atp edition Prozesssimulation im Automatisierungssystem (Vorschau)

11 / 2013 

55. Jahrgang B3654 

DIV Deutscher Industrieverlag GmbH 

Automatisierungstechnische Praxis 

Prozesssimulation im 

Automatisierungssystem | 26 

Handlungsorientiertes 

Werkzeugmaschinen-HMI | 32 

Fähigkeiten adaptiver 

Produktionsanlagen | 42 

Plug-and-produce von 

Feldbuskomponenten | 50 

Geräteintegration und 

-management | 58

VigilantPlant: 

das Automatisierungskonzept von Yokogawa 

Im Sinne der klassischen Automatisierungspyramide stellen die vier Initiativen 

von VigilantPlant Ihren Weg zur Operational Excellence sicher. 

Besuchen Sie uns vom 26.11. bis 28.11. 

auf der Fachmesse SPS IPC Drives 2013 

in Nürnberg, Stand 7-170 

Yokogawa Deutschland GmbH · Broichhofstraße 7-11 · D-40880 Ratingen 

Telefon +49(0)2102- 4983-0 · Telefax +49(0)2102- 4983-22 

www.yokogawa.com/de · info@de.yokogawa.com

EDITORIAL 

Wachsam sein, denn: 

„Only the paranoid survive“ 

Diesen Ausspruch soll Andrew S. Grove, früherer CEO von Intel Corp, getan 

haben. Er meinte damit, um langfristig erfolgreich zu sein, müssen Unternehmen 

gewisse „neurotische“ Wahrnehmungen entwickeln, also auf der Hut 

sein und aktuelle Entwicklungen verfolgen. 

Die Namur-Hauptsitzung 2013 dreht sich um das Thema Integrated Engineering, 

das die Siemens AG als Hauptsponsor ausdrücklich unterstützen möchte. 

Konkret geht es bei der diesjährigen Sitzung um die Integration von Engineering-Werzeugen. 

Die Namur-Empfehlung NE 139 „Informationsschnittstellen 

in der Prozessautomatisierung“ enthält Kriterien für diese Integration und 

die dazugehörigen Schnittstellen. Integrated Engineering hat sich zum Schwerpunkt 

für die gesamte Automatisierungstechnik entwickelt. Alle Prozess- und 

Anlagendaten einmalig einzugeben, diese über alle Gewerke und den gesamten 

Lebenszyklus in allen Tools konsistent zu halten, eröffnet ungeahnte Effizienzpotenziale. 

Eine Schnittstelle zwischen CAE (Computer Aided Engineering) 

und DCS (Prozessleitsystem) haben wir mit Integrated Engineering zwischen 

Comos und Simatic PCS 7 geschaffen. 

Auch wird Integrated Engineering mit der Vision „Industrie 4.0“ verknüpft, 

was laut Studien zu einem Produktivitätszuwachs in der Fertigung von bis zu 

50 Prozent führen soll. Andere US-Quellen behaupten, dass das „industrielle 

Internet“ Wachstum von drei Prozent generieren und die Einkommen der 

Menschen um bis zu 30 Prozent erhöhen könnte. Und der Ansatz „Cyber- 

Physical Systems“ der digitalen Fertigung soll Produktion und Arbeitswelt 

revolutionieren. Wer möchte bei der Ausschöpfung dieser wirtschaftlichen 

Möglichkeiten nicht dabei sein? 

„Industrie 4.0“ ist aber eine Vision und der Weg dahin noch lang und voller 

Herausforderungen. Das weltweite Datenvolumen wird sich in fünf Jahren um 

das 25-Fache erhöhen. Das Breitbandnetz zur stabilen Datenkommunikation 

mit hoher Verfügbarkeit und Informationssicherheit muss dazu erst noch eingeführt 

werden. Auch Themen wie digitale Spionage, Hackerangriffe im Netz 

oder in der Cloud müssen wir uns in den nächsten Jahren stellen. 

