atp edition Engineering mit Web Services (Vorschau)

4 / 2011
53. Jahrgang B3654
Oldenbourg Industrieverlag
Automatisierungstechnische Praxis
Predictive Functional Control:
Algorithmus und Testbetrieb | 22
Engineering mit Web Services | 34
Plug-and-Play-Visualisierung
für flexible Automation | 42
Lateralverhalten elastischer
Bahnen vereinfacht modelliert | 50

editorial
Operational Excellence
beginnt in der Beschaffung
Operational Excellence im fortgeschrittenen Lifecycle verfahrenstechnischer
Anlagen ist bereits vielfach und fundiert diskutiert worden
– Ergebnisse von organisatorischen Konzepten über die Optimierung von
Betriebspunkten bis hin zu Energieeinsparungen liegen vor.
Aber wie steht es um Operational Excellence in der Beschaffungsphase?
Bereits dort werden Festlegungen getroffen, die die Performance der
Anlagen über deren gesamten Lifecycle massiv beeinflussen. Meist bestimmen
technische und kommerzielle Einzelbetrachtungen von Komponenten
die Entscheidungen bei der Beschaffung von Automatisierungslösungen.
Dabei dominieren Aspekte des CAPEX (Capital Expenditure
= Investitionsausgabe), wie der niedrigste Preis und technische Einzeleigenschaften.
Die Betriebskosten (OPEX = Operational Expenditure) im
Lifecycle spielen hierbei leider nur eine recht untergeordnete Rolle.
Ein derart fraktionierter Beschaffungsprozess gefährdet eine integrierte
Automatisierungslösung von der Feldebene bis zum ERP und erzeugt
unnötige Komplexität mit nachträglichem, hohem Pflegeaufwand. Optimales
funktionales Zusammenspiel (Interoperabilität) und niedrige Betriebskosten
rücken damit in weite Ferne. Das zeigt: Eine allein von den
Investitionskosten bestimmte Entscheidung kann gesamtunternehmerisch
im Sinne der Operational Excellence kontraproduktiv sein.
Nur mit einer unternehmerisch ganzheitlichen Betrachtung beider
Phasen, Investition und Betrieb, CAPEX und OPEX, sind in unserer anspruchsvollen
ökonomischen Landschaft die nötige Kostenführerschaft
und Produktivitätssteigerung erreichbar. Dazu ist ein Kulturwandel hin
zu einer Kollaboration über alle Unternehmensbereiche nötig – hier konkret
von Planung, Beschaffung, Implementierung und Betrieb. Die Basis
für diese sinnvolle Zusammenarbeit ist innerhalb der Unternehmensstruktur
mit klar definierten und transparent kommunizierten bereichsübergreifenden
Top Level KPI’s zu legen.
Bei Neuanlagen lassen sich Verbesserungen in diesem Sinn noch recht
einfach erreichen. Das eigentliche Potenzial und die großen Herausforderungen
liegen bei vorhandenen „Patchwork“-Instrumentierungs- und
Systemlandschaften mit hoher Schnittstellenvielfalt sowie bei den unaufhaltsam
in die Jahre kommenden Altsystemen, deren Hersteller von
der Bildfläche verschwunden sind oder für die kaum überzeugende Migrationskonzepte
angeboten werden.
Besonders große Optimierungsmöglichkeiten bieten Betriebszusammenlegungen.
Denn mit Übertragung von wertvollem Betriebswissen
von Altanlage auf Neuanlage, mit neuen, einfachen und zielorientierten
Arbeitsabläufen zwischen Mensch und Prozess handelt es sich dabei um
weit mehr als nur technische „Messwartenzusammenlegungen“.
Mit meinem Appell möchte ich alle an CAPEX- und OPEX-Themen
beteiligten Entscheidungsträger ermutigen, effiziente Beschaffung und
effektiven Betrieb zum Erreichen ihrer wirklich wichtigen Unternehmensziele
in Einklang zu bringen.
Wir als Lieferanten sehen unsere Aufgabe darin, dies mit entsprechend
ganzheitlichen Konzepten und Lösungen mit nachhaltigem Kundennutzen
zu unterstützen.
Rolf Marten,
Geschäftsführer,
Yokogawa Deutschland GmbH
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3

INHALT 4 / 2011
FORSCHUNG
6 | Schüler entwickeln Interface zur Steuerung
von mehrdimensionalen Systemen
IT-Sicherheit: „Auch Bedrohungen von innen
müssen abgewehrt werden“
7 | Fraunhofer-Verbund präsentiert ressourcensparende
Technologien für die Automobilindustrie
VERBAND
8 | Mittelbach übernimmt den Vorsitz im
internationalen Orgalime-Verband
AMA-Gründungsmitglied und atp-Autor
Theo W. Kessler im Alter von 81 Jahren verstorben
16 500 deutsche IT-Stellen bleiben 2011 unbesetzt
BRANCHE
10 | Rohstoffkosten treiben die Preise für
elektromechanische Bauelemente in die Höhe
Interoperables Fieldbus Gateway bindet E/As über ein
Standard-Highspeed-Netzwerk ein
11 | Profidrive effizient implementieren
Call for Papers zumSPS/IPC/Drives-Kongress
12 | Mit Leitungsfehlertransparenz lückenlos in der
Prozesstechnik überwachen
14 | Namur-Empfehlung 100 sorgt für erhebliche Vereinfachung
beim Detail-Engineering
16 | Berechnete Sicherheit für analoge Signalkreise in der Prozesstechnik
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Verlässliche
signale
HAUPTBEITRÄGE
22 | Predictive Functional Control:
Algorithmus und Testbetrieb
R. HABER, M. KREUTZ, K. ZABET
34 | Engineering mit Web Services
M. HARNISCHFEGER, P. FISCHER, R. NEUBERT, J. KNIERRIEM
hannover Messe
halle 9 · stand F28
42 | Plug-and-Play-Visualisierung
für flexible Automation
C. BRECHER, D. KOLSTER, W. HERFS, S. JENSEN, M. PLEßOW
50 | Lateralverhalten elastischer
Bahnen vereinfacht modelliert
G. BRANDENBURG
PRAXIS
64 | Automatisierte Messdatenauswertung
beschleunigt Entwicklungsprojekte
RUBRIKEN
3 | Editorial
66 | Impressum, Vorschau
Können sie ihren signalen
vertrauen?
Die neuen Signaltrenner des
K-Systems von Pepperl+Fuchs zeichnen
sich nicht nur durch einfache
Handhabung und Übersichtlichkeit
aus. Vom Schaltverstärker bis zum
hochfunktionalen Messumformer
bieten sie auch galvanische Signaltrennung
für absolute Präzision und
Sicherheit.
Wenn es um die Übertragung von
Prozesssignalen geht, können Sie
sich voll und ganz auf uns verlassen
– von der projektorientierten Beratung
über die bedarfsspezifische
Planung bis hin zur wirtschaftlichen
Umsetzung. Wenn das keine eindeutigen
Signale sind...
Erfahren Sie mehr unter:
www.pepperl-fuchs.de/signaltrenner
Pepperl+Fuchs Vertrieb Deutschland GmbH
Lilienthalstraße 200
68307 Mannheim
Telefon: +49 621 776-2222
Fax: +49 621 776-2722 22
E-Mail: pa-info@de.pepperl-fuchs.com
www.pepperl-fuchs.de

forschung
Schüler entwickeln Interface zur Steuerung
von mehrdimensionalen Systemen
sInd In der It-Branche heIss Begehrt:
Die Nachwuchsforscher Ole Stecker-Schürmann (von links nach rechts)
18 Jahre, Tobias Markus, 19 Jahre, und Phil Stelzer, 19 Jahre, erfanden
ein Eingabegerät für mehrdimensionale Sterungen
le Stecker-Schürmann (19), Phil Stelzer (19) und Tobias
Markus (20) haben ein Eingabegerät für Compu-
O
ter entwickelt, mit dem die Steuerung von drei- und
mehrdimensionalen Systemen möglich ist. Am Stand
des Bundesministeriums für Bildung und Forschung
(BMBF) auf der Cebit präsentierten die nordrhein-westfälischen
Jugend-forscht-Sieger ihr IT-Projekt „C-A-T
Steuerinterface“.
Eine herkömmliche Computermaus ist, eignet sich
nicht für die Steuerung von drei- und mehrdimensionalen
Systemen. Mit der Anwendung der drei Jungforscher
dagegen lassen sich auch räumliche Eingaben erfassen
und weiterleiten. Die notwendigen Sensoren für Lage
und Beschleunigung trägt der Nutzer an drei Fingern.
Diese senden ihre Informationen an den Empfänger im
PC. So ist es möglich, komplexe Objekte intuitiv im dreidimensionalen
Raum zu steuern oder dort einen Mauszeiger
zu bewegen.
Zum Zeitpunkt ihres Jugend-forscht-Erfolges waren die
drei Nachwuchstüftler Schüler des Beruflichen Gymnasiums
am Berufskolleg der Stadt Rheine. Derzeit absolviert
Ole Stecker-Schürmann ein duales Studium für Engineering
technischer Systeme an der Berufsakademie Emsland
in Lingen. Phil Stelzer studiert Informatik an der Universität
Kiel und Tobias Markus absolviert ein duales Studium
für Elektrotechnik an der DHBW in Karlsruhe.
„Jugend forscht leistet auch im Bereich IT einen wichtigen
Beitrag, die High Potentials zu finden, die Wirtschaft
und Wissenschaft angesichts des zunehmenden
Fachkräftemangels so dringend benötigen. Auch bei den
derzeit laufenden Wettbewerben der 46. Runde von Jugend
forscht gibt es vielversprechende Talente, die Projekte
im Themenfeld Computer und Informationstechnologie
präsentieren“, so Dr. Nico P. Kock, stellvertretender
Geschäftsführer der Stiftung Jugend forscht e. V.
stIftung Jugend forscht e. V.,
Baumwall 5, D-20459 Hamburg,
Tel. +49 (0) 40 374 70 90, Internet: www.jugend-forscht.de
6
IT-Sicherheit: „Auch Bedrohungen von innen
müssen abgewehrt werden“
Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) hat „Kastel“
gegründet, ein Kompetenzzentrum für Angewandte
Sicherheitstechnologie. Dieses Zentrum bündelt verschiedene
Teildisziplinen der IT-Sicherheit. Im Kern geht es
bei Kastel um die Fragen: Was ist Sicherheit? Welche
Anforderungen an die Sicherheit und den Datenschutz
stellen Anwendungsfelder wie Intelligente Stromversorgung
(Smart Grids), Cloud Computing und IT-gestützte
Maßnahmen im Bereich der öffentlichen Sicherheit?
Das Arbeitsgebiet der Forscher umfasst rechtliche, gesellschaftliche
und technische Fragen. So muss beispielsweise
bei der Überwachung öffentlicher Räume gleichzeitig
der Datenschutz berücksichtigt werden. „Zusätzlich
zum klassischen Schutz der Peripherie müssen auch Bedrohungen
von innen abgewehrt werden. Es genügt nicht,
die Sicherheit von Teilsystemen zu betrachten“, betont
Professor Jörn Müller-Quade, Leiter des Instituts für Kryptographie
und Sicherheit am KIT und einer der Initiatoren.
„Ziel ist die Entwicklung ganzheitlich sicherer Systeme,
zunächst in Form von Prototypen“, so Müller-Quade. Das
Institut hat eine dynamisch angelegte Struktur, um auf
aktuelle Anforderungen in Fragen der IT-Sicherheit
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schnell reagieren zu können. Der Umfang reicht von der
Grundlagenforschung bis hin zur Funktion eines „Helpdesks“
für die Industrie. Neben der Forschung sieht das
Institut ein Qualifikationskonzept vor, das Studium, Promotion
und Weiterbildung umfasst.
Kastel in Karlsruhe gehört zu den drei vom Bundesministerium
für Bildung und Forschung (BMBF) ausgewählten
Kompetenzzentren, die sich mit zukünftigen Herausforderungen
wie Cloud Computing, Intelligente Infrastrukturen,
und öffentliche Sicherheit befassen. Die beiden
weiteren geförderten Kompetenzzentren sind in Darmstadt
und Saarbrücken angesiedelt. Das BMBF fördert die strategisch
und langfristig ausgerichteten Institute mit insgesamt
17 Millionen Euro für vier Jahre mit dem Ziel, die
Expertise deutscher Forschung und Industrie in Fragen
der Cybersicherheit zu stärken.
Karlsruher InstItut für technologIe,
Hermann-von-Helmholtz-Platz 1,
D-76344 Eggenstein-Leopoldshafen,
Tel. +49 (0) 721 60 80,
Internet: www.kit.edu

Fraunhofer-Verbund präsentiert ressourcensparende
Technologien für die Automobilindustrie
Die Fraunhofer-Allianz Automobilproduktion hat sich
zum Ziel gesetzt, Innovationen für die Fahrzeugherstellung
zu präsentieren. Der Mitte 2010 gebildete Verbund
von 17 Fraunhofer-Instituten setzt den Schwerpunkt
dabei auf generelle Materialreduzierung, die
Nutzung recyclebarer und langfristig verfügbarer Werkstoffe
sowie auf Entwicklung ressourcensparender Technologien
und Anlagentechnik.
Die Allianz stellt sich erstmals auf der Zuliefermesse Z
in Leipzig auf einem Gemeinschaftsstand dem Fachpublikum
vor. Ihr gehört das Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb
und -automatisierung IFF an. Dessen Präsentation
konzentriert sich auf Technologien für energie- und ressourceneffiziente
Produktion. Es demonstriert moderne
optische 3-D-Messsysteme zur prozessintegrierten Qualitätsprüfung
von Fahrzeugfelgen. Darüber hinaus stellt das
IFF eine Anlage zur ressourceneffizienten Reststoffverwertung
in der Produktion sowie Lösungen für das instandhaltungsorientierte
Condition Monitoring von Produktionsrobotern
vor. Über integrierte Sensoren analysieren
die Roboter ihren Eigenzustand und stoßen im Reparaturfall
selbstständig anstehende Prozessschritte, wie
etwa die Ersatzteilbeschaffung, an. Die Allianz Automobilproduktion
präsentiert sich in Leipzig als Forschungspartner
für die deutsche Automobilindustrie entlang der
gesamten Prozesskette der Fahrzeugfertigung. Schwerpunkte
setzt sie in den Themenfeldern Karosserie, Powertrain,
Interieur, Fahrzeugmontage, Methodenkompetenz
und Produktionsforschung für die Elektromobilität.
fraunhofer-InstItut für faBrIKBetrIeB
und -automatIsIerung Iff,
Sandtorstr. 22, D-39106 Magdeburg,
Tel. +49 (0) 391 409 00, Internet: www.iff.fraunhofer.de
das system zur
automatIsIerten
3-d-geometrIe-
Vermessung
von Pkw-Felgen
wurde am Fraun hofer
IFF entwickelt und
ermöglicht eine fehlerfreie
Qualitätsprüfung
noch im Produktionsprozess.
Bild: Fraunhofer IFF
System 800xA Extended
Automation. Mehrwert
durch Integration.
System 800xA von ABB optimiert Anlagenprozesse durch eine kontextbezogene
Zusammenarbeit aller beteiligten Personen und Systemkomponenten. Alle Systeme,
Applikationen und Geräte sind in eine leistungsstarke Informationsarchitektur integriert.
Damit sind Informationen sofort im System abrufbar und stehen dem Anlagenpersonal
und Management zur optimalen Nutzung jederzeit zur Verfügung. Das ist „Mehrwert
durch Integration“. www.abb.de/controlsystems
HANNOVER MESSE
04.- 08. April 2011
Halle 11, Stand A35
ABB Automation GmbH
Email: marketing.controlproducts@de.abb.com
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Verband
Mittelbach übernimmt den Vorsitz im
internationalen Orgalime-Verband
Dr. Klaus Mittelbach, Vorsitzender der Geschäftsführung
des ZVEI, ist zum neuen Vorsitzenden von Orgalime
gewählt worden. Für zwei Jahre steht er nun als
„Chairman“ der Mitgliederversammlung und dem Vor-
Eine besorgniserregende Entwicklung für den
IT-Standort Deutschland sieht der Leiter für Technik
und Wissenschaft im VDI, Dieter Westerkamp,
darin, dass schon jetzt rund 16 500 Stellen für IT-
Fachleute nicht mit den nötigen Fachkräften besetzt
werden können.
Nach Angaben des VDI gab es im Januar 2011 rund
23 000 Vakanzen in der Branche. Derzeit ohne Arbeit
sind dagegen nur 7000 Informatiker. Die Arbeitslostand
des europäischen Verbandes vor. Zu seinem Stellvertreter
wurde Guido Biessen vom niederländischen
Mitgliedsverband FME-CWM gewählt. Gemeinsam mit
Präsident Richard Dick werden sie die Interessen der
europäischen Elektroindustrie, des Maschinenbaus und
der Metallverarbeitenden Industrie vertreten.
Orgalime organisiert 33 Mitgliedsverbände aus 22 europäischen
Staaten aus den Bereichen Elektrik und Elektronik,
Maschinenbau und Metallverarbeitende Industrie
mit dem Ziel, einen engeren Kontakt mit der Europäischen
Union aufzubauen. Orgalime repräsentiert damit
130 000 Unternehmen mit 10,6 Millionen Beschäftigten.
Die Orgalime-Industrien haben einen Anteil von 33 Prozent
an allen EU-Exporten und stehen für 28 Prozent der
Industrieproduktion in der europäischen Union.
dr. klaus MIttElbach, Vorsitzender der ZVEI-
Geschäftsführung, ist zum neuen Vorsitzenden von
Orgalime gewählt worden. Bild: ZVEI
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
AMA-Gründungsmitglied und atp-Autor
Theo W. Kessler im Alter von 81 Jahren verstorben
Theo W. Kessler zählte zu den Gründungsmitgliedern
des AMA-Fachverbands für Sensorik. Er hatte seit der
Konzeptionsphase im Jahr 1980 aktiv und kontinuierlich
die Ziele und die Arbeit des Verbandes unterstützt. Außerdem
hatte er erfolgreich das Unternehmen TWK Elektronik
GmbH aufgebaut und geführt.
„Herr Kessler war ein aktiver und sympathischer Gesprächspartner
und bereicherte unser Verbandsleben. Er
hinterlässt in unseren Reihen eine schmerzliche Lücke,“
so der AMA-Verband in dem Nachruf auf das langjährige
Mitglied. Theo W. Kessler war dem AMA-Fachverband für
Sensorik bis zuletzt als Mitglied im Ältestenrat verbunden.
In der atp edition (5/2010, S. 32-36) hatte Theo W. Kessler
gemeinsam mit Ulf Stark im Mai vergangenen Jahres noch
den Hauptbeitrag „Entwicklung fehlersicherer Winkelcodierer
veröffentlicht“. Kessler starb am 11. Februar im Alter
von 81 Jahren.
aMa-FachVErband Für sEnsorIk E.V.,
Sophie-Charlotten-Str. 15, D-14059 Berlin,
Tel. +49 (0) 30 221 90 36 20,
Internet: www.ama-sensorik.de
thEo W. kEsslEr,
Gründer der TWK Elektronik
GmbH, unterstützte engagiert
den AMA-Fachverband für
Sensorik. Bild: AMA
16 500 deutsche IT-Stellen bleiben 2011 unbesetzt
sigkeit ist erneut gesunken. Derzeit liegt sie bei etwa
3,8 Prozent. Rund 184 000 sozialversicherungspflichtige
Informatiker waren 2010 in Deutschland beschäftigt.
Die Zahl ist seit 2009 leicht um 2800 Personen
gestiegen.
VErEIn dEutschEr IngEnIEurE E.V. (VdI),
VDI-Platz 1, D-40468 Düsseldorf,
Tel. +49 (0) 211 621 40, Internet: www.vdi.de
8
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SPS | iQ Platform | MMI | Frequenzumrichter | Servo / Motion | Roboter | Schütze/Schalter
kaiserberg.com
Erst die Arbeit.
Dann das Vergnügen.
Gutes günstig genießen: Das ist auf Dauer nur möglich, wenn Lebensmittel
auch kostenbewusst hergestellt, etikettiert und verpackt werden. Und das
mit Steuerungs- und Systemlösungen, die einiges auf dem Kasten haben.
Von der Geschäftsleitung über die Produktion bis zum Endkunden herrscht
über alle Prozessebenen Transparenz und Nachverfolgbarkeit bei konstanter
Qualität. So wird die Arbeit dank iQ Platform, SPS, Roboter und Servoantrieb
präzise erledigt und durch die besonders flüssigen Prozessabläufe
zum echten Vergnügen.
Detaillierte Infos: www.mitsubishi-automation.de | Tel. 02102 486-2525

anche
Rohstoffkosten treiben die Preise für
elektromechanische Bauelemente in die Höhe
Das Allzeithoch bei den Notierungen für Gold und
Silber, aber auch die massiven Preissteigerungen
bei anderen Edelmetallen, Buntmetallen und sonstigen
Rohstoffen, belasten die Hersteller von elektromechanischen
Bauelementen. Darauf weist der ZVEI hin. Die
Einkaufspreise dieser für die Herstellung notwendigen
Rohstoffe führen zu drastisch steigenden Materialkosten
von elektromechanischen Bauelementen. Bei diesen
Produkten können die Beschaffungskosten für
Rohstoffe die Hälfte des Umsatzes ausmachen. Vielen
Herstellern ist es daher nicht möglich, die Preissteigerung
allein durch Optimierung oder Produktivitätssteigerung
zu kompensieren. Der ZVEI rechnet daher
mit der Weitergabe der gestiegenen Kosten in dieser
Branche an die Kunden.
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
EINEN RASANTEN
ANSTIEg haben die
Preise der für
elektromechanische
Bauelemente
nötigen Rohstoffe
hinter sich – das
wird sich im Preis
der Bauteile
niederschlagen,
prognostiziert der
ZVEI. Quelle: ZVEI
Werkstoff
Einheit
Kurs
5.1.2009
Kurs
5.1.2010
Kurs
5.1.2011
Veränderung
(%) 09–10
Veränderung
(%) 10–11
Veränderung
(%) 09–11
Kupfer DEL € / 100 kg 241,57 532,76 732,62 120,54 37,51 203,27
Messing CuZn37 € / 100 kg 242,00 480,00 628,00 98,35 30,83 159,50
Bronze CuSn6 € / 100 kg 349,00 675,00 945,00 93,41 40,00 170,77
Stol 76 € / 100 kg 316,00 638,00 876,00 101,90 37,30 177,22
Silber Ag € / kg 252,50 386,10 699,30 52,91 81,12 176,95
Gold Au € / kg 20,01 24,84 33,01 24,14 32,89 64,97
10
Interoperables Fieldbus Gateway bindet E/As
über ein Standard-Highspeed-Netzwerk ein
Die Fieldbus Foundation stellt ihren Mitgliedern nun
die Foundation-Highspeed-Ethernet-Remote-I/O
(HSE-RIO)-Spezifikation zur Ansicht zur Verfügung. Als
Teil der Initiative der Foundation zu Wireless und Remote
I/O definiert diese Spezifikation das erste einer
Reihe von interoperablen Gateways (ein intelligentes
RTU), um die E/As (analog und diskret) über ein Standard-Highspeed-Netzwerk
in die Automatisierungssysteme
einzubinden.
Innerhalb der Automatisierungsarchitektur der Foundation
bieten H1 (31,25 kbit/s) und HSE (100 Mbit/s)
Funktionsblöcke an, in denen HSE als Leitung mit höherer
Bandbreite dient, die höhere Geschwindigkeiten
und mehr Datendurchsatz bietet. Die Wireless-IO-Entwicklung
erweitert diese Fähigkeiten durch die Einrichtung
offener und freier Spezifikationen für ein verkabeltes
HSE-Backhaul-Netzwerk, ein drahtloses HSE-
Backhaul-Netzwerk, das zahlreiche Wireless Gateways
integriert, und eine Schnittstelle zu Wireless Instrumentierungs-Netzwerken.
Die HSE-RIO-Technologie
bietet eine effektive Möglichkeit, eine hohe Anzahl
diskreter und analoger E/A-Signale über eine HSE-Verbindung
von intelligenten Feldgeräten in das Automatisierungskonzept
zu integrieren.
Die Fieldbus Foundation betont, dass die WIO-Lösung
mit HSE-RIO es Industrieanlagen ermögliche, auf Geräte
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mit hohen Datenanforderungen unter Verwendung von
HSE direkt über das Feldbus-Host-System zuzugreifen.
Die Verwendung von Gateways erleichtere die Integration
verschiedenster konventioneller E/As in die Feldbusumgebung.
Diese Lösung macht diskrete und analoge
Signale sowie Foundation H1 über ein gemeinsames
Ethernet-Netzwerk verfügbar.
Das Wireless-IO-Projekt der Fieldbus Foundation verspricht,
die Verwendung einer offenen, interoperablen
Infrastruktur für die Feldbusautomatisierung unter
Einsatz von HSE- und Wireless-Anwendungen voranzutreiben.
Neben dem HSE-RIO-Entwicklungsteam arbeitet
auch das Fieldbus-Foundation/ISA-Kooperationsteam
(FIC) an Spezifikationen für das Wireless HSE-
Backhaul-Netzwerk mit HSE-RIO-Gateway. Das Wireless-Sensor-Interface-Team
entwickelt Spezifikationen
für Schnittstellen von Wireless-Sensornetzwerken und
dem Gateway. Die Spezifikationen für die Wireless-
Backhaul- und Wireless-Sensorschnittstelle werden
nun entworfen.
FIELDBUS FOUNDATION,
9005 Mountain Ridge Drive, Bowie Bldg – Suite 200,
Austin, TX 78759-5316, USA,
Tel. +1 (0) 512 794 88 90,
Internet: www.fieldbus.org

