeitrag 

Tests von Feldgeräten 

mit Profibus PA-3.02 

Praxisrelevante Versuche bestätigen Profilfunktionalität 

Unter Anwendern in der Prozessautomatisierung wächst die Nachfrage nach Feldgeräten 

mit den neuen Funktionalitäten des Profibus PA-Profils 3.02. Die Standardisierungsarbeiten 

und die Umsetzung des Profils in den Zertifizierungsprozess wurden 2009 in der 

Profibus Nutzer Organisation (PNO) erfolgreich abgeschlossen. Nun sollten – vom Standpunkt 

der Anwender aus gesehen – praxisrelevante Tests die Umsetzung und die Auswirkungen 

der neuen Funktionalitäten in den im Markt verfügbaren Feldgeräten und Hostsystemen 

aufzeigen. Der Beitrag beschreibt, wie erstmals herstellerunabhängig Feldgeräte 

im Prüflabor von BIS Prozesstechnik in Frankfurt am Main auf die Funktionalität des 

PA-Profils 3.02 hin getestet wurden. 

SCHLAGWÖRTER Profibus / Prozessautomation / PA Profil 3.02 / Asset Management / 

Life Cycle Management / Geräteintegration 

Tests of Field Devices with Profibus PA 3.02 – 

Practice-oriented Examinations Confirm Profile Functionality 

Users in process automation are more and more asking for field devices with implemented 

Profibus PA Profile 3.02. After finishing the standardization works and the implementation 

of the PA Profile 3.02 into the certification process of PI (Profibus & Profinet International) 

in 2009, practice-oriented examinations should demonstrate the realization and 

the impact of the new functionalities. The paper describes how field devices according to 

PA Profile 3.02 of different manufacturers have been tested at the test lab of BIS Prozesstechnik 

in Frankfurt/Main, Germany. 

KEYWORDS Profibus / Process Automation / PA Profile 3.02 / Asset Management / 

Life Cycle Management / Device Integration 

52 


6 / 2011

Michael Pelz, Clariant Produkte 

Sven Seintsch, BIS Prozesstechnik 

Steffen Ochsenreither, PNO 

Der gewohnte Umgang mit der konventionellen 

4-20-mA-Technologie diente als Maßstab für 

das Profibus PA Profil 3.02. Die Innovationen 

des Profils zielen vor allem auf eine vereinfachte 

Handhabung der Feldbustechnologie in 

der industriellen Praxis ab. Die wesentlichen Neuerungen 

im Profil 3.02 sind die grundlegenden Maßnahmen 

zur Vereinfachung der Geräteintegration über den Lebenszyklus 

einer Produktionsanlage. Es handelt sich 

beispielsweise um Vorschriften zur Kennzeichnung der 

Software-Variante am Gerät, die automatische Anpassung 

an Funktionalität von Vorgängerversionen im zyklischen 

Verkehr, herstellerübergreifende Richtlinien 

für Änderungen der Gerätesoftware und deren Auswirkung 

auf Kompatibilität. Darüber hinaus definiert das 

Profil 3.02 die verpflichtende Abbildung der spezifischen 

Diagnoseinformationen von Feldgeräten auf standardisierte 

Kategorien (NE107 – Selbstüberwachung 

und Diagnose von Feldgeräten) und den deutlich 

schnelleren Transfer von Feldgerätedaten, zum Beispiel 

bei der Übertragung von parametrierten Daten während 

eines Gerätetauschs. 

1. Praxisrelevante Testszenarien 

Nach Verabschiedung des Profils 3.02 galt es, die Praxistauglichkeit 

zu beweisen. Dafür wurden im Prüflabor 

der BIS Prozesstechnik verschiedene Testfälle durchgespielt, 

in denen die neuen Geräte ihre Einsatzfähigkeit 

beweisen mussten. Für die praktischen Tests wurden 

zwei Geräte verwendet: ein Stellungsregler der Firma 

Samson sowie ein Temperaturtransmitter der Firma 

Endress+Hauser. Bei diesem handelt es sich zwar um ein 

Profil-3.01-Gerät, jedoch wurde hier die Funktionalität 

des neuen Profils 3.02 bereits vom Hersteller implementiert. 

Die Feldgeräte wurden in fünf verschiedenen Aufbauten 

mit Leitsystemen der Hersteller Siemens, ABB 

und Schneider getestet. Im Fokus stand dabei der Austausch 

eines Altgerätes gegen ein Neugerät; ein Fall, wie 

er häufig in der Praxis auftritt, wenn in einer bestehenden 

Anlage ein Gerät ausfällt und durch ein Gerät mit 

einer neueren Version ersetzt werden muss. 

Im betrieblichen Alltag lässt sich die Gerätekonfiguration 

im Leitsystem ohne einen Stopp des zyklischen Datenaustauschs 

und somit einer Unterbrechung der Prozessführung 

oft nicht ändern. Hierfür ist es wichtig, dem 

Anwender eine Lösung zur Verfügung zu stellen, bei der 

der zyklische Teil des Automatisierungssystems beim 

Gerätewechsel nicht betroffen ist. Ein Testszenario ist 

im Bild 1 dargestellt. 

2. Aufbau und Vorgehen 

An allen Leitsystemen wurde ein PA-Strang mit Feldgeräten 

konfiguriert und in Betrieb genommen. Daraufhin 

erfolgte der Austausch des konfigurierten Gerätes 

gegen ein Gerät neuerer Version mit der entsprechenden 

Busadresse. Überwacht wurde sowohl die zyklische 

Messwertübertragung als auch der Status des 

Messwertes. Um möglichst viele Einsatzfälle abdecken 

zu können, erstreckte sich der Test über verschiedene 

Konfigurationen: 

So kann der Stellungsregler beispielsweise nur zur 

Übertragung des Stellsignals vorgesehen sein oder 

aber auch zusätzlich die aktuelle Ventilstellung und 

die diskreten Ventilpositionen übertragen. Weitere 

Konfigurationen sind möglich. 

Auch der Temperaturtransmitter wurde auf verschiedene 

Weise getestet: So wurde das Gerät mit 

der Konfigurationsdatei des Herstellers sowie mit 

der Profil-GSD eingebunden. In allen genannten 

Fällen muss sich der neue Transmitter, der das installierte 

Gerät ersetzt, automatisch auf die im Leitsystem 

verwendete Ident.-Nummer adaptieren und 

die Konfiguration, das heißt die Einstellung, welche 

Werte übertragen werden sollen, übernehmen (siehe 

Bild 2). Bei Geräteanlauf wird überprüft ob die 

Ident.-Nummer der GSD, welche im Leitsystem verwendet 

wird, und die Ident.-Nummer des Feldgerä- 


6 / 2011 

53

Hauptbeitrag 

BILD 1: Aufbau eines 

Testszenarios im 

Projektierungstool 

Bild 2: 

Automatische Adaption 

der Ident.-Nummer 

des Feldgerätes 

Tabelle 1: 

Verschiedene Varianten 

von Gerätekombinationen 

decken ein breites Spektrum 

in der Praxis ab 

*Keine automatische Adaption 

der Ident.-Nummern möglich. 