Technisch bietet Integrated Engineering großen Reiz für Ingenieure wie für 

Informatiker, denn die Integration aller an der Produktion beteiligten Komponenten 

ist noch lange nicht abgeschlossen. Es wird immer wieder neue Komponenten, 

Technologien, Standards und andere Fachgebiete geben, die in die 

Automatisierung zu integrieren sind: Denken wir beispielsweise an das Gerätemanagement 

mit PDM, eCl@ss oder die Integration mit EDDL und FDT zu 

FDI oder im Bereich der Kommunikation an Profibus, Profinet, Fieldbus oder 

Wireless. Was ist mit Rohrleitungen, Stromlaufplänen und den vielen nicht 

intelligenten Geräten einer Anlage (Pumpe, Wärmetauscher)? Bis diese realen 

Komponenten ein digitales Abbild haben, alle miteinander vernetzt sind und 

dann noch problemlos miteinander kommunizieren, haben wir noch viele 

Hausaufgaben zu machen. Und damit nenne ich nur einige der Themen, mit 

denen wir uns auf der Namur-Hauptsitzung beschäftigen. 

Sie sehen, die Betätigungsfelder gehen uns nicht aus – und hoffentlich auch 

nicht die Kreativität. Es braucht „wahnsinnig“ viele gute Ideen, die Herausforderungen 

ganzheitlicher Kommunikation, einheitlicher Datenbasis, integrierter 

Workflows oder autonomer Entscheidungen in der Produktion zu meistern. 

Es bleibt also spannend! 

Ich freue mich auf die Diskussionen. 

AXEL LORENZ, 

Siemens AG, 

Leiter Prozessautomatisierung, 

Industrial Automation Division 

atp edition 

11 / 2013 

3

INHALT 11 / 2013 

VERBAND 

6 | Zweites Treffen europäischer Anwender der 

Automatisierungstechnik in der Prozessindustrie 

Achema 2015: Wasser, Prozessanalytik und 

Biobased World werden die Schwerpunkte 

7 | Jürgen Amedick und Roland Bent stehen ZVEI-Fachbereichen vor / 

Security wird ZVEI-Thema auf der SPS 

BRANCHE 

8 | Kumpfmüller steigt mit guten Nachrichten ein: 

Aufschwung in der Prozessautomation hält an 

Call for atp experts: Schutzziele und Schutzkonzepte 

9 | Wo stehen wir auf dem Weg zur Smart Factory? 

Pickhardt Leiter des GMA-Ausschusses 6.22 

FORSCHUNG 

10 | Wie Uhrzeit synchronisiert wird – Standard 

IEEE-1588 in Ostwestfalen-Lippe weiterentwickelt 

11 | AALE 2014 ruft zur Beitragseinreichung 

rund um Ideen in der Automatisierung auf 

Kommunikation in der Automation: Jahreskolloquium 

tagt am 13. und 14. November 2013 

12 | Computational Intelligence – Einführung in 

Probleme, Methoden und technische Anwendungen 

RUBRIKEN 

3 | Editorial 

66 | Impressum, Vorschau 

4 


11 / 2013

PRAXIS 

13 | Kompletteinsatz im Gasbereich: Gas speicher 

mit Automatisierungstechnik ausgerüstet 

14 | Energieversorgungsunternehmen modernisiert 

sichere Stromerzeugung aus Wasserkraft 

18 | Grün zahlt sich aus: Kanadischer Papierhersteller 

spart Energie mit modernisiertem 

Antriebssystem 

20 | Dosiereinheiten Dosimass inklusive Steuerung 

für Vakuumprozessanlagen in Brasilien 

22 | Flexibel und verbindlich: 

Agiles V-Modell bündelt Vorteile bei 

der Entwicklung von Software 

24 | Innovation spart 40 Prozent Bauraum 

im Schalt schrank verglichen mit den 

vorherigen Baugrößen 

Produkte, 

Systeme 

und Service 

für die 

Prozessindustrie? 

