atp edition Kontext, Dienste und Cloud Computing (Vorschau)

4 / 2013

55. Jahrgang B3654

DIV Deutscher Industrieverlag GmbH

Automatisierungstechnische Praxis

Kontext, Dienste und

Cloud Computing | 32

AutoPnP – Plug-and-produce

in der Automation | 42

CPS – eine Fallstudie | 50

Cyber-Physical Programmable

Logic Controllers | 58

Danke!

atp edition ist vom Verband Deutsche

Fachpresse als Fachmedium des Jahres

2012 in der Kategorie Industrie/Produktion/

Design ausgezeichnet worden. atp edition

ist eine Gemeinschaftsleistung aus der

Branche für die Branche. Hinter der hochwertigen

Publikation für Automatisierungstechnik

stecken viele kluge Köpfe. Nicht

nur Chefredakteur, Herausgeber und Beiräte

tragen mit ihrem Agenda-Setting dazu bei,

dass atp edition in ihrer seit über 50-jährigen

Tradition die maßgeblichen Themen der

Automatisierungstechnik bestimmt. Auch

die Fachredaktion leistet mit einem Peer-

Review-Verfahren für wissenschaftlich

fundierte Veröffentlichungen einen unverzichtbaren

Beitrag. Nicht möglich wäre dies

ohne unsere zahlreichen Fach-Autoren. Ein

großes Dankeschön an alle, die hinter atp

edition stehen und das Fachmagazin zu

einem Erfolg machen – und nicht zuletzt

an Sie, unsere Leser.

Ihre Entscheidung für die hochwertige

Publikation atp edition stärkt die Bedeutung

wissenschaftlicher Forschungsarbeiten

in der Automatisierungstechnik.

Print wirkt

„atp edition“ ist ein Printtitel auf höchster

Qualitätsstufe und mit Nachhaltigkeit im

Sinne wiederkehrender Nutzung. Der Titel

erfüllt den selbstgestellten Anspruch eines

anspruchsvollen und seriösen Magazins für

Top-Entscheider zwischen Wissenschaft

und Praxis konsequent.

Entsprechend der journalistischen Konzeption

ist Online hintenangestellt. Die Jury

sah hier „die beispielhafte Umsetzung einer

wissenschaftlich ausgerichteten Fachzeitschrift

mit Magazincharakter“.

EDITORIAL

Cyber-physical systems –

ein „Buzzword“ gewinnt Konturen

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

den USA nach Europa kam, wurde er von nicht wenigen Automatisierungstechnikern

als ein weiteres „Buzzword“ aus der Folklore der Forschungsförderung

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

rechentechnischen mit „realen“, physischen Prozessen um nichts Neues

zu handeln, weist doch fast jedes Automatisierungssystem diese Eigenschaft auf.

Auch der Aspekt der Vernetzung wurde als „alter Hut“ bezeichnet und das schon

seit mehreren Jahrzehnten aktive Forschungsgebiet der Telematik angeführt.

Viele Automatisierungstechniker waren auch irritiert, dass die mit CPS verbunden

Visionen selbst für die Produktionstechnik (Stichwort „Industrie 4.0“) aus

der Informatik heraus entwickelt wurden. Schnell war davon die Rede, dass die

CPS-Protagonisten nur vorhandene Ansätze aus der Automatisierungstechnik

„neu erfinden“.

In der Zwischenzeit setzt sich aber die Erkenntnis durch, dass die massive

Vernetzung von Regelungs- und Steuerungssystemen über offene und globale

Netze mit der Einbindung offen verfügbarer Dienste eine neue Klasse von Systemen

schafft, die auch die industrielle Produktion nachhaltig verändern wird.

Für die Automatisierungs- und Regelungstechnik sind CPS kein „alter Wein in

neuen Schläuchen“, sondern stellen eine Herausforderung für unsere Entwicklungsmethodik

und die Gestaltung von Geräten und Anwendungen dar. Insbesondere

für den Umgang mit einem neuen Ausmaß an Heterogenität, Strukturvariabilität

während der Betriebszeit und Gefährdung von Datensicherheit reichen

unsere vorhandenen Methoden und Werkzeuge nicht aus. Auf der anderen

Seite kann unsere Fachdisziplin aber auch eine ganze Reihe von ureigenen Ansätzen

in die notwendige Forschung und Weiterentwicklung einbringen, unter

anderem in den Bereichen vernetzte Regelung, verteilte Automatisierung oder

funktionale Sicherheit.

Die Beiträge in dieser Ausgabe der atp edition greifen die beschriebene Herausforderung

auf und zeigen, wie die Potenziale durch CPS-Technologie in der

Automatisierungstechnik konkret genutzt werden können. Schlick et al. schärfen

zunächst den Begriff CPS und zeigen dann an einem Anwendungsbeispiel, welche

Auswirkungen die Verfügbarkeit von Diensten aus der „Cloud“ und Kontextsensitivität

auf die Automatisierung haben. In Canedo et al. wird schon eine

konkrete gerätetechnische Ausprägung vorgestellt, nämlich die Vernetzung einer

SPS mit Diensten aus dem Internet. Kainz et al. übertragen die Idee des „Plugand-play“

auf Produktionssysteme, um so den Aufwand für die Umkonfiguration

bei Strukturänderungen zu reduzieren. Schließlich rundet der Beitrag von

Rösch et al. die CPS-Thematik ab, indem an einem konkreten Anwendungsfall

ein CPS-basierter Ansatz bei der Automatisierung mit dem klassischen Vorgehen

verglichen wird.

Einige der Autoren arbeiten auch in dem GMA-Fachausschuss 7.20 „Cyberphysical

Systems“ mit, der im Frühjahr 2012 gegründet wurde und sich zum Ziel

gesetzt hat, die automatisierungstechnischen Herausforderungen und Potenziale

durch CPS herauszuarbeiten. Zurzeit entsteht dazu eine entsprechende Stellungnahme

mit einer Darstellung von Handlungsfeldern. Zusammen mit dieser

Aktivität macht die vorliegende Ausgabe der atp edition deutlich, dass das Thema

CPS in der Automatisierungstechnik angekommen ist und wir jetzt gemeinsam

daran arbeiten sollten, die vielfältigen Möglichkeiten zu nutzen.

PROF. DR.-ING.

STEFAN KOWALEWSKI,

Lehrstuhlinhaber Informatik 11

Embedded Software

RWTH Aachen,

Leiter GMA-Fachausschuss 7.20

Cyber-physical Systems

atp edition

6 / 2012

3

INHALT 4 / 2013

VERBAND

8 | Industrie 4.0, Richtlinien, LED: GMA-Vorstand

legt Ziele für die kommende Amtsperiode fest

Grundlagen-Richtlinie des VDI zu Middleware

Digitale Prozessketten in der Medizintechnik

9 | VDI-Blatt erläutert Informationssicherheit

IKT: Sieger beim Gründerwettbewerb

10 | AALE feiert 10. Fachkonferenz in Stralsund

mit besonderem Rahmenprogramm

12 | „Zukünftig werden wir zu den Veranstaltungen der

AALE mehr Universitätsprofessoren einladen“

INTERVIEW MIT PROF. DR.-ING. BERND BÜCHAU, AUSRICHTER DER 10. AALE

UND VFAALE-SPRECHER IM INTERVIEW MIT ATP EDITION

14 | Bachelor-Gewinner aus Kanada zugeschaltet

FORSCHUNG

16 | TU Ilmenau und Hochschule Heilbronn

kooperieren bei Promotion, Forschung und Transfer

Fraunhofer stellt „Morgenfabrik“ in Hannover vor

Call for atp experts – Geräteintegration

17 | Bildverarbeitungssystem für die Cloud auf der Cebit vorgestellt

18 | 47. Regelungstechnisches Kolloquium in Boppard

vergab vier Preise an Automatisierungsnachwuchs

BRANCHE

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

Berliner Energietage: Gebäudetechnik kommt

21 | AutoID-Technologien auf dem

ID World International Congress vorstellen

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

mit Wireless Hart in Verbindung?

4

atp edition

4 / 2013

PRAXIS

24 | Energiesparen erfordert Gesamtlösungen:

Potenziale lokalisieren, Verbesserungen

umsetzen und belegen

26 | Stringente Systematik in der elektrotechnischen

Betriebstechnik steigert die

Anlagenverfügbakeit

28 | Maximale Transparenz beim Verbrauch

bildet die Basis, um Einsparpotenziale zu

erkennen

Produkte,

Systeme

und Service

für die

Prozessindustrie?

Natürlich.

HAUPTBEITRÄGE

32 | Kontext, Dienste und Cloud Computing

J. SCHLICK, P. STEPHAN UND T. GREINER

42 | AutoPnP – Plug-and-produce

in der Automation

G. KAINZ, N. KEDDIS, D. PENSKY, C. BUCKL, A. ZOITL,

R. PITTSCHELLIS UND B. KÄRCHER

50 | CPS – eine Fallstudie

B. VOGEL-HEUSER, S. RÖSCH, A. FRIEDRICH UND P. GÖHNER

58 | Cyber-Physical Programmable

Logic Controllers

RUBRIKEN

A. CANEDO, G. MÜNZEL, G. LO UND T. GRÜNEWALD

System 800xA 5.1 hilft Anlagen

noch effizienter zu betreiben

und die Produktivität und Rentabilität

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3 | Editorial: Cyber-physical systems –

ein „Buzzword“ gewinnt Konturen

66 | Impressum, Vorschau

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VERBAND

Industrie 4.0, Richtlinien, LED: GMA-Vorstand

legt Ziele für die kommende Amtsperiode fest

Wesentliche Ziele für die neue Amtsperiode definierte

der Vorstand der GMA (VDI/VDE-Gesellschaft

für Mess- und Automatisierungstechnik) bei

einer ersten konstituierenden Sitzung. Ende Januar

hatten Prof. Dr.-Ing. Gerald Gerlach (TU Dresden), Dr.-

Ing. Peter Adolphs (Pepperl+Fuchs), Prof. Dr.-Ing. Dirk

Abel (RWTH Aachen), Dipl.-Ing. Dieter Westerkamp

(VDI), Dr.-Ing. Kurt Bettenhausen (Siemens AG), Dipl.-

Inform. Christoph Winterhalter und Dr.-Ing. Michael-

Thomas Kramer (LED Linear) getagt, um ihre Strategien

zu bestimmen. Die GMA will beispielsweise das Projekt

„Industrie 4.0“ aktiv entwickeln und umsetzen.

Dazu wird sie Forscher, Industriepartner und Lehrende

unterstützen. Über die GMA selbst sollen neutrale

Plattformen zum Austausch angeboten werden.

Auch die VDI-Richtlinien will die GMA weiterhin

für die Praxis entwickeln und veröffentlichen. „Hier

sind wir in den vergangenen beiden Jahren sehr erfolgreich

gewesen und werden dies mit unseren Fachgremien

fortsetzen“, sagt Dieter Westerkamp, Geschäftsführer

der GMA.

Einen besonderen Schwerpunkt widmet die GMA den

LEDs. Die Gesellschaft möchte die Öffentlichkeit über die

moderne Technik aufklären und dafür sensibilisieren.

Der GMA-Vorstand freut sich bereits auf den Automationskongress.

Der Branchentreff rund um die Automatisierung

mit hochrangingen Vertretern aus Wissenschaft

und Industrie findet am 25. und 26. Juni 2013

im Kongresshaus in Baden-Baden statt. (ahü)

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

(TU Dresden), Dr.-Ing. Peter Adolphs (Pepperl+Fuchs),

Prof. Dr.-Ing. Dirk Abel (RWTH Aachen),

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

Kurt Bettenhausen (Siemens AG), Dipl.-Inform. Christoph

Winterhalter, Dr.-Ing. Michael-Thomas Kramer (LED Linear).

VDI/VDE-GESELLSCHAFT

MESS- UND AUTOMATISIERUNGSTECHNIK (GMA)

VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE E.V,

VDI-Platz 1,

D-40468 Düsseldorf,

Tel. +49 (0) 211 621 40,

Internet: www.vdi.de

Grundlagen-Richtlinie

des VDI zu Middleware

Die RichtlinieVDI/VDE 2657 Blatt 1 „Middleware in

der Automatisierungstechnik – Grundlagen“ ist im

Januar 2013 als Weißdruck erschienen. Sie beschreibt

Begriffe und nennt Merkmale und Anforderungen an

Middleware in der Automatisierungstechnik, die für

die umfassende, flexible, effiziente und effektive Lösung

der Integrationsaufgaben nötig sind. Die Richtlinie

soll, so die GMA, bei Auswahl, Entwicklung und

Verwendung von Middleware in der Automatisierungstechnik

helfen. Weitere Informationen sind unter

www.vdi.de/2657 abrufbar.

(ahü)

Digitale Prozessketten in

der Medizintechnik

Am Beispiel von Dentaltechnik, Kardiovaskulärer

Technik und Prothetik wird die Digitalisierung in

der Medizintechnik auf einem Expertenforum diskutiert.

Die Veranstaltung, die vom VDI organisiert wird,

befasst sich mit den Chancen und Herausforderungen

der Digitalisierung im Medizinbereich und greift dabei

auch die individualisierte Fertigung von Medizinprodukten

als Thema auf. Das Forum findet am 24. April

2013 im Maritim-Hotel Düsseldorf-Flughafen statt. Weitere

Informationen finden Interessierte auf der Internetseite

www.vdi.de/medizintechnik.

(ahü)

VDI/VDE-GESELLSCHAFT

MESS- UND AUTOMATISIERUNGSTECHNIK (GMA)

VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE E.V.,

VDI-Platz 1, D-40468 Düsseldorf,

Tel. +49 (0) 211 621 40,

Internet: www.vdi.de

VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE,

VDI-GESELLSCHAFT TECHNOLOGIES OF LIFE SCIENCES,

Postfach 10 11 39,

D-40002 Düsseldorf,

Tel. +49 (0) 211 621 42 66,

E-Mail: medizintechnik@vdi.de

8

atp edition

4 / 2013

VDI-Blatt erläutert

Informationssicherheit

Die Richtlinie VDI/VDE 2182 Blatt 2.1 „Informationssicherheit

in der industriellen Automatisierung – Anwendungsbeispiel

des Vorgehensmodells in der Fabrikautomation

für Hersteller – Speicherprogrammierbare

Steuerung (SPS)“ ist im Februar 2013 als Weißdruck erschienen.

Vorgestellt wird ein Anwendungsbeispiel, das

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

konkret auf, wie die Anwendung des Vorgehensmodells

die Informationssicherheit verbessert und welche Maßnahmen

aus Sicht eines Herstellers eingeführt oder durchgeführt

werden müssen. Mit dieser Anwendung sollen

angemessene Schutzmaßnahmen und die Dokumentation

der Security-relevanten Eigenschaften erreicht werden.

Weitere Informationen sind unter www.vdi.de/2182

abrufbar.

(ahü)

VDI/VDE-GESELLSCHAFT MESS- UND

AUTOMATISIERUNGSTECHNIK (GMA)

VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE E.V.,

VDI-Platz 1, D-40468 Düsseldorf,

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

IKT: Sieger beim

Gründerwettbewerb

Auf der Cebit zeichnete Dr. Philipp Rösler, Bundesminister

für Wirtschaft und Technologie (BMWi), die

Preisträger der Runde 2/2012 im Gründerwettbewerb

„IKT Innovativ“ aus: Solvertec aus Bremen (entwickelten

ein Werkzeug zur automatisierten Fehlerbehebung beim

Entwurf von Computerchips), The Captury aus Saarbrücken

(entwarfen ein Software-Verfahren für die Analyse

von Mimik und Bewegung bei Personen), Towi Solutions

aus Berlin (bieten Technologie zur Herstellung optischer

Koppler für Telekommunikation) und VMMInspector aus

Bochum (erstellten Analysewerkzeug für Windows-Systeme,

mit dem hochspezialisierte Schadsoftware gefunden

wird) konnten sich über je 30 000 Euro freuen.

In dem kontinuierlichen Ideenwettbewerb prämiert

das BMWi Unternehmungsgründungen in der Informations-

und Kommunikationstechnologie (IKT). Startups

erhalten dabei die Chance, Geschäftsideen von einer

unabhängigen Jury nach Kriterien wie Innovationshöhe,

Marktpotenzial und Wettbewerbsfähigkeit, Umsetzung

und Qualifikation prüfen zu lassen. Außerdem winken

individuelle Expertencoachings. Die Wettbewerbsrunde

„Vom Smart Home zu Smart Grids“ läuft noch bis 31.

Mai. Bewerber müssen ihre Idee auf zehn bis 15 Seiten

skizzieren. Alle Teilnehmer erhalten eine schriftliche

Einschätzung ihrer Idee bezüglich Stärken, Schwächen,

Chancen und Risiken.

(ahü)

BUNDESMINISTERUM FÜR WIRTSCHAFT UND

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4 / 2013

9

VERBAND

UNTERSCHRIFT: VFAALE-Vorstand

Patrik Menges (SEW Eurodrive),

Prof. Dr.-Ing. Reinhard Langmann,

Axel Gerlt (Siemens AG) und Beiratssprecher

Prof. Dr.-Ing. Bernd Büchau

(v.l.) unterzeichnen die Siegerurkunden

für den AALE Student Award 2013.

DIE AALE-FACH-

KONFERENZ fand

bereits zum 10. Mal

statt. Trotz der weiten

Anreise kamen 160

Teilnehmer nach

Stralsund.

DAS OZEANEUM in Stralsund bot

beeindruckende Ausblicke. Hier fand

die Abendveranstaltung statt.

AALE feiert 10. Fachkonferenz in Stralsund

mit besonderem Rahmenprogramm

Jubiläumsveranstaltung lockte 160 Besucher und 13 Industriepartner an die Ostseeküste

Angewandte Automatisierungstechnik in Lehre und

Entwicklung an Hochschulen hat sich eine Konferenz

deutschsprachiger Hochschulen und Institute auf

die Fahnen geschrieben. Die AALE, so die Abkürzung,

feierte am 28. Februar und 1. März 2013 ein Jubiläum:

Bereits zum 10. Mal fand sie statt.

Auf dieser Tagung stellen Wissenschaftler ihre Forschungsergebnisse

vor. Industrieunternehmen präsentieren

sich in der begleitenden Ausstellung. Die AALE-Konferenz

wechselt ihren Standort jährlich. 2013 war die

Fachhochschule Stralsund, unter der Leitung von Prof.

Dr.-Ing. Bernd Büchau Ausrichter der Veranstaltung. Büchau

ist Prodekan des Fachbereichs Elektrotechnik und

Informatik an der Fachhochschule und gleichzeitig Sprecher

des wissenschaftlichen Beirats des Vereins der Freunde

und Förderer der AALE (VFAALE). Von der ersten

AALE-Konferenz in Pforzheim bis zum zehnten Treffen

in Stralsund hat der Verein seine Bekanntheit stetig steigern

können. Auch die Beteiligung der Industriepartner

auf der dazugehörigen Ausstellung wuchs in den vergangenen

zehn Jahren.

IDEE ZUR GRÜNDUNG ENTSTAND AUF ATP-TREFFEN

Die Idee, ein fachwissenschaftliches Kolloquium für angewandte

Automatisierungstechnik in Lehre und Entwicklung

an Hochschulen zu gründen, entwickelte Prof.

Dr.-Ing. Michael Felleisen auf dem atp-Beiratstreffen

2002 in Frankfurt. Diesem Vorschlag schlossen sich Vertreter

von Industrieunternehmen und der Beirat der atp

an. Ein Jahr später, auf dem Kongress der GMA (Gesellschaft

für Mess- und Automatisierungstechnik), sicherten

die Verbandsvertreter ihre Unterstützung zu.

Die erste AALE-Konferenz mit dem Ziel, einen jährlichen

Erfahrungsaustausch und den Kontakt der Professoren

untereinander zu fördern, wurde 2004 an der

Hochschule Pforzheim Realität. „In Anlehnung an das

für Universitätsprofessoren der Automatisierungstechnik

etablierte Boppard-Kolloquium sollte eine gleichwertige

Kommunikationsplattform für Professoren an

Fachhochschulen geschaffen werden“, so Prof. Dr.-Ing.

Reinhard Langmann, Erster Vorsitzender des Vereins

zur Förderung der AALE (VFAALE), in seiner Jubiläumsrede.

Damals nahmen 38 Professoren und zehn

10

atp edition

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© AALE – Angewandte Automatisierungstechnik in Lehre und

AALE-Beirat

8 + 2 Hochschulvertreter

4 Verbände (GMA, NAMUR, ZVEI, VDMA)

1 Fachverlag (DIV Deutscher Industrieverlag GmbH)

Kontakt zu Verbänden,

Organisationen und Fachpresse

Ausstrahlung in die Fachöffentlichkeit

Internes Diskussionsforum

Zusammenarbeit

AALE-TEILNEH-

MER bestaunten

die lebensgroße

Nachbildung eines

Wals im Ozeaneum

Stralsund

während der

Abendveranstaltung.

Bilder: Anne Hütter

Fachkonferenz für Angewandte

Automatisierungstechnik

in Lehre und Entwicklung

an Hochschulen

Verein der Freunde und Förderer für

die Angewandte Automatisierungstechnik

an Hochschulen (VFAALE e.V.)

(30 Mitglieder)

Kontakt zu Industrie

und Wirtschaft

ZUSAMMENSETZUNG DER AALE: Durch den

AALE-Beirat und den VFAALE sichert die

AALE die Verknüpfung zu Industrie, Praxis und

Branche der Automation.

Industrieunternehmen teil. Die Zahl der Teilnehmer

steigerte sich in den Jahren.

Zur 3. AALE-Konferenz in Düsseldorf luden die damaligen

Organisatoren Prof. Dr.-Ing. Hartmut Haehnel, Prof.

Dr. Harald Jacques und Prof. Dr.-Ing. Reinhard Langmann

bereits Vertreter aus Wissenschaft und Politik ein.

Am zweiten Tag begleiteten Dr. Hubert Mücke, Geschäftsführer

des Hochschullehrerbundes sowie Heinz

Krommen, zuständiger Referatsleiter des NRW-Ministeriums

für Innovation, Wissenschaft, Forschung und

Technologie die Diskussion zum Thema „Drittmittelforschung

und Forschungstransfer“.

Einen weiteren politischen Höhepunkt gab es 2009 bei

der Konferenz an der Beuth Hochschule für Technik in Berlin.

Die damalige Staatsministerin Cornelia Pieper lobte

gute Ausgangsbedingungen, die Fachhochschulen dem Ingenieurnachwuchs

böten. Die Politikerin forderte eine Exzellenzinitiative

Fachhochschulen, die anwendungsorientierte

Forschung und Entwicklung fördern sollte. In diesem

Jahr wurde erstmals der AALE Student Award verliehen.

Der Preis wird seitdem jährlich für die beste Bachelor- und

Master/Diplom-Arbeit vergeben.

Auch die Praxis kam auf den AALE-Konferenzen zum

Zug. Zum 4. Treffen an der Hochschule Ostwestfalen-

Lippe, besuchten die Teilnehmer die Firma Phoenix Contact

in Blomberg. Mit fast 200 Teilnehmern erreichte die

AALE-Konferenz schließlich ihren vorläufigen Höhepunkt

im Jahr 2011. An der Hochschule Esslingen, Standort Göppingen,

war die Grenze der Teilnehmerzahl erreicht.

Auch die Abendveranstaltungen sind auf der AALE-

Konferenz besondere Höhepunkte, die sich an den lokalen

Sehenswürdigkeiten orientieren. In Berlin dinierten

die AALE-Teilnehmer 2009 im alten Funkturm. Im Jahr

darauf fand die wohl internationalste AALE an der Fachhochschule

Technikum in Wien statt. Ausrichter FH-

Professor Viktorio Malisa konnte Professoren aus

Deutschland, Österreich, der Schweiz und sogar Slowenien

und den USA in die Donaumetropole locken. Am

Abend traf man sich im Schloss Schönbrunn.

THEMEN: LEHRE&FORSCHUNG, ROBOTIK, STEUERUNG

Nach der Veranstaltung 2012 in Aachen stand 2013 Stralsund

auf dem Programm. Hierzu hatten sich 160 Teilnehmer

angemeldet. Der wissenschaftliche Beirat des

VFAALE (Prof. Büchau, Prof. Felleisen, Prof. Dr. Götzmann,

Prof. Dr. Hahnel, Prof. Dr. Hoffmann, Prof. Dr.

Kayser, Prof. Malisa, Prof. Dr. Schneider und die assoziierten

Mitglieder) konnte sich über 50 Einreichungen für

das Programm freuen. Davon wurden 33 Vorträge in den

Sessions vorgestellt und drei als Plenarvortrag. Die Sitzungen

„Lehre und Ausbildung“ (Leitung Reinhard

Langmann), „Automatisierungssysteme I“ (Leitung Walter

Götzmann), „Robotik I“ (Leitung Hartmut Hensel),

„Steuerungstechnik-Trends“ (Leitung Ulrich Hoffmann),

„Automatisierungssysteme II“ (Leitung Jens Jäkel), „Robotik

II“ (Leitung Michael Felleisen), „Energieeffizienz I“

(Leitung Karl-Heinz Kayser), „Modellbasierter Entwurf“

(Leitung Stefan Sagert) und „Adaptive Systeme“ (Leitung

Hartmut Haehnel) gestalteten den ersten Tag. Die Verleihung

der AALE Student Awards an Marten Pape für die

beste Bachelor-Arbeit und an Andreas Bathelt für die

beste Master-Arbeit beendeten den Donnerstag. Das Dinner

im Ozeaneum schloss den Tag ab.

Der Freitag startete mit der Plenarveranstaltung zum

Thema „Protokollunabhängiges Monitoring für industrielle

Netzwerke“ von Steffen Himstedt. Die Leitung hatte

Prof. Büchau inne. Die Sessions „Energieeffizienz II“ (Leitung

Viktorio Malisa), „Kommunikation in der Antriebstechnik“

(Leitung Uwe Creutzburg), „Autonome und mobile

Systeme“ (Leitung Michael Felleisen), „Energieeffizienz

III“ (Leitung Michael Schlereth), „Modellbildung und

Simulation“ (Leitung Christian Bunse) und „Reglerkonzepte“

(Leitung Michael Bierhoff) folgten.

Parallel zu den Vorträgen präsentierten 13 Wissenschaftler

Postervorträge. Die begleitende Industriemesse

lockte 13 Aussteller nach Stralsund. Die Pausen wurden

genutzt, um zu netzwerken oder sich über das Ausbildungsprogramm

der Industriepartner zu informieren.

AUTORIN

ANNE HÜTTER ist verantwortlich für die

Redaktion und das Programmmanagement

der atp im Deutschen Industrieverlag.

DIV Deutscher Industrieverlag GmbH,

Arnulfstraße 124, D-80636 München,

Tel. +49 (0) 89 203 53 66 58,

E-Mail: huetter@di-verlag.de,

Internet: www.di-verlag.de

atp edition

4 / 2013

11

VERBAND

„Zukünftig werden wir zu den Veranstaltungen der

AALE mehr Universitätsprofessoren einladen“

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

Die zehnte AALE-Fachkonferenz nahm atp edition zum

Anlass, ein Interview mit Organisator und VFAALE-Sprecher

Bernd Büchau zu führen. Der Professor blickt auf die

Anfänge der Veranstaltung an der Hochschule Pforzheim

zurück. Er äußert sich zu der Historie der Veranstaltung

und fordert auch dazu auf, sich der Branche weiter zu

öffnen. In Zukunft will die AALE auf Branchenveranstaltungen

präsenter sein und auch die Universitätsprofessoren

zur verstärkten Teilnahme auffordern.

atp edition: Herr Prof. Dr.-Ing. Büchau, Sie waren an der

Fachhochschule Stralsund Ausrichter der 10. AALE-Fachkonferenz.

Sind Sie mit dem Verlauf der Veranstaltung

zufrieden?

BERND BÜCHAU: Die Veranstaltung, insbesondere die Sessions

waren gut besucht, das Niveau der Beiträge angemessen

hoch, vielleicht sogar mit einer leichten Steigerung

im Vergleich zu bisherigen Konferenzen. Die Konferenzteilnehmer

und Aussteller waren sehr zufrieden, das fachliche

und kulturelle Rahmenprogramm war stimmig. Mit

der Abendveranstaltung im Ozeaneum mit dem Motto „Ein

PROF. DR.-ING

BERND BÜCHAU:

"Auf automatisierungsrelevanten

Fachveranstaltungen

wie der

Namur-Hauptsitzung

oder dem GMA-Kongress

Automation sind wir

vertreten, aber sicher

noch nicht in dem Maße

wie wir es uns wünschen."

Exkurs in die Tiefen der Ostsee“ konnte ein einzigartiges

Highlight angeboten werden.

Die Organisation durch das Team der Fachhochschule

Stralsund war professionell. Es war eine rundum gelungene

Veranstaltung, die viel Werbung für zukünftige AALE-

Konferenzen, unsere Hochschule und die Stadt gemacht

hat. Wir als kleine aber feine Fachhochschule Stralsund

konnten zeigen, wie leistungsfähig wir sind. Insgesamt bin

ich mit dem Verlauf der AALE sehr zufrieden.

atp edition: Inwieweit unterschied sich die 10. AALE-Fachveranstaltung

von den übrigen neun Treffen?

BERND BÜCHAU: Wir haben Konzept und Ablauf optimiert.

Das Programm wurde etwas kompakter gestaltet, mit mehr

Möglichkeiten des Austauschs und der Information. So haben

wir am Vortag erstmalig einen Workshop angeboten, der gut

angenommen wurde. Außerdem boten wir ein offizielles Vorabendtreffen

an. Daran nahmen schon 62 Teilnehmer der

Konferenz teil, sozusagen als Warm Up. Dieser Abend wurde

bereits für einen intensiven Austausch genutzt. Da bereits

der Vortag eingebunden war, nahmen an der Eröffnung der

Konferenz 138 Teilnehmer teil, was in den vergangenen Jahren

nicht immer gegeben war. Der Mix aus Plenarveranstaltungen

mit interessanten und aktuellen Themen sowie die

drei parallel angebotenen Sessions mit jeweils zwei Vorträgen

ermöglichten in den Pausen einen intensiveren Austausch

zwischen den Konferenzteilnehmern und Ausstellern.

Der Tagungsort unterstützte das. Alle Vorträge, bis auf die

Plenarveranstaltung, fanden auf einer Ebene statt, kurze

Wege also zu Sessions und Ausstellern.

atp edition: Es wurde gemutmaßt, dass die AALE in Stralsund

hinter den Erfolgen der vorhergehenden Veranstaltungen

in „zentraleren“ Orten wie Aachen oder Göppingen-

Esslingen zurückbleibt. Wie schätzen Sie dies ein?