Änderung der Ident.-Nummer 

muss am Feldgerät oder über 

einen Master Klasse 2 erfolgen. 

Gerätetyp 

Bestehende 

Konfiguration 

Neugerät SK1 SK2 SK3 

Link/ 

Koppler 

Temperaturtransmitter TMT 184 TMT 84 ✓ ✗* ✓ ✓ 

Profil 1AI TMT 84 ✓ ✗* ✓ ✓ 

Stellungsregler 3785 Profil 2 3730-4 ✓ ✗* ✓ ✓ 

3785 Profil 3 3730-4 ✓ ✗* ✓ ✓ 

Bild 3: 

Die Versuchsanlage 

vor und nach 

dem Tausch des 

Stellungsreglers 

54 


6 / 2011

Lernen Sie die 

kennen! 

Jetzt noch 

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tes übereinstimmen. Nur wenn dies der Fall ist, 

funktioniert der zyklische Datenaustausch zwischen 

Feldgerät und Leitsystem. 

Dabei ist die Ident.-Nummer (Identifikationsnummer) eine 

eindeutige Nummer, welche einem zertifizierten Gerät 

einmalig zugewiesen wird. In Verbindung mit der im Leitsystem 

hinterlegten Konfigurationsdatei, der GSD, wird 

das Feldgerät eindeutig identifiziert. 

Ein Feldgerät kann sowohl mit einer herstellerspezifischen 

Konfigurationsdatei als auch mit der Profil-GSD 

in das Leitsystem eingebunden werden. Mit der Profil- 

GSD können dabei, unabhängig vom Hersteller, die wesentlichen 

Funktionalitäten der Geräte im Leitsystem 

abgebildet werden. 

Ein wesentlicher Teil der Profibus-PA-Infrastruktur ist 

der Segmentkoppler, welcher Profibus DP und Profibus 

PA miteinander verbindet und in jedem PA-Segement 

vorhanden sein muss. Er wandelt die unterschiedlichen 

Physical Layer und passt die Busgeschwindigkeiten an. 

Derzeit finden vier Geräte ihren Einsatz in der Industrie: 

Link/Koppler (Siemens), Segment-Koppler SK1, SK2 

(nicht mehr kommerziell erhältlich) und SK3 (alle 

Pepperl+Fuchs). Diese Segmentkoppler bieten unterschiedliche 

Funktionalitäten und unterscheiden sich in 

ihrem Verhalten am Bus. Aus diesem Grund wurden 

während des Tests alle genannten Typen verwendet. 

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3. Vereinfachter Gerätetausch im Praxistest 

Der Test wurde an allen Leitsystemen mit den Segmentkopplern 

SK1, SK2 und SK3 durchgeführt, am Leitsystem 

der Firma Siemens kam zusätzlich die Link/Koppler- 

Kombination zum Einsatz. An einem Leitsystem wurde 

die bestehende Konfiguration DTM-basiert durchgeführt, 

das heißt die in den DTM vorhandene GSD verwendet. 

4. Volle Funktionalität – 

Direkt nach dem Austausch 

Die Adaption der Ident.-Nummer verlief bei beiden getesteten 

Geräten, gleich welche Konfiguration verwendet 

wurde, automatisch und ohne Probleme. Einzige 

Ausnahme stellen die Testsysteme mit SK2 dar: Hier 

erfolgte die Adaption der Ident.-Nummer erst nach einem 

manuellen Eingriff am Gerät. Zum Zeitpunkt der 

Entwicklung des SK2 berücksichtigte die damals gültige 

Feldbusnorm IEC 61158 nicht die Möglichkeit, mehrere 

Ident.-Nummern einem Feldgerät zuzuordnen. Der 

SK2 wurde inzwischen durch den SK3 abgelöst der 

uneingeschränkt die automatische Adaption von Ident.- 

Nummern durch Feldgeräte mit Profibus PA 3.02 Profil 

unterstützt. 

Der Adaptierungsvorgang ist ebenso unabhängig von 

der verwendeten DP-Baudrate: Getestet wurde sowohl 

mit 93,75 kBit/s und, bei Segmentkopplern, die höhere 

DP-Geschwindigkeiten erlauben, auch mit 12 MBit/s 

auf der DP-Seite. Auch hier erfolgte die Adaption auto- 

Programm-Download 

und Online-Registrierung 

im Internet unter 

www.atp-mediathek.de 

Die atp-mediathek ist ein Angebot der Oldenbourg Industrieverlag GmbH, 

Rosenheimer Str. 145, 81671 München, GF: Hans-Joachim Jauch

Hauptbeitrag 

Bild 4: 

Zuordnung der 

Statussignale 

(Condensed Status) 

nach NE 107 

Bild 5: NE107 Baustein 

matisch und dies unabhängig vom verwendeten Leitsystem 

und von der Art der Geräteintegration (GSD 

oder DTM-basiert). 

Beide Testgeräte wurden mit der Einstellung „Auto- 

Adaptieren“ ausgeliefert. Ein unterschiedliches Verhalten 

zeigte sich bei der Umsetzung der Adaption: Der 

Temperaturtransmitter speichert die automatisch adaptierte 

Ident.-Nummer nicht und adaptiert sich bei jedem 

Busanlauf/Power-Reset neu, während der Stellungsregler 

die automatisch adaptierte Ident.-Nummer nichtflüchtig 

speichert. Dadurch ist kein erneutes Adaptieren 

nach Busanlauf/Power-Reset nötig. 

Die GSD-Dateien der Altgeräte funktionieren mit den 

Neugeräten weiter, das heißt es sind keine Änderungen 

im Leitsystem nötig, und es findet kein ungeplanter Stop 

der Anlage statt. Eine manuell eingestellte Ident.-Nummer 

wird bei beiden Testgeräten nichtflüchtig gespeichert. 

Der Anwender hat somit die Möglichkeit, die automatische 

Adaptierung zu umgehen und die Ident.- 

Nummer des alten Gerätes per Hand einzustellen. 

Da die automatische Adaption in Anlagen, in denen ein 

SK2 verwendet wird, nicht funktioniert, kann das Gerät 

mit diesem zusätzlichen Schritt auch hier einfach getauscht 

werden. Die Option, die Ident.-Nummer direkt am 

Display des Gerätes einzustellen, vereinfacht den Tausch 

von Alt- gegen Neugerät nochmals um ein Vielfaches. 

Zu keinem Zeitpunkt des Tests, weder beim „Ausfall“ 

des Alt-Gerätes noch beim Tausch oder der Anpassung 

an die Ident.-Nummer, gingen die Leitsysteme in den 

Stop. Für den Anwender bedeutet dies einen unterbrechungsfreien 

Betrieb der Anlage; über die Dauer des 

Ausfalls bis zum Austausch des defekten Gerätes hinweg. 

Damit ist eine der wesentlichen Anforderungen an 

das Profil 3.02 erfüllt. 

Bild 3 zeigt ein Beispiel für einen Gerätetausch. 