Natürlich. 

HAUPTBEITRÄGE 

26 | Prozesssimulation im 

Automatisierungssystem 

M. SEITZ 

32 | Handlungsorientiertes 

Werkzeugmaschinen-HMI 

W. HERFS, D. KOLSTER UND W. LOHSE 

42 | Fähigkeiten adaptiver Produktionsanlagen 

J. PFROMMER, M. SCHLEIPEN UND J. BEYERER 

50 | Plug-and-produce von 

Feldbuskomponenten 

K. KRÜNING UND U. EPPLE 

58 | Geräteintegration und -management 

H. RACHUT, S. RUNDE, A. JUSTUS, J. FICKER, R. LANGE, 

K. SCHNEIDER UND H. RICHTER 

Zum Beispiel der magnetischinduktive 

Durchflussmesser 

ProcessMaster. Er setzt neue 

Maßstäbe mit umfangreichen 

Diagnosemöglichkeiten, einer 

Messabweichung von 0,2 %, 

Explosionsschutz sowie der 

ScanMaster-Software. Erfahren 

Sie mehr über die erste Wahl in 

der Durchflussmessung für die 

Prozessindustrie: 

www.abb.de/durchfluss 

Wussten Sie, dass Ihnen ABB 

neben dem umfassenden Portfolio 

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maßgeschneiderte Leitsysteme 

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VERBAND 

Zweites Treffen europäischer Anwender der 

Automatisierungstechnik in der Prozessindustrie 

Erneut haben sich am 9. September 2013 in Brüssel Vorstandsmitglieder 

und Geschäftsführer der europäischen 

Anwender-Verbände der Automatisierungstechnik 

in der Prozessindustrie getroffen. Die Vertreter von EI, 

Exera, WIB und Namur besprachen in ihrem zweiten Treffen 

den aktuellen Status der im Vorjahr identifizierten 

gemeinsamen Handlungsfelder. 

Nach einem kurzen Update zu allen beteiligten Organisationen 

ermittelten die Experten in einer gemeinsamen 

Swot-Analyse Stärken und Schwächen der heutigen Verbände. 

Mögliche gemeinsame Betätigungsfelder aber auch 

aktuelle Hindernisse wurden erfasst. Die intensive Diskussion 

galt unter den Beteiligten als Zeichen für das 

bereits gebildete Vertrauen zueinander. 

Die Beteiligten stellten bei ihrem Treffen fest, dass auf 

operativer Ebene im vergangenen Jahr der intensive Austausch 

auf gemeinsamen Handlungsfeldern vorangetrieben 

wurde. So steckt ein zusammen erarbeitetes Dokument 

zu Functional Safety bereits in der Entwicklung, 

das Steuerungstreffen zu IT Security fand statt und der 

Erfahrungsaustausch zur Auswahl von Durchflussmessern 

ist bereits erfolgreich abgeschlossen. Außerdem 

konnten die Entscheider beim Alarm Management Einfluss 

auf die internationale Normung nehmen. 

Im Ergebnis der Sitzung bestimmten die Beteiligten 

weitere gemeinsame Themen. Sie bestätigten die Zusammenarbeit 

in den Gebieten Effective Engineering Tools, 

Final Elements und Process Control. Bei MES und BPCS 

(Basic Process Control Systems) gilt es nun neue Ansprechpartner 

zusammenzubringen, um gemeinsame 

Arbeitsgruppen zu gründen. 

Um das Bestreben nach einer engeren Zusammenarbeit 

zu unterstreichen, beschlossen die internationalen Verbände 

eine gemeinsame Kooperationsvereinbarung zu 

erarbeiten. Die Namur sieht dies als Beweis dafür, dass 

alle Partner von der Bündelung internationaler Kräfte 

überzeugt sind, um die Interessen der Anwender der Automatisierungstechnik 

in der Prozessindustrie gemeinsam 

zu vertreten. 

