atp edition Kontext, Dienste und Cloud Computing (Vorschau)
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atp edition Kontext, Dienste und Cloud Computing (Vorschau)

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4 / 2013<br />

55. Jahrgang B3654<br />

DIV Deutscher Industrieverlag GmbH<br />

Automatisierungstechnische Praxis<br />

<strong>Kontext</strong>, <strong>Dienste</strong> <strong>und</strong><br />

<strong>Cloud</strong> <strong>Computing</strong> | 32<br />

AutoPnP – Plug-and-produce<br />

in der Automation | 42<br />

CPS – eine Fallstudie | 50<br />

Cyber-Physical Programmable<br />

Logic Controllers | 58

Danke!<br />

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

Fachpresse als Fachmedium des Jahres<br />

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

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

ist eine Gemeinschaftsleistung aus der<br />

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

Publikation für Automatisierungstechnik<br />

stecken viele kluge Köpfe. Nicht<br />

nur Chefredakteur, Herausgeber <strong>und</strong> Beiräte<br />

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

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

Tradition die maßgeblichen Themen der<br />

Automatisierungstechnik bestimmt. Auch<br />

die Fachredaktion leistet mit einem Peer-<br />

Review-Verfahren für wissenschaftlich<br />

f<strong>und</strong>ierte Veröffentlichungen einen unverzichtbaren<br />

Beitrag. Nicht möglich wäre dies<br />

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

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

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

einem Erfolg machen – <strong>und</strong> nicht zuletzt<br />

an Sie, unsere Leser.<br />

Ihre Entscheidung für die hochwertige<br />

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

wissenschaftlicher Forschungsarbeiten<br />

in der Automatisierungstechnik.

Print wirkt<br />

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

Qualitätsstufe <strong>und</strong> mit Nachhaltigkeit im<br />

Sinne wiederkehrender Nutzung. Der Titel<br />

erfüllt den selbstgestellten Anspruch eines<br />

anspruchsvollen <strong>und</strong> seriösen Magazins für<br />

Top-Entscheider zwischen Wissenschaft<br />

<strong>und</strong> Praxis konsequent.<br />

Entsprechend der journalistischen Konzeption<br />

ist Online hintenangestellt. Die Jury<br />

sah hier „die beispielhafte Umsetzung einer<br />

wissenschaftlich ausgerichteten Fachzeitschrift<br />

mit Magazincharakter“.

EDITORIAL<br />

Cyber-physical systems –<br />

ein „Buzzword“ gewinnt Konturen<br />

Als der Begriff cyber-physical systems (CPS) vor etwa drei bis vier Jahren aus<br />

den USA nach Europa kam, wurde er von nicht wenigen Automatisierungstechnikern<br />

als ein weiteres „Buzzword“ aus der Folklore der Forschungsförderung<br />

abgetan. Auf den ersten Blick schien es sich bei der Integration von „virtuellen“,<br />

rechentechnischen mit „realen“, physischen Prozessen um nichts Neues<br />

zu handeln, weist doch fast jedes Automatisierungssystem diese Eigenschaft auf.<br />

Auch der Aspekt der Vernetzung wurde als „alter Hut“ bezeichnet <strong>und</strong> das schon<br />

seit mehreren Jahrzehnten aktive Forschungsgebiet der Telematik angeführt.<br />

Viele Automatisierungstechniker waren auch irritiert, dass die mit CPS verb<strong>und</strong>en<br />

Visionen selbst für die Produktionstechnik (Stichwort „Industrie 4.0“) aus<br />

der Informatik heraus entwickelt wurden. Schnell war davon die Rede, dass die<br />

CPS-Protagonisten nur vorhandene Ansätze aus der Automatisierungstechnik<br />

„neu erfinden“.<br />

In der Zwischenzeit setzt sich aber die Erkenntnis durch, dass die massive<br />

Vernetzung von Regelungs- <strong>und</strong> Steuerungssystemen über offene <strong>und</strong> globale<br />

Netze mit der Einbindung offen verfügbarer <strong>Dienste</strong> eine neue Klasse von Systemen<br />

schafft, die auch die industrielle Produktion nachhaltig verändern wird.<br />

Für die Automatisierungs- <strong>und</strong> Regelungstechnik sind CPS kein „alter Wein in<br />

neuen Schläuchen“, sondern stellen eine Herausforderung für unsere Entwicklungsmethodik<br />

<strong>und</strong> die Gestaltung von Geräten <strong>und</strong> Anwendungen dar. Insbesondere<br />

für den Umgang mit einem neuen Ausmaß an Heterogenität, Strukturvariabilität<br />

während der Betriebszeit <strong>und</strong> Gefährdung von Datensicherheit reichen<br />

unsere vorhandenen Methoden <strong>und</strong> Werkzeuge nicht aus. Auf der anderen<br />

Seite kann unsere Fachdisziplin aber auch eine ganze Reihe von ureigenen Ansätzen<br />

in die notwendige Forschung <strong>und</strong> Weiterentwicklung einbringen, unter<br />

anderem in den Bereichen vernetzte Regelung, verteilte Automatisierung oder<br />

funktionale Sicherheit.<br />

Die Beiträge in dieser Ausgabe der <strong>atp</strong> <strong>edition</strong> greifen die beschriebene Herausforderung<br />

auf <strong>und</strong> zeigen, wie die Potenziale durch CPS-Technologie in der<br />

Automatisierungstechnik konkret genutzt werden können. Schlick et al. schärfen<br />

zunächst den Begriff CPS <strong>und</strong> zeigen dann an einem Anwendungsbeispiel, welche<br />

Auswirkungen die Verfügbarkeit von <strong>Dienste</strong>n aus der „<strong>Cloud</strong>“ <strong>und</strong> <strong>Kontext</strong>sensitivität<br />

auf die Automatisierung haben. In Canedo et al. wird schon eine<br />

konkrete gerätetechnische Ausprägung vorgestellt, nämlich die Vernetzung einer<br />

SPS mit <strong>Dienste</strong>n aus dem Internet. Kainz et al. übertragen die Idee des „Plugand-play“<br />

auf Produktionssysteme, um so den Aufwand für die Umkonfiguration<br />

bei Strukturänderungen zu reduzieren. Schließlich r<strong>und</strong>et der Beitrag von<br />

Rösch et al. die CPS-Thematik ab, indem an einem konkreten Anwendungsfall<br />

ein CPS-basierter Ansatz bei der Automatisierung mit dem klassischen Vorgehen<br />

verglichen wird.<br />

Einige der Autoren arbeiten auch in dem GMA-Fachausschuss 7.20 „Cyberphysical<br />

Systems“ mit, der im Frühjahr 2012 gegründet wurde <strong>und</strong> sich zum Ziel<br />

gesetzt hat, die automatisierungstechnischen Herausforderungen <strong>und</strong> Potenziale<br />

durch CPS herauszuarbeiten. Zurzeit entsteht dazu eine entsprechende Stellungnahme<br />

mit einer Darstellung von Handlungsfeldern. Zusammen mit dieser<br />

Aktivität macht die vorliegende Ausgabe der <strong>atp</strong> <strong>edition</strong> deutlich, dass das Thema<br />

CPS in der Automatisierungstechnik angekommen ist <strong>und</strong> wir jetzt gemeinsam<br />

daran arbeiten sollten, die vielfältigen Möglichkeiten zu nutzen.<br />

PROF. DR.-ING.<br />

STEFAN KOWALEWSKI,<br />

Lehrstuhlinhaber Informatik 11<br />

Embedded Software<br />

RWTH Aachen,<br />

Leiter GMA-Fachausschuss 7.20<br />

Cyber-physical Systems<br />

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

6 / 2012<br />

3

INHALT 4 / 2013<br />

VERBAND<br />

8 | Industrie 4.0, Richtlinien, LED: GMA-Vorstand<br />

legt Ziele für die kommende Amtsperiode fest<br />

Gr<strong>und</strong>lagen-Richtlinie des VDI zu Middleware<br />

Digitale Prozessketten in der Medizintechnik<br />

9 | VDI-Blatt erläutert Informationssicherheit<br />

IKT: Sieger beim Gründerwettbewerb<br />

10 | AALE feiert 10. Fachkonferenz in Strals<strong>und</strong><br />

mit besonderem Rahmenprogramm<br />

12 | „Zukünftig werden wir zu den Veranstaltungen der<br />

AALE mehr Universitätsprofessoren einladen“<br />

INTERVIEW MIT PROF. DR.-ING. BERND BÜCHAU, AUSRICHTER DER 10. AALE<br />

UND VFAALE-SPRECHER IM INTERVIEW MIT ATP EDITION<br />

14 | Bachelor-Gewinner aus Kanada zugeschaltet<br />

FORSCHUNG<br />

16 | TU Ilmenau <strong>und</strong> Hochschule Heilbronn<br />

kooperieren bei Promotion, Forschung <strong>und</strong> Transfer<br />

Fraunhofer stellt „Morgenfabrik“ in Hannover vor<br />

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

17 | Bildverarbeitungssystem für die <strong>Cloud</strong> auf der Cebit vorgestellt<br />

18 | 47. Regelungstechnisches Kolloquium in Boppard<br />

vergab vier Preise an Automatisierungsnachwuchs<br />

BRANCHE<br />

20 | Cebit hat’s gezeigt: IT-Branche ist seit Jahren der deutsche Jobmotor<br />

Berliner Energietage: Gebäudetechnik kommt<br />

21 | AutoID-Technologien auf dem<br />

ID World International Congress vorstellen<br />

22 | Modbus oder EtherNet/IP – wie tritt das Leitsystem am besten<br />

mit Wireless Hart in Verbindung?<br />

4<br />

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

4 / 2013

PRAXIS<br />

24 | Energiesparen erfordert Gesamtlösungen:<br />

Potenziale lokalisieren, Verbesserungen<br />

umsetzen <strong>und</strong> belegen<br />

26 | Stringente Systematik in der elektrotechnischen<br />

Betriebstechnik steigert die<br />

Anlagenverfügbakeit<br />

28 | Maximale Transparenz beim Verbrauch<br />

bildet die Basis, um Einsparpotenziale zu<br />

erkennen<br />

Produkte,<br />

Systeme<br />

<strong>und</strong> Service<br />

für die<br />

Prozessindustrie?<br />

Natürlich.<br />

HAUPTBEITRÄGE<br />

32 | <strong>Kontext</strong>, <strong>Dienste</strong> <strong>und</strong> <strong>Cloud</strong> <strong>Computing</strong><br />

J. SCHLICK, P. STEPHAN UND T. GREINER<br />

42 | AutoPnP – Plug-and-produce<br />

in der Automation<br />

G. KAINZ, N. KEDDIS, D. PENSKY, C. BUCKL, A. ZOITL,<br />

R. PITTSCHELLIS UND B. KÄRCHER<br />

50 | CPS – eine Fallstudie<br />

B. VOGEL-HEUSER, S. RÖSCH, A. FRIEDRICH UND P. GÖHNER<br />

58 | Cyber-Physical Programmable<br />

Logic Controllers<br />

RUBRIKEN<br />

A. CANEDO, G. MÜNZEL, G. LO UND T. GRÜNEWALD<br />

System 800xA 5.1 hilft Anlagen<br />

noch effizienter zu betreiben<br />

<strong>und</strong> die Produktivität <strong>und</strong> Rentabilität<br />

zu verbessern. Dies wird durch<br />

gesteigerte Bediener-Effizienz,<br />

optimiertes Handling bei Batch-<br />

Produktion, effizientere Sequenzkonfiguration,<br />

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Asset-Verwendung <strong>und</strong> optimierte<br />

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3 | Editorial: Cyber-physical systems –<br />

ein „Buzzword“ gewinnt Konturen<br />

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

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VERBAND<br />

Industrie 4.0, Richtlinien, LED: GMA-Vorstand<br />

legt Ziele für die kommende Amtsperiode fest<br />

Wesentliche Ziele für die neue Amtsperiode definierte<br />

der Vorstand der GMA (VDI/VDE-Gesellschaft<br />

für Mess- <strong>und</strong> Automatisierungstechnik) bei<br />

einer ersten konstituierenden Sitzung. Ende Januar<br />

hatten Prof. Dr.-Ing. Gerald Gerlach (TU Dresden), Dr.-<br />

Ing. Peter Adolphs (Pepperl+Fuchs), Prof. Dr.-Ing. Dirk<br />

Abel (RWTH Aachen), Dipl.-Ing. Dieter Westerkamp<br />

(VDI), Dr.-Ing. Kurt Bettenhausen (Siemens AG), Dipl.-<br />

Inform. Christoph Winterhalter <strong>und</strong> Dr.-Ing. Michael-<br />

Thomas Kramer (LED Linear) getagt, um ihre Strategien<br />

zu bestimmen. Die GMA will beispielsweise das Projekt<br />

„Industrie 4.0“ aktiv entwickeln <strong>und</strong> umsetzen.<br />

Dazu wird sie Forscher, Industriepartner <strong>und</strong> Lehrende<br />

unterstützen. Über die GMA selbst sollen neutrale<br />

Plattformen zum Austausch angeboten werden.<br />

Auch die VDI-Richtlinien will die GMA weiterhin<br />

für die Praxis entwickeln <strong>und</strong> veröffentlichen. „Hier<br />

sind wir in den vergangenen beiden Jahren sehr erfolgreich<br />

gewesen <strong>und</strong> werden dies mit unseren Fachgremien<br />

fortsetzen“, sagt Dieter Westerkamp, Geschäftsführer<br />

der GMA.<br />

Einen besonderen Schwerpunkt widmet die GMA den<br />

LEDs. Die Gesellschaft möchte die Öffentlichkeit über die<br />

moderne Technik aufklären <strong>und</strong> dafür sensibilisieren.<br />

Der GMA-Vorstand freut sich bereits auf den Automationskongress.<br />

Der Branchentreff r<strong>und</strong> um die Automatisierung<br />

mit hochrangingen Vertretern aus Wissenschaft<br />

<strong>und</strong> Industrie findet am 25. <strong>und</strong> 26. Juni 2013<br />

im Kongresshaus in Baden-Baden statt. (ahü)<br />

GMA-VORSTAND: (vorn v.l.n.r.) Prof. Dr.-Ing. Gerald Gerlach<br />

(TU Dresden), Dr.-Ing. Peter Adolphs (Pepperl+Fuchs),<br />

Prof. Dr.-Ing. Dirk Abel (RWTH Aachen),<br />

(hinten v.l.n.r.): Dipl.-Ing. Dieter Westerkamp (VDI), Dr.-Ing.<br />

Kurt Bettenhausen (Siemens AG), Dipl.-Inform. Christoph<br />

Winterhalter, Dr.-Ing. Michael-Thomas Kramer (LED Linear).<br />

VDI/VDE-GESELLSCHAFT<br />

MESS- UND AUTOMATISIERUNGSTECHNIK (GMA)<br />

VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE E.V,<br />

VDI-Platz 1,<br />

D-40468 Düsseldorf,<br />

Tel. +49 (0) 211 621 40,<br />

Internet: www.vdi.de<br />

Gr<strong>und</strong>lagen-Richtlinie<br />

des VDI zu Middleware<br />

Die RichtlinieVDI/VDE 2657 Blatt 1 „Middleware in<br />

der Automatisierungstechnik – Gr<strong>und</strong>lagen“ ist im<br />

Januar 2013 als Weißdruck erschienen. Sie beschreibt<br />

Begriffe <strong>und</strong> nennt Merkmale <strong>und</strong> Anforderungen an<br />

Middleware in der Automatisierungstechnik, die für<br />

die umfassende, flexible, effiziente <strong>und</strong> effektive Lösung<br />

der Integrationsaufgaben nötig sind. Die Richtlinie<br />

soll, so die GMA, bei Auswahl, Entwicklung <strong>und</strong><br />

Verwendung von Middleware in der Automatisierungstechnik<br />

helfen. Weitere Informationen sind unter<br />

www.vdi.de/2657 abrufbar. <br />

(ahü)<br />

Digitale Prozessketten in<br />

der Medizintechnik<br />

Am Beispiel von Dentaltechnik, Kardiovaskulärer<br />

Technik <strong>und</strong> Prothetik wird die Digitalisierung in<br />

der Medizintechnik auf einem Expertenforum diskutiert.<br />

Die Veranstaltung, die vom VDI organisiert wird,<br />

befasst sich mit den Chancen <strong>und</strong> Herausforderungen<br />

der Digitalisierung im Medizinbereich <strong>und</strong> greift dabei<br />

auch die individualisierte Fertigung von Medizinprodukten<br />

als Thema auf. Das Forum findet am 24. April<br />

2013 im Maritim-Hotel Düsseldorf-Flughafen statt. Weitere<br />

Informationen finden Interessierte auf der Internetseite<br />

www.vdi.de/medizintechnik. <br />

(ahü)<br />

VDI/VDE-GESELLSCHAFT<br />

MESS- UND AUTOMATISIERUNGSTECHNIK (GMA)<br />

VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE E.V.,<br />

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

Tel. +49 (0) 211 621 40,<br />

Internet: www.vdi.de<br />

VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE,<br />

VDI-GESELLSCHAFT TECHNOLOGIES OF LIFE SCIENCES,<br />

Postfach 10 11 39,<br />

D-40002 Düsseldorf,<br />

Tel. +49 (0) 211 621 42 66,<br />

E-Mail: medizintechnik@vdi.de<br />

8<br />

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

4 / 2013

VDI-Blatt erläutert<br />

Informationssicherheit<br />

Die Richtlinie VDI/VDE 2182 Blatt 2.1 „Informationssicherheit<br />

in der industriellen Automatisierung – Anwendungsbeispiel<br />

des Vorgehensmodells in der Fabrikautomation<br />

für Hersteller – Speicherprogrammierbare<br />

Steuerung (SPS)“ ist im Februar 2013 als Weißdruck erschienen.<br />

Vorgestellt wird ein Anwendungsbeispiel, das<br />

die Richtlinie VDI/VDE 2182 Blatt 1 ergänzt. Es zeigt<br />

konkret auf, wie die Anwendung des Vorgehensmodells<br />

die Informationssicherheit verbessert <strong>und</strong> welche Maßnahmen<br />

aus Sicht eines Herstellers eingeführt oder durchgeführt<br />

werden müssen. Mit dieser Anwendung sollen<br />

angemessene Schutzmaßnahmen <strong>und</strong> die Dokumentation<br />

der Security-relevanten Eigenschaften erreicht werden.<br />

Weitere Informationen sind unter www.vdi.de/2182<br />

abrufbar.<br />

(ahü)<br />

VDI/VDE-GESELLSCHAFT MESS- UND<br />

AUTOMATISIERUNGSTECHNIK (GMA)<br />

VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE E.V.,<br />

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

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

IKT: Sieger beim<br />

Gründerwettbewerb<br />

Auf der Cebit zeichnete Dr. Philipp Rösler, B<strong>und</strong>esminister<br />

für Wirtschaft <strong>und</strong> Technologie (BMWi), die<br />

Preisträger der R<strong>und</strong>e 2/2012 im Gründerwettbewerb<br />

„IKT Innovativ“ aus: Solvertec aus Bremen (entwickelten<br />

ein Werkzeug zur automatisierten Fehlerbehebung beim<br />

Entwurf von Computerchips), The Captury aus Saarbrücken<br />

(entwarfen ein Software-Verfahren für die Analyse<br />

von Mimik <strong>und</strong> Bewegung bei Personen), Towi Solutions<br />

aus Berlin (bieten Technologie zur Herstellung optischer<br />

Koppler für Telekommunikation) <strong>und</strong> VMMInspector aus<br />

Bochum (erstellten Analysewerkzeug für Windows-Systeme,<br />

mit dem hochspezialisierte Schadsoftware gef<strong>und</strong>en<br />

wird) konnten sich über je 30 000 Euro freuen.<br />

In dem kontinuierlichen Ideenwettbewerb prämiert<br />

das BMWi Unternehmungsgründungen in der Informations-<br />

<strong>und</strong> Kommunikationstechnologie (IKT). Startups<br />

erhalten dabei die Chance, Geschäftsideen von einer<br />

unabhängigen Jury nach Kriterien wie Innovationshöhe,<br />

Marktpotenzial <strong>und</strong> Wettbewerbsfähigkeit, Umsetzung<br />

<strong>und</strong> Qualifikation prüfen zu lassen. Außerdem winken<br />

individuelle Expertencoachings. Die Wettbewerbsr<strong>und</strong>e<br />

„Vom Smart Home zu Smart Grids“ läuft noch bis 31.<br />

Mai. Bewerber müssen ihre Idee auf zehn bis 15 Seiten<br />

skizzieren. Alle Teilnehmer erhalten eine schriftliche<br />

Einschätzung ihrer Idee bezüglich Stärken, Schwächen,<br />

Chancen <strong>und</strong> Risiken. <br />

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4 / 2013<br />

9

VERBAND<br />

UNTERSCHRIFT: VFAALE-Vorstand<br />

Patrik Menges (SEW Eurodrive),<br />

Prof. Dr.-Ing. Reinhard Langmann,<br />

Axel Gerlt (Siemens AG) <strong>und</strong> Beiratssprecher<br />

Prof. Dr.-Ing. Bernd Büchau<br />

(v.l.) unterzeichnen die Siegerurk<strong>und</strong>en<br />

für den AALE Student Award 2013.<br />

DIE AALE-FACH-<br />

KONFERENZ fand<br />

bereits zum 10. Mal<br />

statt. Trotz der weiten<br />

Anreise kamen 160<br />

Teilnehmer nach<br />

Strals<strong>und</strong>.<br />

DAS OZEANEUM in Strals<strong>und</strong> bot<br />

beeindruckende Ausblicke. Hier fand<br />

die Abendveranstaltung statt.<br />

AALE feiert 10. Fachkonferenz in Strals<strong>und</strong><br />

mit besonderem Rahmenprogramm<br />

Jubiläumsveranstaltung lockte 160 Besucher <strong>und</strong> 13 Industriepartner an die Ostseeküste<br />

Angewandte Automatisierungstechnik in Lehre <strong>und</strong><br />

Entwicklung an Hochschulen hat sich eine Konferenz<br />

deutschsprachiger Hochschulen <strong>und</strong> Institute auf<br />

die Fahnen geschrieben. Die AALE, so die Abkürzung,<br />

feierte am 28. Februar <strong>und</strong> 1. März 2013 ein Jubiläum:<br />

Bereits zum 10. Mal fand sie statt.<br />

Auf dieser Tagung stellen Wissenschaftler ihre Forschungsergebnisse<br />

vor. Industrieunternehmen präsentieren<br />

sich in der begleitenden Ausstellung. Die AALE-Konferenz<br />

wechselt ihren Standort jährlich. 2013 war die<br />

Fachhochschule Strals<strong>und</strong>, unter der Leitung von Prof.<br />

Dr.-Ing. Bernd Büchau Ausrichter der Veranstaltung. Büchau<br />

ist Prodekan des Fachbereichs Elektrotechnik <strong>und</strong><br />

Informatik an der Fachhochschule <strong>und</strong> gleichzeitig Sprecher<br />

des wissenschaftlichen Beirats des Vereins der Fre<strong>und</strong>e<br />

<strong>und</strong> Förderer der AALE (VFAALE). Von der ersten<br />

AALE-Konferenz in Pforzheim bis zum zehnten Treffen<br />

in Strals<strong>und</strong> hat der Verein seine Bekanntheit stetig steigern<br />

können. Auch die Beteiligung der Industriepartner<br />

auf der dazugehörigen Ausstellung wuchs in den vergangenen<br />

zehn Jahren.<br />

IDEE ZUR GRÜNDUNG ENTSTAND AUF ATP-TREFFEN<br />

Die Idee, ein fachwissenschaftliches Kolloquium für angewandte<br />

Automatisierungstechnik in Lehre <strong>und</strong> Entwicklung<br />

an Hochschulen zu gründen, entwickelte Prof.<br />

Dr.-Ing. Michael Felleisen auf dem <strong>atp</strong>-Beiratstreffen<br />

2002 in Frankfurt. Diesem Vorschlag schlossen sich Vertreter<br />

von Industrieunternehmen <strong>und</strong> der Beirat der <strong>atp</strong><br />

an. Ein Jahr später, auf dem Kongress der GMA (Gesellschaft<br />

für Mess- <strong>und</strong> Automatisierungstechnik), sicherten<br />

die Verbandsvertreter ihre Unterstützung zu.<br />

Die erste AALE-Konferenz mit dem Ziel, einen jährlichen<br />

Erfahrungsaustausch <strong>und</strong> den Kontakt der Professoren<br />

untereinander zu fördern, wurde 2004 an der<br />

Hochschule Pforzheim Realität. „In Anlehnung an das<br />

für Universitätsprofessoren der Automatisierungstechnik<br />

etablierte Boppard-Kolloquium sollte eine gleichwertige<br />

Kommunikationsplattform für Professoren an<br />

Fachhochschulen geschaffen werden“, so Prof. Dr.-Ing.<br />

Reinhard Langmann, Erster Vorsitzender des Vereins<br />

zur Förderung der AALE (VFAALE), in seiner Jubiläumsrede.<br />

Damals nahmen 38 Professoren <strong>und</strong> zehn<br />

10<br />

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

4 / 2013

© AALE – Angewandte Automatisierungstechnik in Lehre <strong>und</strong><br />

AALE-Beirat<br />

8 + 2 Hochschulvertreter<br />

4 Verbände (GMA, NAMUR, ZVEI, VDMA)<br />

1 Fachverlag (DIV Deutscher Industrieverlag GmbH)<br />

Kontakt zu Verbänden,<br />

Organisationen <strong>und</strong> Fachpresse<br />

Ausstrahlung in die Fachöffentlichkeit<br />

Internes Diskussionsforum<br />

Zusammenarbeit<br />

AALE-TEILNEH-<br />

MER bestaunten<br />

die lebensgroße<br />

Nachbildung eines<br />

Wals im Ozeaneum<br />

Strals<strong>und</strong><br />

während der<br />

Abendveranstaltung.<br />

Bilder: Anne Hütter<br />

Fachkonferenz für Angewandte<br />

Automatisierungstechnik<br />

in Lehre <strong>und</strong> Entwicklung<br />

an Hochschulen<br />

Verein der Fre<strong>und</strong>e <strong>und</strong> Förderer für<br />

die Angewandte Automatisierungstechnik<br />

an Hochschulen (VFAALE e.V.)<br />

(30 Mitglieder)<br />

Kontakt zu Industrie<br />

<strong>und</strong> Wirtschaft<br />

ZUSAMMENSETZUNG DER AALE: Durch den<br />

AALE-Beirat <strong>und</strong> den VFAALE sichert die<br />

AALE die Verknüpfung zu Industrie, Praxis <strong>und</strong><br />

Branche der Automation.<br />

Industrieunternehmen teil. Die Zahl der Teilnehmer<br />

steigerte sich in den Jahren.<br />

Zur 3. AALE-Konferenz in Düsseldorf luden die damaligen<br />

Organisatoren Prof. Dr.-Ing. Hartmut Haehnel, Prof.<br />

Dr. Harald Jacques <strong>und</strong> Prof. Dr.-Ing. Reinhard Langmann<br />

bereits Vertreter aus Wissenschaft <strong>und</strong> Politik ein.<br />

Am zweiten Tag begleiteten Dr. Hubert Mücke, Geschäftsführer<br />

des Hochschullehrerb<strong>und</strong>es sowie Heinz<br />

Krommen, zuständiger Referatsleiter des NRW-Ministeriums<br />

für Innovation, Wissenschaft, Forschung <strong>und</strong><br />

Technologie die Diskussion zum Thema „Drittmittelforschung<br />

<strong>und</strong> Forschungstransfer“.<br />

Einen weiteren politischen Höhepunkt gab es 2009 bei<br />

der Konferenz an der Beuth Hochschule für Technik in Berlin.<br />

Die damalige Staatsministerin Cornelia Pieper lobte<br />

gute Ausgangsbedingungen, die Fachhochschulen dem Ingenieurnachwuchs<br />

böten. Die Politikerin forderte eine Exzellenzinitiative<br />

Fachhochschulen, die anwendungsorientierte<br />

Forschung <strong>und</strong> Entwicklung fördern sollte. In diesem<br />

Jahr wurde erstmals der AALE Student Award verliehen.<br />

Der Preis wird seitdem jährlich für die beste Bachelor- <strong>und</strong><br />

Master/Diplom-Arbeit vergeben.<br />

Auch die Praxis kam auf den AALE-Konferenzen zum<br />

Zug. Zum 4. Treffen an der Hochschule Ostwestfalen-<br />

Lippe, besuchten die Teilnehmer die Firma Phoenix Contact<br />

in Blomberg. Mit fast 200 Teilnehmern erreichte die<br />

AALE-Konferenz schließlich ihren vorläufigen Höhepunkt<br />

im Jahr 2011. An der Hochschule Esslingen, Standort Göppingen,<br />

war die Grenze der Teilnehmerzahl erreicht.<br />

Auch die Abendveranstaltungen sind auf der AALE-<br />

Konferenz besondere Höhepunkte, die sich an den lokalen<br />

Sehenswürdigkeiten orientieren. In Berlin dinierten<br />

die AALE-Teilnehmer 2009 im alten Funkturm. Im Jahr<br />

darauf fand die wohl internationalste AALE an der Fachhochschule<br />

Technikum in Wien statt. Ausrichter FH-<br />

Professor Viktorio Malisa konnte Professoren aus<br />

Deutschland, Österreich, der Schweiz <strong>und</strong> sogar Slowenien<br />

<strong>und</strong> den USA in die Donaumetropole locken. Am<br />

Abend traf man sich im Schloss Schönbrunn.<br />

THEMEN: LEHRE&FORSCHUNG, ROBOTIK, STEUERUNG<br />

Nach der Veranstaltung 2012 in Aachen stand 2013 Strals<strong>und</strong><br />

auf dem Programm. Hierzu hatten sich 160 Teilnehmer<br />

angemeldet. Der wissenschaftliche Beirat des<br />

VFAALE (Prof. Büchau, Prof. Felleisen, Prof. Dr. Götzmann,<br />

Prof. Dr. Hahnel, Prof. Dr. Hoffmann, Prof. Dr.<br />

Kayser, Prof. Malisa, Prof. Dr. Schneider <strong>und</strong> die assoziierten<br />

Mitglieder) konnte sich über 50 Einreichungen für<br />

das Programm freuen. Davon wurden 33 Vorträge in den<br />

Sessions vorgestellt <strong>und</strong> drei als Plenarvortrag. Die Sitzungen<br />

„Lehre <strong>und</strong> Ausbildung“ (Leitung Reinhard<br />

Langmann), „Automatisierungssysteme I“ (Leitung Walter<br />

Götzmann), „Robotik I“ (Leitung Hartmut Hensel),<br />

„Steuerungstechnik-Trends“ (Leitung Ulrich Hoffmann),<br />

„Automatisierungssysteme II“ (Leitung Jens Jäkel), „Robotik<br />

II“ (Leitung Michael Felleisen), „Energieeffizienz I“<br />

(Leitung Karl-Heinz Kayser), „Modellbasierter Entwurf“<br />

(Leitung Stefan Sagert) <strong>und</strong> „Adaptive Systeme“ (Leitung<br />

Hartmut Haehnel) gestalteten den ersten Tag. Die Verleihung<br />

der AALE Student Awards an Marten Pape für die<br />

beste Bachelor-Arbeit <strong>und</strong> an Andreas Bathelt für die<br />

beste Master-Arbeit beendeten den Donnerstag. Das Dinner<br />

im Ozeaneum schloss den Tag ab.<br />

Der Freitag startete mit der Plenarveranstaltung zum<br />

Thema „Protokollunabhängiges Monitoring für industrielle<br />

Netzwerke“ von Steffen Himstedt. Die Leitung hatte<br />

Prof. Büchau inne. Die Sessions „Energieeffizienz II“ (Leitung<br />

Viktorio Malisa), „Kommunikation in der Antriebstechnik“<br />

(Leitung Uwe Creutzburg), „Autonome <strong>und</strong> mobile<br />

Systeme“ (Leitung Michael Felleisen), „Energieeffizienz<br />

III“ (Leitung Michael Schlereth), „Modellbildung <strong>und</strong><br />

Simulation“ (Leitung Christian Bunse) <strong>und</strong> „Reglerkonzepte“<br />

(Leitung Michael Bierhoff) folgten.<br />

Parallel zu den Vorträgen präsentierten 13 Wissenschaftler<br />

Postervorträge. Die begleitende Industriemesse<br />

lockte 13 Aussteller nach Strals<strong>und</strong>. Die Pausen wurden<br />

genutzt, um zu netzwerken oder sich über das Ausbildungsprogramm<br />

der Industriepartner zu informieren.<br />

AUTORIN<br />

ANNE HÜTTER ist verantwortlich für die<br />

Redaktion <strong>und</strong> das Programmmanagement<br />

der <strong>atp</strong> im Deutschen Industrieverlag.<br />

DIV Deutscher Industrieverlag GmbH,<br />

Arnulfstraße 124, D-80636 München,<br />

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

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

Internet: www.di-verlag.de<br />

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

4 / 2013<br />

11

VERBAND<br />

„Zukünftig werden wir zu den Veranstaltungen der<br />

AALE mehr Universitätsprofessoren einladen“<br />

Prof. Dr.-Ing. Bernd Büchau, Ausrichter der 10. AALE <strong>und</strong> VFAALE-Sprecher, im Interview mit <strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

Die zehnte AALE-Fachkonferenz nahm <strong>atp</strong> <strong>edition</strong> zum<br />

Anlass, ein Interview mit Organisator <strong>und</strong> VFAALE-Sprecher<br />

Bernd Büchau zu führen. Der Professor blickt auf die<br />

Anfänge der Veranstaltung an der Hochschule Pforzheim<br />

zurück. Er äußert sich zu der Historie der Veranstaltung<br />

<strong>und</strong> fordert auch dazu auf, sich der Branche weiter zu<br />

öffnen. In Zukunft will die AALE auf Branchenveranstaltungen<br />

präsenter sein <strong>und</strong> auch die Universitätsprofessoren<br />

zur verstärkten Teilnahme auffordern.<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong>: Herr Prof. Dr.-Ing. Büchau, Sie waren an der<br />

Fachhochschule Strals<strong>und</strong> Ausrichter der 10. AALE-Fachkonferenz.<br />

Sind Sie mit dem Verlauf der Veranstaltung<br />

zufrieden?<br />

BERND BÜCHAU: Die Veranstaltung, insbesondere die Sessions<br />

waren gut besucht, das Niveau der Beiträge angemessen<br />

hoch, vielleicht sogar mit einer leichten Steigerung<br />

im Vergleich zu bisherigen Konferenzen. Die Konferenzteilnehmer<br />

<strong>und</strong> Aussteller waren sehr zufrieden, das fachliche<br />

<strong>und</strong> kulturelle Rahmenprogramm war stimmig. Mit<br />

der Abendveranstaltung im Ozeaneum mit dem Motto „Ein<br />

PROF. DR.-ING<br />

BERND BÜCHAU:<br />

"Auf automatisierungsrelevanten<br />

Fachveranstaltungen<br />

wie der<br />

Namur-Hauptsitzung<br />

oder dem GMA-Kongress<br />

Automation sind wir<br />

vertreten, aber sicher<br />

noch nicht in dem Maße<br />

wie wir es uns wünschen."<br />

Exkurs in die Tiefen der Ostsee“ konnte ein einzigartiges<br />

Highlight angeboten werden.<br />

Die Organisation durch das Team der Fachhochschule<br />

Strals<strong>und</strong> war professionell. Es war eine r<strong>und</strong>um gelungene<br />

Veranstaltung, die viel Werbung für zukünftige AALE-<br />

Konferenzen, unsere Hochschule <strong>und</strong> die Stadt gemacht<br />

hat. Wir als kleine aber feine Fachhochschule Strals<strong>und</strong><br />

konnten zeigen, wie leistungsfähig wir sind. Insgesamt bin<br />

ich mit dem Verlauf der AALE sehr zufrieden.<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong>: Inwieweit unterschied sich die 10. AALE-Fachveranstaltung<br />

von den übrigen neun Treffen?<br />

BERND BÜCHAU: Wir haben Konzept <strong>und</strong> Ablauf optimiert.<br />

Das Programm wurde etwas kompakter gestaltet, mit mehr<br />

Möglichkeiten des Austauschs <strong>und</strong> der Information. So haben<br />

wir am Vortag erstmalig einen Workshop angeboten, der gut<br />

angenommen wurde. Außerdem boten wir ein offizielles Vorabendtreffen<br />

an. Daran nahmen schon 62 Teilnehmer der<br />

Konferenz teil, sozusagen als Warm Up. Dieser Abend wurde<br />

bereits für einen intensiven Austausch genutzt. Da bereits<br />

der Vortag eingeb<strong>und</strong>en war, nahmen an der Eröffnung der<br />

Konferenz 138 Teilnehmer teil, was in den vergangenen Jahren<br />

nicht immer gegeben war. Der Mix aus Plenarveranstaltungen<br />

mit interessanten <strong>und</strong> aktuellen Themen sowie die<br />

drei parallel angebotenen Sessions mit jeweils zwei Vorträgen<br />

ermöglichten in den Pausen einen intensiveren Austausch<br />

zwischen den Konferenzteilnehmern <strong>und</strong> Ausstellern.<br />

Der Tagungsort unterstützte das. Alle Vorträge, bis auf die<br />

Plenarveranstaltung, fanden auf einer Ebene statt, kurze<br />

Wege also zu Sessions <strong>und</strong> Ausstellern.<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong>: Es wurde gemutmaßt, dass die AALE in Strals<strong>und</strong><br />

hinter den Erfolgen der vorhergehenden Veranstaltungen<br />

in „zentraleren“ Orten wie Aachen oder Göppingen-<br />

Esslingen zurückbleibt. Wie schätzen Sie dies ein?<br />

BERND BÜCHAU: Da die AALE-Konferenzen jedes Jahr einen<br />

anderen Standort haben – Hauptorganisatoren sind<br />

Hochschulen, über den deutschsprachigen Raum verteilt<br />

– stellt sich die Standortfrage immer wieder. Aber mit 160<br />

registrierten Teilnehmern in Strals<strong>und</strong> kann von einer signifikanten<br />