5. Die richtigen Informationen am richtigen Ort 

Eine weitere Neuerung des Profils 3.02 ist die Übertragung 

eines Sammelstatus nach Namur-Empfehlung NE 

107. Dabei beschränkt sich der Status auf die Informationen 

„Ausfall“, „Funktionskontrolle“, „Außerhalb der 

Spezifikation“ und „Wartungsbedarf“. Das Ziel ist, den 

Anlagenfahrer zu entlasten und ihm nur die Informationen 

zur Verfügung zu stellen, die er für eine sichere 

Prozessbedienung benötigt. Zur Auswertung der Statusinformationen 

ist im Prozessleitsystem ein Funktionsbaustein 

nötig, mit dem die Bitinformationen des 

Statusbytes mit dem richtigen Statussymbol verknüpft 

werden. Zum Test der Diagnosemeldungen wurden Fehlerfälle 

simuliert und die richtige Zuordnung zu den 

Statussignalen kontrolliert (Bild 4). 

Im Vorfeld wurde für jedes System ein Funktionsplan 

erstellt, um den Status entsprechend der Profil-Codierung 

auszuwerten. Für das System von Schneider ist ein 

56 


6 / 2011

derartiger Baustein bereits vorhanden, für die anderen 

Systeme wurde ein eigener Baustein programmiert, der 

durch die Vereinheitlichung des Statusbits für alle Profibus 

PA Geräte nach Profil 3.02 verwendet werden kann 

(siehe Bild 5). 

Zur Prüfung wurden verschiedene Fehler simuliert: 

Am Temperaturtransmitter unter Anderem die „Ausfälle“ 

Sensorkurzschluss, Sensorbruch sowie der Zustand 

„Außerhalb der Spezifikation“ mittels Umgebungstemperaturüberschreitung. 

Das Gerät ordnet den Fehlern 

den jeweiligen passenden Status zu. Dieser wird dann 

im Leitsystem dargestellt. Die Statusinformationen der 

Fehler sind fest codiert, können somit vom Anwender 

nicht geändert werden. 

Im Unterschied zum Temperaturtransmitter kann 

beim Stellungsregler die Zuordnung der Statusinformationen 

zum jeweiligen Gerätefehler vom Anwender mittels 

DTM oder der herstellerspezifischen Software der 

Applikation entsprechend festgelegt werden. Bei den am 

Stellungsregler simulierten Zuständen handelte es sich 

Breite Akzeptanz – NAMUR-Arbeitskreis 2.6 „Feldbus“ 

„Nach der guten Zusammenarbeit zwischen PNO und Namur- 

AK 2.6 „Feldbus“, bei der Erstellung des PA-Profils 3.02, war es 

wichtig, die Auswirkungen der neuen Funktionalitäten in einem 

praxisrelevanten Test zu prüfen. 

Der Test hat verdeutlicht, dass durch die Funktionalität 

„automatische Ident-Nummer-Adaption“ des PA-Profils 3.02 

der Feldgerätetausch wesentlich vereinfacht werden kann, 

ohne die Verfügbarkeit der restlichen Anlage zu beeinflussen. 

Gleichzeitig hat sich gezeigt, dass es möglich ist, Funktionalitäten 

für Endanwender zu vereinfachen und die Handhabung 

praxisnäher zu gestalten. Nun sollte diese Vorgehensweise 

auch in anderen Bereichen etabliert werden, um die Komplexität 

für Endanwender weiter zu minimieren (zum Beispiel bei der 

Geräteintegration, FDI). 

Durch die nun verpflichtend gewordene Standardisierung der 

Status- und Diagnoseinformationen von Geräten nach den Kategorien 

der Namur-Empfehlung 107 „Selbstüberwachung und 

Diagnose von Feldgeräten“, erhält der Anwender eine 

herstellerübergreifende, standardisierte und einfach handhabbare 

Gerätediagnose. Dank dieser Harmonisierung lassen sich 

die Vorteile einer aktiven Gerätediagnose nun wesentlich 

effizienter nutzen. 

Noch offen sind die Untersuchung der Kennzeichnung der 

Software-Variante direkt am Gerät und der wesentlich 

schnellere Datentransfer zwischen Feldgerät und übergeordnetem 

System (zum Beispiel PLS). Diese beiden Funktionalitäten 

des PA-Profils 3.02 bieten das Potenzial, den Gerätetausch 

und das Gerätemanagement noch weiter zu verbessern. Umso 

wichtiger ist es, die Testergebnisse für diese beiden Funktionalitäten 

zu einem späteren Zeitpunkt nachzureichen. 

Das beschriebene positive Testergebnis zeigt deutlich, dass 

eine frühe und offene Kommunikation zwischen Herstellern 

und Anwendern eine lohnenswerte Investition für alle 

Beteiligten darstellt. 

Stefan Erben, Entwicklungsleiter 

Elektronik, Samson AG: 

„Wesentlich für die Akzeptanz und die 

Verbreitung von Feldbustechnik in der 

Prozessautomatisierung ist neben der 

problemlosen Geräteintegration die 

Einfachheit eines Gerätetauschs im 

laufenden Betrieb einer verfahrenstechnischen 

Anlage. Als Maßstab gilt hier die 4-20-mA-Technologie. 

Nur wenn ein Gerätetausch ebenso einfach zu bewerkstelligen 

ist wie bei 4-20 mA, wird auch der Feldbus diese 

Akzeptanz finden. Das Profibus PA Profil 3.02 hat diese 

Anwenderanforderungen aufgegriffen und eine gute 

Plattform für Geräte der Prozessautomatisierung geschaffen. 

Um dies zu unterstützen, hat Samson an der Spezifikation 

mitgearbeitet und diese Erweiterungen des bewährten 

PA-Profils in seine Geräte implementiert. Der Test bei BIS 

Prozesstechnik hat eindrucksvoll gezeigt, wie Anforderungen 

aus der Praxis der Prozessautomatisierung sinnvoll in eine 

Spezifikation aufgenommen und anschließend durch einen 

praxisnahen Test verifiziert werden können.“ 

Dr. Jochen Müller, Head of Global Plant 

Asset Management Business, 

Endress+Hauser Process Solutions AG: 

„Seit Jahren erhebt der digitale Feldbus 

den Anspruch, die in der Prozessindustrie 

verbreitete 4-20-mA-Technologie 

abzulösen. In der industriellen Praxis 

impliziert dies aber auch einen Vergleich 

des praktischen Umgangs der Feldbustechnologie mit der 

einfachen Handhabung der 4-20-mA-Technologie. Gerade der 

Gerätetausch gestaltete sich problematisch, auch aufgrund 

der ständig fortschreitenden technischen Entwicklung. Mit 

dem PA Profil 3.02 ist es nun endlich möglich, Feldgeräte 

nach Jahren problemlos zu tauschen und dennoch von den 

Weiterentwicklungen der Hersteller zu profitieren. Durch die 

Mitarbeit von Endress+Hauser an der Erstellung des Profils 

haben beide Seiten, sowohl die Anwender als auch die 

Hersteller, voneinander gelernt und profitiert. Das Ergebnis 

des Tests bei BIS Prozesstechnik beweist nun eindrucksvoll 

wie die Kundenanforderungen konsequent in den Geräten 

umgesetzt wurden.“ 


6 / 2011 

57

Hauptbeitrag 

zum Beispiel um Nullpunktabweichung, Blockierung 

des Antriebs als „Wartungsbedarf“ und die „Funktionskontrolle“ 

durch Initialisierung. Auch diese Fehler wurden, 

entsprechend der Voreinstellung im Gerät, passend 

zugeordnet. 