(ahü) 

NAMUR – NUTZEN AUS PROZESSLEITTECHNIK, 

Geschäftsstelle, Bayer Technology Services GmbH, 

OSS-Liaison, D-51368 Leverkusen, K 9, 

Tel.+49 (0) 214 307 10 34, Internet: www.namur.de 

Achema 2015: Wasser, Prozessanalytik und 

Biobased World werden die Schwerpunkte 

AM STAND DER 

INITIATIVE 

BIOTECHNIKUM des 

Bundesministeriums 

für Bildung und 

Forschung auf der 

Achema 2012. 

Bild: Veranstalter 

Mit drei Schwerpunktthemen tragen wir der Breite der 

Achema Rechnung und richten gleichzeitig den 

Scheinwerfer auf Entwicklungen, die die Prozesstechnologie 

grundlegend verändern“, sagt Dr. Thomas Scheuring, 

Geschäftsführer der Dechema Ausstellungs-GmbH. 

Prozessanalytik, industrielle Wassertechnik und die biobasierte 

Produktion sind Schwerpunkte der Messe für die 

Prozessindustrie, die vom 15. bis 19. Juni 2015 in Frankfurt 

am Main stattfindet. Sonderpublikationen und das 

Kongressprogramm sollen einen besonderen Fokus auf 

Innovationen in diesen Bereichen quer durch alle Ausstellungsgruppen 

legen. Auch Themen der Labor- und 

Analysentechnik bis zu Verpackungsmaschinen, Pumpen 

und Armaturen sowie alle Bereiche der Verfahrenstechnik 

bis zum Anlagenbau stehen auf der Agenda. 

Prozessanalytik liefert Informationen für die Prozessoptimierung 

und Prozessautomation und macht so Veränderungen 

in der Prozessführung wie die Einführung von „Quality 

by design“ möglich. Von der Labor- und Analysentechnik 

über die Mess- und Regeltechnik bis hin zu den Verfahrensentwicklern 

und den Zulieferern ist der Beitrag vieler Disziplinen 

gefragt, um die Möglichkeiten voll auszuschöpfen. 

Ob „zero liquid discharge“ oder emissionsarme Produktion, 

längst schon geht es bei der industriellen Wassertechnik 

nicht mehr darum, einen Filter ans Abwasserrohr zu 

setzen. Stattdessen stehen Konzepte für ein kosten- und 

energieeffizientes integriertes Wassermanagement im Fokus 

der Entwicklungen. Die Rückgewinnung von Energie, Rohund 

Wertstoffen, der Umgang mit Konzentraten und die 

Planung und Steuerung von Wasser- und Stoffströmen sind 

zentrale Fragen. Sie treiben Verfahrenstechniker und Materialwissenschaftler 

ebenso um wie Chemiker, Anlagenplaner 

und Steuerungsexperten. Zusätzliche Herausforderungen 

schaffen neue Produktionsprozesse und wachsende 

Sparten wie die industrielle Biotechnologie, die ganz neue 

Anforderungen an die industrielle Wassertechnik stellen. 

Die „BiobasedWorld“ bildet wie schon 2012 die biobasierte 

Produktion ab, die nach wie vor ein wesentliches 

Thema für Forschung und Industrie ist. Der Übergang in 

eine biobasierte Wirtschaft ist ohne biotechnologische 

Methoden nicht denkbar. Neben der Forschung und der 

Prozessentwicklung sind aber auch die Hersteller von Komponenten, 

die Anlagenbauer und die Mess- und Regeltechniker 

gefragt, um die Vision einer Bioökonomie Wirklichkeit 

werden zu lassen. 