Profidrive effizient
implementieren
Um Profidrive weiter voranzutreiben und eine effiziente
Implementierung des Profils zu ermöglichen,
soll in Zukunft für Gerätehersteller eine Entwicklungsunterstützung
in Form eines Quellcodes zur Verfügung
stehen. Die Weichen hierfür wurden in einem Kickoff
Meeting der Industrial NETworx Community gestellt,
an dem Vertreter von 15 Firmen teilnahmen. PI (Profibus
& Profinet International) begrüßt diese Aktivität, da
sie einen wichtigen Beitrag zur flächendeckenden Verbreitung
des Profils sowie von Profibus und Profinet in
Antriebsanwendungen leiste.
Mithilfe des getesteten Quellcodes sollen Gerätehersteller
Profidrive wesentlich einfacher implementieren
können. Die Community unterstützt Gerätehersteller
bei der Integration des Quellcodes und bietet eine Plattform
für den Erfahrungsaustausch rund um Profidrive.
Entwicklungsergebnisse sollen auf der Hannover-Messe
vorgestellt werden, zur SPS/IPC/Drives werden bereits
erste Produkte erwartet.
Interessenten können sich hier informieren und
an der Entwicklung des Quellcodes mitwirken:
www.industrialnetworx.com/profidrive-profile.
PROFIBUS-NUTZERORgANISATION,
Haid-und-Neu-Straße 7, D-76131 Karlsruhe,
Tel. +49 (0) 721 965 85 90,
Internet: www.profibus.com
Call for Papers zum
SPS/IPC/Drives-Kongress
Noch bis zum 26. April können Vortragsvorschläge
für den Kongress der SPS/IPC/Drives 2011 eingereicht
werden. Ziel des Kongresses ist es, für Anwender
und Entwickler die Umsetzung innovativer Ergebnisse
aus industrieller Forschung und Entwicklung für die
Praxis vorzustellen.
Das Programmkomitee sucht Themen, mit denen Anwender
aktuell oder in Zukunft im Unternehmen konfrontiert
sind. Bevorzugt werden Beiträge über anwendungsbezogene
und herstellerunabhängige Problemlösungen
zu aktuellen Themengebieten.
Auch in diesem Jahr verleiht der Messe-Veranstalter
Mesago Messemanagement zwei Young Engineer
Awards. Das Kongresskomitee wählt dafür den jeweils
besten Beitrag junger Ingenieure (bis 35 Jahre) aus den
Bereichen Automation und Drives aus.
Der Kongress findet parallel zur Messe vom 22. bis 24.
November 2011 in Nürnberg statt. Detaillierte Informationen
zu den Themenfeldern, zu denen Beiträge eingereicht
werden können, sind im Internet zu finden unter
www.mesago.de/sps.
MESAgO MESSEMANAgEMENT gMBH,
Rotebühlstr. 83-85, D-70178 Stuttgart,
Tel. +49 (0) 711 61 94 60,
Internet: www.mesago.de
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so vielseitig wie
nie zuvor!“
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Er misst nicht nur Druck und Differenzdruck,
sondern auch Füllstände, Trennschichten und
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HANNOVER MESSE 2011: Halle 11, Stand C27

Branche
Mit Leitungsfehlertransparenz lückenlos in der
Prozesstechnik überwachen
Schaltverstärker überträgt Signale und reduziert Verdrahtungen
fährdeten Bereich befinden und die den Energieeintrag
reduzieren sollen. Diese Komponenten, die als Trennbarrieren
zwischen Feld und Steuerungen fungieren, sind
Schaltverstärker, Speisegeräte oder Messumformer.
Ein wichtiger Sicherheitsaspekt in diesem Zusammenhang
ist die permanente Leitungsfehlerüberwachung
der Anschlussleitungen zwischen Feld, Trennbarriere
und Steuerung. Gerade in der Prozessautomatisierung
sind Feldleitungen rauen Umweltbedingungen
und mechanischen Belastungen ausgesetzt.
Während diese Überwachung bei analogen Signalen
aufgrund der durchgängigen 4…20 mA-Technik leicht
zu realisieren ist, war dies bei binären Signalen bislang
nur mit zusätzlichem Verdrahtungsaufwand möglich.
BINÄRE SIGNALE ERFASSEN UND
GLEICHZEITIG ÜBERWACHEN
Das Namur-Signal eines binären Sensors kann neben
den Pegeln 0 und 1 auch Leitungsfehler übertragen. Für
Anwender, die diese Leitungsüberwachung auswerten
wollen, gibt es bei bisherigen Schaltverstärkern zwei
Möglichkeiten:
E
igensichere Stromkreise für die Signalanbindung in
explosionsgefährdeten Bereichen sind heute Stand
der Technik – ob analog oder digital. Anders sieht es
hingegen mit der Überwachung der Anschlussleitungen
aus. Das konnte bislang für eine binäre Übertragung nur
mit einigem Aufwand realisiert werden. Die von
Pepperl+Fuchs entwickelten Schaltverstärker mit Leitungsfehlertransparenz
reduzieren die Verdrahtung und
ermöglichen neben der Schaltsignal-Übertragung die
lückenlose Überwachung der Feld- und Steuerleitungen
– auf jedem einzelnen Kanal.
Um das Risiko einer Gas- oder Staubexplosion in Prozessanlagen
zu reduzieren, kommt für elektrische Komponenten
die Zündschutzart Eigensicherheit zum Tragen.
Diese Vorgabe begrenzt die elektrische Energie auf
einen Wert, der unterhalb der Mindestzündenergie der
vorhandenen explosionsfähigen Atmosphäre liegt. Dies
gilt für den Normalbetrieb wie für den Störfall und bezieht
sich auf den gesamten Stromkreis. Dazu gehören
also auch die Bauteile, die sich nicht im explosionsge-
1 | Den Leitungsfehler im Feld am Signalausgang zu signalisieren,
indem der Ausgangskontakt geöffnet
oder der Ausgangstransistor energielos wird (Signalausgang
in Bild 1). Das gesamte System geht in den
sicheren Zustand „energielos“. Nachteil: Es ist unmöglich,
in der Steuerung die Schaltzustände von
Fehlerzuständen zu unterscheiden, da 0-Signal und
Leitungsfehler dem gleichen Signalpegel zugeordnet
sind.
2 | Die Verwendung eines weiteren Signalausgangs (Ausgang
ERR in Bild 1). Der erste Ausgang überträgt das
Schaltsignal, der zweite Ausgang das Fehlersignal.
Hier können jedoch zwischen Schaltverstärker und
Steuerung keine Leitungsfehler von Schaltsignalen
unterschieden werden. So ist beispielsweise ein Kurzschluss
zwischen Steuerung und Leitsystem weiterhin
nicht von einem 1-Signal zu unterscheiden. Zudem
verdoppeln sich durch den zusätzlichen Fehlermeldeausgang
der Verdrahtungsaufwand und die Anzahl
der Eingänge in der Steuerung.
DIE PRAXISGERECHTE LÖSUNG
Eine praxisnahe Lösung bieten die Schaltverstärker mit
Leitungsfehlertransparenz (LFT). Sie übertragen gleichzeitig
Schalt- und Fehlersignale aus dem explosionsgefährdeten
Bereich mit nur einem Ausgang zur Steuerungsebene
– und das eindeutig. Der elektronische Kniff dieser
Entwicklung liegt in der Nachbildung eines Namur-
Schaltausgangs im Trennbaustein. Dieser überträgt neben
dem Signal auch die Fehlermeldungen Drahtbruch und
Kurzschluss aus dem Eingangskreis – trotz Trennstufe.
Sobald ein Fehler eintritt, wird der Ausgang hochohmig
und kann somit von der Steuerung als Leitungsfehler
erkannt und ausgewertet werden (Bild 2). Vorrausetzung
ist ein digitaler Eingang mit Leitungsfehlerüberwa-
12
atp edition
4 / 2011

BilD 1: Das binäre
Ausgangssignal des
Sensors und das
Fehlersignal für jeden
einzelnen Kanal
können bislang nur mit
hohem Verdrahtungsaufwand
detektiert
werden.
BilD 2: Schaltverstärker
mit Leitungsfehlertransparenz
ermöglichen
die lückenlose
Überwachung von jedem
einzelnen Kanal auf
Feld- und Steuerleitung.
Das spart bis zu 50%
Verdrahtung.
Bilder: Pepperl+Fuchs
chung in der Steuerung, der mittlerweile von allen großen
Leitsystemherstellern angeboten wird.
Der Nutzen dieses Schaltverstärkers mit Leitungsfehlertransparenz
ist vielfältig: Der Anwender erhält neben
den Schaltsignalen eine lückenlose Überwachung der
Kabel, sowohl auf der Feld- als auch auf der Steuerleitung
– und das auf jedem einzelnen Kanal. Außerdem halbieren
sich die Kosten für die Verdrahtung und die digitalen
Eingänge an der Steuerung.
Mit einem solchen Namur-kompatiblen Ausgang ist
beispielsweise der Schaltverstärker KFD2-SOT2-Ex1.N
aus dem K-System ausgestattet. Dieses umfangreiche
Programm eigensicherer Trennbausteine umfasst zirka
150 verschiedene Modelle für die Montage auf der Normschiene
(35 mm) – vom einfachen Trenner bis hin zu
hochfunktionalen Bausteinen. Der Schaltverstärker wurde
speziell für Namur-Sensoren (EN 60947-5-6) entwickelt
und ist für eigensichere Anwendungen bis SIL 2
(IEC 61508) geeignet. Die Signalisierung des Fehlers erfolgt
über eine frontseitige LED gemäß Namur NE44 und
einen separaten Ausgang. Auch eine Sammelmeldung
über die Spannungsversorgung (Power Rail) ist möglich.
LEITUNGSFEHLERTRANSPARENZ FÜR DAS H-SYSTEM
Das H-System ist für mehrkanalige Anwendungen im
explosionsgefährdeten Bereich konzipiert, bei denen
eine weitere Reduzierung des Verdrahtungsaufwands
gewünscht ist. Statt Hutschienenmontage stellt dieses
System ein Termination Board mit frei wählbaren
Klemmenausführungen oder Leitsystemsteckern als
Interface zwischen Feldgeräten und Leitsystem zur
Verfügung. Der neu entwickelte Verstärker HiC2831/2
(ein/zwei Kanäle) mit Leitungsfehlertransparenz und
nur 12,5 mm Breite ist kompatibel zu den bereits bestehenden
Schaltverstärkern. Er ist ebenfalls für
Namur-Sensoren und eigensichere Anwendungen bis
SIL 2 ausgelegt. Für SIL 3-Signalkreise gibt es mit dem
Schaltverstärker HiC2851 eine ähnliche Lösung.
autor
Dipl.-ing. Stefan pflüger
ist Produkt-Marketing-Manager
für Interfacetechnik im
Geschäftsbereich Prozessautomation
bei Pepperl+Fuchs
in Mannheim.
pepperl+ fuchs gmbH,
lilienthalstraße 200, D-68307 Mannheim,
tel.: +49 (0) 621 776 16 61,
e-Mail: spflueger@de.pepperl-fuchs.de
atp edition
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13

anche
Zum erZeugen von Kavernenspeichern im Salzstock
bohrt Wingas im ostfrie sischen Jemgum gut
1,5 Kilometer tief in die Erde. Bild: Wingas
„Über einen elektronischen
Angebotsvergleich
ließ sich in
Sekundenschnelle feststellen,
ob die Gerädedaten des
Lieferanten unseren Anforderungen
entsprachen.“
So beschreibt Klaus Kerner,
Process Control Technology
Project Manager bei Rösberg,
einen Vorteil, den die
Anwendung der NE 100
brachte. Bild: Rösberg
Namur-Empfehlung 100 sorgt für erhebliche
Vereinfachung beim Detail-Engineering
Zeitaufwand für Automatisierungsprojekt im Rahmen eines Erdgasspeichers deutlich reduziert
Standardisierter Austausch von Engineering-Daten
statt manuellem Handling von Messstellenblättern:
Durch den Einsatz der Namur-Empfehlung NE 100 spart
die Rösberg Engineering GmbH bei ihrem Automatisierungsprojekt
für einen großen Erdgasspeicher viel Zeit
ein. Zudem ergibt sich eine optimale Dokumentation für
den Anlagenbetreiber.
In der ostfriesischen Gemeinde Jemgum entsteht derzeit
einer der größten Erdgas-Kavernenspeicher Deutschlands.
Der Erdgasversorger Wingas plant dort bis zu 18
Kavernen mit einem geometrischen Hohlraumvolumen
von je 750 000 Kubikmetern. Nach Projektabschluss soll
in Jemgum ein Speichervolumen von 1,2 Milliarden Kubikmetern
Erdgas bereitstehen.
1600 MESSSTELLEN MÜSSEN EINBEZOGEN WERDEN
Die Firma Rösberg Engineering GmbH aus Karlsruhe
plant und errichtet die für das Projekt notwendige Automatisierung
für die Solanlage. „Es handelt sich hierbei
um zirka 1600 Messtellen”, sagt Klaus Kerner, Process
Control Technology Project Manager bei Rösberg. Der
Zeitaufwand für das Detail-Engineering der Mess- und
Regeltechnik darf bei einem Projekt dieser Größe nicht
unterschätzt werden. Um den straffen Zeitplan einzuhalten,
ist der Anbieter neue Wege gegangen und hat den
standardisierten Datenaustausch von Engineeringdaten
nach Namur-Empfehlung NE 100 angewendet. Das erleichtert
die Abläufe zwischen Anlagenplaner und Gerätelieferanten
in der Anfrage- und Angebotsphase und
bietet dem Anlagenbetreiber später die maximale Qualität
in der Dokumentation.
Ausgangspunkt des NE-100-Workflows ist hierbei das
CAE-System Prodok. Aus diesem Planungssystem werden
die bestehenden Messstellenblätter im NE-100-Format exportiert
und als elektronische Spezifikationsanfragedateien
an die Lieferanten geschickt.
SPEZIFIKATIONEN PER MAUSKLICK IMPORTIERT
Werner Urban, Projektsachbearbeiter bei Endress+Hauser,
hat die Anfragedateien von Rösberg Engineering erhalten
und bearbeitet: „Ich habe die elektronischen Spezifikationen
geprüft, die passenden Geräte aus unserer Produktpalette
ausgewählt und um die fehlenden technischen Informationen
ergänzt. Bisher haben wir so über 150 Anfragedateien
bearbeitet und an die Firma zurückgeschickt. Für
uns war dieser neue Weg der Abwicklung von Anfragen
nach NE 100 einfacher als zuerst erwartet.“
Projektleiter Klaus Kerner ist zufrieden: „Wir konnten
die Spezifkationen per Mausklick in unser Planungssystem
importieren. Über einen elektronischen Angebotsvergleich
ließ sich in Sekundenschnelle feststellen, ob
die Gerädedaten des Lieferanten unseren Anforderungen
entsprachen. Die kompletten Gerätedaten konnten somit
per Knopfdruck ins System und gleichzeitig in die Dokumentation
übernommen werden.“ Anklang fand die
neue Arbeitsweise auch beim Auftraggeber, wie Kerner
betont: „Frank Soschinka, Projektleiter Automatisierung
bei Wingas, lobte uns für die hochwertige Dokumentation.
So haben wir in der Planungsphase erheblich Zeit
eingespart, bei gleichzeitiger Verbesserung der Qualität
unserer Engineeringdaten.“
Werner Urban zieht ebenfalls eine positive Zwischenbilanz:
„Wir müssen neue Wege gehen um die steigenden
Anforderungen unserer Kunden, gerade auch im Anlagenbau,
zu erfüllen. Wir konnten in diesem Projekt unsere
Messtechnik übergreifend platzieren und der Firma
Rösberg den gewünschten Mehrwert bieten: die Zeitersparnis
im Engineering.“
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| EK12-05G |
Der WorKFLoW
Die klassische Grundlage einer Gerätespezifikation stellt
das technische blatt (Messstellenblatt) dar. es enthält alle
Daten und anforderungen an das Gerät.
Der Lieferant erhält das Messstellenblatt als PDF oder auf
Papier, legt das Gerät danach fest und ergänzt die Gerätedaten
entweder auf dem blatt oder separat per angebot. Der
Planer wählt daraus das passendste Gerät aus und pflegt
von hand die Gerätebeschreibung im cae-System in das
Messstellenblatt ein. Gibt es während des Projektverlaufs
Änderungen wiederholt sich der Prozess.
auf diese Weise benötigt der engineering-Prozess viel Zeit
und ressourcen. Proprietäre Gerätedaten lassen sich nicht
in bestehende cae-Systeme integrieren und Produktvergleiche
sind aufgrund uneinheitlicher herstellerangaben
nur bedingt möglich.
Im ne-100-Workflow werden die Merkmalleisten zwischen
Planer und Lieferant elektronisch ausgetauscht und in
vereinbartem umfang vom Lieferanten befüllt. In einer
kompletten Merkmalleiste stehen später alle notwendigen
Daten eines Gerätes, um damit die verschiedenen anforderungen
aus der Sicht von Planung, einkauf, betrieb oder
Wartung zu erfüllen. auf basis ihrer über 100 Gerätemerkmalleisten
beschreibt und ermöglicht die ne 100 die
automatisierte Datenübergabe, beispielsweise zwischen
einem cae-System des Planers und einem PDM-System
des Lieferanten.
Die anwendung der ne 100 bringt den Vorteil des standardisierten
und strukturierten Datenaustauschs über
XML-Dateien. Die Pflege eigener Formulare oder Datensysteme
entfällt. Weiterhin werden eine bessere Vergleichbarkeit
der Gerätedaten bei angeboten sowie eine erhöhung
der Qualität im anfrage/angebots-Prozess sowie eine
reduzierte engineeringzeit erreicht.
Das effizientere engineering senkt die Kosten sowohl auf
Kunden- als auch auf Lieferantenseite.
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anche
Berechnete Sicherheit für analoge
Signalkreise in der Prozesstechnik
Die Vorgehensweise zur Minimierung des Risikos durch sicherheitstechnische Funktionen
Überschreitet das Risiko einer prozess- oder verfahrenstechnischen
Anlage bestimmte Grenzen, werden
zusätzliche Sicherungsmaßnahmen erforderlich.
Am Anfang steht die Analyse durch ein interdisziplinäres
Team aus Verfahrenstechnikern, Sicherheits-
Fachleuten und Ingenieuren. Kommen sie zu dem Ergebnis,
dass die Gefahr für die Sicherheit von Menschen,
Anlagen und Umwelt trotz einer prozesstechnischen
Betriebs- und Überwachungseinrichtung (BPCS)
zu groß ist, müssen weitere Maßnahmen ergriffen werden,
um dieses Risiko – also das Ausmaß der Gefährdung
und seine Eintrittswahrscheinlichkeit – auf ein
tolerierbares Maß zu beschränken.
Zu diesen Aktivitäten können Maßnahmen zur Schadensbegrenzung,
Notfallpläne, mechanische Einrichtungen
sowie die Installation zusätzlicher Sicherheitstechnischer
Systeme (SIS) gehören. Dabei steht jede Funktion des
R&I-Schemas (Rohrleitungs- und Instrumentenplan) auf
dem Prüfstand. Unter Umständen sind zusätzliche Sicherheitstechnische
Funktionen (SIF) zu planen, deren zu erreichende
Risikoreduzierung mit Hilfe eines Risikographen
in Form eines SIL (Safety Integrity Level) festgelegt
wird. Wie kann also die Vorgehensweise bei der Betrachtung
der funktionalen Sicherheit analoger Signalkreise in
der Prozess- und Verfahrenstechnik aussehen? Welche
Werte und Parameter sind relevant? Wo werden sie dokumentiert
und wie fließen sie in die Betrachtung ein?
Für jede Sicherheitstechnische Funktion (SIF), die aus
Eingangskreis, Logik und Ausgangskreis besteht (Bild 1),
wird der „sichere Zustand“ definiert. In diesem Zusammenhang
ist zu überlegen, was geschehen muss, wenn
beispielsweise die Spannungsversorgung unterbrochen
wird. Soll ein Relaiskontakt oder ein Ventil geöffnet respektive
geschlossen werden? Außerdem muss der Anwender
auf Basis eines Risikographen den SIL als Maß
der notwendigen Risikominimierung für die Funktion
ermitteln. Der SIL gibt dabei die Wahrscheinlichkeit an,
dass das Sicherheitssystem die erwartete Sicherheitstechnische
Funktion (SIF) während einer bestimmten
Zeitspanne korrekt ausführt. Alle Geräte einer SIF sollten
dem geforderten Level entsprechen. Komponenten
des Eingangs-Teilsystems können neben den Sensoren
Schaltungen zur Signal-Konditionierung, Barrieren oder
galvanische Trenner sein. Zum Ausgangs-Teilsystem
zählen Aktoren und unter Umständen ebenso Trenner.
Im Rahmen der Umsetzung der funktionalen Sicherheit
reicht es allerdings nicht aus, Geräte mit dem benötigten
SIL einfach aneinander zu reihen.
Die BeDeutung Des siL eines gerätes
Der Safety Integrity Level eines Gerätes sagt lediglich
aus, dass das Modul im Sicherheitskreis verwendet werden
darf und die SIL-Anforderungen während seines
Lebenszyklus – also auch bei der Konzeption und Entwicklung
– erfüllt werden. Dazu bekommt das Gerät eine
SIL-Bewertung oder ein Zertifikat. Darüber hinaus informiert
das Safety Manual über die für die Berechnung
des SIL-Kreises wichtigen Werte (Bild 2). Zur Realisie-
rung der funktionalen Sicherheit gibt es nun verschiedene
Ansätze, die unter anderem davon abhängen, ob
eine Anlage neu geplant wird.
Oftmals liegt aufgrund von Funktion, Qualität und
Preis sowie der Angabe des Herstellers, für welchen SIL
das Gerät maximal nutzbar ist, bereits eine Präferenz für
bestimmte Geräte vor. Alternativ kann der Anwender
durch Datenbanken, welche die Ausfälle von Geräten
erfassen, zu Aussagen hinsichtlich der funktionalen Sicherheit
kommen (Betriebsbewährung). Manche Anlagenbetreiber
verfügen über eine eigene Datenerhebung
und Dokumentation der von ihnen verwendeten Geräte.
Die Umgebungsbedingungen und Anwendungsfälle der
Produkte müssen in diese Betrachtung einfließen. Denn
Geräte, die in Mitteleuropa einwandfrei funktionieren,
können in der Wüste oder in höheren Lagen andere Fehlerhäufigkeiten
aufweisen.
sicherheitstechnische Begriffe unD Werte
Bei der Umsetzung einer Sicherheitstechnischen Funktion
(SIF) ist zunächst zu klären, wie viele zusätzliche
Geräte für die Sicherheitsfunktion installiert werden sollen
(Bild 3). Dabei darf der Planer die einzelnen Teilsysteme
der Sicherheitstechnischen Funktion (Eingangskreis,
Logik und Ausgangskreis) auch getrennt betrachten.
Das sogenannte Voting MooN (M out of N Geräte) sagt
aus, welche Anzahl der zur Realisierung der Funktion
geplanten oder verbauten Geräte für die Sicherheit erforderlich
ist. Daraus ergibt sich die Hardware-Fehlertoleranz
(HFT). Werden zwei Sensoren installiert, von denen
jeder einzelne die Sicherheitsfunktion auslösen kann,
handelt es sich um eine 1oo2-Architektur, die den Ausfall
eines Sensors toleriert. Somit liegt ein HFT von 1 vor. Bei
einer HFT von 0 (1oo1, 2oo2 …) kann ein einzelner Fehler
zum Sicherheitsverlust führen. Die Entscheidung wird
dabei aufgrund von Aspekten der Sicherheit, Anlagenverfügbarkeit
und Wirtschaftlichkeit getroffen.
Bei den Geräten wird zwischen Typ-A- und Typ-B-Geräten
unterschieden (Bild 2). Unter Typ A fallen einfache
Geräte, deren Komponenten und Ausfallbedingungen vollständig
bekannt sind. Auf Typ-B-Geräte trifft dies nicht
zu, da sie beispielsweise Mikroprozessoren enthalten. Für
die ausgesuchten Geräte ist nun die Safe Failure Fraction
(SFF) von Bedeutung, also der Anteil der ermittelten ungefährlichen
Ausfälle des Moduls. Je nachdem, ob das
Gerät Typ A oder Typ B zugerechnet wird, erlaubt die SFF
in Kombination mit der gewünschten HFT die Zuordnung
zu einem bestimmten SIL (Bild 4). Wird die notwendige
Risikominimierung (SIL) nicht erreicht, muss ein anderes
Gerät oder eine andere HFT gewählt werden.
Im nächsten Schritt sind die PFD avg -Werte zu betrachten,
die die mittlere Ausfallwahrscheinlichkeit der Module
im Anforderungsfall der Sicherheitstechnischen
Funktion angeben. Die Werte sind immer in Abhängigkeit
zum Prüfintervall T proof zu sehen, denn die Aussage
über die Wahrscheinlichkeit von Ausfällen kann nicht
für einen unbegrenzten Zeitraum gemacht werden. Die
dokumentierten PFD-Werte für die Berechnung ergeben
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atp edition
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sich aus dem für die Anlage jeweils wünschenswerten
oder sinnvollen Prüfintervall (Bild 2).
Die MiniMierung Des risiKOs
Liegen die Werte für alle Module der SIF vor, ist sicherzustellen,
dass der Gesamt-PFD avg mit der durch den SIL
geforderten Risikominimierung übereinstimmt. In der
Prozessindustrie handelt es sich häufig um Sicherheitstechnische
Funktionen, die mit niedriger Anforderungsrate
betrieben werden, also ihre Aufgabe maximal ein Mal
pro Jahr auf Anforderung ausführen müssen. Entsprechende
Ausfallgrenzen sind in der DIN EN 61508-1 in
Tabelle 2 aufgelistet. Ein PFD avg zwischen 10 -3 und 10 -4
entspricht beispielsweise einer Risikominimierung um
den Faktor 1000 bis 10 000 und damit SIL 3. Ist dies nicht
der Fall, hat der Anwender drei Möglichkeiten.
Zum Einen kann er die PFD-Werte des Eingangs- und
Ausgangskreises genauer untersuchen. Orientierung
bietet dabei, dass Sensor und Trenner maximal 35 Prozent,
die Logik 15 Prozent und der Ausgangskreis, bestehend
aus Aktor und Trenner, rund 50 Prozent des
Pfades beanspruchen sollten. Geräte mit ungünstigen
Feldbusunabhängig
in den Ex-Bereich!
Das WAGO-I/O-SYSTEM 750 ist sowohl für den Einsatz in nicht
explosionsgefährdeten als auch in explosionsgefährdeten Bereichen der
Industrie und des Bergbaus ausgelegt.
Im industriellen Ex-Bereich kann das WAGO-I/O-SYSTEM 750 in der Zone
2 / 22 eingesetzt werden und bietet eine sichere, einfache und wirtschaftliche
Verbindung zur Sensorik und Aktorik der Zone 0 / 20 und 1 / 21.
Die hierfür entwickelten Ex i Busmodule bilden hierbei ein eigensicheres
Segment, das integriert in einen Standardbusknoten dem Anwender
sämtliche Vorzüge moderner Feldbustechnik bietet: Feldbusunabhängigkeit,
Flexibilität, Modularität, IEG 61131-3 Programmierbarkeit, Zuverlässigkeit,
Wirtschaftlichkeit, etc.
Zur Verfügung stehen die Ex i Busmodule: Digital NAMUR Eingang, Digital
Ausgang, Analog Eingang 4-20mA, Analog Eingang 4-20mA HART, Analog
Eingang RTD, Analog Eingang TC, Analog Ausgang 0-20mA und die Ex i
Einspeisungen 0,5A/1,0A.
Werten können durch besser geeignete Produkte ersetzt
werden. Ist dies nicht möglich, lässt sich das Testintervall
T proof verkürzen, was einen kontinuierlich höheren
Aufwand während der Anlagenlaufzeit nach sich zieht.
Die dritte Möglichkeit zur gewünschten Risikominimierung
besteht in der Änderung der Hardware-Architektur.
Das bedeutet ein neues Voting zur Erhöhung der
Hardware-Fehlertoleranz, beispielsweise 1oo2 oder
2oo3. Auch für den Fall, dass einzelne Geräte einem
SIL 1 entsprechen, ist durch eine redundante Auslegung
ein SIL 2 möglich, wenn die sicherheitstechnischen
Parameter dies zulassen. Entsprechend aufwendiger
ist die Berechnungsformel des Gesamt-PFD avg,
die
in der DIN EN 61508-6 im Anhang B oder etwas vereinfacht
in ANSI/ISA S.84.01 zu finden ist. Denn bei redundanten
Geräten muss die Möglichkeit eines Fehlers
gemeinsamer Ursache, der Common Cause β, in die
Berechnung einfließen. Dies lässt sich selbst dann nicht
vermeiden, wenn Geräte unterschiedlicher technischer
Erfassungen oder „zuverlässig“ verschiedener Hersteller
redundant eingesetzt werden. Lediglich der Prozentsatz,
mit dem β in die Berechnung eingeht, ist beeinwww.wago.com