Fazit 

Die Testresultate überzeugten: In den Multi-Vendor Anlagen 

bei BIS Prozesstechnik in Frankfurt erfüllten die 

Feldgeräte die Anforderungen der Anwender durchweg 

mit positivem Ergebnis. Somit ist ein großer Schritt in 

Richtung der einfachen Geräteintegration getan. Sowohl 

der Gerätetausch als auch die zusammengefassten Diagnosemeldungen 

ermöglichen dem Anwender einen 

noch einfacheren und intuitiveren Umgang mit der bewährten 

Technologie. Feldgeräte können nun getauscht 

werden, ohne die Anlage stoppen zu müssen. Durch die 

Reduzierung der Diagnosemeldungen auf die notwendigen 

Informationen kann der Leitstand schnell und 

gezielt auf Fehler reagieren. 

Das Profil 3.02 hat nun endgültig den Weg in die Feldgeräte 

gefunden: Den Anwendern stehen bereits ein 

Druck- sowie in Kürze ein Füllstandsmessgerät der Firma 

Endress+Hauser zur Verfügung. Durch die schnelle Implementierung 

des Profils in die Feldgeräte durch die 

Hersteller können die Anwender im Laufe des Jahres 2011 

mehr als 12 Geräte mit 3.02 Funktionalität einsetzen. 


29.04.2010 


Autoren 

Dipl.-Ing. Sven Seintsch 

(geb. 1969) leitet das Prüflabor 

der BIS Prozesstechnik 

GmbH. Er ist Mitglied des 

Namur-Arbeitskreises 2.6 

„Feldbus“. In der IGR leitet 

er das Arbeitsfeld „EMR 

Prüftechnik“. 

BIS-Prozesstechnik GmbH, 

Industriepark Höchst, D710, 

D-65926 Frankfurt am Main, Tel. +49 (0) 69 3 05 26 63, 

E-Mail: sven.seintsch@BIS.bilfinger.com 

Dipl.-Ing. Michael Pelz 

(geb. 1966) ist EMR-Betriebsingenieur 

und Ansprechpartner 

für Feldbusthemen 

im Bereich der Business 

Unit Pigments der Clariant 

Produkte (Deutschland) 

GmbH. Er ist Obmann des 

Namur-Arbeitskreises 2.6 

„Feldbus“, Leiter der Prolist-Arbeitsgruppe 

„Feldbustechnik“ und Mitglied des IGR- (Interessengemeinschaft 

Regelwerke Technik) 

Arbeitskreises „Feldbus“. 

Clariant Produkte (Deutschland) GmbH, 

BU Pigments, Operations Rhein–Main / 

Department AZO, Industriepark Höchst, E632, 

D-65926 Frankfurt am Main, 

Tel. +49 (0) 69 30 52 94 94, 

E-Mail: michael.pelz@clariant.com 

Referenzen 

[1] NE107: Selbstüberwachung und Diagnose von Feldgeräten, 

Juni 2006 

[2] NE105: Anforderungen an die Integration von Feldbusgeräten 

in Engineering Tools für Feldgeräte, August 

2004 

[3] NE 53: Software von Feldgeräten und signalverarbeitenden 

Geräten mit Digitalelektronik 

[4] Pelz, Michael, Seintsch, Sven, Gerätekommunikation 

im Wandel, atp 4/2008, S. 52-57 

[5] Kiupel, Niels, Der Feldbus – eine Erfolgsgeschichte, 

atp edition 3/2010, S. 30-37 

Steffen Ochsenreither 

(geb. 1984) ist Marketing 

Manager Fieldbus, 

Endress+Hauser Process 

Solutions AG. Er studierte 

Wirtschaftsingenieurwesen 

mit der Vertiefung in Elektround 

Informationstechnik und 

schloss sein Studium als 

Master of Engineering ab. Seitdem ist er bei 

Endress+Hauser im Bereich Technology Marketing 

verantwortlich für Profibus. Darüber hinaus leitet 

er den PNO Arbeitskreis „Marketing Process 

Automation“. 

Endress+Hauser Process Solutions AG, 

Kägenstraße 2, CH-4052 Basel, 

Tel. +41 (0) 61 7 15 74 98, 

E-Mail: steffen.ochsenreither@solutions.endress.com 

58 


6 / 2011

Mehr Diagnose 

für intelligente 

Sensoren und Aktoren 

IO-Link 

Intelligente Geräte brauchen 

einfache Schnittstellen 

Diese Neuerscheinung ist didaktisch so aufgebaut, dass es je 

nach Qualifikation, verschiedene Einstiegs-Levels (Einsteiger, 

Fortgeschrittene, Experten) gibt. 

Das umfassende Kompendium beschreibt die neue, herstellerunabhängige 

IO-Link-Schnittstelle. Diese kann über Sensoren und Aktuatoren 

auf einfache Weise Daten mit der überlagerten Steuerung austauschen. 

Anstatt vieler proprietärer Systeme muss der Anwender in 

Zukunft also nur noch ein System kennen. Parametrierungen können 

automatisch in die Geräte geladen und umgekehrt Diagnose- und 

Wartungsinformationen an die Leitwarte gemeldet werden. Was sich 

zunächst komplex anhört, funktioniert mit IO-Link ganz einfach. 

Ergänzend zu den detaillierten, theoretischen Beschreibung und ihrer 

Vorteile finden Ingenieure und Praktiker aus dem Maschinen- und 

Anlagenbau, Betreiber, Instandhalter, Planer und Systemintegratoren 

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Vulkan-Verlag per Post, per Telefon, per Telefax, per E-Mail, nicht über interessante, fachspezifische Medienund Informationsangebote informiert und beworben werde. Diese Erklärung kann ich mit Wirkung für die Zukunft jederzeit widerrufen.

Praxis 

Universelle Kommunikationsanbindung 

sorgt für verbesserte Prozesse 

Schwedischer Möbelfabrikant Swedwood vereinfacht Datenaustausch und Systemverwaltung 

Auch in der Möbelherstellung muss eine Reihe von 

Prozessparametern exakt eingehalten werden. Temperatur, 

Luftfeuchtigkeit, Luftqualität und andere Umweltbedingungen 

spielen eine zentrale Rolle für eine 

konstante Qualität. Mit einer OPC-Lösung von Matrikon 

verbesserte der schwedische Ikea-Zulieferer Swedwood 

seine Prozesse und realisierte eine universelle Kommunikationsanbindung. 

Als einer der führenden für Ikea tätigen Hersteller fertigt 

die Firma Swedwood in ihrer Produktionsstätte im 

schwedischen Älmhult pro Jahr zirka 8 Millionen Küchenfronten 

– 150 000 versandfertige Fronten pro Woche. 