(ahü) 

DECHEMA AUSSTELLUNGS-GMBH, 

Theodor-Heuss-Allee 25, D-60486 Frankfurt am Main, 

Tel. +49 (0) 69 756 41 00, Internet: www.achema.de 

6 


11 / 2013

Jürgen Amedick und Roland Bent stehen ZVEI- 

Fachbereichen vor / Security wird ZVEI-Thema auf der SPS 

Jürgen Amedick ist neuer Vorsitzender des ZVEI-Fachbereichs 

Elektrische Antriebe. Der Geschäftsführer des 

Geschäftsgebiets Large Drives der Siemens AG folgt damit 

Klaus Helmrich, ebenfalls Siemens AG. „Meine Aufgabe 

ist es, die Rahmenbedingungen so zu gestalten, dass diese 

starke Branche auch zukünftig wettbewerbsfähig ist. 

So wird zum Beispiel bei der Energieeffizienz mehr das 

Antriebssystem im Fokus stehen. Ziel unserer Arbeit ist 

auch, die Antriebstechnik auf Herausforderungen wie 

Industrie 4.0 vorzubereiten“, erklärt Amedick. Neu in den 

Vorstand gewählt wurden Jürgen Sander (Geschäftsführer 

der VEM Motors GmbH), Karl-Peter Simon (Geschäftsführer 

und Vorstand der Bauer Gear Motor GmbH) und Christian 

Wendler (Mitglied des Vorstands der Lenze SE). Im 

Fachbereich Elektrische Antriebe sind alle führenden 

Hersteller von Elektromotoren und Hersteller von Antriebsstromrichtern 

(Frequenzumrichter) organisiert. Im 

Mittelpunkt steht der Meinungs- und Erfahrungsaustausch 

über die Produkt- und Marktentwicklung sowie 

über Richtlinien und Normen. 

Außerdem hat die Mitgliederversammlung des ZVEI- 

Fachbereichs Schaltgeräte, Schaltanlagen, Industriesteuerungen 

Roland Bent (Phoenix Contact) für weitere drei 

Jahre als Vorsitzenden bestätigt. Zum stellvertretenden 

Vorsitzenden neu gewählt wurde Rudolf Cater (Hensel) 

und im Amt bestätigt wurde Eckard Eberle (Siemens). 

„Mittelfristig erwarten wir in unserem Segment wieder 

Wachstum", gibt sich Bent optimistisch. „Die anstehenden 

Herausforderungen wie Elektromobilität, Ausbau der Erneuerbaren 

Energien, Umbau der heutigen Stromnetzinfrastruktur 

zu Smart Grids und die Sicherung einer leistungsfähigen 

Transportinfrastruktur werden ohne unsere 

Anlagen und die dazugehörende Sensorik nicht 

möglich sein." Cater unterstreicht diese Einschätzung: 

„Eigenstromverbrauch und Energiespeicherung werden 

an Bedeutung gewinnen – auch in der Industrie. Dies wird 

das Geschäft mit Energieverteilungsanlagen beleben.“ 

JÜRGEN AMEDICK 

ist neuer Vorsitzender 

des 

ZVEI-Fachbereichs 

Elektrische Antriebe. 

Aktuelle Themen greift 

der Zentralverband Elektrotechnik- 

und Elektronikindustrie 

übrigens auf der bevorstehenden 

Messe SPS 

IPC Drives auf. Der Verband 

will mithilfe des Bundesamts 

für Sicherheit in der 

Informationstechnik (BSI) 

auf seinem Stand in Halle 10 

das Thema Security in den 

Mittelpunkt rücken. Dazu 

wird in Nürnberg das ICS 

(Industrial Control Systems)- 

Security-Kompendium vorgestellt. 

Das Dokument soll eine gemeinsame Basis für 

IT-Sicherheits- und ICS-Experten schaffen und ihnen 

den Zugang zum Thema IT-Sicherheit in der Produktion 

ermöglichen. 

Weitere Schwerpunkthemen der Diskussionsrunden 

auf der Messe sind Industrie 4.0 und Energieeffizienz. 