BERND BÜCHAU: Da die AALE-Konferenzen jedes Jahr einen

anderen Standort haben – Hauptorganisatoren sind

Hochschulen, über den deutschsprachigen Raum verteilt

– stellt sich die Standortfrage immer wieder. Aber mit 160

registrierten Teilnehmern in Stralsund kann von einer signifikanten

Abhängigkeit der Teilnehmerzahl vom Standort

keine Rede mehr sein. Damit erzielten wir das gleiche Niveau

wie 2012 an der Fachhochschule Aachen. Wir verfügen

mittlerweile über eine stabile Größe an Teilnehmern, unabhängig

vom Standort. Es scheint, dass das Konzept der

AALE-Konferenzen und die Qualität der Beiträge eine hohe

Akzeptanz erreicht haben, auf die wir bauen können.

atp edition: In Stralsund nahmen 13 Industrieunternehmen

an der begleitenden Fachausstellung teil. Wünscht sich die

AALE insgesamt ein stärkeres Engagement der Industrie bei

der jährlichen Veranstaltung oder ganz allgemein im Verein?

BERND BÜCHAU: In den vergangenen Jahren hatten wir

immer zwischen 13 und 16 Aussteller, wobei die Ausstell

12

atp edition

4 / 2013

erzahl bisher eher durch die zur Verfügung stehenden

Ausstellungsflächen als durch das Interesse der Unternehmen

an einer Teilnahme begrenzt ist. Es war und ist

somit eine kleine aber feine Fachausstellung gegeben, die

intensive Kontakte zwischen Konferenzteilnehmern und

Ausstellern ermöglicht. Eine stärkere Beteiligung der Unternehmen

wäre durchaus wünschenswert, insbesondere

auch deren Mitgliedschaft im VFAALE, dem Trägerverein

der AALE-Konferenzen, der zurzeit 32 Mitglieder hat. Die

Bedeutung der Fachausstellung auf der AALE-Konferenz

und die Konferenz selbst würden dadurch in der Branche

sicher noch zunehmen. Der VFAALE sowie sein wissenschaftlicher

Beirat werden sicher dazu in den nächsten

Monaten über einen geeigneten Ausbau der AALE als Netzwerk

zwischen Hochschulen und Industrie diskutieren.

atp edition: Wo liegt der Vorteil für Unternehmen, wenn sie

sich bei der AALE engagieren?

BERND BÜCHAU: Der Vorteil der Unternehmen ist ganz

einfach darin zu sehen, dass die Unternehmen viele Multiplikatoren

treffen, denen Sie ihre neuen Produkte oder

Produktideen vorstellen können. Was aber auch immer

wichtiger für sie wird: zielorientiert geeignete Mitarbeiter

aus dem Kreis der Studierenden zu werben. Dies wird von

den Unternehmen mit unterschiedlicher Intensität genutzt,

da deren Hauptinteresse stark variiert. Die AALE-Konferenz

ist aber keine Recruiting-Messe. Dafür bietet fast jede

Hochschule gesonderte Veranstaltungen an. An der Fachhochschule

Stralsund findet dieses Jahr am 25. April,

ebenfalls eine Jubiläumsveranstaltung, die 10. SUPA-Börse

(Stralsunder Unternehmens-, Praktikanten- und Absolventenbörse)

satt. Die richten wir in einem Turnus von zwei

Jahren aus. Daran nehmen mittlerweile regelmäßig über

100 Unternehmen aus ganz Deutschland teil.

atp edition: Hat die AALE die Ziele erreicht, die sie sich vor

nunmehr zehn Jahren gesetzt hat? Wo liegen noch Herausforderungen

für die AALE und den fördernden Verein

VFAALE?

BERND BÜCHAU: Vor der ersten AALE-Konferenz, die eher

die Form eines Kolloquiums hatte und mit etwa 50 Teilnehmern

noch sehr übersichtlich war, stand die Idee im Vordergrund,

dass sich Professoren von Fachhochschulen der

Automatisierungstechnik, für die es bis dato kein Forum des

Austauschs gab, treffen und ein Netzwerk des Erfahrungsaustauschs

und der Zusammenarbeit bilden. Am Anfang

halfen dabei insbesondere Vertreter der relevanten Verbände

und Unternehmen, die auch noch heute regelmäßig an

der AALE-Konferenz teilnehmen. Wir erreichen ein hohes

Maß an Kontinuität und Qualität, da wir uns im VFAALE und

im Beirat in einem ständigen Austausch befinden.

Die Herausforderung für die AALE besteht sicher in einem

kontinuierlichen Ausbau der AALE mit qualitativ hochwertigen

Beiträgen und einer weiteren Öffnung für alle Hochschulen

des deutschsprachigen Raums. Die Voraussetzungen

schuf bereits 2012 die Änderung der Satzung des

VFAALE. Wir wollen keine Abgrenzung, sondern die Öffnung

der AALE und so eine interessante Alternative zu

anderen etablierten Veranstaltungen der Automatisierungstechnik

schaffen. Dazu gehört, dass wir unsere hochkarätige

Veranstaltung zu einem sehr günstigen Preis

anbieten können, da wir keine kommerzielle Organisation

der Konferenz anstreben. Bei den bisherigen Teilnehmerzahlen

ist das auch gegeben.

Die Ziele, die man sich vor der ersten AALE gesteckt hatte

sind sicher zu einem großen Teil erfüllt worden. Die Teilnahme

von Professoren und Mitarbeitern sehr vieler Hochschulen

und Firmen ist mittlerweile Standard geworden.

Defizite haben wir aus heutiger Sicht eher im Bereich der

Öffentlichkeitsarbeit sowie der Verbands- und Gremientätigkeit,

wo wir an der einen oder anderen Stelle noch nicht

adäquat vertreten sind.

atp edition: Der AALE-Fachkongress zeichnet sich durch

zahlreiche praxisrelevante Sessions mit entsprechenden

Vorträgen aus. Wie verhielt sich die Zahl der Einreichungen

im Vergleich zu den vorherigen Veranstaltungen?

BERND BÜCHAU: Die Zahl der Einreichungen ist mit insgesamt

50, davon drei eingeladene Plenarvorträge, als gut

einzuschätzen. Davon wurden 30 Vorträge für die Sessions

und 13 Posterbeiträge ausgewählt. Wegen der Zahl an eingereichten

Beiträge musste keine Verlängerung der Frist

für den Call for Papers eingeräumt werden. Damit bewegen

wir uns auf gleichem Niveau wie in den vergangenen Jahren,

mit leichter Tendenz nach oben.

Trotzdem bleibt es wünschenswert, in Zukunft mehr Einreichungen

zu erhalten, um insgesamt eine noch höhere

Qualität der Beiträge zu erzielen und die Attraktivität der

AALE-Konferenz zu steigern.

atp edition: Wie sichern Sie die wissenschaftliche Qualität

der vorgestellten Beiträge? Wie läuft das Auswahlverfahren

ab? Würde die AALE gern Raum für mehr Beiträge und

Postervorstellungen anbieten?

BERND BÜCHAU: Für die Sicherstellung der Qualität ist

der wissenschaftliche Beirat des VFAALE zuständig, dessen

Sprecher ich aktuell bin. Der Beirat ist quasi das ständige

Programmkomitee der AALE-Konferenzen und setzt

sich aus sieben gewählten Mitgliedern (Professoren), dem

Organisator der jeweils nächsten Konferenz und sieben

weiteren assoziierten Mitgliedern zusammen. Neben zwei

weiteren Professoren sind es der DI-Verlag, die Namur, der

VDI/VDE-GMA, der VDMA und der ZVEI. Dieser Beirat unterstützt

den Organisator der jeweils nächsten Konferenz

dispositiv und operativ.

Die Auswahl der Beiträge erfolgt auf Basis von Gutachten

aus dem Kreis des Beirats, dem VFAALE und externer Gutachter.

Das daraus resultierende Ranking und der Entwurf

für das Konferenzprogramm wird im Beirat diskutiert und

dann durch den Organisator der AALE umgesetzt. In diesem

Jahr haben wir die als Poster eingereichten Beiträge

und die nicht als Vortrag akzeptierten Vorschläge in die

Postersession übernommen. Mehr Vorträge und Poster

wären durchaus wünschenswert, allerdings würde der

bisher zur Verfügung stehende zeitliche Rahmen dafür

nicht ausreichen. Dafür müsste dann das Konzept der Konferenz

überdacht werden.

atp edition: Der AALE Student Award wird in der Kategorie

Bachelor und Master vergeben. Jeweils drei Kandidaten

sind nominiert. Wie werden die Nominierten und wie letztendlich

die Sieger ermittelt?

BERND BÜCHAU: Für den Student Award in beiden Kategorien

durchlaufen die eingereichten Abschlussarbeiten, wie

atp edition

4 / 2013

13

VERBAND

für die Auswahl von Beiträgen zur Konferenz, ebenfalls

ein Begutachtungsverfahren mit Gutachtern aus dem

Beirat und dem VFAALE sowie mit externen Gutachtern.

Die daraus resultierenden drei besten Arbeiten werden

für den Student Award nominiert und zur AALE-Konferenz

eingeladen. Am Tag vor Beginn der Konferenz trifft

der Beirat auf der Basis der vorliegenden Gutachten die

Entscheidung, wer den Preis erhält. Die nominierten

Kandidat(inn)en stellen auf der Konferenz in einer Kurzpräsentation

ihre Arbeit vor und im Anschluss wird die

Preisträgerin beziehungsweise der Preisträger von

einem Mitglied des Beirats bekannt gegeben.

atp edition: Themen wie „Industrie 4.0“, „IT-Sicherheit“

oder „Energieeffizienz“ stehen jetzt im wissenschaftlichen

Fokus der Automation. Wie gewährleistet die

AALE, speziell in der Lehre an den einzelnen Instituten,

dass diese Themen angemessen repräsentiert und erforscht

werden?

BERND BÜCHAU: Gewährleisten kann die AALE natürlich

nicht, dass diese Themen entsprechend forciert

werden, aber die Zahl eingereichter Beiträge mit Fokus

auf die genannten Gebiete zeigt sehr deutlich, dass sich

die Hochschulen intensiv mit diesen Themen auseinandersetzen.

Ein wesentliches Element stellt dabei wieder

der intensive Informationsaustausch auf der Konferenz

dar, der diesbezüglich neue Themen anregt und

Schwerpunkte der Lehre und Forschung vorantreibt.

atp edition: Repräsentieren die AALE und der VFAALE

den Großteil der deutschen Automatisierungstechnik

an Hochschulen oder wünschen Sie sich hier noch mehr

Beteiligung?

BERND BÜCHAU: Aus der Teilnahme von zirka 40 Hochschulen

beziehungsweise In- und An-Instituten der

Hochschulen kann man durchaus schlussfolgern, dass

die AALE und der VFAALE einen Großteil der Automatisierungstechnik

an Hochschulen repräsentieren.

Trotzdem wünschen wir uns einen noch größeren Teilnehmerkreis.

Wir werden sicher zukünftig mehr Kolleginnen

und Kollegen aus Universitäten zur AALE

einladen – Es muss ja auch noch Wünsche für die Zukunft

der AALE und des VFAALE geben.

atp edition: Inwieweit ist die AALE auf automatisierungsrelevanten

Fachveranstaltungen wie etwa dem

Automationskongress oder der Namur-Hauptsitzung

vertreten?

BERND BÜCHAU: Mit verschiedenen Kolleginnen und

Kollegen sind wir dort vertreten, aber sicher noch nicht

in dem Maße wie wir es uns wünschen. Dies wird aber

auch Thema unserer Klausurtagung im Herbst dieses

Jahres sein, wo wir unsere strategische Ausrichtung

überdenken wollen.

atp edition: Wo und wann findet die nächste AALE-

Fachkonferenz statt?

BERND BÜCHAU: Die 11. AALE-Konferenz wird am 8. und

9. Mai 2014 an der Hochschule Regensburg stattfinden.

Organisator ist dann Prof. Dr.-Ing. Ralph Schneider von

der Fakultät Maschinenbau.

Die Fragen stellte Anne Hütter.

AALE-PREISTRÄGER 2013:

Andreas Bathelt, Stephan

Albinger, Manuel vor dem

Brocke und Jens Simon.

Das rechte Bild zeigt

Marten Pape, der aus

Kanada zugeschaltet wurde.

Bachelor-Gewinner aus

Kanada zugeschaltet

Per Videokonferenz aus Kanada wurde Marten

Pape in den Plenarsaal der AALE-Konferenz geschaltet.

Der Absolvent der Hochschule Karlsruhe

konnte den AALE Student Award 2013 für seine Bachelorarbeit

„Auslegung einer störfesten analogen

Signalschnittstelle für magnetische Motorgeber“, die

in Zusammenarbeit mit SEW Eurodrive entstand,

nicht persönlich entgegennehmen. Mit einem sehr

eindeutigen Begutachtungsergebnis setzte sich Pape

gegen Stephan Albinger (Universität Bremen) und

Andreas Bach (FH Westküste) durch. Albinger verfasste

seine Bachelorarbeit zum Thema „Visualisierung

in der Automatisierungstechnik mit Tablet-

Computern“. Bach veröffentlichte zu „Entwurf und

Simulation ausgleichender Füllstandsregelungen“.

Albinger stellte seine Arbeit in einem fünfminütigen

Vortrag dem AALE-Plenum am Donnerstagabend vor.

Preisträger Pape hatte eigens eine Videopräsentation

vorbereitet. Der Kandidat Bach ließ sich durch seinen

Betreuer Prof. Dr.-Ing. Rainer Dittmar vertreten.

Bei den Master- und Diplomarbeiten sicherte sich

Andreas Bathelt mit seiner Masterarbeit „Untersuchung

und Fortentwicklung eines modellprädiktiven

Reglers“ den vordersten Rang. Bathelt, der an der

Hochschule Mannheim veröffentlichte, verfasste seine

Arbeit auf insgesamt 200 Seiten – eine echte Herausforderung

für die Gutacher. Die weiteren Nominierten

waren Jens Simon von der Technischen Hochschule

Mittelhessen und Manuel vor dem Brocke

(Hochschule Pforzheim). Mit dem Thema „Theoretische

und simulative Analyse der Stabilität von dreiphasigen

Wechselrichtern mit aktiven Inselnetzerkennungsverfahren

am Netz“ ging Simon ins Rennen.

Vor dem Brocke bewarb sich mit dem Thema „Regelung

von Hochfrequenz-Prozessstromversorgung im

FPGA“. Auch die Master-Kandidaten präsentierten

ihre Arbeiten jeweils fünf Minuten lang dem Plenum.

14

atp edition

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6. Fachkongress

smart energy 2.0

Intelligente Lösungen

für die Energiewende

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

Programm-Höhepunkte

Wann und Wo?

Montag, 29.04.2013

Dienstag, 30.04.2013

Themenblock 1 Politischer Rahmen und Standardisierungsprozesse

Moderation Dr.-Ing. Ulrich Wernekinck

• Status Quo der Energiewende

• Energiewende aus Sicht der Energiewirtschaft

• Entwicklung der Netze

• Smart Energy (Mess- und Gerätetechnik) in der EU: GB, I, F

Themenblock 2 Zukünftige Anforderungen an die Netze

• Konvergenz Gas-Strom – Status Quo aus Sicht der Stromindustrie

• Konvergenz Gas-Strom – Status Quo aus Sicht der Gasindustrie

• Konvergenz Gas-Strom – Auswirkungen auf die Gasbeschaffenheit

Themenblock 3 Konsequenzen für die Komponenten- und Geräteindustrie

• Auswirkungen von Gasbeschaffenheitsschwankungen auf Industrieprozesse

• Harmonisierung des Wobbe Index in Europa: Chancen und Risiken

• Biogaseinspeisesysteme – Schwerpunkt Gasbeschaffenheitsmessung

• Trends in der Gasbeschaffenheitsmessung

Workshop 1

Smart Energy in der Praxis

Moderation Dr. Norbert Burger

• Technische Richtlinien für das Smart Meter Gateway

• Kommunikationsanwendungen im Umfeld von Multi-Utility-Prozessen

• Gasmessung: Neue Technologien und Kommunikation im häuslichen

und gewerblichen Bereich

• Dezentrale vernetzte Energiesysteme am Beispiel Mülheim

• Effizienzverbesserung durch Lastmanagement in der häuslichen

Energieversorgung

Workshop 2

Energiespeicherung – Power to Gas

Moderation Dr. Hartmut Krause

• Wirtschaftlicher Betrieb von PtG-Anlagen

• Elektrolyse-Systeme für PtG-Anlagen

• Methanisierung

• Metrologie der H 2

-Einspeisung am Beispiel des E.ON Power to Gas

Projektes Falkenhagen

• Audi-Projekt Werlte: Konzept und Status

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

ELSTER, Itron, u.a.

Kurzfristige Programmänderungen behalten wir uns vor.

Thema:

6. Fachkongress – smart energy 2.0

Intelligente Lösungen für die Energiewende

Termin:

• Montag, 29.04.2013,

09:30 – 17:30 Uhr Tagung

19:00 – 22:00 Uhr

Gemeinsame Abendveranstaltung

• Dienstag, 30.04.2013,

09:00 – 13:00 Uhr Tagung

Ort:

ATLANTIC Congress Hotel Essen

Norbertstraße 2a, 45131 Essen

www.atlantic-congress-hotel-messe-essen.de

Zielgruppe:

Mitarbeiter von Stadtwerken,

Energieversorgungs unternehmen,

Verteilnetz betreibern, Softwareunternehmen

und der Geräteindustrie

Teilnahmegebühr:

gwf-Abonnenten /

figawa-Mitglieder: 800,00 €

Firmenempfehlung: 800,00 €

Nichtabonnenten/-mitglieder: 900,00 €

Im Preis enthalten sind die Tagungsunterlagen

sowie das Catering (4x Kaffee, 2x Mittagessen,

Abendveranstaltung).

Veranstalter

+ Ausstellung

im ATLANTIC Congress Hotel Essen

Mehr Information und Online-Anmeldung unter

www.gwf-smart-energy.de

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

Ich bin gwf-Abonnent

Ich bin figawa-Mitglied

Ich zahle den regulären Preis

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

Workshops (bitte nur einen Workshop wählen):

Workshop 1 und Impulsreferate Smart Energy in der Praxis oder

Workshop 2 und Impulsreferate Energiespeicherung – Power to Gas

Vorname, Name

Telefon

Fax

Firma/Institution

E-Mail

Straße/Postfach

Land, PLZ, Ort

Nummer

✘

Ort, Datum, Unterschrift

Forschung

TU Ilmenau und Hochschule Heilbronn

kooperieren bei Promotion, Forschung und Transfer

Besiegeln DIE

Kooperation:

Rektor Prof. Dr.-Ing.

Jürgen Schröder

(Hochschule Heilbronn,

li.) und Rektor

Prof. Dr. Dr. Peter

Scharff (TU Ilmenau).

Bild: Hochschule Heilbronn

nete Vereinbarung sieht die enge Zusammenarbeit von

Hochschule und Universität in den Bereichen Promotion

sowie Forschung und Transfer vor. In regionalen und

überregionalen Forschungsvorhaben sowie in der Nutzung

gemeinsamer wissenschaftlich-technischer Einrichtungen

wollen beide Lehranstalten einander intensiv

unterstützen. „Ziel unserer Partnerschaft ist es, einerseits

die bewährten Profile der TU Ilmenau und der Hochschule

Heilbronn für Angewandte Wissenschaften zu stärken,

und andererseits Heilbronner Absolventen eine Perspektive

für die weitere Qualifizierung nach Erreichen eines

Masterabschlusses zu bieten“, so Rektor Schröder. Prof.

Scharff ergänzte: „Mit dieser Kooperation leisten beide

Hochschulen einen Beitrag zur zukunftsweisenden Gestaltung

des deutschen Hochschulraumes. (ahü)

Hochschule Heilbronn,

Max-Planck-Straße 39, D-74081 Heilbronn,

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

Fraunhofer stellt „Morgenfabrik“ in Hannover vor

Das Leitthema der Hannover Messe 2013 ist „Integrated

Industry“. Es beschreibt die die Kommunikation von

Maschinen, Anlagen, Werkstücken und und Bauteilen in

Echtzeit. „Durch die Vernetzung wird es in Produktion

und Logistik einen Schub für Effizienz, Sicherheit und

Ressourcenschonung geben“, sagt Dr. Jochen Köckler, Vorstand

der Deutschen Messe AG, und ergänzt: „Experten

sprechen angesichts dieser technischen Entwicklung

nach Dampfmaschine, Massenproduktion und Automatisierung

von der vierten industriellen Revolution.“

Die Messe, deren Partnerland Russland ist, findet vom

8. bis 12. April auf dem Messegelände in Hannover statt.

Verschiedene Fraunhofer-Institute versammeln ihre Forschungsprojekte

zur Zukunft der Produktionsarbeit am

Hauptstand der Fraunhofer-Gesellschaft unter dem Titel

„Morgenfabrik“ (Halle 2, Stand D18).

(ahü)

Hannover messe, Deutsche Messe AG,

Messegelände, D-30521 Hannover, Tel. +49 (0) 511 890,

Internet: www.hannover-messe.de

Call for atp experts – Thema: Geräteintegration

Die Hochschule Heilbronn und die TU Ilmenau haben

einen Kooperationsvertrag geschlossen. Die von den

Rektoren Prof. Dr.-Ing. Jürgen Schröder (Heilbronn) und

Rektor Prof. Dr. Dr. Peter Scharff (Ilmenau) unterzeichdie

Ausgabe 55(10) der atp edition im

Oktober 2013 widmet sich Methoden, Beschreibungsmitteln

und Werkzeugen zur

Integration von Geräten der Automatisierungstechnik.

Innovative Methoden vereinfachen

beispielsweise die Auswahl, die

Konfiguration und das Management von

heterogenen Gerätezoos. Aktuelle Entwicklungen

bei den Beschreibungsmitteln

adressieren herstellerunabhängige Merkmale

für die Bestellung, kommunikationstechnologieübergreifende

Profile im Engineering

oder Semantik für automatisierte

Suche und Selbstkonfiguration. Auf dieser

Basis sind nicht zuletzt interessante Werkzeugentwicklungen

und umfangreiche

Standardisierungsanstrengungen zu beobachten.

Gesucht sind Beiträge mit Anwendungsbezügen

in Fertigungs-, Prozessund

Gebäudeindustrie.

Wir bitten Sie bis zum 31. Mai 2013 zu diesem

Themenschwerpunkt einen gemäß

der Autorenrichtlinien der atp edition ausgearbeiteten

Hauptbeitrag per E-Mail an

urbas@di-verlag.de einzureichen.

atp edition ist die hochwertige Monatspublikation

für Fach- und Führungskräfte der

Automatisierungsbranche. In den Hauptbeiträgen

werden die Themen mit hohem wissenschaftlichem

und technischem Anspruch

und vergleichsweise abstrakt dargestellt. Im

Journalteil werden praxisnahe Erfahrungen

von Anwendern mit neuen Technologien,

Prozessen oder Produkten beschrieben. Alle

Beiträge werden von einem Fachgremium

begutachtet. Sollten Sie sich selbst aktiv an

dem Begutachtungsprozess beteiligen wollen,

bitten wir um kurze Rückmeldung. Für

weitere Rückfragen stehen wir Ihnen selbstverständlich

gerne zur Verfügung.

Ihre Redaktion der atp edition:

Leon Urbas, Anne Hütter

Call for

Aufruf zur Beitragseinreichung

Thema: Geräteintegration

Kontakt: urbas@di-verlag.de

Termin: 31. Mai 2013

16

atp edition

4 / 2013

FH Köln präsentiert Bildverarbeitungssystem für

die Cloud auf der Computermesse Cebit

Das Institut für Nachrichtentechnik an der Fachhochschule

Köln hat bei der Cebit den Vision-Sensor,

ein Bildverarbeitungssystem für Cloud Computing,

vorgestellt. Vision-Systeme werden in der Automatisierungstechnik

eingesetzt und sind meist groß und teuer.

Für den Einsatz in verbrauchernahen Bereichen muss

die Problemlösung preiswert und energiesparend sein.

Dies ist mit einem einzigen System nicht realisierbar.

Der Vision-Sensor der Fachhochschule Köln ist als modulares

System konzipiert, das nach Angaben der

Hochschule durch Kombination und Konfiguration der

Module für die jeweilige Problemstellung skaliert werden

kann. Als technische Basis kommen hierbei FPGAs

(Field Programmable Gate Arrays) und aktuelle Prozessortechnologie

sowie Komponenten aus der Massenproduktion

von Smartphones zum Einsatz. Eine Videoanimation

zeigte auf der Computer-Messe Cebit, wie

mit dem Vision-Sensor über die Sensor-Cloud Räume

sicher überwacht werden können, ohne Persönlichkeitsrechte

zu verletzen. An dem Demonstrator können

Interessierte über ein iPad den Vision-Sensor „aus der

Ferne“ parametrieren und somit bestimmen, was überwacht

werden soll und wie empfindlich der Sensor

reagiert.

Der Vision-Sensor ist ein Teilprojekt des vom Bundesministerium

für Wirtschaft und Technologie (BMWi)

im Rahmen des Technologieprogramms „Trusted

Cloud“ geförderten Forschungsprojekts Sensor Cloud,

das die Telekommunikationsfirma QSC AG (Konsortialführer),

die Fachhochschule Köln, die RWTH Aachen

und das Software-Unternehmen Symmedia gemeinsam

ausführen.

Zwei weitere Teilprojekte der Fachhochschule Köln

im Rahmen des Forschungsprojekts sind die Entwicklung

eines föderierten Datenbanksystems für die Sensor

Cloud, das den Zugriff auf mehrere eigenständige Informationsquellen

ermöglicht und der Aufbau eines Test-

Cloud Computing war neben Share Economy das

große Thema auf der diesjährigen Computermesse Cebit

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

betts für Sensor-Cloud-Anwendungen, in der Sensoren

verschiedener Hersteller und verschiedene Standards

eingebunden werden. Das Sensor-Cloud-Forscherteam

der Fachhochschule Köln bilden die drei Professoren

Prof. Dr. Gregor Büchel (Föderiertes Datenbanksystem),

Prof. Dr. Georg Hartung (Aufbau des Testbetts) und Prof.

Dr. Lothar Thieling (Vision Sensor) sowie neun wissenschaftliche

Mitarbeiter. Zahlreiche Studierende sind

über Bachelor- und Masterarbeiten wie etwa zur Synchronisierung

der Daten zwischen Gateway und Cloud

eingebunden.

(ahü)

fAchhochschule Köln,

Fakultät IME, Betzdorfer Straße 2,

D-50679 Köln,

Tel. + 49 (0) 221 827 50,

Internet: www.fh-koeln.de

WELLENREITER

Halle 9

Stand F28

www.pepperl-fuchs.de/wirelesshart

Drahtlos übertragen – auf 2,4 GHz-Wellen.

Drahtlose Kommunikation wird in der Prozessautomatisierung gegenwärtig kaum genutzt. Mit WirelessHART

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

Kabelverbindungen unvorstellbar sind. Die neue Technologie baut auf den bewährten Standard des HART-

Protokolls und kann mit geringem Schulungsaufwand ein geführt werden. Zudem bilden die Komponenten

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

installierte Feldgeräte eingebunden werden können.

atp edition

4 / 2013

17

FORSCHUNG

47. Regelungstechnisches Kolloquium in Boppard

vergab vier Preise an Automatisierungsnachwuchs

Traditionelles Austauschforum für Mess-, Regelungs- und Automatisierungstechnik mit 197 Teilnehmern

Der „Wert von Boppard“ ist die angeregte Diskussion

über aktuelle Forschungen der Mess-, Regelungs- und

Automatisierungstechnik – mit diesem Hinweis eröffnete

Prof. Dr.-Ing. Andreas Kroll (Universität Kassel) am

21. Februar 2013 die Vortragsreihe des diesjährigen, 47.

Regelungstechnischen Kolloquiums. Kroll, der in diesem

Jahr die wissenschaftliche Leitung der Konferenz übernahm,

konnte insgesaamt vier jungen Wissenschaftlern

gratulieren, die auf dem Forum für ihre Forschungsarbeiten

ausgezeichnet wurden.

FAMILIÄRE ATMOSPHÄRE DES KOLLOQUIUMS BEWAREN

Ein wenig mehr Besucher als in den Vorjahren hatten vom

20. bis 22. Februar 2013 den Weg an den Rhein gefunden.

„Dieses Jahr waren 197 Teilnehmer dabei. Sonst liegt die

Zahl zwischen 180 und 190 Besuchern. Die Höchstgrenze

ist bei 200 erreicht. Der Boppard-Kreis würde schnell über

das wünschenswerte Maß hinaus wachsen, wenn wir

noch mehr Personen einladen würden“, so Dr.-Ing. Michael

Heizmann, Geschäftsfeldsprecher Automatisierung am

Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und

Bildauswertung (IOSB) und organisatorischer Leiter des

47. Regelungstechnischen Kolloquiums.

Das Forum besucht, wer eine Einladung erhalten hat.

Für die Teilnahme werden einschlägige Lehrstuhlinhaber

(mit einem begleitenden Mitarbeiter) und Industrievertreter

aus dem Bereich Mess-, Regelungs- und Automatisierungstechnik

zugelassen. „Auf diese Weise möchten wir

gezielt die familiäre Atmosphäre des Kolloquiums bewahren“,

so Heizmann.

Die insgesamt 95 regelungstechnischen Forschungsinstitute

im deutschsprachigen Raum sind in 30 Gruppen eingeteilt.

Jede Gruppe stimmt sich ab, wer von ihren Mitgliedern

einen Beitrag einreicht. Die jährlich wechselnden wissenschaftlichen

Leiter sammeln dann die Themenvorschläge

und stellen das Programm zusammen. Die Zahl der Vorträge

bleibt also immer konstand. In diesem Jahr gab es aber

eine Ausnahme: Eine Session stellte Kurzvorträge vor.

SESSIONS, UM DIE DISZIPLIN DYNAMISCH

WEITERZUENTWICKELN

„Bekanntlich hat das Bopparder Kolloquium den Charakter

eines Forums, in dem junge Wissenschaftlerinnen und

Wissenschaftler Ergebnisse aktueller Forschungsarbeiten

zur Diskussion stellen. Das Kolloquium steht unter keinem

speziellen Thema. Vielmehr bietet es Gelegenheit, Beiträge

aus dem gesamten Spektrum der aktuellen regelungs-,

steuerungs- und automatisierungstechnischen Forschung

zu präsentieren. Mit der Zielsetzung, unsere Fachdisziplin

lebendig und dynamisch weiterzuentwickeln, sind auch

Tagungsbeiträge willkommen, die neue Methoden und

Anwendungen am Rande unseres klassischen Themenbereiches

behandeln“, sagt Heizmann.