Der Fertigungsstandort ist eine von über 40 Produktionsstätten 

weltweit und beschäftigt 350 Mitarbeiter. Die 

größte Herausforderung für Swedwood besteht darin, 

hochwertige Möbel in konstanter Qualität und mit 

höchstem Tempo zu produzieren. 

UMGEBUNGSBEDINGUNGEN EXAKT GEREGELT 

Zahlreiche OPC-Server und über 50 speicherprogrammierbare 

Steuerungen (SPS) sorgen am Standort Älmhult 

für die exakte Überwachung und Regelung von Temperatur, 

Luftfeuchtigkeit, Luftqualität und anderen Umweltbedingungen. 

Jede Materialcharge, die das Werk durchläuft, 

muss in einer bestimmten, kontrollierten Umgebung 

verarbeitet werden. Schon ein einziger Fehler, etwa bei 

der Verklebung, kann Kundenreklamationen nach sich 

ziehen und dazu führen, dass weltweit ganze Chargen 

aus den Regalen der Ikea-Einrichtungshäuser genommen 

werden müssen. 

Zur Verbesserung seiner Abläufe wollte Swedwood 

daher eine universelle Kommunikationsanbindung an 

seine speicherprogrammierbaren Steuerungen schaffen, 

dabei jedoch vermeiden, dass diese durch Abfragen 

einzelner OPC-Clients überlastet würden. Gesucht 

wurde eine einheitliche Plattform mit einer einzigen, 

leicht bedienbaren Schnittstelle, die bei Erweiterungen 

um neue SPS weniger Unterstützungsaufwand 

durch externe Systemintegratoren notwendig machte. 

Außerdem musste das Unternehmen sicherstellen, 

dass geschäftskritische Daten für mehrere seiner Unternehmenseinheiten 

problemlos verfügbar sind, und 

zu diesem Zweck den Datenaustausch zwischen seiner 

Microsoft-SQL-Server-Datenbank und seinen OPC- 

Servern ermöglichen. 

Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftqualität 

und andere Umweltbedingungen 

müssen bei der industriellen Möbelfertigung exakt 

gesteuert werden. Durch eine OPC-Lösung schuf 

Swedwood eine universelle Kommunikations - 

anbindung. 

Bild: Matrikon 

PRAXISNAHE LÖSUNG GESUCHT 

Swedwood hatte mehrere andere Lösungen zur Umsetzung 

des Projekts erwogen, bevor man sich für den MatrikonOPC 

Universal Connectivity Server (UCS) und den 

OPC Client für ODBC (siehe Abbildung 1) entschied. Die 

Lösungen von MatrikonOPC boten die von Swedwood 

benötigte Funktionalität und Skalierbarkeit zusammen 

mit landessprachlichem Support. 

„Wir haben das Internet durchforstet, um die beste Lösung 

für unsere Anforderungen zu finden. Die Matrikon- 

OPC-Lösungen haben uns hier sowohl durch den Preis 

und die Qualität als auch durch die gut lesbaren Anwenderdokumentationen 

überzeugt”, erklärt Johan 

Sturve, IT-Techniker bei Swedwood. „Außerdem war 

ich nach einigen Besprechungen sicher, dass Matrikon- 

OPC über gute und langjährige Erfahrungen auf diesem 

Gebiet und über qualifiziertes Personal verfügt.“ 

NUR NOCH EINE SCHNITTSTELLE 

Der MatrikonOPC UCS ist die von Swedwood gewählte 

Lösung. Mit einer einzigen bedienerfreundlichen Schnittstelle 

kann das Unternehmen nun seine Plug-ins für Siemens, 

Mitsubishi, Omron, Modbus und andere Systeme 

verwalten. Zudem kann Swedwood bei künftig wachsendem 

Bedarf mit wenigen einfachen Schritten weitere Protokolle 

hinzufügen. 

Die wichtigsten Funktionen des Universal Connectivity 

Server von MatrikonOPC sind: 

Vollständige Abdeckung der klassischen 

OPC-Spezifikationen 

OPC-UA-Unterstützung mit integriertem 

Adressraum 

Integrierte Sicherheit auf Einzelbenutzerund 

Einzelelement-Ebene 

Integrierte Redundanz auf Geräte-Ebene 

Plug-ins für OPC-Clients 

Swedwood nutzt ferner den MatrikonOPC-Client for 

ODBC für den Datenaustausch zwischen seinen Steuerungssystemen 

und seiner Microsoft-SQL-Server-Daten- 

60 


6 / 2011

Die Swedwood-Lösung: 

Der Möbelhersteller verwendet 

den MatrikonOPC Universal 

Connectivity Server (UCS) 

und den OPC Client for ODBC. 

Mit einer einzigen bedienerfreundlichen 

Schnittstelle 

kann das Unternehmen nun 

seine Plug-ins für Siemens, 

Mitsubishi, Omron, Modbus 

und andere Systeme verwalten 

und bei Bedarf weitere 

Protokolle einfach hinzufügen. 

bank. Damit kann Swedwood die vom UCS zur Verfügung 

gestellten SPS-Daten direkt in seiner SQL-Datenbank archivieren 

und Daten aus der SQL-Datenbank in die SPS- 

Geräte zurückschreiben. 

Der OPC-Client for ODBC kommuniziert auf der einen 

Seite über OPC mit dem UCS und sendet mithilfe des 

ODBC-Protokolls SQL-Befehle an die Datenbank. In umgekehrter 

Richtung kann Swedwood nun Produktionsrezepte 

aus der Datenbank an die SPS-Geräte senden. 

Dank dieser Lösung sind auf der Steuerungsebene Produktionsdaten 

für den täglichen Betrieb verfügbar. Zugleich 

können den Verantwortlichen für Geschäfts- und 

Qualitätskontrollzwecke wesentliche Leistungsdaten 

zur Verfügung gestellt werden. 

DIE OPC-LÖSUNG WÄCHST MIT DEM BEDARF 

„Der OPC-Client for ODBC verhilft uns zu reibungslosen 

Abläufen und verschafft allen unseren Unternehmenseinheiten 

die Informationen, die sie brauchen, um schnell 

und fehlerfrei zu arbeiten”, erläutert Sturve. Die Lösungen 

von MatrikonOPC werden dem aktuellen Bedarf des Unternehmens 

gerecht und sind dafür ausgelegt, auch bei 

künftig steigenden Anforderungen mitzuwachsen. Überzeugt 

wurde Swedwood auch diese Vorteile der Lösungen 

von MatrikonOPC: 

Eine einzige Schnittstelle für alle OPC-Server 

Reibungslose Abläufe mit verbesserter Diagnose 

und Qualitätskontrolle 

Deutlich reduzierte Belastung der Steuerungssysteme 

des Unternehmens 

Heute sind die gesamten MatrikonOPC-Lösungen am Fertigungsstandort 

Älmhult des Unternehmens erfolgreich 

implementiert und in Betrieb. 

Autor 

Jason Fletcher 

ist tätig als Regional Manager 

MatrikonOPC EMEA. 