anche
Bild 1: Für jede Sicherheitstechnische Funktion (SIF), die aus
Eingangskreis, Logik und Ausgangskreis besteht, wird der „sichere
Zustand“ definiert. In diesem Zusammenhang ist zu über legen,
was passieren muss, wenn beispielsweise die Spannungsversorgung
unterbrochen wird.
Bild 2: Das Safety Manual eines Signalkonverters
informiert über die für die Berechnung
des SIL-Kreises wichtigen Werte.
Bild 3: Bei der Umsetzung einer Sicherheitstechnischen
Funktion (SIF) ist zunächst zu klären, wie viele zusätzliche
Geräte für die Sicherheitsfunktion installiert werden sollen.
flussbar (siehe DIN EN 61508-6), weil auch in dem Fall
Fehler gemeinsamer Ursache, wie hohe Temperaturen,
vorhanden sein könnten, die zu frühzeitiger Alterung
von Bauteilen beider redundanten Geräte führen.
Entspricht der PFD avg nach der Berechnung der geforderten
Risikominimierung, ist der SIL erreicht. Der Anwender
kann nun weitere notwendige SIF der Anlage auf
gleiche Weise prüfen.
Die rAhMenDAten Der BeisPieLAnLAge
Das Beispiel einer Dispersionsanlage, in der verschiedene
chemische Substanzen gemischt werden, be-
schreibt die Vorgehensweise bei der SIL-Berechnung
(Bild 5). Die Anlage befindet sich in einem separaten
Raum, den ein Mitarbeiter gelegentlich zum Reinigen
des Behälters betritt. Obwohl die Anwendung technisch
dicht ist, könnten über einen Einfüllstutzen bei
Versagen der Füllstands-Messungen gefährliche Stoffe
in die Umgebung gelangen. Durch den Dispersionsprozess
kann es unter Umständen zu einer exothermen
Reaktion des Gemisches kommen. Die dabei zu erwartende
Wärmeentwicklung könnte eine potenziell explosionsfähige
Atmosphäre entzünden. Das Rührwerk
muss für diesen Fall abschalten. Außerdem soll ein
18
atp edition
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unkontrollierter Ablauf des Gemisches verhindert werden
(Bild 5, F1-F3).
Eine Risikoanalyse kommt zu dem Ergebnis, dass zur
Risikominimierung neben den vorhandenen Überwachungs-Einrichtungen
für jede der Gefahren zusätzlich
jeweils eine SIF installiert werden muss. Im Fall der Füllstands-Überschreitung
ist SIL 2 zu erfüllen. Anhand dieses
Beispiels (Bild 5, F1) soll die Installation der SIF und
ihre Berechnung erläutert werden. Um die Kosten möglichst
niedrig zu halten, werden zunächst eine 1oo1-Architektur
und damit eine HFT von 0 geplant. Es muss
somit eine zusätzliche Füllstands-Überwachung geplant
werden (Bild 5, LZ 09), deren Signalisierung über die Logikeinheit
das Schließen eines zusätzlichen Ventils
(VZ 10) auslöst. Fällt der Sensor oder das Ventil aus, wird
die Sicherheitstechnische Funktion (SIF) nicht wirksam.
Aufgrund der Funktion und Qualität werden ein Sensor
mit einer SFF von 90 Prozent, ein Trenner mit 85,9 Prozent,
eine Logikeinheit mit 99 Prozent und ein Ventil mit
89 Prozent ausgewählt. Bis auf die Logikeinheit handelt
es sich um Typ-A-Geräte. Alle Produkte sind gemäß SIL 2
zertifiziert, die Logikeinheit für SIL 3.
MittLere AusfALLWAhrscheinLichKeit Der sif
Anschließend ist die mittlere Ausfallwahrscheinlichkeit
der gesamten SIF zu untersuchen. Wie die komplette
Anlage wird auch dieser Teil einer Funktionsprüfung
respektive einem Prüfintervall von einem Jahr unterzogen.
Die Safety Manuals der Einzelgeräte geben Auskunft,
welche PFD-Werte für diesen Zeitraum zu wählen
sind. Daraus leiten sich folgende PFD avg -Werte ab:
Eingangs-Teilsystem:
PFD Sensor = 0,9 x 10 -2
PFD Trenner = 2,6 x 10 -4
Logik: PFD Logik = 10 -6
Ausgangs-Teilsystem:
PFD Trenner = 2,6 x 10 -4
PFD Final Element = 0,5 x 10 -2
Der Gesamt-PFD avg errechnet sich aus der Summe der
PFD avg aller verwendeten Geräte und beträgt 1,46 x 10 -2 .
Die durchschnittliche Gesamt-Ausfallwahrscheinlichkeit
im Anforderungsfall liegt zwischen 10 -1 und 10 -2 .
Dieser Wert ist laut Tabelle 2 der DIN EN 61508-1 bei
einer geringen Anforderungsrate nicht ausreichend für
SIL 2. Er müsste zwischen 10 -2 und 10 -3 angesiedelt sein.
Ohne weitere Maßnahme entspricht diese SIF nur SIL 1.
Um SIL 2 zu erreichen, kann der Anwender – wie beschrieben
– ein anderes Gerät einsetzen, was in diesem
Fall vermieden werden soll. Auch die Erhöhung des Prüfintervalls
auf weniger als ein Jahr kommt im Beispiel
nicht in Frage. Bleibt nur die Möglichkeit eines neuen
Voting respektive einer höheren HFT. Für SIL 2 wäre das
eine 1oo2-Architektur, die sich auf das Eingangs-Teilsystem
beschränkt, da hier die Kosten wesentlich geringer
sind als bei redundanten Ventilen. Somit müssen ein weiterer
Sensor zur Füllstands-Messung (Bild 5, LZ 08) und
ein zusätzlicher galvanischer Trenner installiert werden,
die beide in die Berechnung einzubeziehen sind.
Für die nötige Sicherheit sind nun die Fehler gemeinsamer
Ursache β zu berücksichtigen. Die Höhe dieses
Wertes ergibt sich aus Maßnahmen, die die Tabelle D.1
in der DIN EN 61508-6 auflistet. So können den Geräten
Einkaufen leicht gemacht.
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anche
sff
(safe failure fraction)
hardwarefehlertoleranz
n
typ A typ B n = 0 n = 1 n = 2
– 0 % ... < 60 % – SIL1 SIL2
0 % ... < 60 % 60 % ... < 90 % SIL1 SIL2 SIL3
60 % ... < 90 % 90 % ... < 99 % SIL2 SIL3 SIL4
= 90 % = 99 % SIL3 SIL4 SIL4
Bild 4: Kombinierte Tabelle nach DIN EN 61508-2
Je nachdem, ob das Gerät Typ A oder Typ B
zugerechnet wird, erlaubt die SFF in Kombination
mit der gewünschten HFT die Zuordnung zu
einem bestimmten SIL.
Bild 5: Das Beispiel einer Dispersionsanlage, in der verschiedene
chemische Substanzen gemischt werden, beschreibt die Vorgehensweise
bei der SIL-Berechnung.
andere elektrische Prinzipien oder Konstruktionen zugrunde
liegen. Außerdem können sie von unterschiedlichen
Herstellern stammen oder verschiedene Technologien
anwenden. Tabelle D.4 lässt sich dann der β-Faktor
entnehmen, und zwar getrennt für Eingangs-, Logik- und
Ausgangs-Teilsystem. Im Beispiel der Dispersionsanlage
soll der Faktor 10 Prozent für das redundante Eingangs-
Teilsystem mit Sensor und galvanischem Trenner ausmachen.
Zur besseren Darstellbarkeit wird zur Berechnung
des PFD des Eingangs-Teilsystems die vereinfachte Formel
für baugleiche Geräte und somit identischen λ DU gemäß
ANSI/ISA S-84.01 für 1oo2-Architekturen genutzt:
Der PFD avg
der kompletten Sicherheitstechnischen
Funktion (Gesamt-PFD avg = PFD S +PFD TR +PFD L
+PFD TR
+PFD FE
) beträgt nach dieser Maßnahme 6,3 x 10 -3 und
liegt damit zwischen 10 -2 und 10 -3 , sodass die SIF SIL 2
erfüllt. Die dargestellte Vorgehensweise mag aufwendig
sein, lässt sich mit den im Safety Manual angegebenen
Werten jedoch beherrschen.
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20
atp edition
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Predictive Functional Control:
Algorithmus und Testbetrieb
Einfach realisierbare Methode für SPS und PLS
Prädiktive (vorausschauende) Regelungen werden vor allem für komplexe Optimalwertregelungen
eingesetzt. Die vorgestellte PFC-Regelung (Predictive Functional Control) bietet
Algorithmen für Ein- oder Zweigrößensysteme, welche in speicherprogrammierbaren
Steuerungen und Prozessleitsystemen einfach implementiert werden können. Der Algorithmus
berücksichtigt die vorhandenen Begrenzungen und vermeidet das Integrator-
Windup. Der Beitrag zeigt grundlegende Eigenschaften von PFC sowie Implementierungsmöglichkeiten
in das Prozessleitsystem Simatic PCS7 auf.
SCHLAGWÖRTER Prädiktiver Regler / Predictive Functional Control / Totzeit /
Störgrößenaufschaltung / SPS / Prozessleitsystem
Predictive Functional Control: Algorithm and Test Implementation –
Simply realizable method for PLC and PCS
Predictive control is used primarily for complex optimal control. The presented Predictive
Functional Control (PFC) provides algorithms for single variable or two variables
systems. They can be easily implemented in programmable logic controllers and process
control systems. The algorithm takes the limits into account while avoiding the integrator
windup. The article demonstrates basic properties of PFC and implementation possibilities
in the process control system Simatic PCS7.
KEYWORDS Predictive Controller / PFC (Predictive Functional Control) / Dead Time /
Disturbance Feed-forward / PLC / Process Control System
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RObERT HAbER, MiRCO KREuTz, KHALED zAbET, Fachhochschule Köln
Der PFC-Algorithmus [6] ist einfacher als die in
wissenschaftlichen Kreisen bekannte verallgemeinerte
prädiktive GPC-Regelung (Generalized
Predictive Control). Im Unterschied zum
GPC-Regelungsalgorithmus wird beim PFC-
Regelungsalgorithmus in seiner üblichen Form die Regelgröße
nur für einen Schritt in der Zukunft optimiert
und somit eine Matrizenrechnung vermieden. Die Stellsignalbegrenzungen
werden analytisch berücksichtigt.
Daher entfallen die bei prädiktiven Regelungen üblichen
Iterationen bis zum Finden der optimalen Lösung und
das damit eventuell verbundene Konvergenzproblem.
Das typische Anwendungsgebiet der PFC-Regelung ist
die Eingrößenregelung (einschleifig oder in Kaskadenstruktur).
Eine PFC-Regelung verbessert das Regelungsverhalten
bei totzeitbehafteten Prozessen gegenüber den
PI(D)-Regelungen ohne ein komplexes, prädiktives Regelungsprogramm
oder den sehr parameterempfindlichen
Smith-Prädiktor einsetzen zu müssen. Zudem berücksichtigt
sie in eleganter Weise die Begrenzungen und
vermeidet gleichzeitig das Integrator-Windup, das die
Regelung stark verlangsamt.
Die vorgestellten Algorithmen wurden für die Regelung
eines Heißluftgebläses (Laboranlage Amira LTR-701 [1])
angepasst und erfolgreich getestet. Der Durchfluss des Luftstroms
wird über die Gebläseleistung, die Lufttemperatur
über eine Heizung geregelt. Ziel war, eine Temperaturregelung
zu entwerfen, welche die durch Änderungen des
Luftstroms verursachten Störungen kompensieren kann.
Ein lineares Modell zweiter Ordnung der Anlage wurde
aufgestellt und die Modellparameter aus aktiven Versuchen
geschätzt. Anhand des Modells wurde eine Regelung ohne
und eine mit Störgrößenaufschaltung entwickelt.
Die Regelung wurde zuerst simuliert und anschließend
die Anlage mit der Software Matlab über einen Rechner
mit Prozessperipherie erfolgreich geregelt. Der Regelungsalgorithmus
wurde ebenfalls als Baustein im Prozessleitsystem
Simatic PCS7 realisiert und im Echtzeitversuch
erfolgreich getestet.
Obwohl bereits weltweit Industrieanwendungen der
PFC-Regelung vorliegen (siehe zum Beispiel [6, 7]), wozu
auch die von Evonik/Degussa seit Jahren in Zusammenarbeit
mit dem Erfinder des PFC-Algorithmus,
Dr. Richalet, realisierten Anwendungen [2] gehören, ist
dieser Algorithmus in Deutschland wenig bekannt.
1. PFC-PrinziP und reglerParameter
PFC ist eine Form der modellbasierten prädiktiven Regelung,
das heißt, der Regler berechnet das zukünftige Verhalten
des Prozesses beziehungsweise der Regelgröße
anhand des bekannten Prozessmodells möglichst genau
voraus (prädiziert), um damit eine Minimierung des zukünftigen
Regelfehlers zu erreichen. Bild 1 zeigt die Regelungsstruktur
für einen Prozess erster Ordnung. Der
Prozess wird durch die Parameter K (Proportionalbeiwert),
T (Zeitkonstante) und T t (Totzeit) beschrieben. Die
dem PFC-Regler bekannten Modellparameter werden mit
dem Index m versehen.
Bild 2 stellt den geplanten Regelgrößen- und Regelfehlerverlauf
bei einer sprunghaften Sollwertänderung dar.
Es wird angenommen, dass der Regelfehler in jedem
Schritt gleichermaßen sinkt:
mit den Reglerparametern
(1)
: Vorhersagehorizont,
: Reduktionsverhältnis der nacheinander folgenden
Regelfehler
Das Symbol „ “ bedeutet einen prädizierten Wert.
Die stetige Reduktion des Regelfehlers kann man mit einer
exponentiellen Funktion beschreiben, wie die Differenz
der Sprungantwort eines PT1-Prozesses (Prozess erster
Ordnung) zum angestrebten Endwert. Folglich sollte der
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hauPTbeiTRag
biLD 1: Blockschaltbild der prädiktiven Regelung
biLD 2: Geplanter Regelfehlerverlauf
so entworfene geschlossene Regelkreis sich wie ein PT1-
Glied verhalten und 95 % des Sollwertes ohne Überschwingung
in T c erreichen. Daraus folgt:
symbolisiert die Abtastzeit. Daher wird anstatt eher
die geplante Ausregelzeit (t 95% ) des zu erwartenden geschlossenen
Regelkreises als Reglerparameter benutzt:
T c : Ausregelzeit (t 95% ) des geschlossenen Regelkreises.
2. PFC-regelungsalgorithmus
Der PFC-Algorithmus wird für die wichtigsten Fälle der
Eingrößenregelung beschrieben:
PT1-Prozess ohne Totzeit
PT1-Prozess mit Totzeit
aperiodischer Prozess höherer Ordnung
(2)
Die Erweiterung auf die Störgrößenaufschaltung mit und
ohne Totzeit wird in Abschnitt 3 gezeigt. Die Regelung
schwingungsfähiger Prozesse ist in [6] behandelt.
Die Simulationsbeispiele zeigen für einen PT1-Prozess
mit den Parametern T=1.0s und K=1.0 zunächst
ohne und später mit einer Totzeit von T t = 2.0s den Vergleich
zwischen einer PFC- und einer PI-Regelung.
Das Regelungsverhalten wird dabei zuerst für einen
Sollwertsprung und anschließend für eine sprunghafte
Störung gezeigt.
2.1 PFC-algorithmus anhand eines Pt1-modells
ohne totzeit
Die Regelung für einen Sollwertsprung ist in Bild 3 dargestellt.
Zusätzlich zur Regelgröße werden auch das
konstant angenommene Stellsignal und der Modellausgang
gezeigt.
Es wird angenommen, dass die Änderung der Regelgröße
in n p Schritten (
) gleich der Änderung
des Modellausgangs (
) ist und
das Modell nur durch die Änderung des Stellsignals beeinflusst
wird.
Das Prozessmodell wird mit einem PT1-Glied beschrieben
(3a)
Die für ein zwischen den Abtastpunkten konstante Stellsignal
äquivalente zeitdiskrete Form ist
wobei
, (3b)
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den Verlauf der Regelgröße beziehungsweise des Stellsignals
keinen Einfluss. Für dagegen soll n p bevorbiLD
3: Verlauf der Regelgröße, des Modellausgangs und
des Stellsignals bei einem Sollwertsprung
biLD 4: PFC-Regelung eines PT1-Prozesses ohne Totzeit:
Änderung der geplanten Ausregelzeit. (n p =1)
; b m = K m (1 + a m )
Die Vorhersage des Modellausgangs kann zum Beispiel
durch rekursives Einsetzen berechnet werden:
Die Gleichstellung der Änderungen in (5) und (6) führt
zu
(8)
Nach Umformen von (8) lautet die PFC-Gleichung für einen
Prozess 1. Ordnung:
…
(4)
mit
(9a)
Die Änderung des Modellausganges im Zeitpunkt
beträgt (bezogen auf den Zeitpunkt k):
Die gewünschte Änderung des Prozessausgangs beträgt
nach (1)
Mit der Annahme eines konstanten Sollwertes
gilt
(5)
(6)
(7)
; (9b)
Das Stellsignal wird in jedem Regelungsschritt – nach
dem Prinzip des gleitenden Horizonts – neu berechnet,
sodass das Stellsignal während der Regelung doch nicht
konstant bleiben muss, wie ursprünglich angenommen.
Die Bilder 4 und 5 zeigen die Wirkung der Reglerparameter.
Mit der geplanten Ausregelzeit (T c ) kann die Regelung
– auf Kosten einer größeren anfänglichen Änderung
des Stellsignals – beliebig beschleunigt werden. Durch
die Wahl von ändert sich das Stellsignal nach
einem Sollwertsprung ebenfalls sprungförmig. Eine zusätzliche
Änderung des Prädiktionshorizontes n p hat auf
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biLD 5: PFC-Regelung eines PT1-Prozesses ohne Totzeit.
Änderung des Prädiktionshorizontes n p (T c =3T m )
biLD 6: PFC- und PI-Regelung eines PT1-Prozesses ohne
Totzeit (n p = 1; T c =3T m ; K PR = 0,5; T n = 0,52983s)
biLD 7: PFC- und PI-Regelung eines PT1-Prozesses ohne und
mit Totzeit
biLD 8: Aperiodisches Prozessmodell als Parallelschaltung
zweier PT1-Glieder
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zugt 1 gewählt werden, da sich andernfalls eine Änderung
von n p in geringem Maße auf die Regelung auswirkt.
Der Vergleich der Simulation zwischen dem PI-Regler
und dem PFC-Regler für einen Prozess 1. Ordnung ohne
Totzeit zeigt in Bild 6 für die gewählten Reglereinstellungen
ähnliche Regelgrößenverläufe. Auch wenn der
PI-Regler zu leichtem Überschwingen tendiert, erreicht
er den Sollwert fast genauso schnell. Der PFC-Regler hingegen
arbeitet stets aperiodisch.
2.2 PFC-algorithmus mit totzeit
Der Prozess und das Prozessmodell werden weiterhin
mit dem PT1-Glied (3) und mit einer zusätzlichen Totzeit
von T t bzw. T tm beschrieben. Dies entspricht d=T t /Δt bzw.
d m =T tm /Δt Abtastzeitschritten. (Sollte der Bruch nicht eine
ganze Zahl ergeben, wird der Integerteil genommen.)
Die Differenz zwischen dem totzeitbehafteten und dem
aktuellen Prozessausgang ist gleich der Differenz zwischen
dem aktuellen und dem um die Totzeit früheren
Wert des Modellausgangs:
(10)
In der Verfahrens- und Klimatechnik werden Prozesse oft
mit aperiodischem Verhalten höherer Ordnung beschrieben.
Solche Prozesse können üblicherweise als eine Parallelschaltung
von n Prozessen erster Ordnung unterschiedlicher
Zeitkonstanten beschrieben werden, wie in
Bild 8 für einen PT2-Prozess dargestellt.
Hierbei werden folgende Bezeichnungen angewendet:
Proportionalbeiwerte: K im ,
Zeitkonstanten: T im ,
Koeffizienten der Differenzengleichung:
;
Die Änderung des Modellausgangs in n p Schritten beträgt
nach (5)
(13)
Die Gleichstellung mit der Änderung des Prozessausgangs
(7) resultiert in
(14a)
Für den prädizierten, totzeitbehafteten Prozessausgang
ergibt sich daraus folgende Gleichung:
(11)
mit
; (14b)
In (9a) soll jetzt durch ersetzt werden:
und (9b) bleibt unverändert.
(12)
Bild 7 zeigt die PFC-Regelung des unter Punkt 3 beschriebenen
PT1-Prozesses, jetzt jedoch mit einer Totzeit von
T t =2s. Durch die Wahl der PFC-Reglerparameter n p =1 und
T c =3T m wird die Regelung nach einem Sollwertsprung
schnell und das Stellsignal erreicht seinen Endwert in
einem Schritt. Das Stellsignal bleibt unverändert und die
Regelgröße ist bei einem Sollwertsprung um die Totzeit
T t verschoben. Der Modellausgang ist in beiden Fällen
gleich dem Prozessausgang ohne Totzeit.
Die schnellste aperiodische PI-Regelung (K PR = 0,5;
T n = 0,52983s) ist langsamer als die PFC-Regelung. Die
PFC-Regelung könnte man auf Kosten einer größeren
Stellsignaländerung beschleunigen.
Die PFC- und PI-Regelung sind beide jeweils unempfindlich
gegenüber Parameteränderungen. Bei einer Erhöhung
des Prozess-Proportionalbeiwertes jedoch ist die
PFC-Regelung eindeutig robuster.
2.3 e rweiterung auf aperiodische Prozesse
höherer ordnung
und die einzelnen Teilmodellausgänge y im können simuliert
werden [3, 6].
Im Gegensatz zu einem PT1-Prozess wird der Prädiktionshorizont
bei aperiodischen Prozessen höherer Ordnung
im Wendepunkt der Sprungantwort gewählt [6, 4].
Im Falle einer Totzeit soll in (14a) – ähnlich wie
bei (12) – durch
(11) ersetzt werden.
3. PFC-störgrössenauFsChaltung
3.1 ohne Berücksichtigung der totzeiten
Bei der Störgrößenaufschaltung wird der zu erwartende
Einfluss einer messbaren Störung berücksichtigt, siehe
Bild 9 für ein PT1-Prozess- und Störmodell.
Das Störmodell wird mit den Parametern
Proportionalbeiwert: K zm ,
Zeitkonstante: T zm ,
Koeffizient der Differenzengleichung:
;
bezeichnet. Ferner wird angenommen, dass die Störquelle
konstant bleibt, wobei auch andere Annahmen möglich
wären. Im aktuellen Zeitpunkt kann man die durch die
Störung verursachte Ausgangsänderung ähnlich zur Änderung
des Prozessmodellausgangs in (5) vorhersagen:
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(15)
Es wird angenommen, dass die gewünschte Änderung
des Prozessausgangs durch die Summe der Änderungen
des Prozessmodells und des Störmodellausgangs vorhergesagt
werden kann
Unter Berücksichtigung von (5), (7), (15) und (16)
(16)
(17)
und nach Umstellung von (17) wird das Stellsignal berechnet
Die Wirkung der Störung auf den Prozessausgang ist um
die zeitdiskrete Totzeit des Störmodells d zm verzögert.
Folglich kann der sich während der zeitdiskreten
Totzeit d m ergebende Zuwachs des Ausgangssignals
durch die messbare Störung berechnet werden:
In (18a) soll daher der Prozessausgang durch den Term
(19)
(20)
ersetzt werden. Des Weiteren soll in (15) das messbare
Störsignal um die zeitdiskrete Totzeitdifferenz Δd=d zm -d m
verzögert werden. Dadurch kann die um die zeitdiskrete
Totzeit d zm verzögerte Störwirkung über den Prozess, der
die zeitdiskrete Totzeit d m besitzt, kompensiert werden.
(18a)
mit
; ;
; (18b)
Die Gleichung (17) wird folgendermaßen modifiziert:
(21)
Bild 10 zeigt die Regelung des in Abschnitt 3 beschriebenen
PT1-Prozesses ohne Totzeit mit Störgrößenaufschaltung.
Der Störgrößenprozess und das
Störmodell besitzen die gleichen, jedoch vom Prozessmodell
abweichenden Parameter: Proportionalbeiwert
K z =K zm =1 und Zeitkonstante T z =T zm =2s. Die
Störung wird durch die Störgrößenaufschaltung vollständig
kompensiert.
(22)
Nach Umstellung von (22) ergibt sich das Stellsignal mit
den Reglerparametern von (18b)
3.2 mit Berücksichtigung der totzeiten
Eine Kompensation ist nur dann möglich, wenn die Totzeit
des Störprozesses T tz beziehungsweise des Störmodells
T tmz nicht kleiner ist als die Totzeit des Prozesses T t
oder des Prozessmodells T tm . Die durch das Aufschaltungsglied
von der gemessenen Störung auf das Stellsignal
wirkende Steuerung soll also eine Totzeit von T tzm -T tm
betragen, siehe Bild 11. Die zeitdiskrete Totzeit des Störprozesses
beziehungsweise des Störmodells wird mit
d z =T tz /Δt und d zm =T tzm /Δt bezeichnet.
Der Prozessausgang in (17) soll durch seinen um die
Totzeit verschobenen Wert vorausberechnet werden. Die
Wirkung des Prozessmodells wurde bereits unter (11)
angegeben. Bei Wirkung der Störung soll folgendes berücksichtigt
werden:
4. PFC-eChtzeitregelung üBer
Prozessleitsystem
(23)
Um den PFC-Algorithmus in einem System nutzen zu
können, bei dem sich dieser einfach in Regelungsstrukturen
einbinden und an die nötige Hardware-Peripherie
anbinden lässt, wurde auf der Entwicklungsebene
des Prozessleitsystems Simatic PCS7 ein PFC-Reglerbaustein
entworfen und im Echtzeitversuch mit einer
kompakten Versuchsanlage LTR-701 (siehe Bild 12) der
Firma Amira [1] erfolgreich gestestet. Die LTR-701 ist
ein Heißluftgebläse mit Strom- und Spannungsan-
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iLD 9: PFC-Störgrößenaufschaltung
biLD 10: PFC-Regelung eines PT1-Prozesses ohne
Totzeit mit und ohne Störgrößenaufschaltung
biLD 11: Kompensation einer Störung unter
Berücksichtigung der Totzeiten
biLD 12: Heißluftgebläse Amira LTR-701
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biLD 13: Amira-LTR-701-Anlagenmodell
modellparameter
Wert
Zeitkonstante T 1m 181,73s
Proportionalbeiwert K 1m 0,525
Zeitkonstante T 2m 10,0s
Proportionalbeiwert K 2m 0,467
biLD 14: Linearer
PFC-Reglerbaustein
mit Störgrößenmodell
TAbELLE 1. Prozessmodellparameter
bei u T = 2 V und u F = 6V
modellparameter
Wert
Zeitkonstante T 1zm 123,55s
Proportionalbeiwert K 1zm -0,12
Zeitkonstante T 2zm 13,45s
Proportionalbeiwert K 2zm
-0,11
TAbELLE 2 Störmodellparameter
bei u T = 2 V und u F = 6V Wert
und die analogen Ausgabesignale (AO) zu den Aktoren
(Heizung und Gebläse) geführt. Die Mess- und Stellsignale
werden wegen der kurzen Entfernung im Labor
mit analogen Spannungssignalen von 0 bis 10V übertragen.
Für die Versuche wurden die Spannungswerte
in Prozent umgerechnet: 1V=10%.
Für die PFC-Regelung der Anlage wird das lineare
Anlagenmodell von Bild 13 betrachtet, bei dem die Temperatur
y T am äußersten Messpunkt des Rohres über die
Heizleistung (Stellsignal u T ) geregelt wird. SchwankunbiLD
15: Lineare PFC-Temperaturregelung über
Prozessleitsystem
schlüssen zum Messen und Regeln. Die Luft wird über
das Radialgebläse angesaugt und über eine Drosselklappe
zur Heizung geführt. Dort wird die Luft erwärmt
und strömt anschließend durch das Rohr. Die
Temperatur wird an zwei Stellen über Thermoelemente
gemessen (y T1 und y T2 ), und der Massenstrom wird
über die gemessene Druckdifferenz an einer Lochblende
am Ende des Rohres berechnet. Die Anlage wurde
an das Prozessleitsystem PCS7 angeschlossen. Die Sensorsignale
werden zur analogen Eingabegruppe (AI)
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iLD 16: PI-Temperaturregelung über
Prozessleitsystem
biLD 17: Lineare PFC-Temperaturregelung mit
Störgrößenaufschaltung über Prozessleitsystem
gen im Luftstrom wirken sich aber auch auf die Temperatur
aus und müssen durch die Temperaturregelung
kompensiert werden.
Zwischen dem Stellsignal der Heizung (u T ) und der
Temperatur (y T ) sowie zwischen dem Gebläsestellsignal
(u F ) und der Temperatur (y T ) wurden jeweils PT2-Modelle
identifiziert [4]. Tabelle 1 fasst die Parameter des Prozess-
und Tabelle 2 die des Störmodells zusammen.
Der PFC-Reglerbaustein (Bild 14) wurde für einen
Prozess 2. Ordnung mit Störgrößenaufschaltung entworfen.
Die Eingänge des Reglerblocks wurden so gewählt,
dass je nach Arbeitspunkt die Modellparameter
angepasst werden können.
Bei dem Echtzeitversuch mit PCS7 wurde das Stellsignal
für das Gebläse bei u F =50% (5V) eingestellt. Bei
t=30s wurde der Temperatursollwert sprunghaft von 0
auf 30% geändert. Ab dem Zeitpunkt t=150s wurde das
Stellsignal des Gebläses u F stufenweise erhöht beziehungsweise
ab t=200s stufenweise gesenkt, um eine Störung
zu generieren. Die Versuchseinstellungen orientieren
sich dabei an den Arbeitspunkten bei der Identifikation
der Modellparameter.
Die Einstellungen der Reglerparameter wurden für
eine schnelle und möglichst aperiodische Regelung gewählt.
Der PFC-Regler wurde zunächst für den Vergleich
mit einem PI-Regler für einen linearen Prozess zweiter
Ordnung in einem Arbeitspunkt entworfen. Für den
PFC-Regler wurden die Reglerparameter für eine schnelle
aperiodische Regelung gewählt (n p =1 und T c = 50s). Der
PI-Regler sollte für den Vergleich ähnlich schnell regeln
können, daher wurden folgende PI-Reglerparameter für
den Echtzeitversuch bestimmt: K PR = 1; T n = 5s. Das Stellsignal
sollte nicht mehr als 20% über dem zum Sollwert
gehörenden stationärem Stellsignalwert liegen (ohne Begrenzung)
und die Überschwingung sollte nicht mehr
als 5% betragen. Das Stellsignal wurde sowohl für die
PI- als auch für PFC-Regelung dann auf 35% begrenzt.
Die PFC-Regelung (Bild 15) zeigt wie erwartet eine
schnelle und aperiodische Regelung. Die Begrenzung des
Stellsignals ist hier inaktiv. Im Vergleich zur PI-Regelung
(Bild 16) erreicht die PFC-Regelung zirka ein Drittel
schneller den Sollwert y r . Die Änderungen des Durchflusses
(durch Änderung der Gebläseleistung) als Störungen
machen sich in beiden Fällen ungefähr gleich
stark bemerkbar.
Bild 17 zeigt den Verlauf der PFC-Regelung mit Störgrößenaufschaltung.
Die Änderung des Durchflusses wird in
dem Störgrößenmodell berücksichtigt. Der Vergleich der
PFC-Regelung ohne und mit Störgrößenaufschaltung
zeigt, dass die Änderungen des Durchflusses (bei gleicher
Intensität) durch die Modellanpassung vollständig von
der Temperaturregelung kompensiert werden.
Um die Versuchsreihe in einem Bild darstellen zu können,
wurde der Beharrungszustand nach der Sollwertänderung
nicht ganz abgewartet, was am Stellsignal u T ablesbar
ist. Dies ist derart zu erklären, dass das Rohr sich
langsamer erwärmt als die Luft und daher ein verzögerter
Temperaturanstieg auf den Messfühler wirkt, welcher
durch das sinkende Stellsignal kompensiert wird.
Fazit
Ein prädiktiver Regelungsalgorithmus wurde für Eingrößensysteme
ohne und mit Störgrößenaufschaltung vorgestellt.
Die für Prozesse 1. Ordnung entwickelten Gleichungen
können einfach für aperiodische Prozesse höherer
Ordnung erweitert werden. Hierbei wird der Prozess mit
der Parallelschaltung mehrerer Teilprozesse 1. Ordnung
angenähert. Das Regelungsverhalten ist bei Vorhandensein
einer Totzeit sehr ähnlich zu einem Smith-Prädiktor,
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hauPTbeiTRag
auTOReN
PROf. DR.-inG. RObERT HAbER
(geb. 1948) leitet das Labor für Prozessleittechnik
und Verfahrensautomatisierung
im Institut Anlagen- und Verfahrenstechnik
der Fakultät für Anlagen-,
Energie- und Maschinensysteme der
Fachhochschule Köln. Er studierte
Elektrotechnik an der Technischen
Universität Budapest, wo er seinen
Doktortitel in Regelungstechnik erworben hat. Seine
Forschungsinteressen umfassen Prozessautomatisierung,
experimentelle Identifikation, modellbasierte prädiktive
Regelung und intelligente Verfahren zur Datenanalyse.
jedoch nicht so empfindlich gegenüber Parameteränderungen.
Die Stellsignalbegrenzung führt nicht zum Integrator-Windup-Problem.
Die Einfachheit des PFC-Algorithmus ist darauf zurückzuführen,
dass die Regelgröße nur für einen zukünftigen
Punkt optimiert wird und das Stellsignal als konstant
angenommen wird.
Der hier vorgestellte PFC-Algorithmus ist in seiner
Grundform sehr einfach. Eine Erweiterung auf Kaskadenregelung
und für Zweigrößensysteme wird in [6]
vorgestellt.
MaNuSKRiPTeiNgaNg
08.03.2010
Im Peer-Review-Verfahren begutachtet
fachhochschule Köln,
Labor für Prozessleittechnik und Verfahrensautomatisierung,
betzdorfer Str. 2, D-50679 Köln,
Tel. +49 (0) 221 82 75 22 42,
E-Mail: robert.haber@fh-koeln.de
DiPL.-inG. (fH), M. EnG. MiRCO
KREuTz (geb. 1980) arbeitet seit 2010
auf dem Gebiet der energetischen
Optimierung von Heizungs-, Lüftungsund
Klimasystemen. Er hat an der
Fachhochschule Köln Anlagen- und
Verfahrenstechnik studiert und in
seinem anschließenden Masterstudium
auf dem Gebiet Regelungs- und Prozessleittechnik
mit dem Schwerpunkt prädiktive Regelung
gearbeitet.
A. nattermann & Cie GmbH,
nattermannallee 1, 50829 Köln, Tel. +49 (0) 221 50 92 11,
E-Mail: Mirco.Kreutz@sanofi-aventis.com
M. SC. KHALED zAbET (geb. 1973)
studierte Regelungstechnik und
Informatik an der Universität Nasser in
Libyen. Er erwarb seinen Master-Abschluss
von der Technischen und
Wirtschaftswissenschaftlichen
Universität Budapest im Jahr 2006. Seit
2008 ist er Stipendiat an der Fachhochschule
Köln im Labor für Prozessleittechnik
und Verfahrensautomatisierung des Instituts
Anlagen- und Verfahrenstechnik.
fachhochschule Köln,
Labor für Prozessleittechnik und Verfahrensautomatisierung,
betzdorfer Str. 2, D-50679 Köln, Tel. +49 (0) 221 82 75 22 40,
E-Mail: khaled.zabet@smail.fh-koeln.de
DaNKSaguNg
Die Verfasser danken für die Ratschläge von
Dr. J. Richalet während der Entwicklungsarbeit
und bei der Durchführung der Versuche.
ReFeReNZeN
[1] a mira: Luft- und Temperatur-Regulierstrecke LTR-701,
http://www.amira.de/neuheiten.html, 2002.
[2] Deis, W.: Optimierung mit Rundumblick. effiziente
Prozessführung endet nicht mit der schnellen Lösung
der Regelungsaufgabe, P&a, 23-25, 2009
[3] Khadir, M.T., Ringwood, J.V.: extension of first order
predictive functional controllers to handle higher order
internal models, int. J. appl. Math. Comput. Sci.,
Vol. 18, No. 2, 229–239, 2008
[4] h aber, R., Kreutz, M., Zabet, K.: PFC-(Predictive
Functional Control)-Regelung eines heißluftgebläses,
7. Fachkolloquium aaLe (angewandte automatisierung
in der Lehre und Forschung), Wien, Österreich,
S. 99-104, 2010
[5] Kuhn, u.: eine praxisnahe einstellregel für PiD-Regler:
Die T-Summen-Regel, automatisierungstechnische
Praxis, band 37, Nr. 5, S. 10-16, 1995
[6] Richalet, J., O’Donavan, D.: elementary Predictive
Functional Control, Springer Verlag, 2009
[7] Richalet, J.: Model predictive heuristic control:
applications to industrial processes, automatica,
Vol. 14, pp. 413-428, 1978
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NEU-
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ich mit Wirkung für die Zukunft jederzeit widerrufen.