In diesem Jahr standen die Sessions am ersten Tag in

der Stadthalle unter dem Titel „Regelungs- und Systemtheorie“

(Leitung Prof. Dr.-Ing. Jürgen Adamy), „Medizintechnik“

(Leitung Prof. Dr.-Ing. habil. Georg Bretthauer),

„Ereignisdiskrete und totzeitbehaftete Systeme“

(Leitung Prof. Dr.-Ing. Alexander Fay) und „Anwendungen:

Antriebstechnik und Aktorik“ (Leitung Prof. Dr.

techn. Klaus Janschek).

Nach der Mittagspause im Rheinhotel Bellevue ging

es dann mit den Kurzvorträgen unter der Leitung von

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Prof. h.c. Dr. h.c. Torsten Bertram

PROF. DR.-ING. ANDREAS KROLL

war der diesjährige wissenschaftliche Leiter

des 47. Regelungstechnischen Kolloquiums

in Boppard.

DR.-ING. MICHAEL HEIZMANN, Geschäftsfeldsprecher

Automatisierung am Fraun hofer-

Institut für Optronik, Systemtechnik und Bild -

aus wertung (IOSB) und organisa torischer Leiter

des Kolloquiums im Gespräch.

18

atp edition

4 / 2013

und einer Anwendersession zum Thema „Robotik“ (Leitung

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

Der Donnerstag endete mit dem Plenarvortrag „Synchronisation

und komplexe Netzwerke – Sind derartige

Theorien nützlich für die Erforschung des Systems

Erde?“ des Klimafolgen-Forschers Prof. Dr. Dr. h.c. mult.

Jürgen Kurths. Außerdem wurden die besten Veröffentlichungen

in der at – Automatisierungstechnik des Oldenbourg

Wissenschaftsverlags aus dem vergangenen

Jahr ausgezeichnet.

AT-AUTOREN AUSGEZEICHNET

Gewöhnlich vergibt die at – Automatisierungstechnik in

Boppard zwei Auszeichnungen für ihre Autoren, einen in

der Kategorie „Methoden“ und den anderen in der Kategorie

„Anwendungen”. Im Jahr 2012 verdienten jedoch

zwei Beiträge den Preis in der Kategorie „Methoden“. Zum

einen sicherten sich Christian Stöcker, Jan Lunze und

Chuong Ngo von der Universität Bochum (Lehrstuhl Automatisierungstechnik

und Prozessinformatik) den Preis

für ihren Beitrag „Zwei Methoden zur ereignisbasierten

Regelung gekoppelter Systeme und ihre experimentelle

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

„Methoden“ wurde der Beitrag „Vorsteuerungs-

Entwurf im Frequenzbereich: Offline oder Online“ von

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

hatte am Institut für Systemdynamik der Universität

Stuttgart veröffentlicht.

Die Kategorie „Anwendungen“ sicherten sich Alexander

Michel, Wolfgang Kemmetmüller und Andreas Kugi für

den Beitrag „Modellierung und Regelung eines aktiven

Wellenkompensationssystems für Tiefseekräne“ (at 1/12,

S.39-52). Sie veröffentlichten am Institut für Automatisierungs-

und Regelungstechnik der TU Wien. Alle Gewinner

freuten sich über ein Preisgeld in Höhe von 500 Euro.

FREITAGS-SESSIONS: REGELUNG, KOMMUNIKATION

UND AUTOMOTIV

„Boppard“, wie es auch genannt wird, erfreut sich seit Jahren

einer konstanten Beliebtheit bei jungen Wissenschaftlern

und erfahrenen Professoren der Automatisierungstechnik.

Auch die Zahl der Einreichungen ist konstant.

So bot der Freitag Sessions unter dem Thema „Prädiktive

Regelung und Planungsverfahren (Leitung Prof. Dr.-Ing.

Dirk Abel) und auf der Anwenderseite den Fachbereich

Automotiv. Nach einer Pause startete die Session „Koordination

und Kommunikation (Leitung Prof. Dr.-Ing. Christian

Diedrich) und die Anwenderreihe „Brennstoffzellen

und Messtechnik“ (Leitung Prof. Dr.-Ing. Sören Hohmann).

Wer in Boppard vorträgt, geht nicht mit leeren Händen

davon. Netzwerken und Fachdiskussionen stehen im

Mittelpunkt der zwei Tage am Rhein. Dem besten Vortrag

winkt sogar ein Preis, der jährlich von der Industrie gestiftet

wird.

NICOLE GEHRING HIELT BESTEN VORTRAG

Den Preis für den besten Vortrag konnte in diesem Jahr

Nicole Gehring vom Lehrstuhl für Systemtheorie und Regelungstechnik

an der Universität des Saarlandes entgegen

nehmen. Die Wissenschaftlerin und ihr Betreuer Prof. Dr.-

Ing. habil. Joachim Rudolph gehörten zu den frühen Vorträgen

auf dem Kolloquium. In der Session „Regelungs- und

Systemtheorie“ unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Jürgen

Adamy stellte Gehring ihren Beitrag „Algebraische Methoden

zur Parameteridentifikation für lineare unendlichdimensionale

Systeme“ am Donnerstag dem Plenum vor.

Der Preisträger für den besten Vortragenden auf dem

Kolloquium in Boppard wird per Abstimmung ermittelt.

Jeder Institutsleiter hat drei Stimmen, die jedoch nicht

kumuliert werden dürfen. Die Bewertung sollte sich

nach Qualität, Originalität und Präsentation richten. So

ergab sich dann, dass Nicole Gehring die meisten Stimmen

für Ihren Beitrag vereinen konnte. Das Preisgeld

stiftete in diesem Jahr die Firma ABB.

Den symbolischen Scheck in Höhe von 1000 Euro überreichte

Dr. Iiro Harjunkoski, Principal Scientist am Forschungszentrum

der ABB AG in Deutschland.

Das nächste, das 48. Regelungstechnische Kolloquium

in Boppard, findet vom 19. bis 21. Februar 2014 statt.

Anne Hütter

DR. IIRO HARJUNKOSKI (li.) überreicht der Wissenschaftlerin

Nicole Gehring einen Scheck. Ihr Beitrag wurde

von den Institutsleitern zum Besten Vortrag gewählt.

Andreas Kroll (re.) hatte dies kurz vorher verkündet.

IN DEN PAUSEN und auch am Abend stand

das Netzwerken im Fokus. Bilder: Anne Hütter

atp edition

4 / 2013

19

BRANCHE

Cebit hat’s gezeigt:

IT-Branche ist seit Jahren der deutsche Jobmotor

BUNDESKANZLERIN ANGELA MERKEL beim Cebit-Rundgang mit

Polens Ministerpräsident Donald Tusk (ganz rechts). Die IT-Branche

nutzt die Messe, um ihren positiven Einfluss auf den deutschen

Jobmarkt zu betonen. Bild: Cebit

Seit Jahren ist die Informationstechnologie in Deutschland

der Jobmotor, das ergab die Pressekonferenz des

Verbands Deutscher Ingenieure (VDI) auf der Cebit. Nicht

nur vom Cloud Computing, dessen Wachstum vom Branchenverband

Bitkom aktuell auf 47 Prozent für 2013 geschätzt

wird, gehen die Impulse aus. Trends, wie Intelligente

Netze oder „Industrie 4.0“ tragen dazu bei, dass sich

die Zahl sozialversicherungspflichtig beschäftigter Informatiker

auf Rekordniveau befindet. Allein im Jahr 2011

waren 191 000 Beschäftigte in dem Segment tätig. Das

Thema „Industrie 4.0“, so ergab eine Bitkom-Umfrage,

begeistert derzeit die Mehrzahl der IT-Unternehmen.

81 Prozent der Befragten sehen in den kommenden Jahren

in dieser Thematik ein wichtiges Geschäftsfeld. Bereits

jedes dritte IT-Unternehmen misst „Industrie 4.0“ schon

heute eine große Bedeutung bei. Jedes zehnte bietet bereits

Lösungen an, weitere 13 Prozent entwickeln derzeit entsprechende

Angebote.

Dementsprechend verschärft gestaltet sich die Fachkräftesuche

für die Branche. Experten werden händeringend

gesucht. „Ein Ende dieses kontinuierlichen Anstiegs

der Nachfrage ist bis auf weiteres nicht in Sicht", sagte Ina

Kayser, Arbeitsmarktexpertin beim VDI.

Die Zahlen belegen dies trotz kriselnder Wirtschaftslage:

Auf jeden arbeitslosen Informatiker kamen 2012 laut

Branchendienst Heise 3,7 offene IT-Stellen. Die IT-Unternehmen

indes machen sich keine Hoffnungen auf Besserung.

Nach einer VDI-Umfrage gehen 22 Prozent der befragten

Unternehmen davon aus, dass Fachkräfte weiterhin

schlecht verfügbar sind. Über 70 Prozent erwarten

sogar, dass der Bedarf an ausgebildeten Mitarbeitern bis

2014 weiter steigen werde.

„Unternehmen gehen je nach Größe sehr unterschiedlich

mit der schlechten Bewerberlage um“, sagte Dieter

Westerkamp vom VDI. Große Unternehmen versuchten

zu 53 Prozent, das Problem mit dem Auslagern von

Dienstleistungen aufzufangen, zum Teil auch ins Ausland.

Dagegen setzten kleine und mittlere Unternehmen

vermehrt auf die Weiterbildung ihrer Mitarbeiter. (ahü)

BITKOM

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Albrechtstraße 10 A, D-10117 Berlin-Mitte,

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Berliner Energietage: Gebäudetechnik kommt

Energieeffizienz ist nicht erst seit dem Ausstieg der Bundesrepublik

aus dem Atomprogramm ein beliebtes

Schlagwort in der Automatisierungstechnik. Die aktuelle

Debatte um energieeffiziente Klimapolitik, die Perspektiven

effizienter Energieversorgung, nachhaltige Wohnungs-,

Bauwirtschaft und Architektur sowie intelligente

Energiebedarfssteuerung wollen die Energietage in Berlin

vom 15. bis 17. Mai 2013 nutzen.

Unter Beteiligung von Firmen, Organisationen und Politikvertretern

werden zu der zweitägigen Veranstaltung über

7000 Besucher im Ludwig-Erhard-Haus erwartet. Die Bundesministerien

für Wirtschaft und Technologie (BMWi) und

Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) sowie

Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS) beteiligen sich

an Vorträgen zu Themen wie „Energiewende – Konzepte für

klimaneutrale Städte und Gebäude“ oder „Thermische Speicher

für die Energiewende“. Aus der Praxis berichtet die

RWE Energiedienstleistung GmbH beispielsweise über „Virtuelle

Kraftwerke – Dezentrale Energieversorgung mit Zukunft“.

Das Thema Gebäudeautomation spielt auf den Berliner

Energietagen ebenfalls eine große Rolle. Der Bundesver-

band der Deutschen Industrie (BDI) referiert am späten

Donnerstagnachmittag zum Thema „Projekt Energiewende

– Hoffnungsträger Gebäudeenergieeffizienz“.

Auch der DIV Deutscher Industrieverlag widmet sich

verstärkt dem Thema Gebäudetechnik und hat den

Titel „GI“ neu aufgelegt. Die „GI“ steht seit der ersten

Ausgabe 2013 für „Gebäudetechnik Innenraumklima“.

Sie veröffentlicht unter Leitung von Prof. Dr.-Ing. Martin

Kriegel (Fachgebietsleiter Institut für Energietechnik,

Gebäude-Energie-Systeme, Technische Universität

Berlin) teilweise reviewte wissenschaftliche Beiträge

zum Thema Gebäudetechnik. Bei Fragen zum

Heft wenden Sie sich bitte an GI-Redaktionsleiterin

Dr. Maria Kuwilsky (Tel. +49 (0) 89 203 53 66 44, E-Mail:

kuwilsky@di-verlag.de).

(ahü)

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C/O ENERGIE- UND UMWELT-MANAGEMENT-

BERATUNG PÖSCHK,

Oranienplatz 4, D-10999 Berlin, Tel. +49 (0) 30 20 14 30 80,

Internet: www.berliner-energietage.de

20

atp edition

4 / 2013

AutoID-Technologien auf dem

ID World International Congress vorstellen

Wohin geht es mit Biometrie, RFID, den Smart Cards

und anderen Identifikationstechnologien? Diese

aktuellen Fragen diskutiert der ID-World-International-Kongress

vom 5. bis 7. November 2013 in Frankfurt

am Main. Der Veranstalter Mesago hat nun dazu aufgerufen,

Beiträge einzureichen.

Bis zum 6. Mai 2013 haben Interessierte die Möglichkeit,

zu den Anwendungsfeldern Asset Tracking,

Transportation Security, Citizen ID, Secure Identification,

Wireless Identification, Physical Access Control,

Transactions, Ticketing, Mobile Applications, IT

Security, Delivery Systems oder Logistics & Distribution

Vorschläge einzureichen. Die Beiträge sollten

etwa 15 Minuten lang sein. Sie sind unter www.idworldonline.com/callforpapers

einzureichen. Die Einsatzbereiche

für die Vorschläge können dabei vielfältig

sein. Gebiete wie Luftfahrt und Verteidigung, Automotive

und Güterverkehr, Chemische und Prozess-

Industrie, Energie und Versorgung und Pharma,

Medizin und Gesundheitswesen stellen nur eine

Auswahl dar.

Das World Summit mit Schwesterveranstaltungen

in Abu Dhabi (11.-12. Februar 2013) und Rio de Janeiro

(26.-27. September 2013) findet bereits zum zwölften

Mal statt. Die Veranstaltungsreihe will einen Über-

blick über AutoID-Technologien und Anwendungsfelder

geben. Sie vereint dabei Top-Entscheider aus

Industrie, Wissenschaft und Forschung. (ahü)

MESAGO MESSE FRANKFURT GMBH,

Rotebuehlstr. 83-85, D-70178 Stuttgart,

Tel. +49 (0) 711 61 94 60,

Internet: www.idworldonline.com/callforpapers

AUF DEM 12 TH ANNUAL

WORLD SUMMIT

des ID-World-International-Kongress

sind Forscher aufgerufen,

ihre Ergebnisse

aus vielfältigen

Bereichen der AutoID-

Anwendungen vorzustellen.

Bild: Mesago

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BRANCHE

Modbus oder EtherNet/IP – wie tritt das Leitsystem

am besten mit Wireless Hart in Verbindung?

Welche Variante sich als günstiger erweist, hängt von den konkreten Anforderungen ab

IM EINSATZ: Das Wireless-Hart-Gateway für die

Anbindung per EtherNet/IP erlaubt eine sehr schnelle

Verknüpfung mit dem Leitsystem.

DAS WIRELESS-HART-NETZWERK wird vom

Netzwerkmanager automatisch als Mesh-Netzwerk

aufgebaut und selbst organisiert.

DAS MODBUS-MAPPING im Wireless-Hart-

Netzwerk kann über eine CSV-Tabelle

eingelesen oder automatisch vom Gateway

vergeben werden.

Wireless-Hart-Netzwerke werden als abgeschlossenes

System von einem Wireless-Hart-Gateway aufgebaut

und betrieben. Daher muss zwischen dem Netzwerk, den

darin befindlichen Feldgeräten und dem Leitsystem eine

Verbindung hergestellt werden, um die Messdaten und

Diagnoseinformationen nutzbar zu machen. Dazu bieten

alle Wireless-Hart-Gateways eine Modbus-Anbindung

an. Nahezu alle Leitsysteme unterstützen Modbus, oft

auch parallel zu anderen Bus-Protokollen. Dennoch wäre

es oft eleganter, wenn das Wireless-Hart-Gateway gleich

mit dem primären Bus-Protokoll des jeweiligen Leitsystems

kommunizieren könnte – beispielsweise Profibus,

Foundation Fieldbus oder EtherNet/IP. Mit dem Wireless-

Hart-Gateway von Pepperl+Fuchs können Anwender nun

zwischen Modbus und EtherNet/IP zur Leitsystem-Anbindung

wählen. Aber wo sind in beiden Fällen die Unterschiede

bei der Anbindung zum Leitsystem und was

sind Vorteile und Nachteile?

NETZWERK BAUT SICH AUTOMATISCH AUF

Wireless Hart ist ein drahtloser Standard basierend auf

dem bewährten Hart-Protokoll. Damit können Information

von den Feldgeräten drahtlos an ein Gateway übermittelt

werden. Ein Wireless-Hart-Gateway enthält den

Accesspoint als Funkschnittstelle zum Netzwerk, einen

Netzwerkmanager zur Organisation des Funknetzwerkes

und eine Busschnittstelle zum Leitsystem. Das Wireless-Hart-Netzwerk

wird vom Netzwerkmanager automatisch

als Mesh-Netzwerk aufgebaut und selbst organisiert.

Das bedeutet, dass jeder Teilnehmer des Netzwerkes

nicht nur die eigenen Informationen an das

Gateway weiterleiten kann, sondern auch die Informationen

anderer Teilnehmer übermittelt. Jeder Teilnehmer

ist damit auch ein Router. Dadurch kann das Netzwerk

bei Ausfall einer Verbindung Informationen über

andere Teilnehmer weiterleiten und ist somit selbstheilend.

Das Beste daran ist, dass diese Selbstorganisation

und Selbstheilung des Netzwerkes automatisch abläuft.

Die Intelligenz dazu ist im Netzwerkmanager im Gateway

angesiedelt. Alle Information werden über die Busschnittstelle

des Wireless-Hart-Gateways an das Leitsystem

weitergeleitet. Dazu gab es bisher Modbus als Übertragungsprotokoll

zum Leitsystem. Mit EtherNet/IP

bietet die Pepperl+Fuchs GmbH nun eine zweite Alternative

zur Anbindung von Wireless-Hart-Netzwerken an

verschiedene Leitsysteme.

22

atp edition

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FLEXIBLES MAPPING BEI MODBUS

Modbus ist ein seit 1979 existierendes generisches Kommunikationsprotokoll

basierend auf dem Master/Slave-

Prinzip. Das Modbus-Protokoll ermöglicht einem übergeordneten

Master die Verbindung mit mehreren Slaves.

Dabei muss jeder Slave eine eindeutige Adresse besitzen.

In jedem Slave werden die Daten in Registern zur Verfügung

gestellt, die individuell durch den Master abgefragt

werden können. Die Register sind vom Nutzer je nach

Bedarf belegbar, deswegen muss die Zuordnung der Register

bei Master und Slave gleich sein. Danach kann

jeder Teilnehmer Nachrichten versenden. Der Austausch

wird aber in der Regel vom Master angestoßen und ein

angesprochener Slave antwortet.

Die Adressvergabe beziehungsweise das Modbus-Mapping

innerhalb des Wireless-Hart-Netzwerks kann auf

verschiedene Weise erfolgen. Das Modbus-Mapping im

Wireless-Hart-Netzwerk kann über eine CSV-Tabelle eingelesen

werden oder automatisch vom Gateway vergeben

werden. Noch komfortabler ist ein flexibles Modbus-

Mapping durch einen Generator im Gateway selbst. Dabei

werden die Informationen blockweise adressiert.

FLEXIBLE ADRESSIERUNG MIT EINEM MAUSKLICK

Dem Anwender ist es dann möglich, beispielsweise alle

Primär-Hart-Variablen der Wireless-Hart-Teilnehmer en

Block mit einem einzigen Mausklick hintereinander zu

adressieren. Er kann aber auch eine bestimmte Reihenfolge

der Informationseinheiten pro Teilnehmer festlegen,

beispielsweise Primär-Hart-Variable, Batterielebensdauer,

Sekundär-Hart-Variable und so weiter. Diese Reihenfolge

wird dann auch mit nur einem Mausklick für

alle Teilnehmer adressiert.

Das so generierte Modbus-Mapping ist wieder als CSV-

Datei exportierbar, um etwa das geplante Modbus-Mapping

vorab den Leitsystem-Programmierern zur Verfügung

zu stellen. Beim Import von CSV-Dateien und auch

bei der Erstellung des Modbus-Mapping über den Generator

prüft das Gateway, ob Adressenkonflikte vorhanden

sind. Diese werden dann farblich gekennzeichnet. Damit

ist automatisch gewährleistet, dass jeder Teilnehmer eine

eindeutige Adresse besitzt.

Wenn das Modbus-Mapping im Wireless-Hart-Gateway

abgeschlossen ist, werden diese Informationen im Leitsystem

auch hinterlegt. Dann kann ein Informationsaustausch

über Modbus zwischen Leitsystem und Wireless-Hart-

Netzwerk nach dem Master/Slave-Prinzip stattfinden.

ETHERNET/IP ERLAUBT EINFACHE ANBINDUNG

Anders sieht die Welt bei EtherNet/IP aus. EtherNet/IP

ist ein Echtzeit-Ethernet-Protokoll und seit 2000 ein offener

Standard. Das Protokoll basiert auf den TCP- und

UDP-Standards und unterstützt die Durchgängigkeit

zwischen Office-Netzwerken und der zu steuernden Anlage.

Es basiert wie Modbus auf dem Master/Slave-Prinzip.

Das Leitsystem (der Master) muss natürlich auch von

der Existenz des Wireless-Hart-Netzwerkes wissen. Dazu

benötigt das Leitsystem lediglich die IP-Adresse des

Wireless-Hart-Gateways sowie die Anzahl der Netzwerkteilnehmer

und schon ist das Wireless-Hart-Gateway

angebunden. Es sind nur noch einige Einstellung im

Gateway von Pepperl+Fuchs und den Wireless-Hart-

Netzwerk-Teilnehmer notwendig.

Das Gateway von Pepperl+Fuchs ist voll integriert in

die EtherNet/IP-Welt. Es agiert wie ein EtherNet/IP-Adapter

und ermöglicht so den Zugang zu den Daten der

Wirless-Hart-Netzwerk-Teilnehmer via EtherNet/IP. Das

Gateway kann zehn zyklische Datentransferverbindungen

mit je vier Teilnehmern pro Verbindung zum Ether-

Net/IP-Master aufbauen. Jeder Teilnehmer benötigt dann

nur noch eine Adresse. Die Adresse wird aus dem Standard

Hart-Deskriptor und einer Buchstaben- (A–J) und

Ziffernkombination (0–3) gebildet. Wenn ein Gerät eine

Adresse besitzt, übermittelt das Gateway automatisch

die Daten an das Leitsystem. Die Daten sind so strukturiert,

dass dem Master bekannt ist, welche Informationen

wo zu erwarten sind, und die Adresse gibt Auskunft

darüber von welchem Teilnehmer die Informationen gesendet

wurden.

DIAGNOSEFÄHIGKEITEN BLEIBEN UNVERÄNDERT

Gleichgültig, ob Modbus oder EtherNet/IP zum Einsatz

kommen – die Diagnosefunktionalitäten für das Wirless-

Hart-Netzwerk bleiben unverändert. Das Gateway von

Pepperl+Fuchs bietet ein Webinterface, das einen parallelen

Zugriff auf das Wireless-Hart-Netzwerk zulässt.

Dieses Webinterface stellt nützliche Funktionen wie einen

Topology View zur Verfügung. Damit erkennt der

Anwender auf einen Blick, welche Netzwerkteilnehmer

eine Verbindung zueinander haben und in welcher Qualität

diese besteht. Diese Informationen stehen auch im

Webinterface im Listenformat zur Verfügung. Diese sehr

einfache Netzwerkdiagnose reduziert Wartungskosten

sowie -zeit und die Anlagenverfügbarkeit steigt. Gleichzeitig

reduziert sich auch die Dauer der Inbetriebnahme.

Die Entscheidung zwischen Modbus und EtherNet/IP

muss letztlich der Anwender treffen – beide Wege führen

zur drahtlosen Anbindung von Feldgeräten über

Wireless Hart an das Leitsystem, nur auf unterschiedliche

Art und Weise.

AUTORIN

Dipl. Wirtsch.-Ing. (FH) IRENE RUF

ist Pro dukt Marketing Manager

Remote Sys tems im Geschäftsbereich

Prozessautomation.

Pepperl+Fuchs GmbH,

Lilienthalstraße 200, D-68307 Mannheim,

Tel. +49 (0) 621 776 10 16,

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

atp edition

4 / 2013

23

PRAXIS

Energiesparen erfordert Gesamtlösungen: Potenziale

lokalisieren, Verbesserungen umsetzen und belegen

Pharma-Unternehmen Vetter startet mit einem System zur Überwachung der Verbräuche

Die Zeit drängt. Energie wird immer teurer. Wer die

Kosten durch Rückerstattungen von Abgabensenken

möchte, muss in den meisten Fällen umgehend ein Energiemanagement-System

nach ISO 50001 einführen, mit

dem sich Einsparerfolge nicht nur erzielen, sondern

auch nachweisen lassen. Beispielhaft geht diese Aufgabe

das Ravensburger Unternehmen Vetter an, ein Spezialist

für die Fertigung von aseptisch vorgefüllten Injektionssystemen.

Seit Dezember 2012 ist die EU-Energieeffizienzrichtlinie

2012/27/EU in Kraft. Darin verpflichten sich alle

Mitgliedsstaaten zu jährlichen Energieeinsparungen von

1,5 Prozent bis 2020. Doch wie lassen sich diese Einsparungen

erreichen und wie nachweisen? In Deutschland

sollen Energiemanagement-Systeme in den Unternehmen

die Basis hierfür bilden. Zur Förderung hat die Bundesregierung

unter anderem die Rückerstattung der EEG-

Umlage und den Spitzenausgleich für große Unternehmen

an die Einführung eines Energiemanagement-Systems

gekoppelt. Und je nach Unternehmensgröße und

Energieverbrauch stehen hier schnell sechsstellige Beträge

zur Disposition.

KLEINE MASSNAHMEN – GROSSE EINSPARUNGEN

Mit einem Energieanteil von durchschnittlich nur einem

Prozent an der Bruttowertschöpfung gehört die Pharma-

Branche zwar nicht zu den großen Verbrauchern in der

Industrie. Das heißt aber nicht, dass nur ein geringes

Potenzial zum Energiesparen vorhanden wäre. Die Pharma-Industrie

nimmt in vielerlei Hinsicht eine besondere

Stellung ein. Die Kälte- und Drucklufterzeugung sind

hier die großen Primärverbraucher. Verwendet wird die

Kälte vor allem für die Klimatisierung. So fließen am

Ende knapp zwei Drittel der gesamten Energie in den

Bereich Heizung, Lüftung und Klima. Hier geht es im

Wesentlichen um die Versorgung der Forschungslabore

und der Produktionsstätten. Reinräume müssen belüftet

und Abzüge entlüftet werden. Höchste Anforderungen

an Produkt- und Personenschutz verlangen das unbedingte

Einhalten von vorgegebenen Umgebungsbedingungen.

Viele Räumlichkeiten sind zwangsbelüftet mit

hohen Luftwechselraten und laufen 24 Stunden am Tag

und 365 Tage im Jahr.

BELASTBARE KENNZAHLEN SIND UNVERZICHTBAR

Unter diesen Gegebenheiten können bereits mit kleinen

Optimierungsmaßnahmen große Erfolge erreicht werden.

Beispiele hierfür sind das Zurücksetzen der Temperaturen

in produktionsfreien Zeiten oder der Einsatz

von frequenzgeregelten Motoren bei Lüftern und Pumpen.

Es gibt zahllose Ansätze, um Energie einzusparen.

Die Herausforderung liegt darin, Maßnahmen richtig

einzuschätzen und zu priorisieren. Doch wie können die

vorhandenen Einsparpotenziale exakt identifiziert werden

und wie kann der finanzielle und der nachhaltige

Erfolg der Aktivitäten nachgewiesen werden?

Ein erfolgreiches Energiemanagement basiert auf zuverlässigen

und belastbaren Zahlen. Am aussagekräftigsten

sind Kennzahlen, bei denen die eigentlichen

Verbräuche um beeinflussende Umweltfaktoren bereinigt

sind. Dies geschieht zum Beispiel durch die Ermittlung

spezifischer Verbräuche unter Einbeziehung der

produzierten Menge. Den großen Einfluss des Wetters,

gerade im Bereich von Heizung, Lüftung und Klima,

berücksichtigt man durch die Verwendung von Gradtagszahlen.

Entscheidend sind daher sowohl die Erfassung

mit optimaler Messtechnik als auch die zielgerichtete

Weiterverarbeitung der Daten.

Bei der Erfassung ist zu beachten, dass die meisten

Maßnahmen Einsparungen im Bereich von wenigen

Prozentpunkten zum Ziel haben. Entsprechend exakt

müssen die verwendeten Messeinrichtungen arbeiten.

Wenn etwa bei einer geeichten mechanischen Wasseruhr

eine Verkehrsfehlergrenze von bis zu plus/minus

zehn Prozent toleriert wird, lassen sich damit Einsparungen

von drei Prozent nicht nachweisen. Hier bietet

sich zum Beispiel der Einsatz von magnetisch-induktiver

Messtechnik an, die eine Genauigkeit von deutlich

unter einem Prozent bietet. Bei der Weiterverarbeitung

der erfassten Messwerte lautet die Herausforderung, aus

verschiedensten Quellen wie Produktionsleitsystem,

ERP-Systemen und Gebäudeleittechnik die Messdaten

in einer Datenbank zu sammeln.

DATEN MASSGESCHNEIDERT AUFBEREITEN

Allerdings muss beachtet werden: Ein Energiemonitoring-

System allein spart weder Energie noch Kosten. Erst die

Anwender können aus den Daten Energieeinsparungen

ableiten. Dazu müssen die Daten entsprechend den unterschiedlichen

Aufgaben und Anforderungen spezifisch

aufbereitet werden: Der Anlagenfahrer beispielsweise

erhält eine Übersicht der momentanen Verbräuche und

Kennzahlen. Der Energiemanager verfügt über eine Vielzahl

an Vorlagen, mit denen er spezifische Leistungsanalysen

wie eine Regressionsanalyse oder eine Grundlastanalyse

durchführen kann. Der Controller kann Kosten

anhand von Verträgen analysieren oder Budgets planen.

Der Geschäftsführer kann automatisch Wochenberichte

mit den wichtigsten Unternehmenskennzahlen erhalten.