Matrikon Deutschland AG, 

Venloer Straße 25, D-50672 Köln, 

Tel. +49 (0) 221 969 77 19, 

E-Mail: jason.fletcher@matrikonopc.com 


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61

Praxis 

Beschichtung von Verstärkungsfasern: 

Präzisionsprozess übersichtlicher gesteuert 

Optimales Gleichgewicht zwischen flexibler Automatisierung und Bedienersicherheit 

Präzise 

Steuerung 

erforderlich: 

Bei rund 1300 °C 

wird der extrem 

dünne Wolframdraht 

(glühend 

in der Mitte) in 

einem Vakuumrohr 

mit Siliciumcarbid 

beschichtet. 

Bilder: Rockwell/Tisics 

Die Lösung: 

Der Kontrollstand 

mit ControlLogix 

Controllern sorgt 

für die sichere 

Steuerung des 

Beschichtungsprozesses. 

Belastbar wie temperaturfester 

Stahl, aber viel leichter: Bauteile 

aus Titan, dass mit Fasern aus Wolfram 

und Siliciumcarbid verstärkt ist. 

Tisics, britischer Hersteller von Spezialwerkstoffen, 

gelang es, mit Allen-Bradley-Steuerungen ControlLogix, 

RSLogix 5000 und FactoryTalk View SE, einen instabilen 

Präzisionsprozess sicherer zu machen und zu 

kontrollieren. 

Das Unternehmen in Farnborough ist eines von nur 

zwei Unternehmen weltweit, die Siliziumcarbid-Monofilamente 

mit durchgehendem Kern herstellen – hauptsächlich 

für den Einsatz als Verstärkungsfasern in Verbundbauteilen 

aus Titan. Die Monofilamente verfügen über 

Kerne aus Wolframdraht und besitzen in der Regel Durchmesser 

von 0,1 oder 0,14 mm. Sie verleihen den Verbundbauteilen 

die gleichen Stärken wie sie ähnlich temperaturfeste 

Stahlbauteile besitzen. Allerdings wiegen sie 

meist nur halb so viel, sind fester und beständiger gegen 

Korrosion. Wichtige Anwendungsbereiche für diese Verbundmaterialien 

sind die Luft- und Raumfahrt sowie andere 

Anwendungen, in denen bei Festigkeit und Gewicht 

keine Abstriche gemacht werden können. Und nicht zuletzt 

tragen die sinkenden Titanpreise zur Attraktivität 

der Verbundbauteile bei. So verzeichnet das Unternehmen 

eine wachsende Nachfrage nach seinen Produkten – und 

zwar sowohl nach Fasern als auch nach Titan-Bauteilen, 

die Tisics ebenfalls herstellt. Zu den Kunden zählen ein 

bekannter Hersteller von Flugzeugtriebwerken sowie ein 

Unternehmen, das neuartige Solarzellen produziert. 

Nach der jüngst erfolgten Verlagerung der Fertigungsstätte 

in größere Räumlichkeiten in Farnborough wollte 

Tisics die neuen Fertigungshallen optimal nutzen. Dies 

wiederum erforderte eine Umstellung der manuellen 

Rezepterstellungs- und Steuerungsprozesse auf ein Konzept, 

das auf einer modernen Automatisierungslösung 

von Rockwell Automation fußt. Gleichzeitig musste Tisics 

den Faktor Sicherheit besonders berücksichtigen, 

schließlich werden im Beschichtungsprozess für den 

Wolframdraht Chemikalien verwendet. 

CVD-PROZESS MUSS EXAKT ÜBERWACHT WERDEN 

Den Prozess, den Tisics zur Beschichtung des Wolframdrahtes 

verwendet, bezeichnet man als chemische Gas- 

62 


6 / 2011

phasenabscheidung (Chemical Vapour Deposition, CVD). 

Das CVD-Verfahren setzt nicht nur sehr hohe Temperaturen 

von zirka 1300 °C sowie Hochspannung voraus, sondern 

es kommt auch Dichlormethylsilan zum Einsatz. 

Diese Chemikalie kann äußerst gefährlich sein, wenn sie 

unkontrolliert entweicht. 

Zu den augenfälligen Sicherheitsaspekten kommt hinzu, 

dass der Prozess extrem empfindlich auf Parameterschwankungen 

reagiert. Vor der Umstellung auf eine Automatisierungsinfrastruktur 

verwendete Tisics ein dezentrales manuelles 

Verfahren zur Steuerung des Beschichtungsvorgangs. 

Spannung und Chemikalien wurden getrennt gesteuert; 

die Verdampfer arbeiteten ohne elektronische 

Regelung mit direkten Potenziometereingaben des Heizers. 

FEHLER ERST AM FERTIGEN PRODUKT ERKANNT 

Renny Moss, Process Development Manager bei Tisics, 

erinnert sich: „Das war ein einfacher manueller Ablauf, 

der aber nicht den geringsten Fehler tolerierte. Das Hauptproblem 

war, dass wir eine Störung im Abscheidungsprozess 

erst dann feststellen konnten, wenn die Faser herauskam 

und geprüft werden konnte.“ 

Noch schwieriger wird die Aufgabe dadurch, dass für 

viele Anwendungen ganz spezifische Fasertypen gefertigt 

werden müssen. Die Problematik besteht dann darin, 

dass mehr Variablen den Prozess immer komplexer machen. 

Zu Zeiten des manuellen Prozesses war außerdem 

das Entwickeln und Ausprobieren neuer Rezepturen 

extrem zeitaufwendig – nicht selten musste Tisics dafür 

Jahre einkalkulieren. Denn der Prozess ist sehr sensibel 

und die Parameter wie Temperatur, Geschwindigkeit 

müssen exakt gesteuert werden. 

Tisics entschied sich für einen Scada-Prozess auf Basis 

der Integrated Architecture von Rockwell Automation. 

Zum Einsatz kommt eine Allen-Bradley ControlLogix 

PAC mit RSLogix 5000-Programmiersoftware und FactoryTalk 

View SE zur Visualisierung. Für die Überwachung 

und Steuerung reicht die ControlLogix PAC sämtliche 

Prozessdaten an einen FactoryTalk View SE Server 

weiter, der dem Bedienpersonal alle Parameter, die für 

diesen Präzisionsprozess relevant sind, übersichtlich in 

grafischer Form auf dem Bildschirm präsentiert. Hierfür 

kommt eine HMI-Lösung zum Einsatz, die ein Systemintegrator 

von Rockwell Automation entwickelt hat. 

ALLE INFORMATIONEN AUF EINE BLICK 

Renny Moss erläutert: „Die Hardware von Rockwell Automation 

bringt alle für uns wichtigen Informationen auf 

einen Bildschirm. Das System kennt und meldet die Zustände, 

hält alle Prozessvariablen im zulässigen Bereich 

und bietet uns ein erheblich höheres Maß an Sicherheit. 

Eine zusätzliche äußerst nützliche Facette der Installation 

ist ihre Erweiterungsfähigkeit, schließlich wollen wir 

die Produktionskapazität in Zukunft weiter aufstocken. 

Mit dem nun installierten ControlLogix-Steuerungs-Setup 

haben wir die Gewissheit, dass wir einfach weitere 

Produktionslinien hinzufügen können, ohne dass größere 

Umprogrammierungen nötig sind. 