Täglich stellt der Verband dazu erste Projektansätze und 

Praxisbeispiele verschiedener Industrie-4.0-Projekte vor. 

Die Veranstaltungsreihe ‚Security meets Industry‘ beinhaltet 

Kurzvorträge und Live-Demonstrationen mit den 

Schwerpunkten ‚Basismaßnahmen für IT-Sicherheit in 

der Produktion‘, ‚Internet-verbundene Systeme im Produktionsumfeld‘ 

und ‚Security-Audits im Produktionsumfeld‘. 

Um die internationale Standardisierung geht es 

unter dem Titel ‚IT Security Anforderungen aus Industrie 

4.0 – was leistet die IEC 62443?‘ am Donnerstag. (ahü) 

ZVEI – ZENTRALVERBAND ELEKTROTECHNIK- 

UND ELEKTRONIKINDUSTRIE E.V., 

Lyoner Straße 9, D-60528 Frankfurt am Main, 

Tel. +49 (0) 69 630 20, E-Mail: zvei@zvei.org, 

Internet: www.zvei.org 

ROLAND BENT 

führt weiter den 

ZVEI-Fachbereich 

Schaltgeräte an. 

Bilder: ZVEI 

INTELLIGENT FIELdbus 

KEEps Your procEss ruNNING 

Halle 7A 

stand 338 

Zukunftstechnologie für mehr Verfügbarkeit 

▪ 

Advanced Diagnostic Gateways mit I/O Funktion 

▪ Segment Protectoren mit intelligenter Fehlerisolation 

▪ Diagnosefähiger Blitzschutz mit Leittechnikanbindung ohne 

wiederkehrende Prüfungen 

▪ Leckagesensoren für garantiert wasserdichte Installationen 

Feldbus mit intelligenter diagnose: www.pepperl-fuchs.de/intelligent-fieldbus 


11 / 2013 

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BRANCHE 

Kumpfmüller steigt mit guten Nachrichten ein: 

Aufschwung in der Prozessautomation hält an 

DIE CHEMIEINDUSTRIE und ihre Anlagen 

gehören zum Umsatztreiber bei der elektrischen 

Automation. Bild: Torsten Bogdenand / pixelio.de 

HANS-GEORG KUMPFMÜLLER folgt auf 

Michael Ziesemer als Fachbereichsvorsitzender 

Messtechnik und Prozessautomatisierung 

im ZVEI. Bild: ZVEI 

Das fünfte Wachstumsjahr in Folge für die elektrische 

Prozessautomation erwarten die Experten des ZVEI- 

Fachbereichs Messtechnik und Prozessautomatisierung. 

„Wir rechnen dieses Jahr mit einem Wachstum von vier bis 

fünf Prozent bei den weltweiten Auftragseingängen", sagte 

der neu gewählte Fachbereichsvorsitzende Hans-Georg 

Kumpfmüller im Rahmen der Mitgliederversammlung. 

Kumpfmüller (CEO der Business Unit Sensors und Communication 

der Siemens AG Industry Automation) folgt 

als Fachbereichsvorsitzender auf Michael Ziesemer 

(Endress+Hauser), der sich als designierter ZVEI-Präsident 

nicht wieder zur Wahl stellte. Neu im Vorstand vertreten 

sind Nikolaus Krüger (Endress+Hauser), Dr. Dirk Steinmüller 

(Knick) und Johannes Kalhoff (Phoenix Contact). 

Im Vorstand bestätigt wurden Daniel Huber (ABB), Stephan 

Neuburger (Krohne) und Günter Kech (Vega). 

Das Thema ‚Industrie 4.0‘ möchte Kumpfmüller besonders 

vorantreiben und fordert eine stärkere Auseinandersetzung 

mit den Herausforderungen der modularisierten 

Produktion für die Prozessautomation. „Das Thema bietet 

neben Risiken vor allem auch große Chancen für die Prozessautomatisierer“, 

so Kumpfmüller. 