Anwender, die mit passenden Informationen versorgt werden,

beschäftigen sich intensiv mit dem System und leiten

basierend auf ihrem Fachwissen und den aufbereiteten

Informationen die besten Einsparmaßnahmen ab oder

geben eine fundierte Freigabe für Investitionen.

Die Vetter Pharma International GmbH aus Ravensburg

ist ein weltweit führender Spezialist für die Entwicklung

und keimfreie Abfüllung von Medikamenten beispielsweise

in Spritzen. Im Rahmen einer nachhaltigen Entwicklung

führt Vetter ein System zur Überwachung der

Energieverbräuche im Unternehmen ein. Beginnend mit

Langenargen am Bodensee soll das System zukünftig auf

andere Standorte des Unternehmens ausgeweitet werden.

Die Ziele lauten:

Grundlage für die Zertifizierung nach ISO 50001,

Transparenz über Medienverbräuche,

24

atp edition

4 / 2013

BASISDATEN: Der

multifunktionale

elektrische Energiezähler

RV12 liefert über

Modbus RTU Stromverbrauchsdaten

an das

Energiemonitoring-

System.

Bilder: Endress+Hauser

ALLES IM BLICK:

Das Dashboard des

Energiemanagementsystems

bietet eine

intuitive Übersicht der

wichtigsten aktuellen

Energiekennzahlen

und -verbräuche.

DETAILINFORMATION:

Die Regressionsanalyse

zeigt dem

Energie manager die

energetische Effizienz

eines Prozesses auf.

Anlagenüberwachung anhand von Wirkungsgraden

und eine schnelle Reaktion auf Anlagenstörungen.

Hierfür sollen die Verbräuche von zehn Medien erfasst

werden: etwa Wärmemengen von Heizungsanlagen,

Gasmengen (Stickstoff und Druckluft) sowie Wasserverbräuche.

Die meisten Messwerte stammen aus dem

existierenden, validierten Prozessleitsystem. Zusätzlich

liefert die Gebäudeleittechnik Messdaten über M-

Bus. Drittens sollen Strom- und Erdgasmengen über

einen lokalen Datenschreiber eingelesen werden. Alle

Daten sollen zentral auf einem Server am Produktionsstandort

gesammelt werden.

KOMPLETT-KONZEPT ÜBERZEUGTE

Auch in der Vergangenheit hat Vetter schon zahlreiche

Daten erfasst. Damit diese nicht verloren gehen, sollen

auch historische Daten in das zu installierende System

importiert werden. Bei der Entscheidung für ein Energiemonitoring-System

überzeugte Vetter das durchgängige

Konzept von Endress+Hauser. Das Unternehmen

verfügt nicht nur über sämtliche Komponenten eines

Energiemonitorings sondern über Messtechnik für alle

Energiemedien, vielseitig konfigurierbare Datenschreiber

und Energierechner bis hin zu einer intuitiv bedienbaren

Energiemonitoring-Software, die alle Anforderungen

erfüllt. Neben den Produkten liefert der Komplettanbieter

das vollständige Hardware- und Softwareengineering

und übernimmt damit die gesamte Verantwortung

für den Projekterfolg. Tino Mehre, Projektleiter für die

Einführung des Energiemonitorings bei Vetter, ist „mit

dem Projektablauf sehr zufrieden. Besonders hervorzuheben

ist der gute Kontakt zum Projektteam und eine

kurze Reaktionszeit.“

Für die Einführung eines Energiemanagement-Systems

nach ISO 50001 wurde mit der Installation eines

Energiemonitoring-Systems ein wichtiger Grundstein

gelegt. Doch es gibt noch andere wichtige Aspekte zu

beachten, weshalb Endress+Hauser Unternehmen auf

dem Weg zur Zertifizierung unterstützt. Darüber hinaus

führen Energieberater auch Potenzialanalysen unter anderem

in den Bereichen Druckluft, Prozesswärme und

Prozesskälte durch. Mit diesem durchgängigen Angebot

wird garantiert, dass Aktivitäten beim Energiesparen

nachhaltige Erfolge liefern.

AUTOR

DAVID WALLERIUS ist Marketingmanager

Prozessautomatisierung bei Endress+Hauser

in Weil am Rhein.

Endress+Hauser Messtechnik GmbH+Co. KG,

D-79576 Weil am Rhein,

E-Mail: info@de.endress.com

atp edition

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PRAXIS

Stringente Systematik in der elektrotechnischen

Betriebstechnik steigert die Anlagenverfügbakeit

Brauerei Veltins bewältigt Stillstände dank der mit Eplan umgesetzten Struktur extrem zügig

ÜBERALL IN DER

BRAUEREI sind

die Eplan-Daten

per WLAN und

Viewer drahtlos

verfügbar.

EINHEITLICH

STRUKTURIERT:

Jedes Kabel ist

bei Veltins exakt

beschriftet. Die

Verdrahtungs farben

sind im gesamten

Unter nehmen

einheitlich.

MIT EPLAN ELECTRIC P8

wurde 95 % der Betriebstechnik

elektrotechnisch

eindeutig spezifiziert und

dokumentiert. Bilder: Eplan

Praktisch ihre komplette Betriebstechnik hat die Privatbrauerei

Veltins elektrotechnisch eindeutig spezifiziert

und dokumentiert. Diese stringente Systematik

zahlt sich aus: Weil sich Störungen aufgrund der mit

Eplan umgesetzten Struktur sehr schnell funktional und

vor allem auch räumlich zuordnen lassen, sind Fehler in

der Regel schnell behoben. Auch Wartungsarbeiten laufen

extrem zügig ab. Unterm Strich steigen dadurch Anlagenverfügbarkeit

und Wettbewerbsfähigkeit.

Die Brauerei C. & A. Veltins zählt zu den großen Premium-Marken

der deutschen Bierlandschaft. Pils, Biermix

und Fassbrause bescherten dem Unternehmen im

vergangenen Jahr mit 2,79 Mio. Hektolitern einen Rekordausstoß.

Dieser Erfolg fußt auf den erprobten Tugenden

eines Mittelstandsunternehmens sowie Innovation in

Produkten und Produktion. Schließlich stellt Veltins sich

täglich einem wachsenden Wettbewerb mit stagnierenden

Pro-Kopf-Verbräuchen und steigenden Energiekosten. Um

mit maximaler Produktivität arbeiten zu können, hat die

Privatbrauerei im Sauerland sämtliche Produktions- und

Materialflussketten durchstrukturiert – mithilfe von

Eplan wurde 95 % der Betriebstechnik elektrotechnisch

eindeutig spezifiziert und dokumentiert.

95 PROZENT DER ANLAGEN IN EPLAN ANGELEGT

Bei sämtlichen Planungsarbeiten nutzen die Experten

von Veltins für die Elektrotechnik durchgängig die Engineering-Umgebung

von Eplan. Nur etwa fünf Prozent

der Anlagen seien nicht in Eplan angelegt, erläutert Walter

Bauer, Geschäftsführer Technik der Brauerei. 1998

hat Veltins Eplan als führendes Softwarewerkzeug eingeführt

– seinerzeit in Gestalt der Version 5.2. Dieser

Einstieg war für die Brauer im Sauerland gleichbedeutend

mit einer kompletten Durchstrukturierung des Be-

26

atp edition

4 / 2013

triebes in Funktionsbereiche. „Damals haben wir die

Weichen gestellt für einen Nomenklaturschlüssel, der

noch heute seine Gültigkeit hat“, erläutert Bauer. Der

Technik-Geschäftsführer hat den Release-Wechsel von

5.7 auf die heutige Eplan-Plattform vorangetrieben und

begleitet. Seit 2008 „denkt“ Veltins beim Elektro-Engineering

durchgängig in Version P8.

Die generellen Herausforderungen bei der Integration

neuer Projekte in den kompletten Braustättenverbund

werden vor allem dann anschaulich, wenn die kompromisslose

Strukturierung des Betriebes zum Tragen

kommt. Sieben große Funktionsbereiche hat Veltins Ende

der 1990er-Jahre definiert: Abfüllung, Brautechnik, Betriebstechnik,

Gebäudetechnik, Logistik, Technische

Verwaltung sowie Ver- und Entsorgung. Sie bilden quasi

Cluster, die sich weiter nach einem festgelegten

Schlüssel verzweigen. Diese Strukturierung findet sich

in sämtlichen Dokumenten, Programmierungen und Bezeichnungen

wieder. Die Durchgängigkeit reicht bei Veltins

so weit, dass selbst jeder Lichtschalter seine feste

Bezeichnung erhält – inklusive Beschriftung vor Ort.

BETRIEBSMITTEL EINDEUTIG ZUGEORDNET

Der Typenschlüssel ist so aufgebaut, dass sich Betriebsmittel

einerseits sofort einem Funktionsbereich zuordnen

lassen und andererseits auch erkennbar wird, wo der

dazugehörige Schaltplan in der Dokumentation zu finden

ist. Auch gibt der Schlüssel dem Instandhaltungs- und

Wartungspersonal wichtige Rückschlüsse über den

Standort des Schaltschrankes. Die Disziplin im Engineering

macht sich bei Veltins spätestens dann bezahlt, wenn

die Ursache für eine Störung in dem über Jahrzehnte hinweg

gewachsenen Betrieb zu suchen ist. Weil sich Störungen

aufgrund der mit Eplan umgesetzten Struktur

sehr schnell funktional und vor allem auch räumlich

zuordnen lassen, sind Fehler in der Regel schnell behoben.

Exakt 2150 Projekte sind bei Veltins in Eplan angelegt.

Neben vier Vollversionen, bedient sich das Unternehmen

einer Firmenlizenz für den Eplan-Viewer. Dem

Instandhaltungspersonal stehen dafür in allen Produktionsbereichen

die Eplan-Daten über den Eplan Viewer

per WLAN-Netzwerk drahtlos für Wartungs- und Servicearbeiten

zur Verfügung. Vor Ort gibt es ferner eine gedruckte

Dokumentation im Schaltschrank.

EINHEITLICHE VERDRAHTUNGSFARBEN

Die Schnelligkeit bei Wartungs- und Servicearbeiten

versetzt Veltins in die Lage, Umrüstungs- oder Erweiterungsarbeiten

in den Wintermonaten straff durchorganisiert

zu realisieren. Ein zweiter Vorteil resultiert aus

der steigenden Anlagenverfügbarkeit, die unter dem

Strich die Produktivität der Brauerei erhöht – und damit

nachhaltig die Wettbewerbsfähigkeit stärkt. Insofern

stellt die eingelegte Disziplin bei der Projektierung eine

wichtige Säule des Unternehmenserfolges dar.

Diesen Anspruch stellt Veltins einerseits an seine Lieferanten

und andererseits auch an die eigene Arbeit. Vor

allem bei der Entwicklung von Schnittstellen verlassen

sich die Elektrotechniker und Konstrukteure nicht ausschließlich

auf die Kompetenz ihrer Partner. Ein Beispiel

dafür ist die Abfüllung von Fünf-Liter-Partyfässern. Die

Aufgabe bestand in diesem Fall darin, den Übergabepunkt

von den großen Lagertanks zur Kleinfassanlage

zu definieren und umzusetzen. „Die Verkabelung im

Schaltschrank haben wir mit der Software Eplan entwickelt“,

berichtet Walter Bauer. Jedes Kabel ist exakt beschriftet

und die Verdrahtungsfarben sind im gesamten

Unternehmen einheitlich. „Weiß-Blau bedeutet zum Beispiel

24 Volt minus. Das weiß hier jeder.“

Für Veltins hat die Dokumentation einer neuen Anlage

in Eplan Electric P8 zwei große Vorteile: nahtlose Einbindung

in den Unternehmensverbund sowie die schnelle und

sichere Möglichkeit der Überprüfung. „Wir können mit

diesen Plänen bei der Eingangskontrolle besser überblicken,

ob sich unsere Anlagenbauer an unsere Vorschriften

gehalten haben. Das schließt mögliche Probleme bei der

späteren Inbetriebnahme von Beginn an aus“, so Bauer

WENIGER AUFWAND FÜR ERSATZTEILLAGERUNG

Die Standardisierung senkt zudem den Aufwand für Ersatzteillagerung

und Schulung. Um diesen Vorteil möglichst

umfassend nutzen zu können, ist die Liste an

Werksvorschriften für die technische Ausrüstung von

Betriebsmitteln bei Veltins recht lang. Kabel sind darin

genauso spezifiziert, wie der Hersteller der Steuerungstechnik,

des Frequenzumrichters oder der Schaltschränke,

deren Innenleben dabei selbstverständlich „schlüsselgerecht“

zu installieren ist. „Wir legen sehr großen

Wert auf Sauberkeit und Beschriftung“, sagt Technik-

Geschäftsführer Walter Bauer und unterstreicht dieses

beim Öffnen eines Rittal-Schrankes für das neue Sudhaus,

das 2012 in Betrieb gegangen ist und aufgrund der

hohen Energieeffizienz zu den modernsten Anlagen in

Europa zählt. Bereits 2005 hat Veltins nach eigenen Angaben

damit begonnen, die Produktionsstätte am Traditionsstandort

Grevenstein technisch fit zu machen für

das nächste Jahrzehnt.

AUTOR

THOMAS MICHELS ist Produktmanager

bei Eplan Software &

Service, Monheim am Rhein.

Eplan Software & Service GmbH & Co. KG,

An der alten Ziegelei 2,

D-40789 Monheim am Rhein,

Tel. +49 (0) 2173 396 40,

E-Mail: info@eplan.de

atp edition

4 / 2013

27

PRAXIS

Maximale Transparenz beim Verbrauch bildet

die Basis, um Einsparpotenziale zu erkennen

Siemens setzt in Getriebewerk auf Systeme zum Energiemanagement und Condition Monitoring

DAS HÄRTEN DER ZAHNRÄDER

ist ein energieintensiver Prozess.

Schon geringe Prozessänderungen

können daher

massive Einsparungen

bewirken. Bilder: Wolfgang Geyer

DIE ZAHNRÄDER werden bei 930 °C einsatzgehärtet und

dann von 840 °C in Ölbädern abgeschreckt. Durch eine

Analyse der exakten Verbrauchsdaten mit B.Data wird der

Energieverbrauch in diesem Prozessschritt optimiert.

Die Produktion drehmomentübertragender Zahnräder

ist extrem energieintensiv. Um Energie einzusparen

und gleichzeitig die Anlagenverfügbarkeit steigern zu

können, wird im Siemens-Getriebewerk Penig neben dem

Energiemanagementsystem B.Data auch das Condition-

Monitoring-System ePS Network Services eingesetzt.

Siemens fertigt in Penig bei Chemnitz Bahnantriebe

und Zahnradgetriebe für Industrieanwendungen. Viele

große europäische und mehrere asiatische Schienenfahrzeughersteller

kann Siemens schon zu seinem Kundenstamm

zählen – Bahnantriebe aus Penig laufen heute

erfolgreich auf allen Kontinenten. In der Teilefertigung

entstehen täglich bis zu 600 drehmomentübertragende

Bauteile. Um den Energieverbrauch zu senken, jedoch

gleichzeitig die Produktivität sowie die Anlagenverfügbarkeit

zu steigern, kommen dort das Condition-Monitoring-System

ePS Network Services sowie das Energiemanagementsystem

B.Data zum Einsatz.

SYSTEMATISCHE ÜBERWACHUNG

Rund 300 Mitarbeiter arbeiten im Getriebewerk Penig an

etwa 130 Werkzeugmaschinen. Der effiziente Einsatz der

Maschinen ist ein wichtiger Schlüssel zum Erfolg, wofür

wiederum die Wartung und die permanente Überwachung

der Produktionsmaschinen maßgebliche Voraussetzungen

sind. Auch die vorbeugende Früherkennung

von Fehlern sowie die Absicherung von Verfügbarkeit

und Produktivität werden immer wichtiger.

Die systematische Anlagenüberwachung erfolgt im

Getriebewerk Penig mithilfe des Condition-Monitoring-

Systems ePS Network Services. Wöchentlich werden

beispielsweise Achsentests in den Werkzeugmaschinen

durchgeführt und individuelle Variablen wie Temperatur,

Schwingung oder Druck erfasst. Dadurch ist es möglich,

Trends zu erkennen und Instandhaltungsmaßnahmen

frühzeitig einzuleiten. Neu gelieferte Maschinen

werden zudem einem mechanischen sowie einem energetischen

Fingerprint unterzogen. Das heißt, dass bei

der Erstinbetriebnahme beim OEM definierte Werte

erfasst werden und die Maschinen spezielle Tests

durchlaufen.

HOHE EINSPARPOTENZIALE IN DER HÄRTEREI

Ein zweiter Vergleichsfingerprint erfolgt nach dem Aufstellen

in der Halle. So lassen sich Verschleißerscheinungen

und Defekte feststellen, bevor sie einen negativen

Einfluss auf die Produktion ausüben können.

Neben der Zustandsüberwachung der Anlage haben

die Verantwortlichen auch eine dauerhafte Reduktion

des Energieverbrauchs angestrebt. Realisiert wurde dies

durch den Einsatz des Energiemanagementsystems

B.Data. Dabei ist zu beachten, dass die Software den Ver-

28

atp edition

4 / 2013

auch nicht automatisch senkt, sondern dass zunächst

die Prozesse angepasst werden müssen.

Besonders energieintensiv ist in Penig beispielsweise

die Härterei. Die Teile werden über mehrere Stunden in

einem chemisch-thermischen Prozess aufgekohlt und

dann in Ölbädern abgeschreckt. Der zeitliche Ablauf ist

zwar durch ein Programm vorgegeben, aber da das Beschicken

der Öfen und das Absenken in die Ölbäder manuell

erfolgen, hat der Anwender dennoch einige Entscheidungsspielräume.

Aufgrund der extrem hohen Energiekosten wird nun

eine Optimierung auf der Basis exakter Verbrauchszahlen

angestrebt. B.Data schafft dafür die maximale Transparenz,

indem das System den genauen Verbrauch ermittelt

und so eine Reduktion ohne Gefahr für die Verfügbarkeit

der Maschinen ermöglicht. Denn schon geringe Anpassungen

können zu deutlichen Ersparnissen führen.

Heute scHon

elektriscH

geradelt?

ALLE ENERGIEFORMEN WERDEN ERFASST

Grundsätzlich werden mit B.Data aber auch alle anderen

Energieformen erfasst – unter anderem der Verbrauch

der teuren Druckluft. Da bei der Drucklufterzeugung

üblicherweise nur vier Prozent der elektrischen Energie

als Druckluftenergie genutzt werden können, ist die

Überwachung der Effizienz der Druckluftkompressoren

ebenfalls ein wichtiger Kostenfaktor.

Neben der Kostenreduzierung wirkt sich der Einsatz

von ePS Network Services und B.Data auch auf die Motivation

der Mitarbeiter aus. Denn die hohe Transparenz

fördert deren Verantwortungsbewusstsein, da sie selbst

einen konkreten Beitrag zur Energiebilanz des Unternehmens

leisten können. Das Condition Monitoring der

Werkzeugmaschinen hat zudem effektiv zur Steigerung

der Anlagenverfügbarkeit und der Produktivität beigetragen.

Aus der automatischen Korrelation von Betriebszustand

und Energieverbrauch der Maschinen haben sich

wertvolle Hinweise zur Prozessoptimierung ergeben.

AUTORIN

Dipl.-Ing. SANDRA

SCHUSTER arbeitet in

der Abteilung Business

Development im Bereich

Condition Monitoring and

Reliability der Siemens AG

in Karlsruhe.

Siemens AG, Industry Sector

Customer Service Division Value Services,

Siemensallee 84, D-76187 Karlsruhe,

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WIssEn Für DIE

ZuKunft

HAUPTBEITRAG

Kontext, Dienste und

Cloud Computing

Eigenschaften und Anwendungen cyber-physischer Systeme

Mit dem Internet der Dinge und der Dienste wird in der Automatisierungstechnik eine

neue Form der vertikalen, aber auch der horizontalen Integration möglich. Sie optimiert

mit der situationsspezifischen Bereitstellung von Informationen und Diensten technische

und organisatorische Prozesse. Den Kern dieser neuen Art der Integration bildet das cyberphysische

System. Dieser Beitrag stellt die gängigen Begriffsdefinitionen aus dem Umfeld

von cyber-physischen Systemen zusammen und diskutiert die Auswirkungen von Internettechnologien,

Kontextsensitivität und Cloud Computing auf die Automatisierungstechnik.

Die Ausführungen werden anhand eines Anwendungsbeispiels verdeutlicht.

SCHLAGWÖRTER Cyber-physische Systeme / Cloud Computing / Internet der Dinge /

Internet der Dienste / Kontextsensitivität / Serviceorientierung

Context awareness, service orientation and cloud computing –

Properties and applications of cyber-physical systems

The internet of things and services enables a new form of vertical and horizontal integration

in automation. It offers the optimization of technical and organizational processes

by providing situation specific information and services. The core of this new kind of

integration is formed by cyber-physical systems. This article compiles the most relevant

definitions in the field of cyber-physical Systems and discusses the effects of internet

technologies, context awareness and cloud computing on automation. An application

example illustrates the statements.

KEYWORDS cyber-physical systems / cloud computing / internet of things / internet of

services / context sensitive automation / service orientation

32

atp edition

4 / 2013

JOCHEN SCHLICK, Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI), Kaiserslautern

PETER STEPHAN, Wittenstein AG

THOMAS GREINER, Hochschule Pforzheim

Die vor über 20 Jahren postulierte Vision des Ubiquitous

Computing [44] als Keimzelle des Internets

der Dinge und Dienste (Internet of

Things, IoT und Internet of Services, IoS) manifestiert

sich zunehmend in unserem Alltag.

Beispiele sind die Paketverfolgung auf Basis von AutoID-

Technologien oder die Nutzung von kontextsensitiven

Diensten wie etwa der Online-Navigation. Informationsund

Kommunikationstechnologien (IKT) wie Smartphones,

mobiles Internet oder Cloud Computing beschleunigen

dies. Zentrale Paradigmen sind die eindeutige

Adressierbarkeit von physischen Objekten, deren Ausstattung

mit Rechenleistung, die Erfassung von Zuständen

aus der realen Welt mittels Sensoren und der allgegenwärtige

Zugriff auf diese Informationen. Das geschieht

durch die Vernetzung dieser Informationsquellen

in offenen Netzen sowie das Anbieten und Nutzen

von darauf basierenden Diensten.

Für die Automatisierungstechnik bietet sich dadurch

die Möglichkeit, Produktionssysteme, mechatronische

Prozessmodule, Produkte und IT-Systeme horizontal und

vertikal zu integrieren. Darüber hinaus liefert eine kontextsensitive

Automatisierungstechnik durch die situationsspezifische

Bereitstellung von Informationen und

Diensten einen Wertschöpfungsbeitrag für indirekte und

organisatorische Fabrikprozesse.

Zur Übertragung der Paradigmen des IoT und IoS in

die heutigen Fabriken wird die Entwicklung von cyberphysischen

Systemen (CPS) als autonome, selbststeuernde

und wissensbasierte Produktionssysteme notwendig,

die in offenen Netzen Informationen austauschen,

was zu einer gesteigerten Komplexität von Automatisierungssystemen

und Produktionsprozessen

führt. Dies erfordert, neue Ansätze und Methoden zur

systematischen Planung solch verteilter Steuerungsarchitekturen

und deren Betrieb zu entwickeln. Nur so

lassen sich die für die Produktionsautomatisierung

relevanten Anforderungen hinsichtlich einer verbesserten

Wiederverwendbarkeit, Durchgängigkeit und

Interoperabilität von Komponenten und Informationen

erfüllen. Um zu einer gemeinsamen Vorstellung für

diese weiterentwickelte Form der Automatisierung zu

kommen, ist es wichtig, die in diesem Themenfeld verwendeten

Begriffe zu verstehen.

1. BEGRIFFE

1.1 Das Internet der Dinge im Fabrikumfeld

Die Vision des Ubiquitous Computing stammt von Marc

Weiser. Sie geht davon aus, dass IKT vollständig in Alltagsgegenständen

unserer Umgebung aufgehen, für den

menschlichen Nutzer unsichtbar werden und bestehende

IT-Systeme, wie Desktop-Computer, durch intelligente

Objekte ersetzen [43]. Für das Internet der Dinge (IoT)

bildet diese Vision die Kernidee. Obwohl sich Anwendungen

des IoT im Consumer-Bereich weitgehend etabliert

haben, bleibt dessen Kernidee aus Sicht industrieller

Anwender noch immer vergleichsweise abstrakt.

Obgleich eine anerkannte Definition des IoT nicht existiert,

lassen sich aus Implementierungen des IoT in realen

Anwendungen drei Hauptaspekte identifizieren [15, 6]:

Adressierbarkeit und Vernetzung: Realweltobjekte

werden mit Identifikations-, Kommunikations- oder

Embedded-Technologien ausgestattet und zum Zweck

der Informationsbereitstellung miteinander vernetzt.

Allumfassende Intelligenz: Basierend auf einem

Netzwerk aus intelligenten Objekten werden Regelschleifen

aufgebaut.

Allumfassende Assistenz: Basierend auf hochauflösenden

Daten intelligenter Objekte werden menschlichen

Nutzern situationsspezifisch (das heißt abhängig

vom aktuellen Kontext) Informationen und

Dienste bereitgestellt.

Um IoT in der Fabrik umzusetzen, bilden Basistechnologien

wie drahtlose Kommunikationstechnologien,

AutoID-Technologien (zum Beispiel RFID oder

NFC), industrielle Feldbusse auf Ethernetbasis,

Smartphones, Tablet-PCs sowie industrielle Lokalisierungssysteme

die Grundlage. Zur Aufbereitung

atp edition

4 / 2013

33

HAUPTBEITRAG

und Kommunikation erhobener Daten und Informationen

stellen Softwareinnovationen und Standards

eine wichtige Voraussetzung dar: Digital Factory

Tools, offene Formate und Beschreibungssprachen

(beispielsweise PLMXML, JT, AutomationML, SensorML),

Web Services, digitale Produktgedächtnisse,

Middlewarestandards [37] und Kommunikationsprotokolle

wie beispielsweise OPC-UA.

1.2 Das Internet der Dienste

Die Europäische Kommission definiert das Internet der

Dienste (IoS) als „[...] Vision des Internets der Zukunft,

in dem alles, was benötigt wird, um Softwareanwendungen

zu nutzen, als Services zur Verfügung gestellt wird,

wie die Software selber, die Werkzeuge, um die Software

zu entwickeln, oder die Plattform (Server, Speicherplatz

und Kommunikation), um die Software auszuführen“

[17]. Das IoS zeichnet sich im Wesentlichen durch drei

Eigenschaften aus:

Web-Anbindung beziehungsweise -Distribution

von Services

nutzungsabhängige Abrechnungsmodelle

ein breites Spektrum an (kombinierbaren)

Angeboten

Das Konzept des IoS ist es, einzelne Services und Funktionalitäten

in eigenständige Anwendungsprogramme

wie Apps zu fassen. Über Netzwerke werden diese den

Nutzern angeboten. Unternehmen können die benötigten

IKT-Ressourcen bedarfsgerecht online beziehen und den

Aufwand selbst betriebener Hard- und Software reduzieren.

Indem die Anwendungen webbasiert zur Verfügung

stehen, lassen sich diese plattform- und endgeräteunabhängig

einsetzen.

Das IoS besteht aus Teilnehmern, den Diensten, ihren

Geschäftsmodellen und einer Dienste-Infrastruktur und

zielt darauf ab, jedweden (any) Service online zur Verfügung

zu stellen. Die Orchestrierung zu komplexen

Lösungen erfolgt über standardisierte Schnittstellen der

einzelnen Software-Komponenten. Das IoS stellt die

Grundlage dieser Mehrwertdienste dar und kann als

„Betriebssystem“ der Vernetzung bezeichnet werden.

Zukünftig wird das IoS eine softwarebasierte Möglichkeit

zum Anbieten und Nutzen von Diensten über

unterschiedlichste Netze hinweg bieten. Die Kombination

des IoT mit dem IoS eröffnet jedem Teilnehmer die

Möglichkeit, sich jederzeit (anytime) an jedem Ort (anywhere)

mit jedem (anything and anyone) unter Verwendung

jedes beliebigen Netzwerks (any path/network)

mit Nutzung eines beliebigen Dienstes (any service) zu

verbinden. Dadurch wird es ermöglicht, Konzepte wie

beispielsweise ein gezieltes Kontextmanagement umzusetzen

[3, 32].

Die Abrechnung der Services erfolgt abhängig von der

tatsächlichen Inanspruchnahme – im Gegensatz zur traditionellen

Softwarebeschaffung auf Lizenzbasis. Mietmodelle

sind im IoS weit verbreitet. Andere Vergütungsansätze

im IoS basieren auf der Berechnung von abgerufenen

Diensten oder auf Provisionen bei der Vermittlung

von Services.

1.3 Services

Services können auf vielfältige Art und Weise angeboten

werden. Eine etablierte Möglichkeit besteht darin, eine

Service-orientierte Architektur (SoA) zu verwenden [26,

30]. Wesentliche Kennzeichen einer SoA sind lose Kopplung,

unabhängige gekapselte Services sowie die Mehrfachverwendung

von Services. Das typische SoA-Schichtenmodell

gliedert sich in Präsentationsschicht, Ausführungslogik

sowie Datenbanken/Informationssysteme

(siehe Bild 1).

Die Präsentationsschicht enthält alle Komponenten,

die zur Interaktion mit dem Benutzer erforderlich sind.

In der Ausführungslogik sind diejenigen Komponenten

enthalten, die mit externen Systemen zusammenarbeiten.

Die Prozesslogik umfasst alle verteilten Services und

die Servicelogik stellt klar abgegrenzte Teilfunktionalitäten

für die Prozesslogik zur Verfügung. Informationssysteme

und Datenbanken liefern die Daten und Informationen

für die Ausführungslogik.

Der Begriff Webservices bezeichnet über das Internet

angebotene Dienste [29]. Die Gartner Group definiert

Webservices wie folgt: „Web Services are software technologies,

making it possible to build bridges between

IT systems that otherwise would require extensive development

efforts.“ Bei Forrester Research heißt es

„Software designed to be used by other software via

Internet protocols and formats.“ Eine Möglichkeit besteht

darin, Webservices in Form einer SoA anzubieten.

Dies ist jedoch, wie die Definitionen zeigen, nicht zwingend

erforderlich.