hauPTbeITraG
Engineering mit Web Services
FDT-Systeme mit modernen Technologien
Die Intelligenz moderner Feldgeräte erfordert deren flexible Erreichbarkeit im Rahmen
des Maschinen- und Anlagen-Engineerings. Mit dem Field-Device-Tool-Standard steht ein
Verfahren zur Integration von Komponenten verschiedener Hersteller in einer heterogenen
Netzstruktur zur Verfügung. Im Beitrag wird ein darauf aufbauendes Konzept der Geräteintegration
durch zusätzliche Einbeziehung von modernen Webtechnologien präsentiert.
Mit den geräteunabhängig verwendbaren Web Services wird ein universell einsetzbares
Verfahren zum Engineering von Feldgeräten zur Verfügung gestellt.
SCHLAGWÖRTER Geräteintegration / Field Device Tool (FDT) / Device Type Manager (DTM) /
Web Service / Device Profile for Web Services (DPWS)
Engineering with Web Services –
FDT Systems Using Modern Technologies
The intelligence of modern field devices requires their flexible accessibility to support the
engineering of machines and plants. Therefore, the Field Device Tool standard allows
integration of field devices supplied by different vendors within a heterogeneous network.
In the article, an advanced concept for device integration including modern web technologies
is presented. By means of device-independent Web Services, a generic procedure
for engineering field devices is provided.
KEYWORDS Device Integration / Field Device Tool (FDT) / Device Type Manager (DTM) /
Web Service / Device Profile for Web Services (DPWS)
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PETER FiSCHER, hochschule aschaffenburg;
MiCHAEL HARniSCHFEGER, RALF nEubERT, JÖRG KniERRiEM, Schneider electric automation
Die Automatisierungstechnik in komplexen Maschinen
und Anlagen ist gekennzeichnet durch
eine heterogene Systemstruktur unter Einbeziehung
von immer intelligenteren Feldgeräten.
Mit der stetig gewachsenen Leistungsfähigkeit
der Mikroprozessortechnik ist eine kontinuierliche
Funktionserhöhung in diesen Feldgeräten zu beobachten.
Die zunehmende Funktionalität äußert sich
darin, dass der Anwender über zusätzliche Prozessdaten
und Diagnoseinformation verfügen kann. Ferner steigt
die Anzahl bereitgestellter Parameter, die für die konkrete
Applikation des Feldgerätes adaptiert werden können.
Im Rahmen der jeweiligen Anwendung kann damit
jedes Gerät gezielt bei der Inbetriebnahme und der späteren
Anlagen- und Maschinenbetreuung konfiguriert
und parametriert werden. Weiterhin eröffnen die zunehmend
zur Auswahl stehenden vielfältigen Diagnoseinformationen
und Prozessdaten ein Optimierungspotenzial
beim Betrieb der Maschine oder Anlage. Die flexible
und effiziente Erreichbarkeit dieser verteilt angeordneten
Automatisierungskomponenten unterschiedlicher
Hersteller von zentraler Stelle über ein Netzwerk – wie
in Bild 1 dargestellt – ist dabei eine wichtige Voraussetzung
für effiziente Arbeitsabläufe bei der Inbetriebnahme
und der technischen Betreuung von automatisierungstechnischen
Systemen. Eine Standardisierung des
Zugriffsverfahrens ist für die Akzeptanz von Seiten der
Anlagen- und Maschinenbauer und -betreiber in der heterogenen
Gerätewelt verschiedener Hersteller von großer
Bedeutung.
Die Entwicklung des FDT/DTM-Standards (Field Device
Tool/Device Type Manager) berücksichtigt diese
Anforderungen. Es handelt sich dabei um ein standardisiertes
herstellerübergreifendes Verfahren zur Konfiguration,
Parametrierung und Diagnose von Feldgeräten.
Nach diesem Standard stellt ein Hersteller für jedes Feldgerät
ein zugeordnetes Software-Werkzeug mit standardisierten
Schnittstellen, den Device Type Manager
(DTM), zur Verfügung. Sämtliche DTM können auf einem
Arbeitsplatzrechner gemeinsam in einem weiteren
standardisierten Software-Werkzeug, der Rahmenapplikation,
integriert und dort ausgeführt werden. Damit
wird ein einfacher Zugriff von einem gemeinsamen Programmsystem,
welches auf einem mit der Maschine beziehungsweise
Anlage vernetzten Arbeitsplatzrechner
betrieben wird, auf sämtliche ebenfalls vernetzte Feldgeräte
gewährleistet.
Mit der Durchdringung aller technischen Systeme
durch das World Wide Web werden auch die damit
verbundenen Technologien für die Kommunikation zwischen
Automatisierungsgeräten relevant. In diesem
Beitrag wird ein Ansatz aufgezeigt, wie die Technologie
der Web Services den FDT/DTM-Standard ergänzen und
zu einer weitergehenden Harmonisierung mit allgemeinen
Entwicklungen der Web-Technologie beitragen
kann. Aufgrund der begrenzten Ressourcen von Feldgeräten
kommt dabei ein spezielles Profil, das Device
Profile for Web Services (DPWS) zum Einsatz, welches
an die Anforderungen von eingebetteten Systemen angepasst
ist. Nach einer dynamischen „Erkundung“ der
angebotenen Dienste der Feldgeräte in einem vernetzten
Automatisierungssystem mittels DPWS eröffnen Web
Services ein generisches Kommunkationskonzept zur
Nutzung universeller Dienste beim Fernzugriff auf dezentrale
Feldgeräte.
1. Technologische grundlagen
1.1 FdT/dTM-Technologie
Field Device Tool (FDT) beschreibt eine standardisierte
Softwareschnittstelle für die Kommunikation innerhalb
eines vernetzten Systems dezentraler Automatisierungskomponenten.
Das grundsätzliche Konzept dieses Standards
inklusive der zugehörigen Abläufe zeigt Bild 2.
Jedem Feldgerätetyp ist an zentraler Stelle ein Device
Type Manager (DTM) zugeordnet, der auch als externer
Bestandteil des Feldgerätes betrachtet werden kann und
vom Feldgerätehersteller beigestellt wird. Bei einem solchen
Geräte-DTM handelt es sich um eine Softwarekomponente
mit einer standardisierten Schnittstelle nach
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hauPTbeITraG
biLD 1:
Zentrales
Engineering via
Netzwerk in
Maschinen und
Anlagen mit
dezentraler
Intelligenz
biLD 2: FDT/DTM-Systemübersicht
biLD 3: Web-Service-Kommunikationsmodell (links) und DPWS-Kommunikationsmodell (rechts)
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FDT, welche gemeinsam mit allen Geräte-DTM in eine
übergeordnete, ebenfalls standardisierte Softwarekomponente,
der Rahmenapplikation eingebettet wird. Ein
Geräte-DTM lässt sich wie ein dem spezifischen Feldgerät
zugeordneter „Softwaretreiber“ verstehen, über den
typische Engineering- und Betreuungsaufgaben wie Parametrierung,
Konfiguration und Überwachung durchgeführt
werden können.
Ferner definiert der FDT-Standard zwei weitere Arten
von DTM, den Kommunikations-DTM (CommDTM)
und optional den Gateway-DTM, als weitere Softwarekomponenten
in einer Rahmenapplikation. Der
Kommunikations-DTM bildet die Schnittstelle zur
Netzwerkanbindung. Um auch die Unterstützung von
Feldgeräten mit unterschiedlichen Busprotokollen in
einer Maschine oder Anlage zu gewährleisten, müssen
bedarfsweise einer oder mehrere Gateway-DTM vorgesehen
werden.
Der FDT-Standard definiert die Struktur der Kommunikation
zwischen allen DTM sowie der übergeordneten
Rahmenapplikation und gewährleistet damit eine Hersteller-
und Geräteunabhängigkeit. Sämtliche Operationen,
die zwischen den DTM und der Rahmenapplikation
angeboten und verwendet werden, sind festgelegt. Die
technische Umsetzung der Kommunikation zwischen
den DTM und der Rahmenapplikation erfolgt durch den
Austausch von Textdokumenten mit strukturierten Datensätzen.
Dabei findet der XML-Standard (Extensible
Markup Language) Verwendung, wobei die Struktur und
der Inhalt der Dokumente im FDT-Standard definiert
sind. Im Detail muss zwischen Dokumentbestandteilen
unterschieden werden, die entweder den DTM oder das
Protokoll betreffen. Die protokollspezfischen Bestandteile
sind dabei außerhalb des FDT-Standards in einem
Annex für das Busprotokoll festgelegt, welches zur Gewährleistung
der Interoperabilität ebenfalls vom FDT-
Gremium erstellt wird.
Damit nun ein Feldgerät vom zentralen Arbeitsplatzrechner
zur Durchführung einer Parametrierung oder
Ähnlichem angesprochen werden kann, muss jedem
Geräte-DTM vom Kommunikations-DTM ein Kommunikationskanal
zugeordnet werden. Bei der nun vorzunehmenden
Parametrierung wird vom Geräte-DTM, der
einem Feldgerät zugeordnet ist, nach der manuellen
Eingabe der Daten ein standardkonformes XML-Dokument
erzeugt und an den Kommunikations-DTM weitergeleitet.
Der Kommunikations-DTM wertet das Dokument
aus und verpackt die Information in Nachrichtenpakete
nach dem Standard des angeschlossenen
Bussystems. Diese Nachrichtenpakete werden nun über
das Netzwerk versandt und nach dem Erhalt vom Feldgerät
ausgewertet. Anschließend wird im Feldgerät die
gewünschte Maßnahme, also zum Beispiel die Parametrierung,
ausgeführt. In umgekehrter Weise erfolgt eine
Kommunikation vom Feldgerät zum Geräte-DTM. Dazu
wertet der Kommunikations-DTM vom Feldgerät empfangene
Nachrichtenpakete aus und erstellt daraus
ebenfalls ein standardkonformes XML-Dokument, welches
dem zugehörigen Geräte-DTM zur weiteren Behandlung
(beispielsweise Visualisierung) zur Verfügung
gestellt wird,
Wenn die Netzwerkstruktur heterogen ausgeführt
ist, müssen die Nachrichten auch systemübergreifend
an verschiedene Busstandards angepasst werden. Diese
Anpassung wird in der Rahmenapplikation über
einen Gateway-DTM vorgenommen, der bedarfsweise
zwischen Geräte-DTM und Kommunikations-DTM
integriert wird. Der Gateway-DTM erhält von jedem
zugeordneten Geräte-DTM ebenfalls ein XML-Dokument,
welches nach dem Kommunikationsstandard
des Bussystems aufgebaut ist, mit dem das zugeordnete
Feldgerät arbeitet. Entsprechend der Aufgabe eines
Gateways wird dieses Dokument in den Standard des
an den Arbeitsplatzrechner angeschlossenen Bussystems
konvertiert und an den Kommunikations-DTM
zur weiteren Bearbeitung weitergereicht. Beim Transport
der Nachrichten im Netzwerk werden diese von
Gateways wiederum in den Busstandard des relevanten
Feldgerätes umgesetzt.
1.2 device Profile for Web services (dPWs)
Die Technologie der Web Services basiert auf dem Konzept
der serviceorientierten Architektur (SOA). Darunter
versteht man ein Konzept einer Softwarearchitektur
im Bereich der verteilten Systeme auf einer abstrakten
und damit von der konkreten technischen Umsetzung
losgelösten Ebene. Mit einer service-orientierten Architektur
sollen Mechanismen zur Verfügung gestellt werden,
um allgemeine Dienste im Netzwerk entweder
suchen, nutzen oder auch anbieten zu können. Aufgrund
der Loslösung von der konkreten technischen
Umsetzung ist es unerheblich, welche Hardware, Software,
Programmiersprache oder welches Betriebssystem
bei den einzelnen Systemen zum Einsatz kommt.
Der große Vorteil dieses Konzeptes: die Unabhängigkeit
von der jeweiligen technischen Implementierung und
eine Konzentration auf den betrachteten Prozess und
die damit verbundenen Dienste. Im Detail erfolgt die
Spezifikation einer SOA durch die Festlegung der Kommunikation,
die Beschreibung eines Dienstes und eines
Verzeichnisdienstes.
Eine Implementierung einer SOA ist durch die Einführung
von Web Services (WS) bereitgestellt worden.
In Bild 3 (links) sind das Kommunikationsmodell und
die verwendeten Technologien von Web Services dargestellt.
Die Architektur von Web Services basiert auf einem
Dienstanbieter, einem Dienstnutzer und einem Verzeichnisdienst.
Zunächst müssen angebotene Dienste
vom Dienstanbieter in einem Verzeichnisdienst veröffentlicht
werden. Ein potenzieller Dienstnutzer kann im
Verzeichnisdienst nach benötigten Diensten suchen. Zu
jedem vorhandenen Dienst wird eine Beschreibung der
Eigenschaften des Dienstes geliefert. Mit dieser Information
ist es dem Dienstnutzer nun möglich, den gefundenen
Dienst entsprechend der exakten Spezifikation beim
Dienstanbieter anzufordern.
Als standardisierter Verzeichnisdienst kommt das
Universal Description, Discovery and Integration Protocol
(UDDI) zum Einsatz. Diese Technologie beschreibt
einen standardisierten Verzeichnisdienst für Web Services.
Zur Beschreibung eines Web Services wird als
Standard die Web Service Description Language (WSDL)
vorgegeben. Es handelt sich hierbei auch um eine Beschreibungssprache
auf der Grundlage von XML-Dokumenten,
die den Dienst, seine Funktionen und die Anbindungen
an spezielle Nachrichtenprotokolle spezifizieren.
Das Simple Object Access Protocol (SOAP) ist ein
Nachrichtenformat für die Kommunikation über ein
Transportprotokoll. Die zu übertragene Information ist
auch hier in XML codiert.
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hauPTbeITraG
Das Grundprinzip von Web Services ist durch eine
Modularität gekennzeichnet, die es erlaubt, verschiedene
Spezifikationen, welche für ein bestimmtes Anwendungsgebiet
gültig sind, nach einem Baukastenprinzip
beliebig zusammenzusetzen, bei gleichzeitiger Gewährleistung
der Interoperabilität.
Um die Architektur der Web Services auch auf Feldgeräteebene
in der Automation nutzen zu können, wurde
der Standard Device Profile for Web Services (DPWS)
eingeführt. Dieser Standard berücksichtigt die speziellen
Anforderungen bei der Implementierung in verteilt
angeordneten eingebetteten Systemen mit ihren eingeschränkten
Ressourcen. Bei der Spezifikation dieses
Profils wurde daher nur eine Teilmenge aus den bestehenden
Web Service Spezifikationen berücksichtigt, die
speziell für den genannten Einsatz in der Automatisierungstechnik
von Bedeutung sind. Ergänzend wurden
neue Festlegungen für die in der Automatisierungstechnik
gegebenen Anforderungen aufgenommen, die bisher
in der Spezifikation der Web Services noch nicht vorgesehen
waren.
Im Detail sind abweichend vom Konzept der allgemeinen
Web Services bei DPWS folgende Besonderheiten
eingeführt worden:
Discovery statt Verzeichnisdienst (WS-Discovery)
Der zentrale Verzeichnisdienst wird durch ein „Discovery“
ersetzt. Dabei handelt es sich um Mechanismen
zum dynamischen Identifizieren von Geräten
und deren angebotenen Web Services (Bild 3,
rechts). Zu Beginn wird eine Suchanfrage (Probe)
nach einem bestimmten Dienst über eine Discovery-
Nachricht in das Netzwerk ausgesendet (Multicast).
Alle Geräte, die den gesuchten Dienst anbieten können,
senden eine Antwort (Probe Match) an den
Suchenden zurück. Dieser kann daraufhin eine Beschreibung
des Web Services in Form einer WSDL-
Datei von den in Frage kommenden Dienstanbietern
anfordern. Auf der Grundlage einer solchen Beschreibung
kann der Dienstnutzer daraufhin jeden
angebotenen Dienst nutzen. Ein weiteres wichtiges
Funktionsmerkmal des „Discovery“ besteht darin,
dass jeder Netzwerkteilnehmer dynamisch über
hinzugefügte oder entfernte Geräte im Netzwerk
informiert wird und dadurch die Integration von
neuen Geräten in eine Maschine oder Anlage in
einfacher Weise realisiert werden kann (Plug-and-
Play-Prinzip).
Erweiterung um ereignisbasierte Kommunikationsmechanismen
(WS-Eventing)
Es werden Ereignisdienste vorgesehen (Bild 4), die
von einem Dienstnutzer abonniert werden können
(Subscription). Eine Benachrichtigung erfolgt vom
Dienstanbieter nur dann, wenn das spezielle Ereignis
(Event) auch eintritt. Insbesondere bei sporadisch
auftretenden Ereignissen wie zum Beispiel
einer Grenzwertüberschreitung reduziert man damit
den Datenverkehr im Vergleich zu einer ansonsten
zyklisch benötigten Abfrage (Polling) erheblich.
Bild 5 verdeutlicht das resultierende Schichtenmodell
der DPWS-Architektur unter Einbeziehung der verschiedenen
Spezifikationen. Ethernet beziehungsweise
TCP/IP und UDP stellen dabei die Grundlage der Kommunikation
in den unteren Schichten über das Nachrichtenprotokoll
SOAP dar. In den darüberliegenden
Schichten werden die bestehenden Web-Service-Spezifikationen
für die Adressierung (WS-Addressing), die
Sicherheitsmechanismen (WS-Security) und spezielle
Nutzungsrichtlinien (WS-Policy) behandelt. Dies bildet
die Basis für die bereits genannten Mechanismen (WS-
Discovery, WS-Eventing) sowie den Austausch von Metadaten
(WS-Transfer/WS-MetadataExchange).
2. generische implementierung eines Prototypen
Ein flexibles generisches Konzept zur Kombination der
Web-Service-Technologie mit dem FDT/DTM-Standard
zeigt Bild 6. Der prototypische Ansatz beinhaltet einen
Kommunikations-DTM (CommDTM) und einem generischen
Geräte-DTM (Device-DTM) für die Interaktion mit
einem Web-Service-fähigen Feldgerät.
2.1 Kommunikation
Über den Kommunikations-DTM wird der Datenaustausch
mit Web Services realisiert. Dabei stellt der
Kommunikations-DTM jedem mit ihm verknüpften
Geräte-DTM einen eigenen Kommunikationskanal
(Channel) zur Verfügung. Aufgabe des Kommunikations-DTM
ist zum einen die Ausführung der FDT-
Kommunikation zu anderen Geräte-DTM und der Rahmenapplikation.
Zum anderen wird über einen DPWS-
Stack der Nachrichtenaustausch des Geräte-DTM über
DPWS-Dienste (zum Beispiel dynamische Suche nach
Geräten und Diensten und so weiter) ermöglicht. Dazu
ist im Kommunikations-DTM ein Kommunikations-
Manager vorgesehen, der die Verwaltung der Verbindungen
zu den einzelnen Geräte-DTM übernimmt und
die von den verknüpften Geräte-DTM abonnierten Ereignisse
verwaltet beziehungsweise weiterleitet. Ferner
fungiert der Kommunikations-Manager auch als eine
einheitliche Anbindungschnittstelle für eine zentrale
Integration des DPWS-Stacks.
Dem DPWS-Stack obliegt dann die eigentliche Anbindung
an die Hardware-Kommunikation im Netzwerk zur
Ausführung der Web Services. Zur Implementierung
wird das DPWS Core Toolkit der Open Source Initiative
SOA4D [7] verwendet. Dieses Toolkit dient im Allgemeinen
zur Generierung des Quellcode-Rahmens einer Web-
Service-Schnittstelle für ein Feldgerät mittels einer
WSDL-Beschreibung. Dabei ist der Rahmen fest an den
Funktionsumfang des Gerätes durch die WSDL gebunden.
Nach der Generierung eines Stacks werden die gerätespezifischen
Prozesse in die starre Kommunikationsstruktur
des vorgefertigten Rahmens implementiert. Um
eine dynamische, für FDT notwendige Kommunikationsstruktur
zu erreichen, wird ausschließlich der generische
Funktionsumfang genutzt, der wiederum vom
Toolkit zur Verfügung gestellt wird.
Wie bereits erwähnt, erfolgt die Kommunikation
über die FDT-Schnittstelle über den Austausch standardisierter
XML-Dokumente, deren Struktur und
Inhalt in einem Annex für verschiedene Busprotokolle
festgelegt und über die FDT-Organisation verabschiedet
wurden. Da noch kein Annex für DPWS existiert,
wird an dieser Stelle eine eigene Definition der
Strukturen und der Inhalte der auszutauschenden
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iLD 4: Ereignisbasierte Kommunikation (Eventing)
zur Reduzierung des Datenverkehrs im Netzwerk
biLD 5: Schichtenmodell der DPWS-Architektur
biLD 6:
Übersicht des
Systemkonzepts
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hauPTbeITraG
biLD 7:
Prototypischer
Demonstrator
mit Web Service
Nachrichten unter Berücksichtung bereits existierender
Annexe und der vorgegebenen Grundstruktur des
FDT-Standards vorgenommen.
2.2 generischer device Type Manager
Um ein beliebiges Feldgerät via Web-Service-Interface
ansprechen und verwenden zu können, wird ein Geräte-DTM
mit universeller Funktionalität benötigt. Unter
Verwendung einer Beschreibung in WSDL wird ein generisches
Verhalten erreicht, sodass alle verfügbaren
Dienste von Feldgeräten dem Anwender zugänglich gemacht
werden.
Um dieses generische Verhalten zu erreichen, muss
dem Geräte-DTM zu Beginn mitgeteilt werden, wo eine
solche WSDL-Datei für die im Netzwerk erreichbaren
Feldgeräte zu finden ist. Anschließend wird diese Gerätebeschreibung
analysiert und eine Liste der verfügbaren
Dienste erstellt. In einer grafischen Benutzerschnittstelle
(GUI) wird dazu in einem Auswahlmenü „Service
Management“ diese Liste der zur Verfügung stehenden
Dienste zur Auswahl angezeigt. Nach Auswahl eines
Dienstes wird entsprechend der Nachrichtenart auf den
Bereich Exchange Management für den synchronen oder
Event Management für ereignisbasierten Datenaustausch
weitergeleitet. In diesen beiden Bereichen werden bedarfsweise
weitere Einstellungsmöglichkeiten für die
Nutzung des Dienstes abgefragt. Eine sinnvolle editierbare
Vorbelegung kann dabei den Eingabeaufwand des
Anwenders reduzieren.
Ein generisches Geräte-Management ermöglicht das
flexible Anlegen und dauerhafte Speichern von diversen
Geräteprofilen. Ein einzelnes Profil enthält die nötige
Information, um ein Gerät eindeutig im Netzwerk ansprechen
zu können. Zusätzlich kann im Profil der Speicherort
der WSDL-Datei hinterlegt werden. Durch das
Geräte-Management kann der Geräte-DTM effizient für
unterschiedliche Geräte adaptiert werden.
Bei einem solchen Konzept ist es möglich, ein Geräte-DTM
generieren zu lassen, bei welchem der Hersteller
nur die Benutzeroberfläche an die Dienste des entwickelten
Gerätes anpassen muss, die durch die Analyse
der WSDL-Datei angeboten werden. Der Vorteil
hierbei für den Hersteller ist eine schnelle und einfache
Erstellung von gerätespezifischen DTM, ohne dabei
tiefgreifendes Fachwissen im Bereich FDT/DTM
zu benötigen. Ferner kann die Oberfläche ohne großen
Aufwand an kundenspezifische Anforderungen oder
direkt vom Kunden selbst individuell angepasst werden.
Denkbar ist mit diesem Konzept, dass neben der
Gerätebeschreibung auch die Information zur Beschreibung
der Benutzeroberfläche direkt im Gerät
oder an einem zentralem Ort abgelegt wird. Damit
würde sich die Möglichkeit ergeben, nur mit einem
einzigen universellen Geräte-DTM alle Feldgeräte konfigurieren
zu können, ohne dass Abstriche bei den
individuellen Benutzeroberflächen der verschiedenen
Geräte gemacht werden müssen.
2.3 Prototypischer demonstrator
Der Aufbau des prototypischen Demonstrators (Bild 7)
besteht aus einem Arbeitsplatzrechner, auf welchem
eine FDT-Rahmenapplikation mit den erstellten Softwarekomponenten
(DTM) installiert ist. Das Netzwerk
wird in einer Minimalkonfiguration durch einen Switch
implementiert. Als Feldgeräte stehen mehrere intelligente
Ein-/Ausgabe-Module (Advantys STB von Schneider
Electric) zur Verfügung. Die Module sind für diese
Anwendung mit einer prototypisch implementierten
Kommunikationsschnittstelle für Device Profile for Web
Service (DPWS) ausgestattet. Zusätzlich ist es möglich,
über weitere PC-Systeme den Demonstrator um virtuelle
Testgeräte zu erweitern.
In Verbindung mit den dezentralen Feldgeräten können
hier vorhandene Dienste (zum Beispiel Abfragen von binären
Eingängen und Setzen von binären Ausgängen)
zunächst per WS-Discovery erkundet und anschließend
angewandt werden. Ferner können auch Events (beispielsweise
die Änderung des Signalwertes am binären
40
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Eingang) vom Feldgerät abonniert werden. Gerade diese
Möglichkeit ist für automatisierungstechnische Anwendungen
von Bedeutung, da die Information über das Ereignis
unmittelbar bei gleichzeitiger Minimierung des
Kommunikationsaufwandes übertragen werden kann.
3. ZusaMMenFassung und ausblicK
FDT ist ein wichtiger Standard in der Automatisierungstechnik,
der die gleichzeitige Integration von Geräten an
unterschiedlichen Feldbussen und von verschiedenen
Herstellern erlaubt. Im Rahmen einer Kooperation zwischen
der Hochschule Aschaffenburg und Schneider
Electric wurde in einer Masterarbeit das vorgestellte generische
Konzept unter Einbeziehung der Web-Service-
Technologie entwickelt. Dieses knüpft an die bestehenden
Standards an und erlaubt gerade durch den stetigen Übergang
vom herkömmlichen Feldbus zur Ethernet-basierten
Kommunikation in Automatisierungssystemen eine einfachere
Integration in IT-Systeme.
Zur Zeit wird die nächste Version der FDT-Spezifikation,
FDT 2, unter Nutzung neuer Technologien wie
Microsoft .NET erstellt. Dabei stehen auch die Vereinfachung
und Optimierung des bisherigen Standards
unter Berücksichtigung der Erfahrungen der letzten
Jahre im Fokus. Hauptbestandteil der neuen Spezifikation
ist dabei der Umstieg von COM und ActiveX basierten
DTM auf die .NET und WCF (Windows Commu-
nication Foundation) Technologie. Mit dem zukünftigen
auf .NET basierenden FDT-Standard und der damit einhergehenden
Unterstützung von Web Services wird die
Umsetzung von DTM, die Web Services nutzen, weiter
erleichtert.
ManuSKrIPTeInGanG
17.08.2010
reFerenzen
Im Peer-Review-Verfahren begutachtet
[1] Simon, r..: Field Device Tool - FDT. oldenbourg Wissenschaftsverlag,
München 2005
[2] Melzer, I.: Service-orientierte architekturen mit Web Services: Konzepte
- Standards - Praxis. Spektrum akademischer Verlag, heidelberg 2008
[3] Francois, J., Mensch a., Smit h..: Service-oriented Device Communications
using the Devices Profile for Web Services. Ieee – aInaW ‚07. 21st International
Conference, Mai 2007
[4] FDT Joint Interest Group Guideline: FDT Inteface Specification Version 1.2.1,
März 2005. http://www.fdtgroup.org/de/documents/technical-documents.html
[5] W3C Working Group note: Web Service architecture, Februar 2004.
http://www.w3.org/Tr/ws-arch/
[6] o a SIS Standard: Device Profile for Web Services Version 1.1, Juli 2009.
http://docs.oasis-open.org/ws-dd/dpws/wsdd-dpws-1.1-spec.html
[7] Soa4D (Service-oriented architecture for Devices) open-Source Initiative.
http://www.soa4d.org
auToren
DiPL.-inG. (FH) MiCHAEL HARniSCHFEGER,
M. EnG. (geb. 1985), hat an der Hochschule
Aschaffenburg im Rahmen des Masterstudiengangs
Elektro- und Informationstechnik in Kooperation
mit der Firma Schneider Electric Automation seine
Master-Thesis zum Thema Geräteintegrations- und
Web-Technologien erstellt.
Schneider Electric Automation GmbH,
Steinheimer Straße 117, D-63500 Seligenstadt,
Tel. +49 (0) 6182 81 24 40,
E-Mail: michael.harnischfeger@de.schneider-electric.com
PROF. DR.-inG. PETER FiSCHER (geb. 1963) vertritt
an der Hochschule Aschaffenburg in der Fakultät
Ingenieurwissenschaften die Fachgebiete Automatisierungstechnik
und Prozessdatenverarbeitung.
Die Schwerpunkte seiner Arbeiten liegen in der
Anwendung eingebetteter Systeme für automatisierungstechnische
Aufgabenstellungen sowie in
deren übergeordneten Integration in vernetzten
Systemen.
Hochschule Aschaffenburg,
Würzburger Str. 45, D-63743 Aschaffenburg,
Tel. +49 (0) 6021 31 48 93,
E-Mail: peter.fischer@h-ab.de
DiPL.-inG. (Tu) RALF nEubERT (geb. 1970), Director System
Architectures and Interoperability bei der Schneider Electric
Automation GmbH in Seligenstadt, ist im Unternehmensbereich
Industrie für Kommunikationsschnittstellen der Automatisierung,
für System-Architekturen und Interoperabilität zuständig. Im
Rahmen des EcoStruxure-Programmes im gesamten Schneider-
Electric-Konzern betreibt er die Definition und Einführung von
Service-orientierten Architekturen (SOA) und Web-Service-basierten
Schnittstellen für Lösungen zwischen verschiedenen Geschäftsfeldern
Industrie, Gebäudeautomation, Energieverteilung und IT.
Schneider Electric Automation GmbH,
Steinheimer Straße 117, D-63500 Seligenstadt,
Tel: +49 (0) 6182 81 2521,
E-Mail: ralf.neubert@de.schneider-electric.com
DiPL.-inG. (FH) JÖRG KniERRiEM (geb. 1974), Senior Developer/
Technical Architect bei der Schneider Electric Automation GmbH in
Seligenstadt. Die Schwerpunkte seiner Arbeiten liegen im Erstellen
von Architekturen für die Geräteintegration in Automatisierungssysteme
von Schneider Electric und die Mitarbeit in Standardisierungsgremien
wie zum Beispiel FDT/DTM für die Geräteintegration.
Schneider Electric Automation GmbH,
Steinheimer Straße 117, D-63500 Seligenstadt,
Tel: +49 (0) 6182 81 21 40,
E-Mail: joerg.knierriem@de.schneider-electric.com
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4 / 2011
41