Abhängigkeit der Teilnehmerzahl vom Standort<br />

keine Rede mehr sein. Damit erzielten wir das gleiche Niveau<br />

wie 2012 an der Fachhochschule Aachen. Wir verfügen<br />

mittlerweile über eine stabile Größe an Teilnehmern, unabhängig<br />

vom Standort. Es scheint, dass das Konzept der<br />

AALE-Konferenzen <strong>und</strong> die Qualität der Beiträge eine hohe<br />

Akzeptanz erreicht haben, auf die wir bauen können.<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong>: In Strals<strong>und</strong> nahmen 13 Industrieunternehmen<br />

an der begleitenden Fachausstellung teil. Wünscht sich die<br />

AALE insgesamt ein stärkeres Engagement der Industrie bei<br />

der jährlichen Veranstaltung oder ganz allgemein im Verein?<br />

BERND BÜCHAU: In den vergangenen Jahren hatten wir<br />

immer zwischen 13 <strong>und</strong> 16 Aussteller, wobei die Ausstell­<br />

12<br />

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

4 / 2013

erzahl bisher eher durch die zur Verfügung stehenden<br />

Ausstellungsflächen als durch das Interesse der Unternehmen<br />

an einer Teilnahme begrenzt ist. Es war <strong>und</strong> ist<br />

somit eine kleine aber feine Fachausstellung gegeben, die<br />

intensive Kontakte zwischen Konferenzteilnehmern <strong>und</strong><br />

Ausstellern ermöglicht. Eine stärkere Beteiligung der Unternehmen<br />

wäre durchaus wünschenswert, insbesondere<br />

auch deren Mitgliedschaft im VFAALE, dem Trägerverein<br />

der AALE-Konferenzen, der zurzeit 32 Mitglieder hat. Die<br />

Bedeutung der Fachausstellung auf der AALE-Konferenz<br />

<strong>und</strong> die Konferenz selbst würden dadurch in der Branche<br />

sicher noch zunehmen. Der VFAALE sowie sein wissenschaftlicher<br />

Beirat werden sicher dazu in den nächsten<br />

Monaten über einen geeigneten Ausbau der AALE als Netzwerk<br />

zwischen Hochschulen <strong>und</strong> Industrie diskutieren.<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong>: Wo liegt der Vorteil für Unternehmen, wenn sie<br />

sich bei der AALE engagieren?<br />

BERND BÜCHAU: Der Vorteil der Unternehmen ist ganz<br />

einfach darin zu sehen, dass die Unternehmen viele Multiplikatoren<br />

treffen, denen Sie ihre neuen Produkte oder<br />

Produktideen vorstellen können. Was aber auch immer<br />

wichtiger für sie wird: zielorientiert geeignete Mitarbeiter<br />

aus dem Kreis der Studierenden zu werben. Dies wird von<br />

den Unternehmen mit unterschiedlicher Intensität genutzt,<br />

da deren Hauptinteresse stark variiert. Die AALE-Konferenz<br />

ist aber keine Recruiting-Messe. Dafür bietet fast jede<br />

Hochschule gesonderte Veranstaltungen an. An der Fachhochschule<br />

Strals<strong>und</strong> findet dieses Jahr am 25. April,<br />

ebenfalls eine Jubiläumsveranstaltung, die 10. SUPA-Börse<br />

(Strals<strong>und</strong>er Unternehmens-, Praktikanten- <strong>und</strong> Absolventenbörse)<br />

satt. Die richten wir in einem Turnus von zwei<br />

Jahren aus. Daran nehmen mittlerweile regelmäßig über<br />

100 Unternehmen aus ganz Deutschland teil.<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong>: Hat die AALE die Ziele erreicht, die sie sich vor<br />

nunmehr zehn Jahren gesetzt hat? Wo liegen noch Herausforderungen<br />

für die AALE <strong>und</strong> den fördernden Verein<br />

VFAALE?<br />

BERND BÜCHAU: Vor der ersten AALE-Konferenz, die eher<br />

die Form eines Kolloquiums hatte <strong>und</strong> mit etwa 50 Teilnehmern<br />

noch sehr übersichtlich war, stand die Idee im Vordergr<strong>und</strong>,<br />

dass sich Professoren von Fachhochschulen der<br />

Automatisierungstechnik, für die es bis dato kein Forum des<br />

Austauschs gab, treffen <strong>und</strong> ein Netzwerk des Erfahrungsaustauschs<br />

<strong>und</strong> der Zusammenarbeit bilden. Am Anfang<br />

halfen dabei insbesondere Vertreter der relevanten Verbände<br />

<strong>und</strong> Unternehmen, die auch noch heute regelmäßig an<br />

der AALE-Konferenz teilnehmen. Wir erreichen ein hohes<br />

Maß an Kontinuität <strong>und</strong> Qualität, da wir uns im VFAALE <strong>und</strong><br />

im Beirat in einem ständigen Austausch befinden.<br />

Die Herausforderung für die AALE besteht sicher in einem<br />

kontinuierlichen Ausbau der AALE mit qualitativ hochwertigen<br />

Beiträgen <strong>und</strong> einer weiteren Öffnung für alle Hochschulen<br />

des deutschsprachigen Raums. Die Voraussetzungen<br />

schuf bereits 2012 die Änderung der Satzung des<br />

VFAALE. Wir wollen keine Abgrenzung, sondern die Öffnung<br />

der AALE <strong>und</strong> so eine interessante Alternative zu<br />

anderen etablierten Veranstaltungen der Automatisierungstechnik<br />

schaffen. Dazu gehört, dass wir unsere hochkarätige<br />

Veranstaltung zu einem sehr günstigen Preis<br />

anbieten können, da wir keine kommerzielle Organisation<br />

der Konferenz anstreben. Bei den bisherigen Teilnehmerzahlen<br />

ist das auch gegeben.<br />

Die Ziele, die man sich vor der ersten AALE gesteckt hatte<br />

sind sicher zu einem großen Teil erfüllt worden. Die Teilnahme<br />

von Professoren <strong>und</strong> Mitarbeitern sehr vieler Hochschulen<br />

<strong>und</strong> Firmen ist mittlerweile Standard geworden.<br />

Defizite haben wir aus heutiger Sicht eher im Bereich der<br />

Öffentlichkeitsarbeit sowie der Verbands- <strong>und</strong> Gremientätigkeit,<br />

wo wir an der einen oder anderen Stelle noch nicht<br />

adäquat vertreten sind.<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong>: Der AALE-Fachkongress zeichnet sich durch<br />

zahlreiche praxisrelevante Sessions mit entsprechenden<br />

Vorträgen aus. Wie verhielt sich die Zahl der Einreichungen<br />

im Vergleich zu den vorherigen Veranstaltungen?<br />

BERND BÜCHAU: Die Zahl der Einreichungen ist mit insgesamt<br />

50, davon drei eingeladene Plenarvorträge, als gut<br />

einzuschätzen. Davon wurden 30 Vorträge für die Sessions<br />

<strong>und</strong> 13 Posterbeiträge ausgewählt. Wegen der Zahl an eingereichten<br />

Beiträge musste keine Verlängerung der Frist<br />

für den Call for Papers eingeräumt werden. Damit bewegen<br />

wir uns auf gleichem Niveau wie in den vergangenen Jahren,<br />

mit leichter Tendenz nach oben.<br />

Trotzdem bleibt es wünschenswert, in Zukunft mehr Einreichungen<br />

zu erhalten, um insgesamt eine noch höhere<br />

Qualität der Beiträge zu erzielen <strong>und</strong> die Attraktivität der<br />

AALE-Konferenz zu steigern.<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong>: Wie sichern Sie die wissenschaftliche Qualität<br />

der vorgestellten Beiträge? Wie läuft das Auswahlverfahren<br />

ab? Würde die AALE gern Raum für mehr Beiträge <strong>und</strong><br />

Postervorstellungen anbieten?<br />

BERND BÜCHAU: Für die Sicherstellung der Qualität ist<br />

der wissenschaftliche Beirat des VFAALE zuständig, dessen<br />

Sprecher ich aktuell bin. Der Beirat ist quasi das ständige<br />

Programmkomitee der AALE-Konferenzen <strong>und</strong> setzt<br />

sich aus sieben gewählten Mitgliedern (Professoren), dem<br />

Organisator der jeweils nächsten Konferenz <strong>und</strong> sieben<br />

weiteren assoziierten Mitgliedern zusammen. Neben zwei<br />

weiteren Professoren sind es der DI-Verlag, die Namur, der<br />

VDI/VDE-GMA, der VDMA <strong>und</strong> der ZVEI. Dieser Beirat unterstützt<br />

den Organisator der jeweils nächsten Konferenz<br />

dispositiv <strong>und</strong> operativ.<br />

Die Auswahl der Beiträge erfolgt auf Basis von Gutachten<br />

aus dem Kreis des Beirats, dem VFAALE <strong>und</strong> externer Gutachter.<br />

Das daraus resultierende Ranking <strong>und</strong> der Entwurf<br />

für das Konferenzprogramm wird im Beirat diskutiert <strong>und</strong><br />

dann durch den Organisator der AALE umgesetzt. In diesem<br />

Jahr haben wir die als Poster eingereichten Beiträge<br />

<strong>und</strong> die nicht als Vortrag akzeptierten Vorschläge in die<br />

Postersession übernommen. Mehr Vorträge <strong>und</strong> Poster<br />

wären durchaus wünschenswert, allerdings würde der<br />

bisher zur Verfügung stehende zeitliche Rahmen dafür<br />

nicht ausreichen. Dafür müsste dann das Konzept der Konferenz<br />

überdacht werden.<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong>: Der AALE Student Award wird in der Kategorie<br />

Bachelor <strong>und</strong> Master vergeben. Jeweils drei Kandidaten<br />

sind nominiert. Wie werden die Nominierten <strong>und</strong> wie letztendlich<br />

die Sieger ermittelt?<br />

BERND BÜCHAU: Für den Student Award in beiden Kategorien<br />

durchlaufen die eingereichten Abschlussarbeiten, wie<br />

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

4 / 2013<br />

13

VERBAND<br />

für die Auswahl von Beiträgen zur Konferenz, ebenfalls<br />

ein Begutachtungsverfahren mit Gutachtern aus dem<br />

Beirat <strong>und</strong> dem VFAALE sowie mit externen Gutachtern.<br />

Die daraus resultierenden drei besten Arbeiten werden<br />

für den Student Award nominiert <strong>und</strong> zur AALE-Konferenz<br />

eingeladen. Am Tag vor Beginn der Konferenz trifft<br />

der Beirat auf der Basis der vorliegenden Gutachten die<br />

Entscheidung, wer den Preis erhält. Die nominierten<br />

Kandidat(inn)en stellen auf der Konferenz in einer Kurzpräsentation<br />

ihre Arbeit vor <strong>und</strong> im Anschluss wird die<br />

Preisträgerin beziehungsweise der Preisträger von<br />

einem Mitglied des Beirats bekannt gegeben.<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong>: Themen wie „Industrie 4.0“, „IT-Sicherheit“<br />

oder „Energieeffizienz“ stehen jetzt im wissenschaftlichen<br />

Fokus der Automation. Wie gewährleistet die<br />

AALE, speziell in der Lehre an den einzelnen Instituten,<br />

dass diese Themen angemessen repräsentiert <strong>und</strong> erforscht<br />

werden?<br />

BERND BÜCHAU: Gewährleisten kann die AALE natürlich<br />

nicht, dass diese Themen entsprechend forciert<br />

werden, aber die Zahl eingereichter Beiträge mit Fokus<br />

auf die genannten Gebiete zeigt sehr deutlich, dass sich<br />

die Hochschulen intensiv mit diesen Themen auseinandersetzen.<br />

Ein wesentliches Element stellt dabei wieder<br />

der intensive Informationsaustausch auf der Konferenz<br />

dar, der diesbezüglich neue Themen anregt <strong>und</strong><br />

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

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong>: Repräsentieren die AALE <strong>und</strong> der VFAALE<br />

den Großteil der deutschen Automatisierungstechnik<br />

an Hochschulen oder wünschen Sie sich hier noch mehr<br />

Beteiligung?<br />

BERND BÜCHAU: Aus der Teilnahme von zirka 40 Hochschulen<br />

beziehungsweise In- <strong>und</strong> An-Instituten der<br />

Hochschulen kann man durchaus schlussfolgern, dass<br />

die AALE <strong>und</strong> der VFAALE einen Großteil der Automatisierungstechnik<br />

an Hochschulen repräsentieren.<br />

Trotzdem wünschen wir uns einen noch größeren Teilnehmerkreis.<br />

Wir werden sicher zukünftig mehr Kolleginnen<br />

<strong>und</strong> Kollegen aus Universitäten zur AALE<br />

einladen – Es muss ja auch noch Wünsche für die Zukunft<br />

der AALE <strong>und</strong> des VFAALE geben.<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong>: Inwieweit ist die AALE auf automatisierungsrelevanten<br />

Fachveranstaltungen wie etwa dem<br />

Automationskongress oder der Namur-Hauptsitzung<br />

vertreten?<br />

BERND BÜCHAU: Mit verschiedenen Kolleginnen <strong>und</strong><br />

Kollegen sind wir dort vertreten, aber sicher noch nicht<br />

in dem Maße wie wir es uns wünschen. Dies wird aber<br />

auch Thema unserer Klausurtagung im Herbst dieses<br />

Jahres sein, wo wir unsere strategische Ausrichtung<br />

überdenken wollen.<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong>: Wo <strong>und</strong> wann findet die nächste AALE-<br />

Fachkonferenz statt?<br />

BERND BÜCHAU: Die 11. AALE-Konferenz wird am 8. <strong>und</strong><br />

9. Mai 2014 an der Hochschule Regensburg stattfinden.<br />

Organisator ist dann Prof. Dr.-Ing. Ralph Schneider von<br />

der Fakultät Maschinenbau.<br />

Die Fragen stellte Anne Hütter.<br />

AALE-PREISTRÄGER 2013:<br />

Andreas Bathelt, Stephan<br />

Albinger, Manuel vor dem<br />

Brocke <strong>und</strong> Jens Simon.<br />

Das rechte Bild zeigt<br />

Marten Pape, der aus<br />

Kanada zugeschaltet wurde.<br />

Bachelor-Gewinner aus<br />

Kanada zugeschaltet<br />

Per Videokonferenz aus Kanada wurde Marten<br />

Pape in den Plenarsaal der AALE-Konferenz geschaltet.<br />

Der Absolvent der Hochschule Karlsruhe<br />

konnte den AALE Student Award 2013 für seine Bachelorarbeit<br />

„Auslegung einer störfesten analogen<br />

Signalschnittstelle für magnetische Motorgeber“, die<br />

in Zusammenarbeit mit SEW Eurodrive entstand,<br />

nicht persönlich entgegennehmen. Mit einem sehr<br />

eindeutigen Begutachtungsergebnis setzte sich Pape<br />

gegen Stephan Albinger (Universität Bremen) <strong>und</strong><br />

Andreas Bach (FH Westküste) durch. Albinger verfasste<br />

seine Bachelorarbeit zum Thema „Visualisierung<br />

in der Automatisierungstechnik mit Tablet-<br />

Computern“. Bach veröffentlichte zu „Entwurf <strong>und</strong><br />

Simulation ausgleichender Füllstandsregelungen“.<br />

Albinger stellte seine Arbeit in einem fünfminütigen<br />

Vortrag dem AALE-Plenum am Donnerstagabend vor.<br />

Preisträger Pape hatte eigens eine Videopräsentation<br />

vorbereitet. Der Kandidat Bach ließ sich durch seinen<br />

Betreuer Prof. Dr.-Ing. Rainer Dittmar vertreten.<br />

Bei den Master- <strong>und</strong> Diplomarbeiten sicherte sich<br />

Andreas Bathelt mit seiner Masterarbeit „Untersuchung<br />

<strong>und</strong> Fortentwicklung eines modellprädiktiven<br />

Reglers“ den vordersten Rang. Bathelt, der an der<br />

Hochschule Mannheim veröffentlichte, verfasste seine<br />

Arbeit auf insgesamt 200 Seiten – eine echte Herausforderung<br />

für die Gutacher. Die weiteren Nominierten<br />

waren Jens Simon von der Technischen Hochschule<br />

Mittelhessen <strong>und</strong> Manuel vor dem Brocke<br />

(Hochschule Pforzheim). Mit dem Thema „Theoretische<br />

<strong>und</strong> simulative Analyse der Stabilität von dreiphasigen<br />

Wechselrichtern mit aktiven Inselnetzerkennungsverfahren<br />

am Netz“ ging Simon ins Rennen.<br />

Vor dem Brocke bewarb sich mit dem Thema „Regelung<br />

von Hochfrequenz-Prozessstromversorgung im<br />

FPGA“. Auch die Master-Kandidaten präsentierten<br />

ihre Arbeiten jeweils fünf Minuten lang dem Plenum.<br />

14<br />

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

4 / 2013

6. Fachkongress<br />

smart energy 2.0<br />

Intelligente Lösungen<br />

für die Energiewende<br />

29. – 30.04.2013, Essen • ATLANTIC Congress Hotel Essen • www.gwf-smart-energy.de<br />

Programm-Höhepunkte<br />

Wann <strong>und</strong> Wo?<br />

Montag, 29.04.2013<br />

Dienstag, 30.04.2013<br />

Themenblock 1 Politischer Rahmen <strong>und</strong> Standardisierungsprozesse<br />

Moderation Dr.-Ing. Ulrich Wernekinck<br />

• Status Quo der Energiewende<br />

• Energiewende aus Sicht der Energiewirtschaft<br />

• Entwicklung der Netze<br />

• Smart Energy (Mess- <strong>und</strong> Gerätetechnik) in der EU: GB, I, F<br />

Themenblock 2 Zukünftige Anforderungen an die Netze<br />

• Konvergenz Gas-Strom – Status Quo aus Sicht der Stromindustrie<br />

• Konvergenz Gas-Strom – Status Quo aus Sicht der Gasindustrie<br />

• Konvergenz Gas-Strom – Auswirkungen auf die Gasbeschaffenheit<br />

Themenblock 3 Konsequenzen für die Komponenten- <strong>und</strong> Geräteindustrie<br />

• Auswirkungen von Gasbeschaffenheitsschwankungen auf Industrieprozesse<br />

• Harmonisierung des Wobbe Index in Europa: Chancen <strong>und</strong> Risiken<br />

• Biogaseinspeisesysteme – Schwerpunkt Gasbeschaffenheitsmessung<br />

• Trends in der Gasbeschaffenheitsmessung<br />

Workshop 1<br />

Smart Energy in der Praxis<br />

Moderation Dr. Norbert Burger<br />

• Technische Richtlinien für das Smart Meter Gateway<br />

• Kommunikationsanwendungen im Umfeld von Multi-Utility-Prozessen<br />

• Gasmessung: Neue Technologien <strong>und</strong> Kommunikation im häuslichen<br />

<strong>und</strong> gewerblichen Bereich<br />

• Dezentrale vernetzte Energiesysteme am Beispiel Mülheim<br />

• Effizienzverbesserung durch Lastmanagement in der häuslichen<br />

Energieversorgung<br />

Workshop 2<br />

Energiespeicherung – Power to Gas<br />

Moderation Dr. Hartmut Krause<br />

• Wirtschaftlicher Betrieb von PtG-Anlagen<br />

• Elektrolyse-Systeme für PtG-Anlagen<br />

• Methanisierung<br />

• Metrologie der H 2<br />

-Einspeisung am Beispiel des E.ON Power to Gas<br />

Projektes Falkenhagen<br />

• Audi-Projekt Werlte: Konzept <strong>und</strong> Status<br />

MIT ReFeRenTen vOn: BDEW, BnetzA, RWE, E.ON Ruhrgas, DBI, GWI, EBI, RMG,<br />

ELSTER, Itron, u.a.<br />

Kurzfristige Programmänderungen behalten wir uns vor.<br />

Thema:<br />

6. Fachkongress – smart energy 2.0<br />

Intelligente Lösungen für die Energiewende<br />

Termin:<br />

• Montag, 29.04.2013,<br />

09:30 – 17:30 Uhr Tagung<br />

19:00 – 22:00 Uhr<br />

Gemeinsame Abendveranstaltung<br />

• Dienstag, 30.04.2013,<br />

09:00 – 13:00 Uhr Tagung<br />

Ort:<br />

ATLANTIC Congress Hotel Essen<br />

Norbertstraße 2a, 45131 Essen<br />

www.atlantic-congress-hotel-messe-essen.de<br />

Zielgruppe:<br />

Mitarbeiter von Stadtwerken,<br />

Energieversorgungs unternehmen,<br />

Verteilnetz betreibern, Softwareunternehmen<br />

<strong>und</strong> der Geräteindustrie<br />

Teilnahmegebühr:<br />

gwf-Abonnenten /<br />

figawa-Mitglieder: 800,00 €<br />

Firmenempfehlung: 800,00 €<br />

Nichtabonnenten/-mitglieder: 900,00 €<br />

Im Preis enthalten sind die Tagungsunterlagen<br />

sowie das Catering (4x Kaffee, 2x Mittagessen,<br />

Abendveranstaltung).<br />

Veranstalter<br />

+ Ausstellung<br />

im ATLANTIC Congress Hotel Essen<br />

Mehr Information <strong>und</strong> Online-Anmeldung unter<br />

www.gwf-smart-energy.de<br />

Fax-Anmeldung: 089 - 203 53 66-99 oder Online-Anmeldung: www.gwf-smart-energy.de<br />

Ich bin gwf-Abonnent<br />

Ich bin figawa-Mitglied<br />

Ich zahle den regulären Preis<br />

Ich komme auf Empfehlung von Firma: ..........................................................................................................................................................................<br />

Workshops (bitte nur einen Workshop wählen):<br />

Workshop 1 <strong>und</strong> Impulsreferate Smart Energy in der Praxis oder<br />

Workshop 2 <strong>und</strong> Impulsreferate Energiespeicherung – Power to Gas<br />

Vorname, Name<br />

Telefon<br />

Fax<br />

Firma/Institution<br />

E-Mail<br />

Straße/Postfach<br />

Land, PLZ, Ort<br />

Nummer<br />

✘<br />

Ort, Datum, Unterschrift

Forschung<br />

TU Ilmenau <strong>und</strong> Hochschule Heilbronn<br />

kooperieren bei Promotion, Forschung <strong>und</strong> Transfer<br />

Besiegeln DIE<br />

Kooperation:<br />

Rektor Prof. Dr.-Ing.<br />

Jürgen Schröder<br />

(Hochschule Heilbronn,<br />

li.) <strong>und</strong> Rektor<br />

Prof. Dr. Dr. Peter<br />

Scharff (TU Ilmenau).<br />

Bild: Hochschule Heilbronn<br />

nete Vereinbarung sieht die enge Zusammenarbeit von<br />

Hochschule <strong>und</strong> Universität in den Bereichen Promotion<br />

sowie Forschung <strong>und</strong> Transfer vor. In regionalen <strong>und</strong><br />

überregionalen Forschungsvorhaben sowie in der Nutzung<br />

gemeinsamer wissenschaftlich-technischer Einrichtungen<br />

wollen beide Lehranstalten einander intensiv<br />

unterstützen. „Ziel unserer Partnerschaft ist es, einerseits<br />

die bewährten Profile der TU Ilmenau <strong>und</strong> der Hochschule<br />

Heilbronn für Angewandte Wissenschaften zu stärken,<br />

<strong>und</strong> andererseits Heilbronner Absolventen eine Perspektive<br />

für die weitere Qualifizierung nach Erreichen eines<br />

Masterabschlusses zu bieten“, so Rektor Schröder. Prof.<br />

Scharff ergänzte: „Mit dieser Kooperation leisten beide<br />

Hochschulen einen Beitrag zur zukunftsweisenden Gestaltung<br />

des deutschen Hochschulraumes. (ahü)<br />

Hochschule Heilbronn,<br />

Max-Planck-Straße 39, D-74081 Heilbronn,<br />

Tel. +49 (0) 7131 50 40, Internet: www.hs-heilbronn.de<br />

Fraunhofer stellt „Morgenfabrik“ in Hannover vor<br />

Das Leitthema der Hannover Messe 2013 ist „Integrated<br />

Industry“. Es beschreibt die die Kommunikation von<br />

Maschinen, Anlagen, Werkstücken <strong>und</strong> <strong>und</strong> Bauteilen in<br />

Echtzeit. „Durch die Vernetzung wird es in Produktion<br />

<strong>und</strong> Logistik einen Schub für Effizienz, Sicherheit <strong>und</strong><br />

Ressourcenschonung geben“, sagt Dr. Jochen Köckler, Vorstand<br />

der Deutschen Messe AG, <strong>und</strong> ergänzt: „Experten<br />

sprechen angesichts dieser technischen Entwicklung<br />

nach Dampfmaschine, Massenproduktion <strong>und</strong> Automatisierung<br />

von der vierten industriellen Revolution.“<br />

Die Messe, deren Partnerland Russland ist, findet vom<br />

8. bis 12. April auf dem Messegelände in Hannover statt.<br />

Verschiedene Fraunhofer-Institute versammeln ihre Forschungsprojekte<br />

zur Zukunft der Produktionsarbeit am<br />

Hauptstand der Fraunhofer-Gesellschaft unter dem Titel<br />

„Morgenfabrik“ (Halle 2, Stand D18).<br />

(ahü)<br />

Hannover messe, Deutsche Messe AG,<br />

Messegelände, D-30521 Hannover, Tel. +49 (0) 511 890,<br />

Internet: www.hannover-messe.de<br />

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

Die Hochschule Heilbronn <strong>und</strong> die TU Ilmenau haben<br />

einen Kooperationsvertrag geschlossen. Die von den<br />

Rektoren Prof. Dr.-Ing. Jürgen Schröder (Heilbronn) <strong>und</strong><br />

Rektor Prof. Dr. Dr. Peter Scharff (Ilmenau) unterzeichdie<br />

Ausgabe 55(10) der <strong>atp</strong> <strong>edition</strong> im<br />

Oktober 2013 widmet sich Methoden, Beschreibungsmitteln<br />

<strong>und</strong> Werkzeugen zur<br />

Integration von Geräten der Automatisierungstechnik.<br />

Innovative Methoden vereinfachen<br />

beispielsweise die Auswahl, die<br />

Konfiguration <strong>und</strong> das Management von<br />

heterogenen Gerätezoos. Aktuelle Entwicklungen<br />

bei den Beschreibungsmitteln<br />

adressieren herstellerunabhängige Merkmale<br />

für die Bestellung, kommunikationstechnologieübergreifende<br />

Profile im Engineering<br />

oder Semantik für automatisierte<br />

Suche <strong>und</strong> Selbstkonfiguration. Auf dieser<br />

Basis sind nicht zuletzt interessante Werkzeugentwicklungen<br />

<strong>und</strong> umfangreiche<br />

Standardisierungsanstrengungen zu beobachten.<br />

Gesucht sind Beiträge mit Anwendungsbezügen<br />

in Fertigungs-, Prozess<strong>und</strong><br />

Gebäudeindustrie.<br />

Wir bitten Sie bis zum 31. Mai 2013 zu diesem<br />

Themenschwerpunkt einen gemäß<br />

der Autorenrichtlinien der <strong>atp</strong> <strong>edition</strong> ausgearbeiteten<br />

Hauptbeitrag per E-Mail an<br />

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

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

für Fach- <strong>und</strong> Führungskräfte der<br />

Automatisierungsbranche. In den Hauptbeiträgen<br />

werden die Themen mit hohem wissenschaftlichem<br />

<strong>und</strong> technischem Anspruch<br />

<strong>und</strong> vergleichsweise abstrakt dargestellt. Im<br />

Journalteil werden praxisnahe Erfahrungen<br />

von Anwendern mit neuen Technologien,<br />

Prozessen oder Produkten beschrieben. Alle<br />

Beiträge werden von einem Fachgremium<br />

begutachtet. Sollten Sie sich selbst aktiv an<br />

dem Begutachtungsprozess beteiligen wollen,<br />

bitten wir um kurze Rückmeldung. Für<br />

weitere Rückfragen stehen wir Ihnen selbstverständlich<br />

gerne zur Verfügung.<br />

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

Leon Urbas, Anne Hütter<br />

Call for<br />

Aufruf zur Beitragseinreichung<br />

Thema: Geräteintegration<br />

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

Termin: 31. Mai 2013<br />

16<br />

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

4 / 2013

FH Köln präsentiert Bildverarbeitungssystem für<br />

die <strong>Cloud</strong> auf der Computermesse Cebit<br />

Das Institut für Nachrichtentechnik an der Fachhochschule<br />

Köln hat bei der Cebit den Vision-Sensor,<br />

ein Bildverarbeitungssystem für <strong>Cloud</strong> <strong>Computing</strong>,<br />

vorgestellt. Vision-Systeme werden in der Automatisierungstechnik<br />

eingesetzt <strong>und</strong> sind meist groß <strong>und</strong> teuer.<br />

Für den Einsatz in verbrauchernahen Bereichen muss<br />

die Problemlösung preiswert <strong>und</strong> energiesparend sein.<br />

Dies ist mit einem einzigen System nicht realisierbar.<br />

Der Vision-Sensor der Fachhochschule Köln ist als modulares<br />

System konzipiert, das nach Angaben der<br />

Hochschule durch Kombination <strong>und</strong> Konfiguration der<br />

Module für die jeweilige Problemstellung skaliert werden<br />

kann. Als technische Basis kommen hierbei FPGAs<br />

(Field Programmable Gate Arrays) <strong>und</strong> aktuelle Prozessortechnologie<br />

sowie Komponenten aus der Massenproduktion<br />

von Smartphones zum Einsatz. Eine Videoanimation<br />

zeigte auf der Computer-Messe Cebit, wie<br />

mit dem Vision-Sensor über die Sensor-<strong>Cloud</strong> Räume<br />

sicher überwacht werden können, ohne Persönlichkeitsrechte<br />

zu verletzen. An dem Demonstrator können<br />

Interessierte über ein iPad den Vision-Sensor „aus der<br />

Ferne“ parametrieren <strong>und</strong> somit bestimmen, was überwacht<br />

werden soll <strong>und</strong> wie empfindlich der Sensor<br />

reagiert.<br />

Der Vision-Sensor ist ein Teilprojekt des vom B<strong>und</strong>esministerium<br />

für Wirtschaft <strong>und</strong> Technologie (BMWi)<br />

im Rahmen des Technologieprogramms „Trusted<br />

<strong>Cloud</strong>“ geförderten Forschungsprojekts Sensor <strong>Cloud</strong>,<br />

das die Telekommunikationsfirma QSC AG (Konsortialführer),<br />

die Fachhochschule Köln, die RWTH Aachen<br />

<strong>und</strong> das Software-Unternehmen Symmedia gemeinsam<br />

ausführen.<br />

Zwei weitere Teilprojekte der Fachhochschule Köln<br />

im Rahmen des Forschungsprojekts sind die Entwicklung<br />

eines föderierten Datenbanksystems für die Sensor<br />

<strong>Cloud</strong>, das den Zugriff auf mehrere eigenständige Informationsquellen<br />

ermöglicht <strong>und</strong> der Aufbau eines Test-<br />

<strong>Cloud</strong> <strong>Computing</strong> war neben Share Economy das<br />

große Thema auf der diesjährigen Computermesse Cebit<br />

in Hannover. (Foto: Gerd Altmann/pixelio.de)<br />

betts für Sensor-<strong>Cloud</strong>-Anwendungen, in der Sensoren<br />

verschiedener Hersteller <strong>und</strong> verschiedene Standards<br />

eingeb<strong>und</strong>en werden. Das Sensor-<strong>Cloud</strong>-Forscherteam<br />

der Fachhochschule Köln bilden die drei Professoren<br />

Prof. Dr. Gregor Büchel (Föderiertes Datenbanksystem),<br />

Prof. Dr. Georg Hartung (Aufbau des Testbetts) <strong>und</strong> Prof.<br />

Dr. Lothar Thieling (Vision Sensor) sowie neun wissenschaftliche<br />

Mitarbeiter. Zahlreiche Studierende sind<br />

über Bachelor- <strong>und</strong> Masterarbeiten wie etwa zur Synchronisierung<br />

der Daten zwischen Gateway <strong>und</strong> <strong>Cloud</strong><br />

eingeb<strong>und</strong>en. <br />

(ahü)<br />

fAchhochschule Köln,<br />

Fakultät IME, Betzdorfer Straße 2,<br />

D-50679 Köln,<br />

Tel. + 49 (0) 221 827 50,<br />

Internet: www.fh-koeln.de<br />

WELLENREITER<br />

Halle 9<br />

Stand F28<br />

www.pepperl-fuchs.de/wirelesshart<br />

Drahtlos übertragen – auf 2,4 GHz-Wellen.<br />

Drahtlose Kommunikation wird in der Prozessautomatisierung gegenwärtig kaum genutzt. Mit WirelessHART<br />

wird sich das ändern. WirelessHART spart nicht nur Kabel sondern eröffnet Ihnen völlig neue Wege, wo<br />

Kabelverbindungen unvorstellbar sind. Die neue Technologie baut auf den bewährten Standard des HART-<br />

Protokolls <strong>und</strong> kann mit geringem Schulungsaufwand ein geführt werden. Zudem bilden die Komponenten<br />

von Pepperl+Fuchs ein stabiles Mesh Network, in dessen hoch verfügbare Kommunikation sogar bereits<br />

installierte Feldgeräte eingeb<strong>und</strong>en werden können.<br />

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

4 / 2013<br />

17

FORSCHUNG<br />

47. Regelungstechnisches Kolloquium in Boppard<br />

vergab vier Preise an Automatisierungsnachwuchs<br />

Traditionelles Austauschforum für Mess-, Regelungs- <strong>und</strong> Automatisierungstechnik mit 197 Teilnehmern<br />

Der „Wert von Boppard“ ist die angeregte Diskussion<br />

über aktuelle Forschungen der Mess-, Regelungs- <strong>und</strong><br />

Automatisierungstechnik – mit diesem Hinweis eröffnete<br />

Prof. Dr.-Ing. Andreas Kroll (Universität Kassel) am<br />

21. Februar 2013 die Vortragsreihe des diesjährigen, 47.<br />

Regelungstechnischen Kolloquiums. Kroll, der in diesem<br />

Jahr die wissenschaftliche Leitung der Konferenz übernahm,<br />

konnte insgesaamt vier jungen Wissenschaftlern<br />

gratulieren, die auf dem Forum für ihre Forschungsarbeiten<br />

ausgezeichnet wurden.<br />

FAMILIÄRE ATMOSPHÄRE DES KOLLOQUIUMS BEWAREN<br />

Ein wenig mehr Besucher als in den Vorjahren hatten vom<br />

20. bis 22. Februar 2013 den Weg an den Rhein gef<strong>und</strong>en.<br />

„Dieses Jahr waren 197 Teilnehmer dabei. Sonst liegt die<br />

Zahl zwischen 180 <strong>und</strong> 190 Besuchern. Die Höchstgrenze<br />

ist bei 200 erreicht. Der Boppard-Kreis würde schnell über<br />

das wünschenswerte Maß hinaus wachsen, wenn wir<br />

noch mehr Personen einladen würden“, so Dr.-Ing. Michael<br />

Heizmann, Geschäftsfeldsprecher Automatisierung am<br />

Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik <strong>und</strong><br />

Bildauswertung (IOSB) <strong>und</strong> organisatorischer Leiter des<br />

47. Regelungstechnischen Kolloquiums.<br />

Das Forum besucht, wer eine Einladung erhalten hat.<br />

Für die Teilnahme werden einschlägige Lehrstuhlinhaber<br />

(mit einem begleitenden Mitarbeiter) <strong>und</strong> Industrievertreter<br />

aus dem Bereich Mess-, Regelungs- <strong>und</strong> Automatisierungstechnik<br />

zugelassen. „Auf diese Weise möchten wir<br />

gezielt die familiäre Atmosphäre des Kolloquiums bewahren“,<br />

so Heizmann.<br />

Die insgesamt 95 regelungstechnischen Forschungsinstitute<br />

im deutschsprachigen Raum sind in 30 Gruppen eingeteilt.<br />

Jede Gruppe stimmt sich ab, wer von ihren Mitgliedern<br />

einen Beitrag einreicht. Die jährlich wechselnden wissenschaftlichen<br />

Leiter sammeln dann die Themenvorschläge<br />

<strong>und</strong> stellen das Programm zusammen. Die Zahl der Vorträge<br />

bleibt also immer konstand. In diesem Jahr gab es aber<br />

eine Ausnahme: Eine Session stellte Kurzvorträge vor.<br />

SESSIONS, UM DIE DISZIPLIN DYNAMISCH<br />

WEITERZUENTWICKELN<br />

„Bekanntlich hat das Bopparder Kolloquium den Charakter<br />

eines Forums, in dem junge Wissenschaftlerinnen <strong>und</strong><br />

Wissenschaftler Ergebnisse aktueller Forschungsarbeiten<br />

zur Diskussion stellen. Das Kolloquium steht unter keinem<br />

speziellen Thema. Vielmehr bietet es Gelegenheit, Beiträge<br />

aus dem gesamten Spektrum der aktuellen regelungs-,<br />

steuerungs- <strong>und</strong> automatisierungstechnischen Forschung<br />

zu präsentieren. Mit der Zielsetzung, unsere Fachdisziplin<br />

lebendig <strong>und</strong> dynamisch weiterzuentwickeln, sind auch<br />

Tagungsbeiträge willkommen, die neue Methoden <strong>und</strong><br />

Anwendungen am Rande unseres klassischen Themenbereiches<br />

behandeln“, sagt Heizmann.<br />

In diesem Jahr standen die Sessions am ersten Tag in<br />

der Stadthalle unter dem Titel „Regelungs- <strong>und</strong> Systemtheorie“<br />