Die technische Realisierung solcher Webservices kann

über eigene Protokollstacks wie Simple Object Access

Protocol (SOAP) erfolgen oder sie baut im Fall von Representational

State Transfer (REST) direkt auf dem

HTTP-Protokoll auf. Webservices ermöglichen es, Funktionen

auf einem entfernten Rechnersystem mittels Textnachrichten

aufzurufen. Bei der Nutzung von Webservices

in automatisierungstechnischen Systemen werden

vor allem der Overhead durch einen Webserver sowie

die fehlende Echtzeitfähigkeit kritisch gesehen.

1.4 Cloud Computing

Das Anbieten von Diensten lässt sich durch Cloud

Computing [11] effizient und kostengünstig verwirklichen

[18, 19]. Nach der Europäischen Kommission [12]

ist Cloud Computing „ein […] Modell des Internetbasierten

Betreiben von Anwendungen, bei dem Server,

Speicherplatz, Netzwerke, Software und Informationen

auf Abruf bereitgestellt werden.“ Die Vision bei

CPS besteht darin, eine möglichst umfassende Abbildung

und Steuerung einzelner CPS-Komponenten über

die Cloud zu ermöglichen. In [16] wird Cloud Computing

als einer der Megatrends für die Fabrik der Zukunft

eingestuft.

Nach dem National Institute of Standards and Technology

(NIST) gibt es seit 2009 eine anerkannte Definition

für Cloud Computing [27]. Demnach wird darunter

ein Modell verstanden, welches benutzerfreundlich,

angepasst auf die aktuellen Anforderungen von Nutzern,

über das Internet Zugang zu einer Fülle von konfigurier-

34

atp edition

4 / 2013

www.atp-edition.de

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baren Rechnerressourcen wie Infrastruktur (Netzwerk,

Server oder Speicherplatz) sowie Software und Services

bietet. Diese Ressourcen können schnell über Internet-Technologien

auf Selbstbedienungsbasis und mit

nutzungsabhängiger Bezahlung bereitgestellt und eingesetzt

werden. Die wesentlichen Merkmale des Cloud

Computing sind: On-demand-Service, Netzwerkzugriff,

Ressourcenbündelung, automatisierter Service sowie

Skalierungsfähigkeit.

Cloud Computing ermöglicht drei Cloud-Dienste:

Software as a Service (SaaS), Platform as a Service

(PaaS) und Infrastructure as a Service (IaaS):

Software as a Service: Dieser Dienst ermöglicht

es, eine Anwendung innerhalb einer Cloud-Infrastruktur

zu nutzen. Der Zugriff erfolgt über

eine Schnittstelle, die sich auch für einfache Systeme

eignet.

Platform as a Service: Innerhalb dieses Dienstes

können Software beziehungsweise Nutzungsrechte

für eine komplette Plattform erworben

werden. Der Nutzer kann die Plattform konfigurieren

und die eingesetzten Anwendungen definieren

und anpassen [27]. PaaS gewinnt zunehmend

an Bedeutung [2].

Infrastructure as a Service: Der Nutzer erhält Zugriff

auf elementare IT-Ressourcen. Bei diesem

Dienst wird die Kontrolle über die Betriebssysteme

und gegebenenfalls begrenzte Kontrolle über

Netzwerkkomponenten (zum Beispiel die

Firewall) ermöglicht, allerdings unterliegt die

Kontrolle der grundlegenden Cloud-Infrastruktur

dem Cloud-Betreiber [27].

Die Referenzklasse für die


atp edition ist das Fachmagazin für die Automatisierungstechnik.

Die Qualität der wissenschaftlichen Hauptbeiträge

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Damit Cloud-Anbieter die beschriebenen Dienste offerieren

können, gibt es bestimmte Cloud-Arten [27, 36]:

Private Cloud: Bei einer Private Cloud wird die

Cloud-Infrastruktur exklusiv für nur eine Organisation

betrieben. Diese kann jedoch durch die Organisation

selbst oder Drittanbieter verwaltet werden

und innerhalb oder außerhalb des Firmengeländes

aufgestellt werden.

Community Cloud: Dabei handelt es sich um eine

Erweiterung der Private Cloud. Mehrere Organisationen

mit denselben Interessen, zum Beispiel Sicherheitsanforderungen,

Zielen oder Richtlinien,

teilen sich dieselbe Cloud-Infrastruktur.

Public Cloud: Mit dieser Cloud-Art wird der Zugang

zur Cloud der breiten Öffentlichkeit beziehungsweise

der Industrie ermöglicht. Dabei verlangt die

Organisation, die den Cloud-Dienst anbietet, meistens

Geld für die Nutzung.

Hybrid Cloud: Sie besteht aus zwei oder mehr

Cloud-Infrastrukturen (Public, Private und/oder

Community), die miteinander verbunden sind. Die

Clouds bleiben dabei eigenständige Einheiten, können

jedoch über standardisierte Schnittstellen Daten

oder Anwendungen verschieben.

Aus der rechtlichen Problematik des Datenschutzes

und Fragen der allgemeinen Datensicherheit ergeben

sich aus Sicht der Unternehmen Nachteile beziehungs-

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

HAUPTBEITRAG

weise Bedenken im Zusammenhang mit Cloud Computing

[42]. Diese spielen für den Erfolg von Cloud Computing

eine große Rolle. Zu diesem Komplex gibt es spezielle

Literatur und Forschungsprojekte [35, 20, 33].

1.5 Kontextsensitivität

Der Kontext wird allgemein als eine wechselseitige Beziehung

zwischen den Bedingungen einer Situation angesehen,

in der sich jemand oder etwas befindet, oder in

der etwas passiert. Die genaueste Definition des Kontextbegriffs

stammt von Dey und Abowd [8]: „Context is any

information that can be used to characterize the situation

of an entity. An entity is a person, place, or object that

is considered relevant to the interaction between a user

and an application, including the user and applications

themselves.“ Nach dieser Definition handelt es sich bei

Kontext um jede Art von Informationen aus dem Umfeld

einer Anwendung. Im Gegensatz zu Liebermann [25]

lässt sie implizite und explizite Informationen zu. Es ist

also nicht relevant, ob die Informationen durch das System

ermittelt oder den Benutzer angegeben werden. Weiterhin

wird von einer konkreten technischen, sozialen

oder physikalischen Umgebung abstrahiert, indem abstrakte

Entitäten eingeführt werden. Diese schließen den

Benutzer und die Anwendung selbst mit ein, welche

somit zum Kontext gehören.

Der Kontext in CPS umfasst damit alle Informationsgrößen

(Kontextparameter), die zur Charakterisierung

der aktuellen Situation des Systems und somit als Wissensquelle

für jegliches kontextsensitives beziehungsweise

kognitives Verhalten verwendet werden können.

Kontextmanagement nutzt Informationen über den Anwender,

seine oder die Umgebung von Objekten sowie

Aktivitäten und Vernetzungen um die Qualität der Anwendungen

zu verbessern.

Marktbeobachter und -analysten gehen davon aus,

dass sich kontextsensitive Services und Kontextmanagement

zu beachtlichen Wirtschaftsfaktoren entwickeln.

Die Verknüpfung von IoS und IoT in Gestalt kontextbasierter

Interaktion bietet Nutzern einen entscheidenden

Vorteil, der weiter an Bedeutung gewinnen wird: Convenience

(englisch für Bequemlichkeit/Komfort). Dank

Kontextwissen müssen Anwender und Systemanwendungen

nicht mehr aufwendig nach Informationen suchen,

sondern erfahren eine Reduktion der Datenflut auf

die in ihrer aktuellen Situation relevanten Informationen.

Entsprechend positiv sind die Zukunftsprognosen

[23]. In zehn Jahren wird eine allumfassende Kontextbezogenheit

von Systemen der Standardfall sein.

1.6 CPS als Verbindung von IoT, IoS, Kontextsensitivität

und Cloud Computing

Unter technischen Gesichtspunkten gibt es viele Definitionen

für ein CPS. Eine grundlegende stammt von

Lee: „Cyber-physical systems are integrations of computation

with physical processes. Embedded computers

and networks monitor and control the physical

processes, usually with feedback loops where physical

processes affect computations and vice versa“ [24]. Diese

Definition wird durch konventionelle Systeme der

Automatisierungs- oder Regelungstechnik erfüllt. Aus

Sicht der Automatisierungstechnik ist sie nur unzureichend

geeignet, CPS für diese Domäne zu definieren.

Ein Sachverhalt, welcher durch Lee bereits erkannt

wurde – und für Zielsysteme in der Automatisierungsdomäne

zutreffend ist – besteht in einem mangelnden

Abstraktionsgrad bei der Programmierung eingebetteter

Systeme.

Eine weitere Definition, welche die Wahrnehmung

von CPS unter technischen Gesichtspunkten geprägt

hat, stammt von Broy: „The term cyber-physical systems

is used to describe software-intensive embedded systems

that are connected to services available around

the world through global networks such as the internet,

and their diverse potential for development and utilisation“

[5]. Aus dieser Definition geht hervor, dass eingebettete

Systeme ihre softwarebasierten Funktionalitäten

in Form aufrufbarer Dienste anbieten, über globale

Netzwerke miteinander in Verbindung stehen und

darüber hinaus verschiedene Potenziale für eine nutzbringende

Anwendung bieten. Damit geht diese Definition

über technische Eigenschaften von heutigen Automatisierungssystemen

hinaus und adressiert wichtige

Aspekte des IoT und des IoS. CPS sind danach Elemente

im IoT und IoS, welche deren technologische Paradigmen

und Strukturen wie Kontextsensitivität und

Cloud Computing nutzen.

Aus Sicht der Automatisierungstechnik ergibt sich

folgende anwendungstechnische Definition für CPS:

„Cyber-physische Systeme sind ein Synonym für Anwendungen

und Systeme im Bereich der Fabrikautomatisierung,

welche sowohl die Optimierung bestehender und

die Schaffung neuer Prozesse als auch die Bereitstellung

von softwarebasierten Mehrwertdiensten erlauben.

Grundlage hierfür ist die umfassende Verfügbarkeit von

Informationen und Wissen über Produkte, Produktionsmittel

und technische sowie organisatorische Prozesse,

die durch bestehende Technologien aus den Bereichen

Sonstige

Ausführungslogik

Präsentation (GUI)

Ausführungslogik

Prozesslogik

Servicelogik

Informationssysteme und

Datenbanken

BILD 1: SoA-Schichtenmodell

nach [26] adaptiert für

technische Anwendungen

36

atp edition

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IoT, IoS in Verbindung mit Kontextsensitivität und Cloud

Computing zur Verfügung gestellt werden.“ (Bild 2) Ein

CPS setzt sich aus vielen Teilen zusammen, die in sich

weiter strukturiert sein können. Ein einfaches CPS liegt

bereits vor, wenn die grundsätzlichen Elemente von IoT

und IoS genutzt werden. In einer Vollausprägung wären

alle aufgeführten Charakteristika vorhanden. Die notwendige

Umsetzung ist dabei immer in Zusammenhang

mit den Anforderungen des zu automatisierenden Prozesses

zu sehen.

CPS führen damit nicht aus technologischer Sicht zu

einer Veränderung der Automatisierungstechnik, sondern

die zukünftige Automatisierungstechnik wird

zum Wegbereiter für die mit CPS in Zusammenhang

gebrachte 4. industrielle Revolution. Aus der Umsetzung

von CPS werden neue Fertigungs- und Produktionsprozesse

in Verbindung mit neuen Automatisierungsarchitekturen

entstehen. In einem weiteren

Schritt wird es für Hersteller und Nutzer von Automatisierungstechnik

die Aufgabe sein, die neuen Anlagenkonzepte,

Anlagenkomponenten und Produkte in innovative

und gewinnbringende Geschäftsmodelle zu

transferieren.

2. CPS IN DER AUTOMATISIERUNGSTECHNIK

Die Auswirkungen auf die Automatisierungstechnik

durch die Entwicklung der IKT und der Informatik

wurden bereits intensiv diskutiert [1, 5, 38, 40]. In den

nächsten Abschnitten werden die Auswirkungen von

IoT, IoS, Kontextsensitivität und Cloud Computing

mittels CPS-Ergebnissen auf die Automatisierungstechnik

behandelt. Dies führt zum ähnlichen Ergebnis,

wie in [14], wo eine Änderung von Aufbau- und

Ablaufstrukturen als Notwendigkeit zur Umstellung

auf die 4. industrielle Revolution beschrieben wird

– resultierend in neuen Geschäfts-, Fertigungs- und

Produktionsprozessen.

2.1 Architekturmodell

Unter Berücksichtigung der Veränderungen der Informationstechnik

und der Informatik wird in [39] die

Diaboloform als neues Architekturmodell der Automatisierung

vorgeschlagen. Dieses Modell bezieht den

Engineering-Lebenszyklus mit ein.

Die Anforderungen von Kunden und Endkunden der

Automatisierungstechnik werden in [40] zusammengestellt

und diskutiert. In beiden Domänen werden weitgehend

übereinstimmend genannt: Plug-and-play, Modularität,

Versionsmanagement, Datenkonsistenz, Datendurchgängigkeit,

Wiederverwendung sowie Variantenbildung.

Als Bedingungen zur systematischen

Verbesserung des Engineering-Prozesses werden in [13]

Durchgängigkeit der Informationen/Daten sowie Wiederverwendbarkeit

angeführt.

Diese Anforderungen sind mit CPS-Lösungen wie folgt

zu erfüllen:

Durch das Anbieten und Nutzen von Cloud Services

werden zum einen alle Daten zentral verfügbar,

konsistent gehalten und über eine einheitlich

definierte Schnittstelle zugänglich [22]. Zum anderen

können Erweiterungen durch neue Services

leicht angeboten und integriert werden; ein Versionsmanagement

ist direkt umsetzbar. In Verbindung

mit Kontextsensitivität werden dabei zur

Situation passende Services angeboten und genutzt.

XML sowie OPC-UA bieten sich prinzipiell

als Datenformat beziehungsweise Protokoll an.

Praktische Erfahrungen aus anderen Domänen

zeigen aber auch, dass verschiedene XML-Umsetzungen

entstanden sind und den Datenaustausch

erschweren.

Spezielle Automatisierungs-Services können direkt

als SaaS in der Cloud angeboten werden. Eine Alternative

wäre eine als PaaS angebotene Automatisierungsplattform,

die individuell und kontextabhän-

IoS

BILD 3: Verändertes Architekturmodell

durch die Nutzung von Cloud Services

Cloud Computing

CPS

IoT

Kontextsensitivität

BILD 2: CPS als Verbindung

von IoT, IoS, Kontext sensitiviät

und Cloud Computing

atp edition

4 / 2013

37

HAUPTBEITRAG

gig auf die speziellen Anforderungen hin konfiguriert

und parametrisiert wird.

Plug-and-play sowie Modularitätsanforderungen lassen

sich auf Anlagenseite durch intelligente, miteinander

kommunizierende Komponenten und semantisch

definierte Schnittstellen leichter umsetzen.

Als Konsequenz ergibt sich eine Veränderung und Erweiterung

des Architekturmodells durch automatisierungsspezifische

Cloud Services (AT-Cloud) und für den Fertigungs-/Produktionsprozess

über den gesamten Anlagenlebenszyklus

hinweg (Bild 3). Diese Services werden ergänzend

zu den bereits heute angebotenen IT-Cloud-Services

(auf der Unternehmens- und Betriebsleitebene) realisiert.

Als weiterer Vorteil entstehen Services für Lieferanten,

Kunden oder externe Partner wie Behörden oder TÜV. Ein

umfassender Fernservice durch die Hersteller der Anlagenteile,

Teilanlagen beziehungsweise der gesamten Anlage

ist in dieses Informationsmodell direkt integrierbar.

Eine solche Veränderung erfasst auch die Feldebene,

in der nur die Echtzeit-Komponenten verbleiben, die zur

Steuerung und Regelung der Prozesse wichtig sind. Das

heißt, der logische Steuerungsaufbau bleibt erhalten, die

eigentliche Logik löst sich jedoch von der Hardware:

Kommunikations- und Echtzeitkomponenten sind im

intelligenten Feldgerät lokalisiert, Nicht-Echtzeitkomponenten

und Prozessleitsysteme wandern in die Cloud.

So entstehen Automatisierungsplattformen, die Prozessleitfunktionalität

als abrechenbare, transaktionsorientierte

Services anbieten.

Die Feldebene wird durch eine abgestimmte Middleware,

in Verbindung mit einer speziellen Sicherheitsarchitektur

an diese Cloud-Lösung angebunden. Trotz

der Verwendung von Cloud-Lösungen muss die Sicherheitsarchitektur

gewährleisten, dass beim Ausfall der

Kommunikation Arbeits- und Prozesssicherheit gewährleistet

bleiben.

Die interne Struktur des Informationsmodells wurde

im Beitrag bisher nicht im Detail behandelt. Es bietet

sich an, diese Struktur entsprechend der Ausführungen

im Abschnitt 1.3 weiterzuentwickeln [28], aber im Hinblick

auf bekannte Nachteile zu überarbeiten, die zu

Lasten von Prozesssicherheit, Performanz und Ressourcennutzung

gehen.

2.2 Anlagenlebenszyklus

BILD 4: SmartFactory-KL-Systemprototyp zur

Erforschung von CPS in der Produktion

Durch ein CPS wird der Anlagenlebenszyklus umfassend

tangiert [7], [41]. Wichtige Anforderungen sind

Durchgängigkeit des Informationsflusses, Interoperabilität

der Engineeringwerkzeuge [9], Wiederverwendbarkeit,

günstige Lebenszykluskosten und der Zugriff auf

situationsbezogene Kompetenz. Cloud-Lösungen verbessern

und gewährleisten die Durchgängigkeit des Informationsflusses

und der Interoperabilität über alle Phasen

des Anlagenlebenszyklus durch die zentrale Haltung

und die Nutzung wiederverwendbarer Services. Hinzu

kommen Kosteneinsparungen, da für Cloud-Services nur

Gebühren anfallen, wenn die Services in Anspruch genommen

werden.

Ein weiterer Vorteil entsteht, weil sich für jede Phase

spezifische Engineeringkompetenz anfordern und nutzen

lässt. Dies gilt von der Planung der Anlage über die

Inbetriebnahme bis zur Wartung und zur schnellen Reaktion

auf Störfälle. Bei der Inbetriebnahme, bei der

Wartung oder bei Störfällen können virtuelle Anlagenmodelle

zur Simulation oder zur Bereitstellung von

Schnittstellen und Testsignalen genutzt werden. Auch

der Rückbau und die Entsorgung der Anlagen wird

durch eine Cloud-basierende Datenbank mit Informationen

über Materialeigenschaften oder mechanische

Schnittstellen erleichtert.

Einzelne Anlagenteile können ihren Zustand selbst

überwachen und zum Beispiel auf Wartungsbedarf oder

Fehler hinweisen. Mit semantischen Schnittstellen ausgestattete

intelligente Anlagenteile und Teilanlagen beziehungsweise

deren direkte semantische Charakterisierung

erlauben eine einfache Rekonfiguration oder Erweiterung

einer bestehenden Anlage. Kontextbezogene Reaktionen

auf den aktuellen oder erwarteten

Anlagenzustand, auf Vorkenntnisse und Erfahrungen

des Bedieners oder auf externe Einflüsse wie Umgebungstemperatur

oder Wettervorhersagen erlauben einen

effizienten und ressourcenschonenden Betrieb.

3. ANWENDUNGSBEISPIEL

Die nutzbringende Umsetzung von CPS im Bereich der

Fertigungstechnik erfolgt bereits mit realitätsnahen Systemprototypen.

Ein Beispiel ist die SmartFactory-KL

[44], welche die Prinzipien des IoT und IoS erforscht und

in Form von CPS in die industrielle Anwendung überführt.

Die Umsetzung erfolgt im Rahmen einer CPSbasierten

Produktionslinie für einen Schlüsselfinder.

Sie besteht aus vier Einzelmodulen, einer Werkzeugmaschine,

einer Kommissionierstation mit einem Industrieroboter,

einer Montagestation und einer manuellen

Endmontage (Bild 4).

38

atp edition

4 / 2013

BILD 5: Implementierung der Automatisierungsservices

durch eingebettete Systeme an den jeweiligen mechatronischen

Prozessmodulen

BILD 6: Aktive Prozessbeeinflussung

durch intelligenten Werkstückträger

Die Automatisierung der Produktionslinie geschieht

mit Services, die von den mechatronischen Prozessmodulen

zur Verfügung gestellt werden. Jedes dieser

Module ist mit einem eingebetteten System (als Komponente

des IoT) ausgerüstet (Bild 5), auf dem der zeitund

sicherheitskritische Prozessablauf des mechatronischen

Moduls implementiert ist. Zusätzlich dazu

verfügen diese Systeme über einen Webserver, der

Webservice-Schnittstellen des Prozesses realisiert. Die

Webserver melden die verfügbaren Services nach ihrer

Initialisierung an ein Service Repository. Dieses enthält

alle in der Anlage aufrufbaren Services, deren

syntaktische Interface-Definition sowie die jeweiligen

IP-Adressen, die zum Aufruf der Services benötigt

werden.

Der Prozessablauf der Produktionslinie ist das Ergebnis

der Service-Orchestrierung. Im beschriebenen Fall

findet die Orchestrierung auf einem Industrie-PC mit

dem Tool Grafchart [38] statt, der in das Netzwerk der

Produktionslinie eingebunden ist. Darin sind die syntaktischen

Bezeichnungen der nacheinander oder parallel

auszuführenden Services aufgeführt. Kurz vor dem

Aufruf werden die IP-Adressen aus dem Service-Repository

ermittelt und der konkrete Service auf einem konkreten

Gerät wird aufgerufen.

Beispiele für CPS sind der intelligente Werkstückträger

und das intelligente Produkt. Das Produkt selbst

verfügt über ein semantisches Produktgedächtnis, welches

als RFID Tag realisiert ist und alle Auftrags- und

Prozessinformationen enthält. Diese werden zu Beginn

des individuellen Produktionsprozesses auf den Tag

geschrieben und dienen zur Konfiguration und Parametrierung

der Bearbeitungs-, Transport und Montageprozesse.

So wird zum Beispiel zur spanenden Bearbeitung

des intelligenten Produkts ein produktindividuelles

Fräsprogramm erzeugt, indem in der Werkzeugmaschine

hinterlegte Subprogramme dynamisch zu

einem übergeordneten Ablaufprogramm zusammengestellt

werden.

Der CPS-Werkstückträger (Bild 6) ist als aktive Komponente

ausgeführt und steuert den Materialfluss und

nimmt durch eingebettete Sensorik, lokale Verarbeitungsintelligenz

und drahtlose Kommunikation mit der

Anlagensteuerung aktiv Einfluss auf den Fertigungsprozess.

Obwohl der Werkstückträger über keine Aktorik

verfügt, wird er durch die Nutzung der Transport- und

Montageservices der Montagestation zu einem aktiven

Element der Produktionslinie.

Durch die Parametrierung und Einbindung der entsprechenden

Anlagenservices – abhängig von den im

Produktgedächtnis enthaltenen Auftragsdaten – wird

eine kontextsensitive Automatisierung verwirklicht. Die

automatisierte Produktmontage kann je nach Kundenwunsch

ressourcenschonend oder zeitlich optimiert

erfolgen. Die dafür notwendigen Prozessvarianten werden

variabel, entsprechend den Auftragsdaten des intelligenten

Produkts, ausgewählt.

Auf technischer Ebene zeigt der Systemprototyp der

SmartFactory-KL und des DFKI, wie traditionell hierarchische

Systeme der Automatisierungspyramide durch

verstärkt dezentral intelligente Produktionssysteme substituiert

werden. Anlagenkomponenten lassen sich als

Dienste in der realisierten Service-orientierten Architektur

beschreiben und bieten damit die Grundlage für rekonfigurierbare

Fabriksysteme, deren Nutzen darin besteht,

eine effiziente Fertigung kleinster Losgrößen bei

gleichzeitig raschen Produktwechseln und einer hohen

Variantenvielfalt zu ermöglichen. Das Produkt mit semantischem

Produktgedächtnis funktioniert dabei als

automatisierungstechnische Komponente und Kontextlieferant

für die Abarbeitung eines Produktionsprozesses.

Perspektivisch zeigt der Systemprototyp, wie die Verfolgung

des evolutionären Trends hin zur technischen

und wirtschaftlichen Verschmelzung der virtuellen und

atp edition

4 / 2013

39

HAUPTBEITRAG

der physischen Welt zu cyber-physischen Systemen die

Voraussetzungen schafft, um Unternehmen und Wertschöpfungsnetzwerke

fast in Echtzeit überwachen und

steuern zu können.

ZUSAMMENFASSUNG

Aus der Betrachtung von CPS, IoT, IoS, Kontextsensitivität

und Cloud Computing ergibt sich, dass die Basis-

technologien für eine neue Form der Automatisierungstechnik

weitgehend vorhanden sind. Der Nutzen dieser

neuartigen Automatisierungstechnik wird sich aus deren

Einbettung in Unternehmensprozesse ergeben. Die

Identifikation und Spezifikation solch nutzbringender

Anwendungen, zum Beispiel zur Optimierung von technologischen

und organisatorischen Prozessen oder der

Bereitstellung von softwarebasierten Mehrwertdiensten,

ist ein kreativer Akt, der Technologiekompetenz und ein

hohes Maß an domänenspezifischem Anwendungswis-

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40

atp edition

4 / 2013

sen erfordert. Eine rein technologiegetriebene Sichtweise

auf die Zukunft der Automatisierungstechnik reicht

nicht aus. Nicht die neuen Informations- und Kommunikationstechnologien

als solche, sondern deren nutzbringende

Anwendung in Prozessen und in Form von

Dienstleistungen eröffnen die Chance zur 4. industriellen

Revolution.

MANUSKRIPTEINGANG

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AUTOREN

Dr. JOCHEN SCHLICK (geb. 1974)

promovierte 2005 an der TU Kaiserslautern

im Bereich von kognitiven

Mikromontagesystemen. Nach einer

mehrjährigen Tätigkeit in der

strategischen Produktionsoptimierung

bei Bosch kehrte er 2009 als

stellvertretender Forschungsbereichsleiter

des Forschungsbereichs

Innovative Fabriksysteme (IFS) am Deutschen Forschungszentrum

für Künstliche Intelligenz (DFKI) GmbH

sowie als Forschungskoordinator der Technologie-Initiative

SmartFactory-KL e.V in die Forschung zurück. Der

Schwerpunkt seiner Interessen ist die Integration der

Paradigmen und Technologien des Internets der Dinge in

die Produktionstechnik.

Deutsches Forschungszentrum

für Künstliche Intelligenz (DFKI) GmbH,

Trippstadter Straße 122, D-67663 Kaiserslautern,

Tel. +49 (0) 631 205 75 34 05,

E-Mail: jochen.schlick@dfki.de

Dr. PETER STEPHAN (geb. 1980)

studierte Maschinenbau an der TU

Kaiserslautern und hat 2012 seine

Promotion im Themenfeld der

„Kontextadaptiven Automatisierung“

abgeschlossen. Bis Ende 2012 arbeitete

er als Senior Researcher am Forschungsbereich

Innovative Fabriksysteme

(IFS) am Deutschen Forschungszentrum

für Künstliche Intelligenz (DFKI) GmbH. Seit

2013 ist er im Stab des Bereichsvorstands Mechatronik bei

der Wittenstein AG tätig und dort für die Umsetzung von

Industrie 4.0-Paradigmen am Standort Fellbach.

Wittenstein AG,

Walter-Wittenstein-Str. 1,

D-97999 Igersheim

Prof. Dr. THOMAS GREINER

(geb. 1961) ist wissenschaftlicher

Direktor des Instituts für Eingebettete

Systeme (IfES) an der Hochschule

Pforzheim und einer der Sprecher des

in Zusammenarbeit mit der Universität

Tübingen angebotenen Promotionskollegs

„Entwurf und Architektur

Eingebetteter Systeme“. Seine

Hauptarbeitsgebiete: System- und Softwaremodellierung,

Cloud-basierende technische Systeme, Entwurf und

Architektur eingebetteter Systeme.

Hochschule Pforzheim,

Tiefenbronner Str. 65,

D-75175 Pforzheim

atp edition

4 / 2013

41

HAUPTBEITRAG

AutoPnP – Plug-and-produce

in der Automation

Wandelbare Fabrik als cyber-physisches System

Produktionssysteme sind steigenden Schwankungen fundamentaler Eingangsgrößen ausgesetzt.

Dynamische Anforderungen hinsichtlich Stückzahlen, Varianten, Durchlaufzeiten

und Kosten erfordern ein hohes Maß an Wandlungsfähigkeit. Um diesen Trend zu

unterstützen, präsentieren die Autoren im Beitrag einen Ansatz zu Plug-and-produce in

der industriellen Produktion. Er ermöglicht es, den Konfigurationsaufwand während der

Erst- und Änderungsinbetriebnahme zu verringern. Der Ansatz nutzt Modelle zur Selbstbeschreibung

der Systemkomponenten. Neben der Modellierung der Komponenten zur

Entwicklungszeit wird Models@Run-time zur Darstellung der Fabrikkonfiguration eingesetzt.

Dies erlaubt die Bearbeitungsstationen in der Produktion automatisch zu erkennen

und in die Produktionsumgebung zu integrieren.

SCHLAGWÖRTER Wandlungsfähigkeit / Plug-and-produce / Selbstbeschreibung /

Models@Run-time

AutoPnP – Plug-and-produce in the automation industry

Transformable factory as a cyber-physical system

Production systems are subject to increasing fluctuations of fundamental input parameters.

Dynamic requirements regarding lot size, product variants, lead times, and costs call for

a high degree of flexibility. To keep-up with these trends, we present an approach to support

plug-and-produce. This helps to reduce the configuration effort required for settingup

and changing a system. Models are used for the self-description of components. These

models are not only used during development time but also during run-time, where we

construct a model of the current production setup. The stations in the factory are automatically

detected and integrated into the production process.

KEYWORDS transformability / plug-and-produce / self-description / models@run-time

42

atp edition

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GERD KAINZ, Fortiss

NADINE KEDDIS, Fortiss

DIRK PENSKY, Festo Didactic

CHRISTIAN BUCKL, Fortiss

ALOIS ZOITL, Fortiss

REINHARD PITTSCHELLIS, Festo Didactic

BERND KÄRCHER, Festo

Die Nachfrage nach anpassbaren Produktionssystemen

ist wegen der Turbulenzen im Markt

stark gestiegen. Diese Turbulenzen entstehen

durch neue Technologien, Umweltanforderungen

(zum Beispiel knappe Ressourcen) sowie

durch politische, gesellschaftliche und ökonomische

Veränderungen [1]. Zusätzlich verschiebt sich in der Produktion

der Trend weg von der Massenproduktion hin

zu personalisierten Produkten.