HAUPtbEItrAG
Plug-and-Play-Visualisierung
für flexible Automation
Generierung grafischer Benutzeroberflächen
Die Erstellung grafischer Benutzeroberflächen für flexible Automatisierungssysteme ist
ein zeitaufwendiger und kostenintensiver Prozess. Geräteintegrationstechnologien wie
EDDL und FDT/DTM bieten bereits eine erste Hilfestellung zur Integration unterschiedlicher
automatisierungstechnischer Komponenten in einen bestehenden Anlagenverbund
und zur Erstellung einer initialen Visualisierung. Dies ist jedoch häufig von Einschränkungen
geprägt. Der Beitrag beschreibt einen Ansatz, der eine weitgehend plattformunabhängige
Plug-and-Play-Geräteintegration und eine darauf basierende automatisierte
Generierung grafischer Benutzeroberflächen ermöglicht.
SCHLAGWÖRTER Plug-and-Play-Geräteintegration / Maschinenvisualisierungen / HMI /
Anlagen-Engineering
Plug and Play Visualization for Flexible Automation –
Generation of Graphical User Interfaces
Development of graphical user interfaces for flexible automation systems is a tedious and
pricy process. Device integration technologies such as EDDL and FDT/DTM help to integrate
field devices into an existing plant and to create an initial graphical user interface.
But they undergo several restrictions. The paper describes an approach for extensively
platform-independent field device integration and a subsequent automated generation of
graphical user interfaces.
KEYWORDS Plug-and-Play-Device-Integration / Graphical User Interfaces /
Manufacturing Systems Engineering
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C. BRECHER, D. KOLSTER, W. HERfS, rWtH Aachen
S. JEnSEn, M. PLEßOW, Gesellschaft zur Förderung angewandter Informatik e. V.
Die Forderung, einmal entwickelte mechatronische
Komponenten wiederzuverwenden, und
die Möglichkeit, diese flexibel miteinander zu
kombinieren, hat zu einer verstärkten Modularisierung
von Produktionsanlagen geführt. Die
Komponenten, speziell Sensoren und Aktoren, müssen
hierfür möglichst reibungslos in das Gesamtsystem integriert
werden. Dabei gestaltet sich insbesondere die
spezifische Integration von Drittanbieter-Komponenten
oftmals aufwendig.
Die Inbetriebnahme komplexer Produktionsanlagen
ist daher primär durch den Zeitaufwand zur Projektierung
und zum Test der geforderten Funktionalität im Zusammenspiel
mit ihren mechatronischen Komponenten
bestimmt. Dazu zählt auch die Erstellung einer Mensch-
Maschine-Schnittstelle (HMI/Anlagenvisualisierung)
und deren Integration in übergeordnete Systeme zu Überwachungs-
und Steuerungszwecken. Die Erstellung einer
adäquaten Erstvisualisierung zur Inbetriebnahme einer
Anlage ist für den Anlagenbauer und für den Komponentenhersteller
eine zeit- und kostenintensive Aufgabe. Änderungen
der Anlagentopologie haben gleichzeitig eine
manuelle Anpassung der grafischen Benutzerschnittstelle
zur Folge. Die dadurch verursachten Kosten zur Erstellung
der Visualisierung/HMI machen nicht selten 20%
der Gesamtkosten einer Automatisierungslösung aus [2].
Zielsetzung einer Plug-and-Play-
Maschinenvisualisierung
Im Sinne der Kostenreduktion und Zeiteinsparung wäre
ein Verfahren zur Inbetriebnahme von mechatronischen
Komponenten optimal, das den aus der Informationstechnologie
bekannten Ansätzen des Plug-and-Play folgt, und
zur Kostenreduzierung durch geringeren Arbeitsaufwand
für Anlagenbauer beziehungsweise Anlagenbetreiber beiträgt.
Hierbei müssen neue Geräte automatisch identifiziert
und deren Gerätefunktionen dem Benutzer zur Verfügung
gestellt werden. Die Gerätefunktionen müssen
unter anderem einer Spezifikation (zum Beispiel UPnP[1])
genügen und sollten im internen Speicher des Geräts abgelegt
werden. Für die Automatisierungstechnik müsste
ein solches Verfahren zusätzlich für die automatische
Bereitstellung einer funktionsfähigen Gerätevisualisierung
zur Anlagensteuerung und -überwachung beim Anschluss
eines Geräts sorgen.
Anforderungen an ein Plug-and-Play-System
Um ein solches Verfahren in der Automatisierungstechnik
umsetzen zu können, wurden Anforderungen an die
zu integrierenden Komponenten formuliert. Diese konnten
bereits im Wesentlichen aus verfügbaren Plug-and-
Play-Verfahren abgeleitet werden:
Neu angeschlossene Geräte müssen automatisch
erkennbar und eindeutig identifizierbar sein.
Für jedes Gerät müssen die seinen Funktionen
zugeordneten Signale beschrieben werden.
Auf Gerätesignale muss auf elektronischem Wege
ein Zugriff realisierbar sein.
Für jedes Gerät muss eine maschinenlesbare
Beschreibung einer Visualisierung seiner Signale
verfügbar sein.
Die letzte Anforderung geht über die heutigen Funktionen
verfügbarer Plug-and-Play-Verfahren hinaus. Sie bildet
die Grundlage dafür, dass eine Visualisierung für die Anlage
und die angeschlossenen Geräte in Abhängigkeit von
der konkreten Anlagenkonfiguration automatisch erzeugt
und bereitgestellt werden kann.
Konzept zur Umsetzung einer
Plug-and-Play-Visualisierung
Die genannten Anforderungen sollen das automatische
Erkennen von Topologie-Änderungen und die Extraktion
von Geräteinformationen aus angeschlossenen Komponenten
ermöglichen. Dabei müssen die Geräteinformationen
in einer Form vorliegen, die eine automatische Integration
der Gerätefunktionalität und der Gerätevisualisierung
zulässt. Diese Form der Geräteinformationen wird
hier als Erweiterte Elektronische Gerätebeschreibung
(EEDD) bezeichnet, da sie gegenüber üblichen Gerätebeschreibungen
die Möglichkeiten zur Visualisierungsbe-
atp edition
4 / 2011
43