(Leitung Prof. Dr.-Ing. Jürgen Adamy), „Medizintechnik“<br />

(Leitung Prof. Dr.-Ing. habil. Georg Bretthauer),<br />

„Ereignisdiskrete <strong>und</strong> totzeitbehaftete Systeme“<br />

(Leitung Prof. Dr.-Ing. Alexander Fay) <strong>und</strong> „Anwendungen:<br />

Antriebstechnik <strong>und</strong> Aktorik“ (Leitung Prof. Dr.<br />

techn. Klaus Janschek).<br />

Nach der Mittagspause im Rheinhotel Bellevue ging<br />

es dann mit den Kurzvorträgen unter der Leitung von<br />

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Prof. h.c. Dr. h.c. Torsten Bertram<br />

PROF. DR.-ING. ANDREAS KROLL<br />

war der diesjährige wissenschaftliche Leiter<br />

des 47. Regelungstechnischen Kolloquiums<br />

in Boppard.<br />

DR.-ING. MICHAEL HEIZMANN, Geschäftsfeldsprecher<br />

Automatisierung am Fraun hofer-<br />

Institut für Optronik, Systemtechnik <strong>und</strong> Bild -<br />

aus wertung (IOSB) <strong>und</strong> organisa torischer Leiter<br />

des Kolloquiums im Gespräch.<br />

18<br />

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

4 / 2013

<strong>und</strong> einer Anwendersession zum Thema „Robotik“ (Leitung<br />

Univ. Prof. Dr.-Ing./Univ. Tokio Martin Buss) weiter.<br />

Der Donnerstag endete mit dem Plenarvortrag „Synchronisation<br />

<strong>und</strong> komplexe Netzwerke – Sind derartige<br />

Theorien nützlich für die Erforschung des Systems<br />

Erde?“ des Klimafolgen-Forschers Prof. Dr. Dr. h.c. mult.<br />

Jürgen Kurths. Außerdem wurden die besten Veröffentlichungen<br />

in der at – Automatisierungstechnik des Oldenbourg<br />

Wissenschaftsverlags aus dem vergangenen<br />

Jahr ausgezeichnet.<br />

AT-AUTOREN AUSGEZEICHNET<br />

Gewöhnlich vergibt die at – Automatisierungstechnik in<br />

Boppard zwei Auszeichnungen für ihre Autoren, einen in<br />

der Kategorie „Methoden“ <strong>und</strong> den anderen in der Kategorie<br />

„Anwendungen”. Im Jahr 2012 verdienten jedoch<br />

zwei Beiträge den Preis in der Kategorie „Methoden“. Zum<br />

einen sicherten sich Christian Stöcker, Jan Lunze <strong>und</strong><br />

Chuong Ngo von der Universität Bochum (Lehrstuhl Automatisierungstechnik<br />

<strong>und</strong> Prozessinformatik) den Preis<br />

für ihren Beitrag „Zwei Methoden zur ereignisbasierten<br />

Regelung gekoppelter Systeme <strong>und</strong> ihre experimentelle<br />

Erprobung“ (at 12/12, S. 724-734). Gleichwertig in der Kategorie<br />

„Methoden“ wurde der Beitrag „Vorsteuerungs-<br />

Entwurf im Frequenzbereich: Offline oder Online“ von<br />

Michael Zeitz ausgezeichnet (at 7/12, S. 375-383). Zeitz<br />

hatte am Institut für Systemdynamik der Universität<br />

Stuttgart veröffentlicht.<br />

Die Kategorie „Anwendungen“ sicherten sich Alexander<br />

Michel, Wolfgang Kemmetmüller <strong>und</strong> Andreas Kugi für<br />

den Beitrag „Modellierung <strong>und</strong> Regelung eines aktiven<br />

Wellenkompensationssystems für Tiefseekräne“ (at 1/12,<br />

S.39-52). Sie veröffentlichten am Institut für Automatisierungs-<br />

<strong>und</strong> Regelungstechnik der TU Wien. Alle Gewinner<br />

freuten sich über ein Preisgeld in Höhe von 500 Euro.<br />

FREITAGS-SESSIONS: REGELUNG, KOMMUNIKATION<br />

UND AUTOMOTIV<br />

„Boppard“, wie es auch genannt wird, erfreut sich seit Jahren<br />

einer konstanten Beliebtheit bei jungen Wissenschaftlern<br />

<strong>und</strong> erfahrenen Professoren der Automatisierungstechnik.<br />

Auch die Zahl der Einreichungen ist konstant.<br />

So bot der Freitag Sessions unter dem Thema „Prädiktive<br />

Regelung <strong>und</strong> Planungsverfahren (Leitung Prof. Dr.-Ing.<br />

Dirk Abel) <strong>und</strong> auf der Anwenderseite den Fachbereich<br />

Automotiv. Nach einer Pause startete die Session „Koordination<br />

<strong>und</strong> Kommunikation (Leitung Prof. Dr.-Ing. Christian<br />

Diedrich) <strong>und</strong> die Anwenderreihe „Brennstoffzellen<br />

<strong>und</strong> Messtechnik“ (Leitung Prof. Dr.-Ing. Sören Hohmann).<br />

Wer in Boppard vorträgt, geht nicht mit leeren Händen<br />

davon. Netzwerken <strong>und</strong> Fachdiskussionen stehen im<br />

Mittelpunkt der zwei Tage am Rhein. Dem besten Vortrag<br />

winkt sogar ein Preis, der jährlich von der Industrie gestiftet<br />

wird.<br />

NICOLE GEHRING HIELT BESTEN VORTRAG<br />

Den Preis für den besten Vortrag konnte in diesem Jahr<br />

Nicole Gehring vom Lehrstuhl für Systemtheorie <strong>und</strong> Regelungstechnik<br />

an der Universität des Saarlandes entgegen<br />

nehmen. Die Wissenschaftlerin <strong>und</strong> ihr Betreuer Prof. Dr.-<br />

Ing. habil. Joachim Rudolph gehörten zu den frühen Vorträgen<br />

auf dem Kolloquium. In der Session „Regelungs- <strong>und</strong><br />

Systemtheorie“ unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Jürgen<br />

Adamy stellte Gehring ihren Beitrag „Algebraische Methoden<br />

zur Parameteridentifikation für lineare unendlichdimensionale<br />

Systeme“ am Donnerstag dem Plenum vor.<br />

Der Preisträger für den besten Vortragenden auf dem<br />

Kolloquium in Boppard wird per Abstimmung ermittelt.<br />

Jeder Institutsleiter hat drei Stimmen, die jedoch nicht<br />

kumuliert werden dürfen. Die Bewertung sollte sich<br />

nach Qualität, Originalität <strong>und</strong> Präsentation richten. So<br />

ergab sich dann, dass Nicole Gehring die meisten Stimmen<br />

für Ihren Beitrag vereinen konnte. Das Preisgeld<br />

stiftete in diesem Jahr die Firma ABB.<br />

Den symbolischen Scheck in Höhe von 1000 Euro überreichte<br />

Dr. Iiro Harjunkoski, Principal Scientist am Forschungszentrum<br />

der ABB AG in Deutschland.<br />

Das nächste, das 48. Regelungstechnische Kolloquium<br />

in Boppard, findet vom 19. bis 21. Februar 2014 statt.<br />

<br />

Anne Hütter<br />

DR. IIRO HARJUNKOSKI (li.) überreicht der Wissenschaftlerin<br />

Nicole Gehring einen Scheck. Ihr Beitrag wurde<br />

von den Institutsleitern zum Besten Vortrag gewählt.<br />

Andreas Kroll (re.) hatte dies kurz vorher verkündet.<br />

IN DEN PAUSEN <strong>und</strong> auch am Abend stand<br />

das Netzwerken im Fokus. Bilder: Anne Hütter<br />

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

4 / 2013<br />

19

BRANCHE<br />

Cebit hat’s gezeigt:<br />

IT-Branche ist seit Jahren der deutsche Jobmotor<br />

BUNDESKANZLERIN ANGELA MERKEL beim Cebit-R<strong>und</strong>gang mit<br />

Polens Ministerpräsident Donald Tusk (ganz rechts). Die IT-Branche<br />

nutzt die Messe, um ihren positiven Einfluss auf den deutschen<br />

Jobmarkt zu betonen. Bild: Cebit<br />

Seit Jahren ist die Informationstechnologie in Deutschland<br />

der Jobmotor, das ergab die Pressekonferenz des<br />

Verbands Deutscher Ingenieure (VDI) auf der Cebit. Nicht<br />

nur vom <strong>Cloud</strong> <strong>Computing</strong>, dessen Wachstum vom Branchenverband<br />

Bitkom aktuell auf 47 Prozent für 2013 geschätzt<br />

wird, gehen die Impulse aus. Trends, wie Intelligente<br />

Netze oder „Industrie 4.0“ tragen dazu bei, dass sich<br />

die Zahl sozialversicherungspflichtig beschäftigter Informatiker<br />

auf Rekordniveau befindet. Allein im Jahr 2011<br />

waren 191 000 Beschäftigte in dem Segment tätig. Das<br />

Thema „Industrie 4.0“, so ergab eine Bitkom-Umfrage,<br />

begeistert derzeit die Mehrzahl der IT-Unternehmen.<br />

81 Prozent der Befragten sehen in den kommenden Jahren<br />

in dieser Thematik ein wichtiges Geschäftsfeld. Bereits<br />

jedes dritte IT-Unternehmen misst „Industrie 4.0“ schon<br />

heute eine große Bedeutung bei. Jedes zehnte bietet bereits<br />

Lösungen an, weitere 13 Prozent entwickeln derzeit entsprechende<br />

Angebote.<br />

Dementsprechend verschärft gestaltet sich die Fachkräftesuche<br />

für die Branche. Experten werden händeringend<br />

gesucht. „Ein Ende dieses kontinuierlichen Anstiegs<br />

der Nachfrage ist bis auf weiteres nicht in Sicht", sagte Ina<br />

Kayser, Arbeitsmarktexpertin beim VDI.<br />

Die Zahlen belegen dies trotz kriselnder Wirtschaftslage:<br />

Auf jeden arbeitslosen Informatiker kamen 2012 laut<br />

Branchendienst Heise 3,7 offene IT-Stellen. Die IT-Unternehmen<br />

indes machen sich keine Hoffnungen auf Besserung.<br />

Nach einer VDI-Umfrage gehen 22 Prozent der befragten<br />

Unternehmen davon aus, dass Fachkräfte weiterhin<br />

schlecht verfügbar sind. Über 70 Prozent erwarten<br />

sogar, dass der Bedarf an ausgebildeten Mitarbeitern bis<br />

2014 weiter steigen werde.<br />

„Unternehmen gehen je nach Größe sehr unterschiedlich<br />

mit der schlechten Bewerberlage um“, sagte Dieter<br />

Westerkamp vom VDI. Große Unternehmen versuchten<br />

zu 53 Prozent, das Problem mit dem Auslagern von<br />

Dienstleistungen aufzufangen, zum Teil auch ins Ausland.<br />

Dagegen setzten kleine <strong>und</strong> mittlere Unternehmen<br />

vermehrt auf die Weiterbildung ihrer Mitarbeiter. (ahü)<br />

BITKOM<br />

BUNDESVERBAND INFORMATIONSWIRTSCHAFT,<br />

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

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

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

Berliner Energietage: Gebäudetechnik kommt<br />

Energieeffizienz ist nicht erst seit dem Ausstieg der B<strong>und</strong>esrepublik<br />

aus dem Atomprogramm ein beliebtes<br />

Schlagwort in der Automatisierungstechnik. Die aktuelle<br />

Debatte um energieeffiziente Klimapolitik, die Perspektiven<br />

effizienter Energieversorgung, nachhaltige Wohnungs-,<br />

Bauwirtschaft <strong>und</strong> Architektur sowie intelligente<br />

Energiebedarfssteuerung wollen die Energietage in Berlin<br />

vom 15. bis 17. Mai 2013 nutzen.<br />

Unter Beteiligung von Firmen, Organisationen <strong>und</strong> Politikvertretern<br />

werden zu der zweitägigen Veranstaltung über<br />

7000 Besucher im Ludwig-Erhard-Haus erwartet. Die B<strong>und</strong>esministerien<br />

für Wirtschaft <strong>und</strong> Technologie (BMWi) <strong>und</strong><br />

Umwelt, Naturschutz <strong>und</strong> Reaktorsicherheit (BMU) sowie<br />

Verkehr, Bau <strong>und</strong> Stadtentwicklung (BMVBS) beteiligen sich<br />

an Vorträgen zu Themen wie „Energiewende – Konzepte für<br />

klimaneutrale Städte <strong>und</strong> Gebäude“ oder „Thermische Speicher<br />

für die Energiewende“. Aus der Praxis berichtet die<br />

RWE Energiedienstleistung GmbH beispielsweise über „Virtuelle<br />

Kraftwerke – Dezentrale Energieversorgung mit Zukunft“.<br />

Das Thema Gebäudeautomation spielt auf den Berliner<br />

Energietagen ebenfalls eine große Rolle. Der B<strong>und</strong>esver-<br />

band der Deutschen Industrie (BDI) referiert am späten<br />

Donnerstagnachmittag zum Thema „Projekt Energiewende<br />

– Hoffnungsträger Gebäudeenergieeffizienz“.<br />

Auch der DIV Deutscher Industrieverlag widmet sich<br />

verstärkt dem Thema Gebäudetechnik <strong>und</strong> hat den<br />

Titel „GI“ neu aufgelegt. Die „GI“ steht seit der ersten<br />

Ausgabe 2013 für „Gebäudetechnik Innenraumklima“.<br />

Sie veröffentlicht unter Leitung von Prof. Dr.-Ing. Martin<br />

Kriegel (Fachgebietsleiter Institut für Energietechnik,<br />

Gebäude-Energie-Systeme, Technische Universität<br />

Berlin) teilweise reviewte wissenschaftliche Beiträge<br />

zum Thema Gebäudetechnik. Bei Fragen zum<br />

Heft wenden Sie sich bitte an GI-Redaktionsleiterin<br />

Dr. Maria Kuwilsky (Tel. +49 (0) 89 203 53 66 44, E-Mail:<br />

kuwilsky@di-verlag.de).<br />

(ahü)<br />

BERLINER IMPULSE<br />

C/O ENERGIE- UND UMWELT-MANAGEMENT-<br />

BERATUNG PÖSCHK,<br />

Oranienplatz 4, D-10999 Berlin, Tel. +49 (0) 30 20 14 30 80,<br />

Internet: www.berliner-energietage.de<br />

20<br />

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

4 / 2013

AutoID-Technologien auf dem<br />

ID World International Congress vorstellen<br />

Wohin geht es mit Biometrie, RFID, den Smart Cards<br />

<strong>und</strong> anderen Identifikationstechnologien? Diese<br />

aktuellen Fragen diskutiert der ID-World-International-Kongress<br />

vom 5. bis 7. November 2013 in Frankfurt<br />

am Main. Der Veranstalter Mesago hat nun dazu aufgerufen,<br />

Beiträge einzureichen.<br />

Bis zum 6. Mai 2013 haben Interessierte die Möglichkeit,<br />

zu den Anwendungsfeldern Asset Tracking,<br />

Transportation Security, Citizen ID, Secure Identification,<br />

Wireless Identification, Physical Access Control,<br />

Transactions, Ticketing, Mobile Applications, IT<br />

Security, Delivery Systems oder Logistics & Distribution<br />

Vorschläge einzureichen. Die Beiträge sollten<br />

etwa 15 Minuten lang sein. Sie sind unter www.idworldonline.com/callforpapers<br />

einzureichen. Die Einsatzbereiche<br />

für die Vorschläge können dabei vielfältig<br />

sein. Gebiete wie Luftfahrt <strong>und</strong> Verteidigung, Automotive<br />

<strong>und</strong> Güterverkehr, Chemische <strong>und</strong> Prozess-<br />

Industrie, Energie <strong>und</strong> Versorgung <strong>und</strong> Pharma,<br />

Medizin <strong>und</strong> Ges<strong>und</strong>heitswesen stellen nur eine<br />

Auswahl dar.<br />

Das World Summit mit Schwesterveranstaltungen<br />

in Abu Dhabi (11.-12. Februar 2013) <strong>und</strong> Rio de Janeiro<br />

(26.-27. September 2013) findet bereits zum zwölften<br />

Mal statt. Die Veranstaltungsreihe will einen Über-<br />

blick über AutoID-Technologien <strong>und</strong> Anwendungsfelder<br />

geben. Sie vereint dabei Top-Entscheider aus<br />

Industrie, Wissenschaft <strong>und</strong> Forschung. (ahü)<br />

MESAGO MESSE FRANKFURT GMBH,<br />

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

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

Internet: www.idworldonline.com/callforpapers<br />

AUF DEM 12 TH ANNUAL<br />

WORLD SUMMIT<br />

des ID-World-International-Kongress<br />

sind Forscher aufgerufen,<br />

ihre Ergebnisse<br />

aus vielfältigen<br />

Bereichen der AutoID-<br />

Anwendungen vorzustellen.<br />

Bild: Mesago<br />

Feldbusunabhängig<br />

in den Ex-Bereich!<br />

Das WAGO-I/O-SYSTEM 750 – Your intelligent<br />

link between field and control system<br />

Kompakt, flexibel & modular:<br />

• Kleinste, feldbusunabhängige Steuerung (SPS)<br />

• Programmierbar gemäß IEC 61131-3<br />

• Über 400 verschiedene I/O-Module<br />

• Standard-I/O- <strong>und</strong> Ex-i-Module kombinierbar<br />

• Einspeisungen verschiedener Potentiale in einem Knoten<br />

• Unterstützung der Fernwirkprotokolle IEC 60870 <strong>und</strong> IEC 61850<br />

Ausgelegt für den Ex-Bereich:<br />

• Zugelassen für den Einsatz in Zone 2/22<br />

• Ex-i-I/O-Module zum Anschluss eigensicherer Sensorik/Aktorik<br />

• Zertifiziert gemäß ATEX, IECEx, UL ANSI/ISA 12.12.01, UL508,<br />

Schiffbau, GOST-R, etc.<br />

CAGE CLAMP ® -Technologie:<br />

• Gasdichte Federklemmverbindung<br />

• Vibrationsfest <strong>und</strong> wartungsfrei<br />

• Hohe Anlagenverfügbarkeit <strong>und</strong> -zuverlässigkeit<br />

www.wago.com/ex

BRANCHE<br />

Modbus oder EtherNet/IP – wie tritt das Leitsystem<br />

am besten mit Wireless Hart in Verbindung?<br />

Welche Variante sich als günstiger erweist, hängt von den konkreten Anforderungen ab<br />

IM EINSATZ: Das Wireless-Hart-Gateway für die<br />

Anbindung per EtherNet/IP erlaubt eine sehr schnelle<br />

Verknüpfung mit dem Leitsystem.<br />

DAS WIRELESS-HART-NETZWERK wird vom<br />

Netzwerkmanager automatisch als Mesh-Netzwerk<br />

aufgebaut <strong>und</strong> selbst organisiert.<br />

DAS MODBUS-MAPPING im Wireless-Hart-<br />

Netzwerk kann über eine CSV-Tabelle<br />

eingelesen oder automatisch vom Gateway<br />

vergeben werden.<br />

Wireless-Hart-Netzwerke werden als abgeschlossenes<br />

System von einem Wireless-Hart-Gateway aufgebaut<br />

<strong>und</strong> betrieben. Daher muss zwischen dem Netzwerk, den<br />

darin befindlichen Feldgeräten <strong>und</strong> dem Leitsystem eine<br />

Verbindung hergestellt werden, um die Messdaten <strong>und</strong><br />

Diagnoseinformationen nutzbar zu machen. Dazu bieten<br />

alle Wireless-Hart-Gateways eine Modbus-Anbindung<br />

an. Nahezu alle Leitsysteme unterstützen Modbus, oft<br />

auch parallel zu anderen Bus-Protokollen. Dennoch wäre<br />

es oft eleganter, wenn das Wireless-Hart-Gateway gleich<br />

mit dem primären Bus-Protokoll des jeweiligen Leitsystems<br />

kommunizieren könnte – beispielsweise Profibus,<br />

Fo<strong>und</strong>ation Fieldbus oder EtherNet/IP. Mit dem Wireless-<br />

Hart-Gateway von Pepperl+Fuchs können Anwender nun<br />

zwischen Modbus <strong>und</strong> EtherNet/IP zur Leitsystem-Anbindung<br />

wählen. Aber wo sind in beiden Fällen die Unterschiede<br />

bei der Anbindung zum Leitsystem <strong>und</strong> was<br />

sind Vorteile <strong>und</strong> Nachteile?<br />

NETZWERK BAUT SICH AUTOMATISCH AUF<br />

Wireless Hart ist ein drahtloser Standard basierend auf<br />

dem bewährten Hart-Protokoll. Damit können Information<br />

von den Feldgeräten drahtlos an ein Gateway übermittelt<br />

werden. Ein Wireless-Hart-Gateway enthält den<br />

Accesspoint als Funkschnittstelle zum Netzwerk, einen<br />

Netzwerkmanager zur Organisation des Funknetzwerkes<br />

<strong>und</strong> eine Busschnittstelle zum Leitsystem. Das Wireless-Hart-Netzwerk<br />

wird vom Netzwerkmanager automatisch<br />

als Mesh-Netzwerk aufgebaut <strong>und</strong> selbst organisiert.<br />

Das bedeutet, dass jeder Teilnehmer des Netzwerkes<br />

nicht nur die eigenen Informationen an das<br />

Gateway weiterleiten kann, sondern auch die Informationen<br />

anderer Teilnehmer übermittelt. Jeder Teilnehmer<br />

ist damit auch ein Router. Dadurch kann das Netzwerk<br />

bei Ausfall einer Verbindung Informationen über<br />

andere Teilnehmer weiterleiten <strong>und</strong> ist somit selbstheilend.<br />

Das Beste daran ist, dass diese Selbstorganisation<br />

<strong>und</strong> Selbstheilung des Netzwerkes automatisch abläuft.<br />

Die Intelligenz dazu ist im Netzwerkmanager im Gateway<br />

angesiedelt. Alle Information werden über die Busschnittstelle<br />

des Wireless-Hart-Gateways an das Leitsystem<br />

weitergeleitet. Dazu gab es bisher Modbus als Übertragungsprotokoll<br />

zum Leitsystem. Mit EtherNet/IP<br />

bietet die Pepperl+Fuchs GmbH nun eine zweite Alternative<br />

zur Anbindung von Wireless-Hart-Netzwerken an<br />

verschiedene Leitsysteme.<br />

22<br />

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

4 / 2013

FLEXIBLES MAPPING BEI MODBUS<br />

Modbus ist ein seit 1979 existierendes generisches Kommunikationsprotokoll<br />

basierend auf dem Master/Slave-<br />

Prinzip. Das Modbus-Protokoll ermöglicht einem übergeordneten<br />

Master die Verbindung mit mehreren Slaves.<br />

Dabei muss jeder Slave eine eindeutige Adresse besitzen.<br />

In jedem Slave werden die Daten in Registern zur Verfügung<br />

gestellt, die individuell durch den Master abgefragt<br />

werden können. Die Register sind vom Nutzer je nach<br />

Bedarf belegbar, deswegen muss die Zuordnung der Register<br />

bei Master <strong>und</strong> Slave gleich sein. Danach kann<br />

jeder Teilnehmer Nachrichten versenden. Der Austausch<br />

wird aber in der Regel vom Master angestoßen <strong>und</strong> ein<br />

angesprochener Slave antwortet.<br />

Die Adressvergabe beziehungsweise das Modbus-Mapping<br />

innerhalb des Wireless-Hart-Netzwerks kann auf<br />

verschiedene Weise erfolgen. Das Modbus-Mapping im<br />

Wireless-Hart-Netzwerk kann über eine CSV-Tabelle eingelesen<br />

werden oder automatisch vom Gateway vergeben<br />

werden. Noch komfortabler ist ein flexibles Modbus-<br />

Mapping durch einen Generator im Gateway selbst. Dabei<br />

werden die Informationen blockweise adressiert.<br />

FLEXIBLE ADRESSIERUNG MIT EINEM MAUSKLICK<br />

Dem Anwender ist es dann möglich, beispielsweise alle<br />

Primär-Hart-Variablen der Wireless-Hart-Teilnehmer en<br />

Block mit einem einzigen Mausklick hintereinander zu<br />

adressieren. Er kann aber auch eine bestimmte Reihenfolge<br />

der Informationseinheiten pro Teilnehmer festlegen,<br />

beispielsweise Primär-Hart-Variable, Batterielebensdauer,<br />

Sek<strong>und</strong>är-Hart-Variable <strong>und</strong> so weiter. Diese Reihenfolge<br />

wird dann auch mit nur einem Mausklick für<br />

alle Teilnehmer adressiert.<br />

Das so generierte Modbus-Mapping ist wieder als CSV-<br />

Datei exportierbar, um etwa das geplante Modbus-Mapping<br />

vorab den Leitsystem-Programmierern zur Verfügung<br />

zu stellen. Beim Import von CSV-Dateien <strong>und</strong> auch<br />

bei der Erstellung des Modbus-Mapping über den Generator<br />

prüft das Gateway, ob Adressenkonflikte vorhanden<br />

sind. Diese werden dann farblich gekennzeichnet. Damit<br />

ist automatisch gewährleistet, dass jeder Teilnehmer eine<br />

eindeutige Adresse besitzt.<br />

Wenn das Modbus-Mapping im Wireless-Hart-Gateway<br />

abgeschlossen ist, werden diese Informationen im Leitsystem<br />

auch hinterlegt. Dann kann ein Informationsaustausch<br />

über Modbus zwischen Leitsystem <strong>und</strong> Wireless-Hart-<br />

Netzwerk nach dem Master/Slave-Prinzip stattfinden.<br />

ETHERNET/IP ERLAUBT EINFACHE ANBINDUNG<br />

Anders sieht die Welt bei EtherNet/IP aus. EtherNet/IP<br />

ist ein Echtzeit-Ethernet-Protokoll <strong>und</strong> seit 2000 ein offener<br />

Standard. Das Protokoll basiert auf den TCP- <strong>und</strong><br />

UDP-Standards <strong>und</strong> unterstützt die Durchgängigkeit<br />

zwischen Office-Netzwerken <strong>und</strong> der zu steuernden Anlage.<br />

Es basiert wie Modbus auf dem Master/Slave-Prinzip.<br />

Das Leitsystem (der Master) muss natürlich auch von<br />

der Existenz des Wireless-Hart-Netzwerkes wissen. Dazu<br />

benötigt das Leitsystem lediglich die IP-Adresse des<br />

Wireless-Hart-Gateways sowie die Anzahl der Netzwerkteilnehmer<br />

<strong>und</strong> schon ist das Wireless-Hart-Gateway<br />

angeb<strong>und</strong>en. Es sind nur noch einige Einstellung im<br />

Gateway von Pepperl+Fuchs <strong>und</strong> den Wireless-Hart-<br />

Netzwerk-Teilnehmer notwendig.<br />

Das Gateway von Pepperl+Fuchs ist voll integriert in<br />

die EtherNet/IP-Welt. Es agiert wie ein EtherNet/IP-Adapter<br />

<strong>und</strong> ermöglicht so den Zugang zu den Daten der<br />

Wirless-Hart-Netzwerk-Teilnehmer via EtherNet/IP. Das<br />

Gateway kann zehn zyklische Datentransferverbindungen<br />

mit je vier Teilnehmern pro Verbindung zum Ether-<br />

Net/IP-Master aufbauen. Jeder Teilnehmer benötigt dann<br />

nur noch eine Adresse. Die Adresse wird aus dem Standard<br />

Hart-Deskriptor <strong>und</strong> einer Buchstaben- (A–J) <strong>und</strong><br />

Ziffernkombination (0–3) gebildet. Wenn ein Gerät eine<br />

Adresse besitzt, übermittelt das Gateway automatisch<br />

die Daten an das Leitsystem. Die Daten sind so strukturiert,<br />

dass dem Master bekannt ist, welche Informationen<br />

wo zu erwarten sind, <strong>und</strong> die Adresse gibt Auskunft<br />

darüber von welchem Teilnehmer die Informationen gesendet<br />

wurden.<br />

DIAGNOSEFÄHIGKEITEN BLEIBEN UNVERÄNDERT<br />

Gleichgültig, ob Modbus oder EtherNet/IP zum Einsatz<br />

kommen – die Diagnosefunktionalitäten für das Wirless-<br />

Hart-Netzwerk bleiben unverändert. Das Gateway von<br />

Pepperl+Fuchs bietet ein Webinterface, das einen parallelen<br />

Zugriff auf das Wireless-Hart-Netzwerk zulässt.<br />

Dieses Webinterface stellt nützliche Funktionen wie einen<br />

Topology View zur Verfügung. Damit erkennt der<br />

Anwender auf einen Blick, welche Netzwerkteilnehmer<br />

eine Verbindung zueinander haben <strong>und</strong> in welcher Qualität<br />

diese besteht. Diese Informationen stehen auch im<br />

Webinterface im Listenformat zur Verfügung. Diese sehr<br />

einfache Netzwerkdiagnose reduziert Wartungskosten<br />

sowie -zeit <strong>und</strong> die Anlagenverfügbarkeit steigt. Gleichzeitig<br />

reduziert sich auch die Dauer der Inbetriebnahme.<br />

Die Entscheidung zwischen Modbus <strong>und</strong> EtherNet/IP<br />

muss letztlich der Anwender treffen – beide Wege führen<br />

zur drahtlosen Anbindung von Feldgeräten über<br />

Wireless Hart an das Leitsystem, nur auf unterschiedliche<br />

Art <strong>und</strong> Weise.<br />

AUTORIN<br />

Dipl. Wirtsch.-Ing. (FH) IRENE RUF<br />

ist Pro dukt Marketing Manager<br />

Remote Sys tems im Geschäftsbereich<br />

Prozessautomation.<br />

Pepperl+Fuchs GmbH,<br />

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

Tel. +49 (0) 621 776 10 16,<br />

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

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

4 / 2013<br />

23

PRAXIS<br />

Energiesparen erfordert Gesamtlösungen: Potenziale<br />

lokalisieren, Verbesserungen umsetzen <strong>und</strong> belegen<br />

Pharma-Unternehmen Vetter startet mit einem System zur Überwachung der Verbräuche<br />

Die Zeit drängt. Energie wird immer teurer. Wer die<br />

Kosten durch Rückerstattungen von Abgabensenken<br />

möchte, muss in den meisten Fällen umgehend ein Energiemanagement-System<br />

nach ISO 50001 einführen, mit<br />

dem sich Einsparerfolge nicht nur erzielen, sondern<br />

auch nachweisen lassen. Beispielhaft geht diese Aufgabe<br />

das Ravensburger Unternehmen Vetter an, ein Spezialist<br />

für die Fertigung von aseptisch vorgefüllten Injektionssystemen.<br />

Seit Dezember 2012 ist die EU-Energieeffizienzrichtlinie<br />

2012/27/EU in Kraft. Darin verpflichten sich alle<br />

Mitgliedsstaaten zu jährlichen Energieeinsparungen von<br />

1,5 Prozent bis 2020. Doch wie lassen sich diese Einsparungen<br />

erreichen <strong>und</strong> wie nachweisen? In Deutschland<br />

sollen Energiemanagement-Systeme in den Unternehmen<br />

die Basis hierfür bilden. Zur Förderung hat die B<strong>und</strong>esregierung<br />

unter anderem die Rückerstattung der EEG-<br />

Umlage <strong>und</strong> den Spitzenausgleich für große Unternehmen<br />

an die Einführung eines Energiemanagement-Systems<br />

gekoppelt. Und je nach Unternehmensgröße <strong>und</strong><br />

Energieverbrauch stehen hier schnell sechsstellige Beträge<br />

zur Disposition.<br />

KLEINE MASSNAHMEN – GROSSE EINSPARUNGEN<br />

Mit einem Energieanteil von durchschnittlich nur einem<br />

Prozent an der Bruttowertschöpfung gehört die Pharma-<br />

Branche zwar nicht zu den großen Verbrauchern in der<br />

Industrie. Das heißt aber nicht, dass nur ein geringes<br />

Potenzial zum Energiesparen vorhanden wäre. Die Pharma-Industrie<br />

nimmt in vielerlei Hinsicht eine besondere<br />

Stellung ein. Die Kälte- <strong>und</strong> Drucklufterzeugung sind<br />

hier die großen Primärverbraucher. Verwendet wird die<br />

Kälte vor allem für die Klimatisierung. So fließen am<br />

Ende knapp zwei Drittel der gesamten Energie in den<br />

Bereich Heizung, Lüftung <strong>und</strong> Klima. Hier geht es im<br />

Wesentlichen um die Versorgung der Forschungslabore<br />

<strong>und</strong> der Produktionsstätten. Reinräume müssen belüftet<br />

<strong>und</strong> Abzüge entlüftet werden. Höchste Anforderungen<br />

an Produkt- <strong>und</strong> Personenschutz verlangen das unbedingte<br />

Einhalten von vorgegebenen Umgebungsbedingungen.<br />

Viele Räumlichkeiten sind zwangsbelüftet mit<br />

hohen Luftwechselraten <strong>und</strong> laufen 24 St<strong>und</strong>en am Tag<br />

<strong>und</strong> 365 Tage im Jahr.<br />

BELASTBARE KENNZAHLEN SIND UNVERZICHTBAR<br />

Unter diesen Gegebenheiten können bereits mit kleinen<br />

Optimierungsmaßnahmen große Erfolge erreicht werden.<br />

Beispiele hierfür sind das Zurücksetzen der Temperaturen<br />

in produktionsfreien Zeiten oder der Einsatz<br />

von frequenzgeregelten Motoren bei Lüftern <strong>und</strong> Pumpen.<br />

Es gibt zahllose Ansätze, um Energie einzusparen.<br />

Die Herausforderung liegt darin, Maßnahmen richtig<br />

einzuschätzen <strong>und</strong> zu priorisieren. Doch wie können die<br />

vorhandenen Einsparpotenziale exakt identifiziert werden<br />

<strong>und</strong> wie kann der finanzielle <strong>und</strong> der nachhaltige<br />

Erfolg der Aktivitäten nachgewiesen werden?<br />

Ein erfolgreiches Energiemanagement basiert auf zuverlässigen<br />

<strong>und</strong> belastbaren Zahlen. Am aussagekräftigsten<br />

sind Kennzahlen, bei denen die eigentlichen<br />

Verbräuche um beeinflussende Umweltfaktoren bereinigt<br />

sind. Dies geschieht zum Beispiel durch die Ermittlung<br />

spezifischer Verbräuche unter Einbeziehung der<br />

produzierten Menge. Den großen Einfluss des Wetters,<br />

gerade im Bereich von Heizung, Lüftung <strong>und</strong> Klima,<br />

berücksichtigt man durch die Verwendung von Gradtagszahlen.<br />

Entscheidend sind daher sowohl die Erfassung<br />

mit optimaler Messtechnik als auch die zielgerichtete<br />

Weiterverarbeitung der Daten.<br />

Bei der Erfassung ist zu beachten, dass die meisten<br />

Maßnahmen Einsparungen im Bereich von wenigen<br />

Prozentpunkten zum Ziel haben. Entsprechend exakt<br />

müssen die verwendeten Messeinrichtungen arbeiten.<br />

Wenn etwa bei einer geeichten mechanischen Wasseruhr<br />

eine Verkehrsfehlergrenze von bis zu plus/minus<br />

zehn Prozent toleriert wird, lassen sich damit Einsparungen<br />

von drei Prozent nicht nachweisen. Hier bietet<br />

sich zum Beispiel der Einsatz von magnetisch-induktiver<br />

Messtechnik an, die eine Genauigkeit von deutlich<br />

unter einem Prozent bietet. Bei der Weiterverarbeitung<br />

der erfassten Messwerte lautet die Herausforderung, aus<br />

verschiedensten Quellen wie Produktionsleitsystem,<br />

ERP-Systemen <strong>und</strong> Gebäudeleittechnik die Messdaten<br />

in einer Datenbank zu sammeln.<br />

DATEN MASSGESCHNEIDERT AUFBEREITEN<br />

Allerdings muss beachtet werden: Ein Energiemonitoring-<br />

System allein spart weder Energie noch Kosten. Erst die<br />

Anwender können aus den Daten Energieeinsparungen<br />

ableiten. Dazu müssen die Daten entsprechend den unterschiedlichen<br />

Aufgaben <strong>und</strong> Anforderungen spezifisch<br />

aufbereitet werden: Der Anlagenfahrer beispielsweise<br />

erhält eine Übersicht der momentanen Verbräuche <strong>und</strong><br />

Kennzahlen. Der Energiemanager verfügt über eine Vielzahl<br />

an Vorlagen, mit denen er spezifische Leistungsanalysen<br />

wie eine Regressionsanalyse oder eine Gr<strong>und</strong>lastanalyse<br />

durchführen kann. Der Controller kann Kosten<br />

anhand von Verträgen analysieren oder Budgets planen.<br />

Der Geschäftsführer kann automatisch Wochenberichte<br />

mit den wichtigsten Unternehmenskennzahlen erhalten.<br />

Anwender, die mit passenden Informationen versorgt werden,<br />

beschäftigen sich intensiv mit dem System <strong>und</strong> leiten<br />

basierend auf ihrem Fachwissen <strong>und</strong> den aufbereiteten<br />

Informationen die besten Einsparmaßnahmen ab oder<br />

geben eine f<strong>und</strong>ierte Freigabe für Investitionen.<br />

Die Vetter Pharma International GmbH aus Ravensburg<br />

ist ein weltweit führender Spezialist für die Entwicklung<br />

<strong>und</strong> keimfreie Abfüllung von Medikamenten beispielsweise<br />

in Spritzen. Im Rahmen einer nachhaltigen Entwicklung<br />

führt Vetter ein System zur Überwachung der<br />

Energieverbräuche im Unternehmen ein. Beginnend mit<br />

Langenargen am Bodensee soll das System zukünftig auf<br />

andere Standorte des Unternehmens ausgeweitet werden.<br />

Die Ziele lauten:<br />

Gr<strong>und</strong>lage für die Zertifizierung nach ISO 50001,<br />

Transparenz über Medienverbräuche,<br />

24<br />

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

4 / 2013

BASISDATEN: Der<br />

multifunktionale<br />

elektrische Energiezähler<br />

RV12 liefert über<br />

Modbus RTU Stromverbrauchsdaten<br />

an das<br />

Energiemonitoring-<br />

System.<br />

Bilder: Endress+Hauser<br />

ALLES IM BLICK:<br />

Das Dashboard des<br />

Energiemanagementsystems<br />

bietet eine<br />

intuitive Übersicht der<br />

wichtigsten aktuellen<br />

Energiekennzahlen<br />

<strong>und</strong> -verbräuche.<br />

DETAILINFORMATION:<br />

Die Regressionsanalyse<br />

zeigt dem<br />

Energie manager die<br />

energetische Effizienz<br />

eines Prozesses auf.<br />

Anlagenüberwachung anhand von Wirkungsgraden<br />

<strong>und</strong> eine schnelle Reaktion auf Anlagenstörungen.<br />

Hierfür sollen die Verbräuche von zehn Medien erfasst<br />

werden: etwa Wärmemengen von Heizungsanlagen,<br />

Gasmengen (Stickstoff <strong>und</strong> Druckluft) sowie Wasserverbräuche.<br />