Daneben werden die Lebenszyklen der Produkte immer

kürzer, die Anzahl der Varianten pro Produkt steigt

und die Stückzahlen je Produktvariante gehen stark zurück.

Deswegen müssen Produktionssysteme zunehmend

adaptiv sein, sich schnell an neue Anforderungen

und Produkte anpassen lassen und die Herstellung verschiedener

Varianten eines Produktes gleichzeitig unterstützen.

Um diese Anforderungen zu erfüllen, müssen

die Rüstzeiten in der Produktion minimiert und die

Wandlungsfähigkeit der Fabriken erhöht werden [7]. Diese

Trends verdeutlicht Bild 1 und sie sind Schwerpunkt

von Forschungsprojekten wie zum Beispiel ManuCloud

(www.manucloud-project.eu/). Die Projekte befassen

sich vor allem mit der Flexibilisierung von Produktionsabläufen

mit vorgegebenen Produktionsressourcen, welche

über flexible Transportsysteme verbunden sind. Der

im Beitrag beschriebene Ansatz behandelt die mechanische

Veränderung der Produktionsanlage und die sich

daraus ergebenden Implikationen und Anforderungen.

1. DIE WANDELBARE FABRIK

Eine Fabrik enthält viele Sensoren und Aktoren und

ist Teil eines digitalen Netzes, das Maschinen eines

Standortes untereinander vernetzt und standortübergreifend

Vorgänge verbindet. Änderungen in der Fabrik

sind mit einem hohen manuellen Aufwand bei der Planung

und Inbetriebnahme [3] sowie der manuellen

Neukonfiguration der IT-Systeme verbunden. Neben

den Bemühungen, die Modularisierung der Fabrik auf

mechanischer, elektrischer und pneumatischer Ebene

voranzutreiben müssen insbesondere die IT-Systeme

modularisiert und flexibilisiert werden [4], um neue

Komponenten einfach in das bestehende System integrieren

zu können und die Vision von adaptiven Produktionsumgebungen

zu erreichen.

Ferner müssen künftige Produktionssysteme weitere

Dienste wie Selbstbeschreibung, Selbstkonfiguration,

Datenbeschaffung, Echtzeitüberwachung und Produktionsplanung

anbieten, um sich selbstständig an neue

Fertigungsaufgaben anpassen zu können und so den

Konfigurationsaufwand zu minimieren [5]. Des Weiteren

sollen manufacturing execution systems (MES) mit dem

höchstmöglichen Automatisierungsgrad aktualisiert und

konsistent gehalten werden [4], sodass sie jederzeit den

tatsächlichen Fabrikzustand widerspiegeln.

Im Zuge der Vernetzung unterschiedlicher Systeme

bringt das Konzept der cyber-physischen Systeme (CPS)

viele Potenziale und damit einen Mehrwert mit sich [5].

Die Vorteile liegen unter anderem in den Bereichen Interoperabilität,

Engineering und Modularität. CPS beschreiben

den Trend, dass einzelne Module immer intelligenter

werden und sich mit anderen Modulen zu größeren Systemen

koppeln können. Übertragen auf die Automatisierungstechnik

(AT) bedeutet dies, dass Subsysteme fähig

sind, sich teil-autonom zu Produktionsanlagen zu verbinden.

Aktuelle Fortschritte in der Informations- und Kommunikationstechnologie

(IKT) ermöglichen diesen Trend.

In der AT spielen IKT und das CPS-Konzept als Basis für

und Erhöhung der Wandlungsfähigkeit und Flexibilisierung

eine immer größere Rolle [2].

Das Ziel des Verbundprojekts AutoPnP (www.autopnp.

com/), welches im Rahmen des Autonomik-Programms

durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie

(BMWi) gefördert wird, ist es, die notwendige

Modularität auf mechatronischer und auf IT-Ebene zu

erreichen und so die Adaptivität von Produktionsanlagen

wesentlich zu steigern. Dazu wurde ein modell-basierter

Plug-and-produce-Ansatz entwickelt, um den

manuellen Aufwand für die Inbetriebnahme und Rekonfiguration

von Fabriken in Verbindung mit dem IT-System

zu reduzieren. Die Prozesse werden dabei automa-

atp edition

4 / 2013

43

HAUPTBEITRAG

tisiert, sodass die Fabrik kostengünstig und schnell anpassbar

und somit wandlungsfähig wird. Künftig ist es

damit möglich, eine Produktionslinie umzukonfigurieren,

siehe Bild 2, wobei der Aufwand für die Änderungsinbetriebnahme

der Gesamtsysteme minimal ist.

Eine wesentliche Anforderung für die schnelle Anpassung

von IT-Systemen sind Informationen über die

aktuelle Systemkonfiguration (im behandelten Fall das

Layout der Produktionsanlage) und eine maschinenlesbare

Beschreibung von Funktion und Aufgaben.

Insbesondere müssen die Systeme fähig sein, sich

selbst zu beschreiben. Diese Daten werden in Modellen

abgelegt, die zwischen Steuerungen und über Systemgrenzen

hinweg ausgetauscht werden können. Dabei

kommen Modelle während der Entwicklung und zur

Laufzeit zum Einsatz. Dieses Konzept ist als Mo dels@

Run-time bekannt [8]. Die Modelle enthalten alle notwendigen

Informationen über das System und stehen

den Teilsystemen zur Weiterverarbeitung zur Verfügung.

Bei der wandelbaren Fabrik bedeutet das: Das

Produktionssystem verändert die Modelle, um so den

aktuellen Zustand der Fabrik auf Modellebene zu reflektieren.

Dadurch kann der Anwender mit IT-Werkzeugen

Änderungen im Produktionsablauf auf Modellebene

automatisiert berechnen und anschließend auf

Systemebene anstoßen. Zu diesen Zweck beschreiben

die Autoren die einzelnen Stationen und deren Fähigkeiten

mithilfe von Modellen. Eine Stations- und Nachbarschaftserkennung

ermöglicht es, das Gesamtmodell

der Fabrik dynamisch zur Laufzeit aufzubauen. Dieses

Laufzeitmodell wird durch ein MES für die Produktionsplanung

und -steuerung herangezogen, um automatisch

Abläufe für die Bearbeitung von Produktionsaufträgen

zu generieren.

2. MODELLIERUNG

Wie zuvor beschrieben, geht es darum, den Aufwand bei

der Erstellung und Änderung einer Produktionsumgebung

zu reduzieren. Um dieses Ziel zu erreichen, wird

eine umfassende Systemmodellierung verwendet. Diese

beinhaltet die Modellierung der Stationstypen (Maschinen

und manuelle Arbeitsplätze), der aktuellen Konfiguration

aller Komponenten und der Produktionspläne für

die unterschiedlichen Produkte und deren Varianten.

Das MES verwendet später die einzelnen Modelle dazu,

eine Feinplanung der Produktion vorzunehmen. Die Produktion

und damit die zugehörigen Modelle können sich

während des Betriebs ändern. Diese Änderungen werden

unmittelbar erkannt und an das MES weitergereicht,

wodurch schneller, beispielsweise auf Maschinenstörungen,

Änderungen laufender Aufträge oder Qualitätsprobleme,

reagiert werden kann.

2.1 Modellierung der Stationstypen

Die Stationstypmodellierung dient dazu, die Fähigkeiten

von Stationen und deren internen Aufbau zu beschreiben.

Fähigkeiten sagen aus, welche Bearbeitungsschritte

die jeweilige Station unterstützt. Um die Stationsmodellierung

zu vereinfachen, ist diese auf mehrere Schritte

aufgeteilt: Modellierung der Fähigkeiten, der Module

und der Stationstypen. Die Schritte bauen aufeinander

auf und ergeben ein System nach dem Baukastenprinzip,

bei dem nachfolgende Schritte die Ergebnisse der vorangegangenen

Schritte wiederverwenden. Bild 3 zeigt das

Prinzip der Stationstypmodellierung.

Fähigkeitenmodellierung

Im ersten Schritt werden die unterschiedlichen Fähigkeiten

modelliert. Diese stellen die Bearbeitungsverfahren

dar, wie zum Beispiel Bohren oder Transportieren,

und lassen sich um zusätzliche Attribute erweitern, die

zur genaueren Beschreibung dienen können. Beispiele

sind Materialart, Durchmesser und Werkstückgröße

beim Bohren.

Modulmodellierung

Basierend auf den im ersten Schritt modellierten Fähigkeiten

lassen sich anschließend einzelne Module erstellen.

Ein Modul ist eine Menge von Komponenten, die

zusammen eine oder mehrere Aufgaben ausführen. Das

Modul Bohren könnte zum Beispiel aus einem Bohrer

und einer Linearachse zum Absenken des Bohrkopfes

bestehen. Hier lassen sich nun die Werte für die Attribute

der Fähigkeiten angeben. So kann das Bohrmodul

A ausschließlich Löcher mit einem Durchmesser zwischen

2 und 10 mm in metallische Werkstücke bohren.

Neben der Zuordnung der Fähigkeiten zu den Modulen

wird der interne Materialfluss eines Moduls beschrieben.

Dies ist bei Modulen interessant, die zusätzlich zum Bearbeitungsprozess

oder ausschließlich einen Transport

durchführen, wie ein Förderband.

Stationstypenmodellierung

Nachdem die Module erstellt sind, können diese zu Bearbeitungsstationen

zusammengefügt werden. Dazu

muss der Materialfluss zwischen den einzelnen Modulen

angegeben werden. Dies erfolgt durch das Abbilden des

Ausgangs eines Moduls auf den Eingang eines anderen

Moduls. Mit der Modellierung der Stationstypen endet

die Stationsbeschreibung, welche für jeden Stationstyp

einmal bei der Entwicklung durchgeführt werden muss

und dann gemeinsam mit den jeweiligen Stationen ausgeliefert

wird.

2.2 Modellierung der Fertigung

Die Basis für die Planung durch das MES bildet ein

Modell des aktuellen Zustandes der Produktion. Dieses

Modell muss neben den verfügbaren Stationen und deren

Zuständen auch Informationen über deren Lage

und deren Verknüpfungen untereinander enthalten.

Dabei wird zwischen Stationen innerhalb einer Produktionslinie

und Stationen in Fertigungsinseln unterschieden.

Im ersten Fall gibt es eine direkte Materialübergabe

zwischen den Stationen. Im zweiten Fall

haben die Stationen eine gesonderte Materialzu- und

-abführung, die entweder durch ein flexibles Förder-

44

atp edition

4 / 2013

andsystem, Menschen oder durch mobile Roboter sowie

autonome Transportfahrzeuge erfolgen kann. Das

MES nutzt dann die Informationen dazu, geeignete

Stationen für die Bearbeitung eines Produktionsauftrages

auszuwählen und den Materialfluss zwischen den

Stationen sicherzustellen.

Im Gegensatz zur Stationstypenmodellierung erfolgt

der Aufbau des Produktionsmodells nicht durch den

Benutzer, sondern wird autonom durch das System aufgebaut

und an Änderungen angepasst. Diese Technik ist

als Models@Run-time (8) bekannt und dient dazu, Systemen

ein besseres Selbstverständnis zu geben und dadurch

deren Autonomie zu erhöhen. Da das Modell der

Produktion automatisch aktualisiert wird, enthält es

immer den aktuellen Zustand. Diese Aktualität nutzt das

MES dazu, rasch auf Veränderungen, wie Integration

oder Ausfall einer Station, in der Produktion zu reagieren

und gegebenenfalls eine Umplanung vorzunehmen.

Der genaue Ablauf der Stationserkennung, der Bestimmung

der Lage und der Verknüpfungen zwischen den

Stationen wird in Abschnitt 3 beschrieben.

2.3 Modellierung der Produktionspläne

Neben der Topologie der Produktion benötigt das MES

noch Informationen zur Herstellung der einzelnen Produkte.

Diese Anweisungen werden in Arbeitsplänen

hinterlegt und enthalten die Information, in welcher

Reihenfolge die Bearbeitungsschritte ausgeführt werden

müssen, um ein Produkt herzustellen. Außerdem

beinhaltet der Arbeitsplan, welche Betriebsmittel,

Hilfsstoffe und Halberzeugnisse für einen Produktionsschritt

notwendig sind. Zusätzlich zur Angabe des Bearbeitungsschrittes

(in unserem Fall der benötigten

Fähigkeit) können noch detaillierte Anforderungen an

den Bearbeitungsschritt gestellt werden. Ein Beispiel

ist die Werkstückgröße, die implizit zum Ausschluss

einer Station führt, wenn die Stückgröße die maximale

Bearbeitungsgröße übersteigt.

2.4 Modellierungsaufwand und Komplexität

Um den Ansatz zu realisieren, musste jeder vorhandene

Stationstyp einmal modelliert werden, um später als

Selbstbeschreibung der Station dienen zu können. Für

die verwendete Beispielanlage mit sechs verschiedenen

Stationstypen betrug der Modellierungsaufwand insgesamt

eine Woche. Dabei ließen sich alle genannten Konzepte

umsetzen, sodass eine vollständige Beschreibung

als Ergebnis zur Verfügung steht. Das resultierende Fabrikmodell

besteht aus 50 Objekten und ist von der Komplexität

her noch überschaubar. Im Bereich der Montageautomation

ist dies eine sehr gute Ausgangssituation,

da die Grundfunktionen der meisten Stationen ähnlich

Heute

Zukunft

Batch-Größe

Varianz in der Produktion

Flexibilität der Produktion

Kundenspezifizierung

Nachhaltigkeit

Digital. & Vernetzung

Soziale Aspekte

Batch-Größe

Varianz in der Produktion

Plug&Produce

Produktion

Flexibilität der Produktion

BILD 1: Trend in

der Produktion

Komplexität der Produktion

Komplexität der Produktion

Anmerkung: Die sozialen Aspekte einer zukünftigen Produktion sind ein wichtiges, umfangreiches und

eigenständiges Thema. Aus Gründen der Reduktion des Umfangs werden sie in dieser Studie nicht weiter erwähnt.

Verteilen

Bearbeiten

Montieren

Versenden

Förderband

Schnelles

Anpassen

Verteilen

Bearbeiten

FTS

Förderband

Montieren 1

Montieren 2

BILD 2: Anpassung des Produktionssystems.

Die Stationen und die Produktionslinie werden

umkonfiguriert, um den Durchsatz zu erhöhen

oder um neue Produkte oder deren Varianten

zu produzieren.

Versenden

FTS: Flexibles Transportsystem

atp edition

4 / 2013

45

HAUPTBEITRAG

Bohrer

Bohren

Bohren

Bohrer

Bearbeiten

Förderband

Transport

Förderband

Bohren

Transport

Transport

Bereitstellen Bearbeiten Versenden

BILD 3: Modellierung der Stationstypen und einer

exemplarischen Produktionslinie. Die grauen Pfeile

separieren die einzelnen Schritte bei der Modellierung:

Fähigkeiten, Module, Stationstypen und

Produktion mit Stationen.

BILD 4: Aufbau des

Demonstrators

bestehend aus sechs

Stationen zur

Fertigung eines

Thermometers

sind und daher für weitere und/oder größere Anlagen

nur mit geringem zusätzlichen Modellierungsaufwand

zu rechnen ist [9].

3. STATIONS- UND NACHBARSCHAFTSERKENNUNG

Um die Produktion zu planen und schnell auf Veränderungen

reagieren zu können, benötigt ein MES aktuelle

Informationen über vorhandene Ressourcen sowie mögliche

Materialflüsse. Diese Informationen werden aus

dem Laufzeitmodell gewonnen, welches auf Basis der

Modellierung der Module und Stationstypen sowie deren

Fähigkeiten aufgebaut wird. Das Laufzeitmodell,

welches den aktuellen Zustand der Produktion widerspiegelt,

wird in zwei Schritten erzeugt. Im ersten Schritt

wird ermittelt, welche Stationen welches Typs in der

Fabrik vorhanden sind. Daraus folgt, welche Operationen

und Arbeitsvorgänge prinzipiell in der Anlage durchgeführt

werden können. Im zweiten Schritt wird ermittelt,

wie die Stationen miteinander verbunden sind, um mögliche

Materialflüsse zu berechnen.

3.1 Stationserkennung

Das System muss zu jedem Zeitpunkt über die Information

verfügen, welche Stationen für die Produktion zur

Verfügung stehen, um effizient die Abarbeitung von Aufträgen

zu planen und schnell auf Veränderungen reagieren

zu können. Diese Information wird in einem Fabrikmodell

abgelegt. Der Vorgang wird vollständig automatisiert

durchgeführt, um den manuellen Aufwand zu

reduzieren. Jede Station enthält dabei eine Selbstbeschreibung,

woraus sich der Stationstyp ermitteln lässt.

Die Selbstbeschreibung ist das Modell zur Beschreibung

der Stationstypen, das auf den Modellen zur Beschreibung

von Fähigkeiten und Modulen basiert. Je nachdem,

in welchem Umfang Speicherressourcen zur Verfügung

stehen und wie leistungsfähig das Steuerungssystem ist,

kann dabei das komplette Modell in der Steuerung abgelegt

werden oder nur eine Kennung, die auf das Modell

verweist. Die Modelle mit den kompletten Typenbeschreibungen

können im zweiten Fall in einer Datenbank

zum Abruf hinterlegt werden.

Um die in der Fabrik vorhandenen Stationen zu erkennen,

sendet jede Station periodisch ein Lebenszeichen

an den Leitrechner zusammen mit einer Stationskennung.

Der Leitrechner verarbeitet alle Lebenszeichen

und erkennt, wenn neue Stationen in der Produktion

hinzukommen. Wenn eine Station aufgrund einer

Störung keine Lebenszeichen mehr sendet oder abgebaut

wurde, wird dies ebenfalls durch die Stationserkennung

bemerkt und die Station für die weitere Produktionsplanung

ausgeschlossen. Dadurch werden die

Planung mit defekten Stationen und damit verbundene

46

atp edition

4 / 2013

Produktionsstillstände vermieden. Der Leitrechner

nutzt die Typinformation der Station, die in den Lebenszeichen

enthalten ist, auch für die Produktionsplanung.

Über die vorhandenen Typen stellt das Leitsystem fest,

ob alle Arbeitsvorgänge für die Herstellung des gewünschten

Produktes mit den vorhandenen Ressourcen

abgedeckt werden können und die Produktion gestartet

werden darf.

3.2 Nachbarschaftserkennung

Neben der Erkennung vorhandener Stationen in der Fabrik

geht es darum, mögliche Materialflüsse zu erkennen.

Dieser Schritt ist notwendig, um gültige Produktionsabläufe

zu generieren. Um den Materialfluss zu bestimmen,

müssen die Verbindungen zwischen Stationen

erkannt/dedektiert werden. Die Erkennung soll möglichst

automatisch ablaufen, um den manuellen Aufwand

zu reduzieren.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, um die Nachbarschaftsbeziehungen

zu ermitteln. Wenn die Stationen

als Produktionslinie angeordnet sind, braucht es dedizierte

Leitungen/Stecker, die zum Austausch von einfachen

I/O-Signalen genutzt werden. Im einfachsten Fall

sind die Stationen mit einem Draht verbunden, und die

Stationen müssten dann nur den Eingang setzen oder

den Ausgang lesen. Bei Fertigungsinseln, die von einem

mobilen Roboter bedient werden, lassen sich Marker einsetzen.

Der Roboter erkennt in diesem Fall die verschiedenen

Stationen über eindeutige Markierungen. Die erkannten

Verbindungen zwischen den Stationen bilden

Interaktionspunkte, die für den Materialaustausch genutzt

werden.

Um die Nachbarschaft zu erkennen, wird ein Algorithmus

vom Leitrechner angestoßen. Dabei sendet jede

beteiligte Station auf Anforderung des Leitrechners ein

definiertes Signal. Die Station, die dieses Signal empfängt,

leitet das an den Leitrechner weiter. Dadurch lässt

sich bestimmen, welche Stationen benachbart sind. Diese

Information wird in das Fabrikmodell eingetragen. Je

nachdem, wie leistungsfähig die Hardware ist und welche

Verbindungen zum Austausch der Nachbarschaftssignale

verwendet werden, kann der Erkennungsalgorithmus

nebenläufig ausgeführt werden. Wenn keine

nebenläufige Ausführung möglich ist, muss die Produktion

zu einem geeigneten Zeitpunkt angehalten werden

und die Stationen müssen in einen Zustand zur Nachbarschaftserkennung

wechseln. Dies ist notwendig, um

Schäden an Produkten und Infrastruktur zu vermeiden.

Sobald alle Stationen in den Zustand gewechselt sind,

wird der Algorithmus wie oben beschrieben durchgeführt.

Nach der Erkennung wechseln die Stationen wieder

in ihren bisherigen Zustand zurück.

Da das Leitsystem die Materialflussinformationen für

die Planung benötigt, sind darüber hinaus Informationen

über die Richtung des Materialflusses erforderlich. Allerdings

lässt sich die Richtung nicht durch den Erkennungsalgorithmus

feststellen. Neben der Erkennung der benachbarten

Stationen wird daher die Typinformation aus dem

Stationstypmodell dazu verwendet, die Richtung zu bestimmen.

In dem Modell werden dazu für jeden Stationstyp

Interaktionspunkte definiert, an denen Material zwischen

den Stationen ausgetauscht werden kann. Diese

entsprechen den realen Verbindungen, die erkannt werden.

Jeder Interaktionspunkt kann dabei ein Eingabe-,

Ausgabe- oder Ein-/Ausgabepunkt sein. Wenn zwei benachbarte

Stationen ermittelt wurden, werden die jeweiligen

Interaktionspunkte betrachtet und daraus die Richtung

abgeleitet. Dabei lassen sich Fehlkonfigurationen

feststellen, wenn zum Beispiel zwei Eingabepunkte miteinander

verbunden sind.

4. EVALUIERUNG DER KONZEPTE AN EINER

BEISPIELANLAGE

Ausgangspunkt der Betrachtung ist das Modular Production

System (MPS) von Festo. Dieses besteht aus modularen

Stationen, die in einer Produktionslinie mit einander

verbunden werden können. Dabei wartet jede

Station auf Material und beginnt automatisch mit einem

vorher festgelegten Bearbeitungsschritt.

Die Stationen sind bereits aus mechanischer Sicht

aufeinander abgestimmt und lassen sich mit geringem

Aufwand integrieren. Um unterschiedliche Produkte

und deren Varianten mit diesem Aufbau fertigen zu können,

fehlt eine Anbindung an einen übergeordneten

Leitrechner, der sich um die Steuerung der Anlage kümmert.

Der Leitrechner übernimmt dann Aufgaben wie

Rezeptwahl und Produktionsstart. Um die Anbindung

an ein MES zu realisieren, wurden die Steuerungsprogramme

der Stationen modularisiert und um Module

zur Anbindung an einen Leitrechner erweitert. Dabei

wurde – entgegen bisheriger Ansätze in der Industrie

– neben der Kommunikation von Steuerungsbefehlen

gleichzeitig ein automatischer Integrationsmechanismus

aufgebaut. Dieser Integrationsmechanismus ist ausschlaggebend

dafür, dass sich MPS-Stationen nach deren

Aufbau in der Produktion selbstständig beim Leitrechner

melden und automatisch in die Produktionsumgebung

integriert werden.

Für die Kommunikation der SPS-Steuerungen mit dem

Leitrechner wird ein Message Passing Interface (MPI)-

Bus verwendet, der periodisch vom Leitrechner auf Veränderung

der Teilnehmer abgefragt wird. Der MPI-Bus

wird ebenso dazu eingesetzt, Daten und Steuerbefehle

zwischen den Steuerungen und dem Leitrechner auszutauschen.

Neben den SPS-Steuerungen sind zusätzlich

Mikrocontroller im Einsatz, die über Ethernet mit dem

Leitrechner verbunden sind und sich periodisch bei diesem

melden. Für die Nachbarschaftserkennung wurden

Lichtschranken zwischen den Stationen verwendet.

Bild 4 zeigt den Aufbau des Demonstrators.

Um die Komplexität zur Vernetzung der Stationen in der

Produktion zu verringern, wird die Middleware Chromosome

von Fortiss verwendet. Diese organisiert die Kommunikation

zwischen den Komponenten des Systems auf der

Basis des Publish/Subscribe-Prinzips. Jede Komponente

spezifiziert, hierfür welche Daten sie für ihre Berechnungen

benötigt und welche Daten sie zur Verfügung stellen

kann. Die Middleware richtet anschließend entsprechende

atp edition

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47

HAUPTBEITRAG

Kommunikationskanäle ein, die für den tatsächlichen Datenaustausch

genutzt werden. Der manuelle Aufwand zur

Konfiguration der Kommunikationskanäle entfällt.

Die Middleware wird zur horizontalen und zur vertikalen

Integration genutzt. Das bedeutet, dass die Kommunikation

zwischen Produktion und MES sowie zwischen

den verschiedenen Steuerungen über die Middleware

durchgeführt wird. Die Middleware ermöglicht es

den Anwendungen, dadurch Daten auszutauschen, unabhängig

davon mit wem (SPS, Mikrocontroller oder PC)

sie in welcher Art und Weise (mit welcher Technologie)

kommunizieren müssen beziehungsweise in welchem

Teil der jeweilige Kommunikationspartner integriert ist.

Mit dieser Fähigkeit bietet die Middleware die Ausgangsbasis

zur einfachen Integration heterogener Steuerungen

in die Produktion und erübrigt durch die automatische

Herstellung der Kommunikation eine aufwendige Systemkonfiguration.

Zusätzlich lässt sich die Middleware dazu nutzen, die

lokale Produktionsumgebung mit anderen Standorten eines

Unternehmens sowie anderen Systemen, zum Beispiel

einem Smart Grid, zu vernetzen. Zudem bietet das Publish/Subscribe-Prinzip

der Middleware eine Lösung, um

eine lose Kopplung zwischen interagierenden Anwendungen

herzustellen. Dies wird insbesondere unter dem Gesichtspunkt

des Entstehens von cyber-physischen Systemen

immer wichtiger, da dadurch eine gute Austauschbarkeit

und Integration von Anwendungen möglich wird.

Die Evaluierung hat gezeigt, dass der Ansatz für vereinfachte

Beispielmodellanlagen die Ziele erreicht und

das Umkonfigurieren der Anlage deutlich vereinfacht.

Allerdings handelt es sich noch um erste Ergebnisse eines

Forschungsprojektes. Um den Ansatz in der Industrie

nutzbar zu machen, ist es notwendig, die Konzepte

an größeren Forschungs- und realen Produktionsanlagen

detailliert zu evaluieren.

REFERENZEN

AUTOREN

[1] Nyhuis, P.: Wandlungsfähige Produktionssysteme:

Heute die Industrie von morgen gestalten. Produktionstechnisches

Zentrum 2008

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

Global Information Architecture for Industrial

Automation, atp – Automatisierungstechnische Praxis

51(9), S. 108-115, 2009

[3] Zäh, M.-F., Beetz, M., Shea, K., Reinhart, G., Stursberg,

O., Ostgathe, M., Lau, C., Ertelt, C., Pangercic, D., Rühr,

T. u.a.: An Integrated Approach to Realize the Coginitive

Machine Shop. In: Proc. 1st Int. Workshop on Cognition

for Technical Systems, S. 6-8. Technische Universität

München 2008

[4] Sauer, O., Jasperneite, J.: Adaptive information

technology in manufacturing. In: Proc. 44th CIRP

Conference on Manufacturing Systems. Omnipress

2011. https://www.iot-at-work.eu/data/cirp-2011.pdf

[5] Geisberger, E., Broy, M.: agendaCPS – Integrierte

Forschungsagenda Cyber-Physical Systems. acatech

– Deutsche Akademie der Technikwissenschaften 2012

[6] VDI 2657: Middleware in der Automatisierungstechnik

– Grundlagen. Beuth 2010

[7] Koren, Y., Heisel, U., Jovane, F., Moriwaki, T., Pritschow,

G., Ulsoy, G., Brussel, H.V.: Reconfigurable

Manufacturing Systems. Annalen von CIRP 48(2),

S. 527-540, 1999

[8] Blair; G., Bencomo, N. France, R.B.: Models@ run.time.

IEEE Computer 42(10), S. 22-27, 2009

[9] Szer-Ming, L., Harrison, R., West, A. A.: A componentbased

distributed control system for assembly automation.

In: Proc. 2nd IEEE Int. Conf. on Industrial

Informatics (INDIN '04), S. 33-38. IEEE 2004.

Dipl.-Inf. GERD KAINZ (geb. 1983) erhielt sein Diplom

im Februar 2009 von der Technischen Universität

München für seine Arbeit zu modellgetriebener

Entwicklung von eingebetteten Systemen. Seit April

2009 arbeitet er am gemeinnützigen Forschungsinstitut

Fortiss GmbH in München im Bereich modellgetriebener

Entwicklung von eingebetteten Systemen.

Seine Forschungsschwerpunkte liegen bei der

Entwicklung von Werkzeugen für eingebettete

Systeme insbesondere aus dem Bereich der Industrieautomatisierung.

Fortiss GmbH,

Guerickestr. 25, D-80805 München,

Tel. +49 (0) 89 360 35 22 24,

E-Mail: kainz@fortiss.org

NADINE KEDDIS (geb. 1986), M.Sc., studierte Informatik

an der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg und

anschließend an der Technischen Universität

München, wo sie 2011 ihren Master of Science

abgeschlossen hat. Seit April 2011 ist sie wissenschaftliche

Mitarbeiterin am gemeinnützigen

Forschungsinstitut Fortiss GmbH in München. Ihre

Forschungsinteressen umfassen wandlungsfähige

Produktionsanlagen mit dem Fokus auf effiziente Produktionsplanung

mit dynamischer Anpassung an die

Produktionsumgebung, adaptive Produktionssteuerung

bei Änderungen in der Anlage und modellgetriebene

Entwicklung für die Industrieautomation.

Fortiss GmbH,

Guerickestr. 25, D-80805 München

48

atp edition

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ZUSAMMENFASSUNG

Ein Ansatz zur Erhöhung der Wandelbarkeit von Produktionssystemen

wurde in diesem Beitrag vorgestellt. Im

Zusammenhang mit den Anforderungen hinsichtlich

Losgröße, Variantenvielfalt, Durchlaufzeit und Kosten

in der Produktion ist dies von immer größerer Bedeutung.

Der Ansatz basiert auf der Verwendung von Modellen

zur Beschreibung der verwendeten Stationen.

Diese Modelle werden während der Entwicklungs- und

der Laufzeit dazu verwendet, eine aktuelle Beschreibung

der Produktionsumgebung zu erstellen. Dazu werden die

Bearbeitungsstationen automatisch erkannt und für die

Durchführung der Produktionsaufträge herangezogen.