HAUPtbEItrAG
schreibung deutlich erweitert. Für die Integration der
Gerätefunktionen und Gerätevisualisierungen unter Verwendung
der in der EEDD enthaltenen Informationen
werden spezielle Softwarekomponenten benötigt.
In Bild 1 sind die Bestandteile des Integrationskonzeptes
sowie verschiedene Aktivitäten und Kommunikationswege
dargestellt (vergleiche auch [14]).
Automatisierungstechnische Geräte stellen eine Erweiterte
Elektronische Gerätebeschreibung (EEDD) für sich
oder andere Geräte bereit (1). Wird ein neu angeschlossenes
Gerät erkannt, so wird die EEDD automatisch extrahiert.
Alternativ kann die EEDD von einem Zweitgerät oder einer
zentralen Datenbank bereitgestellt werden. Steht keine Gerätebeschreibung
zur Verfügung, wird das Gerät für eine
manuelle Integration vorgemerkt. Aus der EEDD werden
Informationen über das Gerät in das Maschineninformationsmodell
(MiM) übernommen (2). Das MiM dient zum
einen der Geräteverwaltung, zum anderen bindet es die
Gerätesignale über verschiedene Kommunikationsprotokolle
an (3). Dies erzeugt eine einheitliche Kommunikationsschnittstelle
gegenüber der Visualisierung, sodass diese
nur über eine Prozesskopplung mit dem Maschineninformationsmodell
kommuniziert (4). Die Beschreibung der
Gerätevisualisierung kann ebenfalls aus der EEDD entnommen
werden (5). Diese enthält sowohl strukturelle Informationen
über die Gerätevisualisierung als auch wiederverwendbare
Visualisierungselemente inklusive Schnittstellendefinitionen.
Im Visualisierungsmodell (ViM) sind
diese Informationen strukturell abgebildet. Durch Modifikation
des Modells kann die Anlagenvisualisierung an
konkrete Anforderungen angepasst werden (6). Das Visualisierungsmodell
ist nicht an eine spezifische Technologie
gekoppelt. Durch die Transformation des ViM auf die Zielplattform
entsteht eine lauffähige Visualisierung (7).
1. Modellzentrierte integration
Die Geräteintegration erfolgt, wie in Bild 1 dargestellt,
unter Verwendung der zwei Modelle: des Maschineninformationsmodells
(MiM) und des Visualisierungsmodells
(ViM). Das MiM stellt serverseitig die datentechnische
Struktur zur Haltung und Interaktion von und mit
maschinenbezogenen Daten dar, insbesondere mit Gerätedaten/Gerätesignalen
und Geräte-Proxies (vergleichbar
zum Ansatz von [11]).
Letztere sind ein zentraler Bestandteil des MiM. Geräte-Proxies
sind virtuelle Stellvertreter einer realen Komponente
und letztlich für die Kommunikation verantwortlich.
Geräte-Proxies werden unter Verwendung von
Gerätedaten, Gerätetyp, Gerätefunktionalität (realisiert
über die Gerätesignale) sowie Kommunikationseigenschaften
(zu verwendendes Protokoll) konfiguriert.
Über eine Datenabstraktionsschicht erhalten Geräte-
Proxies die Möglichkeit, mittels der Prozesskopplung eine
für sie einheitliche Schnittstelle zur Kommunikation mit
BILD 1:
Software bestandteile
des Integrationskonzepts
BILD 2: Die
Prozesskopplung
als einheitliche
Kommunikationsschnittstelle
44
atp edition
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ihren realen Feldgeräten durchzuführen. Als Parameter
müssen nur der Empfänger (eine ID-Angabe aus der EEDD)
sowie das abzufragende beziehungsweise zu schreibende
Gerätesignal über ein definiertes Kommunikationsprotokoll
zum Zielserver/Zielgerät angegeben werden. Insofern
kapselt die Prozesskopplung die gerätespezifische Kommunikation
gegenüber dem restlichen System gemäß Bild 2.
Das Maschineninformationsmodell dient während des
gesamten Anlagenbetriebs als Kommunikationsschnittstelle
zwischen der Visualisierung und den Anlagenkomponenten
sowie zur Geräteverwaltung.
Das Ziel des entwickelten Visualisierungskonzeptes
ist eine automatisch bereitgestellte Gesamtvisualisierung,
die sich aus den Visualisierungen der Komponenenten
zusammensetzt. Hierbei werden spezielle Visualisierungselemente,
Stadgets (von State und Widget)
verwendet. Stadgets sind spezielle dynamische Visualisierungselemente,
die sich über das MiM mit Gerätesignalen
koppeln lassen. Im Gegensatz zu anderen Visualisierungssystemen
handelt es sich hierbei nicht um einen
vordefinierten Satz von Visualisierungselementen,
sondern um einen Ansatz zur Definition beliebiger neuer
Visualisierungselemente. Dies ermöglicht es, Visualisierungselemente
mit speziellen Visualisierungseigenschaften
für Geräte bereitzustellen. Durch die Definition
verschiedener Schnittstellen für Signalbindung, Konfiguration
und Stilisierung wird die Wiederverwendbarkeit
der Stadgets sichergestellt (siehe Bild 3).
Die Struktur der Stadgets ist komplexer als in Bild 3
dargestellt, da sie sämtliche Eigenschaften, die in Visualisierungselementen
eine Rolle spielen, aufnehmen muss.
Hierzu gehören zum Beispiel auch Transformationen wie
Größenänderung oder Rotation. Diese Herangehensweise
soll Visualisierungen mit einer Komplexität wie bei FDT/
DTM [13] ermöglichen, wobei die Beschreibung der Elemente
jedoch rein textuell erfolgen soll. Um trotzdem eine
Anpassung der Visualisierung zu bieten, wird die Visualisierungsstruktur
(Aufbau der Benutzungsoberfläche)
von den Stadgets (verwendete Elemente in der Oberfläche)
getrennt. Somit lässt sich die Visualisierungsstruktur in
einem Modell – dem Visualisierungsmodell (ViM) – abbilden.
Das ViM dient der Integration der verschiedenen
Gerätevisualisierungen in eine Gesamtvisualisierung. Die
dabei entstehende Gesamtvisualisierungsstruktur, also
der Grobaufbau der gesamten Visualisierung, sowie die
Auswahl und Konfiguration von Stadgets kann unter Verwendung
des ViM angepasst werden. Die Visualisierungsstruktur
wird während der Visualisierungsintegration als
Teil des Visualisierungsmodells abgebildet, die Visualisierungselemente
hingegen nur referenziert und parametriert
(vergleiche Bild 4).
Die Möglichkeiten der Anpassung ähneln denen verfügbarer
Visualisierungssysteme. Der wesentliche Unterschied
des ViM im hier vorgestellten Ansatz ist der Umfang an
verfügbaren Visualisierungselementen. Dieser variiert in
Abhängigkeit zu den angeschlossenen Geräten. Weiterhin
Stadget
KonfigurationsInterface StyleInterface SignalInterface
BILD 3:
Schnittstellen zur
Anpassung von
Visualisierungselementen
Visualisierung
Visualisierungsseite
Visualisierungselement
definiert
Parameter
Stadget
deklariert
Visualisierungsstrukturelement
BILD 4:
Struktur der
Visualisierung
atp edition
4 / 2011
45

HAUPtbEItrAG
Visualisierungsseitenbeschreibung
verweist auf
StadgetReferenz
verweist auf
StadgetFactory
BindungsBeschreibung
Stadget
erzeugt
BindungsDefinition
MiM
SignalInterface
konfiguriert
SignalBindung
GeräteProxy
StadgetPort
GeräteSignal
BILD 5: Bindung der Visualisierung an Gerätesignale
Feldgeräte Server Client
Hersteller a
Hersteller B
Hersteller C
eedd
iP adresse
BootP
request
Clientliste
prüfen
lookup-
Service
FtP
iP, Status
erzeugt HMi
dateien auf
emsa-
Server
Webserver
aktualisiert
Visualisierung
registrierung für
gerätesignale
Socktes
(geräteid, Status)
Viewer
lädt HMi
daten von
BILD 6: Übersicht der Gesamtarchitektur
BILD 7: Automatische
Generierung einer initialen
Visualisierung
46
atp edition
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werden im Visualisierungsmodell Navigationsbeziehungen
zwischen Teilvisualisierungen (Sichten) definiert.
Das Visualisierungsmodell dient als Ausgangspunkt für
die Visualisierungserzeugung. Unter Nutzung plattformspezifischer
Transformationsvorschriften kann das ViM in
eine konkrete Visualisierung überführt werden. Das ViM
wird demnach nur während der Geräteintegration (Visualisierungsintegration)
und für Visualisierungsanpassungen
benötigt, nicht aber für den Anlagenbetrieb. Die Kombination
der Daten aus MiM und ViM beschreibt demnach gerätespezifische
Kommunikationseinheiten sowie deren
Visualisierung. Es werden gegenwärtig keine Informationen
über Beziehungen der Geräte zueinander abgebildet.
2. die erWeiterte geräteBeSCHreiBung
Für die automatische Geräteintegration wurde die EEDD
definiert. Sie beinhaltet zunächst die von anderen Technologien
(zum Beispiel EDDL [3]) bekannte eigentliche Gerätebeschreibung.
Um eine automatische Visualisierungsintegration
zu ermöglichen, muss die erweiterte Gerätebeschreibung
Informationen über gerätespezifische Visualisierungen
enthalten. Diese sollen unabhängig von der ursprünglichen
Gerätebeschreibung sein. Für die automatische Kopplung
von Gerätesignalen und Visualisierungselementen werden
weitere Informationen benötigt. Die erweiterte Gerätebeschreibung
besteht somit aus drei Elementen:
der Beschreibung von Geräteeigenschaften
(für das MiM)
der Beschreibung der Visualisierung (für das ViM)
einer Definition der Bindung zwischen Gerätesignalen
und Visualisierungselementen
Gerätebeschreibung
Das Kernelement der EEDD bildet die eigentliche Gerätebeschreibung
mit folgenden minimalen Bestandteilen:
das für den Signalzugriff zu verwendende Protokoll
(zum Beispiel OPC [4])
eine Signaladresse (Hardware IO), die verwendet
wird, um über das definierte Protokoll ein Auslesen
oder Schreiben des Signals zu erreichen
die Signalrichtung (Input oder Output)
Signalname/ID
der Datentyp des Signals
textuelle Beschreibung des Signals für
Visualisierungszwecke
ein eindeutiger Geräteidentifikator
(beispielsweise die MAC-Adresse)
Visualisierungsbeschreibung
Die Gerätevisualisierung, also der Teil der Gesamtvisualisierung,
der sich mit der Anzeige und Steuerung einer
speziellen Komponente befasst, soll in einer technologieneutralen
und erweiterbaren Form auf dem Gerät abgelegt
werden. Als Erweiterbarkeit wird hier die Möglichkeit verstanden,
dass ein Gerät in der Visualisierungsbeschreibung
neue Visualisierungselemente definieren kann (Stadgets).
Diese lassen sich in das Visualisierungssystem integrieren
und auch in anderen Teilen der Gesamtvisualisierung verwenden.
Die Trennung zwischen Visualisierungsstruktur
und Visualisierungselementen (Stadgets) im Modell schlägt
sich auch in der Visualisierungsbeschreibung nieder. Die
Beschreibung der Visualisierungsstruktur kann als Serialisierung
des ViM verstanden werden. Die Stagdets werden
in jeweils eigenen Dateien vorgehalten.
Bindungsbeschreibung
Die Bindungsbeschreibung definiert die Kopplung zwischen
einem Stadget und einer Menge von Signalen, das
heißt die Ports (Signalschnittstellen) der Stadgets werden
mit den Geräte-Proxies im Maschineninformationsmodell
verbunden (vergleiche Bild 5).
3. Validierung Mit deM deMonStrator
An den Forschungseinrichtungen wurde jeweils ein Demonstrator
entwickelt. Der Aufbau des Werkzeugmaschinenlabors
(WZL) der RWTH Aachen besteht aus zwei
Rollentischen mit je zwei SPS-Steuerungen und einem
dazugehörigen Bluetooth Access-Point. Dabei verwaltet
je eine SPS die Sensorik, die andere die Aktorik. Dies ist
dadurch begründet, dass künftig mehr Komponenten über
einen eigenen Webserver verfügen könnten, über den sie
ihre EEDD dem Anlagenverbund zur Verfügung stellen.
Die Kommunikation zwischen allen Teilnehmern (Visualisierungsclients
als PDA und IPC, Server und SPS) erfolgt
über das Bluetooth-Netzwerk.
Die Gesellschaft zur Förderung angewandter Informatik
(GFaI) entwickelte einen Demonstrator im Bereich Gebäudeautomatisierung.
Dort kamen neben Kompakt-SPS auch
ein Embedded System und eine Webcam mit integriertem
Webserver zum Einsatz, um unter anderem die Bereitstellung
von EEDD durch Zweitgeräte zu demonstrieren.
Bei beiden Demonstratoren erfolgte die Gerätebeschreibung
unter Verwendung der Field Device Configuration
Markup Language (FDCML) [5]. Die Visualisierungsstruktur
wurde mit XUL (XML User Interface Language)
[8] abgebildet, die Visualisierungselemente mit Skalierbaren
Vektorgrafiken (SVG) [9] unter Verwendung der
XBL (XML Binding Language) [10].
Bild 6 gibt einen Überblick über die Architektur sowie
den Signalfluss innerhalb der Demonstratoren: Komponenten
melden sich mittels BootP-Protokoll bei einem Lookup-
Service und erhalten eine IP-Adresse zugewiesen.
Die aktuellen Teilnehmerinformationen werden an
den zentralen Server übermittelt, der die EEDD-Daten
der dezentralen Geräte mittels FTP-Protokoll bezieht.
Lokal extrahiert werden die Geräteinformationen (Geräte-
und Visualisierungsdaten) auf einem Webserver für
Clients (hier auf Mozilla-Technologie basierend) bereitgestellt.
Diese können sich beim Server anmelden und
werden über Topologieänderungen informiert. Die erforderlichen
Visualisierungs- und Prozessdaten erhalten sie
über HTTP/Ajax-Anfragen [15,16] von dem Webserver.
Bild 7 veranschaulicht die Funktionsweise der Generierung
einer initialen Visualisierung. Änderungen der
Anlagentopologie werden von dem System erkannt (A).
Je nach erfolgter Änderung manifestiert sich diese automatisch
in einer veränderten Maschinenvisualisierung.
Das zuvor leere Hauptmenü zeigt ein Interaktions-Icon
zur neu gefundenen Komponente an (B). Eine Interaktion
mit dem neuen Icon startet die automatisiert hinterlegte
Steuerungsfunktionalität (C). Es entstehen demnach keine
leeren Grafikgerüste. Grafische Interaktionselemente
atp edition
4 / 2011
47

HAUPtbEItrAG
sind nach Erzeugung direkt mit der ihnen zugewiesenen
Funktionalität ihrer Komponente verknüpft. Darüber
hinaus sind Prozessdaten ebenfalls direkt im Stadget
verankert und werden zur Laufzeit visualisiert (D).
4. zuSaMMenFaSSung und auSBliCk
Es wurden Ansätze vorgestellt, die eine generelle Machbarkeit
einer weitgehend plattformunabhängigen automatischen
Geräteintegration bis in die Sensor-/Aktorebene
demonstrieren. Änderungen der Anlagentopologie werden
erkannt und äußern sich in einer aktualisierten grafischen
Benutzeroberfläche. Die erzeugten hochdynamischen
Stadgets sind wiederverwendbar und durch den
Einsatz von SVG und JavaScript in ihrer Komplexität
beliebig skalierbar. Im Vergleich zur EDDL bietet die hier
verwendete Beschreibungsform für Visualisierungen die
Möglichkeit, wesentlich komplexere Visualisierungen zu
definieren. Gleichzeitig können bestehende EDDL-Beschreibungen
integriert werden. Im Gegensatz zu FDT/
DTM zeichnet sich die vorgestellte Lösung zusätzlich
durch ihre Plattformunabhängigkeit aus, da eine weitreichende
Soft- und Hardwareunterstützung vorliegt. Durch
die einsetzbaren offenen Technologien des erarbeiteten
Konzepts lassen sich weiterhin Softwarelizenzkosten
einsparen. Dadurch wird ein Beitrag zur anvisierten Kostenreduzierung
des Erstellungsprozesses von Visualisierungen
geleistet.
Es besteht jedoch weiterhin das Problem, dass seitens
der Industrie immer noch viele plattformabhängige Technologien
eingesetzt werden (siehe OPC), für die es nur
wenige oder keine Alternativen gibt. Sind diese technologischen
Einschränkungen überwunden, steht einer noch
weitreichenderen Anwendbarkeit des vorgestellten Ansatzes
nichts im Wege. Möglicherweise trägt auch der vermehrte
Einsatz von OPC UA in naher Zukunft dazu bei.
Die Field Device Integration FDI [12] soll die Schwächen
heutiger Gerätebeschreibungen verringern. Die
Kombination von FDI mit dem Plug-and-Play-Konzept
könnte ein vielversprechender Ansatz für die Zukunft
der Geräteintegration sein.
Die Ergebnisse verdeutlichen, dass sich der Aufwand
zur iterativen händischen Anpassung von Maschinenvi-
sualisierungen bei wechselnden Anlagentopologien er-
heblich reduzieren lässt. Weiterführende Fragestellungen
AUtorEn
PROf. DR.-InG. CHRISTIAn BRECHER
(geb. 1969) ist seit 2004 Mitglied des
Direktoriums und Inhaber des Lehrstuhls
für Werkzeugmaschinen am Werkzeugmaschinenlabor
(WZL) der RWTH Aachen
sowie Direktor und Leiter der Abteilung
Produktionsmaschinen am Fraunhofer-
Institut für Produktionsmaschinen IPT.
Seit 2006 ist er Sprecher des Aachener
Exzellenzclusters „Integrative Produktionstechnik
für Hochlohnländer“.
RWTH Aachen,
Werkzeugmaschinenlabor (WZL),
Steinbachstr. 19, D-52074 Aachen,
Tel. +49 (0) 241 8 02 74 07,
E-Mail: c.brecher@wzl.rwth-aachen.de
MInfTech DAnIEL KOLSTER (geb. 1981)
arbeitet seit 2007 als wissenschaftlicher
Mitarbeiter am Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen
der RWTH Aachen. Seine Forschungsgebiete
umfassen die Geräteintegration
sowie die Mensch-Maschine-Interaktion
im Maschinenbau.
RWTH Aachen,
Werkzeugmaschinenlabor (WZL),
Steinbachstr. 19, D-52074 Aachen,
Tel. +49 (0) 241 802 74 57,
E-Mail: d.kolster@wzl.rwth-aachen.de
DR.-InG. WERnER HERfS (geb.1975) leitet seit 2007 die
Abteilung Steuerungstechnik und Automatisierung am
Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen der RWTH Aachen und
ist akademischer Rat.
RWTH Aachen, Werkzeugmaschinenlabor (WZL),
Steinbachstr. 19, D-52074 Aachen,
Tel. +49 (0) 241 802 74 10,
E-Mail: w.herfs@wzl.rwth-aachen.de
DIPL.-InG. (fH) SASCHA JEnSEn (geb. 1977) ist wissenschaftlicher
Mitarbeiter bei der Gesellschaft zur Förderung
angewandter Informatik e.V. (GFaI). In seiner Forschungstätigkeit
beschäftigt er sich mit Fragen der Visualisierung in
der Automatisierungstechnik.
GfaI e.V.,
Volmerstr. 3, D-12489 Berlin,
Tel. +49 (0) 30 814 56 35 30, E-Mail: jensen@gfai.de
DR. MATTHIAS PLEßOW (geb. 1953) leitet seit 1998 den
Bereich Graphische Ingenieursysteme bei der GFaI. Er befasst
sich mit der Entwicklung von Graph-basierten Engineeringund
Modellierungskonzepten und deren Anwendung in den
Gebieten Energiesystemtechnik (Modellierung, Simulation,
Beratung) und Automatisierungstechnik (Schaltschrankentwurf,
Dokumentation, Projektierung).
GfaI e.V.,
Volmerstr. 3, D-12489 Berlin,
Tel. +49 (0) 30 814 56 35 00, E-Mail: plessow@gfai.de
48
atp edition
4 / 2011