Die meisten Messwerte stammen aus dem<br />

existierenden, validierten Prozessleitsystem. Zusätzlich<br />

liefert die Gebäudeleittechnik Messdaten über M-<br />

Bus. Drittens sollen Strom- <strong>und</strong> Erdgasmengen über<br />

einen lokalen Datenschreiber eingelesen werden. Alle<br />

Daten sollen zentral auf einem Server am Produktionsstandort<br />

gesammelt werden.<br />

KOMPLETT-KONZEPT ÜBERZEUGTE<br />

Auch in der Vergangenheit hat Vetter schon zahlreiche<br />

Daten erfasst. Damit diese nicht verloren gehen, sollen<br />

auch historische Daten in das zu installierende System<br />

importiert werden. Bei der Entscheidung für ein Energiemonitoring-System<br />

überzeugte Vetter das durchgängige<br />

Konzept von Endress+Hauser. Das Unternehmen<br />

verfügt nicht nur über sämtliche Komponenten eines<br />

Energiemonitorings sondern über Messtechnik für alle<br />

Energiemedien, vielseitig konfigurierbare Datenschreiber<br />

<strong>und</strong> Energierechner bis hin zu einer intuitiv bedienbaren<br />

Energiemonitoring-Software, die alle Anforderungen<br />

erfüllt. Neben den Produkten liefert der Komplettanbieter<br />

das vollständige Hardware- <strong>und</strong> Softwareengineering<br />

<strong>und</strong> übernimmt damit die gesamte Verantwortung<br />

für den Projekterfolg. Tino Mehre, Projektleiter für die<br />

Einführung des Energiemonitorings bei Vetter, ist „mit<br />

dem Projektablauf sehr zufrieden. Besonders hervorzuheben<br />

ist der gute Kontakt zum Projektteam <strong>und</strong> eine<br />

kurze Reaktionszeit.“<br />

Für die Einführung eines Energiemanagement-Systems<br />

nach ISO 50001 wurde mit der Installation eines<br />

Energiemonitoring-Systems ein wichtiger Gr<strong>und</strong>stein<br />

gelegt. Doch es gibt noch andere wichtige Aspekte zu<br />

beachten, weshalb Endress+Hauser Unternehmen auf<br />

dem Weg zur Zertifizierung unterstützt. Darüber hinaus<br />

führen Energieberater auch Potenzialanalysen unter anderem<br />

in den Bereichen Druckluft, Prozesswärme <strong>und</strong><br />

Prozesskälte durch. Mit diesem durchgängigen Angebot<br />

wird garantiert, dass Aktivitäten beim Energiesparen<br />

nachhaltige Erfolge liefern.<br />

AUTOR<br />

DAVID WALLERIUS ist Marketingmanager<br />

Prozessautomatisierung bei Endress+Hauser<br />

in Weil am Rhein.<br />

Endress+Hauser Messtechnik GmbH+Co. KG,<br />

D-79576 Weil am Rhein,<br />

E-Mail: info@de.endress.com<br />

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

4 / 2013<br />

25

PRAXIS<br />

Stringente Systematik in der elektrotechnischen<br />

Betriebstechnik steigert die Anlagenverfügbakeit<br />

Brauerei Veltins bewältigt Stillstände dank der mit Eplan umgesetzten Struktur extrem zügig<br />

ÜBERALL IN DER<br />

BRAUEREI sind<br />

die Eplan-Daten<br />

per WLAN <strong>und</strong><br />

Viewer drahtlos<br />

verfügbar.<br />

EINHEITLICH<br />

STRUKTURIERT:<br />

Jedes Kabel ist<br />

bei Veltins exakt<br />

beschriftet. Die<br />

Verdrahtungs farben<br />

sind im gesamten<br />

Unter nehmen<br />

einheitlich.<br />

MIT EPLAN ELECTRIC P8<br />

wurde 95 % der Betriebstechnik<br />

elektrotechnisch<br />

eindeutig spezifiziert <strong>und</strong><br />

dokumentiert. Bilder: Eplan<br />

Praktisch ihre komplette Betriebstechnik hat die Privatbrauerei<br />

Veltins elektrotechnisch eindeutig spezifiziert<br />

<strong>und</strong> dokumentiert. Diese stringente Systematik<br />

zahlt sich aus: Weil sich Störungen aufgr<strong>und</strong> der mit<br />

Eplan umgesetzten Struktur sehr schnell funktional <strong>und</strong><br />

vor allem auch räumlich zuordnen lassen, sind Fehler in<br />

der Regel schnell behoben. Auch Wartungsarbeiten laufen<br />

extrem zügig ab. Unterm Strich steigen dadurch Anlagenverfügbarkeit<br />

<strong>und</strong> Wettbewerbsfähigkeit.<br />

Die Brauerei C. & A. Veltins zählt zu den großen Premium-Marken<br />

der deutschen Bierlandschaft. Pils, Biermix<br />

<strong>und</strong> Fassbrause bescherten dem Unternehmen im<br />

vergangenen Jahr mit 2,79 Mio. Hektolitern einen Rekordausstoß.<br />

Dieser Erfolg fußt auf den erprobten Tugenden<br />

eines Mittelstandsunternehmens sowie Innovation in<br />

Produkten <strong>und</strong> Produktion. Schließlich stellt Veltins sich<br />

täglich einem wachsenden Wettbewerb mit stagnierenden<br />

Pro-Kopf-Verbräuchen <strong>und</strong> steigenden Energiekosten. Um<br />

mit maximaler Produktivität arbeiten zu können, hat die<br />

Privatbrauerei im Sauerland sämtliche Produktions- <strong>und</strong><br />

Materialflussketten durchstrukturiert – mithilfe von<br />

Eplan wurde 95 % der Betriebstechnik elektrotechnisch<br />

eindeutig spezifiziert <strong>und</strong> dokumentiert.<br />

95 PROZENT DER ANLAGEN IN EPLAN ANGELEGT<br />

Bei sämtlichen Planungsarbeiten nutzen die Experten<br />

von Veltins für die Elektrotechnik durchgängig die Engineering-Umgebung<br />

von Eplan. Nur etwa fünf Prozent<br />

der Anlagen seien nicht in Eplan angelegt, erläutert Walter<br />

Bauer, Geschäftsführer Technik der Brauerei. 1998<br />

hat Veltins Eplan als führendes Softwarewerkzeug eingeführt<br />

– seinerzeit in Gestalt der Version 5.2. Dieser<br />

Einstieg war für die Brauer im Sauerland gleichbedeutend<br />

mit einer kompletten Durchstrukturierung des Be-<br />

26<br />

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

4 / 2013

triebes in Funktionsbereiche. „Damals haben wir die<br />

Weichen gestellt für einen Nomenklaturschlüssel, der<br />

noch heute seine Gültigkeit hat“, erläutert Bauer. Der<br />

Technik-Geschäftsführer hat den Release-Wechsel von<br />

5.7 auf die heutige Eplan-Plattform vorangetrieben <strong>und</strong><br />

begleitet. Seit 2008 „denkt“ Veltins beim Elektro-Engineering<br />

durchgängig in Version P8.<br />

Die generellen Herausforderungen bei der Integration<br />

neuer Projekte in den kompletten Braustättenverb<strong>und</strong><br />

werden vor allem dann anschaulich, wenn die kompromisslose<br />

Strukturierung des Betriebes zum Tragen<br />

kommt. Sieben große Funktionsbereiche hat Veltins Ende<br />

der 1990er-Jahre definiert: Abfüllung, Brautechnik, Betriebstechnik,<br />

Gebäudetechnik, Logistik, Technische<br />

Verwaltung sowie Ver- <strong>und</strong> Entsorgung. Sie bilden quasi<br />

Cluster, die sich weiter nach einem festgelegten<br />

Schlüssel verzweigen. Diese Strukturierung findet sich<br />

in sämtlichen Dokumenten, Programmierungen <strong>und</strong> Bezeichnungen<br />

wieder. Die Durchgängigkeit reicht bei Veltins<br />

so weit, dass selbst jeder Lichtschalter seine feste<br />

Bezeichnung erhält – inklusive Beschriftung vor Ort.<br />

BETRIEBSMITTEL EINDEUTIG ZUGEORDNET<br />

Der Typenschlüssel ist so aufgebaut, dass sich Betriebsmittel<br />

einerseits sofort einem Funktionsbereich zuordnen<br />

lassen <strong>und</strong> andererseits auch erkennbar wird, wo der<br />

dazugehörige Schaltplan in der Dokumentation zu finden<br />

ist. Auch gibt der Schlüssel dem Instandhaltungs- <strong>und</strong><br />

Wartungspersonal wichtige Rückschlüsse über den<br />

Standort des Schaltschrankes. Die Disziplin im Engineering<br />

macht sich bei Veltins spätestens dann bezahlt, wenn<br />

die Ursache für eine Störung in dem über Jahrzehnte hinweg<br />

gewachsenen Betrieb zu suchen ist. Weil sich Störungen<br />

aufgr<strong>und</strong> der mit Eplan umgesetzten Struktur<br />

sehr schnell funktional <strong>und</strong> vor allem auch räumlich<br />

zuordnen lassen, sind Fehler in der Regel schnell behoben.<br />

Exakt 2150 Projekte sind bei Veltins in Eplan angelegt.<br />

Neben vier Vollversionen, bedient sich das Unternehmen<br />

einer Firmenlizenz für den Eplan-Viewer. Dem<br />

Instandhaltungspersonal stehen dafür in allen Produktionsbereichen<br />

die Eplan-Daten über den Eplan Viewer<br />

per WLAN-Netzwerk drahtlos für Wartungs- <strong>und</strong> Servicearbeiten<br />

zur Verfügung. Vor Ort gibt es ferner eine gedruckte<br />

Dokumentation im Schaltschrank.<br />

EINHEITLICHE VERDRAHTUNGSFARBEN<br />

Die Schnelligkeit bei Wartungs- <strong>und</strong> Servicearbeiten<br />

versetzt Veltins in die Lage, Umrüstungs- oder Erweiterungsarbeiten<br />

in den Wintermonaten straff durchorganisiert<br />

zu realisieren. Ein zweiter Vorteil resultiert aus<br />

der steigenden Anlagenverfügbarkeit, die unter dem<br />

Strich die Produktivität der Brauerei erhöht – <strong>und</strong> damit<br />

nachhaltig die Wettbewerbsfähigkeit stärkt. Insofern<br />

stellt die eingelegte Disziplin bei der Projektierung eine<br />

wichtige Säule des Unternehmenserfolges dar.<br />

Diesen Anspruch stellt Veltins einerseits an seine Lieferanten<br />

<strong>und</strong> andererseits auch an die eigene Arbeit. Vor<br />

allem bei der Entwicklung von Schnittstellen verlassen<br />

sich die Elektrotechniker <strong>und</strong> Konstrukteure nicht ausschließlich<br />

auf die Kompetenz ihrer Partner. Ein Beispiel<br />

dafür ist die Abfüllung von Fünf-Liter-Partyfässern. Die<br />

Aufgabe bestand in diesem Fall darin, den Übergabepunkt<br />

von den großen Lagertanks zur Kleinfassanlage<br />

zu definieren <strong>und</strong> umzusetzen. „Die Verkabelung im<br />

Schaltschrank haben wir mit der Software Eplan entwickelt“,<br />

berichtet Walter Bauer. Jedes Kabel ist exakt beschriftet<br />

<strong>und</strong> die Verdrahtungsfarben sind im gesamten<br />

Unternehmen einheitlich. „Weiß-Blau bedeutet zum Beispiel<br />

24 Volt minus. Das weiß hier jeder.“<br />

Für Veltins hat die Dokumentation einer neuen Anlage<br />

in Eplan Electric P8 zwei große Vorteile: nahtlose Einbindung<br />

in den Unternehmensverb<strong>und</strong> sowie die schnelle <strong>und</strong><br />

sichere Möglichkeit der Überprüfung. „Wir können mit<br />

diesen Plänen bei der Eingangskontrolle besser überblicken,<br />

ob sich unsere Anlagenbauer an unsere Vorschriften<br />

gehalten haben. Das schließt mögliche Probleme bei der<br />

späteren Inbetriebnahme von Beginn an aus“, so Bauer<br />

WENIGER AUFWAND FÜR ERSATZTEILLAGERUNG<br />

Die Standardisierung senkt zudem den Aufwand für Ersatzteillagerung<br />

<strong>und</strong> Schulung. Um diesen Vorteil möglichst<br />

umfassend nutzen zu können, ist die Liste an<br />

Werksvorschriften für die technische Ausrüstung von<br />

Betriebsmitteln bei Veltins recht lang. Kabel sind darin<br />

genauso spezifiziert, wie der Hersteller der Steuerungstechnik,<br />

des Frequenzumrichters oder der Schaltschränke,<br />

deren Innenleben dabei selbstverständlich „schlüsselgerecht“<br />

zu installieren ist. „Wir legen sehr großen<br />

Wert auf Sauberkeit <strong>und</strong> Beschriftung“, sagt Technik-<br />

Geschäftsführer Walter Bauer <strong>und</strong> unterstreicht dieses<br />

beim Öffnen eines Rittal-Schrankes für das neue Sudhaus,<br />

das 2012 in Betrieb gegangen ist <strong>und</strong> aufgr<strong>und</strong> der<br />

hohen Energieeffizienz zu den modernsten Anlagen in<br />

Europa zählt. Bereits 2005 hat Veltins nach eigenen Angaben<br />

damit begonnen, die Produktionsstätte am Traditionsstandort<br />

Grevenstein technisch fit zu machen für<br />

das nächste Jahrzehnt.<br />

AUTOR<br />

THOMAS MICHELS ist Produktmanager<br />

bei Eplan Software &<br />

Service, Monheim am Rhein.<br />

Eplan Software & Service GmbH & Co. KG,<br />

An der alten Ziegelei 2,<br />

D-40789 Monheim am Rhein,<br />

Tel. +49 (0) 2173 396 40,<br />

E-Mail: info@eplan.de<br />

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

4 / 2013<br />

27

PRAXIS<br />

Maximale Transparenz beim Verbrauch bildet<br />

die Basis, um Einsparpotenziale zu erkennen<br />

Siemens setzt in Getriebewerk auf Systeme zum Energiemanagement <strong>und</strong> Condition Monitoring<br />

DAS HÄRTEN DER ZAHNRÄDER<br />

ist ein energieintensiver Prozess.<br />

Schon geringe Prozessänderungen<br />

können daher<br />

massive Einsparungen<br />

bewirken. Bilder: Wolfgang Geyer<br />

DIE ZAHNRÄDER werden bei 930 °C einsatzgehärtet <strong>und</strong><br />

dann von 840 °C in Ölbädern abgeschreckt. Durch eine<br />

Analyse der exakten Verbrauchsdaten mit B.Data wird der<br />

Energieverbrauch in diesem Prozessschritt optimiert.<br />

Die Produktion drehmomentübertragender Zahnräder<br />

ist extrem energieintensiv. Um Energie einzusparen<br />

<strong>und</strong> gleichzeitig die Anlagenverfügbarkeit steigern zu<br />

können, wird im Siemens-Getriebewerk Penig neben dem<br />

Energiemanagementsystem B.Data auch das Condition-<br />

Monitoring-System ePS Network Services eingesetzt.<br />

Siemens fertigt in Penig bei Chemnitz Bahnantriebe<br />

<strong>und</strong> Zahnradgetriebe für Industrieanwendungen. Viele<br />

große europäische <strong>und</strong> mehrere asiatische Schienenfahrzeughersteller<br />

kann Siemens schon zu seinem K<strong>und</strong>enstamm<br />

zählen – Bahnantriebe aus Penig laufen heute<br />

erfolgreich auf allen Kontinenten. In der Teilefertigung<br />

entstehen täglich bis zu 600 drehmomentübertragende<br />

Bauteile. Um den Energieverbrauch zu senken, jedoch<br />

gleichzeitig die Produktivität sowie die Anlagenverfügbarkeit<br />

zu steigern, kommen dort das Condition-Monitoring-System<br />

ePS Network Services sowie das Energiemanagementsystem<br />

B.Data zum Einsatz.<br />

SYSTEMATISCHE ÜBERWACHUNG<br />

R<strong>und</strong> 300 Mitarbeiter arbeiten im Getriebewerk Penig an<br />

etwa 130 Werkzeugmaschinen. Der effiziente Einsatz der<br />

Maschinen ist ein wichtiger Schlüssel zum Erfolg, wofür<br />

wiederum die Wartung <strong>und</strong> die permanente Überwachung<br />

der Produktionsmaschinen maßgebliche Voraussetzungen<br />

sind. Auch die vorbeugende Früherkennung<br />

von Fehlern sowie die Absicherung von Verfügbarkeit<br />

<strong>und</strong> Produktivität werden immer wichtiger.<br />

Die systematische Anlagenüberwachung erfolgt im<br />

Getriebewerk Penig mithilfe des Condition-Monitoring-<br />

Systems ePS Network Services. Wöchentlich werden<br />

beispielsweise Achsentests in den Werkzeugmaschinen<br />

durchgeführt <strong>und</strong> individuelle Variablen wie Temperatur,<br />

Schwingung oder Druck erfasst. Dadurch ist es möglich,<br />

Trends zu erkennen <strong>und</strong> Instandhaltungsmaßnahmen<br />

frühzeitig einzuleiten. Neu gelieferte Maschinen<br />

werden zudem einem mechanischen sowie einem energetischen<br />

Fingerprint unterzogen. Das heißt, dass bei<br />

der Erstinbetriebnahme beim OEM definierte Werte<br />

erfasst werden <strong>und</strong> die Maschinen spezielle Tests<br />

durchlaufen.<br />

HOHE EINSPARPOTENZIALE IN DER HÄRTEREI<br />

Ein zweiter Vergleichsfingerprint erfolgt nach dem Aufstellen<br />

in der Halle. So lassen sich Verschleißerscheinungen<br />

<strong>und</strong> Defekte feststellen, bevor sie einen negativen<br />

Einfluss auf die Produktion ausüben können.<br />

Neben der Zustandsüberwachung der Anlage haben<br />

die Verantwortlichen auch eine dauerhafte Reduktion<br />

des Energieverbrauchs angestrebt. Realisiert wurde dies<br />

durch den Einsatz des Energiemanagementsystems<br />

B.Data. Dabei ist zu beachten, dass die Software den Ver-<br />

28<br />

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

4 / 2013

auch nicht automatisch senkt, sondern dass zunächst<br />

die Prozesse angepasst werden müssen.<br />

Besonders energieintensiv ist in Penig beispielsweise<br />

die Härterei. Die Teile werden über mehrere St<strong>und</strong>en in<br />

einem chemisch-thermischen Prozess aufgekohlt <strong>und</strong><br />

dann in Ölbädern abgeschreckt. Der zeitliche Ablauf ist<br />

zwar durch ein Programm vorgegeben, aber da das Beschicken<br />

der Öfen <strong>und</strong> das Absenken in die Ölbäder manuell<br />

erfolgen, hat der Anwender dennoch einige Entscheidungsspielräume.<br />

Aufgr<strong>und</strong> der extrem hohen Energiekosten wird nun<br />

eine Optimierung auf der Basis exakter Verbrauchszahlen<br />

angestrebt. B.Data schafft dafür die maximale Transparenz,<br />

indem das System den genauen Verbrauch ermittelt<br />

<strong>und</strong> so eine Reduktion ohne Gefahr für die Verfügbarkeit<br />

der Maschinen ermöglicht. Denn schon geringe Anpassungen<br />

können zu deutlichen Ersparnissen führen.<br />

Heute scHon<br />

elektriscH<br />

geradelt?<br />

ALLE ENERGIEFORMEN WERDEN ERFASST<br />

Gr<strong>und</strong>sätzlich werden mit B.Data aber auch alle anderen<br />

Energieformen erfasst – unter anderem der Verbrauch<br />

der teuren Druckluft. Da bei der Drucklufterzeugung<br />

üblicherweise nur vier Prozent der elektrischen Energie<br />

als Druckluftenergie genutzt werden können, ist die<br />

Überwachung der Effizienz der Druckluftkompressoren<br />

ebenfalls ein wichtiger Kostenfaktor.<br />

Neben der Kostenreduzierung wirkt sich der Einsatz<br />

von ePS Network Services <strong>und</strong> B.Data auch auf die Motivation<br />

der Mitarbeiter aus. Denn die hohe Transparenz<br />

fördert deren Verantwortungsbewusstsein, da sie selbst<br />

einen konkreten Beitrag zur Energiebilanz des Unternehmens<br />

leisten können. Das Condition Monitoring der<br />

Werkzeugmaschinen hat zudem effektiv zur Steigerung<br />

der Anlagenverfügbarkeit <strong>und</strong> der Produktivität beigetragen.<br />

Aus der automatischen Korrelation von Betriebszustand<br />

<strong>und</strong> Energieverbrauch der Maschinen haben sich<br />

wertvolle Hinweise zur Prozessoptimierung ergeben.<br />

AUTORIN<br />

Dipl.-Ing. SANDRA<br />

SCHUSTER arbeitet in<br />

der Abteilung Business<br />

Development im Bereich<br />

Condition Monitoring and<br />

Reliability der Siemens AG<br />

in Karlsruhe.<br />

Siemens AG, Industry Sector<br />

Customer Service Division Value Services,<br />

Siemensallee 84, D-76187 Karlsruhe,<br />

Tel. +49 (0) 721 595 86 84,<br />

E-Mail: sandra.schuster@siemens.com<br />

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ZuKunft

HAUPTBEITRAG<br />

<strong>Kontext</strong>, <strong>Dienste</strong> <strong>und</strong><br />

<strong>Cloud</strong> <strong>Computing</strong><br />

Eigenschaften <strong>und</strong> Anwendungen cyber-physischer Systeme<br />

Mit dem Internet der Dinge <strong>und</strong> der <strong>Dienste</strong> wird in der Automatisierungstechnik eine<br />

neue Form der vertikalen, aber auch der horizontalen Integration möglich. Sie optimiert<br />

mit der situationsspezifischen Bereitstellung von Informationen <strong>und</strong> <strong>Dienste</strong>n technische<br />

<strong>und</strong> organisatorische Prozesse. Den Kern dieser neuen Art der Integration bildet das cyberphysische<br />

System. Dieser Beitrag stellt die gängigen Begriffsdefinitionen aus dem Umfeld<br />

von cyber-physischen Systemen zusammen <strong>und</strong> diskutiert die Auswirkungen von Internettechnologien,<br />

<strong>Kontext</strong>sensitivität <strong>und</strong> <strong>Cloud</strong> <strong>Computing</strong> auf die Automatisierungstechnik.<br />

Die Ausführungen werden anhand eines Anwendungsbeispiels verdeutlicht.<br />

SCHLAGWÖRTER Cyber-physische Systeme / <strong>Cloud</strong> <strong>Computing</strong> / Internet der Dinge /<br />

Internet der <strong>Dienste</strong> / <strong>Kontext</strong>sensitivität / Serviceorientierung<br />

Context awareness, service orientation and cloud computing –<br />

Properties and applications of cyber-physical systems<br />

The internet of things and services enables a new form of vertical and horizontal integration<br />

in automation. It offers the optimization of technical and organizational processes<br />

by providing situation specific information and services. The core of this new kind of<br />

integration is formed by cyber-physical systems. This article compiles the most relevant<br />

definitions in the field of cyber-physical Systems and discusses the effects of internet<br />

technologies, context awareness and cloud computing on automation. An application<br />

example illustrates the statements.<br />

KEYWORDS cyber-physical systems / cloud computing / internet of things / internet of<br />

services / context sensitive automation / service orientation<br />

32<br />

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

4 / 2013

JOCHEN SCHLICK, Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI), Kaiserslautern<br />

PETER STEPHAN, Wittenstein AG<br />

THOMAS GREINER, Hochschule Pforzheim<br />

Die vor über 20 Jahren postulierte Vision des Ubiquitous<br />

<strong>Computing</strong> [44] als Keimzelle des Internets<br />

der Dinge <strong>und</strong> <strong>Dienste</strong> (Internet of<br />

Things, IoT <strong>und</strong> Internet of Services, IoS) manifestiert<br />

sich zunehmend in unserem Alltag.<br />

Beispiele sind die Paketverfolgung auf Basis von AutoID-<br />

Technologien oder die Nutzung von kontextsensitiven<br />

<strong>Dienste</strong>n wie etwa der Online-Navigation. Informations<strong>und</strong><br />

Kommunikationstechnologien (IKT) wie Smartphones,<br />

mobiles Internet oder <strong>Cloud</strong> <strong>Computing</strong> beschleunigen<br />

dies. Zentrale Paradigmen sind die eindeutige<br />

Adressierbarkeit von physischen Objekten, deren Ausstattung<br />

mit Rechenleistung, die Erfassung von Zuständen<br />

aus der realen Welt mittels Sensoren <strong>und</strong> der allgegenwärtige<br />

Zugriff auf diese Informationen. Das geschieht<br />

durch die Vernetzung dieser Informationsquellen<br />

in offenen Netzen sowie das Anbieten <strong>und</strong> Nutzen<br />

von darauf basierenden <strong>Dienste</strong>n.<br />

Für die Automatisierungstechnik bietet sich dadurch<br />

die Möglichkeit, Produktionssysteme, mechatronische<br />

Prozessmodule, Produkte <strong>und</strong> IT-Systeme horizontal <strong>und</strong><br />

vertikal zu integrieren. Darüber hinaus liefert eine kontextsensitive<br />

Automatisierungstechnik durch die situationsspezifische<br />

Bereitstellung von Informationen <strong>und</strong><br />

<strong>Dienste</strong>n einen Wertschöpfungsbeitrag für indirekte <strong>und</strong><br />

organisatorische Fabrikprozesse.<br />

Zur Übertragung der Paradigmen des IoT <strong>und</strong> IoS in<br />

die heutigen Fabriken wird die Entwicklung von cyberphysischen<br />

Systemen (CPS) als autonome, selbststeuernde<br />

<strong>und</strong> wissensbasierte Produktionssysteme notwendig,<br />

die in offenen Netzen Informationen austauschen,<br />

was zu einer gesteigerten Komplexität von Automatisierungssystemen<br />

<strong>und</strong> Produktionsprozessen<br />

führt. Dies erfordert, neue Ansätze <strong>und</strong> Methoden zur<br />

systematischen Planung solch verteilter Steuerungsarchitekturen<br />

<strong>und</strong> deren Betrieb zu entwickeln. Nur so<br />

lassen sich die für die Produktionsautomatisierung<br />

relevanten Anforderungen hinsichtlich einer verbesserten<br />

Wiederverwendbarkeit, Durchgängigkeit <strong>und</strong><br />

Interoperabilität von Komponenten <strong>und</strong> Informationen<br />

erfüllen. Um zu einer gemeinsamen Vorstellung für<br />

diese weiterentwickelte Form der Automatisierung zu<br />

kommen, ist es wichtig, die in diesem Themenfeld verwendeten<br />

Begriffe zu verstehen.<br />

1. BEGRIFFE<br />

1.1 Das Internet der Dinge im Fabrikumfeld<br />

Die Vision des Ubiquitous <strong>Computing</strong> stammt von Marc<br />

Weiser. Sie geht davon aus, dass IKT vollständig in Alltagsgegenständen<br />

unserer Umgebung aufgehen, für den<br />

menschlichen Nutzer unsichtbar werden <strong>und</strong> bestehende<br />

IT-Systeme, wie Desktop-Computer, durch intelligente<br />

Objekte ersetzen [43]. Für das Internet der Dinge (IoT)<br />

bildet diese Vision die Kernidee. Obwohl sich Anwendungen<br />

des IoT im Consumer-Bereich weitgehend etabliert<br />

haben, bleibt dessen Kernidee aus Sicht industrieller<br />

Anwender noch immer vergleichsweise abstrakt.<br />

Obgleich eine anerkannte Definition des IoT nicht existiert,<br />

lassen sich aus Implementierungen des IoT in realen<br />

Anwendungen drei Hauptaspekte identifizieren [15, 6]:<br />

Adressierbarkeit <strong>und</strong> Vernetzung: Realweltobjekte<br />

werden mit Identifikations-, Kommunikations- oder<br />

Embedded-Technologien ausgestattet <strong>und</strong> zum Zweck<br />

der Informationsbereitstellung miteinander vernetzt.<br />

Allumfassende Intelligenz: Basierend auf einem<br />

Netzwerk aus intelligenten Objekten werden Regelschleifen<br />

aufgebaut.<br />

Allumfassende Assistenz: Basierend auf hochauflösenden<br />

Daten intelligenter Objekte werden menschlichen<br />

Nutzern situationsspezifisch (das heißt abhängig<br />

vom aktuellen <strong>Kontext</strong>) Informationen <strong>und</strong><br />

<strong>Dienste</strong> bereitgestellt.<br />

Um IoT in der Fabrik umzusetzen, bilden Basistechnologien<br />

wie drahtlose Kommunikationstechnologien,<br />

AutoID-Technologien (zum Beispiel RFID oder<br />

NFC), industrielle Feldbusse auf Ethernetbasis,<br />

Smartphones, Tablet-PCs sowie industrielle Lokalisierungssysteme<br />

die Gr<strong>und</strong>lage. Zur Aufbereitung<br />

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

4 / 2013<br />

33

HAUPTBEITRAG<br />

<strong>und</strong> Kommunikation erhobener Daten <strong>und</strong> Informationen<br />

stellen Softwareinnovationen <strong>und</strong> Standards<br />

eine wichtige Voraussetzung dar: Digital Factory<br />

Tools, offene Formate <strong>und</strong> Beschreibungssprachen<br />

(beispielsweise PLMXML, JT, AutomationML, SensorML),<br />

Web Services, digitale Produktgedächtnisse,<br />

Middlewarestandards [37] <strong>und</strong> Kommunikationsprotokolle<br />

wie beispielsweise OPC-UA.<br />

1.2 Das Internet der <strong>Dienste</strong><br />

Die Europäische Kommission definiert das Internet der<br />

<strong>Dienste</strong> (IoS) als „[...] Vision des Internets der Zukunft,<br />

in dem alles, was benötigt wird, um Softwareanwendungen<br />

zu nutzen, als Services zur Verfügung gestellt wird,<br />

wie die Software selber, die Werkzeuge, um die Software<br />

zu entwickeln, oder die Plattform (Server, Speicherplatz<br />

<strong>und</strong> Kommunikation), um die Software auszuführen“<br />

[17]. Das IoS zeichnet sich im Wesentlichen durch drei<br />

Eigenschaften aus:<br />

Web-Anbindung beziehungsweise -Distribution<br />

von Services<br />

nutzungsabhängige Abrechnungsmodelle<br />

ein breites Spektrum an (kombinierbaren)<br />

Angeboten<br />

Das Konzept des IoS ist es, einzelne Services <strong>und</strong> Funktionalitäten<br />

in eigenständige Anwendungsprogramme<br />

wie Apps zu fassen. Über Netzwerke werden diese den<br />

Nutzern angeboten. Unternehmen können die benötigten<br />

IKT-Ressourcen bedarfsgerecht online beziehen <strong>und</strong> den<br />

Aufwand selbst betriebener Hard- <strong>und</strong> Software reduzieren.<br />

Indem die Anwendungen webbasiert zur Verfügung<br />

stehen, lassen sich diese plattform- <strong>und</strong> endgeräteunabhängig<br />

einsetzen.<br />

Das IoS besteht aus Teilnehmern, den <strong>Dienste</strong>n, ihren<br />

Geschäftsmodellen <strong>und</strong> einer <strong>Dienste</strong>-Infrastruktur <strong>und</strong><br />

zielt darauf ab, jedweden (any) Service online zur Verfügung<br />

zu stellen. Die Orchestrierung zu komplexen<br />

Lösungen erfolgt über standardisierte Schnittstellen der<br />

einzelnen Software-Komponenten. Das IoS stellt die<br />

Gr<strong>und</strong>lage dieser Mehrwertdienste dar <strong>und</strong> kann als<br />

„Betriebssystem“ der Vernetzung bezeichnet werden.<br />

Zukünftig wird das IoS eine softwarebasierte Möglichkeit<br />

zum Anbieten <strong>und</strong> Nutzen von <strong>Dienste</strong>n über<br />

unterschiedlichste Netze hinweg bieten. Die Kombination<br />

des IoT mit dem IoS eröffnet jedem Teilnehmer die<br />

Möglichkeit, sich jederzeit (anytime) an jedem Ort (anywhere)<br />

mit jedem (anything and anyone) unter Verwendung<br />

jedes beliebigen Netzwerks (any path/network)<br />

mit Nutzung eines beliebigen <strong>Dienste</strong>s (any service) zu<br />

verbinden. Dadurch wird es ermöglicht, Konzepte wie<br />

beispielsweise ein gezieltes <strong>Kontext</strong>management umzusetzen<br />

[3, 32].<br />

Die Abrechnung der Services erfolgt abhängig von der<br />

tatsächlichen Inanspruchnahme – im Gegensatz zur traditionellen<br />

Softwarebeschaffung auf Lizenzbasis. Mietmodelle<br />

sind im IoS weit verbreitet. Andere Vergütungsansätze<br />

im IoS basieren auf der Berechnung von abgerufenen<br />

<strong>Dienste</strong>n oder auf Provisionen bei der Vermittlung<br />

von Services.<br />

1.3 Services<br />

Services können auf vielfältige Art <strong>und</strong> Weise angeboten<br />

werden. Eine etablierte Möglichkeit besteht darin, eine<br />

Service-orientierte Architektur (SoA) zu verwenden [26,<br />

30]. Wesentliche Kennzeichen einer SoA sind lose Kopplung,<br />

unabhängige gekapselte Services sowie die Mehrfachverwendung<br />

von Services. Das typische SoA-Schichtenmodell<br />

gliedert sich in Präsentationsschicht, Ausführungslogik<br />

sowie Datenbanken/Informationssysteme<br />

(siehe Bild 1).<br />

Die Präsentationsschicht enthält alle Komponenten,<br />

die zur Interaktion mit dem Benutzer erforderlich sind.<br />

In der Ausführungslogik sind diejenigen Komponenten<br />

enthalten, die mit externen Systemen zusammenarbeiten.<br />

Die Prozesslogik umfasst alle verteilten Services <strong>und</strong><br />

die Servicelogik stellt klar abgegrenzte Teilfunktionalitäten<br />

für die Prozesslogik zur Verfügung. Informationssysteme<br />

<strong>und</strong> Datenbanken liefern die Daten <strong>und</strong> Informationen<br />

für die Ausführungslogik.<br />

Der Begriff Webservices bezeichnet über das Internet<br />

angebotene <strong>Dienste</strong> [29]. Die Gartner Group definiert<br />

Webservices wie folgt: „Web Services are software technologies,<br />

making it possible to build bridges between<br />

IT systems that otherwise would require extensive development<br />

efforts.“ Bei Forrester Research heißt es<br />

„Software designed to be used by other software via<br />

Internet protocols and formats.“ Eine Möglichkeit besteht<br />

darin, Webservices in Form einer SoA anzubieten.<br />

Dies ist jedoch, wie die Definitionen zeigen, nicht zwingend<br />

erforderlich.<br />

Die technische Realisierung solcher Webservices kann<br />

über eigene Protokollstacks wie Simple Object Access<br />

Protocol (SOAP) erfolgen oder sie baut im Fall von Representational<br />

State Transfer (REST) direkt auf dem<br />

HTTP-Protokoll auf. Webservices ermöglichen es, Funktionen<br />

auf einem entfernten Rechnersystem mittels Textnachrichten<br />

aufzurufen. Bei der Nutzung von Webservices<br />

in automatisierungstechnischen Systemen werden<br />

vor allem der Overhead durch einen Webserver sowie<br />

die fehlende Echtzeitfähigkeit kritisch gesehen.<br />

1.4 <strong>Cloud</strong> <strong>Computing</strong><br />

Das Anbieten von <strong>Dienste</strong>n lässt sich durch <strong>Cloud</strong><br />

<strong>Computing</strong> [11] effizient <strong>und</strong> kostengünstig verwirklichen<br />

[18, 19]. Nach der Europäischen Kommission [12]<br />

ist <strong>Cloud</strong> <strong>Computing</strong> „ein […] Modell des Internetbasierten<br />