Derzeit ist das Wachstum der Hersteller von Geräten 

und Lösungen der Prozessautomation weltweit verteilt. 

Spitzen liegen in Brasilien, Kolumbien, Australien und 

Südostasien. Auch das China-Geschäft hat wieder angezogen. 

Die USA und Russland tragen ebenfalls zum 

Wachstum bei. Afrika gewinnt an Bedeutung für die 

Prozessautomation, vor allem die öl- und rohstoffreichen 

Länder in West-, Zentral- und Südafrika. Das Geschäft 

in Deutschland weist wie in Gesamteuropa ganz leichtes 

Wachstum auf. 

Für das weltweite Wachstum sind vor allem die Branchen 

Öl und Gas, Chemie sowie Pharma verantwortlich. Die Segmente 

Nahrungsmittel sowie Wasser/Abwasser liegen im 

mittleren Wachstumsbereich. Eher schlecht laufen die Geschäfte 

in den Bereichen Papier- und Zellstoffherstellung 

sowie der Hüttenindustrie. Der Blick auf die Produktgruppen 

zeigt leicht überdurchschnittliches Wachstum bei der 

Prozessanalytik, insbesondere der Gasanalyse. (ahü) 

ZVEI – ZENTRALVERBAND ELEKTROTECHNIK- UND 

ELEKTRONIKINDUSTRIE E.V., 

Lyoner Straße 9, D-60528 Frankfurt am Main, 

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

Call for atp experts: Schutzziele und Schutzkonzepte 

IN AUSGABE 56(5) DER ATP EDITION im 

Mai 2014 befasst sich mit Schutzzielen und 

Schutzkonzepten. Die Erfüllung von Schutzzielen 

durch die Ableitung, Entwicklung und 

Implementierung von effektiven und effizienten 

Schutzkonzepten ist ein wichtiges 

Element der Automation. Die Ausgabe 56(5) 

der atp edition im Mai 2014 diskutiert aktuelle 

Innovationen bei Beschreibungsmitteln, 

Methoden, Werkzeugen und Werkzeugketten 

in diesem Umfeld. Ihre Beiträge beschreiben 

beispielsweise Herausforderungen 

und Anforderungen, stellen neuartige 

Sicherheitsarchitekturen oder Ansätze 

zur formalen Beschreibung von Schutzzielen 

und Schutzanforderungen zur Verifikation 

von Konzept und Implementierung vor, 

diskutieren Potenzial und Grenzen innovativer 

modellbasierter Schutzkonzepte, integrierter 

Engineeringansätze, Methoden und 

Vorgehensmodelle die das gesamte Lebenzyklusmanagement 

abdecken . 

Wir bitten Sie bis zum 20.12.2013 zu diesem 

Themenschwerpunkt einen gemäß den 

Autorenrichtlinien der atp edition ausgearbeiteten 

Hauptbeitrag per eMail an 

urbas@di-verlag.de einzureichen. 

Die atp edition ist die hochwertige Monatspublikation 

für Fach- und Führungskräfte der 

Automatisierungsbranche. In den Hauptbeiträgen 

werden die Themen mit hohem wissenschaftlichem 

und technischem Anspruch 

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. 

Redaktion atp edition 

Leon Urbas, Anne Purschwitz, 

Aljona Hartstock 

CALL FOR 

Aufruf zur Beitragseinreichung 

Thema: Schutzziele und Schutzkonzepte 

Kontakt: urbas@di-verlag.de 

Termin: 20. Dezember 2013 

8 


11 / 2013

Wo stehen wir auf dem 

Weg zur Smart Factory? 

Big Data, Industrie 4.0, Konsum 2020 und Sustainability 

sind einige der Trends in der Elektronikindustrie. 