Dies reduziert den Aufwand bei der Inbetriebnahme und

verhindert Fehlkonfigurationen. Um der Komplexität der

Vernetzung und der heterogenen Steuerungen zu begegnen,

wird eine Middleware eingesetzt.

Der Ansatz hat gezeigt, dass sich durch eine vollständige

Modellierung des Produktionssystems zur Entwicklungs-

und Laufzeit der Aufwand bei einer Änderungsinbetriebnahme

wesentlich verringert. Das Ergebnis:

wandlungsfähigere Produktionssysteme.

Im nächsten Schritt wird sich die Wandlungsfähigkeit

durch die Implementierung einer Rezeptfahrweise weiter

erhöhen. Zusätzlich soll durch HMI-Systeme die

Wandlungsfähigkeit wiedergespiegelt werden. Ein Ausbau

des Demonstrators ist ebenfalls geplant.

MANUSKRIPTEINGANG

05.12.2012


Dr.-Ing. DIRK PENSKY (geb. 1970) ist seit 2010 Produktmanager

für Robotik und Simulationssysteme bei der

Festo Didactic GmbH & Co. KG. Er studierte Elektrotechnik

an der TU Braunschweig und promovierte

anschließend am Institut für Roboterforschung (IRF)

der Universität Dortmund bei Prof. Eckhard Freund.

Von 2004 bis 2010 war Pensky zunächst Leiter des

Projekts Computer Aided Assembly (3D-Montageplanung)

und ab 2006 Leiter der Abteilung Product

Lifecycle Systems and Processes bei der Heidelberger

Druckmaschinen AG.

Festo Didactic GmbH & Co. KG,

Rechbergstraße 3, D-73770 Denkendorf

Dr.rer.nat. CHRISTIAN BUCKL (geb. 1979) erhielt

seinen Doktortitel im Oktober 2008 von der Technischen

Universität München für seine Arbeit zu

modellgetriebenen Entwicklungsmethoden für

fehlertolerante Echtzeitsysteme. Seit März 2009 leitet

er die Gruppe Cyber-Physical Systems am gemeinnützigen

Forschungsinstitut Fortiss GmbH in München.

Seine Forschungsinteressen umfassen die modellgetriebene

Entwicklung von Systemen mit Schwerpunkt

auf nicht-funktionale Eigenschaften und die Entwicklung

von modularen Softwarearchitekturen für

adaptive und hochvernetzte eingebettete Systeme in

den Anwendungsgebieten Automotive und Automatisierungstechnik.

Fortiss GmbH,


Dr.techn. ALOIS ZOITL (geb. 1977) erhielt seinen Doktortitel im Dezember

2007 von der TU Wien für seine Arbeit zu dynamisch in Echtzeit

konfigurierbaren Steuerungssystemen. Seit Januar 2013 leitet er die

Forschungsgruppe Industrieautomatisierung am gemeinnützigen

Forschungsinstitut Fortiss GmbH in München. Seine Forschungsschwerpunkte

umfassen wandlungsfähige Produktionsanlagen mit

Fokus auf verteilte Steuerungsarchitekturen, dynamische Rekonfiguration

von Steuerungsprogrammen und Softwareentwicklungs- &

Softwarequalitätssicherungsmethoden in der Industrieautomation.

Fortiss GmbH,


Dr.-Ing. REINHARD PITTSCHELLIS (geb. 1968) leitet seit 2002

Produktmanagement und Entwicklung bei der Festo Didactic GmbH

& Co. KG. Er hat Maschinebau an der TU Braunschweig studiert und

dort anschließend am Institut für Fertigungsautomatisierung und

Handhabungstechnik promoviert. Danach war er bei den Firmen

Siemens und Maxon Motor beschäftigt.

Festo Didactic GmbH & Co. KG,

Rechbergstraße 3, D-73770 Denkendorf

Dipl.-Ing. (FH) BERND KÄRCHER (geb. 1956) ist Mitarbeiter der

Forschung bei der Festo AG & Co KG. Dort beschäftigt er sich mit

mechatronischen Komponenten, Schwerpunkte sind die drahtlose

Kommunikation in der Fabrikautomatisierung und Fragestellungen

zur Produktion der Zukunft wie auch Industie 4.0. Herr Kärcher

studierte Nachrichtentechnik und hat sich in der Vergangenheit

auch mit servopneumatischen Antrieben und den notwendigen

Komponenten beschäftigt.

Festo AG & Co. KG,

Ruiter Straße 82, D-73734 Esslingen-Berkheim

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49

HAUPTBEITRAG

CPS – eine Fallstudie

Mehrwert bei der Anwendung in der Wartung

Cyber-physische Systeme (CPS) zählen zu den Trends der Automatisierungstechnik. Dieser

Beitrag erläutert die Anforderungen an ein CPS im Bereich smart building beziehungsweise

in der Produktautomatisierung. Am Beispiel eines Wartungsszenarios einer Waschmaschine

wird ein konkreter Anwendungsfall präsentiert, bei welchem durch die Realisierung

des Systems als CPS ein Mehrwert gegenüber der klassischen Vorgehensweise

erreicht werden kann. Die Komponenten eines CPS werden beschrieben und der Vorteil

der Vernetzung verschiedener Stakeholder verdeutlicht. Weiterhin behandelt der Beitrag

die Architektur der CPS.

SCHLAGWÖRTER Smart home / Wartungsszenario / Produktautomatisierung /

Architektur von CPS

CPS – a case study

Added value for a maintenance application of CPS

Current trends in the field of automation technologies include cyber-physical systems

(CPS). Here, requirements of a CPS in the domain of smart building or product automation

are discussed. A maintenance scenario for a washing machine is presented, showing

how added value can be achieved in comparison to conventional approaches. The components

of a CPS are described and the advantages offered by networking stakeholders

are highlighted. The architecture of CPS is also explained.

KEYWORDS smart home / maintenance scenario / product automation / architecture of CPS

50

atp edition

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BIRGIT VOGEL-HEUSER, SUSANNE RÖSCH, Technische Universität München

ANDREAS FRIEDRICH, PETER GÖHNER, Universität Stuttgart

Cyber-physische Systeme (CPS) sind wie folgt

definiert: „[CPS] umfassen typischerweise

Eingebettete Systeme (als Teil von Geräten,

Gebäuden, Verkehrsmitteln, Verkehrswegen,

Produktionsanlagen, Logistik- und Managementprozessen

etc.), die mittels Sensoren und Aktuatoren

unmittelbar physikalische Daten erfassen und

auf physikalische Vorgänge einwirken, mit digitalen

Netzen verbunden sind (drahtlos, drahtgebunden, lokal,

global), weltweit verfügbare Daten und Dienste

nutzen und über eine Reihe multimodaler Mensch-

Maschine-Schnittstellen (dediziert in Geräten, unspezifisch

etwa über Browser, etc.) verfügen“ [1].

Die Ebenen eines CPS zeigt Bild 1. Auf unterster Ebene

stehen die eingebetteten Systeme und die intelligenten

eingebetteten Systeme, wie sie heute im Alltag vorzufinden

sind. Auf oberster Ebene verketten CPS verschiedene

einzelne CPS zu einer gemeinsamen Wertschöpfung.

Diese Verknüpfung ist für die Automatisierungstechnik

ein Aspekt, der bisher wenig realisiert wurde. Eine besonders

wichtige Ebene, die in der Automatisierungstechnik

stets in Bezug auf funktionale und nicht-funktionale

Merkmale fokussiert werden muss, ist die Ebene

des technischen Prozesses. In der Informatik wird dieser

Aspekt häufig noch nicht beachtet.

Die technischen Merkmale von CPS in der Produktionsautomatisierung

werden in [3] ausführlich beschrieben.

Die für die Produktautomatisierung wesentlichen

technischen Merkmale von CPS, welche anhand des

Szenarios in Abschnitt 1.2 beschrieben werden, sind

zum großen Teil deckungsgleich und werden wie folgt

definiert [3]:

digitale Netze (drahtlos, drahtgebunden, lokal, global)

und Schnittstellen für die Kommunikation zwischen

Mensch und Maschine (T1)

inhärente Fähigkeiten, zum Beispiel durch breitbandige

Vernetzung oder lokale Intelligenz, zum Sammeln

und Auswerten von Daten, zur autonomen

Steuerung und zur Interaktion mit der realen und

digitalen Welt (T2)

Daten und Dienste weltweit verteilt, auf die mit hoher

Verfügbarkeit auch weltweit zugegriffen werden

kann (T3)

Datendurchgängigkeit über verschiedene am Geschäftsprozess

beteiligte Unternehmen, Anwender

und allgemein Stakeholder einer CPS Plattform (T4).

Bereitstellung notwendiger Daten für Konfiguration,

Produktion und Verhandlung von Auftragsbearbeitungen

(T5)

Zugriffschutz auf Produktions- und Technologiedaten

(Know-how) der beteiligten Unternehmen (T6).

eine für eine Klasse von Aggregaten/Modulen, Maschinen,

Anlagen einheitliche Architektur und Ontologie

in Bezug auf Eigenschaften, Fähigkeiten,

Schnittstellen und Datendarstellungen – zusammengefasst

„CPS-Architektur“ – abgeleitet von einer

CPS-Referenzarchitektur, siehe Abschnitt 3

Anhand eines Wartungsszenarios einer Waschmaschine

wird nun die fehlende Informationsintegration erläutert

und anschließend eine Integration mittels CPS und die

Verwirklichung beschrieben.

1. NUTZEN VON CPS IM RAHMEN VON SMART HOME

Die Acatech-Studie zu CPS erläutert verschiedene Anwendungsszenarien,

wie vernetzte Mobilität, Telemedizin,

smart grid und Fabrik der Zukunft. Für letzteres

ist die Mitautorin verantwortlich [2]. Zur Veranschaulichung

des CPS-Gedankens wird zunächst aufgezeigt,

welche Probleme im realen Fall bei der Wartung einer

Waschmaschine nachgewiesen wurden. Anschließend

wird das Anwendungsszenario smart home aus Sicht

der Produktautomatisierung erklärt.

1.1 Anwendungsfall Wartung Waschmaschine klassisch

Das Szenario entspricht einer Begebenheit, die so bei

einer sechs Jahre alten Waschmaschine vorgefallen ist.

atp edition

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51

HAUPTBEITRAG

Statt sauberer Wäsche findet der Benutzer die Maschine

im Fehlerzustand vor. Am Gerät blinkt die LED „Zulauf

prüfen“ (Bild 2). Das Problem lässt sich aber nicht mit

einem erneuten Waschvorgang beheben. Die Überprüfung

des Zulaufhahns sowie des Wasserschlauchs behebt

den Fehler ebenfalls nicht. Anschließend wird die

Bedienungsanleitung zu Rate gezogen und unter „Wasserzulauf

funktioniert nicht“ nachgelesen. Beim Stichwort

Störungsbehebung gibt es nur zwei sehr rudimentäre

Hinweise, nämlich „Zulauf prüfen“, was bereits

erledigt wurde, und „Laugensieb prüfen“, was sich als

problematisch herausstellt, da diese Bezeichnung nicht

in der Störmeldeliste auftaucht.

Nachdem die Schritte aus der Bedienungsanleitung

abgearbeitet wurden, folgt der nächste erfolglose Versuch,

die Wäsche zu waschen. Das Fehlerbild bleibt bestehen

und bei genauem Hinhören wird klar, dass zwar das Ventil

angesteuert wird, aber kein Wasser einläuft. Der technikerfahrene

Benutzer wählt dann die Telefonnummer

der Servicehotline, bei der sich nach Aufenthalt in der

Warteschleife ein Mitarbeiter meldet. Nach einer präzisen

Schilderung der Fehlersituation müssen zunächst die

Standardfragen des Helpdesk-Dialogs abgearbeitet werden,

bis der Mitarbeiter schließlich dazu rät, einen Techniker

einzuschalten, der sich angeblich in den nächsten

Tagen melden wird. Leider geschieht dies in unserem Fall

nicht und der Kunde ruft erneut bei der Hotline an.

Der zweite Anruf: Auch dies führt nach der Warteschleife

und einem erneuten Standarddialog nur zum

zweiten Eintrag in der Serviceliste. Der Kunde lässt sich

nun nicht mehr vertrösten, sondern drängt darauf, einen

Servicetechniker genannt zu bekommen. Damit kann

erreicht werden, dass eine Telefonnummer des entsprechenden

Servicebetriebes an den Kunden ausgegeben

wird. Der folgende Anruf bei der Servicetechniker-Einsatzstelle

(gleiches Prozedere, nur liegt dort gar kein Servicebericht

vor, der nun bereits zweimal aufgenommen

wurde) führt dazu, dass der Kunde in die Liste der Anrufer

aufgenommen wird, bei denen der Servicetechniker

bald vorbeikommen wird. Zum genannten Datum kann

jedoch keine konkrete Uhrzeit ausgemacht werden, so

muss sich der Kunde den halben Tag für den Servicetechniker

bereithalten.

Nachdem der Techniker angekommen ist, beginnt er

sofort mit der Diagnose. Zunächst versucht er ebenfalls

mit verschiedenen Waschgängen den gewünschten Wassereinlauf

zu erreichen. Da die Waschmaschine bereits

eine Kommunikationsschnittstelle besitzt, ist er in der

Lage über diese Schnittstelle zu analysieren, dass das

Ventil angesteuert wurde, aber nicht öffnet und somit

kein Wasser einfließt.

Der Techniker hat das benötigte Einlassventil für diesen

Typ Waschmaschine glücklicherweise dabei und

kann es einbauen. Sonst wäre ein weiterer Termin nötig

geworden. Die Waschmaschine läuft wieder.

1.2 Anwendungsfall Wartung Waschmaschine mit CPS

Im smart home der Zukunft ergibt sich für das geschilderte

Szenario ein völlig anderer Verlauf. Die Waschmaschine

stellt für sich ein CPS dar, das sich über eine

Plattform nach außen mit seinem Besitzer und gegebenenfalls

mit weiteren Stakeholdern vernetzen kann (T1)

(siehe Bild 3).

Dem Besitzer ist es von unterwegs aus möglich, über

eine Schnittstelle nach Wahl (zum Beispiel ein Tablet,

siehe Bild 4) zu sehen, dass der Strom gerade sehr preisgünstig

ist, woraufhin er einen Waschgang für eine

Waschladung, die er zuvor vorbereitet hat, startet. Kurz

darauf wird von der Waschmaschine eine Störmeldung

auf dem Tablet angezeigt, dass der Waschgang nicht

stattfindet und ein Defekt vorliegt, aber keine unmittelbare

Gefahr für weitere Schäden besteht. Der aufgetretene

Defekt wundert den Anwender, da er sich regelmäßig

die Statistiken seiner Waschmaschine angesehen

hat, welche ihm dank häufiger Kochwäsche und unter

den normalen Randbedingungen (Wasserhärtegrad)

eine Lebensdauer von weiteren sechs Jahren prognostiziert

hatten (T2).

Der Anwender möchte weitere Details über das Problem

erfahren und fordert daher eine genauere Diagnose

über sein Tablet an. Die Waschmaschine liefert daraufhin

das Ergebnis, dass eine Störung beim Zulauf/Ablauf

vorliegt. Sobald der Anwender vor Ort ist, lässt er sich

übermitteln, welche Schritte er selbst zur Behebung der

Störung unternehmen kann. Die nötigen Schritte werden

über sein Tablet visualisiert (Bild 4a), wo und wie er den

Zulauf und das Laugensieb überprüfen soll. In diesem

Szenario führen die Schritte dennoch nicht dazu, das

Problem zu beheben.

Die Waschmaschine fragt daraufhin an, ob sie sich

mit dem Servicecenter vernetzen darf, um das Problem

genauer analysieren zu können. Nachdem der Anwender

die Erlaubnis erteilt hat, analysiert ein Mitarbeiter

des Servicecenters die verfügbaren Daten der Waschmaschine

(T3, T4). Er sieht, dass die üblichen Schritte

vom Besitzer der Waschmaschine bereits durchgeführt

wurden und noch keine neuen Ersatzteile eingebaut

sind. Da der Mitarbeiter die notwendige Qualifikation

und somit die entsprechende Rechte hat, fordert er die

Betätigung des Einlaufventils an. Die Anfrage des externen

Zugriffs wird dem Besitzer mitgeteilt. Nach

dessen zusätzlicher Freigabe führt die Waschmaschine

die Aktion durch. Der Servicemitarbeiter verfolgt

den Eingriff und wertet die übermittelten Daten online

aus. Er sieht, dass trotz Betätigung des Ventils kein

Wasser einläuft und auch der Sensor „Wasserzulauf“

keine positive Meldung liefert. Der Mitarbeiter diagnostiziert,

dass vermutlich das Einlaufventil defekt

ist. Er stellt über die CPS-Plattform eine Anfrage nach

dem identifizierten Bauteil, ohne weitere Informationen

preiszugeben (T5, T6), und bekommt von diversen

Unterlieferanten ein Angebot (Bild 4b). Er wählt das

günstigste aus, da es in diesem Fall bezüglich der Qualität

und der Zuverlässigkeit bei den Lieferanten keine

Unterschiede gibt, und leitet es an den Besitzer der

Waschmaschine weiter.

Da der Besitzer weiß, dass die zu erwartende Lebensdauer

seiner Waschmaschine noch sechs Jahre beträgt,

entscheidet er sich für die Reparatur und nimmt das

Angebot an. In einem nächsten Schritt meldet der Unterlieferant

dem Logistikzentrum und dem Servicetechniker

über die CPS-Plattform, wann das Teil fertiggestellt

wird. Das Logistikzentrum wiederum teilt dem

Servicetechniker mit, wann er das Ersatzteil erhalten

52

atp edition

4 / 2013

Cyber-physische

Systeme

Systemsof-Systems

Intelligente und

kooperative

eingebettete Systeme

Intelligente

eingebettete Systeme

Eingebettetes System

BILD 3: Die Vernetzung der verschiedenen

Stakeholder über die CPS-Plattform

BILD 1: Gegenüberstellung der Ebenen der

Automatisierungspyramide und der CPS-Ebenen [2, 3]

BILD 4A: Der

Anwender wird

schrittweise durch

die Wartung der

Waschmaschine

geleitet [4]

BILD 2: Panel der Waschmaschine zeigt Störung an – Fehlersuche

BILD 4B: Der

Kunde erhält

ein auf ihn

zugeschnittenes

Angebot

wird. Der Servicetechniker kann dem Anwender also

frühzeitig eine Terminanfrage stellen. Vor Ort dauert

die Reparatur dank der bereits ermittelten Daten weniger

als eine halbe Stunde.

2. REALISIERUNG DER WASCHMASCHINE ALS CPS

Um von dem unter 1.1 beschriebenen Szenario, welches

dem heutigen Stand in den meisten Haushalten entspricht,

zu dem CPS-Szenario zu gelangen, gibt es einige

Umsetzungsschritte, die noch erfüllt werden müssen.

Als eingebettete Systeme mit Mikrocontroller erlauben

Waschmaschinen bereits die Ausführung von komplexen

Waschprogrammen, die einen ressourcenschonenden,

effektiven Waschbetrieb ermöglichen. Bislang stellen

Waschmaschinen Produktautomatisierungssysteme

dar, die in der Regel abgeschlossen zu ihrer Umwelt

agieren. In Zukunft wird jedoch immer häufiger der

Wunsch bestehen, mit der Waschmaschine über externe

Informationssysteme interagieren zu können. Andererseits

soll die Möglichkeit bestehen, dass die Waschmaschine

auf zentral gespeicherte Daten, beispielsweise in

der Cloud, zurückgreifen kann.

Die wichtigste Anforderung an die Waschmaschine

ist die Bereitstellung einer externen Schnittstelle, über

die sich Daten austauschen lassen. Es muss für geschultes

Personal möglich sein, einzelne Sensorwerte abzufragen

sowie die vorhandenen Aktoren einzeln anzusteuern.

In die Waschmaschine integrierte Programme

müssen über die externe Schnittstelle aktiviert werden

können und eventuelle Rückmeldungen ausgewertet

werden. Sofern ein integrierter Fehlerspeicher in der

Waschmaschine vorhanden ist, muss dieser auch über

atp edition

4 / 2013

53

HAUPTBEITRAG

die externe Schnittstelle erreichbar sein, um auch zurückliegende

Ereignisse in den Fehlerdiagnoseprozess

mit einbinden zu können. Neben der Hardware, beispielsweise

in Form eines WLAN-Moduls, beschränken

sich die genannten Anforderungen auf Software-Ergänzungen

der zentralen Steuereinheit.

Leider ist bislang kein herstellerübergreifender Standard

vorhanden, der externe Schnittstellen von beispielsweise

Haushaltsgeräten eindeutig definiert. Es

gibt zahlreiche externe Diagnoseschnittstellen, die

jedoch von jedem Hersteller frei definiert werden und

deren Beschreibung streng vertraulich behandelt wird.

Auch die über die Diagnoseschnittstellen auslesbaren

Daten variieren von Hersteller zu Hersteller. Um eine

möglichst hohe Flexibilität in der späteren Nutzung zu

erreichen, empfiehlt es sich, bei Nachrüstungen auf

eine Variante des Ethernet-Standards als Schnittstellentechnologie

zu setzen, drahtgebunden oder drahtlos.

So kann die Waschmaschine wahlweise in das

lokale Heimnetz eingebunden werden oder direkt mit

einem Smartphone oder Tablet kommunizieren, wie

dies im Szenario des vorherigen Abschnitts beschrieben

wurde. Andere Schnittstellen wie Bluetooth oder

USB sind möglich, schränken jedoch die Einsatzmöglichkeiten

ein.

Wenn eine solche externe Schnittstelle vorhanden ist,

kann die Waschmaschine über ein externes Gerät wie ein

Smartphone oder Tablet bedient und eine Fehlerdiagnose

durchgeführt werden [5]. Dazu muss eine Software auf

dem Mobilgerät installiert werden, die der Hersteller mit

der Waschmaschine mitgeliefert hat oder die sich nachträglich

aus dem Internet herunterladen lässt. Die Software

beinhaltet Bedien- sowie Diagnose- und Wartungsfunktionen.

Die Software muss ein auf den Anwender

(Besitzer oder auch Techniker) zugeschnittenes, einfaches

und verständliches Bedienkonzept realisieren [6].

Informationen müssen auf eine für Anwender verständliche

Ebene gebracht werden und idealerweise auf einen

konkreten Defekt eines Bauteils oder einer Baugruppe

heruntergebrochen werden. Ein benutzerfreundliches

Bedienkonzept setzt bereits beim Herstellen der Verbindung

an: Über einen Near-Field-Communication(NFC)-

Tag, der an einem Haushaltsgerät angebracht werden

kann, ist es möglich, Informationen zum Gerät und zur

Verbindungsherstellung digital zu hinterlegen. Wird ein

entsprechendes mobiles Endgerät in die Nähe dieses NFC-

Tags gebracht, öffnet sich automatisch die passende Anwendung

und es wird eine Verbindung mit der Waschmaschine

hergestellt. Über eine vorhandene Internetverbindung

können direkt weitere Daten zur Waschmaschine

aus einer zentralen Datenbank nachgeladen werden,

wie zum Beispiel spezifische Gerätedaten oder verfügbare

Diagnoseprogramme (siehe Bild 5).

Die Waschmaschine als CPS beinhaltet durch die Anbindung

an eine zentrale Datenbank mehrere Vorteile:

So können Daten bedarfsorientiert über das Internet

heruntergeladen werden, ohne dass auf dem Bediengerät

sämtliche existierenden Haushaltsgerätedaten abgelegt

sein müssen. Außerdem sind die zentral vorhandenen

Daten auf einem tagesaktuellen Stand. Es können

folglich die neuesten Diagnoseprogramme oder Bedienungsanleitungen

genutzt werden. Auch Erfahrungswissen

aus zuvor durchgeführten Wartungen lässt sich

so mit einbeziehen.

Das mobile Endgerät stellt in diesem Szenario die

Schnittstelle zwischen der Waschmaschine, dem Benutzer

und der zentralen Datenbank dar. Aktuelle

Smartphones oder Tablets bringen die nötigen Hardware-Voraussetzungen

bereits mit. Zum Austausch mit

der Waschmaschine bietet sich eine Verbindung über

WLAN oder Bluetooth an, wobei letzteres nicht von

allen Smartphone-Betriebssystemen als Datentransfer-

BILD 5: Systemaufbau aus automatisiertem System,

mobilem Bediengerät und zentraler Datenbank

BILD 6: Die CPS-Architektur [1]

54

atp edition

4 / 2013

protokoll unterstützt wird. Eine Verbindung zum Internet

ist bei den Geräten in der Regel bereits eingerichtet,

was die Grundlage für den Zugriff auf eine zentrale

Datenbank bildet. Benutzerseitig stellen Smartphones

und Tablets eine große Anzahl an Schnittstellen dar,

über die der Anwender mit den Geräten interagieren

kann. Ein berührungsempfindliches Display, Lautsprecher

und Mikrofone, Beschleunigungssensoren und

beispielsweise eine integrierte Kamera ermöglichen

universelle Bedienkonzepte, die an der Waschmaschine

selbst in dieser Art nicht durchgeführt werden könnten

[7]. So ist ein Assistent denkbar, der den Anwender

bei einer Wartung durch Spracheingabe sowie akustische

Anweisungen unterstützt, sodass er beide Hände

für die Arbeiten an der Waschmaschine nutzen kann.

Das vorgestellte Konzept wurde am Institut für Automatisierungs-

und Softwaretechnik der Universität

Stuttgart an einer Waschmaschine bereits prototypisch

umgesetzt. Die Waschmaschine wurde um eine WLAN-

Schnittstelle ergänzt, um die Messgrößen der enthaltenen

Sensoren und Aktoren extern auslesen und ansteuern

zu können. Dazu waren geringe Änderungen

an der Software notwendig. Mithilfe eines Smartphones

lässt sich nun eine benutzerfreundliche Fehlerdiagnose

des Systems durchführen, dem Anwender werden

die erkannten Fehler präsentiert. Dieser kann entscheiden,

welche Variante der Fehlerbehebung er

durchführen möchte.

Im nächsten Schritt muss noch die Vernetzung mit den

anderen am Szenario beteiligten Stakeholdern realisiert

werden. Für ähnliche Problematiken gibt es jedoch bereits

Plattformen beziehungsweise technische Lösungen

wie den Mobile Workforce Coordinator [8]. Bei diesem

System laufen Daten für die Koordination von Facility-

Management-Tätigkeiten zusammen. Dabei werden eingehende

Aufträge an die mobilen Endgeräte von Servicetechnikern

übertragen, die wiederum weitere Eingaben

tätigen können. Über das Gerät speichert und überträgt

der Servicetechniker beispielsweise benötigte Materialien

und den aktuellen Bearbeitungsstatus [8].

3. ARCHITEKTUR UND TECHNISCHE MERKMALE VON CPS

Typischerweise werden für verschiedene Anwendungsgebiete

(Domänen) verschiedene Plattformen und Architekturen

(Bild 6) vorgesehen, die – idealerweise –

interoperabel sind. Da das CPS ständig im Wandel ist

(zum Beispiel Waschmaschine meldet sich neu an), sind

die Plattformen flexibel und modular aufgebaut. Jedes

CPS muss seine Eigenschaften einer entsprechend geeigneten

Plattform über standardisierte Wege kommunizieren

können.

Ein weiterer Aspekt ist, dass CPS Sensoren und Aktoren

beinhalten werden, von denen einige intelligent sind.

Das heißt, es muss eine Kommunikation zur zyklischen

Datenübertragung und zur Konfiguration und Parametrierung

vorhanden sein. Eventuell müssen die übertragenen

Daten gesichert übertragen werden. Auf diesen

intelligenten Sensoren und Aktoren können Vorverarbeitungen

und im Falle eines Ausfalls einer Rechnerkomponente

Rechenaufgaben übernommen werden,

womit sich die Verfügbarkeit der Anlage erhöhen lässt.

Des Weiteren ist eine aufgabenabhängige, zeitlich veränderliche

Verteilung allgemeiner, steuerungstechnischer

Aufgaben auf die Rechenknoten notwendig. Ein Ansatz

zur Kommunikation von CPS durch eine Middleware-

Plattform wird beispielsweise bereits mit der Chromosome

Middleware [9] verfolgt.

Desweiteren sollte die Integration verschiedener

Dienste entsprechend des Nutzungsbedarfs erfolgen

(Bild 6). In dem beschriebenen Szenario steht der War-

REFERENZEN

[1] Broy, M. (Hrsg.): Cyber-Physical Systems. Innovation

durch Software-Intensive Eingebettete Systeme.

acatech diskutiert. Springer-Verlag, 2010

[2] Broy, M.: Das Internet – Innovation ohne Grenzen,

Netzdialog Bayern Juli 2001

[3] Vogel-Heuser, B., Bayrak, G., Frank, U.: Forschungsfragen

in „Produktionsautomatisierung der Zukunft“.

Diskussionspapier für die acatech Projektgruppe

Production CPS, 2012

[4] Mandler, A.: Technischer Kundendienst Andree Mandler,

Innenleben Waschmaschine.

http://www.tkd-mandler.de/images/waschmaschine_

innen.jpg

[5] Friedrich, A., Göhner, P.: Einsatz mobiler Endgeräte zur

Konfiguration und Steuerung von automatisierten Geräten.

In: Tagungsband Automation 2012, S. 407-410. VDI 2012

[6] Yazdi, F., Vieritz, H., Jazdi, N., Schilberg, D., Göhner, P.,

Jeschke, S.: A Concept for User-centered Development of

Accessible User Interfaces for Industrial Automation

Systems and Web Applications. In: Proc 6th Int. Conf.

Universal Access in Human-Computer Interaction,

Vol 4, S. 301-310. Springer 2011

[7] Friedrich, A., Göhner, P.: Das Smartphone als universelles

Diagnosegerät von automatisierten Systemen.

In: Tagungsband USEWARE 2012, S. 99-108. VDI 2012

[8] T-Systems: Mobile Workforce Coodinator.

http://www.t-systems-mms.com/66474

[9] Buckl, C., Geisinger. M.: Middleware-Architekturen

zur Integration von Systemen in Systems-of-Systems.