Lernen Sie die
stützen sich auf die automatische Generierung der erforderlichen
EEDD-Elemente während des initialen Engineeringprozesses
einer Anlage, sodass der einmalige Erstellungsaufwand
der anlagenspezifischen EEDD-Elemente
zusätzlich verringert wird. Weiterhin werden die Modelle
um Informationen über die Anlagen- und Steuerungstopologie
angereichert, sodass keine flache Visualisierung
mehr entsteht und sich weitere örtliche und/oder prozessbedingte
Zusammengehörigkeiten ebenfalls in der Visualisierung
wiederfinden.
MAnUSKrIPtEInGAnG
17.06.2010
DAnKSAGUnG
Im Peer-Review-Verfahren begutachtet
Das Forschungsvorhaben EmsA (15012 BG) wurde im
Rahmen der „Industriellen Gemeinschafts forschung
(IGF)“ vom Bundesministerium für Wirtschaft und
Technologie über die „Arbeits gemeinschaft industrieller
Forschungsvereinigungen (AiF)“ aufgrund eines
Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
kennen!
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rEFErEnzEn
[1] UPnP Forum Webseite, http://www.upnp.org
(vom 29.03.2010)
[2] Heinze, ronald, Mit Integration die Automatisierung
automatisieren, openAutomation Magazin 05/2007, VDE
Verlag, 2007
[3] EDDL Webseite, http://www.eddl.org (vom 29.03.2010)
[4] o PC Foundation Webseite, http://www.opcfoundation.org
(vom 29.03.2010)
[5] FDCML Webseite, http://www.fdcml.org (vom 29.03.2010)
[6] IEtF rFC2131 DHCP Webseite, http://tools.ietf.org/html/
rfc2131 (vom 29.03.2010)
[7] IEtF rFC951 bootP Webseite, http://tools.ietf.org/html/
rfc951 (vom 29.03.2010)
[8] XUL Webseite, https://developer.mozilla.org/en/XUL (vom
07.04.2010)
[9] SVG (Scalable Vector Graphics) Webseite,
http://www.w3.org/Graphics/SVG/ (vom 07.04.2010)
[10] XbL Webseite, https://developer.mozilla.org/en/XbL (vom
07.04.2010)
[11] John, D. et al. Durchgängiges Gerätebeschreibungsmodell
für den gesamten Lebenszyklus – Konzept und Umsetzung
mit oPC UA, atp 07/2007, oldenbourg Industrieverlag, 2007
[12] Kumpfmüller, H.-G.; Lange, r.; FDI Device Integration, atp
edition 06/2010, S. 16-19, oldenbourg Industrie verlag, 2010
[13] FDt Joint Interest Group Webseite,
http://www.fdtgroup.org (vom 30.03.2010)
[14] b recher, C. et al. Plug-and-Play – eine Vision rückt näher.
A&D Kompendium 2008/2009, S. 26-29.
publish industry Verlag
[15] IEtF rFC2616 http Webseite,
http://tools.ietf.org/html/rfc2616 (vom 15.04.2010)
[16] Holdener, A. Ajax: the Definitive Guide. o’reilly Verlag,
ISbn 978-0596528386. 2008
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
Lateralverhalten elastischer
Bahnen vereinfacht modelliert
Teil 1: Fadenmodell zur Beschreibung des Seitenkantenverhaltens
Das seitliche Verlaufen von durchlaufenden Bahnen in der Papier-, Kunststoff- und Textilindustrie
wird mit Hilfe von Bahnkantenregelungen korrigiert. Im Beitrag wird die
ausgedehnte Bahn durch eine Harfe von Fäden ohne Querkopplungen in einem System
angetriebener und nicht angetriebener, umschlungener Walzen angenähert. Für zwei
Grenzfälle: Faden unter Zugspannung bei vernachlässigten Biegespannungen und Faden
bei Biegung unter Vernachlässigung der Zugspannung, werden aus kinematischen Beziehungen
und der Kontinuitätsgleichung der Kontinuumsmechanik nichtlineare Differenzialgleichungen
gewonnen, die nur schwach miteinander gekoppelt sind. Eine Linearisierung
ergibt, dass sich der durchlaufende Faden im Zweiwalzensystem als ein Verzögerungsglied
erster Ordnung darstellen lässt. In Teil 2 wird die Methode auf reale Drei- und
Vierwalzensysteme erweitert.
SCHLAGWÖRTER Durchlaufende Bahn / Bahnlauf-Regelsysteme / Seitenkantenregelung /
Bahnkantenregelung
Simplified Modeling of Lateral Behavior of Elastic Webs –
Part 1: Describing Web Edge Behavior by Means of a Threads Model
The lateral position of moving webs in the paper, plastics, and textile industries has to be
corrected by means of web guiding systems. In the paper, the continuous two-dimensional
web is approximated by a harp of non-interlinking threads wrapping a system of driven
and non-driven rollers. Two important cases are investigated: A thread with tensile stress
which is compared to bending stress and, vice versa, a thread with bending stress which
is compared to tensile stress. Combining kinematic relationships and the continuity equation
of continuum mechanics, nonlinear differential equations are found that are only
weakly coupled. Linearization results in a first-order lag for a two roller system. The method
will be extended to three and four roller systems in part 2.
KEYWORDS Moving web / lateral web dynamics / web guide system / web edge control
50
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GünTHER BRAnDEnBuRG, tu München
Die für Anlagen mit durchlaufenden Bahnen entwickelten
und vielfach bewährten Prozessmodelle
beschreiben im Wesentlichen das dynamische
Verhalten der produktionstechnisch wichtigen
Prozessgrößen (wie zum Beispiel Spannungen,
Dehnungen und Geschwindigkeiten sowie Farb- und
Schnittregisterfehler) in Laufrichtung einer Stoffbahn
(Longitudinalverhalten). Dabei wird, etwas vereinfacht
betrachtet, die zweidimensionale dünne Bahn als eindimensionales
Problem, also als Faden, behandelt. Beispiele
dafür sind die Veröffentlichungen [1], [2], [3], [4] und [5].
Technologisch bedingte, ungleichmäßige Zugspannungsverteilungen,
die beispielsweise durch breitenvariable
Materialeigenschaften wie Bahndicke, Elastizitätsmodul
oder eingefrorene Spannungen [6], durch Trocknungs-
und Befeuchtungsvorgänge oder eventuell ungenau
justierte Transportwalzen hervorgerufen werden,
verursachen jedoch auch fehlerhafte Bewegungen der
Bahn quer zur Transportrichtung (Lateral- oder Seitenkantenverhalten).
Diese müssen mit Hilfe von schwenkbaren
Stellwalzen korrigiert werden. Bis zum Jahre 2010
ist aus dem deutschen Sprachraum keine Publikation
bekannt, die sich mit dem Seitenkantenverhalten befasst.
Auf diesem Gebiet waren und sind vor allem Wissenschaftler
aus Amerika und Asien führend. Zur Behandlung
dieses näherungsweise zweidimensionalen Problems
wird in den Veröffentlichungen die Theorie der
Balkenbiegung zu Grunde gelegt.
Viele der bisher vorliegenden Publikationen gehen auf
die an der State University of Oklahoma 1968 entstandene
Dissertation von J. J. Shelton [7] zurück, als deren Kurzfassungen
die Veröffentlichungen [8] und [9] anzusehen sind.
Im ersten Teil der Dissertation wird ein vereinfachtes Modell
1. Ordnung angegeben, das nach Aussage des Autors
die meisten Fälle der Praxis abdeckt. Etwas unbefriedigend
daran ist, dass eine zuerst von D. P. Campbell [10]
angegebene, heuristisch hergeleitete Differenzialgleichung
übernommen und darauf die Berechnung verschiedener
Walzenanordnungen aufgebaut wird. Der zweite Teil von
[7] hingegen enthält eine umfassende Theorie über ein erweitertes
Modell des Lateralverhaltens, in dem die durch
Korrekturwalzen in die Bahn eingeleiteten Biegespannungen
berücksichtigt werden, wobei die Bahn durch einen
Balken approximiert wird. Nach dieser Theorie ergibt sich
ein Modell 2. Ordnung. In [11] wird eine demgegenüber
vereinfachte, leichter verständliche Variante der Theorie
vorgestellt. Die Anfang der siebziger Jahre des letzten Jahrhunderts
in Deutschland gefundenen Massenbilanzen, das
heißt die Anwendung der Kontinuitätsgleichung der Kontinuumsmechanik
auf die durchlaufende Bahn zur Berechnung
von Dehnungen und Zugspannungen [12], die
zur Grundlage der Behandlung des dynamischen Longitudinalverhaltens
wurden, finden in den auf Shelton zurückgehenden
späteren Arbeiten, zum Beispiel [13], [14],
[15], [16], [17], [18], [19], [20] und [21], keine Anwendung.
Um diese Lücke zu schließen und das Zusammenwirken
der Fadenkinematik mit den Massenflussbedingungen
auf möglichst einfache Weise zu untersuchen, wurde
vom Autor in [22] die kontinuierliche Bahn durch eine
Fadenharfe ohne Querkopplungen der Fäden angenähert,
wobei Biegespannungen gegenüber der Zugspannung
vernachlässigt wurden. Das Modell von Campbell wurde
auf konsequente Weise hergeleitet und gezeigt, dass
die Verkopplung der kinematischen Beziehungen des
Fadens mit der Kontinuitätsgleichung bei kleinen Fadenwinkeln
vernachlässigbar ist.
1. AufgAbenstellung und VorAussetzungen
Das Bild bliebe unvollständig, wenn in gleicher Weise
nicht auch der Fall der Fadenbiegung untersucht würde.
Daher wird im vorliegenden Beitrag der Faden mit Biegung
behandelt. Die Ergebnisgleichungen für den Faden
ohne Biegung aus [22] werden zum Zwecke des Vergleichs
den neuen Untersuchungen jeweils vorangestellt.
Diese beginnen mit dem dynamischen Verhalten des
Fadens bei Biegung ohne Zugspannung für die Fälle longitudinaler
Schwenkung und axialer Translation in einem
System aus zwei angetriebenen Walzen. Daraus werden
die Beziehungen für das industriell wichtige System mit
lateraler Schwenkung abgeleitet. Anschließend werden
atp edition
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51

hauptBeitRag
BILD 1: Fadenharfe
im Dreiwalzen-System
bei lateraler
Schwenkung der
Klemmstelle 2
BILD 2: Longitudinale Schwenkung
der Klemmstelle 2
BILD 2A: Gesamtsystem
BILD 2B: Details von Bild 2a
BILD 2C: Details von Bild 2b
52
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die in der Industrie oft eingesetzten Drei- (vergleiche Bild
1) und Vierwalzensysteme behandelt. Dessen Darstellung
beschränkt sich auf den technisch wichtigen Fall des Fadens
mit Zugspannung bei vernachlässigbarer Biegung.
Folgende Voraussetzungen werden getroffen:
V1 | Die Länge des Fadens zwischen zwei Klemmstellen
sei groß gegen die Abmessungen der Klemmstellen.
Die bei Korrekturwalzen-Bewegungen auftretenden
Winkel einer Stellwalze und des Fadens seien klein,
sodass lineare Näherungen möglich sind.
V2 | Das Fadenmaterial sei linear elastisch.
V3 | Sämtliche Klemmstellen werden durch umschlungene
Walzen mit trockener Reibung mit gleichgroßem
Haft- und Gleitreibungskoeffizient angenähert.
V4 | Bei allen stationären und dynamischen Bewegungen
des Fadens bilde sich auf einer Klemmstelle
eine (passive beziehungsweise aktive) Eingangs-
Haftzone und eine Ausgangsgleitzone aus, wie sie
in [1] beschrieben wurden. Wegen der Voraussetzung
2 werden diese Ergebnisse näherungsweise
auch bei lateraler Bahnbewegung als gültig angenommen.
V5 | Die Koordinatensysteme seien linksdrehend, die
positiven x-Achsen zeigen aus der Zeichenfläche
heraus.
2. zweiwAlzensystem
2.1 fadenkinematik im zweiwalzensystem
bei longitudinaler schwenkung
Dem in Bild 2a gezeichneten Zylinder (Klemmstelle 2)
wird in der senkrechten Position (Koordinatensystem
(0) (0)
x 2
, y 2
, z (0) 2
) der Faden aus der (nicht näher gezeichneten)
Klemmstelle 1 zugeführt. Der Zylinder werde um den
Drehpunkt M S um den Winkel δ geschwenkt. Diese
Schwenkung heißt longitudinale Schwenkung, da sie in
longitudinaler Richtung der Bahn beziehungsweise des
Fadens erfolgt.
Als beschreibende Größe wird der Fadeneinlaufwinkel
eingeführt. Dieser hängt von den Variablen δ und
ϕ ab, also ist = (δ, ϕ). Die gesamte Änderung von
ist dann
(2.1.1)
Der erste Term rechts beschreibt die Änderung von bei
konstantem Drehwinkel ϕ und variablem Schwenkwinkel
δ und der zweite Term die Änderung von bei konstantem
Schwenkwinkel δ. Gleichung (2.1.1) wird durch folgende
Bewegungsfolge realisiert (vergleiche Bild 2a): Ausgehend
von der Nulllage von Zylinder 2, in welcher der Faden am
Punkt an der Koordinate z 0
befestigt sei, wird der Zylinder
um den Winkel δ 1
geschwenkt, wodurch der Faden die Koordinate
z 1
erreicht, dabei gestreckt und gebogen wird.
Dann wird der Zylinder um den Winkel ϕ 1
gedreht. Ein
Fadenstück wird aufgewickelt und die Koordinate z 2
erreicht
(vergleiche Bild 2b). Von dieser Ausgangslage aus
wird der Zylinder gemäß Gleichung (2.1.1) um den Winkel
dδ geschwenkt, wodurch z 2
in z 3
übergeht und der Fadeneinlaufwinkel
entsteht. Anschließend wird er um dϕ
gedreht. Der Winkel wird bei dieser Drehung auf dem
Umfang gespeichert und ein differenzielles Fadenstück
aufgewickelt. Es entsteht das differenzielle, rechtwinklige,
in Bild 2b und Bild 2c vergrößert dargestellte Dreieck mit
den Katheten dz und R w dϕ.
Faden ohne Biegung
Die Behandlung des geraden, ungebogenen Fadens in [22]
führte nach Linearisierung der maßgeblichen Differenzialgleichung
für den Fadenversatz auf Klemmstelle 2 im
Bildbereich der Laplace-Transformation zu der Beziehung
(2.1.2)
Ein Ausgleichsvorgang bei Änderung des Schwenkwinkels
vollzieht sich bemerkenswerterweise mit denselben
Zeitkonstanten
(2.1.3)
wie sie seit langem für longitudinale Ausgleichsvorgänge
bekannt sind [23].
Faden mit Biegung
Der Untersuchung des Fadens mit Biegung im Falle der
Schwenkung nach Bild 2a wird die elementare Balkentheorie
zu Grunde gelegt. Ein einfaches Modell ist angebbar,
wenn angenommen wird, dass der gerade Faden
(0) (0)
im (x 2
, y 2
, z (0) 2
)-System durch eine Kraft F z in der Fadenachse
am rechten Rand belastet und damit einer Zugspannung
unterworfen sei. Danach werde er durch eine
senkrecht auf der Fadenachse stehende, also in der Mantellinie
des Zylinders 2 liegende Kraft F y gebogen. Die
Biegespannungen überlagern sich der Zugspannung. Die
Randbedingungen werden folgendermaßen genähert: Die
Zugspannungen seien klein gegenüber den Biegespannungen.
Dann wird die Ausgangsgleitzone der Klemmstelle
1 sehr klein, sodass in erster Näherung auf Klemmstelle
1 eine feste Einspannung des „Balkens“ angenommen
werden darf, also der Faden am linken Rand mit
horizontaler Tangente austritt. Auf der Mantellinie von
Klemmstelle 2 werden dem Faden die Koordinaten z 0
bis
z 4
(vergleiche Bild 2a) eingeprägt. Wegen der kleinen
Schwenkwinkel gemäß Voraussetzung (V1) dürfen diese
mit cosδ ≈1 auf die z (0) 2
-Achse projiziert werden. Daher
darf angenommen werden, dass dem Faden am rechten
Rand, auf der Mantellinie des senkrecht stehenden Zylinders,
eine Durchbiegung w in negativer z (0) 2
-Richtung
eingeprägt wird. Dazu ist eine Kraftkomponente F z2 in
dieser Richtung notwendig, der die entgegengesetzt gerichtete
Haftreibkraft das Gleichgewicht hält.
Die Rechnung im Anhang A 1 führt nach Linearisierung
auf die lineare Differenzialgleichung (A1.14)
(2.1.4)
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53

hauptBeitRag
Diese Differenzialgleichung wird der Laplace-Transformation
unterworfen, und man erhält folgendes Ergebnis
für den Fadenversatz:
Erfährt – anstatt der axialen Translation der Klemmstelle
2 – der Fußpunkt M λ auf der Klemmstelle 1 eine Änderung
um die Strecke (positiv gezählt in Richtung des
z (0) 1
-Systems), so liegt dasselbe Verhalten wie Gleichung
(2.2.2), jedoch mit umgekehrten Vorzeichen, vor:
(2.1.5)
Der Vergleich mit Gleichung (2.1.2) zeigt, dass sich überraschenderweise
die Zeitkonstante des Fadens mit Biegung
auf 2/3 des Wertes der Zeitkonstante des geraden
Fadens verringert. Ebenso reduziert sich der stationäre
Endwert der Sprungantwort auf
(2.1.6)
Dieses nicht erwartete Verhalten ist jedoch anschaulich
erklärbar. Aus Bild 2a ist ersichtlich, dass die an den
Koordinaten z 1
auftretenden Einlaufwinkel α Ei
bei Biegung
kleiner werden als bei gestrecktem Faden. Daher
wird der Eintrittswinkel α E
=α E∞
=90° schneller, das
heißt mit kleinerer Zeitkonstante und bei einer größeren
Koordinate, erreicht.
2.2 fadenkinematik im zweiwalzensystem bei axialer
translation
Es ist zwischen dem Fadenversatz relativ zum ruhenden
Koordinatensystem und relativ zu den bewegten Koordinatensystemen
zu unterscheiden, das heißt relativ zur
axial verschobenen Walze. Entsprechend werden die
hochgestellten Indizes (0), (1) und (2) dem Fadenversatz
hinzugefügt.
Faden ohne Biegung
Die Behandlung des geraden, ungebogenen Fadens in [22]
führte auf folgenden Fadenversatz relativ zum ruhenden
z 2 (0) -System:
(2.2.1)
Der charakteristische Nennerausdruck bleibt derselbe wie
bei longitudinaler Schwenkung des Fadens ohne Biegung
nach Gleichung (2.1.2), jedoch ist es mit Hilfe einer axialen
Translation möglich, einen Zählerterm in das Übertragungsverhalten
einzuführen. Der Fadenversatz bezogen
auf das ortsfeste z 2 (0) -System lässt sich, wie diese
Gleichung zeigt, nicht bleibend ändern. Aber er ändert
sich relativ zur Klemmstelle 2, also bezogen auf das mit
bewegte z 2 (2) -System, gemäß der Gleichung
(2.2.3)
Faden mit Biegung
Die axiale Translation für den Fall der Biegung gemäß
Bild 3a wird ähnlich behandelt wie die longitudinale
Translation (vergleiche Anhang A 2). Wie bei dieser ist
eine reduzierte Zeitkonstante zu erwarten. Der gedachte
Bewegungsablauf ist folgender:
Der Mittelpunkt M z des Zylinders 2 wird in positiver
z 2 (0) -Richtung von Punkt z M0
nach z M1
axial verschoben. Dabei
verschiebt sich der am Punkt z 0
befestigte Faden in den
Punkt z 1
, wodurch der Fadeneinlaufwinkel α E1
entsteht.
Bei einer nachfolgenden Drehung des Zylinders um den
Winkel ϕ wird ein Stück Faden aufgewickelt, wodurch der
Fadeneinlaufpunkt in den Punkt z 2
übergeht (vergleiche
Bild 3b). Dieser Punkt wird zunächst festgehalten und ist,
ähnlich wie in Abschnitt 3.1, Ausgangspunkt für zwei
differenzielle Bewegungen, wobei es wieder zweckmäßig
ist, die Veränderung des Fadeneinlaufwinkels α E
=α E
(z M , ϕ)
zu betrachten. Es ist ähnlich Gleichung (2.1.1)
(2.2.4)
Dem entsprechend werde der Zylindermittelpunkt bei
konstant gehaltenem Drehwinkel zuerst um die Strecke
z M2
–z M1
=dz M
(vergleiche Bild 3b) axial nach oben bewegt. Diese
Verschiebung wird dem haftenden Faden mitgeteilt und
der Fadeneintrittspunkt erreicht die Koordinate z 3
. Der Einlaufwinkel
ist α E3
. Danach wird der Zylinder um den Winkel
dϕ 2 gedreht. Dabei wird der Winkel α E3
auf dem Umfang gespeichert
und ein differenziell kleines Fadenstück aufgewickelt.
Der Fadeneintrittspunkt verschiebt sich ein kleines
Stück nach unten und erreicht die Koordinate z 4
. Der Eingangswinkel
hat nun den Wert α E4
. Die differenzielle Strecke
da (vergleiche Bild 3c) ist Ausgangspunkt für die mathematische
Beschreibung dieses Vorgangs in Anhang A 2.
Die Gleichungen (A2.26) und (A2.34) liefern tatsächlich
den zu Gleichung (2.2.1) analogen Ausdruck, bei dem wieder
die verminderte Zeitkonstante erscheint. Der Fadenversatz
relativ zum ruhenden z 2 (0) -System lautet:
(2.2.5)
Die Grenzwerte der Sprungantworten ergeben sich zu
54
(2.2.2)
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und
(2.2.6)
(2.2.7)

BILD 3A: Gesamtsystem
BILD 3B: Details
von Bild 3a
BILD 3C: Details
von Bild 3b
(0)
z 2
R
dϕ
ϕ
α w
2 2
E1 z 1
α E3
da
dz
α z E3
3
M 2
z 1
2
α E 4
α E 2
z z 2 4
dz 2
BILD 3: Axiale Translation der Klemmstelle 2
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55