Betreiben von Anwendungen, bei dem Server,<br />

Speicherplatz, Netzwerke, Software <strong>und</strong> Informationen<br />

auf Abruf bereitgestellt werden.“ Die Vision bei<br />

CPS besteht darin, eine möglichst umfassende Abbildung<br />

<strong>und</strong> Steuerung einzelner CPS-Komponenten über<br />

die <strong>Cloud</strong> zu ermöglichen. In [16] wird <strong>Cloud</strong> <strong>Computing</strong><br />

als einer der Megatrends für die Fabrik der Zukunft<br />

eingestuft.<br />

Nach dem National Institute of Standards and Technology<br />

(NIST) gibt es seit 2009 eine anerkannte Definition<br />

für <strong>Cloud</strong> <strong>Computing</strong> [27]. Demnach wird darunter<br />

ein Modell verstanden, welches benutzerfre<strong>und</strong>lich,<br />

angepasst auf die aktuellen Anforderungen von Nutzern,<br />

über das Internet Zugang zu einer Fülle von konfigurier-<br />

34<br />

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

4 / 2013

www.<strong>atp</strong>-<strong>edition</strong>.de<br />

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baren Rechnerressourcen wie Infrastruktur (Netzwerk,<br />

Server oder Speicherplatz) sowie Software <strong>und</strong> Services<br />

bietet. Diese Ressourcen können schnell über Internet-Technologien<br />

auf Selbstbedienungsbasis <strong>und</strong> mit<br />

nutzungsabhängiger Bezahlung bereitgestellt <strong>und</strong> eingesetzt<br />

werden. Die wesentlichen Merkmale des <strong>Cloud</strong><br />

<strong>Computing</strong> sind: On-demand-Service, Netzwerkzugriff,<br />

Ressourcenbündelung, automatisierter Service sowie<br />

Skalierungsfähigkeit.<br />

<strong>Cloud</strong> <strong>Computing</strong> ermöglicht drei <strong>Cloud</strong>-<strong>Dienste</strong>:<br />

Software as a Service (SaaS), Platform as a Service<br />

(PaaS) <strong>und</strong> Infrastructure as a Service (IaaS):<br />

Software as a Service: Dieser Dienst ermöglicht<br />

es, eine Anwendung innerhalb einer <strong>Cloud</strong>-Infrastruktur<br />

zu nutzen. Der Zugriff erfolgt über<br />

eine Schnittstelle, die sich auch für einfache Systeme<br />

eignet.<br />

Platform as a Service: Innerhalb dieses <strong>Dienste</strong>s<br />

können Software beziehungsweise Nutzungsrechte<br />

für eine komplette Plattform erworben<br />

werden. Der Nutzer kann die Plattform konfigurieren<br />

<strong>und</strong> die eingesetzten Anwendungen definieren<br />

<strong>und</strong> anpassen [27]. PaaS gewinnt zunehmend<br />

an Bedeutung [2].<br />

Infrastructure as a Service: Der Nutzer erhält Zugriff<br />

auf elementare IT-Ressourcen. Bei diesem<br />

Dienst wird die Kontrolle über die Betriebssysteme<br />

<strong>und</strong> gegebenenfalls begrenzte Kontrolle über<br />

Netzwerkkomponenten (zum Beispiel die<br />

Firewall) ermöglicht, allerdings unterliegt die<br />

Kontrolle der gr<strong>und</strong>legenden <strong>Cloud</strong>-Infrastruktur<br />

dem <strong>Cloud</strong>-Betreiber [27].<br />

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Damit <strong>Cloud</strong>-Anbieter die beschriebenen <strong>Dienste</strong> offerieren<br />

können, gibt es bestimmte <strong>Cloud</strong>-Arten [27, 36]:<br />

Private <strong>Cloud</strong>: Bei einer Private <strong>Cloud</strong> wird die<br />

<strong>Cloud</strong>-Infrastruktur exklusiv für nur eine Organisation<br />

betrieben. Diese kann jedoch durch die Organisation<br />

selbst oder Drittanbieter verwaltet werden<br />

<strong>und</strong> innerhalb oder außerhalb des Firmengeländes<br />

aufgestellt werden.<br />

Community <strong>Cloud</strong>: Dabei handelt es sich um eine<br />

Erweiterung der Private <strong>Cloud</strong>. Mehrere Organisationen<br />

mit denselben Interessen, zum Beispiel Sicherheitsanforderungen,<br />

Zielen oder Richtlinien,<br />

teilen sich dieselbe <strong>Cloud</strong>-Infrastruktur.<br />

Public <strong>Cloud</strong>: Mit dieser <strong>Cloud</strong>-Art wird der Zugang<br />

zur <strong>Cloud</strong> der breiten Öffentlichkeit beziehungsweise<br />

der Industrie ermöglicht. Dabei verlangt die<br />

Organisation, die den <strong>Cloud</strong>-Dienst anbietet, meistens<br />

Geld für die Nutzung.<br />

Hybrid <strong>Cloud</strong>: Sie besteht aus zwei oder mehr<br />

<strong>Cloud</strong>-Infrastrukturen (Public, Private <strong>und</strong>/oder<br />

Community), die miteinander verb<strong>und</strong>en sind. Die<br />

<strong>Cloud</strong>s bleiben dabei eigenständige Einheiten, können<br />

jedoch über standardisierte Schnittstellen Daten<br />

oder Anwendungen verschieben.<br />

Aus der rechtlichen Problematik des Datenschutzes<br />

<strong>und</strong> Fragen der allgemeinen Datensicherheit ergeben<br />

sich aus Sicht der Unternehmen Nachteile beziehungs-<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong> erscheint in der DIV Deutscher Industrieverlag GmbH, Arnulfstr. 124, 80636 München

HAUPTBEITRAG<br />

weise Bedenken im Zusammenhang mit <strong>Cloud</strong> <strong>Computing</strong><br />

[42]. Diese spielen für den Erfolg von <strong>Cloud</strong> <strong>Computing</strong><br />

eine große Rolle. Zu diesem Komplex gibt es spezielle<br />

Literatur <strong>und</strong> Forschungsprojekte [35, 20, 33].<br />

1.5 <strong>Kontext</strong>sensitivität<br />

Der <strong>Kontext</strong> wird allgemein als eine wechselseitige Beziehung<br />

zwischen den Bedingungen einer Situation angesehen,<br />

in der sich jemand oder etwas befindet, oder in<br />

der etwas passiert. Die genaueste Definition des <strong>Kontext</strong>begriffs<br />

stammt von Dey <strong>und</strong> Abowd [8]: „Context is any<br />

information that can be used to characterize the situation<br />

of an entity. An entity is a person, place, or object that<br />

is considered relevant to the interaction between a user<br />

and an application, including the user and applications<br />

themselves.“ Nach dieser Definition handelt es sich bei<br />

<strong>Kontext</strong> um jede Art von Informationen aus dem Umfeld<br />

einer Anwendung. Im Gegensatz zu Liebermann [25]<br />

lässt sie implizite <strong>und</strong> explizite Informationen zu. Es ist<br />

also nicht relevant, ob die Informationen durch das System<br />

ermittelt oder den Benutzer angegeben werden. Weiterhin<br />

wird von einer konkreten technischen, sozialen<br />

oder physikalischen Umgebung abstrahiert, indem abstrakte<br />

Entitäten eingeführt werden. Diese schließen den<br />

Benutzer <strong>und</strong> die Anwendung selbst mit ein, welche<br />

somit zum <strong>Kontext</strong> gehören.<br />

Der <strong>Kontext</strong> in CPS umfasst damit alle Informationsgrößen<br />

(<strong>Kontext</strong>parameter), die zur Charakterisierung<br />

der aktuellen Situation des Systems <strong>und</strong> somit als Wissensquelle<br />

für jegliches kontextsensitives beziehungsweise<br />

kognitives Verhalten verwendet werden können.<br />

<strong>Kontext</strong>management nutzt Informationen über den Anwender,<br />

seine oder die Umgebung von Objekten sowie<br />

Aktivitäten <strong>und</strong> Vernetzungen um die Qualität der Anwendungen<br />

zu verbessern.<br />

Marktbeobachter <strong>und</strong> -analysten gehen davon aus,<br />

dass sich kontextsensitive Services <strong>und</strong> <strong>Kontext</strong>management<br />

zu beachtlichen Wirtschaftsfaktoren entwickeln.<br />

Die Verknüpfung von IoS <strong>und</strong> IoT in Gestalt kontextbasierter<br />

Interaktion bietet Nutzern einen entscheidenden<br />

Vorteil, der weiter an Bedeutung gewinnen wird: Convenience<br />

(englisch für Bequemlichkeit/Komfort). Dank<br />

<strong>Kontext</strong>wissen müssen Anwender <strong>und</strong> Systemanwendungen<br />

nicht mehr aufwendig nach Informationen suchen,<br />

sondern erfahren eine Reduktion der Datenflut auf<br />

die in ihrer aktuellen Situation relevanten Informationen.<br />

Entsprechend positiv sind die Zukunftsprognosen<br />

[23]. In zehn Jahren wird eine allumfassende <strong>Kontext</strong>bezogenheit<br />

von Systemen der Standardfall sein.<br />

1.6 CPS als Verbindung von IoT, IoS, <strong>Kontext</strong>sensitivität<br />

<strong>und</strong> <strong>Cloud</strong> <strong>Computing</strong><br />

Unter technischen Gesichtspunkten gibt es viele Definitionen<br />

für ein CPS. Eine gr<strong>und</strong>legende stammt von<br />

Lee: „Cyber-physical systems are integrations of computation<br />

with physical processes. Embedded computers<br />

and networks monitor and control the physical<br />

processes, usually with feedback loops where physical<br />

processes affect computations and vice versa“ [24]. Diese<br />

Definition wird durch konventionelle Systeme der<br />

Automatisierungs- oder Regelungstechnik erfüllt. Aus<br />

Sicht der Automatisierungstechnik ist sie nur unzureichend<br />

geeignet, CPS für diese Domäne zu definieren.<br />

Ein Sachverhalt, welcher durch Lee bereits erkannt<br />

wurde – <strong>und</strong> für Zielsysteme in der Automatisierungsdomäne<br />

zutreffend ist – besteht in einem mangelnden<br />

Abstraktionsgrad bei der Programmierung eingebetteter<br />

Systeme.<br />

Eine weitere Definition, welche die Wahrnehmung<br />

von CPS unter technischen Gesichtspunkten geprägt<br />

hat, stammt von Broy: „The term cyber-physical systems<br />

is used to describe software-intensive embedded systems<br />

that are connected to services available aro<strong>und</strong><br />

the world through global networks such as the internet,<br />

and their diverse potential for development and utilisation“<br />

[5]. Aus dieser Definition geht hervor, dass eingebettete<br />

Systeme ihre softwarebasierten Funktionalitäten<br />

in Form aufrufbarer <strong>Dienste</strong> anbieten, über globale<br />

Netzwerke miteinander in Verbindung stehen <strong>und</strong><br />

darüber hinaus verschiedene Potenziale für eine nutzbringende<br />

Anwendung bieten. Damit geht diese Definition<br />

über technische Eigenschaften von heutigen Automatisierungssystemen<br />

hinaus <strong>und</strong> adressiert wichtige<br />

Aspekte des IoT <strong>und</strong> des IoS. CPS sind danach Elemente<br />

im IoT <strong>und</strong> IoS, welche deren technologische Paradigmen<br />

<strong>und</strong> Strukturen wie <strong>Kontext</strong>sensitivität <strong>und</strong><br />

<strong>Cloud</strong> <strong>Computing</strong> nutzen.<br />

Aus Sicht der Automatisierungstechnik ergibt sich<br />

folgende anwendungstechnische Definition für CPS:<br />

„Cyber-physische Systeme sind ein Synonym für Anwendungen<br />

<strong>und</strong> Systeme im Bereich der Fabrikautomatisierung,<br />

welche sowohl die Optimierung bestehender <strong>und</strong><br />

die Schaffung neuer Prozesse als auch die Bereitstellung<br />

von softwarebasierten Mehrwertdiensten erlauben.<br />

Gr<strong>und</strong>lage hierfür ist die umfassende Verfügbarkeit von<br />

Informationen <strong>und</strong> Wissen über Produkte, Produktionsmittel<br />

<strong>und</strong> technische sowie organisatorische Prozesse,<br />

die durch bestehende Technologien aus den Bereichen<br />

Sonstige<br />

Ausführungslogik<br />

Präsentation (GUI)<br />

Ausführungslogik<br />

Prozesslogik<br />

Servicelogik<br />

Informationssysteme <strong>und</strong><br />

Datenbanken<br />

BILD 1: SoA-Schichtenmodell<br />

nach [26] adaptiert für<br />

technische Anwendungen<br />

36<br />

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

4 / 2013

IoT, IoS in Verbindung mit <strong>Kontext</strong>sensitivität <strong>und</strong> <strong>Cloud</strong><br />

<strong>Computing</strong> zur Verfügung gestellt werden.“ (Bild 2) Ein<br />

CPS setzt sich aus vielen Teilen zusammen, die in sich<br />

weiter strukturiert sein können. Ein einfaches CPS liegt<br />

bereits vor, wenn die gr<strong>und</strong>sätzlichen Elemente von IoT<br />

<strong>und</strong> IoS genutzt werden. In einer Vollausprägung wären<br />

alle aufgeführten Charakteristika vorhanden. Die notwendige<br />

Umsetzung ist dabei immer in Zusammenhang<br />

mit den Anforderungen des zu automatisierenden Prozesses<br />

zu sehen.<br />

CPS führen damit nicht aus technologischer Sicht zu<br />

einer Veränderung der Automatisierungstechnik, sondern<br />

die zukünftige Automatisierungstechnik wird<br />

zum Wegbereiter für die mit CPS in Zusammenhang<br />

gebrachte 4. industrielle Revolution. Aus der Umsetzung<br />

von CPS werden neue Fertigungs- <strong>und</strong> Produktionsprozesse<br />

in Verbindung mit neuen Automatisierungsarchitekturen<br />

entstehen. In einem weiteren<br />

Schritt wird es für Hersteller <strong>und</strong> Nutzer von Automatisierungstechnik<br />

die Aufgabe sein, die neuen Anlagenkonzepte,<br />

Anlagenkomponenten <strong>und</strong> Produkte in innovative<br />

<strong>und</strong> gewinnbringende Geschäftsmodelle zu<br />

transferieren.<br />

2. CPS IN DER AUTOMATISIERUNGSTECHNIK<br />

Die Auswirkungen auf die Automatisierungstechnik<br />

durch die Entwicklung der IKT <strong>und</strong> der Informatik<br />

wurden bereits intensiv diskutiert [1, 5, 38, 40]. In den<br />

nächsten Abschnitten werden die Auswirkungen von<br />

IoT, IoS, <strong>Kontext</strong>sensitivität <strong>und</strong> <strong>Cloud</strong> <strong>Computing</strong><br />

mittels CPS-Ergebnissen auf die Automatisierungstechnik<br />

behandelt. Dies führt zum ähnlichen Ergebnis,<br />

wie in [14], wo eine Änderung von Aufbau- <strong>und</strong><br />

Ablaufstrukturen als Notwendigkeit zur Umstellung<br />

auf die 4. industrielle Revolution beschrieben wird<br />

– resultierend in neuen Geschäfts-, Fertigungs- <strong>und</strong><br />

Produktionsprozessen.<br />

2.1 Architekturmodell<br />

Unter Berücksichtigung der Veränderungen der Informationstechnik<br />

<strong>und</strong> der Informatik wird in [39] die<br />

Diaboloform als neues Architekturmodell der Automatisierung<br />

vorgeschlagen. Dieses Modell bezieht den<br />

Engineering-Lebenszyklus mit ein.<br />

Die Anforderungen von K<strong>und</strong>en <strong>und</strong> Endk<strong>und</strong>en der<br />

Automatisierungstechnik werden in [40] zusammengestellt<br />

<strong>und</strong> diskutiert. In beiden Domänen werden weitgehend<br />

übereinstimmend genannt: Plug-and-play, Modularität,<br />

Versionsmanagement, Datenkonsistenz, Datendurchgängigkeit,<br />

Wiederverwendung sowie Variantenbildung.<br />

Als Bedingungen zur systematischen<br />

Verbesserung des Engineering-Prozesses werden in [13]<br />

Durchgängigkeit der Informationen/Daten sowie Wiederverwendbarkeit<br />

angeführt.<br />

Diese Anforderungen sind mit CPS-Lösungen wie folgt<br />

zu erfüllen:<br />

Durch das Anbieten <strong>und</strong> Nutzen von <strong>Cloud</strong> Services<br />

werden zum einen alle Daten zentral verfügbar,<br />

konsistent gehalten <strong>und</strong> über eine einheitlich<br />

definierte Schnittstelle zugänglich [22]. Zum anderen<br />

können Erweiterungen durch neue Services<br />

leicht angeboten <strong>und</strong> integriert werden; ein Versionsmanagement<br />

ist direkt umsetzbar. In Verbindung<br />

mit <strong>Kontext</strong>sensitivität werden dabei zur<br />

Situation passende Services angeboten <strong>und</strong> genutzt.<br />

XML sowie OPC-UA bieten sich prinzipiell<br />

als Datenformat beziehungsweise Protokoll an.<br />

Praktische Erfahrungen aus anderen Domänen<br />

zeigen aber auch, dass verschiedene XML-Umsetzungen<br />

entstanden sind <strong>und</strong> den Datenaustausch<br />

erschweren.<br />

Spezielle Automatisierungs-Services können direkt<br />

als SaaS in der <strong>Cloud</strong> angeboten werden. Eine Alternative<br />

wäre eine als PaaS angebotene Automatisierungsplattform,<br />

die individuell <strong>und</strong> kontextabhän-<br />

IoS<br />

BILD 3: Verändertes Architekturmodell<br />

durch die Nutzung von <strong>Cloud</strong> Services<br />

<strong>Cloud</strong> <strong>Computing</strong><br />

CPS<br />

IoT<br />

<strong>Kontext</strong>sensitivität<br />

BILD 2: CPS als Verbindung<br />

von IoT, IoS, <strong>Kontext</strong> sensitiviät<br />

<strong>und</strong> <strong>Cloud</strong> <strong>Computing</strong><br />

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

4 / 2013<br />

37

HAUPTBEITRAG<br />

gig auf die speziellen Anforderungen hin konfiguriert<br />

<strong>und</strong> parametrisiert wird.<br />

Plug-and-play sowie Modularitätsanforderungen lassen<br />

sich auf Anlagenseite durch intelligente, miteinander<br />

kommunizierende Komponenten <strong>und</strong> semantisch<br />

definierte Schnittstellen leichter umsetzen.<br />

Als Konsequenz ergibt sich eine Veränderung <strong>und</strong> Erweiterung<br />

des Architekturmodells durch automatisierungsspezifische<br />

<strong>Cloud</strong> Services (AT-<strong>Cloud</strong>) <strong>und</strong> für den Fertigungs-/Produktionsprozess<br />

über den gesamten Anlagenlebenszyklus<br />

hinweg (Bild 3). Diese Services werden ergänzend<br />

zu den bereits heute angebotenen IT-<strong>Cloud</strong>-Services<br />

(auf der Unternehmens- <strong>und</strong> Betriebsleitebene) realisiert.<br />

Als weiterer Vorteil entstehen Services für Lieferanten,<br />

K<strong>und</strong>en oder externe Partner wie Behörden oder TÜV. Ein<br />

umfassender Fernservice durch die Hersteller der Anlagenteile,<br />

Teilanlagen beziehungsweise der gesamten Anlage<br />

ist in dieses Informationsmodell direkt integrierbar.<br />

Eine solche Veränderung erfasst auch die Feldebene,<br />

in der nur die Echtzeit-Komponenten verbleiben, die zur<br />

Steuerung <strong>und</strong> Regelung der Prozesse wichtig sind. Das<br />

heißt, der logische Steuerungsaufbau bleibt erhalten, die<br />

eigentliche Logik löst sich jedoch von der Hardware:<br />

Kommunikations- <strong>und</strong> Echtzeitkomponenten sind im<br />

intelligenten Feldgerät lokalisiert, Nicht-Echtzeitkomponenten<br />

<strong>und</strong> Prozessleitsysteme wandern in die <strong>Cloud</strong>.<br />

So entstehen Automatisierungsplattformen, die Prozessleitfunktionalität<br />

als abrechenbare, transaktionsorientierte<br />

Services anbieten.<br />

Die Feldebene wird durch eine abgestimmte Middleware,<br />

in Verbindung mit einer speziellen Sicherheitsarchitektur<br />

an diese <strong>Cloud</strong>-Lösung angeb<strong>und</strong>en. Trotz<br />

der Verwendung von <strong>Cloud</strong>-Lösungen muss die Sicherheitsarchitektur<br />

gewährleisten, dass beim Ausfall der<br />

Kommunikation Arbeits- <strong>und</strong> Prozesssicherheit gewährleistet<br />

bleiben.<br />

Die interne Struktur des Informationsmodells wurde<br />

im Beitrag bisher nicht im Detail behandelt. Es bietet<br />

sich an, diese Struktur entsprechend der Ausführungen<br />

im Abschnitt 1.3 weiterzuentwickeln [28], aber im Hinblick<br />

auf bekannte Nachteile zu überarbeiten, die zu<br />

Lasten von Prozesssicherheit, Performanz <strong>und</strong> Ressourcennutzung<br />

gehen.<br />

2.2 Anlagenlebenszyklus<br />

BILD 4: SmartFactory-KL-Systemprototyp zur<br />

Erforschung von CPS in der Produktion<br />

Durch ein CPS wird der Anlagenlebenszyklus umfassend<br />

tangiert [7], [41]. Wichtige Anforderungen sind<br />

Durchgängigkeit des Informationsflusses, Interoperabilität<br />

der Engineeringwerkzeuge [9], Wiederverwendbarkeit,<br />

günstige Lebenszykluskosten <strong>und</strong> der Zugriff auf<br />

situationsbezogene Kompetenz. <strong>Cloud</strong>-Lösungen verbessern<br />

<strong>und</strong> gewährleisten die Durchgängigkeit des Informationsflusses<br />

<strong>und</strong> der Interoperabilität über alle Phasen<br />

des Anlagenlebenszyklus durch die zentrale Haltung<br />

<strong>und</strong> die Nutzung wiederverwendbarer Services. Hinzu<br />

kommen Kosteneinsparungen, da für <strong>Cloud</strong>-Services nur<br />

Gebühren anfallen, wenn die Services in Anspruch genommen<br />

werden.<br />

Ein weiterer Vorteil entsteht, weil sich für jede Phase<br />

spezifische Engineeringkompetenz anfordern <strong>und</strong> nutzen<br />

lässt. Dies gilt von der Planung der Anlage über die<br />

Inbetriebnahme bis zur Wartung <strong>und</strong> zur schnellen Reaktion<br />

auf Störfälle. Bei der Inbetriebnahme, bei der<br />

Wartung oder bei Störfällen können virtuelle Anlagenmodelle<br />

zur Simulation oder zur Bereitstellung von<br />

Schnittstellen <strong>und</strong> Testsignalen genutzt werden. Auch<br />

der Rückbau <strong>und</strong> die Entsorgung der Anlagen wird<br />

durch eine <strong>Cloud</strong>-basierende Datenbank mit Informationen<br />

über Materialeigenschaften oder mechanische<br />

Schnittstellen erleichtert.<br />

Einzelne Anlagenteile können ihren Zustand selbst<br />

überwachen <strong>und</strong> zum Beispiel auf Wartungsbedarf oder<br />

Fehler hinweisen. Mit semantischen Schnittstellen ausgestattete<br />

intelligente Anlagenteile <strong>und</strong> Teilanlagen beziehungsweise<br />

deren direkte semantische Charakterisierung<br />

erlauben eine einfache Rekonfiguration oder Erweiterung<br />

einer bestehenden Anlage. <strong>Kontext</strong>bezogene Reaktionen<br />

auf den aktuellen oder erwarteten<br />

Anlagenzustand, auf Vorkenntnisse <strong>und</strong> Erfahrungen<br />

des Bedieners oder auf externe Einflüsse wie Umgebungstemperatur<br />

oder Wettervorhersagen erlauben einen<br />

effizienten <strong>und</strong> ressourcenschonenden Betrieb.<br />

3. ANWENDUNGSBEISPIEL<br />

Die nutzbringende Umsetzung von CPS im Bereich der<br />

Fertigungstechnik erfolgt bereits mit realitätsnahen Systemprototypen.<br />

Ein Beispiel ist die SmartFactory-KL<br />

[44], welche die Prinzipien des IoT <strong>und</strong> IoS erforscht <strong>und</strong><br />

in Form von CPS in die industrielle Anwendung überführt.<br />

Die Umsetzung erfolgt im Rahmen einer CPSbasierten<br />

Produktionslinie für einen Schlüsselfinder.<br />

Sie besteht aus vier Einzelmodulen, einer Werkzeugmaschine,<br />

einer Kommissionierstation mit einem Industrieroboter,<br />

einer Montagestation <strong>und</strong> einer manuellen<br />

Endmontage (Bild 4).<br />

38<br />

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

4 / 2013

BILD 5: Implementierung der Automatisierungsservices<br />

durch eingebettete Systeme an den jeweiligen mechatronischen<br />

Prozessmodulen<br />

BILD 6: Aktive Prozessbeeinflussung<br />

durch intelligenten Werkstückträger<br />

Die Automatisierung der Produktionslinie geschieht<br />

mit Services, die von den mechatronischen Prozessmodulen<br />

zur Verfügung gestellt werden. Jedes dieser<br />

Module ist mit einem eingebetteten System (als Komponente<br />

des IoT) ausgerüstet (Bild 5), auf dem der zeit<strong>und</strong><br />

sicherheitskritische Prozessablauf des mechatronischen<br />

Moduls implementiert ist. Zusätzlich dazu<br />

verfügen diese Systeme über einen Webserver, der<br />

Webservice-Schnittstellen des Prozesses realisiert. Die<br />

Webserver melden die verfügbaren Services nach ihrer<br />

Initialisierung an ein Service Repository. Dieses enthält<br />

alle in der Anlage aufrufbaren Services, deren<br />

syntaktische Interface-Definition sowie die jeweiligen<br />

IP-Adressen, die zum Aufruf der Services benötigt<br />

werden.<br />

Der Prozessablauf der Produktionslinie ist das Ergebnis<br />

der Service-Orchestrierung. Im beschriebenen Fall<br />

findet die Orchestrierung auf einem Industrie-PC mit<br />

dem Tool Grafchart [38] statt, der in das Netzwerk der<br />

Produktionslinie eingeb<strong>und</strong>en ist. Darin sind die syntaktischen<br />

Bezeichnungen der nacheinander oder parallel<br />

auszuführenden Services aufgeführt. Kurz vor dem<br />

Aufruf werden die IP-Adressen aus dem Service-Repository<br />

ermittelt <strong>und</strong> der konkrete Service auf einem konkreten<br />

Gerät wird aufgerufen.<br />

Beispiele für CPS sind der intelligente Werkstückträger<br />

<strong>und</strong> das intelligente Produkt. Das Produkt selbst<br />

verfügt über ein semantisches Produktgedächtnis, welches<br />

als RFID Tag realisiert ist <strong>und</strong> alle Auftrags- <strong>und</strong><br />

Prozessinformationen enthält. Diese werden zu Beginn<br />

des individuellen Produktionsprozesses auf den Tag<br />

geschrieben <strong>und</strong> dienen zur Konfiguration <strong>und</strong> Parametrierung<br />

der Bearbeitungs-, Transport <strong>und</strong> Montageprozesse.<br />

So wird zum Beispiel zur spanenden Bearbeitung<br />

des intelligenten Produkts ein produktindividuelles<br />

Fräsprogramm erzeugt, indem in der Werkzeugmaschine<br />

hinterlegte Subprogramme dynamisch zu<br />

einem übergeordneten Ablaufprogramm zusammengestellt<br />

werden.<br />

Der CPS-Werkstückträger (Bild 6) ist als aktive Komponente<br />

ausgeführt <strong>und</strong> steuert den Materialfluss <strong>und</strong><br />

nimmt durch eingebettete Sensorik, lokale Verarbeitungsintelligenz<br />

<strong>und</strong> drahtlose Kommunikation mit der<br />

Anlagensteuerung aktiv Einfluss auf den Fertigungsprozess.<br />

Obwohl der Werkstückträger über keine Aktorik<br />

verfügt, wird er durch die Nutzung der Transport- <strong>und</strong><br />

Montageservices der Montagestation zu einem aktiven<br />

Element der Produktionslinie.<br />

Durch die Parametrierung <strong>und</strong> Einbindung der entsprechenden<br />

Anlagenservices – abhängig von den im<br />

Produktgedächtnis enthaltenen Auftragsdaten – wird<br />

eine kontextsensitive Automatisierung verwirklicht. Die<br />

automatisierte Produktmontage kann je nach K<strong>und</strong>enwunsch<br />

ressourcenschonend oder zeitlich optimiert<br />

erfolgen. Die dafür notwendigen Prozessvarianten werden<br />

variabel, entsprechend den Auftragsdaten des intelligenten<br />

Produkts, ausgewählt.<br />

Auf technischer Ebene zeigt der Systemprototyp der<br />

SmartFactory-KL <strong>und</strong> des DFKI, wie traditionell hierarchische<br />

Systeme der Automatisierungspyramide durch<br />

verstärkt dezentral intelligente Produktionssysteme substituiert<br />

werden. Anlagenkomponenten lassen sich als<br />

<strong>Dienste</strong> in der realisierten Service-orientierten Architektur<br />

beschreiben <strong>und</strong> bieten damit die Gr<strong>und</strong>lage für rekonfigurierbare<br />

Fabriksysteme, deren Nutzen darin besteht,<br />

eine effiziente Fertigung kleinster Losgrößen bei<br />

gleichzeitig raschen Produktwechseln <strong>und</strong> einer hohen<br />

Variantenvielfalt zu ermöglichen. Das Produkt mit semantischem<br />

Produktgedächtnis funktioniert dabei als<br />

automatisierungstechnische Komponente <strong>und</strong> <strong>Kontext</strong>lieferant<br />

für die Abarbeitung eines Produktionsprozesses.<br />

Perspektivisch zeigt der Systemprototyp, wie die Verfolgung<br />

des evolutionären Trends hin zur technischen<br />

<strong>und</strong> wirtschaftlichen Verschmelzung der virtuellen <strong>und</strong><br />

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

4 / 2013<br />

39

HAUPTBEITRAG<br />

der physischen Welt zu cyber-physischen Systemen die<br />

Voraussetzungen schafft, um Unternehmen <strong>und</strong> Wertschöpfungsnetzwerke<br />

fast in Echtzeit überwachen <strong>und</strong><br />

steuern zu können.<br />

ZUSAMMENFASSUNG<br />

Aus der Betrachtung von CPS, IoT, IoS, <strong>Kontext</strong>sensitivität<br />

<strong>und</strong> <strong>Cloud</strong> <strong>Computing</strong> ergibt sich, dass die Basis-<br />

technologien für eine neue Form der Automatisierungstechnik<br />

weitgehend vorhanden sind. Der Nutzen dieser<br />

neuartigen Automatisierungstechnik wird sich aus deren<br />

Einbettung in Unternehmensprozesse ergeben. Die<br />

Identifikation <strong>und</strong> Spezifikation solch nutzbringender<br />

Anwendungen, zum Beispiel zur Optimierung von technologischen<br />

<strong>und</strong> organisatorischen Prozessen oder der<br />

Bereitstellung von softwarebasierten Mehrwertdiensten,<br />

ist ein kreativer Akt, der Technologiekompetenz <strong>und</strong> ein<br />

hohes Maß an domänenspezifischem Anwendungswis-<br />

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40<br />

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

4 / 2013

sen erfordert. Eine rein technologiegetriebene Sichtweise<br />

auf die Zukunft der Automatisierungstechnik reicht<br />

nicht aus. Nicht die neuen Informations- <strong>und</strong> Kommunikationstechnologien<br />

als solche, sondern deren nutzbringende<br />

Anwendung in Prozessen <strong>und</strong> in Form von<br />

Dienstleistungen eröffnen die Chance zur 4. industriellen<br />

Revolution.<br />

MANUSKRIPTEINGANG<br />

05.12.2012<br />

Im Peer-Review-Verfahren begutachtet<br />

http://paradiso-fp7.eu/files/2011/05/PARADISO_<br />

reference_document_May2011.pdf<br />

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AUTOREN<br />

Dr. JOCHEN SCHLICK (geb. 1974)<br />

promovierte 2005 an der TU Kaiserslautern<br />

im Bereich von kognitiven<br />

Mikromontagesystemen. Nach einer<br />

mehrjährigen Tätigkeit in der<br />

strategischen Produktionsoptimierung<br />

bei Bosch kehrte er 2009 als<br />

stellvertretender Forschungsbereichsleiter<br />

des Forschungsbereichs<br />

Innovative Fabriksysteme (IFS) am Deutschen Forschungszentrum<br />

für Künstliche Intelligenz (DFKI) GmbH<br />

sowie als Forschungskoordinator der Technologie-Initiative<br />

SmartFactory-KL e.V in die Forschung zurück. Der<br />

Schwerpunkt seiner Interessen ist die Integration der<br />

Paradigmen <strong>und</strong> Technologien des Internets der Dinge in<br />

die Produktionstechnik.<br />

Deutsches Forschungszentrum<br />

für Künstliche Intelligenz (DFKI) GmbH,<br />

Trippstadter Straße 122, D-67663 Kaiserslautern,<br />

Tel. +49 (0) 631 205 75 34 05,<br />

E-Mail: jochen.schlick@dfki.de<br />

Dr. PETER STEPHAN (geb. 1980)<br />

studierte Maschinenbau an der TU<br />

Kaiserslautern <strong>und</strong> hat 2012 seine<br />

Promotion im Themenfeld der<br />

„<strong>Kontext</strong>adaptiven Automatisierung“<br />

abgeschlossen. Bis Ende 2012 arbeitete<br />

er als Senior Researcher am Forschungsbereich<br />

Innovative Fabriksysteme<br />

(IFS) am Deutschen Forschungszentrum<br />

für Künstliche Intelligenz (DFKI) GmbH. Seit<br />

2013 ist er im Stab des Bereichsvorstands Mechatronik bei<br />

der Wittenstein AG tätig <strong>und</strong> dort für die Umsetzung von<br />

Industrie 4.0-Paradigmen am Standort Fellbach.<br />

Wittenstein AG,<br />

Walter-Wittenstein-Str. 1,<br />

D-97999 Igersheim<br />

Prof. Dr. THOMAS GREINER<br />

(geb. 1961) ist wissenschaftlicher<br />

Direktor des Instituts für Eingebettete<br />

Systeme (IfES) an der Hochschule<br />

Pforzheim <strong>und</strong> einer der Sprecher des<br />

in Zusammenarbeit mit der Universität<br />

Tübingen angebotenen Promotionskollegs<br />

„Entwurf <strong>und</strong> Architektur<br />

Eingebetteter Systeme“. Seine<br />

Hauptarbeitsgebiete: System- <strong>und</strong> Softwaremodellierung,<br />

<strong>Cloud</strong>-basierende technische Systeme, Entwurf <strong>und</strong><br />

Architektur eingebetteter Systeme.<br />

Hochschule Pforzheim,<br />

Tiefenbronner Str. 65,<br />

D-75175 Pforzheim<br />

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

4 / 2013<br />

41

HAUPTBEITRAG<br />

AutoPnP – Plug-and-produce<br />

in der Automation<br />

Wandelbare Fabrik als cyber-physisches System<br />

Produktionssysteme sind steigenden Schwankungen f<strong>und</strong>amentaler Eingangsgrößen ausgesetzt.<br />

Dynamische Anforderungen hinsichtlich Stückzahlen, Varianten, Durchlaufzeiten<br />

<strong>und</strong> Kosten erfordern ein hohes Maß an Wandlungsfähigkeit. Um diesen Trend zu<br />

unterstützen, präsentieren die Autoren im Beitrag einen Ansatz zu Plug-and-produce in<br />

der industriellen Produktion. Er ermöglicht es, den Konfigurationsaufwand während der<br />

Erst- <strong>und</strong> Änderungsinbetriebnahme zu verringern. Der Ansatz nutzt Modelle zur Selbstbeschreibung<br />

der Systemkomponenten. Neben der Modellierung der Komponenten zur<br />

Entwicklungszeit wird Models@Run-time zur Darstellung der Fabrikkonfiguration eingesetzt.<br />

Dies erlaubt die Bearbeitungsstationen in der Produktion automatisch zu erkennen<br />

<strong>und</strong> in die Produktionsumgebung zu integrieren.<br />

SCHLAGWÖRTER Wandlungsfähigkeit / Plug-and-produce / Selbstbeschreibung /<br />

Models@Run-time<br />

AutoPnP – Plug-and-produce in the automation industry<br />

Transformable factory as a cyber-physical system<br />

Production systems are subject to increasing fluctuations of f<strong>und</strong>amental input parameters.<br />

Dynamic requirements regarding lot size, product variants, lead times, and costs call for<br />

a high degree of flexibility. To keep-up with these trends, we present an approach to support<br />

plug-and-produce. This helps to reduce the configuration effort required for settingup<br />

and changing a system. Models are used for the self-description of components. These<br />

models are not only used during development time but also during run-time, where we<br />

construct a model of the current production setup. The stations in the factory are automatically<br />

detected and integrated into the production process.<br />

KEYWORDS transformability / plug-and-produce / self-description / models@run-time<br />

42<br />

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

4 / 2013

GERD KAINZ, Fortiss<br />

NADINE KEDDIS, Fortiss<br />

DIRK PENSKY, Festo Didactic<br />

CHRISTIAN BUCKL, Fortiss<br />

ALOIS ZOITL, Fortiss<br />

REINHARD PITTSCHELLIS, Festo Didactic<br />

BERND KÄRCHER, Festo<br />

Die Nachfrage nach anpassbaren Produktionssystemen<br />

ist wegen der Turbulenzen im Markt<br />

stark gestiegen. Diese Turbulenzen entstehen<br />

durch neue Technologien, Umweltanforderungen<br />

(zum Beispiel knappe Ressourcen) sowie<br />

durch politische, gesellschaftliche <strong>und</strong> ökonomische<br />

Veränderungen [1]. Zusätzlich verschiebt sich in der Produktion<br />

der Trend weg von der Massenproduktion hin<br />

zu personalisierten Produkten.<br />

Daneben werden die Lebenszyklen der Produkte immer<br />

kürzer, die Anzahl der Varianten pro Produkt steigt<br />

<strong>und</strong> die Stückzahlen je Produktvariante gehen stark zurück.<br />