In: Tagungsband Embedded Software Engineering

Kongress, S.38-42. Elektronikpraxis und

MicroConsult 2011

[10] ThingWorx Plattform.

http: //www.thingworx.com/platform/

[11] Drath, R., Barth, M., Fay, A.: Offenheitsmetrik für

Engineering-Werkzeuge: Die Fähigkeit zur Interoperabilität

bewerten. atp edition - Automatisierungstechnische

Praxis 54(9), S. 46-55, 2012

atp edition

4 / 2013

55

HAUPTBEITRAG

tungsdienst im Vordergrund. Der Nutzungsbedarf ist

zuerst einmal die Kommunikation mit dem Anwender.

Nachdem sich herausstellt, dass der Hersteller und ein

externer Techniker hinzugezogen werden müssen, werden

zusätzliche Dienste wie die externe Analyse von

Daten in Anspruch genommen. Mit der Anfrage nach

einem Ersatzteil erweitert sich der Kreis der Stakeholder

und ein völlig neuer Dienst, nämlich das Verhandeln

des besten Angebots über verschiedene ERPs und

MES der Lieferanten wird in Anspruch genommen.

Dies ist für den Kunden extern nur begrenzt sichtbar,

da sich die Dienste für ihn auf der obersten Ebene

(Bild 6) in einen durchgängigen Wartungsprozess integrieren,

bei dem er stets mit allen notwendigen Informationen

versorgt wird. Im Szenario sind weitere

beispielhafte Nutzungsmöglichkeiten wie die Steuerung

der CPS im smart home durch den Anwender

unter entsprechenden Optimierungskriterien denkbar

(zum Beispiel Ausschöpfung der längstmöglichen Lebensdauer

der CPS oder Kriterien der Energieeffizienz).

Zur Einbindung von Anwendern und Wartungspersonal

und der Aufbereitung von unterschiedlichen

Daten für Anwender existieren bereits Ansätze für

Industrieanwendungen wie mit der Thing-Worx-Plattform

[10].

ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK

Die Einführung der CPS wird das private und industrielle

Umfeld durch die durchgehende Vernetzung revolutionieren.

Das Szenario Wartung einer Waschmaschine

zeigt, wie die durchgängige Verfügbarkeit von Informationen

die Effizienz der Wartung und den Komfort für

den Kunden steigert und völlig neue Geschäftsmodelle

entstehen können. Dennoch gilt es, zur Umsetzung der

CPS in der Automatisierungstechnik zahlreiche Herausforderungen

zu bewältigen. Zu diesen zählen vor allem

die Standardisierung von Schnittstellen (zum Beispiel

OPC UA), da die momentan hauptsächlich auf der ERP-

Ebene stattfindende Angebotsverhandlung immer weiter

mit den tiefer liegenden Ebenen der Automatisierungspyramide

Richtung Feldebene verschmelzen wird.

Ferner gibt es im Bereich der Interoperabilität im Engineering

[11] immer noch viele Herausforderungen. Im

Rahmen von smart homes gilt dies vor allem aufgrund

der begrenzten Lieferportfolios der Anbieter von Haushaltsgeräten

und Hausklimatisierungssystemen und ihrer

unterschiedlichen Plattformen beziehungsweise der

zurzeit noch zu implementierenden Kommunikationsinfrastruktur.

MANUSKRIPTEINGANG

01.03.2013


AUTOREN

Prof. Dr.-Ing. BIRGIT VOGEL-HEUSER (geb. 1961),

Ordinaria am Lehrstuhl für Automatisierung und

Informationssysteme an der Technischen Universität

München (2009), forscht an der Entwicklung und

Systemevolution verteilter intelligenter eingebetteter

Systeme in mechatronischen Produkten und Produktionsanlagen,

um die Qualität der Produkte und die

Effizienz und Durchgängigkeit im Engineering zu

erhöhen.

Lehrstuhl für Automatisierung und Informationssysteme,

Boltzmannstraße 15, D-85748 Garching bei München

Dipl.-Ing. ANDREAS FRIEDRICH (geb. 1984) arbeitet seit September

2011 als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Automatisierungs-

und Softwaretechnik (IAS) der Universität Stuttgart auf dem

Gebiet der benutzerorientierten Automatisierung. Er ist an der

Durchführung mehrerer Forschungsprojekte der Industrie beteiligt

und hat sich auf den Einsatz mobiler Endgeräte in der Automatisierungstechnik

spezialisiert.

Institut für Automatisierungs- und Softwaretechnik,

Universität Stuttgart,

Pfaffenwaldring 47, D-70550 Stuttgart

Dipl.-Ing. SUSANNE RÖSCH (geb. 1987) arbeitet seit

Januar 2012 als wissenschaftliche Mitarbeiterin am

Lehrstuhl für Automatisierung und Informationssysteme

an der Technischen Universität München.

Sie ist in mehreren Projekten auf dem Gebiet der

effizienten Testfallerstellung und des Testens von

Steuerungssoftware in der Automatisierungstechnik

tätig.

Lehrstuhl für Automatisierung und Informationssysteme,

Boltzmannstraße 15, D-85748 Garching bei München,

Tel. +49 (0) 89 28 91 64 38,

E-Mail: roesch@ais.mw.tum.de

Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. PETER GÖHNER (geb. 1950) leitet das Institut

für Automatisierungs- und Softwaretechnik (IAS) an der Universität

Stuttgart. Seine Hauptarbeitsgebiete sind agentenorientierte

Konzepte in der Automatisierungstechnik, benutzerorientierte

Automatisierung, Energieoptimierung in technischen Systemen,

Lernfähigkeit von automatisierten Systemen, Verlässlichkeit von

automatisierten Systemen und Wiederverwendungskonzepte in der

Automatisierungstechnik.

Institut für Automatisierungs- und Softwaretechnik,

Universität Stuttgart,

Pfaffenwaldring 47, D-70550 Stuttgart

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atp edition

4 / 2013

Die Referenzklasse für die


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

HAUPTBEITRAG

Cyber-Physical Programmable

Logic Controllers

Architecture and Model-Based Design

Automation applications such as flexible manufacturing, smart energy management, and

mobility are moving towards a complex and geographically distributed topology of physical

processes (e.g. electro-mechanical, chemical, etc.) and computational processes (e.g.

controllers and software). We provide additional functionality to the very successful

programmable logic controller (PLC) architecture in order to improve the interaction with

its environment. Our novel architecture, referred to as cyber-physical systems programmable

logic controller (CPS-PLC), enables communication with external and geographically

distributed devices and physical processes in addition to the traditional automation

pyramid of locally networked devices. External communication allows the CPS-PLCs to

interact with complex information from remote sources and react intelligently to unexpected

events. Additionally, we present a model-based design approach for engineering

of CPS-PLC applications where the physical behaviour of the system under control is as

important as the embedded control hardware/software. We demonstrate the feasibility of

our approach with a Smart Grid CPS application.

KEYWORDS cyber-physical systems / model-based design / programmable logic controllers

Cyber-Physical Programmable Logic Controller

Architektur und modellbasierter Entwurf

Flexible Fertigung, intelligentes Energiemanagement und Mobilität entwickeln sich zu

einer komplexen und geografisch verteilten Topologie von physikalischen (zum Beispiel

elektro-mechanisch, chemisch) und informationstechnischen Prozessen (beispielsweise

Steuerungen und Software). In diesem Beitrag stellen die Autoren eine zusätzliche Funktionalität

für speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS beziehungsweise PLC, programmable

logic controller) vor, um die Interaktion mit ihrer Umwelt zu verbessern. Die Architektur

cyber-physical systems programmable logic controller (CPS-PLC) ermöglicht

die Kommunikation mit externen und geografisch verteilten Geräten und physikalischen

Prozessen zusätzlich zur üblichen Automatisierungspyramide von lokalen, vernetzten

Geräten. So ist es dem CPS-PLC möglich, mit komplexer Information von entfernten Quellen

umzugehen und auf unerwartete Ereignisse intelligent zu reagieren. Im Artikel wird

auch eine modellbasierte Entwurfsmethode beschrieben, um CPS-PLC-Anwendungen zu

projektieren, wobei das physikalische Verhalten des kontrollierten Systems ebenso wichtig

ist wie Hardware und Software der eingebetteten Steuerung. Die Machbarkeit des

Verfahrens wird durch eine Smart-Grid-CPS-Anwendung demonstriert.

SCHLAGWÖRTER Cyber-physical systems / Modellbasierter Entwurf / Speicherprogrammierbare

Steuerungen

58

atp edition

4 / 2013

ARQUIMEDES CANEDO, GEORG MÜNZEL, GEORGE LO, THOMAS GRÜNEWALD, Siemens Corporation

Cyber-physical systems (CPS) are integrations

of computation, networking, and physical processes

[1, 14]. Embedded systems (i.e. hardware

and software) monitor and control physical

processes such as physical, chemical, and biological

[2]. Interestingly, current PLC applications exhibit

similar features to CPS applications but they are not

regarded as “cyber-physical”. For example, a typical PLC

application interacts with physical processes through

sensors and actuators, and it is capable to communicate

with other embedded devices located at large distances.

Nevertheless, traditional PLC applications are developed

using a rather simplistic approach that prioritizes

the hardware/software over the physical process under

control. As a result, these simple control algorithms are

not suitable for future applications where more intelligence

is necessary to optimize the overall performance

of the system.

In this paper, we present a cyber-physical programmable

logic controller (CPS-PLC) architecture that leverages

the real-time properties (e.g. runtime), engineering

(e.g. compatibility with sensors, actuators, HMIs, IO

devices), programming (e.g. IEC 61131-3 editors and languages)

[3], and tools (e.g. compilers, optimizers, debuggers)

of traditional PLC systems to control highly distributed

CPS applications. The key insights that enable this

technology are:

CPS-PLCs not only communicate locally with sensors

and actuators but reach out to the external world

(e.g. internet, sensors and actuators located hundreds

of kilometers away) in a highly distributed network

topology.

The interactions of CPS-PLCs with complex physical

processes requires novel design methodologies such

as model-based engineering that leverage real-time

physical simulation to create accurate and robust

distributed control systems. New technological improvements

in embedded multi-/many-core processors

[16, 17, 18] make it possible to execute these simulations

locally in the CPS-PLC.

We believe that a critical aspect for the adoption of CPS-

PLCs is the reusability of the classic PLC concepts because

industry automation practitioners are intimately

familiar with the PLC technology. Unfortunately, CPS

applications demand new control strategies that are difficult

or impossible to support with the current PLC engineering

tools. To overcome this technological limitation,

we have developed a state-of-the-art model-based

design tool compatible with classic PLC engineering

tools that enable the design and engineering of complex

control algorithms for CPS applications. Specifically, we

encapsulate CPS-PLC functionality in reusable components

compatible with IEC 61131-3 languages that allow

highly distributed communication and provide multidomain

physical simulation capabilities. Using a smart

grid [15] CPS application developed at Siemens Corporation,

Corporate Technology at Princeton, USA, we demonstrate

the feasibility of the CPS-PLC architecture.

1. RELATED WORK

Historically, PLCs have taken advantage of faster uniprocessors

to execute more functionality in software and to

reduce the scan cycle times for the benefit of control algorithms.

However, uniprocessors have reached a speed

plateau and this will eventually force the PLCs to move

to the more scalable and energy efficient multi-/manycore

technology [6]. Although this paradigm shift represents

a major technical challenge [10], it also opens new

possibilities for the control of modern cyber-physical

systems. In particular, the availability of more processing

units will allow a high-fidelity simulation of the physical

processes under control [11] to be executed within the

CPS-PLC. Because the simulation is local to the CPS-PLC,

the communication between the control algorithm and

the simulated physical process occurs instantaneously

and it is no longer restricted by the scan cycle time. This

enables the possibility of accurately controlling physical

systems with very fast dynamics such as chemical processes.

We believe that the integration of local simulation

atp edition

4 / 2013

59

HAUPTBEITRAG

in the CPS-PLC is necessary for the adoption of PLC technology

in future CPS applications characterized by complex

and fast physical processes [12, 13].

Cyber-physical systems, as defined by Sztipanovits [14]

are “engineered systems where functionality and salient

characteristics emerge from the networked interaction

of computational end physical components”. While current

PLCs are networked, and provide the computational

power to control physical processes, they do not address

the cyber and the physical challenges simultaneously

that arise with CPS applications [19]. For example, current

PLC design methods focus on the detailed design of

the cyber part consisting of the control software, computation,

and communication elements, but use a rather

simplistic approach for the physical part consisting of

physical processes. The physical world is abstracted and

only sampled every once in a while. We believe that the

integration of the physical aspects directly into the PLC

using model-based design techniques will allow for a

more robust and scalable approach for the development

of future CPS applications using CPS-PLCs.

2. CYBER-PHYSICAL PROGRAMMABLE

LOGIC CONTROLLERS

CPS research and development has its origins in embedded

computing [1] and the mainstream CPS applications

have adopted the tools and methods from the embedded

community. For example, automotive electronic control

units (ECUs) are embedded microcontrollers typically

programmed in C. In this paper, we observe that PLCs

are also a viable control architecture for CPS applications.

PLCs are hard real-time control systems designed

to interact with and control physical processes through

sensors and actuators in harsh environments and for very

long periods of time. The most salient feature of PLCs is

their cyclic execution mechanism. The scan cycle time

(also known as the sampling rate) refers to the period of

time in which the system is expected to (1) read the state

of the system under control (plant) through the sensors,

(2) compute the corrections to bring the plant to the

desired state, (3) send the corrective commands through

the actuators. In addition, PLCs have a large user base

supported by a mature toolchain that provides various

programming languages, editors, compilers, debuggers

(e.g. Simatic [9]), and communication protocols (e.g. Profibus,

Profinet). Despite these advantages, traditional

PLCs are unable to interact directly with the external

world or processes. This feature is particularly important

for CPS applications that are characterized by geographically

distributed processes. In this section we introduce

the cyber-physical programming logic controller (CPS-

PLC) architecture that solves the problem of external

communication in traditional PLCs in order to satisfy

the requirements of modern CPS applications.

The distributed nature of CPS applications has profound

implications in traditional PLC systems. For example,

Figure 1(a) shows a heating, ventilation, and air

conditioning (HVAC) system of a building controlled by

an automation network composed by a PLC, HMI, and an

I/O module. Sensor/actuator data is read/written periodically

by the I/O module that communicates with the

PLC. The PLC is in charge of implementing the control

algorithm that maintains the building temperature at the

desired set point (set by the users through the HMI) by

turning on/off the HVAC system depending on the current

temperature specified by the temperature sensor.

Notice that in this configuration, the PLC is communicating

locally to other automation devices within the

building. Smart buildings are an emerging CPS application

where networked, intelligent, sensitive and adaptable

buildings maximize energy efficiency, comfort, and

safety [4]. This application requires more sophisticated

control algorithms that interact with external data such

as weather and utility company pricing information. Figure

1(b) shows the automation system that controls the

HVAC system of a smart building using CPS-PLCs. Notice

that this automation system communicates globally

to external and distant data sources including weather

and utility company pricing information.

The availability of external sources of data in the CPS-

PLCs accommodates more sophisticated control algorithms

that adapt to varying physical and market conditions.

These control algorithms often require simulation

of physical processes (e.g. building simulation) in order

to estimate optimal control strategies as shown in Figure

1(b). CPS-PLCs take advantage of physical simulation to

improve the accuracy of the control strategies and also

as the means for validation and verification of the control

code itself. Existing PLC engineering tools do not provide

simulation support and global communication support

and therefore we propose new model-based design tools

based on the existing PLC toolchain where the control

algorithms can be coupled to a physical simulation and

can communicate with external data sources.

2.1 Model-Based Engineering Tools for CPS-PLCs

We leverage the existing engineering tools for PLCs to

minimize implementation effort and, more importantly,

to provide the users the necessary extensions for CPS-

PLC programming in an environment they are familiar

with. Since most PLC vendors provide tools compatible

with the IEC 61131-3 standard, we use the concept of

function blocks (FBs) to provide the CPS-PLC functionality

in reusable and language independent components

that can be embedded in existing PLC programs including

Instruction List (IL), Structured Text (ST), Ladder

Diagram (LD), Function Block Diagram (FBD), and Sequential

Function Charts (SFC).

Figure 2 compares the traditional PLC application engineering

workflow with the proposed CPS-PLC workflow.

In the traditional PLC workflow shown in Figure

2(a), the automation engineer first communicates with

the mechatronics expert to understand the control and

system requirements. The control code and algorithms

create a PLC program that uses function blocks from a

reusable component library (typically provided by the

PLC vendor but extendable by the users). The PLC

toolchain consisting of editors, compilers, debuggers,

and optimizers transform the high-level PLC program

into executable code for the PLC. The PLC runtime is in

charge of executing this program to control a physical

system. An important aspect of the traditional PLC workflow

is that the communication between the mechatronics

expert and the automation engineer is often infor-

60

atp edition

4 / 2013

mal using ad-hoc tools such as Microsoft Word, Powerpoint,

and Excel.

Figure 2(b) shows the CPS-PLC workflow. Notice that

the automation engineer is now required to interact with

the web expertise and also with the mechatronics expert.

However, this interaction is formalized through object

references to external data from web services and simulation

models created with model based design (MBD)

tools. The formalization of the interaction between different

experts reduces the errors and improves the development

time of CPS control applications. It is important

to note that the web expertise may not be a person but

the body of knowledge necessary to make use of the web

technologies. The web is an environment that uses a large

variety of data formats, protocols, languages, and standards

different that those used in automation. Compared

FIGURE 1: Comparison

between PLC and CPS-PLC

in terms of data streams

including sensor, actuator,

external data sources,

and physical simulations

Utility

Data

Weather

Data

HMI

Actuator

Data

CPS-PLC

HMI

Sensor

Data

External

Data

PLC

CPS-PLC

3

Building

Equipment

Sensor

Actuator

(HVAC)

Sensor

Actuator

(HVAC)

2

Building

Building

Simulation

Smart

Building

CPS-PLC

a) The PLC architecture is designed to interact

with physical processes locally through

sensors and actuators.

b) The CP-PLC architecture interacts with highly distributed

physical processes and takes into consideration external data

and physical simulations which allows the implementation of

sophisticated control algorithms for CPS applications.

Control code

+

Simulation

1

External

weather data

FIGURE 3:

Smart Energy Box prototype using

a CPS-PLC to provide smart

energy strategies to buildings

using real-time weather data

and energy simulation executed

locally in the CPS-PLC for better

accuracy in the control algorithms

FIGURE 2: Difference between a) the traditional PLC workflow that uses informal

methods for communication of requirements and b) the CPS-PLC workflow that

formalizes the interaction between the Automation Engineer and external data sources

and simulation models facilitated by Web Expertise and a Mechatronics Expert

atp edition

4 / 2013

61

HAUPTBEITRAG

to the existing paradigm, web expertise is necessary

because new and critical aspects such as cybersecurity

need to be addressed properly.

To make use of external data and simulation models

in the CPS-PLC application, the automation engineer is

required to use new function blocks that provide the

mechanisms for external communication and simulation

to the CPS-PLC. These function blocks would typically

be developed by the CPS-PLC vendor and shipped

to the users in the form of reusable function blocks. With

more sources of data (historical or real-time) and highfidelity

physical simulations, the automation engineer

can now develop more sophisticated control algorithms

for CPS applications to create more efficient and intelligent

systems. Thanks to the use of function blocks, the

existing PLC toolchain can be reused to edit, compile,

debug, and optimize the CPS-PLC applications. Finally,

the CPS-PLC runtime converts the object references between

the external data sources and physical simulation

models into periodic communication with instances of

the external data stream and the simulation executable.

Notice that the simulation can be either executed locally

in the CPS-PLC or externally in a personal computer.

Local simulations can be beneficial to improve the accuracy

of control algorithms that require frequent interaction

with fast physical dynamic systems such as chemical

processes. The dynamic interaction between the

CPS-PLC with external data and external/local detailed

physical simulation opens new possibilities for the use

of this architecture in CPS applications.

The complexity of emerging and future CPS applications

calls for novel methods and tools that reduce the

development time and cost of control systems while maximizing

the efficiency of the overall system.

3. USE-CASE: SMART ENERGY BOX

The primary goal of the Smart Energy Box, a CPS-PLC,

is to analyze and provide smart energy strategies to the

FIGURE 4: Real-time weather data from NOAA

showing the next 73 hours in 1 hour intervals

FIGURE 5: Building Layout tool facilitates the

creation of building models that take into account

location, shape, height, occupancy of the building

and the installed lighting and HVAC equipment

100 ms scan

cycle time

1 ms scan

cycle time

FIGURE 6: Function blocks for

communication with external

data and for local communication

with a physical simulation

External data

function block

Simulation

function block

62

atp edition

4 / 2013

uilding automation system with the consideration

of current smart building energy analysis (simulation)

and the demand response events (external data).

It is possible to enable or disable strategy evaluation

or just to use energy simulation alone or just demand

response event alone. In the event of disabling both

energy simulation and demand response, the building

will run in the normal/default mode equivalent

to the functionality of a traditional PLC. Figure 3

shows our Smart Energy Box prototype. The CPS-PLC

(2) uses a Simatic Microbox PC running Simatic WinAC

that uses function blocks to communicate periodically

with external weather data (1) and to create

an interface with an energy simulation (2) running in

the controller. Once the control algorithm decides the

best energy optimization strategy, the CPS-PLC communicates

with the building equipment (3) using

standard I/O interfaces. It is important to notice that

the Smart Energy Box is a prototype to demonstrate

the capabilities of CPS-PLCs and although this example

is related to smart building applications, the

CPS-PLC architecture is applicable to manufacturing,

mobility, transportation, and other CPS applications.

3.1 External Data

Weather conditions have a direct impact in the energy

utilization of a building. The Smart Energy Box

must predict the energy usage based on a real-time

weather forecast and therefore we provide a weather

adapter as a function block for the CPS-PLC programmer

to access weather data streams through the internet

in real-time. The weather adapter is one of the

main components of the Smart Energy Box because

it provides two key functionalities: (1) retrieves the

weather forecast information through publicly available

web service; (2) converts and stores the weather

forecast information into the hourly weather data that

the Smart Energy Box control algorithm and the energy

simulation can use during runtime to provide accurate

energy utilization strategies that attempt to

minimize the cost, maximize the energy efficiency,

and to guarantee the occupancy comfort for the occupants

of the building.

Currently, the Smart Energy Box connects to the

National Oceanic and Atmospheric Administration

(NOAA) weather service [5] to retrieve real-time weather

data provided as 3-hour interval reports for the

next 72 hours and as 6-hour interval reports for the

next 168 hours. NOAA uses the National Digital Forecast

Database (NDFD) schema to deliver weather data.

The web expert is responsible for converting the data

with the NDFD schema into the internal weather representation

of the Smart Energy Box. Although not

currently implemented, the weather adapter of the

Smart Energy Box is capable of fetching weather data

from other sources such as Weather Underground [21].

Figure 4 shows a snapshot of the real-time weather

data that is imported by the Smart Energy Box for

Princeton, NJ, USA location from NOAA. The Smart

Energy Box UI is a tool that we developed for the web

expert to facilitate the data conversion between weather

data formats.

REFERENCES

[1] University of California, Cyber-Physical Systems. 2012.

http://cyberphysicalsystems.org/

[2] Rajkumar, R., Lee, I., Sha, L., Stankovic, J. A.: Cyberphysical

systems: the next computing revolution. In:

Proc. 47th Design Automation Conference (DAC), 2010,

S. 731–736. ACM-Verlag 2010.

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Programming Languages, 2011. http://www.iec.ch

[4] Siemens: Smart Buildings – the future of building technology.

2012. http://www.youtube.com/watch?v=gCuPx9shWT0

[5] NOAA: National Digital Forecsat Database.

http://www.nws.noaa.gov/ndfd/

[6] Canedo, A., Dalloro, L., Ludwig, H.: Pipelining for Cyclic

Control Systems. In: Proc. ACM/IEEE Hybrid Systems:

Computation and Control (HSCC 2013), in print. IEE 2013

[7] Mathworks: Simulink. 2012.

http://www.mathworks.com/products/simulink/

[8] Mathworks: Simulink PLC Coder. 2012.

http://www.mathworks.com/products/sl-plc-coder/

[9] Siemens: Automation Technology. 2012.

http://www.automation.siemens.com

[10] Navet, N., Monot, A., Bavoux, B., Simonot-Lion, F.: Multi-source

and multicore automotive ECUs – OS protection mechanisms and

scheduling. In: Proceedings IEEE International Symposium on

Industrial Electronics (ISIE), S. 3734-3741. IEEE 2010.

[11] Wetter, M.: A Modelica-based Model Library for Building

Energy and Control Systems. In: Proc. 11th IBPSA Conference,

S. 652-659. IBPSA 2009.

www.ibpsa.org/proceedings/bs2009/bs09_0652_659.pdf

[12] Eisenhower, B., Gasljevic, K., Mezic, I.: Control-Oriented

Modeling and Calibration of Building Energy Models Using

Modelica. In: Proc. 5th SimBuild Conference, S. 112-119.

IBPSA-USA 2012. www.ibpsa.us/simbuild2012/Papers/

SB12_TS02b_2_Eisenhower.pdf

[13] Liberatore, V., Al-Hammouri, A.: SmartGrid Communication

and Co-simulation. IEEE Energytech, S. 1-5, 2011

[14] Sztipanovits, J.: Model Integration Languages: Cyber-

Physical Systems Challenge for Model-based Design. In: ACM/

IEEE 15th International Conference on Model Driven Engineering

Languages & Systems (MODELS), Keynote Speech. 2012

[15] Booth, A., Demirdoven, N., Tai, H.: The Smart Grid Opportunity

for Solution Providers. In: McKinsey on Smart Grid, S. 45-52.

McKinsey 2010.

[16] Intel Corporation: Migrating Industrial Applications to

Multi-core Processors. 2011.

http://download.intel.com/platforms/applied/indpc/319580.pdf

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http://www.ti.com.

[18] Freescale: QorIQ Processing Platforms - Industrial.

http://www.freescale.com.

[19] Goswami, D., Schneider, R., Chakraborty, S.: Co-design of cyberphysical

systems via controllers with flexible delay constraints.

In: Proc. of the 16th Asia and South Pacific Design Automation

Conference (ASPDAC ’11), S. 225-230. IEEE-Publisher 2011

[20] Al Faruque, M.A., Dalloro, L., Zhou. S., Ludwig, H., Lo, G.:

Managing Residential-Level EV Charging Using Networkas-Automation

Platform (NAP) Technology. In: IEEE International

Electric Vehicle Conference (IEVC 2012), S. 1-6. IEEE 2012

[21] Weather Underground, Weather API,

http://www.wunderground.com/weather/api/ S. 1-6. IEEE 2012

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63

HAUPTBEITRAG

3.2 Simulation Model

The building modeling begins with our building layout

tool that allows building designers (analogous to the mechatronics

experts in Figure 2) to visually create the

shape of a building in a map as shown in Figure 5. The

user draws the perimeter polygon on the map, and specifies

the number of floors, the occupancy, lighting, and

HVAC configuration. These parameters are used to populate

the simulation parameters of a Matlab/Simulink

[7] model that describes the energy dynamics of the building.

Using the Mathworks code generator [8], the Matlab/

Simulink model can be translated into Structured Text

and executed directly in the CPS-PLC or, alternatively,

compiled into an executable simulation object that is

executed in a personal computer and periodically communicates

with the control code executed in the CPS-

PLC runtime.

3.3 Function blocks

A very important design aspect of CPS-PLC is to reuse

the PLC toolchain and to provide the extra functionality

through reusable function blocks that users can

embeded in their applications to develop more sophisticated

algorithm and control strategies. Figure 6

shows two function blocks “FC1 check network for

updates” and “FC2 StepV” that provide connectivity

to external data sources (weather data) and to the local

simulation (thermal-energy). Notice that both function

blocks are assigned to the standard automation task

(OB1 and OB35) and this allows cyclic communication

every 100 ms and 1 ms. The simulation function block

is configured to 1 ms in order to achieve a real-time

interaction between the simulated physical process

and the controller.

CONCLUSION

This paper introduces the cyber-physical programmable

logic controller (CPS-PLC), a hard real-time cyclic

control architecture based on traditional PLCs that satisfies

the requirements of emerging and future CPS

applications. By allowing communication with external

and geographically distributed data streams, and by

providing a mechanism to couple control code with physical

simulations, the CPS-PLC architecture accommodates

more sophisticated control algorithms to improve

the performance of systems. We also present a CPS-PLC

toolchain that, based on the existing PLC languages,

extends their functionality through reusable components

in the form of function blocks. Using a smart building

CPS application, we demonstrated how our architecture

uses a model-based design approach to develop

complex control strategies that optimize the energy

consumption of a smart building. CPS-PLC is also applicable

to a broad range of emerging CPS applications

including smart grid and energy applications [20].

MANUSKRIPTEINGANG

05.12.2012


ACKNOWLEDGEMENTS

The authors thank Prasad Mukka, Florian Ersch,

and Mike Veldink from Siemens Corporation,

Corporate Technology, for their support with the

implementation of the CPS-PLC in the smart

building CPS application.

AUTHORS

Dr. ARQUIMEDES CANEDO (born in 1981) is a Staff Scientist

at the Technology Field Automation and Control of Siemens

Corporate Technology.

Siemens Corporation,

Corporate Technology,

755 College Road East, Princeton, USA, 08540,

Tel. +1 609 734 33 17,

E-Mail: arquimedes.canedo@siemens.com

Dr. GEORGE LO (born in 1950) is a Senior Principal

Key Expert Engineer in the Field of Automation and

Control at Siemens Corporate Technology



755 College Road East,

Princeton, USA, 08540

Dipl. Math. GEORG MÜNZEL (born in 1956) is the Head of the

Research Group Automation Engineering 1 in the Technology

Field Automation and Control of Siemens Corporate Technology.





THOMAS GRÜNEWALD (born in 1970) is a Project

Manager in the Field of Automation and Control at

Siemens Corporate Technology





64

atp edition

4 / 2013

KNOWLEDGE

for the FUTURE

Qualified reading

for automation

experts

Process Control Systems Engineering

Process Control Systems (PCS) are distributed control systems

(DCS) that are specialized to meet specific requirements of the

process industries.

The text book focuses on PCS engineering basics that are common

to different domains of the process industries. It relates to an

experimental research plant which serves for the exploration

of the interaction between process modularization and process

automation methods. This permits to capture features of highly

specialized and integrated mono-product plants as well as

application areas which are dominated by locally standardized

general-purpose apparatus and multi-product schemes. While

the text book’s theory is applicable for all PCS of different

suppliers, the examples refer to Siemens’ control system PCS 7.

Focusing on a single PCS enables readers to use the book in basic

lectures on PCS engineering as well as in computer lab courses,

allowing students to gain hands-on experience.

Editor: L. Urbas

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

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