hauptBeitRag
Die relative Verschiebung auf der Klemmstelle 2 ist
(2.2.8)
Tritt statt der axialen Verschiebung von Klemmstelle 2
eine Fußpunktänderung auf Klemmstelle 1 ein, so gilt
Gleichung (2.2.8) mit umgekehrtem Vorzeichen:
und in Bild 3a angenommenen axialen Verschiebungsrichtung
eine Streckung des gebogenen Fadens auf. Dieses
Problem lässt sich nicht elementar lösen. Es ist daher
zu erwarten, dass die Zeitkonstante der Ausgleichsvorgänge
im realen Fall im Bereich
(2.2.10)
liegt. Bei longitudinaler Schwenkung liegt der Fadenversatz
im Bereich
(2.2.9)
Zusammenfassend ist also festzustellen, dass in beiden
Bewegungsfällen, der longitudinalen Schwenkung und der
axialen Translation, die Ordnung des Systems bei Biegung
des Fadens gegenüber der ausschließlichen Zugbeanspruchung
nicht erhöht wird. Die Ausgleichsvorgänge verlaufen
mit einer – gegenüber dem Faden mit überwiegender Zugspannung
– um den Faktor 2/3 kleineren Zeitkonstante.
Bei beiden dargestellten Korrekturarten des Fadenlaufs
tritt in der Realität durch die eingeleitete Zugspannung
bei der in Bild 2a gezeichneten Schwenkrichtung
wenn die Amplitude einer Sprungfunktion
ist, wobei die Einheitssprungfunktion bezeichnet.
2.3 fadenkinematik im zweiwalzensystem
bei lateraler schwenkung
Faden ohne Biegung
Die in Bild 1 dargestellte Schwenkung heißt laterale
Schwenkung, da sie quer (lateral) zur Bahn beziehungsweise
zum Faden erfolgt. Der Fadenversatz relativ zum
ruhenden z 2 (0) -System bei einem Faden ohne Biegung
wurde in [22] gefunden zu
(2.3.1)
Daraus ist der optimale Schwenkradius
(2.3.2)
ableitbar, für den diese Übertragungsfunktion in das Proportionalglied
(2.3.3)
übergeht. In diesem Fall läuft der mittlere Faden bei jedem
Schwenkwinkel unter dem Winkel α E
=0 , die
übrigen Fäden unter α E
≈0 auf der Mantellinie von
Klemmstelle 2 ein. Alle Fäden haben also zu jedem Zeitpunkt
(fast) die richtige Lage. Sie folgen der Lage der
Schwenkwalze praktisch verzögerungsfrei und führen
nur sehr kleine Relativbewegungen gegenüber der Oberfläche
der Klemmstelle 2 aus (vergleiche [22]).
Der Ableitung liegt zu Grunde, dass sich die laterale
Schwenkung der Korrekturwalze um den Punkt M P mit dem
Winkel , wie in Bild 4 gezeichnet, zusammensetzen lässt
aus einer axialen Translation der Walze mit den Strecken
BILD 4: Laterale Schwenkung einer Klemmstelle als
Summe aus axialer Translation und Drehung
(2.3.4)
sowie einer Rotation um ihren Mittelpunkt mit dem
gegen den Uhrzeigersinn positiv gezählten Winkel ,
für den gilt
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(2.3.5)
Der Drehpunkt M S von Bild 1a liegt also im Mittelpunkt
von Walze 2.
abgeleitet. Diese Gleichung ist infolge des Terms
mit den Gleichungen der Fadenkinematik verkoppelt, und
zwar nur im instationären Bewegungszustand, denn im stationären
Zustand läuft der Faden mit
ein, und es gilt
(2.4.2)
Faden mit Biegung
Bei Berücksichtigung der Fadenbiegung ergeben sich
mit den Gleichungen (2.1.5) und (2.2.5) zunächst die
Ausdrücke
Wegen der vorausgesetzten kleinen Winkelwerte von
Ei darf gesetzt werden, so dass dynamisch in
guter Näherung auch im Falle der Biegung des Fadens gilt:
(2.4.3)
Auch alle anderen Massenbilanzen gelten unverändert
für den Faden ohne und mit Biegung. Nach Linearisierung
und Übergang in den s-Bereich ergibt sich aus Gleichung
(2.4.3) die lange bekannte Beziehung (vergleiche [3])
(2.3.6)
(2.4.4)
Daraus folgt das Ergebnis
Longitudinale Schwenkung
Die zeitlich veränderliche Fadenlänge
wird aus
(2.4.5)
(2.3.7)
Im Unterschied zu Gleichung (2.3.2) geht diese Übertragungsfunktion
für den Schwenkradius
in ein Proportionalglied über, das lautet
(2.3.8)
(2.3.9)
Dieser Wert dürfte in Analogie zum Faden ohne Biegung
das Optimum im Hinblick auf die relativ zur Klemmstelle
erfolgenden Bewegungen der Fäden der Fadenharfe
darstellen. Für
nähert sich das Verhalten immer mehr der axialen Translation
ähnlich Gleichung (2.1.5) an (DT1-Glied).
2.4 massenbilanz im zweiwalzensystem
In [22] wurde für den Faden ohne Biegung, der in die
Klemmstelle 2 mit dem Fadeneintrittswinkel einläuft,
die Massenbilanz
(2.4.1)
bestimmt, woraus nach Linearisierung folgt
Ohne große Einschränkung der Allgemeinheit wird
gesetzt, sodass gilt
Nach Einsetzen in Gleichung (2.4.4) folgt
(2.4.6)
(2.4.7)
(2.4.8)
Der letzte Term rechts beschreibt die auf bezogene
Schwenkgeschwindigkeit der stationären Koordinate eines
Fadens, also zum Beispiel von in Bild 2a. Ändert sich
allein , und zwar sprungförmig, so ergeben sich folgende
Grenzwerte von :
und
(2.4.9)
(2.4.10)
Bei einer Schwenkwinkeländerung tritt keine bleibende
Dehnungsänderung auf.
Axiale Translation und laterale Schwenkung
Bei axialer Translation und lateraler Schwenkung ist
die Änderung der freien Fadenlänge proportional zu
und vernachlässigbar. In beiden Fällen gilt daher in
guter Näherung
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hauptBeitRag
(2.4.11)
(A1.2)
Teil 2 erweitert den Ansatz auf Drei- und Vierwalzensysteme.
Einsetzen von Gleichung (A1.1) in (A1.2) ergibt
(A1.3)
AnhAng
Anhang A 1 faden mit biegung bei longitudinaler
schwenkung
Für die Durchbiegung eines am linken Rand einseitig
eingespannten Balkens, an dessen rechtem Rand eine auf
der Balkenachse senkrecht stehende Kraft wirkt, gilt
nach [24]
(A1.1)
Der bei dieser Kraft auftretende Biegungswinkel gegenüber
der z 2
(0)
-Achse ist
(0)
Daraus folgt der Biegewinkel bezogen auf die z 2
-Achse
in Abhängigkeit vom Biegeweg :
(A1.4)
Ist w i < 0 so wird der im Uhrzeigersinn positiv gezählte
Einlaufwinkel > 0 .
Der Fadeneinlaufwinkel des ungebogenen Fadens
(1)
bezogen auf die z 2
-Achse (vergleiche Bild 2a) ist in
guter Näherung . Von diesem Winkel ist der Biegewinkel
zu subtrahieren, um den Fadeneinlaufwinkel
des gebogenen Fadens bezogen auf die z 2
(1)
-Achse
zu berechnen. Man erhält zum Beispiel für die
Koordinate z 1
(A1.5)
foRMelzeichen
E
F
F i,i+1
I x
l i,i+1
Mp , Ms
Mzi
Rwi
Rp
s
T i,i+1
ci
w
z i
z M
α E
γ i ,δ i
ε i,i+1
λ i,i+1
ϕ i
ω i = d ϕ i /dt
elastizitätsmodul
Kraft allgemein
fadenkraft im abschnitt (i,i+1)
flächenträgheitsmoment bezogen auf die x-achse
länge des freien fadens im abschnitt (i,i+1)
Drehpunkt bei lateraler und longitudinaler Schwenkung
Mittelpunkt des zylinders i
Radius des zylinders i
Schwenkradius
laplace-operator
zeitkonstante im abschnitt (i,i+1)
mittlere transportgeschwindigkeit des fadens
umfangsgeschwindigkeit der Klemmstelle i
Durchbiegung
fadenversatz auf der Klemmstelle i
Koordinate des Mittelpunkts einer Klemmstelle
fadeneinlaufwinkel
Schwenkwinkel der Klemmstelle i, lateral und longitudinal
Dehnung des fadens im abschnitt (i,i+1)
fadenwinkel im abschnitt (i,i+1)
Rotationswinkel der Klemmstelle i
Winkelgeschwindigkeit der Klemmstelle i
Bei linearisierung wird eine Variable x durch die Summe aus ihrem
stationärem Wert am arbeitspunkt und der kleinen Änderung vom arbeitspunkt
dargestellt. Die amplitude einer Sprungfunktion in x wird mit
(k) (k) (k)
bezeichnet. es werden linksdrehende Koordinatensysteme x i
, y i
, z i
eingeführt, bei denen i die nummer der Klemmstelle und (k) die lage des
Koordinatensystems bezeichnet.
Wird Gleichung (A1.4) eingesetzt, so ergibt sich für den
Einlaufwinkel bezogen auf die z 2
(1)
-Achse
(A1.6)
Tabelle 1 zeigt alle Ausdrücke für den in Abschnitt 2.2
des Hauptteils beschriebenen Bewegungsvorgang.
Der weitere, in Kurzform wiedergegebene Rechengang
besteht darin, mit den ermittelten Eingangswinkeln die
Differenzialgleichung für den Fadenversatz auf Klemmstelle
2 zu bestimmen.
Der nach der vom Punkt z 2
ausgehenden, differenziellen
Schwenkung am Punkt z 3
erreichte Eingangswinkel
(Bild 2b) wird bei der folgenden differenziellen Drehung
um gespeichert. Durch die Drehung ändert sich
der Fadeneinlaufpunkt von z 3
auf (z 3
+ dz). Für das differenziell
kleine Dreieck von Bild 2c kann folgende Winkelbeziehung
formuliert werden:
(A1.7)
Nach Bild 2c ist im gezeichneten Fall dz < 0 und
> 0, wodurch die Vorzeichen dieser Gleichung bestimmt
sind.
Der gespeicherte Winkel wird Tabelle 1 entnommen
und gehorcht dem Ausdruck
(A1.8)
Die Gleichung (A1.7) wird in Gleichung (A1.8) eingesetzt
58
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(A1.9)
Wegen gilt z 3
z 2 . Weiterhin ist

hauptBeitRag
Zunächst werde bei konstantem Rotationswinkel der
Zylindermittelpunkt um die Strecke
(A2.2)
(A2.12)
Von dieser Gleichung wird Gleichung (A2.11) subtrahiert:
axial nach oben bewegt. Diese Verschiebung wird dem
haftenden Faden mitgeteilt, und der Fadeneintrittspunkt
erreicht die Koordinate z 3
= z 2
+ dz M2
, wie Bild
3c zeigt. Der Eingangswinkel ändert sich nach Gleichung
(A1.4) auf den Wert
mit
(A2.3)
(A2.4)
mit dem Ergebnis
also
(A2.13)
(A2.14)
Dann wird der Zylinder bei konstanter axialer Lage um
den Winkel gedreht. Der Winkel wird gespeichert
und ein differenziell kleines Fadenstück (blau in
Bild 3c) aufgewickelt. Der Fadeneintrittspunkt verschiebt
sich ein kleines Stück nach unten und erreicht
die Koordinate
(A2.5)
Der Eingangswinkel hat nun den Wert .
Gesucht ist nun eine Differenzialgleichung für den Fadenwinkel
(t) als Funktion der Anregung (t). Aus
Bild 3c liest man ab
Daraus folgt
(A2.6)
(A2.7)
Die differenzielle Strecke da lässt sich aus dem in guter
Näherung ebenen, rechtwinkligen Dreieck von Bild 3c
nach der Winkelbeziehung
berechnen zu
(A2.8)
(A2.9)
Diese Gleichung wird in Gleichung (A2.7) eingesetzt und
da eliminiert:
(A2.10)
Zur Koordinate z 2 gehört der Eingangswinkel , der infolge
der Wegeinprägung w = z 2
– z 0
gemäß Gleichung
(A1.4) angegeben werden kann:
(A2.11)
Dann gehört zu der vergrößerten Wegeinprägung
(z 2
– dz 2
) der Winkel
(A2.15)
Diese Gleichung wird in Gleichung (A2.10) eingesetzt:
RefeRenzen
(A2.16)
[1] Brandenburg, g.: Über das Verhalten durchlaufender
elastischer Stoffbahnen bei Kraftübertragung durch
coulomb'sche Reibung in einem System angetriebener,
umschlungener Walzen. Dr.-ing.-Diss. th München 1971
[2] Brandenburg, g.: ein mathematisches Modell für eine
durchlaufende elastische Stoffbahn in einem System
angetriebener, umschlungener Walzen. Regelungstechnik und
prozeßdatenverarbeitung 21 (1973), h. 3, S. 69-77; h. 4, S.
125-130; h. 5, S. 157-162
[3] Brandenburg, g.; tröndle, h.-p.: Das Verhalten durchlaufender
elastischer Stoffbahnen bei ortsabhängiger Verteilung von
elastizitätsmodul, Querschnitt und Dichte. Siemens forschungs-
und entwicklungsberichte 4 (1975) nr. 6, S. 359-367
[4] Brandenburg, g.: Verallgemeinertes prozeßmodell für
fertigungsanlagen mit durchlaufenden und anwendung auf
antrieb und Registerregelung bei Rotationsdruckmaschinen.
habilitationsschrift, technische universität München, 1976
[5] Brandenburg, g.: prozeßmodelle für durchlaufende
elastische Bahnen in kontinuierlichen fertigungsanlagen.
VDi-Berichte nr. 276, 1977, S 241-256
[6] o lsen, J. e.: lateral mechanics of an imperfect web. proc. of
the 6th int. conf. on Web handling (iWeB) 2001. Web handling
Research center, oklahoma State univ., Stillwater, oklahoma
uSa. paper 30
[7] Shelton, J.J.: lateral dynamics of a moving web. ph.D.
dissertation, oklahoma State univ., Stillwater, oK, 1968
[8] Shelton, J.J.; Reid, K.n.: lateral dynamics of a real moving
web. transactions of the aSMe, Sept. 1971, pp. 180-186
[9] Shelton, J.J.; Reid, K.n.: lateral dynamics of an idealized
moving web. Journal of Dynamic Systems, Measurement, and
control Sept. 1971, pp. 187-192
60
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Mit Gleichung (A2.3) folgt
(A2.17)
und bei Vernachlässigung des Produktes der zwei Differenziale
(A2.18)
wiedergegebenen Rechnung zu Grunde. Der anfänglich
konstant gehaltene Winkel α E2
wird nun zum laufenden
Winkel erklärt, da Gleichung (A2.19) für jeden Einlaufwinkel
gültig sein muss, und Gleichung (A2.19) wird
erweitert:
(A2.20)
Division durch
liefert
(A2.19)
Nun kann die Umfangsgeschwindigkeit
eingeführt werden, und man erhält die nichtlineare
Differenzialgleichung für den Fadeneinlaufwinkel
An diesem Zwischenergebnis ist Folgendes bemerkenswert:
Die in [22] mitgeteilten Ansätze der axialen Verschiebung
ohne Biegung führen nach Elimination von
da aus den dort angegebenen Gleichungen (A2.4) und
(A2.5) und Ersatz von α E3
durch α E2
aus Gleichung
(A2.6) auf die analoge Gleichung, in der im ersten Glied
links statt 2 / 3 steht. Die folgenden Umformungen
liegen in analoger Weise auch der in [22] nur gekürzt
Linearisierung ergibt
(A2.21)
(A2.22)
[10] c ampbell, D. p.: process Dynamics. new York, John Wiley &
Sons, inc. 1958. chapter 3: forming, propulsion, and
guidance. Section 8: Web guidance, pp. 152-156
[11] Shelton, J.J.: a simplified model for lateral behaviour of short
web spans. proc. of the 6th int. conf. on Web handling (iWeB)
2001. Web handling Research center, oklahoma State univ.,
Stillwater, oklahoma uSa. paper 31
[12] tröndle, h..p.: zum dynamischen Verhalten transportierter
elastischer und viskoelastischer Stoffbahnen zwischen
aufeinanderfolgenden Klemmstellen. Dr.-ing. Diss. tu
München 1973
[13] Sievers, l., Balas, M. J., flotow, a.: Modeling of web
conveyance system for multivariable control. ieee trans.
autom. control, vol. 33, no. 6, pp. 524-531, Jun. 1988
[14] Young, g. e., Shelton, J. J., fang, B.: interaction of web span:
part i – Statics. trans. aSMe, J. Dyn. Syst. Meas. control, Vol.
111, no. 3, pp. 490-496, Sept. part ii – Dynamics. trans.
aSMe, J. Dyn. Syst. Meas. control, Vol. 111, no. 3, 1989. pp.
497-504, Sept. 1989
[15] Young, g. e., Shelton, J. J., Kardamilas, c. : Modeling and
control of multiple web span using state estimation. trans.
aSMe, J. Dyn. Syst. Meas. control, Vol. 111, no. 3, pp. 505-510,
Sept. 1989
[16] Shelton, J.J.; Reid, K.n.: lateral and longitudinal dynamic
behaviour and control of moving webs. trans. aSMe, Journal
of Dynamic Systems, Measurement, and control, vol. 115, no.
2, pp. 309-317, Jun. 1993
[17] Young, g. e., Reid, K. n.: lateral and longitudinal dynamic
behavior and control of moving webs. Journ. of Dyn. Systems,
Measurement and control, trans. of the aSMe, June 1993,
Vol. 115, pp. 308-317
[18] f orrest Jr., a. W.: the lateral response und control of a
multi-span web system to dynamic changes to the web and
conveyance hardware. proc. of the 6th int. conf. on Web
handling (iWeB) 2001. Web handling Research center,
oklahoma State univ., Stillwater, oklahoma uSa. paper 33.
[19] p agilla, p. R.; Dwibedula, R. V. et al.: lateral control of a web
using estimated velocity feedback. proc. of the 6th int. conf.
on Web handling (iWeB) 2001. Web handling Research
center, oklahoma State univ., Stillwater, oklahoma uSa.
paper 34.
[20] Shin, K.-h., Kwon, S.-o. et al.: feedforward control of the
lateral position of a moving web using system identification.
ieee trans. on industry applications, Vol. 40, no. 6, november/
December 2004
[21] Shin, K.-h., Kwon, S.-o.: the effect of tension on the lateral
dynamics and control of a moving web. ieee trans. on
industry applications, Vol. 43, no. 2, March/april 2007
[22] Brandenburg, g.: Vereinfachtes prozessmodell für das
Seitenkantenverhalten durchlaufender, elastischer Bahnen.
tagungsband SpS/ipc/DRiVeS 2010, nürnberg 2010, S.
95-110
[23] Kessler, g.: Das zeitliche Verhalten einer kontinuierlichen
elastischen Bahn zwischen zwei aufeinanderfolgenden
Walzenpaaren. Regelungstechnik 8(1960), S. 436-439 und
9(1961), S. 154-159
[24] Szaó, i.: einführung in die technische Mechanik. Berlin,
göttingen, heidelberg: Springer-Verlag 1954
[25] Bestemann, p. g. J.; limpens, c. h. l.; Babuska, R.; otten, B.
J.; Verhaegen, M.: Modeling and identification of a Strip
guidance process with internal feedback. ieee trans. of
cotrol System technology, Vol. 6, no. 1, Jan. 1998, pp. 88-102
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61

hauptBeitRag
Wegen und mit folgt die linearisierte Differenzialgleichung
zu
Übergang in den s-Bereich liefert
(A2.34)
woraus die Form
(A2.23)
(A2.24)
Nun kann Gleichung (A2.26) eingesetzt werden. Man
erhält
(A2.35)
folgt. Der Übergang in den Bildbereich der Laplace-Transformation
liefert zunächst
Division durch s und Umstellung liefert das Ergebnis
und daraus folgt das Ergebnis
(A2.25)
(A2.37)
ManuSKRipteingang
05.08.2010
Im Peer-Review-Verfahren begutachtet
(A2.26)
Wieder ist das dynamische Verhalten des Fadens mit Biegung
gegenüber ohne Biegung durch ein PT1-Glied mit
um den Faktor 2/3 reduzierter Zeitkonstante gekennzeichnet.
Die Sprungantworten lauten
und
(A2.27)
(A2.28)
Der Fadenversatz wird aus Gleichung (A2.10) mit Gleichung
(A2.3) ermittelt, wobei wieder das Produkt zweier
Differenziale vernachlässigt wird:
Division durch dt ergibt
Auch hier wird die Umfangsgeschwindigkeit
eingeführt:
Linearisierung ergibt
(A2.29)
(A2.30)
(A2.31)
(A2.32)
Wegen und mit folgt die linearisierte Differenzialgleichung
zu
autoR
unIv. PROf. I. R. DR.-InG.
HABIL. GünTHER BRAn-
DEnBuRG (geb. 1935)
studierte Elektrotechnik an
der Technischen Universität
München und war anschließend
sechs Jahre Entwicklungs-
und Projektierungsingenieur
bei Siemens in
München und Erlangen. 1971 promovierte er am
Lehrstuhl für Elektrische Antriebstechnik der
TU München, erwarb mit der Habilitation 1976
die Lehrbefähigung für „Sondergebiete der
elektrischen Antriebstechnik“ und wurde 1978
zum Universitätsprofessor ernannt. Seit 1990
war er am Institut für Mechatronik der TU
München tätig und trat 2001 in den Ruhestand.
Er befasste sich in Lehre und Forschung mit der
Technologie und Antriebstechnik von elektrischmechanischen
Systemen, speziell von Rotationsdruckmaschinen
und Hochpräzisions-Werkzeugmaschinen.
Seit 2001 übt er eine beratende
Tätigkeit auf dem Gebiet der Mechatronik,
insbesondere der Fertigungsanlagen mit durchlaufenden
Bahnen, mit dem Schwerpunkt
Druckmaschinen aus.
Technische universität München,
Institut für Mechatronik,
Lehrstuhl für Mikrotechnik und Medizingerätetechnik,
Boltzmannstr. 15, D-85748 Garching,
Tel. +49 (0) 89 28 91 51 95,
E-Mail: Brandenburg@tum.de
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praxis
Automatisierte Messdatenauswertung
beschleunigt Entwicklungsprojekte
Mit einem selbst entwickelten Tool macht Daimler manuelle Abläufe überflüssig
Auch in der Fahrzeugentwicklung müssen immer
mehr Messdaten erfasst und ausgewertet werden.
Daimler gelingt es, mit einem eigens entwickelten Tool
die Messdatenverarbeitung zu automatisieren und so den
Zeitaufwand erheblich zu reduzieren.
Die Messdatenerfassung und damit verbundene Messdatenauswertung
in der Truckentwicklung auf Extremerprobungen
im In- und Ausland haben in den letzten Jahren
einen immer größeren Umfang angenommen. Die Messdaten
werden über verschiedene Wege (WLAN, USB-Stick,
manuelle Synchronisation eines Messrechners) auf einen
Auswerterechner übertragen, müssen dann ausgewertet
und den Fachbereichen angepasst bereitgestellt werden.
AUSWERTUNG ERFORDERTE VIEL MANUELLE ARBEIT
Da die Daten aber zu unterschiedlichen Zeiten eintreffen
und über einzelne Auswertescripte auch mehrere
Teilauswertungen nacheinander ablaufen müssen, ist
stets viel manuelle Arbeit erforderlich. Zudem müssen
Listen geführt werden, die zeigen, was bereits ausgewertet
ist. Das VBScript „AutoAuswert“ nutzt die
Scriptmöglichkeiten des Tools DIAdem von National
Instruments, um einen Rahmen für eine automatisierte
Messdatenauswertung zu bieten, indem die vorhandenen
Auswertescripte gesammelt sowie in richtiger Reihenfolge
und unabhängig vom Zeitpunkt des Datenauftretens
ausgeführt werden.
Bild 1: Im
Hauptdialog von
„AutoAuswert“
können die
Konfigurationen
erstellt, verwaltet,
einzeln
gestartet und die
automatische
Auswertung in
verschiedenen
Modi gestartet
werden.
Bild 2: Der Konfigurationsdialog
erlaubt es, die Konfiguration
zu benennen, ein Datenverzeichnis
und die einzelnen
Auswertescripte zuzuweisen,
zu verwalten oder einzeln
auszuführen.
Bild 3: Beispiele für Auswertungen:
Mit den zugewiesenen
Auswerte scripten werden unter
anderem PDF-Übersichten der
Messdaten erstellt, GPS-Daten
extrahiert, PDF-Streckenübersichten,
Excel-Übersichten über die
vorhandenen Messdateien und auch
MinMittelMax-Listen erstellt.
Bilder: Daimler
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Die Idee zu dem VBScript „AutoAuswert“ entstand
während einer Erprobung im Jahre 2007, an der die noch
überschaubare Zahl von fünf Fahrzeugen teilnahm. Aber
auch damals schon kamen die Fahrzeuge und somit die
Messrechner mit den erfassten Messdaten zu unterschiedlichen
Zeiten von ihren Ausfahrten zurück und
die Auswertung wurde mit mehreren Auswertescripten
nach der Rechnersynchronisation manuell ausgeführt.
Dabei musste pro Fahrzeug eine Liste zum Stand der
Auswertungen geführt werden.
Um diesen Aufwand zu vermeiden, entstand die Idee,
ein Werkzeug zu entwickeln, das es ermöglicht, mehrere
Auswertescripte auf mehrere Datenverzeichnisse
anzuwenden. Noch während dieser Erprobung wurde
ein Prototyp erstellt – heute heißt dieses Werkzeug „AutoAuswert“.
„AUTO-AUSWERT“: DER HAUPTDIALOG
Im Hauptdialog können die Konfigurationen erstellt, verwaltet,
einzeln und die automatische Auswertung in verschiedenen
Modi gestartet werden. Eine Konfiguration
stellt jeweils ein Fahrzeug oder einen Prüfling mit einem
Datenverzeichnis dar.
Die konfigurierbaren Intervall- und Pausenzeiten sind
als globale Variablen in den innerhalb einer Konfiguration
zugewiesenen Auswertescripten verwendbar. Auf
diese Weise kann während der Scriptentwicklung kontrolliert
werden, ob das Auswertescript fehlerfrei abgearbeitet
wird. Später, für die automatische Auswertung,
werden dann kleinere Pausenzeiten eingestellt.
Darüber hinaus sind Hilfsfunktionen zum Löschen der
Zählerstände und Hilfsdateien sowie zum automatischen
Herunterfahren des Auswerterechners integriert.
Die Konfigurationen lassen sich für die automatische
Auswertung aktivieren oder deaktivieren. Ist einer Konfiguration
ein Datenverzeichnis zugewiesen, lässt sich
diese direkt aus dem Dialog heraus im Windows Explorer
öffnen.
DER KONFIGURATIONSDIALOG
Im Konfigurationsdialog können die Konfiguration benannt,
ein Datenverzeichnis zugewiesen und die einzelnen
Auswertescripte zugewiesen, verwaltet oder einzeln
ausgeführt werden. Die Auswertescripte werden bei der
automatischen Ausführung dann auch in dieser Reihenfolge
ausgeführt. Sind zu einem Auswertescript eine Inioder
eine Logdatei vorhanden, können diese zur Sichtung
oder Bearbeitung auch direkt aus dem Dialog im Editor
aufgerufen werden.
AUTOMATISCHE AUSWERTUNG
Gestartet wird eine automatische Auswertung mit
„Start ein Durchlauf“ oder „Start Dauer“. Bei „Start
Dauer“ wartet „AutoAuswert“ nach einem kompletten
Durchlauf die konfigurierte Intervallzeit und beginnt
wieder von vorn, bis der Anwender unterbricht oder ein
konfiguriertes Beenden und Herunterfahren des Rechners
aktiv wird.
Die Entscheidung, wann eine aktivierte Konfiguration
ausgeführt wird, erfolgt über einen simplen Dateizählervergleich
mit dem Datenverzeichnis. „AutoAuswert“
geht dabei alle aktiv konfigurierten Konfigurationen
durch. Und wenn der Zählerstand gegenüber dem letzten
Durchgang nicht übereinstimmt, wird diese dann ausgeführt.
Innerhalb der Konfiguration werden wiederum
alle aktiv konfigurierten Auswertescripte ausgeführt. In
den Auswertescripten ist die Intelligenz vorhanden, um
zu entscheiden, ob und wie eine Messdatei auszuwerten
ist. Nach dem Ausführen einer Konfiguration wird der
Zählerstand des zugehörigen Datenverzeichnisses abgespeichert,
damit dieser beim nächsten Durchgang erneut
für den Vergleich zur Verfügung steht.
Mit den zugewiesenen Auswertescripten werden unter
anderem PDF-Übersichten der Messdaten erstellt, GPS-
Daten extrahiert, PDF-Streckenübersichten erstellt, Excel-Übersichten
über die vorhandenen Messdateien und
auch MinMittelMax-Listen erstellt. Insgesamt können
bis zu 200 Konfigurationen erstellt und jeweils bis zu 200
Auswertescripte eingebunden werden.
ZUSAMMENFASSUNG
Mit den Scriptmöglichkeiten von DIAdem war es möglich,
zu den schon vorhandenen Auswertescripten einen Rahmen
zu schaffen, der die früher manuelle Ausführung
von Auswertescripten nun automatisiert und sehr flexibel
zur Verfügung stellt. Vorhandene Auswertescripte können
direkt oder mit sehr wenig Anpassung direkt integriert
werden und bieten zusammen mit den Funktionen
von „AutoAuswert“ eine effiziente und zeitsparende Auswerteeinheit.
autor
Sven ArmBruSt
ist im Bereich „Operative
Messtechnik Triebstrang“
bei der Daimler AG in
Stuttgart tätig.
daimler AG,
Abteilung tP/PPP/HPC A 610,
mercedesstraße 137, d-70546 Stuttgart,
tel. +49 (0) 711 175 71 30,
e-mail: sven.armbrust@daimler.com
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