Deswegen müssen Produktionssysteme zunehmend<br />

adaptiv sein, sich schnell an neue Anforderungen<br />

<strong>und</strong> Produkte anpassen lassen <strong>und</strong> die Herstellung verschiedener<br />

Varianten eines Produktes gleichzeitig unterstützen.<br />

Um diese Anforderungen zu erfüllen, müssen<br />

die Rüstzeiten in der Produktion minimiert <strong>und</strong> die<br />

Wandlungsfähigkeit der Fabriken erhöht werden [7]. Diese<br />

Trends verdeutlicht Bild 1 <strong>und</strong> sie sind Schwerpunkt<br />

von Forschungsprojekten wie zum Beispiel Manu<strong>Cloud</strong><br />

(www.manucloud-project.eu/). Die Projekte befassen<br />

sich vor allem mit der Flexibilisierung von Produktionsabläufen<br />

mit vorgegebenen Produktionsressourcen, welche<br />

über flexible Transportsysteme verb<strong>und</strong>en sind. Der<br />

im Beitrag beschriebene Ansatz behandelt die mechanische<br />

Veränderung der Produktionsanlage <strong>und</strong> die sich<br />

daraus ergebenden Implikationen <strong>und</strong> Anforderungen.<br />

1. DIE WANDELBARE FABRIK<br />

Eine Fabrik enthält viele Sensoren <strong>und</strong> Aktoren <strong>und</strong><br />

ist Teil eines digitalen Netzes, das Maschinen eines<br />

Standortes untereinander vernetzt <strong>und</strong> standortübergreifend<br />

Vorgänge verbindet. Änderungen in der Fabrik<br />

sind mit einem hohen manuellen Aufwand bei der Planung<br />

<strong>und</strong> Inbetriebnahme [3] sowie der manuellen<br />

Neukonfiguration der IT-Systeme verb<strong>und</strong>en. Neben<br />

den Bemühungen, die Modularisierung der Fabrik auf<br />

mechanischer, elektrischer <strong>und</strong> pneumatischer Ebene<br />

voranzutreiben müssen insbesondere die IT-Systeme<br />

modularisiert <strong>und</strong> flexibilisiert werden [4], um neue<br />

Komponenten einfach in das bestehende System integrieren<br />

zu können <strong>und</strong> die Vision von adaptiven Produktionsumgebungen<br />

zu erreichen.<br />

Ferner müssen künftige Produktionssysteme weitere<br />

<strong>Dienste</strong> wie Selbstbeschreibung, Selbstkonfiguration,<br />

Datenbeschaffung, Echtzeitüberwachung <strong>und</strong> Produktionsplanung<br />

anbieten, um sich selbstständig an neue<br />

Fertigungsaufgaben anpassen zu können <strong>und</strong> so den<br />

Konfigurationsaufwand zu minimieren [5]. Des Weiteren<br />

sollen manufacturing execution systems (MES) mit dem<br />

höchstmöglichen Automatisierungsgrad aktualisiert <strong>und</strong><br />

konsistent gehalten werden [4], sodass sie jederzeit den<br />

tatsächlichen Fabrikzustand widerspiegeln.<br />

Im Zuge der Vernetzung unterschiedlicher Systeme<br />

bringt das Konzept der cyber-physischen Systeme (CPS)<br />

viele Potenziale <strong>und</strong> damit einen Mehrwert mit sich [5].<br />

Die Vorteile liegen unter anderem in den Bereichen Interoperabilität,<br />

Engineering <strong>und</strong> Modularität. CPS beschreiben<br />

den Trend, dass einzelne Module immer intelligenter<br />

werden <strong>und</strong> sich mit anderen Modulen zu größeren Systemen<br />

koppeln können. Übertragen auf die Automatisierungstechnik<br />

(AT) bedeutet dies, dass Subsysteme fähig<br />

sind, sich teil-autonom zu Produktionsanlagen zu verbinden.<br />

Aktuelle Fortschritte in der Informations- <strong>und</strong> Kommunikationstechnologie<br />

(IKT) ermöglichen diesen Trend.<br />

In der AT spielen IKT <strong>und</strong> das CPS-Konzept als Basis für<br />

<strong>und</strong> Erhöhung der Wandlungsfähigkeit <strong>und</strong> Flexibilisierung<br />

eine immer größere Rolle [2].<br />

Das Ziel des Verb<strong>und</strong>projekts AutoPnP (www.autopnp.<br />

com/), welches im Rahmen des Autonomik-Programms<br />

durch das B<strong>und</strong>esministerium für Wirtschaft <strong>und</strong> Technologie<br />

(BMWi) gefördert wird, ist es, die notwendige<br />

Modularität auf mechatronischer <strong>und</strong> auf IT-Ebene zu<br />

erreichen <strong>und</strong> so die Adaptivität von Produktionsanlagen<br />

wesentlich zu steigern. Dazu wurde ein modell-basierter<br />

Plug-and-produce-Ansatz entwickelt, um den<br />

manuellen Aufwand für die Inbetriebnahme <strong>und</strong> Rekonfiguration<br />

von Fabriken in Verbindung mit dem IT-System<br />

zu reduzieren. Die Prozesse werden dabei automa-<br />

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

4 / 2013<br />

43

HAUPTBEITRAG<br />

tisiert, sodass die Fabrik kostengünstig <strong>und</strong> schnell anpassbar<br />

<strong>und</strong> somit wandlungsfähig wird. Künftig ist es<br />

damit möglich, eine Produktionslinie umzukonfigurieren,<br />

siehe Bild 2, wobei der Aufwand für die Änderungsinbetriebnahme<br />

der Gesamtsysteme minimal ist.<br />

Eine wesentliche Anforderung für die schnelle Anpassung<br />

von IT-Systemen sind Informationen über die<br />

aktuelle Systemkonfiguration (im behandelten Fall das<br />

Layout der Produktionsanlage) <strong>und</strong> eine maschinenlesbare<br />

Beschreibung von Funktion <strong>und</strong> Aufgaben.<br />

Insbesondere müssen die Systeme fähig sein, sich<br />

selbst zu beschreiben. Diese Daten werden in Modellen<br />

abgelegt, die zwischen Steuerungen <strong>und</strong> über Systemgrenzen<br />

hinweg ausgetauscht werden können. Dabei<br />

kommen Modelle während der Entwicklung <strong>und</strong> zur<br />

Laufzeit zum Einsatz. Dieses Konzept ist als Mo dels@<br />

Run-time bekannt [8]. Die Modelle enthalten alle notwendigen<br />

Informationen über das System <strong>und</strong> stehen<br />

den Teilsystemen zur Weiterverarbeitung zur Verfügung.<br />

Bei der wandelbaren Fabrik bedeutet das: Das<br />

Produktionssystem verändert die Modelle, um so den<br />

aktuellen Zustand der Fabrik auf Modellebene zu reflektieren.<br />

Dadurch kann der Anwender mit IT-Werkzeugen<br />

Änderungen im Produktionsablauf auf Modellebene<br />

automatisiert berechnen <strong>und</strong> anschließend auf<br />

Systemebene anstoßen. Zu diesen Zweck beschreiben<br />

die Autoren die einzelnen Stationen <strong>und</strong> deren Fähigkeiten<br />

mithilfe von Modellen. Eine Stations- <strong>und</strong> Nachbarschaftserkennung<br />

ermöglicht es, das Gesamtmodell<br />

der Fabrik dynamisch zur Laufzeit aufzubauen. Dieses<br />

Laufzeitmodell wird durch ein MES für die Produktionsplanung<br />

<strong>und</strong> -steuerung herangezogen, um automatisch<br />

Abläufe für die Bearbeitung von Produktionsaufträgen<br />

zu generieren.<br />

2. MODELLIERUNG<br />

Wie zuvor beschrieben, geht es darum, den Aufwand bei<br />

der Erstellung <strong>und</strong> Änderung einer Produktionsumgebung<br />

zu reduzieren. Um dieses Ziel zu erreichen, wird<br />

eine umfassende Systemmodellierung verwendet. Diese<br />

beinhaltet die Modellierung der Stationstypen (Maschinen<br />

<strong>und</strong> manuelle Arbeitsplätze), der aktuellen Konfiguration<br />

aller Komponenten <strong>und</strong> der Produktionspläne für<br />

die unterschiedlichen Produkte <strong>und</strong> deren Varianten.<br />

Das MES verwendet später die einzelnen Modelle dazu,<br />

eine Feinplanung der Produktion vorzunehmen. Die Produktion<br />

<strong>und</strong> damit die zugehörigen Modelle können sich<br />

während des Betriebs ändern. Diese Änderungen werden<br />

unmittelbar erkannt <strong>und</strong> an das MES weitergereicht,<br />

wodurch schneller, beispielsweise auf Maschinenstörungen,<br />

Änderungen laufender Aufträge oder Qualitätsprobleme,<br />

reagiert werden kann.<br />

2.1 Modellierung der Stationstypen<br />

Die Stationstypmodellierung dient dazu, die Fähigkeiten<br />

von Stationen <strong>und</strong> deren internen Aufbau zu beschreiben.<br />

Fähigkeiten sagen aus, welche Bearbeitungsschritte<br />

die jeweilige Station unterstützt. Um die Stationsmodellierung<br />

zu vereinfachen, ist diese auf mehrere Schritte<br />

aufgeteilt: Modellierung der Fähigkeiten, der Module<br />

<strong>und</strong> der Stationstypen. Die Schritte bauen aufeinander<br />

auf <strong>und</strong> ergeben ein System nach dem Baukastenprinzip,<br />

bei dem nachfolgende Schritte die Ergebnisse der vorangegangenen<br />

Schritte wiederverwenden. Bild 3 zeigt das<br />

Prinzip der Stationstypmodellierung.<br />

Fähigkeitenmodellierung<br />

Im ersten Schritt werden die unterschiedlichen Fähigkeiten<br />

modelliert. Diese stellen die Bearbeitungsverfahren<br />

dar, wie zum Beispiel Bohren oder Transportieren,<br />

<strong>und</strong> lassen sich um zusätzliche Attribute erweitern, die<br />

zur genaueren Beschreibung dienen können. Beispiele<br />

sind Materialart, Durchmesser <strong>und</strong> Werkstückgröße<br />

beim Bohren.<br />

Modulmodellierung<br />

Basierend auf den im ersten Schritt modellierten Fähigkeiten<br />

lassen sich anschließend einzelne Module erstellen.<br />

Ein Modul ist eine Menge von Komponenten, die<br />

zusammen eine oder mehrere Aufgaben ausführen. Das<br />

Modul Bohren könnte zum Beispiel aus einem Bohrer<br />

<strong>und</strong> einer Linearachse zum Absenken des Bohrkopfes<br />

bestehen. Hier lassen sich nun die Werte für die Attribute<br />

der Fähigkeiten angeben. So kann das Bohrmodul<br />

A ausschließlich Löcher mit einem Durchmesser zwischen<br />

2 <strong>und</strong> 10 mm in metallische Werkstücke bohren.<br />

Neben der Zuordnung der Fähigkeiten zu den Modulen<br />

wird der interne Materialfluss eines Moduls beschrieben.<br />

Dies ist bei Modulen interessant, die zusätzlich zum Bearbeitungsprozess<br />

oder ausschließlich einen Transport<br />

durchführen, wie ein Förderband.<br />

Stationstypenmodellierung<br />

Nachdem die Module erstellt sind, können diese zu Bearbeitungsstationen<br />

zusammengefügt werden. Dazu<br />

muss der Materialfluss zwischen den einzelnen Modulen<br />

angegeben werden. Dies erfolgt durch das Abbilden des<br />

Ausgangs eines Moduls auf den Eingang eines anderen<br />

Moduls. Mit der Modellierung der Stationstypen endet<br />

die Stationsbeschreibung, welche für jeden Stationstyp<br />

einmal bei der Entwicklung durchgeführt werden muss<br />

<strong>und</strong> dann gemeinsam mit den jeweiligen Stationen ausgeliefert<br />

wird.<br />

2.2 Modellierung der Fertigung<br />

Die Basis für die Planung durch das MES bildet ein<br />

Modell des aktuellen Zustandes der Produktion. Dieses<br />

Modell muss neben den verfügbaren Stationen <strong>und</strong> deren<br />

Zuständen auch Informationen über deren Lage<br />

<strong>und</strong> deren Verknüpfungen untereinander enthalten.<br />

Dabei wird zwischen Stationen innerhalb einer Produktionslinie<br />

<strong>und</strong> Stationen in Fertigungsinseln unterschieden.<br />

Im ersten Fall gibt es eine direkte Materialübergabe<br />

zwischen den Stationen. Im zweiten Fall<br />

haben die Stationen eine gesonderte Materialzu- <strong>und</strong><br />

-abführung, die entweder durch ein flexibles Förder-<br />

44<br />

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

4 / 2013

andsystem, Menschen oder durch mobile Roboter sowie<br />

autonome Transportfahrzeuge erfolgen kann. Das<br />

MES nutzt dann die Informationen dazu, geeignete<br />

Stationen für die Bearbeitung eines Produktionsauftrages<br />

auszuwählen <strong>und</strong> den Materialfluss zwischen den<br />

Stationen sicherzustellen.<br />

Im Gegensatz zur Stationstypenmodellierung erfolgt<br />

der Aufbau des Produktionsmodells nicht durch den<br />

Benutzer, sondern wird autonom durch das System aufgebaut<br />

<strong>und</strong> an Änderungen angepasst. Diese Technik ist<br />

als Models@Run-time (8) bekannt <strong>und</strong> dient dazu, Systemen<br />

ein besseres Selbstverständnis zu geben <strong>und</strong> dadurch<br />

deren Autonomie zu erhöhen. Da das Modell der<br />

Produktion automatisch aktualisiert wird, enthält es<br />

immer den aktuellen Zustand. Diese Aktualität nutzt das<br />

MES dazu, rasch auf Veränderungen, wie Integration<br />

oder Ausfall einer Station, in der Produktion zu reagieren<br />

<strong>und</strong> gegebenenfalls eine Umplanung vorzunehmen.<br />

Der genaue Ablauf der Stationserkennung, der Bestimmung<br />

der Lage <strong>und</strong> der Verknüpfungen zwischen den<br />

Stationen wird in Abschnitt 3 beschrieben.<br />

2.3 Modellierung der Produktionspläne<br />

Neben der Topologie der Produktion benötigt das MES<br />

noch Informationen zur Herstellung der einzelnen Produkte.<br />

Diese Anweisungen werden in Arbeitsplänen<br />

hinterlegt <strong>und</strong> enthalten die Information, in welcher<br />

Reihenfolge die Bearbeitungsschritte ausgeführt werden<br />

müssen, um ein Produkt herzustellen. Außerdem<br />

beinhaltet der Arbeitsplan, welche Betriebsmittel,<br />

Hilfsstoffe <strong>und</strong> Halberzeugnisse für einen Produktionsschritt<br />

notwendig sind. Zusätzlich zur Angabe des Bearbeitungsschrittes<br />

(in unserem Fall der benötigten<br />

Fähigkeit) können noch detaillierte Anforderungen an<br />

den Bearbeitungsschritt gestellt werden. Ein Beispiel<br />

ist die Werkstückgröße, die implizit zum Ausschluss<br />

einer Station führt, wenn die Stückgröße die maximale<br />

Bearbeitungsgröße übersteigt.<br />

2.4 Modellierungsaufwand <strong>und</strong> Komplexität<br />

Um den Ansatz zu realisieren, musste jeder vorhandene<br />

Stationstyp einmal modelliert werden, um später als<br />

Selbstbeschreibung der Station dienen zu können. Für<br />

die verwendete Beispielanlage mit sechs verschiedenen<br />

Stationstypen betrug der Modellierungsaufwand insgesamt<br />

eine Woche. Dabei ließen sich alle genannten Konzepte<br />

umsetzen, sodass eine vollständige Beschreibung<br />

als Ergebnis zur Verfügung steht. Das resultierende Fabrikmodell<br />

besteht aus 50 Objekten <strong>und</strong> ist von der Komplexität<br />

her noch überschaubar. Im Bereich der Montageautomation<br />

ist dies eine sehr gute Ausgangssituation,<br />

da die Gr<strong>und</strong>funktionen der meisten Stationen ähnlich<br />

Heute<br />

Zukunft<br />

Batch-Größe<br />

Varianz in der Produktion<br />

Flexibilität der Produktion<br />

K<strong>und</strong>enspezifizierung<br />

Nachhaltigkeit<br />

Digital. & Vernetzung<br />

Soziale Aspekte<br />

Batch-Größe<br />

Varianz in der Produktion<br />

Plug&Produce<br />

Produktion<br />

Flexibilität der Produktion<br />

BILD 1: Trend in<br />

der Produktion<br />

Komplexität der Produktion<br />

Komplexität der Produktion<br />

Anmerkung: Die sozialen Aspekte einer zukünftigen Produktion sind ein wichtiges, umfangreiches <strong>und</strong><br />

eigenständiges Thema. Aus Gründen der Reduktion des Umfangs werden sie in dieser Studie nicht weiter erwähnt.<br />

Verteilen<br />

Bearbeiten<br />

Montieren<br />

Versenden<br />

Förderband<br />

Schnelles<br />

Anpassen<br />

Verteilen<br />

Bearbeiten<br />

FTS<br />

Förderband<br />

Montieren 1<br />

Montieren 2<br />

BILD 2: Anpassung des Produktionssystems.<br />

Die Stationen <strong>und</strong> die Produktionslinie werden<br />

umkonfiguriert, um den Durchsatz zu erhöhen<br />

oder um neue Produkte oder deren Varianten<br />

zu produzieren.<br />

Versenden<br />

FTS: Flexibles Transportsystem<br />

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

4 / 2013<br />

45

HAUPTBEITRAG<br />

Bohrer<br />

Bohren<br />

Bohren<br />

Bohrer<br />

Bearbeiten<br />

Förderband<br />

Transport<br />

Förderband<br />

Bohren<br />

Transport<br />

Transport<br />

Bereitstellen Bearbeiten Versenden<br />

BILD 3: Modellierung der Stationstypen <strong>und</strong> einer<br />

exemplarischen Produktionslinie. Die grauen Pfeile<br />

separieren die einzelnen Schritte bei der Modellierung:<br />

Fähigkeiten, Module, Stationstypen <strong>und</strong><br />

Produktion mit Stationen.<br />

BILD 4: Aufbau des<br />

Demonstrators<br />

bestehend aus sechs<br />

Stationen zur<br />

Fertigung eines<br />

Thermometers<br />

sind <strong>und</strong> daher für weitere <strong>und</strong>/oder größere Anlagen<br />

nur mit geringem zusätzlichen Modellierungsaufwand<br />

zu rechnen ist [9].<br />

3. STATIONS- UND NACHBARSCHAFTSERKENNUNG<br />

Um die Produktion zu planen <strong>und</strong> schnell auf Veränderungen<br />

reagieren zu können, benötigt ein MES aktuelle<br />

Informationen über vorhandene Ressourcen sowie mögliche<br />

Materialflüsse. Diese Informationen werden aus<br />

dem Laufzeitmodell gewonnen, welches auf Basis der<br />

Modellierung der Module <strong>und</strong> Stationstypen sowie deren<br />

Fähigkeiten aufgebaut wird. Das Laufzeitmodell,<br />

welches den aktuellen Zustand der Produktion widerspiegelt,<br />

wird in zwei Schritten erzeugt. Im ersten Schritt<br />

wird ermittelt, welche Stationen welches Typs in der<br />

Fabrik vorhanden sind. Daraus folgt, welche Operationen<br />

<strong>und</strong> Arbeitsvorgänge prinzipiell in der Anlage durchgeführt<br />

werden können. Im zweiten Schritt wird ermittelt,<br />

wie die Stationen miteinander verb<strong>und</strong>en sind, um mögliche<br />

Materialflüsse zu berechnen.<br />

3.1 Stationserkennung<br />

Das System muss zu jedem Zeitpunkt über die Information<br />

verfügen, welche Stationen für die Produktion zur<br />

Verfügung stehen, um effizient die Abarbeitung von Aufträgen<br />

zu planen <strong>und</strong> schnell auf Veränderungen reagieren<br />

zu können. Diese Information wird in einem Fabrikmodell<br />

abgelegt. Der Vorgang wird vollständig automatisiert<br />

durchgeführt, um den manuellen Aufwand zu<br />

reduzieren. Jede Station enthält dabei eine Selbstbeschreibung,<br />

woraus sich der Stationstyp ermitteln lässt.<br />

Die Selbstbeschreibung ist das Modell zur Beschreibung<br />

der Stationstypen, das auf den Modellen zur Beschreibung<br />

von Fähigkeiten <strong>und</strong> Modulen basiert. Je nachdem,<br />

in welchem Umfang Speicherressourcen zur Verfügung<br />

stehen <strong>und</strong> wie leistungsfähig das Steuerungssystem ist,<br />

kann dabei das komplette Modell in der Steuerung abgelegt<br />

werden oder nur eine Kennung, die auf das Modell<br />

verweist. Die Modelle mit den kompletten Typenbeschreibungen<br />

können im zweiten Fall in einer Datenbank<br />

zum Abruf hinterlegt werden.<br />

Um die in der Fabrik vorhandenen Stationen zu erkennen,<br />

sendet jede Station periodisch ein Lebenszeichen<br />

an den Leitrechner zusammen mit einer Stationskennung.<br />

Der Leitrechner verarbeitet alle Lebenszeichen<br />

<strong>und</strong> erkennt, wenn neue Stationen in der Produktion<br />

hinzukommen. Wenn eine Station aufgr<strong>und</strong> einer<br />

Störung keine Lebenszeichen mehr sendet oder abgebaut<br />

wurde, wird dies ebenfalls durch die Stationserkennung<br />

bemerkt <strong>und</strong> die Station für die weitere Produktionsplanung<br />

ausgeschlossen. Dadurch werden die<br />

Planung mit defekten Stationen <strong>und</strong> damit verb<strong>und</strong>ene<br />

46<br />

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

4 / 2013

Produktionsstillstände vermieden. Der Leitrechner<br />

nutzt die Typinformation der Station, die in den Lebenszeichen<br />

enthalten ist, auch für die Produktionsplanung.<br />

Über die vorhandenen Typen stellt das Leitsystem fest,<br />

ob alle Arbeitsvorgänge für die Herstellung des gewünschten<br />

Produktes mit den vorhandenen Ressourcen<br />

abgedeckt werden können <strong>und</strong> die Produktion gestartet<br />

werden darf.<br />

3.2 Nachbarschaftserkennung<br />

Neben der Erkennung vorhandener Stationen in der Fabrik<br />

geht es darum, mögliche Materialflüsse zu erkennen.<br />

Dieser Schritt ist notwendig, um gültige Produktionsabläufe<br />

zu generieren. Um den Materialfluss zu bestimmen,<br />

müssen die Verbindungen zwischen Stationen<br />

erkannt/dedektiert werden. Die Erkennung soll möglichst<br />

automatisch ablaufen, um den manuellen Aufwand<br />

zu reduzieren.<br />

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, um die Nachbarschaftsbeziehungen<br />

zu ermitteln. Wenn die Stationen<br />

als Produktionslinie angeordnet sind, braucht es dedizierte<br />

Leitungen/Stecker, die zum Austausch von einfachen<br />

I/O-Signalen genutzt werden. Im einfachsten Fall<br />

sind die Stationen mit einem Draht verb<strong>und</strong>en, <strong>und</strong> die<br />

Stationen müssten dann nur den Eingang setzen oder<br />

den Ausgang lesen. Bei Fertigungsinseln, die von einem<br />

mobilen Roboter bedient werden, lassen sich Marker einsetzen.<br />

Der Roboter erkennt in diesem Fall die verschiedenen<br />

Stationen über eindeutige Markierungen. Die erkannten<br />

Verbindungen zwischen den Stationen bilden<br />

Interaktionspunkte, die für den Materialaustausch genutzt<br />

werden.<br />

Um die Nachbarschaft zu erkennen, wird ein Algorithmus<br />

vom Leitrechner angestoßen. Dabei sendet jede<br />

beteiligte Station auf Anforderung des Leitrechners ein<br />

definiertes Signal. Die Station, die dieses Signal empfängt,<br />

leitet das an den Leitrechner weiter. Dadurch lässt<br />

sich bestimmen, welche Stationen benachbart sind. Diese<br />

Information wird in das Fabrikmodell eingetragen. Je<br />

nachdem, wie leistungsfähig die Hardware ist <strong>und</strong> welche<br />

Verbindungen zum Austausch der Nachbarschaftssignale<br />

verwendet werden, kann der Erkennungsalgorithmus<br />

nebenläufig ausgeführt werden. Wenn keine<br />

nebenläufige Ausführung möglich ist, muss die Produktion<br />

zu einem geeigneten Zeitpunkt angehalten werden<br />

<strong>und</strong> die Stationen müssen in einen Zustand zur Nachbarschaftserkennung<br />

wechseln. Dies ist notwendig, um<br />

Schäden an Produkten <strong>und</strong> Infrastruktur zu vermeiden.<br />

Sobald alle Stationen in den Zustand gewechselt sind,<br />

wird der Algorithmus wie oben beschrieben durchgeführt.<br />

Nach der Erkennung wechseln die Stationen wieder<br />

in ihren bisherigen Zustand zurück.<br />

Da das Leitsystem die Materialflussinformationen für<br />

die Planung benötigt, sind darüber hinaus Informationen<br />

über die Richtung des Materialflusses erforderlich. Allerdings<br />

lässt sich die Richtung nicht durch den Erkennungsalgorithmus<br />

feststellen. Neben der Erkennung der benachbarten<br />

Stationen wird daher die Typinformation aus dem<br />

Stationstypmodell dazu verwendet, die Richtung zu bestimmen.<br />

In dem Modell werden dazu für jeden Stationstyp<br />

Interaktionspunkte definiert, an denen Material zwischen<br />

den Stationen ausgetauscht werden kann. Diese<br />

entsprechen den realen Verbindungen, die erkannt werden.<br />

Jeder Interaktionspunkt kann dabei ein Eingabe-,<br />

Ausgabe- oder Ein-/Ausgabepunkt sein. Wenn zwei benachbarte<br />

Stationen ermittelt wurden, werden die jeweiligen<br />

Interaktionspunkte betrachtet <strong>und</strong> daraus die Richtung<br />

abgeleitet. Dabei lassen sich Fehlkonfigurationen<br />

feststellen, wenn zum Beispiel zwei Eingabepunkte miteinander<br />

verb<strong>und</strong>en sind.<br />

4. EVALUIERUNG DER KONZEPTE AN EINER<br />

BEISPIELANLAGE<br />

Ausgangspunkt der Betrachtung ist das Modular Production<br />

System (MPS) von Festo. Dieses besteht aus modularen<br />

Stationen, die in einer Produktionslinie mit einander<br />

verb<strong>und</strong>en werden können. Dabei wartet jede<br />

Station auf Material <strong>und</strong> beginnt automatisch mit einem<br />

vorher festgelegten Bearbeitungsschritt.<br />

Die Stationen sind bereits aus mechanischer Sicht<br />

aufeinander abgestimmt <strong>und</strong> lassen sich mit geringem<br />

Aufwand integrieren. Um unterschiedliche Produkte<br />

<strong>und</strong> deren Varianten mit diesem Aufbau fertigen zu können,<br />

fehlt eine Anbindung an einen übergeordneten<br />

Leitrechner, der sich um die Steuerung der Anlage kümmert.<br />

Der Leitrechner übernimmt dann Aufgaben wie<br />

Rezeptwahl <strong>und</strong> Produktionsstart. Um die Anbindung<br />

an ein MES zu realisieren, wurden die Steuerungsprogramme<br />

der Stationen modularisiert <strong>und</strong> um Module<br />

zur Anbindung an einen Leitrechner erweitert. Dabei<br />

wurde – entgegen bisheriger Ansätze in der Industrie<br />

– neben der Kommunikation von Steuerungsbefehlen<br />

gleichzeitig ein automatischer Integrationsmechanismus<br />

aufgebaut. Dieser Integrationsmechanismus ist ausschlaggebend<br />

dafür, dass sich MPS-Stationen nach deren<br />

Aufbau in der Produktion selbstständig beim Leitrechner<br />

melden <strong>und</strong> automatisch in die Produktionsumgebung<br />

integriert werden.<br />

Für die Kommunikation der SPS-Steuerungen mit dem<br />

Leitrechner wird ein Message Passing Interface (MPI)-<br />

Bus verwendet, der periodisch vom Leitrechner auf Veränderung<br />

der Teilnehmer abgefragt wird. Der MPI-Bus<br />

wird ebenso dazu eingesetzt, Daten <strong>und</strong> Steuerbefehle<br />

zwischen den Steuerungen <strong>und</strong> dem Leitrechner auszutauschen.<br />

Neben den SPS-Steuerungen sind zusätzlich<br />

Mikrocontroller im Einsatz, die über Ethernet mit dem<br />

Leitrechner verb<strong>und</strong>en sind <strong>und</strong> sich periodisch bei diesem<br />

melden. Für die Nachbarschaftserkennung wurden<br />

Lichtschranken zwischen den Stationen verwendet.<br />

Bild 4 zeigt den Aufbau des Demonstrators.<br />

Um die Komplexität zur Vernetzung der Stationen in der<br />

Produktion zu verringern, wird die Middleware Chromosome<br />

von Fortiss verwendet. Diese organisiert die Kommunikation<br />

zwischen den Komponenten des Systems auf der<br />

Basis des Publish/Subscribe-Prinzips. Jede Komponente<br />

spezifiziert, hierfür welche Daten sie für ihre Berechnungen<br />

benötigt <strong>und</strong> welche Daten sie zur Verfügung stellen<br />

kann. Die Middleware richtet anschließend entsprechende<br />

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

4 / 2013<br />

47

HAUPTBEITRAG<br />

Kommunikationskanäle ein, die für den tatsächlichen Datenaustausch<br />

genutzt werden. Der manuelle Aufwand zur<br />

Konfiguration der Kommunikationskanäle entfällt.<br />

Die Middleware wird zur horizontalen <strong>und</strong> zur vertikalen<br />

Integration genutzt. Das bedeutet, dass die Kommunikation<br />

zwischen Produktion <strong>und</strong> MES sowie zwischen<br />

den verschiedenen Steuerungen über die Middleware<br />

durchgeführt wird. Die Middleware ermöglicht es<br />

den Anwendungen, dadurch Daten auszutauschen, unabhängig<br />

davon mit wem (SPS, Mikrocontroller oder PC)<br />

sie in welcher Art <strong>und</strong> Weise (mit welcher Technologie)<br />

kommunizieren müssen beziehungsweise in welchem<br />

Teil der jeweilige Kommunikationspartner integriert ist.<br />

Mit dieser Fähigkeit bietet die Middleware die Ausgangsbasis<br />

zur einfachen Integration heterogener Steuerungen<br />

in die Produktion <strong>und</strong> erübrigt durch die automatische<br />

Herstellung der Kommunikation eine aufwendige Systemkonfiguration.<br />

Zusätzlich lässt sich die Middleware dazu nutzen, die<br />

lokale Produktionsumgebung mit anderen Standorten eines<br />

Unternehmens sowie anderen Systemen, zum Beispiel<br />

einem Smart Grid, zu vernetzen. Zudem bietet das Publish/Subscribe-Prinzip<br />

der Middleware eine Lösung, um<br />

eine lose Kopplung zwischen interagierenden Anwendungen<br />

herzustellen. Dies wird insbesondere unter dem Gesichtspunkt<br />

des Entstehens von cyber-physischen Systemen<br />

immer wichtiger, da dadurch eine gute Austauschbarkeit<br />

<strong>und</strong> Integration von Anwendungen möglich wird.<br />

Die Evaluierung hat gezeigt, dass der Ansatz für vereinfachte<br />

Beispielmodellanlagen die Ziele erreicht <strong>und</strong><br />

das Umkonfigurieren der Anlage deutlich vereinfacht.<br />

Allerdings handelt es sich noch um erste Ergebnisse eines<br />

Forschungsprojektes. Um den Ansatz in der Industrie<br />

nutzbar zu machen, ist es notwendig, die Konzepte<br />

an größeren Forschungs- <strong>und</strong> realen Produktionsanlagen<br />

detailliert zu evaluieren.<br />

REFERENZEN<br />

AUTOREN<br />

[1] Nyhuis, P.: Wandlungsfähige Produktionssysteme:<br />

Heute die Industrie von morgen gestalten. Produktionstechnisches<br />

Zentrum 2008<br />

[2] Vogel-Heuser, B., Kegel, G., Bender, K., Wucherer, K.:<br />

Global Information Architecture for Industrial<br />

Automation, <strong>atp</strong> – Automatisierungstechnische Praxis<br />

51(9), S. 108-115, 2009<br />

[3] Zäh, M.-F., Beetz, M., Shea, K., Reinhart, G., Stursberg,<br />

O., Ostgathe, M., Lau, C., Ertelt, C., Pangercic, D., Rühr,<br />

T. u.a.: An Integrated Approach to Realize the Coginitive<br />

Machine Shop. In: Proc. 1st Int. Workshop on Cognition<br />

for Technical Systems, S. 6-8. Technische Universität<br />

München 2008<br />

[4] Sauer, O., Jasperneite, J.: Adaptive information<br />

technology in manufacturing. In: Proc. 44th CIRP<br />

Conference on Manufacturing Systems. Omnipress<br />

2011. https://www.iot-at-work.eu/data/cirp-2011.pdf<br />

[5] Geisberger, E., Broy, M.: agendaCPS – Integrierte<br />

Forschungsagenda Cyber-Physical Systems. acatech<br />

– Deutsche Akademie der Technikwissenschaften 2012<br />

[6] VDI 2657: Middleware in der Automatisierungstechnik<br />

– Gr<strong>und</strong>lagen. Beuth 2010<br />

[7] Koren, Y., Heisel, U., Jovane, F., Moriwaki, T., Pritschow,<br />

G., Ulsoy, G., Brussel, H.V.: Reconfigurable<br />

Manufacturing Systems. Annalen von CIRP 48(2),<br />

S. 527-540, 1999<br />

[8] Blair; G., Bencomo, N. France, R.B.: Models@ run.time.<br />

IEEE Computer 42(10), S. 22-27, 2009<br />

[9] Szer-Ming, L., Harrison, R., West, A. A.: A componentbased<br />

distributed control system for assembly automation.<br />

In: Proc. 2nd IEEE Int. Conf. on Industrial<br />

Informatics (INDIN '04), S. 33-38. IEEE 2004.<br />

Dipl.-Inf. GERD KAINZ (geb. 1983) erhielt sein Diplom<br />

im Februar 2009 von der Technischen Universität<br />

München für seine Arbeit zu modellgetriebener<br />

Entwicklung von eingebetteten Systemen. Seit April<br />

2009 arbeitet er am gemeinnützigen Forschungsinstitut<br />

Fortiss GmbH in München im Bereich modellgetriebener<br />

Entwicklung von eingebetteten Systemen.<br />

Seine Forschungsschwerpunkte liegen bei der<br />

Entwicklung von Werkzeugen für eingebettete<br />

Systeme insbesondere aus dem Bereich der Industrieautomatisierung.<br />

Fortiss GmbH,<br />

Guerickestr. 25, D-80805 München,<br />

Tel. +49 (0) 89 360 35 22 24,<br />

E-Mail: kainz@fortiss.org<br />

NADINE KEDDIS (geb. 1986), M.Sc., studierte Informatik<br />

an der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg <strong>und</strong><br />

anschließend an der Technischen Universität<br />

München, wo sie 2011 ihren Master of Science<br />

abgeschlossen hat. Seit April 2011 ist sie wissenschaftliche<br />

Mitarbeiterin am gemeinnützigen<br />

Forschungsinstitut Fortiss GmbH in München. Ihre<br />

Forschungsinteressen umfassen wandlungsfähige<br />

Produktionsanlagen mit dem Fokus auf effiziente Produktionsplanung<br />

mit dynamischer Anpassung an die<br />

Produktionsumgebung, adaptive Produktionssteuerung<br />

bei Änderungen in der Anlage <strong>und</strong> modellgetriebene<br />

Entwicklung für die Industrieautomation.<br />

Fortiss GmbH,<br />

Guerickestr. 25, D-80805 München<br />

48<br />

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

4 / 2013

ZUSAMMENFASSUNG<br />

Ein Ansatz zur Erhöhung der Wandelbarkeit von Produktionssystemen<br />

wurde in diesem Beitrag vorgestellt. Im<br />

Zusammenhang mit den Anforderungen hinsichtlich<br />

Losgröße, Variantenvielfalt, Durchlaufzeit <strong>und</strong> Kosten<br />

in der Produktion ist dies von immer größerer Bedeutung.<br />

Der Ansatz basiert auf der Verwendung von Modellen<br />

zur Beschreibung der verwendeten Stationen.<br />

Diese Modelle werden während der Entwicklungs- <strong>und</strong><br />

der Laufzeit dazu verwendet, eine aktuelle Beschreibung<br />

der Produktionsumgebung zu erstellen. Dazu werden die<br />

Bearbeitungsstationen automatisch erkannt <strong>und</strong> für die<br />

Durchführung der Produktionsaufträge herangezogen.<br />

Dies reduziert den Aufwand bei der Inbetriebnahme <strong>und</strong><br />

verhindert Fehlkonfigurationen. Um der Komplexität der<br />

Vernetzung <strong>und</strong> der heterogenen Steuerungen zu begegnen,<br />

wird eine Middleware eingesetzt.<br />

Der Ansatz hat gezeigt, dass sich durch eine vollständige<br />

Modellierung des Produktionssystems zur Entwicklungs-<br />

<strong>und</strong> Laufzeit der Aufwand bei einer Änderungsinbetriebnahme<br />

wesentlich verringert. Das Ergebnis:<br />

wandlungsfähigere Produktionssysteme.<br />

Im nächsten Schritt wird sich die Wandlungsfähigkeit<br />

durch die Implementierung einer Rezeptfahrweise weiter<br />

erhöhen. Zusätzlich soll durch HMI-Systeme die<br />

Wandlungsfähigkeit wiedergespiegelt werden. Ein Ausbau<br />

des Demonstrators ist ebenfalls geplant.<br />

MANUSKRIPTEINGANG<br />

05.12.2012<br />

Im Peer-Review-Verfahren begutachtet<br />

Dr.-Ing. DIRK PENSKY (geb. 1970) ist seit 2010 Produktmanager<br />

für Robotik <strong>und</strong> Simulationssysteme bei der<br />

Festo Didactic GmbH & Co. KG. Er studierte Elektrotechnik<br />

an der TU Braunschweig <strong>und</strong> promovierte<br />

anschließend am Institut für Roboterforschung (IRF)<br />

der Universität Dortm<strong>und</strong> bei Prof. Eckhard Fre<strong>und</strong>.<br />