„Der Großteil unserer Herausforderungen im Bereich 

Sicherheit hat mit Gas zu tun“, erläutert der Process Development 

Manager. Die ControlLogix PAC übernimmt 

deshalb das Nachfüllen und Durchleiten der Reagenzien. 

Indem sie Masse und Druck misst, erfasst sie die Materialmenge, 

die das System durchläuft, verhindert ein 

Überlaufen des Rührwerks und kontrolliert die Durchführung 

aller Reinigungsarbeiten. Den Bedienern werden 

dabei klar und knapp gefasste, schlüssige Anweisungen 

gegeben. „War der Materialtransport bei uns einst 

eine wichtige tagtägliche Aufgabe, können wir die Werkstoffe 

nun in der Gewissheit in den Prozess geben, dass 

unsere Sicherheits- und Steuerungstechnik sie unter 

Kontrolle hat – einfach weil wir uns auf die präzise Überwachung 

verlassen können. Wir waren nie darauf aus, 

das Qualifikationsniveau unseres Personals zu senken, 

sondern wollten dem Bedienpersonal vielmehr jegliche 

Sicherheitsbedenken nehmen“, betont Moss. 

NEUE REZEPTUREN SCHNELLER ENTWICKELT 

Abgesehen von Vorteilen bei Sicherheit und Funktionalität 

kann Tisics neue Rezepturen jetzt mit einem Bruchteil des 

früheren Zeitaufwands entwickeln. Der Tisics-Manager 

blickt zurück: „Was früher Jahre erforderte, ist jetzt in ein 

paar Monaten geschafft. Dank der leistungsfähigen PAC ist 

außerdem die Zahl der Variablen kein Thema mehr für uns. 

Ich gebe ehrlich zu, dass ich nicht weiß, wie das Factory- 

Talk View SE Scada-System und die PAC genau funktionieren. 

Mir reicht die Gewissheit, dass alles unter Kontrolle 

ist und dass die Bediener alles leichter ablesen können. 

Das Fazit von Moss: „Kurzfristig haben uns die Produkte 

von Rockwell Automation eine deutlich bessere Kontrolle 

über unsere Prozesse gebracht, während wir mittelfristig 

von ihrer Erweiterbarkeit profitieren. Ganz abgesehen 

davon nimmt sich die Lösung all der sicherheitskritischen 

Aspekte an, die uns früher Sorgen bereitet haben.“ 

Autor 

Rockwell Automation, 

Düsselberger Str. 15, 

42781 Haan-Gruiten, 

Tel. +49 (0) 2104 96 01 82, 

E-Mail: nnohr@ra.rockwell.com 

Norbert Nohr 

ist Sales Manager Process 

Automation bei Rockwell 

Automation. 


6 / 2011 

63

praxis 

Einfach wie ein Relais, aber genauso 

flexibel wie eine sichere SPS 

Konfigurierbare Sicherheitsschaltgeräte sind trotz reduzierter Komplexität programmierbar 

Bild 1: Mit dem Sicherheitsmodul PSR-Trisafe 

modular und der Software Safeconf lassen sich 

die Anforderungen an die Sicherheitstechnik 

schnell und wirtschaftlich umsetzen. 

Bild 2: Die Überwachung der Schutzeinrichtung 

gestaltet sich aufgrund verschiedener Diagnosemöglichkeiten 

sowie der Integration von PSR- 

Trisafe modular in Profibus-Netzwerke einfach. 

Bilder: Phoenix Contact 

Sichere Steuerungen bieten hohe Flexibilität, sind aber 

in vielen Fällen zu komplex und für den Anwender 

unnötig schwierig. Auf der anderen Seite sind Sicherheitsrelais 

zwar sehr einfach zu nutzen, bieten aber oft 

nicht die erforderliche Flexibilität. Für diese Fälle bieten 

sich konfigurierbare Sicherheitsschaltgeräte an, die 

ebenso einfach zu handhaben sind wie ein Relais, aber 

genauso flexibel wie eine sichere SPS. 

Die Maschinen- und Anlagenbauer können die Sicherheitsschaltgeräte, 

die sie benötigen, um gestiegene Sicherheitsanforderungen 

zu erfüllen, aus einem umfangreichen 

Portfolio auswählen. Dabei sind sämtliche zertifizierte 

Schaltgeräte grundsätzlich für eine sichere Auswertung 

nutzbar. Sie lassen sich grob in die Klassen einfache 

Sicherheitsrelais, konfigurierbare Sicherheitsmodule und 

sichere Steuerungen einteilen. Die Wahl der geeigneten 

Klasse ergibt sich zum einen aus den Anforderungen der 

Sicherheitskreise und zum anderen aus den Wünschen 

des Konstrukteurs. Sicherheitsrelais stellen sich immer 

dann als beste Lösung dar, wenn in der Maschine oder 

Anlagen nur wenige Sensoren ausgewertet werden müssen 

und die Abhängigkeiten der verschiedenen Sicherheitskreise 

überschaubar sind. Der Funktionsumfang der 

einzelnen Sicherheitsrelais ist vom Hersteller vorgegeben 

und kann nicht durch den Anwender angepasst werden. 

Die am anderen Ende der Skala angesiedelten komplexen 

Anwendungen erfordern häufig eine sichere 

Steuerung. Aufgrund der Flexibilität der Hardware- 

Konfiguration und der Programmierbarkeit wird die 

sichere SPS auch hohen Ansprüchen in Bezug auf die 

I/O-Zahl und Sicherheitslogik gerecht. Diese Möglich- 

keiten erweisen sich jedoch für die meisten Applikationen 

als zu komplex und erzeugen daher unnötige 

Schwierigkeiten für den Anwender. Deshalb halten 

viele Maschinen- und Anlagenbauer an Sicherheitsrelais 

fest und möchten sich nicht mit Software-basierten 

Sicherheitsschaltgeräten beschäftigen. 

EINFACHE ZUSAMMENSTELLUNG AM PC 

Eine große Zahl der weltweit verwendeten Maschinen 

und Anlagen lässt sich hinsichtlich der Menge an Einund 

Ausgängen sowie der Anforderungen an die Sicherheitslogik 

zwischen dem klassischen Sicherheitsrelais 

und einer sicheren Steuerung einordnen. In diesem Fall 

bieten sich konfigurierbare Sicherheitsschaltgeräte an. 

Entsprechende Module wie PSR-Trisafe modular sind 

ebenso einfach zu handhaben wie ein Relais, aber genauso 

flexibel wie eine sichere SPS. Bei der Entwicklung von 

PSR-Trisafe und der Konfigurations-Software hat sich 

Phoenix Contact an den Gewohnheiten der Anwender von 

Sicherheitsrelais orientiert. So können die Sicherheitsfunktionen 

einfach am PC zusammengestellt werden, wie 

es der Nutzer vom Sicherheitsrelais kennt. 