Von 2004 bis 2010 war Pensky zunächst Leiter des<br />

Projekts Computer Aided Assembly (3D-Montageplanung)<br />

<strong>und</strong> ab 2006 Leiter der Abteilung Product<br />

Lifecycle Systems and Processes bei der Heidelberger<br />

Druckmaschinen AG.<br />

Festo Didactic GmbH & Co. KG,<br />

Rechbergstraße 3, D-73770 Denkendorf<br />

Dr.rer.nat. CHRISTIAN BUCKL (geb. 1979) erhielt<br />

seinen Doktortitel im Oktober 2008 von der Technischen<br />

Universität München für seine Arbeit zu<br />

modellgetriebenen Entwicklungsmethoden für<br />

fehlertolerante Echtzeitsysteme. Seit März 2009 leitet<br />

er die Gruppe Cyber-Physical Systems am gemeinnützigen<br />

Forschungsinstitut Fortiss GmbH in München.<br />

Seine Forschungsinteressen umfassen die modellgetriebene<br />

Entwicklung von Systemen mit Schwerpunkt<br />

auf nicht-funktionale Eigenschaften <strong>und</strong> die Entwicklung<br />

von modularen Softwarearchitekturen für<br />

adaptive <strong>und</strong> hochvernetzte eingebettete Systeme in<br />

den Anwendungsgebieten Automotive <strong>und</strong> Automatisierungstechnik.<br />

Fortiss GmbH,<br />

Guerickestr. 25, D-80805 München<br />

Dr.techn. ALOIS ZOITL (geb. 1977) erhielt seinen Doktortitel im Dezember<br />

2007 von der TU Wien für seine Arbeit zu dynamisch in Echtzeit<br />

konfigurierbaren Steuerungssystemen. Seit Januar 2013 leitet er die<br />

Forschungsgruppe Industrieautomatisierung am gemeinnützigen<br />

Forschungsinstitut Fortiss GmbH in München. Seine Forschungsschwerpunkte<br />

umfassen wandlungsfähige Produktionsanlagen mit<br />

Fokus auf verteilte Steuerungsarchitekturen, dynamische Rekonfiguration<br />

von Steuerungsprogrammen <strong>und</strong> Softwareentwicklungs- &<br />

Softwarequalitätssicherungsmethoden in der Industrieautomation.<br />

Fortiss GmbH,<br />

Guerickestr. 25, D-80805 München<br />

Dr.-Ing. REINHARD PITTSCHELLIS (geb. 1968) leitet seit 2002<br />

Produktmanagement <strong>und</strong> Entwicklung bei der Festo Didactic GmbH<br />

& Co. KG. Er hat Maschinebau an der TU Braunschweig studiert <strong>und</strong><br />

dort anschließend am Institut für Fertigungsautomatisierung <strong>und</strong><br />

Handhabungstechnik promoviert. Danach war er bei den Firmen<br />

Siemens <strong>und</strong> Maxon Motor beschäftigt.<br />

Festo Didactic GmbH & Co. KG,<br />

Rechbergstraße 3, D-73770 Denkendorf<br />

Dipl.-Ing. (FH) BERND KÄRCHER (geb. 1956) ist Mitarbeiter der<br />

Forschung bei der Festo AG & Co KG. Dort beschäftigt er sich mit<br />

mechatronischen Komponenten, Schwerpunkte sind die drahtlose<br />

Kommunikation in der Fabrikautomatisierung <strong>und</strong> Fragestellungen<br />

zur Produktion der Zukunft wie auch Industie 4.0. Herr Kärcher<br />

studierte Nachrichtentechnik <strong>und</strong> hat sich in der Vergangenheit<br />

auch mit servopneumatischen Antrieben <strong>und</strong> den notwendigen<br />

Komponenten beschäftigt.<br />

Festo AG & Co. KG,<br />

Ruiter Straße 82, D-73734 Esslingen-Berkheim<br />

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

4 / 2013<br />

49

HAUPTBEITRAG<br />

CPS – eine Fallstudie<br />

Mehrwert bei der Anwendung in der Wartung<br />

Cyber-physische Systeme (CPS) zählen zu den Trends der Automatisierungstechnik. Dieser<br />

Beitrag erläutert die Anforderungen an ein CPS im Bereich smart building beziehungsweise<br />

in der Produktautomatisierung. Am Beispiel eines Wartungsszenarios einer Waschmaschine<br />

wird ein konkreter Anwendungsfall präsentiert, bei welchem durch die Realisierung<br />

des Systems als CPS ein Mehrwert gegenüber der klassischen Vorgehensweise<br />

erreicht werden kann. Die Komponenten eines CPS werden beschrieben <strong>und</strong> der Vorteil<br />

der Vernetzung verschiedener Stakeholder verdeutlicht. Weiterhin behandelt der Beitrag<br />

die Architektur der CPS.<br />

SCHLAGWÖRTER Smart home / Wartungsszenario / Produktautomatisierung /<br />

Architektur von CPS<br />

CPS – a case study<br />

Added value for a maintenance application of CPS<br />

Current trends in the field of automation technologies include cyber-physical systems<br />

(CPS). Here, requirements of a CPS in the domain of smart building or product automation<br />

are discussed. A maintenance scenario for a washing machine is presented, showing<br />

how added value can be achieved in comparison to conventional approaches. The components<br />

of a CPS are described and the advantages offered by networking stakeholders<br />

are highlighted. The architecture of CPS is also explained.<br />

KEYWORDS smart home / maintenance scenario / product automation / architecture of CPS<br />

50<br />

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

4 / 2013

BIRGIT VOGEL-HEUSER, SUSANNE RÖSCH, Technische Universität München<br />

ANDREAS FRIEDRICH, PETER GÖHNER, Universität Stuttgart<br />

Cyber-physische Systeme (CPS) sind wie folgt<br />

definiert: „[CPS] umfassen typischerweise<br />

Eingebettete Systeme (als Teil von Geräten,<br />

Gebäuden, Verkehrsmitteln, Verkehrswegen,<br />

Produktionsanlagen, Logistik- <strong>und</strong> Managementprozessen<br />

etc.), die mittels Sensoren <strong>und</strong> Aktuatoren<br />

unmittelbar physikalische Daten erfassen <strong>und</strong><br />

auf physikalische Vorgänge einwirken, mit digitalen<br />

Netzen verb<strong>und</strong>en sind (drahtlos, drahtgeb<strong>und</strong>en, lokal,<br />

global), weltweit verfügbare Daten <strong>und</strong> <strong>Dienste</strong><br />

nutzen <strong>und</strong> über eine Reihe multimodaler Mensch-<br />

Maschine-Schnittstellen (dediziert in Geräten, unspezifisch<br />

etwa über Browser, etc.) verfügen“ [1].<br />

Die Ebenen eines CPS zeigt Bild 1. Auf unterster Ebene<br />

stehen die eingebetteten Systeme <strong>und</strong> die intelligenten<br />

eingebetteten Systeme, wie sie heute im Alltag vorzufinden<br />

sind. Auf oberster Ebene verketten CPS verschiedene<br />

einzelne CPS zu einer gemeinsamen Wertschöpfung.<br />

Diese Verknüpfung ist für die Automatisierungstechnik<br />

ein Aspekt, der bisher wenig realisiert wurde. Eine besonders<br />

wichtige Ebene, die in der Automatisierungstechnik<br />

stets in Bezug auf funktionale <strong>und</strong> nicht-funktionale<br />

Merkmale fokussiert werden muss, ist die Ebene<br />

des technischen Prozesses. In der Informatik wird dieser<br />

Aspekt häufig noch nicht beachtet.<br />

Die technischen Merkmale von CPS in der Produktionsautomatisierung<br />

werden in [3] ausführlich beschrieben.<br />

Die für die Produktautomatisierung wesentlichen<br />

technischen Merkmale von CPS, welche anhand des<br />

Szenarios in Abschnitt 1.2 beschrieben werden, sind<br />

zum großen Teil deckungsgleich <strong>und</strong> werden wie folgt<br />

definiert [3]:<br />

digitale Netze (drahtlos, drahtgeb<strong>und</strong>en, lokal, global)<br />

<strong>und</strong> Schnittstellen für die Kommunikation zwischen<br />

Mensch <strong>und</strong> Maschine (T1)<br />

inhärente Fähigkeiten, zum Beispiel durch breitbandige<br />

Vernetzung oder lokale Intelligenz, zum Sammeln<br />

<strong>und</strong> Auswerten von Daten, zur autonomen<br />

Steuerung <strong>und</strong> zur Interaktion mit der realen <strong>und</strong><br />

digitalen Welt (T2)<br />

Daten <strong>und</strong> <strong>Dienste</strong> weltweit verteilt, auf die mit hoher<br />

Verfügbarkeit auch weltweit zugegriffen werden<br />

kann (T3)<br />

Datendurchgängigkeit über verschiedene am Geschäftsprozess<br />

beteiligte Unternehmen, Anwender<br />

<strong>und</strong> allgemein Stakeholder einer CPS Plattform (T4).<br />

Bereitstellung notwendiger Daten für Konfiguration,<br />

Produktion <strong>und</strong> Verhandlung von Auftragsbearbeitungen<br />

(T5)<br />

Zugriffschutz auf Produktions- <strong>und</strong> Technologiedaten<br />

(Know-how) der beteiligten Unternehmen (T6).<br />

eine für eine Klasse von Aggregaten/Modulen, Maschinen,<br />

Anlagen einheitliche Architektur <strong>und</strong> Ontologie<br />

in Bezug auf Eigenschaften, Fähigkeiten,<br />

Schnittstellen <strong>und</strong> Datendarstellungen – zusammengefasst<br />

„CPS-Architektur“ – abgeleitet von einer<br />

CPS-Referenzarchitektur, siehe Abschnitt 3<br />

Anhand eines Wartungsszenarios einer Waschmaschine<br />

wird nun die fehlende Informationsintegration erläutert<br />

<strong>und</strong> anschließend eine Integration mittels CPS <strong>und</strong> die<br />

Verwirklichung beschrieben.<br />

1. NUTZEN VON CPS IM RAHMEN VON SMART HOME<br />

Die Acatech-Studie zu CPS erläutert verschiedene Anwendungsszenarien,<br />

wie vernetzte Mobilität, Telemedizin,<br />

smart grid <strong>und</strong> Fabrik der Zukunft. Für letzteres<br />

ist die Mitautorin verantwortlich [2]. Zur Veranschaulichung<br />

des CPS-Gedankens wird zunächst aufgezeigt,<br />

welche Probleme im realen Fall bei der Wartung einer<br />

Waschmaschine nachgewiesen wurden. Anschließend<br />

wird das Anwendungsszenario smart home aus Sicht<br />

der Produktautomatisierung erklärt.<br />

1.1 Anwendungsfall Wartung Waschmaschine klassisch<br />

Das Szenario entspricht einer Begebenheit, die so bei<br />

einer sechs Jahre alten Waschmaschine vorgefallen ist.<br />

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

4 / 2013<br />

51

HAUPTBEITRAG<br />

Statt sauberer Wäsche findet der Benutzer die Maschine<br />

im Fehlerzustand vor. Am Gerät blinkt die LED „Zulauf<br />

prüfen“ (Bild 2). Das Problem lässt sich aber nicht mit<br />

einem erneuten Waschvorgang beheben. Die Überprüfung<br />

des Zulaufhahns sowie des Wasserschlauchs behebt<br />

den Fehler ebenfalls nicht. Anschließend wird die<br />

Bedienungsanleitung zu Rate gezogen <strong>und</strong> unter „Wasserzulauf<br />

funktioniert nicht“ nachgelesen. Beim Stichwort<br />

Störungsbehebung gibt es nur zwei sehr rudimentäre<br />

Hinweise, nämlich „Zulauf prüfen“, was bereits<br />

erledigt wurde, <strong>und</strong> „Laugensieb prüfen“, was sich als<br />

problematisch herausstellt, da diese Bezeichnung nicht<br />

in der Störmeldeliste auftaucht.<br />

Nachdem die Schritte aus der Bedienungsanleitung<br />

abgearbeitet wurden, folgt der nächste erfolglose Versuch,<br />

die Wäsche zu waschen. Das Fehlerbild bleibt bestehen<br />

<strong>und</strong> bei genauem Hinhören wird klar, dass zwar das Ventil<br />

angesteuert wird, aber kein Wasser einläuft. Der technikerfahrene<br />

Benutzer wählt dann die Telefonnummer<br />

der Servicehotline, bei der sich nach Aufenthalt in der<br />

Warteschleife ein Mitarbeiter meldet. Nach einer präzisen<br />

Schilderung der Fehlersituation müssen zunächst die<br />

Standardfragen des Helpdesk-Dialogs abgearbeitet werden,<br />

bis der Mitarbeiter schließlich dazu rät, einen Techniker<br />

einzuschalten, der sich angeblich in den nächsten<br />

Tagen melden wird. Leider geschieht dies in unserem Fall<br />

nicht <strong>und</strong> der K<strong>und</strong>e ruft erneut bei der Hotline an.<br />

Der zweite Anruf: Auch dies führt nach der Warteschleife<br />

<strong>und</strong> einem erneuten Standarddialog nur zum<br />

zweiten Eintrag in der Serviceliste. Der K<strong>und</strong>e lässt sich<br />

nun nicht mehr vertrösten, sondern drängt darauf, einen<br />

Servicetechniker genannt zu bekommen. Damit kann<br />

erreicht werden, dass eine Telefonnummer des entsprechenden<br />

Servicebetriebes an den K<strong>und</strong>en ausgegeben<br />

wird. Der folgende Anruf bei der Servicetechniker-Einsatzstelle<br />

(gleiches Prozedere, nur liegt dort gar kein Servicebericht<br />

vor, der nun bereits zweimal aufgenommen<br />

wurde) führt dazu, dass der K<strong>und</strong>e in die Liste der Anrufer<br />

aufgenommen wird, bei denen der Servicetechniker<br />

bald vorbeikommen wird. Zum genannten Datum kann<br />

jedoch keine konkrete Uhrzeit ausgemacht werden, so<br />

muss sich der K<strong>und</strong>e den halben Tag für den Servicetechniker<br />

bereithalten.<br />

Nachdem der Techniker angekommen ist, beginnt er<br />

sofort mit der Diagnose. Zunächst versucht er ebenfalls<br />

mit verschiedenen Waschgängen den gewünschten Wassereinlauf<br />

zu erreichen. Da die Waschmaschine bereits<br />

eine Kommunikationsschnittstelle besitzt, ist er in der<br />

Lage über diese Schnittstelle zu analysieren, dass das<br />

Ventil angesteuert wurde, aber nicht öffnet <strong>und</strong> somit<br />

kein Wasser einfließt.<br />

Der Techniker hat das benötigte Einlassventil für diesen<br />

Typ Waschmaschine glücklicherweise dabei <strong>und</strong><br />

kann es einbauen. Sonst wäre ein weiterer Termin nötig<br />

geworden. Die Waschmaschine läuft wieder.<br />

1.2 Anwendungsfall Wartung Waschmaschine mit CPS<br />

Im smart home der Zukunft ergibt sich für das geschilderte<br />

Szenario ein völlig anderer Verlauf. Die Waschmaschine<br />

stellt für sich ein CPS dar, das sich über eine<br />

Plattform nach außen mit seinem Besitzer <strong>und</strong> gegebenenfalls<br />

mit weiteren Stakeholdern vernetzen kann (T1)<br />

(siehe Bild 3).<br />

Dem Besitzer ist es von unterwegs aus möglich, über<br />

eine Schnittstelle nach Wahl (zum Beispiel ein Tablet,<br />

siehe Bild 4) zu sehen, dass der Strom gerade sehr preisgünstig<br />

ist, woraufhin er einen Waschgang für eine<br />

Waschladung, die er zuvor vorbereitet hat, startet. Kurz<br />

darauf wird von der Waschmaschine eine Störmeldung<br />

auf dem Tablet angezeigt, dass der Waschgang nicht<br />

stattfindet <strong>und</strong> ein Defekt vorliegt, aber keine unmittelbare<br />

Gefahr für weitere Schäden besteht. Der aufgetretene<br />

Defekt w<strong>und</strong>ert den Anwender, da er sich regelmäßig<br />

die Statistiken seiner Waschmaschine angesehen<br />

hat, welche ihm dank häufiger Kochwäsche <strong>und</strong> unter<br />

den normalen Randbedingungen (Wasserhärtegrad)<br />

eine Lebensdauer von weiteren sechs Jahren prognostiziert<br />

hatten (T2).<br />

Der Anwender möchte weitere Details über das Problem<br />

erfahren <strong>und</strong> fordert daher eine genauere Diagnose<br />

über sein Tablet an. Die Waschmaschine liefert daraufhin<br />

das Ergebnis, dass eine Störung beim Zulauf/Ablauf<br />

vorliegt. Sobald der Anwender vor Ort ist, lässt er sich<br />

übermitteln, welche Schritte er selbst zur Behebung der<br />

Störung unternehmen kann. Die nötigen Schritte werden<br />

über sein Tablet visualisiert (Bild 4a), wo <strong>und</strong> wie er den<br />

Zulauf <strong>und</strong> das Laugensieb überprüfen soll. In diesem<br />

Szenario führen die Schritte dennoch nicht dazu, das<br />

Problem zu beheben.<br />

Die Waschmaschine fragt daraufhin an, ob sie sich<br />

mit dem Servicecenter vernetzen darf, um das Problem<br />

genauer analysieren zu können. Nachdem der Anwender<br />

die Erlaubnis erteilt hat, analysiert ein Mitarbeiter<br />

des Servicecenters die verfügbaren Daten der Waschmaschine<br />

(T3, T4). Er sieht, dass die üblichen Schritte<br />

vom Besitzer der Waschmaschine bereits durchgeführt<br />

wurden <strong>und</strong> noch keine neuen Ersatzteile eingebaut<br />

sind. Da der Mitarbeiter die notwendige Qualifikation<br />

<strong>und</strong> somit die entsprechende Rechte hat, fordert er die<br />

Betätigung des Einlaufventils an. Die Anfrage des externen<br />

Zugriffs wird dem Besitzer mitgeteilt. Nach<br />

dessen zusätzlicher Freigabe führt die Waschmaschine<br />

die Aktion durch. Der Servicemitarbeiter verfolgt<br />

den Eingriff <strong>und</strong> wertet die übermittelten Daten online<br />

aus. Er sieht, dass trotz Betätigung des Ventils kein<br />

Wasser einläuft <strong>und</strong> auch der Sensor „Wasserzulauf“<br />

keine positive Meldung liefert. Der Mitarbeiter diagnostiziert,<br />

dass vermutlich das Einlaufventil defekt<br />

ist. Er stellt über die CPS-Plattform eine Anfrage nach<br />

dem identifizierten Bauteil, ohne weitere Informationen<br />

preiszugeben (T5, T6), <strong>und</strong> bekommt von diversen<br />

Unterlieferanten ein Angebot (Bild 4b). Er wählt das<br />

günstigste aus, da es in diesem Fall bezüglich der Qualität<br />

<strong>und</strong> der Zuverlässigkeit bei den Lieferanten keine<br />

Unterschiede gibt, <strong>und</strong> leitet es an den Besitzer der<br />

Waschmaschine weiter.<br />

Da der Besitzer weiß, dass die zu erwartende Lebensdauer<br />

seiner Waschmaschine noch sechs Jahre beträgt,<br />

entscheidet er sich für die Reparatur <strong>und</strong> nimmt das<br />

Angebot an. In einem nächsten Schritt meldet der Unterlieferant<br />

dem Logistikzentrum <strong>und</strong> dem Servicetechniker<br />

über die CPS-Plattform, wann das Teil fertiggestellt<br />

wird. Das Logistikzentrum wiederum teilt dem<br />

Servicetechniker mit, wann er das Ersatzteil erhalten<br />

52<br />

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

4 / 2013

Cyber-physische<br />

Systeme<br />

Systemsof-Systems<br />

Intelligente <strong>und</strong><br />

kooperative<br />

eingebettete Systeme<br />

Intelligente<br />

eingebettete Systeme<br />

Eingebettetes System<br />

BILD 3: Die Vernetzung der verschiedenen<br />

Stakeholder über die CPS-Plattform<br />

BILD 1: Gegenüberstellung der Ebenen der<br />

Automatisierungspyramide <strong>und</strong> der CPS-Ebenen [2, 3]<br />

BILD 4A: Der<br />

Anwender wird<br />

schrittweise durch<br />

die Wartung der<br />

Waschmaschine<br />

geleitet [4]<br />

BILD 2: Panel der Waschmaschine zeigt Störung an – Fehlersuche<br />

BILD 4B: Der<br />

K<strong>und</strong>e erhält<br />

ein auf ihn<br />

zugeschnittenes<br />

Angebot<br />

wird. Der Servicetechniker kann dem Anwender also<br />

frühzeitig eine Terminanfrage stellen. Vor Ort dauert<br />

die Reparatur dank der bereits ermittelten Daten weniger<br />

als eine halbe St<strong>und</strong>e.<br />

2. REALISIERUNG DER WASCHMASCHINE ALS CPS<br />

Um von dem unter 1.1 beschriebenen Szenario, welches<br />

dem heutigen Stand in den meisten Haushalten entspricht,<br />

zu dem CPS-Szenario zu gelangen, gibt es einige<br />

Umsetzungsschritte, die noch erfüllt werden müssen.<br />

Als eingebettete Systeme mit Mikrocontroller erlauben<br />

Waschmaschinen bereits die Ausführung von komplexen<br />

Waschprogrammen, die einen ressourcenschonenden,<br />

effektiven Waschbetrieb ermöglichen. Bislang stellen<br />

Waschmaschinen Produktautomatisierungssysteme<br />

dar, die in der Regel abgeschlossen zu ihrer Umwelt<br />

agieren. In Zukunft wird jedoch immer häufiger der<br />

Wunsch bestehen, mit der Waschmaschine über externe<br />

Informationssysteme interagieren zu können. Andererseits<br />

soll die Möglichkeit bestehen, dass die Waschmaschine<br />

auf zentral gespeicherte Daten, beispielsweise in<br />

der <strong>Cloud</strong>, zurückgreifen kann.<br />

Die wichtigste Anforderung an die Waschmaschine<br />

ist die Bereitstellung einer externen Schnittstelle, über<br />

die sich Daten austauschen lassen. Es muss für geschultes<br />

Personal möglich sein, einzelne Sensorwerte abzufragen<br />

sowie die vorhandenen Aktoren einzeln anzusteuern.<br />

In die Waschmaschine integrierte Programme<br />

müssen über die externe Schnittstelle aktiviert werden<br />

können <strong>und</strong> eventuelle Rückmeldungen ausgewertet<br />

werden. Sofern ein integrierter Fehlerspeicher in der<br />

Waschmaschine vorhanden ist, muss dieser auch über<br />

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

4 / 2013<br />

53

HAUPTBEITRAG<br />

die externe Schnittstelle erreichbar sein, um auch zurückliegende<br />

Ereignisse in den Fehlerdiagnoseprozess<br />

mit einbinden zu können. Neben der Hardware, beispielsweise<br />

in Form eines WLAN-Moduls, beschränken<br />

sich die genannten Anforderungen auf Software-Ergänzungen<br />

der zentralen Steuereinheit.<br />

Leider ist bislang kein herstellerübergreifender Standard<br />

vorhanden, der externe Schnittstellen von beispielsweise<br />

Haushaltsgeräten eindeutig definiert. Es<br />

gibt zahlreiche externe Diagnoseschnittstellen, die<br />

jedoch von jedem Hersteller frei definiert werden <strong>und</strong><br />

deren Beschreibung streng vertraulich behandelt wird.<br />

Auch die über die Diagnoseschnittstellen auslesbaren<br />

Daten variieren von Hersteller zu Hersteller. Um eine<br />

möglichst hohe Flexibilität in der späteren Nutzung zu<br />

erreichen, empfiehlt es sich, bei Nachrüstungen auf<br />

eine Variante des Ethernet-Standards als Schnittstellentechnologie<br />

zu setzen, drahtgeb<strong>und</strong>en oder drahtlos.<br />

So kann die Waschmaschine wahlweise in das<br />

lokale Heimnetz eingeb<strong>und</strong>en werden oder direkt mit<br />

einem Smartphone oder Tablet kommunizieren, wie<br />

dies im Szenario des vorherigen Abschnitts beschrieben<br />

wurde. Andere Schnittstellen wie Bluetooth oder<br />

USB sind möglich, schränken jedoch die Einsatzmöglichkeiten<br />

ein.<br />

Wenn eine solche externe Schnittstelle vorhanden ist,<br />

kann die Waschmaschine über ein externes Gerät wie ein<br />

Smartphone oder Tablet bedient <strong>und</strong> eine Fehlerdiagnose<br />

durchgeführt werden [5]. Dazu muss eine Software auf<br />

dem Mobilgerät installiert werden, die der Hersteller mit<br />

der Waschmaschine mitgeliefert hat oder die sich nachträglich<br />

aus dem Internet herunterladen lässt. Die Software<br />

beinhaltet Bedien- sowie Diagnose- <strong>und</strong> Wartungsfunktionen.<br />

Die Software muss ein auf den Anwender<br />

(Besitzer oder auch Techniker) zugeschnittenes, einfaches<br />

<strong>und</strong> verständliches Bedienkonzept realisieren [6].<br />

Informationen müssen auf eine für Anwender verständliche<br />

Ebene gebracht werden <strong>und</strong> idealerweise auf einen<br />

konkreten Defekt eines Bauteils oder einer Baugruppe<br />

heruntergebrochen werden. Ein benutzerfre<strong>und</strong>liches<br />

Bedienkonzept setzt bereits beim Herstellen der Verbindung<br />

an: Über einen Near-Field-Communication(NFC)-<br />

Tag, der an einem Haushaltsgerät angebracht werden<br />

kann, ist es möglich, Informationen zum Gerät <strong>und</strong> zur<br />

Verbindungsherstellung digital zu hinterlegen. Wird ein<br />

entsprechendes mobiles Endgerät in die Nähe dieses NFC-<br />

Tags gebracht, öffnet sich automatisch die passende Anwendung<br />

<strong>und</strong> es wird eine Verbindung mit der Waschmaschine<br />

hergestellt. Über eine vorhandene Internetverbindung<br />

können direkt weitere Daten zur Waschmaschine<br />

aus einer zentralen Datenbank nachgeladen werden,<br />

wie zum Beispiel spezifische Gerätedaten oder verfügbare<br />

Diagnoseprogramme (siehe Bild 5).<br />

Die Waschmaschine als CPS beinhaltet durch die Anbindung<br />

an eine zentrale Datenbank mehrere Vorteile:<br />

So können Daten bedarfsorientiert über das Internet<br />

heruntergeladen werden, ohne dass auf dem Bediengerät<br />

sämtliche existierenden Haushaltsgerätedaten abgelegt<br />

sein müssen. Außerdem sind die zentral vorhandenen<br />

Daten auf einem tagesaktuellen Stand. Es können<br />

folglich die neuesten Diagnoseprogramme oder Bedienungsanleitungen<br />

genutzt werden. Auch Erfahrungswissen<br />

aus zuvor durchgeführten Wartungen lässt sich<br />

so mit einbeziehen.<br />

Das mobile Endgerät stellt in diesem Szenario die<br />

Schnittstelle zwischen der Waschmaschine, dem Benutzer<br />

<strong>und</strong> der zentralen Datenbank dar. Aktuelle<br />

Smartphones oder Tablets bringen die nötigen Hardware-Voraussetzungen<br />

bereits mit. Zum Austausch mit<br />

der Waschmaschine bietet sich eine Verbindung über<br />

WLAN oder Bluetooth an, wobei letzteres nicht von<br />

allen Smartphone-Betriebssystemen als Datentransfer-<br />

BILD 5: Systemaufbau aus automatisiertem System,<br />

mobilem Bediengerät <strong>und</strong> zentraler Datenbank<br />

BILD 6: Die CPS-Architektur [1]<br />

54<br />

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

4 / 2013

protokoll unterstützt wird. Eine Verbindung zum Internet<br />

ist bei den Geräten in der Regel bereits eingerichtet,<br />

was die Gr<strong>und</strong>lage für den Zugriff auf eine zentrale<br />

Datenbank bildet. Benutzerseitig stellen Smartphones<br />

<strong>und</strong> Tablets eine große Anzahl an Schnittstellen dar,<br />

über die der Anwender mit den Geräten interagieren<br />

kann. Ein berührungsempfindliches Display, Lautsprecher<br />

<strong>und</strong> Mikrofone, Beschleunigungssensoren <strong>und</strong><br />

beispielsweise eine integrierte Kamera ermöglichen<br />

universelle Bedienkonzepte, die an der Waschmaschine<br />

selbst in dieser Art nicht durchgeführt werden könnten<br />

[7]. So ist ein Assistent denkbar, der den Anwender<br />

bei einer Wartung durch Spracheingabe sowie akustische<br />

Anweisungen unterstützt, sodass er beide Hände<br />

für die Arbeiten an der Waschmaschine nutzen kann.<br />

Das vorgestellte Konzept wurde am Institut für Automatisierungs-<br />

<strong>und</strong> Softwaretechnik der Universität<br />

Stuttgart an einer Waschmaschine bereits prototypisch<br />

umgesetzt. Die Waschmaschine wurde um eine WLAN-<br />

Schnittstelle ergänzt, um die Messgrößen der enthaltenen<br />

Sensoren <strong>und</strong> Aktoren extern auslesen <strong>und</strong> ansteuern<br />

zu können. Dazu waren geringe Änderungen<br />

an der Software notwendig. Mithilfe eines Smartphones<br />

lässt sich nun eine benutzerfre<strong>und</strong>liche Fehlerdiagnose<br />

des Systems durchführen, dem Anwender werden<br />

die erkannten Fehler präsentiert. Dieser kann entscheiden,<br />

welche Variante der Fehlerbehebung er<br />

durchführen möchte.<br />

Im nächsten Schritt muss noch die Vernetzung mit den<br />

anderen am Szenario beteiligten Stakeholdern realisiert<br />

werden. Für ähnliche Problematiken gibt es jedoch bereits<br />

Plattformen beziehungsweise technische Lösungen<br />

wie den Mobile Workforce Coordinator [8]. Bei diesem<br />

System laufen Daten für die Koordination von Facility-<br />

Management-Tätigkeiten zusammen. Dabei werden eingehende<br />

Aufträge an die mobilen Endgeräte von Servicetechnikern<br />

übertragen, die wiederum weitere Eingaben<br />

tätigen können. Über das Gerät speichert <strong>und</strong> überträgt<br />

der Servicetechniker beispielsweise benötigte Materialien<br />

<strong>und</strong> den aktuellen Bearbeitungsstatus [8].<br />

3. ARCHITEKTUR UND TECHNISCHE MERKMALE VON CPS<br />

Typischerweise werden für verschiedene Anwendungsgebiete<br />

(Domänen) verschiedene Plattformen <strong>und</strong> Architekturen<br />

(Bild 6) vorgesehen, die – idealerweise –<br />

interoperabel sind. Da das CPS ständig im Wandel ist<br />

(zum Beispiel Waschmaschine meldet sich neu an), sind<br />

die Plattformen flexibel <strong>und</strong> modular aufgebaut. Jedes<br />

CPS muss seine Eigenschaften einer entsprechend geeigneten<br />

Plattform über standardisierte Wege kommunizieren<br />

können.<br />

Ein weiterer Aspekt ist, dass CPS Sensoren <strong>und</strong> Aktoren<br />

beinhalten werden, von denen einige intelligent sind.<br />

Das heißt, es muss eine Kommunikation zur zyklischen<br />

Datenübertragung <strong>und</strong> zur Konfiguration <strong>und</strong> Parametrierung<br />

vorhanden sein. Eventuell müssen die übertragenen<br />

Daten gesichert übertragen werden. Auf diesen<br />

intelligenten Sensoren <strong>und</strong> Aktoren können Vorverarbeitungen<br />

<strong>und</strong> im Falle eines Ausfalls einer Rechnerkomponente<br />

Rechenaufgaben übernommen werden,<br />

womit sich die Verfügbarkeit der Anlage erhöhen lässt.<br />

Des Weiteren ist eine aufgabenabhängige, zeitlich veränderliche<br />

Verteilung allgemeiner, steuerungstechnischer<br />

Aufgaben auf die Rechenknoten notwendig. Ein Ansatz<br />

zur Kommunikation von CPS durch eine Middleware-<br />

Plattform wird beispielsweise bereits mit der Chromosome<br />

Middleware [9] verfolgt.<br />

Desweiteren sollte die Integration verschiedener<br />

<strong>Dienste</strong> entsprechend des Nutzungsbedarfs erfolgen<br />

(Bild 6). In dem beschriebenen Szenario steht der War-<br />

REFERENZEN<br />

[1] Broy, M. (Hrsg.): Cyber-Physical Systems. Innovation<br />

durch Software-Intensive Eingebettete Systeme.<br />

acatech diskutiert. Springer-Verlag, 2010<br />

[2] Broy, M.: Das Internet – Innovation ohne Grenzen,<br />

Netzdialog Bayern Juli 2001<br />

[3] Vogel-Heuser, B., Bayrak, G., Frank, U.: Forschungsfragen<br />

in „Produktionsautomatisierung der Zukunft“.<br />

Diskussionspapier für die acatech Projektgruppe<br />

Production CPS, 2012<br />

[4] Mandler, A.: Technischer K<strong>und</strong>endienst Andree Mandler,<br />

Innenleben Waschmaschine.<br />

http://www.tkd-mandler.de/images/waschmaschine_<br />

innen.jpg<br />

[5] Friedrich, A., Göhner, P.: Einsatz mobiler Endgeräte zur<br />

Konfiguration <strong>und</strong> Steuerung von automatisierten Geräten.<br />

In: Tagungsband Automation 2012, S. 407-410. VDI 2012<br />

[6] Yazdi, F., Vieritz, H., Jazdi, N., Schilberg, D., Göhner, P.,<br />

Jeschke, S.: A Concept for User-centered Development of<br />

Accessible User Interfaces for Industrial Automation<br />

Systems and Web Applications. In: Proc 6th Int. Conf.<br />

Universal Access in Human-Computer Interaction,<br />

Vol 4, S. 301-310. Springer 2011<br />

[7] Friedrich, A., Göhner, P.: Das Smartphone als universelles<br />

Diagnosegerät von automatisierten Systemen.<br />

In: Tagungsband USEWARE 2012, S. 99-108. VDI 2012<br />

[8] T-Systems: Mobile Workforce Coodinator.<br />

http://www.t-systems-mms.com/66474<br />

[9] Buckl, C., Geisinger. M.: Middleware-Architekturen<br />

zur Integration von Systemen in Systems-of-Systems.<br />

In: Tagungsband Embedded Software Engineering<br />

Kongress, S.38-42. Elektronikpraxis <strong>und</strong><br />

MicroConsult 2011<br />

[10] ThingWorx Plattform.<br />

http: //www.thingworx.com/platform/<br />

[11] Drath, R., Barth, M., Fay, A.: Offenheitsmetrik für<br />

Engineering-Werkzeuge: Die Fähigkeit zur Interoperabilität<br />

bewerten. <strong>atp</strong> <strong>edition</strong> - Automatisierungstechnische<br />

Praxis 54(9), S. 46-55, 2012<br />

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

4 / 2013<br />

55

HAUPTBEITRAG<br />

tungsdienst im Vordergr<strong>und</strong>. Der Nutzungsbedarf ist<br />

zuerst einmal die Kommunikation mit dem Anwender.<br />

Nachdem sich herausstellt, dass der Hersteller <strong>und</strong> ein<br />

externer Techniker hinzugezogen werden müssen, werden<br />

zusätzliche <strong>Dienste</strong> wie die externe Analyse von<br />

Daten in Anspruch genommen. Mit der Anfrage nach<br />

einem Ersatzteil erweitert sich der Kreis der Stakeholder<br />

<strong>und</strong> ein völlig neuer Dienst, nämlich das Verhandeln<br />

des besten Angebots über verschiedene ERPs <strong>und</strong><br />

MES der Lieferanten wird in Anspruch genommen.<br />

Dies ist für den K<strong>und</strong>en extern nur begrenzt sichtbar,<br />

da sich die <strong>Dienste</strong> für ihn auf der obersten Ebene<br />

(Bild 6) in einen durchgängigen Wartungsprozess integrieren,<br />

bei dem er stets mit allen notwendigen Informationen<br />

versorgt wird. Im Szenario sind weitere<br />

beispielhafte Nutzungsmöglichkeiten wie die Steuerung<br />

der CPS im smart home durch den Anwender<br />

unter entsprechenden Optimierungskriterien denkbar<br />

(zum Beispiel Ausschöpfung der längstmöglichen Lebensdauer<br />

der CPS oder Kriterien der Energieeffizienz).<br />

Zur Einbindung von Anwendern <strong>und</strong> Wartungspersonal<br />

<strong>und</strong> der Aufbereitung von unterschiedlichen<br />

Daten für Anwender existieren bereits Ansätze für<br />

Industrieanwendungen wie mit der Thing-Worx-Plattform<br />

[10].<br />

ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK<br />

Die Einführung der CPS wird das private <strong>und</strong> industrielle<br />

Umfeld durch die durchgehende Vernetzung revolutionieren.<br />

Das Szenario Wartung einer Waschmaschine<br />

zeigt, wie die durchgängige Verfügbarkeit von Informationen<br />

die Effizienz der Wartung <strong>und</strong> den Komfort für<br />

den K<strong>und</strong>en steigert <strong>und</strong> völlig neue Geschäftsmodelle<br />

entstehen können. Dennoch gilt es, zur Umsetzung der<br />

CPS in der Automatisierungstechnik zahlreiche Herausforderungen<br />

zu bewältigen. Zu diesen zählen vor allem<br />

die Standardisierung von Schnittstellen (zum Beispiel<br />

OPC UA), da die momentan hauptsächlich auf der ERP-<br />

Ebene stattfindende Angebotsverhandlung immer weiter<br />

mit den tiefer liegenden Ebenen der Automatisierungspyramide<br />

Richtung Feldebene verschmelzen wird.<br />

Ferner gibt es im Bereich der Interoperabilität im Engineering<br />

[11] immer noch viele Herausforderungen. Im<br />

Rahmen von smart homes gilt dies vor allem aufgr<strong>und</strong><br />

der begrenzten Lieferportfolios der Anbieter von Haushaltsgeräten<br />

<strong>und</strong> Hausklimatisierungssystemen <strong>und</strong> ihrer<br />

unterschiedlichen Plattformen beziehungsweise der<br />

zurzeit noch zu implementierenden Kommunikationsinfrastruktur.<br />

MANUSKRIPTEINGANG<br />

01.03.2013<br />

Im Peer-Review-Verfahren begutachtet<br />

AUTOREN<br />

Prof. Dr.-Ing. BIRGIT VOGEL-HEUSER (geb. 1961),<br />

Ordinaria am Lehrstuhl für Automatisierung <strong>und</strong><br />

Informationssysteme an der Technischen Universität<br />

München (2009), forscht an der Entwicklung <strong>und</strong><br />

Systemevolution verteilter intelligenter eingebetteter<br />

Systeme in mechatronischen Produkten <strong>und</strong> Produktionsanlagen,<br />

um die Qualität der Produkte <strong>und</strong> die<br />

Effizienz <strong>und</strong> Durchgängigkeit im Engineering zu<br />

erhöhen.<br />

Lehrstuhl für Automatisierung <strong>und</strong> Informationssysteme,<br />

Boltzmannstraße 15, D-85748 Garching bei München<br />

Dipl.-Ing. ANDREAS FRIEDRICH (geb. 1984) arbeitet seit September<br />

2011 als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Automatisierungs-<br />

<strong>und</strong> Softwaretechnik (IAS) der Universität Stuttgart auf dem<br />

Gebiet der benutzerorientierten Automatisierung. Er ist an der<br />

Durchführung mehrerer Forschungsprojekte der Industrie beteiligt<br />

<strong>und</strong> hat sich auf den Einsatz mobiler Endgeräte in der Automatisierungstechnik<br />

spezialisiert.<br />

Institut für Automatisierungs- <strong>und</strong> Softwaretechnik,<br />

Universität Stuttgart,<br />

Pfaffenwaldring 47, D-70550 Stuttgart<br />

Dipl.-Ing. SUSANNE RÖSCH (geb. 1987) arbeitet seit<br />

Januar 2012 als wissenschaftliche Mitarbeiterin am<br />

Lehrstuhl für Automatisierung <strong>und</strong> Informationssysteme<br />

an der Technischen Universität München.<br />

Sie ist in mehreren Projekten auf dem Gebiet der<br />

effizienten Testfallerstellung <strong>und</strong> des Testens von<br />

Steuerungssoftware in der Automatisierungstechnik<br />

tätig.<br />

Lehrstuhl für Automatisierung <strong>und</strong> Informationssysteme,<br />

Boltzmannstraße 15, D-85748 Garching bei München,<br />

Tel. +49 (0) 89 28 91 64 38,<br />

E-Mail: roesch@ais.mw.tum.de<br />

Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. PETER GÖHNER (geb. 1950) leitet das Institut<br />

für Automatisierungs- <strong>und</strong> Softwaretechnik (IAS) an der Universität<br />

Stuttgart. Seine Hauptarbeitsgebiete sind agentenorientierte<br />

Konzepte in der Automatisierungstechnik, benutzerorientierte<br />

Automatisierung, Energieoptimierung in technischen Systemen,<br />

Lernfähigkeit von automatisierten Systemen, Verlässlichkeit von<br />

automatisierten Systemen <strong>und</strong> Wiederverwendungskonzepte in der<br />

Automatisierungstechnik.<br />

Institut für Automatisierungs- <strong>und</strong> Softwaretechnik,<br />

Universität Stuttgart,<br />

Pfaffenwaldring 47, D-70550 Stuttgart<br />

56<br />

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

4 / 2013

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Automatisierungstechnik<br />

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Jahr. Die sichere, pünktliche <strong>und</strong> bequeme Bezahlung per Bankabbuchung wird mit einer Gutschrift<br />

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Firma/Institution<br />

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Straße / Postfach, Nr.<br />

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Telefon<br />

Telefax<br />

Antwort<br />

Leserservice <strong>atp</strong><br />

Postfach 91 61<br />

97091 Würzburg<br />

E-Mail<br />

Branche / Wirtschaftszweig<br />

Bevorzugte Zahlungsweise Bankabbuchung Rechnung<br />

Bank, Ort<br />

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

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

Wahrung der Widerrufsfrist genügt die rechtzeitige Absendung des Widerrufs oder der Sache an den Leserservice <strong>atp</strong>, Postfach<br />

9161, 97091 Würzburg.<br />

Bankleitzahl<br />

✘<br />

Ort, Datum, Unterschrift<br />

Kontonummer<br />

PAATPE0113<br />

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

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

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

HAUPTBEITRAG<br />

Cyber-Physical Programmable<br />

Logic Controllers<br />

Architecture and Model-Based Design<br />

Automation applications such as flexible manufacturing, smart energy management, and<br />

mobility are moving towards a complex and geographically distributed topology of physical<br />

processes (e.g. electro-mechanical, chemical, etc.) and computational processes (e.g.<br />

controllers and software). We provide additional functionality to the very successful<br />

programmable logic controller (PLC) architecture in order to improve the interaction with<br />

its environment. Our novel architecture, referred to as cyber-physical systems programmable<br />

logic controller (CPS-PLC), enables communication with external and geographically<br />

distributed devices and physical processes in addition to the traditional automation<br />

pyramid of locally networked devices. External communication allows the CPS-PLCs to<br />

interact with complex information from remote sources and react intelligently to unexpected<br />

events. Additionally, we present a model-based design approach for engineering<br />

of CPS-PLC applications where the physical behaviour of the system <strong>und</strong>er control is as<br />

important as the embedded control hardware/software. We demonstrate the feasibility of<br />

our approach with a Smart Grid CPS application.<br />

KEYWORDS cyber-physical systems / model-based design / programmable logic controllers<br />

Cyber-Physical Programmable Logic Controller<br />

Architektur <strong>und</strong> modellbasierter Entwurf<br />

Flexible Fertigung, intelligentes Energiemanagement <strong>und</strong> Mobilität entwickeln sich zu<br />

einer komplexen <strong>und</strong> geografisch verteilten Topologie von physikalischen (zum Beispiel<br />

elektro-mechanisch, chemisch) <strong>und</strong> informationstechnischen Prozessen (beispielsweise<br />

Steuerungen <strong>und</strong> Software). In diesem Beitrag stellen die Autoren eine zusätzliche Funktionalität<br />

für speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS beziehungsweise PLC, programmable<br />

logic controller) vor, um die Interaktion mit ihrer Umwelt zu verbessern. Die Architektur<br />

cyber-physical systems programmable logic controller (CPS-PLC) ermöglicht<br />

die Kommunikation mit externen <strong>und</strong> geografisch verteilten Geräten <strong>und</strong> physikalischen<br />

Prozessen zusätzlich zur üblichen Automatisierungspyramide von lokalen, vernetzten<br />

Geräten. So ist es dem CPS-PLC möglich, mit komplexer Information von entfernten Quellen<br />

umzugehen <strong>und</strong> auf unerwartete Ereignisse intelligent zu reagieren. Im Artikel wird<br />

auch eine modellbasierte Entwurfsmethode beschrieben, um CPS-PLC-Anwendungen zu<br />

projektieren, wobei das physikalische Verhalten des kontrollierten Systems ebenso wichtig<br />

ist wie Hardware <strong>und</strong> Software der eingebetteten Steuerung. Die Machbarkeit des<br />

Verfahrens wird durch eine Smart-Grid-CPS-Anwendung demonstriert.<br />

SCHLAGWÖRTER Cyber-physical systems / Modellbasierter Entwurf / Speicherprogrammierbare<br />

Steuerungen<br />

58<br />

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

4 / 2013

ARQUIMEDES CANEDO, GEORG MÜNZEL, GEORGE LO, THOMAS GRÜNEWALD, Siemens Corporation<br />

Cyber-physical systems (CPS) are integrations<br />

of computation, networking, and physical processes<br />

[1, 14]. Embedded systems (i.e. hardware<br />

and software) monitor and control physical<br />

processes such as physical, chemical, and biological<br />

[2]. Interestingly, current PLC applications exhibit<br />

similar features to CPS applications but they are not<br />

regarded as “cyber-physical”. For example, a typical PLC<br />

application interacts with physical processes through<br />

sensors and actuators, and it is capable to communicate<br />

with other embedded devices located at large distances.<br />

Nevertheless, traditional PLC applications are developed<br />

using a rather simplistic approach that prioritizes<br />

the hardware/software over the physical process <strong>und</strong>er<br />

control. As a result, these simple control algorithms are<br />

not suitable for future applications where more intelligence<br />

is necessary to optimize the overall performance<br />

of the system.<br />

In this paper, we present a cyber-physical programmable<br />

logic controller (CPS-PLC) architecture that leverages<br />

the real-time properties (e.g. runtime), engineering<br />

(e.g. compatibility with sensors, actuators, HMIs, IO<br />

devices), programming (e.g. IEC 61131-3 editors and languages)<br />

[3], and tools (e.g. compilers, optimizers, debuggers)<br />

of traditional PLC systems to control highly distributed<br />

CPS applications. The key insights that enable this<br />

technology are:<br />

CPS-PLCs not only communicate locally with sensors<br />

and actuators but reach out to the external world<br />

(e.g. internet, sensors and actuators located h<strong>und</strong>reds<br />

of kilometers away) in a highly distributed network<br />

topology.<br />

The interactions of CPS-PLCs with complex physical<br />

processes requires novel design methodologies such<br />

as model-based engineering that leverage real-time<br />

physical simulation to create accurate and robust<br />

distributed control systems. New technological improvements<br />

in embedded multi-/many-core processors<br />

[16, 17, 18] make it possible to execute these simulations<br />

locally in the CPS-PLC.<br />

We believe that a critical aspect for the adoption of CPS-<br />

PLCs is the reusability of the classic PLC concepts because<br />

industry automation practitioners are intimately<br />

familiar with the PLC technology. Unfortunately, CPS<br />

applications demand new control strategies that are difficult<br />

or impossible to support with the current PLC engineering<br />

tools. To overcome this technological limitation,<br />

we have developed a state-of-the-art model-based<br />

design tool compatible with classic PLC engineering<br />

tools that enable the design and engineering of complex<br />

control algorithms for CPS applications. Specifically, we<br />

encapsulate CPS-PLC functionality in reusable components<br />

compatible with IEC 61131-3 languages that allow<br />

highly distributed communication and provide multidomain<br />

physical simulation capabilities. Using a smart<br />

grid [15] CPS application developed at Siemens Corporation,<br />

Corporate Technology at Princeton, USA, we demonstrate<br />

the feasibility of the CPS-PLC architecture.<br />

1. RELATED WORK<br />

Historically, PLCs have taken advantage of faster uniprocessors<br />

to execute more functionality in software and to<br />

reduce the scan cycle times for the benefit of control algorithms.<br />

However, uniprocessors have reached a speed<br />

plateau and this will eventually force the PLCs to move<br />

to the more scalable and energy efficient multi-/manycore<br />

technology [6]. Although this paradigm shift represents<br />

a major technical challenge [10], it also opens new<br />

possibilities for the control of modern cyber-physical<br />

systems. In particular, the availability of more processing<br />

units will allow a high-fidelity simulation of the physical<br />

processes <strong>und</strong>er control [11] to be executed within the<br />

CPS-PLC. Because the simulation is local to the CPS-PLC,<br />

the communication between the control algorithm and<br />

the simulated physical process occurs instantaneously<br />

and it is no longer restricted by the scan cycle time. This<br />

enables the possibility of accurately controlling physical<br />

systems with very fast dynamics such as chemical processes.<br />

We believe that the integration of local simulation<br />

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

4 / 2013<br />

59

HAUPTBEITRAG<br />

in the CPS-PLC is necessary for the adoption of PLC technology<br />

in future CPS applications characterized by complex<br />

and fast physical processes [12, 13].<br />

Cyber-physical systems, as defined by Sztipanovits [14]<br />

are “engineered systems where functionality and salient<br />

characteristics emerge from the networked interaction<br />

of computational end physical components”. While current<br />

PLCs are networked, and provide the computational<br />

power to control physical processes, they do not address<br />

the cyber and the physical challenges simultaneously<br />

that arise with CPS applications [19]. For example, current<br />

PLC design methods focus on the detailed design of<br />

the cyber part consisting of the control software, computation,<br />

and communication elements, but use a rather<br />

simplistic approach for the physical part consisting of<br />

physical processes. The physical world is abstracted and<br />

only sampled every once in a while. We believe that the<br />

integration of the physical aspects directly into the PLC<br />

using model-based design techniques will allow for a<br />

more robust and scalable approach for the development<br />

of future CPS applications using CPS-PLCs.<br />

2. CYBER-PHYSICAL PROGRAMMABLE<br />

LOGIC CONTROLLERS<br />

CPS research and development has its origins in embedded<br />

computing [1] and the mainstream CPS applications<br />

have adopted the tools and methods from the embedded<br />

community. For example, automotive electronic control<br />

units (ECUs) are embedded microcontrollers typically<br />

programmed in C. In this paper, we observe that PLCs<br />

are also a viable control architecture for CPS applications.<br />

PLCs are hard real-time control systems designed<br />

to interact with and control physical processes through<br />

sensors and actuators in harsh environments and for very<br />

long periods of time. The most salient feature of PLCs is<br />

their cyclic execution mechanism. The scan cycle time<br />

(also known as the sampling rate) refers to the period of<br />

time in which the system is expected to (1) read the state<br />

of the system <strong>und</strong>er control (plant) through the sensors,<br />

(2) compute the corrections to bring the plant to the<br />

desired state, (3) send the corrective commands through<br />

the actuators. In addition, PLCs have a large user base<br />

supported by a mature toolchain that provides various<br />

programming languages, editors, compilers, debuggers<br />

(e.g. Simatic [9]), and communication protocols (e.g. Profibus,<br />

Profinet). Despite these advantages, traditional<br />

PLCs are unable to interact directly with the external<br />

world or processes. This feature is particularly important<br />

for CPS applications that are characterized by geographically<br />

distributed processes. In this section we introduce<br />

the cyber-physical programming logic controller (CPS-<br />

PLC) architecture that solves the problem of external<br />

communication in traditional PLCs in order to satisfy<br />

the requirements of modern CPS applications.<br />

The distributed nature of CPS applications has profo<strong>und</strong><br />

implications in traditional PLC systems. For example,<br />

Figure 1(a) shows a heating, ventilation, and air<br />

conditioning (HVAC) system of a building controlled by<br />

an automation network composed by a PLC, HMI, and an<br />

I/O module. Sensor/actuator data is read/written periodically<br />

by the I/O module that communicates with the<br />

PLC. The PLC is in charge of implementing the control<br />

algorithm that maintains the building temperature at the<br />

desired set point (set by the users through the HMI) by<br />

turning on/off the HVAC system depending on the current<br />

temperature specified by the temperature sensor.<br />

Notice that in this configuration, the PLC is communicating<br />

locally to other automation devices within the<br />

building. Smart buildings are an emerging CPS application<br />

where networked, intelligent, sensitive and adaptable<br />

buildings maximize energy efficiency, comfort, and<br />

safety [4]. This application requires more sophisticated<br />

control algorithms that interact with external data such<br />

as weather and utility company pricing information. Figure<br />

1(b) shows the automation system that controls the<br />

HVAC system of a smart building using CPS-PLCs. Notice<br />

that this automation system communicates globally<br />

to external and distant data sources including weather<br />

and utility company pricing information.<br />

The availability of external sources of data in the CPS-<br />

PLCs accommodates more sophisticated control algorithms<br />

that adapt to varying physical and market conditions.<br />

These control algorithms often require simulation<br />

of physical processes (e.g. building simulation) in order<br />

to estimate optimal control strategies as shown in Figure<br />

1(b). CPS-PLCs take advantage of physical simulation to<br />

improve the accuracy of the control strategies and also<br />

as the means for validation and verification of the control<br />

code itself. Existing PLC engineering tools do not provide<br />

simulation support and global communication support<br />

and therefore we propose new model-based design tools<br />

based on the existing PLC toolchain where the control<br />

algorithms can be coupled to a physical simulation and<br />

can communicate with external data sources.<br />

2.1 Model-Based Engineering Tools for CPS-PLCs<br />

We leverage the existing engineering tools for PLCs to<br />

minimize implementation effort and, more importantly,<br />

to provide the users the necessary extensions for CPS-<br />

PLC programming in an environment they are familiar<br />

with. Since most PLC vendors provide tools compatible<br />

with the IEC 61131-3 standard, we use the concept of<br />

function blocks (FBs) to provide the CPS-PLC functionality<br />

in reusable and language independent components<br />

that can be embedded in existing PLC programs including<br />

Instruction List (IL), Structured Text (ST), Ladder<br />

Diagram (LD), Function Block Diagram (FBD), and Sequential<br />

Function Charts (SFC).<br />

Figure 2 compares the traditional PLC application engineering<br />

workflow with the proposed CPS-PLC workflow.<br />

In the traditional PLC workflow shown in Figure<br />

2(a), the automation engineer first communicates with<br />

the mechatronics expert to <strong>und</strong>erstand the control and<br />

system requirements. The control code and algorithms<br />

create a PLC program that uses function blocks from a<br />

reusable component library (typically provided by the<br />

PLC vendor but extendable by the users). The PLC<br />

toolchain consisting of editors, compilers, debuggers,<br />

and optimizers transform the high-level PLC program<br />

into executable code for the PLC. The PLC runtime is in<br />

charge of executing this program to control a physical<br />

system. An important aspect of the traditional PLC workflow<br />

is that the communication between the mechatronics<br />

expert and the automation engineer is often infor-<br />

60<br />

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

4 / 2013

mal using ad-hoc tools such as Microsoft Word, Powerpoint,<br />

and Excel.<br />

Figure 2(b) shows the CPS-PLC workflow. Notice that<br />

the automation engineer is now required to interact with<br />

the web expertise and also with the mechatronics expert.<br />

However, this interaction is formalized through object<br />

references to external data from web services and simulation<br />

models created with model based design (MBD)<br />

tools. The formalization of the interaction between different<br />

experts reduces the errors and improves the development<br />

time of CPS control applications. It is important<br />

to note that the web expertise may not be a person but<br />

the body of knowledge necessary to make use of the web<br />

technologies. The web is an environment that uses a large<br />

variety of data formats, protocols, languages, and standards<br />

different that those used in automation. Compared<br />

FIGURE 1: Comparison<br />

between PLC and CPS-PLC<br />

in terms of data streams<br />

including sensor, actuator,<br />

external data sources,<br />

and physical simulations<br />

Utility<br />

Data<br />

Weather<br />

Data<br />

HMI<br />

Actuator<br />

Data<br />

CPS-PLC<br />

HMI<br />

Sensor<br />

Data<br />

External<br />

Data<br />

PLC<br />

CPS-PLC<br />

3<br />

Building<br />

Equipment<br />

Sensor<br />

Actuator<br />

(HVAC)<br />

Sensor<br />

Actuator<br />

(HVAC)<br />

2<br />

Building<br />

Building<br />

Simulation<br />

Smart<br />

Building<br />

CPS-PLC<br />

a) The PLC architecture is designed to interact<br />

with physical processes locally through<br />

sensors and actuators.<br />

b) The CP-PLC architecture interacts with highly distributed<br />

physical processes and takes into consideration external data<br />

and physical simulations which allows the implementation of<br />

sophisticated control algorithms for CPS applications.<br />

Control code<br />

+<br />

Simulation<br />

1<br />

External<br />

weather data<br />

FIGURE 3:<br />

Smart Energy Box prototype using<br />

a CPS-PLC to provide smart<br />

energy strategies to buildings<br />

using real-time weather data<br />

and energy simulation executed<br />

locally in the CPS-PLC for better<br />

accuracy in the control algorithms<br />

FIGURE 2: Difference between a) the traditional PLC workflow that uses informal<br />

methods for communication of requirements and b) the CPS-PLC workflow that<br />

formalizes the interaction between the Automation Engineer and external data sources<br />

and simulation models facilitated by Web Expertise and a Mechatronics Expert<br />

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

4 / 2013<br />

61

HAUPTBEITRAG<br />

to the existing paradigm, web expertise is necessary<br />

because new and critical aspects such as cybersecurity<br />

need to be addressed properly.<br />

To make use of external data and simulation models<br />

in the CPS-PLC application, the automation engineer is<br />

required to use new function blocks that provide the<br />

mechanisms for external communication and simulation<br />

to the CPS-PLC. These function blocks would typically<br />

be developed by the CPS-PLC vendor and shipped<br />

to the users in the form of reusable function blocks. With<br />

more sources of data (historical or real-time) and highfidelity<br />

physical simulations, the automation engineer<br />

can now develop more sophisticated control algorithms<br />

for CPS applications to create more efficient and intelligent<br />

systems. Thanks to the use of function blocks, the<br />

existing PLC toolchain can be reused to edit, compile,<br />

debug, and optimize the CPS-PLC applications. Finally,<br />

the CPS-PLC runtime converts the object references between<br />

the external data sources and physical simulation<br />

models into periodic communication with instances of<br />

the external data stream and the simulation executable.<br />

Notice that the simulation can be either executed locally<br />

in the CPS-PLC or externally in a personal computer.<br />

Local simulations can be beneficial to improve the accuracy<br />

of control algorithms that require frequent interaction<br />

with fast physical dynamic systems such as chemical<br />

processes. The dynamic interaction between the<br />

CPS-PLC with external data and external/local detailed<br />

physical simulation opens new possibilities for the use<br />

of this architecture in CPS applications.<br />

The complexity of emerging and future CPS applications<br />

calls for novel methods and tools that reduce the<br />

development time and cost of control systems while maximizing<br />

the efficiency of the overall system.<br />

3. USE-CASE: SMART ENERGY BOX<br />

The primary goal of the Smart Energy Box, a CPS-PLC,<br />

is to analyze and provide smart energy strategies to the<br />

FIGURE 4: Real-time weather data from NOAA<br />

showing the next 73 hours in 1 hour intervals<br />

FIGURE 5: Building Layout tool facilitates the<br />

creation of building models that take into account<br />

location, shape, height, occupancy of the building<br />

and the installed lighting and HVAC equipment<br />

100 ms scan<br />

cycle time<br />

1 ms scan<br />

cycle time<br />

FIGURE 6: Function blocks for<br />

communication with external<br />

data and for local communication<br />

with a physical simulation<br />

External data<br />

function block<br />

Simulation<br />

function block<br />

62<br />

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

4 / 2013

uilding automation system with the consideration<br />

of current smart building energy analysis (simulation)<br />

and the demand response events (external data).<br />

It is possible to enable or disable strategy evaluation<br />

or just to use energy simulation alone or just demand<br />

response event alone. In the event of disabling both<br />

energy simulation and demand response, the building<br />

will run in the normal/default mode equivalent<br />

to the functionality of a traditional PLC. Figure 3<br />

shows our Smart Energy Box prototype. The CPS-PLC<br />

(2) uses a Simatic Microbox PC running Simatic WinAC<br />

that uses function blocks to communicate periodically<br />

with external weather data (1) and to create<br />

an interface with an energy simulation (2) running in<br />

the controller. Once the control algorithm decides the<br />

best energy optimization strategy, the CPS-PLC communicates<br />

with the building equipment (3) using<br />

standard I/O interfaces. It is important to notice that<br />

the Smart Energy Box is a prototype to demonstrate<br />

the capabilities of CPS-PLCs and although this example<br />

is related to smart building applications, the<br />

CPS-PLC architecture is applicable to manufacturing,<br />

mobility, transportation, and other CPS applications.<br />

3.1 External Data<br />

Weather conditions have a direct impact in the energy<br />

utilization of a building. The Smart Energy Box<br />

must predict the energy usage based on a real-time<br />

weather forecast and therefore we provide a weather<br />

adapter as a function block for the CPS-PLC programmer<br />

to access weather data streams through the internet<br />

in real-time. The weather adapter is one of the<br />

main components of the Smart Energy Box because<br />

it provides two key functionalities: (1) retrieves the<br />

weather forecast information through publicly available<br />

web service; (2) converts and stores the weather<br />

forecast information into the hourly weather data that<br />

the Smart Energy Box control algorithm and the energy<br />

simulation can use during runtime to provide accurate<br />

energy utilization strategies that attempt to<br />

minimize the cost, maximize the energy efficiency,<br />

and to guarantee the occupancy comfort for the occupants<br />

of the building.<br />

Currently, the Smart Energy Box connects to the<br />

National Oceanic and Atmospheric Administration<br />

(NOAA) weather service [5] to retrieve real-time weather<br />

data provided as 3-hour interval reports for the<br />

next 72 hours and as 6-hour interval reports for the<br />

next 168 hours. NOAA uses the National Digital Forecast<br />

Database (NDFD) schema to deliver weather data.<br />

The web expert is responsible for converting the data<br />

with the NDFD schema into the internal weather representation<br />

of the Smart Energy Box. Although not<br />

currently implemented, the weather adapter of the<br />

Smart Energy Box is capable of fetching weather data<br />

from other sources such as Weather Undergro<strong>und</strong> [21].<br />

Figure 4 shows a snapshot of the real-time weather<br />

data that is imported by the Smart Energy Box for<br />

Princeton, NJ, USA location from NOAA. The Smart<br />

Energy Box UI is a tool that we developed for the web<br />

expert to facilitate the data conversion between weather<br />

data formats.<br />

REFERENCES<br />

[1] University of California, Cyber-Physical Systems. 2012.<br />

http://cyberphysicalsystems.org/<br />

[2] Rajkumar, R., Lee, I., Sha, L., Stankovic, J. A.: Cyberphysical<br />

systems: the next computing revolution. In:<br />

Proc. 47th Design Automation Conference (DAC), 2010,<br />

S. 731–736. ACM-Verlag 2010.<br />

[3] IEC 61131-3: Edition 2.0, Programmable controllers – Part 3:<br />

Programming Languages, 2011. http://www.iec.ch<br />

[4] Siemens: Smart Buildings – the future of building technology.<br />

2012. http://www.youtube.com/watch?v=gCuPx9shWT0<br />

[5] NOAA: National Digital Forecsat Database.<br />

http://www.nws.noaa.gov/ndfd/<br />

[6] Canedo, A., Dalloro, L., Ludwig, H.: Pipelining for Cyclic<br />

Control Systems. In: Proc. ACM/IEEE Hybrid Systems:<br />

Computation and Control (HSCC 2013), in print. IEE 2013<br />

[7] Mathworks: Simulink. 2012.<br />

http://www.mathworks.com/products/simulink/<br />

[8] Mathworks: Simulink PLC Coder. 2012.<br />

http://www.mathworks.com/products/sl-plc-coder/<br />

[9] Siemens: Automation Technology. 2012.<br />

http://www.automation.siemens.com<br />

[10] Navet, N., Monot, A., Bavoux, B., Simonot-Lion, F.: Multi-source<br />

and multicore automotive ECUs – OS protection mechanisms and<br />

scheduling. In: Proceedings IEEE International Symposium on<br />

Industrial Electronics (ISIE), S. 3734-3741. IEEE 2010.<br />

[11] Wetter, M.: A Modelica-based Model Library for Building<br />

Energy and Control Systems. In: Proc. 11th IBPSA Conference,<br />

S. 652-659. IBPSA 2009.<br />

www.ibpsa.org/proceedings/bs2009/bs09_0652_659.pdf<br />

[12] Eisenhower, B., Gasljevic, K., Mezic, I.: Control-Oriented<br />

Modeling and Calibration of Building Energy Models Using<br />

Modelica. In: Proc. 5th SimBuild Conference, S. 112-119.<br />

IBPSA-USA 2012. www.ibpsa.us/simbuild2012/Papers/<br />

SB12_TS02b_2_Eisenhower.pdf<br />

[13] Liberatore, V., Al-Hammouri, A.: SmartGrid Communication<br />

and Co-simulation. IEEE Energytech, S. 1-5, 2011<br />

[14] Sztipanovits, J.: Model Integration Languages: Cyber-<br />

Physical Systems Challenge for Model-based Design. In: ACM/<br />

IEEE 15th International Conference on Model Driven Engineering<br />

Languages & Systems (MODELS), Keynote Speech. 2012<br />

[15] Booth, A., Demirdoven, N., Tai, H.: The Smart Grid Opportunity<br />

for Solution Providers. In: McKinsey on Smart Grid, S. 45-52.<br />

McKinsey 2010.<br />

[16] Intel Corporation: Migrating Industrial Applications to<br />

Multi-core Processors. 2011.<br />

http://download.intel.com/platforms/applied/indpc/319580.pdf<br />

[17] Texas Instruments: Stellaris MCU for Industrial Automation.<br />

http://www.ti.com.<br />

[18] Freescale: QorIQ Processing Platforms - Industrial.<br />

http://www.freescale.com.<br />

[19] Goswami, D., Schneider, R., Chakraborty, S.: Co-design of cyberphysical<br />

systems via controllers with flexible delay constraints.<br />

In: Proc. of the 16th Asia and South Pacific Design Automation<br />

Conference (ASPDAC ’11), S. 225-230. IEEE-Publisher 2011<br />

[20] Al Faruque, M.A., Dalloro, L., Zhou. S., Ludwig, H., Lo, G.:<br />

Managing Residential-Level EV Charging Using Networkas-Automation<br />

Platform (NAP) Technology. In: IEEE International<br />

Electric Vehicle Conference (IEVC 2012), S. 1-6. IEEE 2012<br />

[21] Weather Undergro<strong>und</strong>, Weather API,<br />

http://www.w<strong>und</strong>ergro<strong>und</strong>.com/weather/api/ S. 1-6. IEEE 2012<br />

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

4 / 2013<br />

63

HAUPTBEITRAG<br />

3.2 Simulation Model<br />

The building modeling begins with our building layout<br />

tool that allows building designers (analogous to the mechatronics<br />

experts in Figure 2) to visually create the<br />

shape of a building in a map as shown in Figure 5. The<br />

user draws the perimeter polygon on the map, and specifies<br />

the number of floors, the occupancy, lighting, and<br />

HVAC configuration. These parameters are used to populate<br />

the simulation parameters of a Matlab/Simulink<br />

[7] model that describes the energy dynamics of the building.<br />

Using the Mathworks code generator [8], the Matlab/<br />

Simulink model can be translated into Structured Text<br />

and executed directly in the CPS-PLC or, alternatively,<br />

compiled into an executable simulation object that is<br />

executed in a personal computer and periodically communicates<br />

with the control code executed in the CPS-<br />

PLC runtime.<br />

3.3 Function blocks<br />

A very important design aspect of CPS-PLC is to reuse<br />

the PLC toolchain and to provide the extra functionality<br />

through reusable function blocks that users can<br />

embeded in their applications to develop more sophisticated<br />

algorithm and control strategies. Figure 6<br />

shows two function blocks “FC1 check network for<br />

updates” and “FC2 StepV” that provide connectivity<br />

to external data sources (weather data) and to the local<br />

simulation (thermal-energy). Notice that both function<br />

blocks are assigned to the standard automation task<br />

(OB1 and OB35) and this allows cyclic communication<br />

every 100 ms and 1 ms. The simulation function block<br />

is configured to 1 ms in order to achieve a real-time<br />

interaction between the simulated physical process<br />

and the controller.<br />

CONCLUSION<br />

This paper introduces the cyber-physical programmable<br />

logic controller (CPS-PLC), a hard real-time cyclic<br />

control architecture based on traditional PLCs that satisfies<br />

the requirements of emerging and future CPS<br />

applications. By allowing communication with external<br />

and geographically distributed data streams, and by<br />

providing a mechanism to couple control code with physical<br />

simulations, the CPS-PLC architecture accommodates<br />

more sophisticated control algorithms to improve<br />

the performance of systems. We also present a CPS-PLC<br />

toolchain that, based on the existing PLC languages,<br />

extends their functionality through reusable components<br />

in the form of function blocks. Using a smart building<br />

CPS application, we demonstrated how our architecture<br />

uses a model-based design approach to develop<br />

complex control strategies that optimize the energy<br />

consumption of a smart building. CPS-PLC is also applicable<br />

to a broad range of emerging CPS applications<br />

including smart grid and energy applications [20].<br />

MANUSKRIPTEINGANG<br />

05.12.2012<br />

Im Peer-Review-Verfahren begutachtet<br />

ACKNOWLEDGEMENTS<br />

The authors thank Prasad Mukka, Florian Ersch,<br />

and Mike Veldink from Siemens Corporation,<br />

Corporate Technology, for their support with the<br />

implementation of the CPS-PLC in the smart<br />

building CPS application.<br />

AUTHORS<br />

Dr. ARQUIMEDES CANEDO (born in 1981) is a Staff Scientist<br />

at the Technology Field Automation and Control of Siemens<br />

Corporate Technology.<br />

Siemens Corporation,<br />

Corporate Technology,<br />

755 College Road East, Princeton, USA, 08540,<br />

Tel. +1 609 734 33 17,<br />

E-Mail: arquimedes.canedo@siemens.com<br />

Dr. GEORGE LO (born in 1950) is a Senior Principal<br />

Key Expert Engineer in the Field of Automation and<br />

Control at Siemens Corporate Technology<br />

Siemens Corporation,<br />

Corporate Technology,<br />

755 College Road East,<br />

Princeton, USA, 08540<br />

Dipl. Math. GEORG MÜNZEL (born in 1956) is the Head of the<br />

Research Group Automation Engineering 1 in the Technology<br />

Field Automation and Control of Siemens Corporate Technology.<br />

Siemens Corporation,<br />

Corporate Technology,<br />

755 College Road East,<br />

Princeton, USA, 08540<br />

THOMAS GRÜNEWALD (born in 1970) is a Project<br />

Manager in the Field of Automation and Control at<br />

Siemens Corporate Technology<br />

Siemens Corporation,<br />

Corporate Technology,<br />

755 College Road East,<br />

Princeton, USA, 08540<br />

64<br />

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

4 / 2013

KNOWLEDGE<br />

for the FUTURE<br />

Qualified reading<br />

for automation<br />

experts<br />

Process Control Systems Engineering<br />

Process Control Systems (PCS) are distributed control systems<br />

(DCS) that are specialized to meet specific requirements of the<br />

process industries.<br />

The text book focuses on PCS engineering basics that are common<br />

to different domains of the process industries. It relates to an<br />

experimental research plant which serves for the exploration<br />

of the interaction between process modularization and process<br />

automation methods. This permits to capture features of highly<br />

specialized and integrated mono-product plants as well as<br />

application areas which are dominated by locally standardized<br />

general-purpose apparatus and multi-product schemes. While<br />

the text book’s theory is applicable for all PCS of different<br />

suppliers, the examples refer to Siemens’ control system PCS 7.<br />

Focusing on a single PCS enables readers to use the book in basic<br />

lectures on PCS engineering as well as in computer lab courses,<br />

allowing students to gain hands-on experience.<br />

Editor: L. Urbas<br />

1 st <strong>edition</strong> 2012, 204 pages, content in English * , hardcover<br />

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Praxis – rtp“ gegründet.<br />

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geschützt. Mit Ausnahme der<br />

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<strong>und</strong> Beteiligungsverhältnisse am Verlag<br />

wie folgt an:<br />

DIV Deutscher Industrieverlag GmbH,<br />

Arnulfstraße 124, D-80636 München.<br />

Alleiniger Gesellschafter des Verlages<br />

ist die ACM-Unternehmensgruppe,<br />

Ostring 13,<br />

D-65205 Wiesbaden-Nordenstadt.<br />

ISSN 2190-4111<br />

DIE AUSGABE 5 / 2013 DER<br />

ERSCHEINT AM 06.05.2013<br />

MIT DEM SCHWERPUNKT<br />

„WANDELBARKEIT VON INDUSTRIELLEN<br />

AT-SYSTEMEN“<br />

Erfolgreich Trainieren<br />

mit Serious Games im<br />

industriellen Einsatz<br />

Von der Gerätediagnose zum<br />

Informationsmanagement<br />

Simulationsgestützte<br />

Entwicklung der<br />

Automatisierung<br />

Wandelbare<br />

Fertigungssysteme<br />

Aus aktuellem Anlass können sich die Themen<br />

kurzfristig verändern.<br />

LESERSERVICE<br />

E-MAIL:<br />

leserservice@di-verlag.de<br />

TELEFON:<br />

+ 49 (0) 931 417 04 94<br />

66<br />

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

4 / 2013

Erreichen Sie die Top-Entscheider<br />

der Automatisierungstechnik.<br />

Sprechen Sie uns an wegen Anzeigenbuchungen<br />

<strong>und</strong> Fragen zu Ihrer Planung.<br />

Inge Matos Feliz: Tel. +49 89 203 53 66-22<br />

E-Mail: matos.feliz@di-verlag.de

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