Aus Kostensicht wurde auf eine schnelle Amortisation 

Wert gelegt. Die Erfahrung zeigt hier, dass sich der Einsatz 

des konfigurierbaren Sicherheitsmoduls PSR-Trisafe 

modular bereits ab einer Anzahl von drei bis vier 

klassischen Sicherheitsrelais zur Auswertung der 

Schutzeinrichtungen rechnet. Folgekosten fallen nicht 

an, denn es gibt lediglich eine Bestellnummer für die 

gesamte benötigte Hardware. Die Konfigurations-Software 

ist kostenfrei als Vollversion erhältlich. 

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Bedarfsgerechte Erweiterung 

des Master-Moduls 

PSR-Trisafe modular erlaubt die einfache und flexible 

Kontrolle der sicherheitsgerichteten Funktionen. Mit dem 

Sicherheitssystem lassen sich unterschiedliche Schutzeinrichtungen 

auswerten. Ein Modul überwacht beispielsweise 

den kompletten Sicherheitskreis von der Not- 

Halt- über die Schutztürauswertung bis zum Muting- 

Vorgang. Dazu stellt das erweiterbare Basismodul auf 

einer Baubreite von nur 67,5 mm 20 sichere Eingangssignale 

zur Analyse der sicheren Sensoren zur Verfügung. 

Darüber hinaus sind vier sicherheitsgerichtete Ausgänge 

bis Kat. 4 sowie Takt-, Melde- und Masseschaltausgänge 

in das Master-Modul PSR-Trisafe-M integriert, das als 

Einzelmodul nutzbar ist. 

Sollte die vom Master-Modul vorgehaltene I/O-Zahl 

nicht ausreichen oder im Lebenszyklus der Applikation 

Ergänzungen notwendig sein, lässt sich das Trisafe- 

System um bis zu zehn sichere Erweiterungsmodule 

ausbauen. Diese werden einfach über den Tragschienen-Konnektor 

TBus mit dem Master-Modul verbunden. 

Dabei erfüllt PSR-Trisafe modular die höchsten 

Sicherheitsanforderungen wie PL e oder SIL 3. Aufgrund 

der internationalen Zertifizierungen können die 

konfigurierbaren Sicherheitsschaltgeräte weltweit verwendet 

werden. 

INTUITIVE KONFIGURATION 

Das intuitive Bedienkonzept von PSR-Trisafe modular 

endet nicht mit der Hardware, sondern setzt sich bei der 

Software Safeconf fort, mit der das Sicherheitsschaltgerät 

konfiguriert wird. Das einfach einsetzbare Tool stellt alle 

erforderlichen Funktionen direkt auf seiner Oberfläche 

bereit. Hier kann der Anwender die gesamte Sicherheitslogik 

per Drag & Drop aufbauen, ohne zwischen verschiedenen 

Fenstern wechseln zu müssen. Safeconf gliedert 

sich in eine Toolbox inklusive vom TÜV zertifizierter 

Funktionsbausteine, den Hardware-Editor mit Ein- und 

Ausgängen, der auch als interaktive Statusanzeige der 

Hardware fungiert, sowie den Verdrahtungsbereich, in 

dem die Sicherheitslogik aufgebaut wird. Der Anwender 

wählt aus der Vielzahl sicherer Funktionen zunächst die 

notwendigen Bausteine in der Toolbox aus und zieht sie 

dann mit der Maus in den Verdrahtungsbereich. Dort 

müssen die Funktionen lediglich mit den gewünschten 

Ein- und Ausgängen verknüpft werden, die ebenfalls per 

Drag & Drop in den Verdrahtungsbereich gezogen und mit 

der Maus virtuell verdrahtet werden. Abschließend lädt 

der Anwender die geprüfte Sicherheitslogik über ein 

Standard-USB-Kabel in das Sicherheitsmodul herunter. 

Da die Konfigurations-Software Safeconf intuitiv bedienbar 

ist, benötigt der Nutzer keine Programmierkenntnisse, 

um PSR-Trisafe modular an die jeweiligen 

Anforderungen anzupassen. Sollten Fragen zu den Software-Funktionen 

auftreten, bietet das Tool eine umfangreiche 

Hilfefunktion, welche die Wünsche der Anwender 

gezielt umsetzt. Neben den üblichen Beschreibungen 

der Software-Funktionen umfasst die Hilfe zahlreiche 

Applikationsbeispiele, die sich auf die entsprechende 

Problemstellung sowohl hinsichtlich der Realisierung 

in der Software als auch der Beschreibung der Verdrahtung 

anwenden lassen. 

KÜRZERE DURCHLAUFZEITEN DURCH SIMULATION 

Das einfache Anschließen und flexible Erweitern der 

Hardware sowie die intuitive Konfiguration der Sicherheitslogik 

sind die wesentlichen Faktoren, die zur optimalen 

Umsetzung eines Safety-Projekts beitragen. Als 

Ergänzung der Grundfunktionen stellt Safeconf eine Simulation 

sowie einen besonderen Modus zur Verfügung, 

die die Inbetriebnahme der Maschinen oder Anlagen 

erleichtern. Die Simulation erlaubt beispielsweise einen 

vollständigen Funktionstest der aufgebauten Sicherheitslogik 

ohne Hardware. Auf diese Weise können Logikfehler 

bereits in der Planungsphase ausgeschlossen und Projektdurchlaufzeiten 

verkürzt werden. Spätere Erweiterungen 

lassen sich am PC nachstellen, ohne dass die Maschine 

hierzu erforderlich ist. Bei konfigurierbaren Systemen 

kommt der Security, also dem Schutz vor unbefugten 

Zugriffen, neben der funktionalen Sicherheit eine große 

Bedeutung zu. Deshalb arbeitet Safeconf mit verschiedenen 

Passwort-Abfragen sowie Prüfsummen, die Manipulationsversuche 

von vornherein verhindern. 

DIAGNOSE REDUZIERT STILLSTANDSZEITEN 

Online-Werte, zahlreiche Status-LEDs und zusätzliche 

Meldeausgänge in der Hardware unterstützen den Anwender 

bei der Diagnose. Die Meldeausgänge können 

beispielsweise als Ausgang für I/O-Statusmeldungen mit 

einer Steuerung verschaltet werden. PSR-Trisafe modular 

lässt sich auch direkt in das Netzwerk integrieren. Dazu 

wird ein Profibus-Gateway vor das Sicherheitsmodul auf 

die Tragschiene aufgerastet und über den Tragschienen- 

Konnektor TBus verbunden. So kann der Status aller 

I/Os an die SPS gesendet werden. 

Autor 

Tjark Höltkemeier ist 

Mitarbeiter im Produktmarketing 

Interface Safety 

der Phoenix Contact Electronics 

GmbH, Bad Pyrmont. 

Phoenix Contact Electronics GmbH, 

D-31812 Bad Pyrmont, 

Tel. +49 (0) 5281 94 60, 

E-Mail: thoeltkemeier@phoenixcontact.com 


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erscheint am 28.7.2011 

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Gewährleistung von Humansicherheit 

durch optische 

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Modellunterstützung bei 

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...und vielen weiteren Themen. 

Aus aktuellem Anlass können sich die Themen 

kurzfristig verändern. 

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6 / 2011

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