Bei den Idea/FBDi-Trendtagen 2013 am 28. und 

29. November 2013 in München sollen dazu nun die 

Fragen beantwortet werden: Wo stehen wir wirklich auf 

dem Weg zur digitalen „Smart Factory“? Wie ist Europas 

sinkende Bedeutung im globalen High-Tech zu bewerten, 

und wann wacht die europäische Elektronikindustrie 

endlich aus ihrem Dornröschenschlaf auf? 

Das Expertentreffen bündelt dazu, laut dem veranstaltenden 

Fachverband der Bauelemente Distribution 

(FBDi e.V.), umfangreiches Wissen aus unterschiedlichen 

Branchen und zeigt Lösungsstrategien, mit denen 

Unternehmen Herausforderungen meistern. Neben industriespezifischen 

Vorträgen stehen auch gesellschaftliche 

Themen auf dem Programm. So skizziert Trendanalytiker 

Dr. David Bosshart vom Gottlieb Duttweiler 

Institute in Zürich, wie sich die Konsumgesellschaft 

der Zukunft radikal verändern wird. Individualisierung, 

Nachhaltigkeit und Convenience rücken in den 

Mittelpunkt des Verbraucherdenkens, so dass sich Unternehmen 

mehr und mehr über wirklich neue Produkte 

und relevante Dienstleistungen etablieren müssen. 

Prof. Dr. Norbert Bolz von der TU Berlin greift in seiner 

Keynote das viel diskutierte Phänomen Big Data auf 

und zeigt wie die Datenflut Prognosen über Kaufverhalten 

ermöglicht. Die Themen Nachhaltigkeit und Umwelt 

sollen die Agenda abrunden. So dreht sich in der Podiumsdiskussion 

alles um die Frage, wie politische Regularien 

die europäische Elektronikindustrie in Sachen 

Innovation ausbremsen oder antreiben werden. (ahü) 

Unser 

Know-how 

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Tel. +49 (0) 8165 67 02 33, 

Internet: www.fbdi.de/trendtage 

Pickhardt Leiter des 

GMA-Ausschusses 6.22 

Prof. Dr.-Ing. Rainer Pickhardt leitet nun den Fachausschuss 

6.22 Prozessführung und gehobene Regelungsverfahren 

des Fachbereichs Engineering und 

Betrieb automatisierter Anlagen der VDI/VDE-Gesellschaft 

Mess- und Automatisierungstechnik (GMA). Dr.- 

Ing. Sebastian Gaulocher wurde zu seinem Stellvertreter 

gewählt. Pickhardt ersetzt Dr.-Ing. Karsten Schulze, 

der wegen seiner Auslandstätigkeit nicht mehr zur 

Verfügung steht. Der Fachausschuss verabschiedete die 

Richtlinie VDI/VDE 3685 Blatt 2 Adaptive Regler-Erläuterungen 

und Beispiele. Sie wird voraussichtlich im 

Dezember 2013 veröffentlicht. 

(ahü) 

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FORSCHUNG 

Wie Uhrzeit synchronisiert wird – Standard 

IEEE-1588 in Ostwestfalen-Lippe weiterentwickelt 

Leistungssteigernde Protokollfunktionen auf Sitzung des IEEE-Arbeitskreises diskutiert 

AUCH DRUCK- 

MASCHINEN 

können dank 

hochgenauer 

Uhrzeitsynchronisation 

leistungsfähiger 

werden. 

Bilder: Veranstalter 

PLUGFEST: Einer großen LAN-Party gleich vernetzen Hersteller 

und Wissenschaftler neue Geräte um die Kompatibilität zu testen. 

Das gemeinsame Zeitverständnis vernetzter Systeme 

ist in vielfältigen Anwendungsbereichen eine 

substanzielle Grundfunktion – in intelligenten Energienetzen, 

in der Telekommunikation, bei Finanztransaktionen 

an der Börse und natürlich auch in der industriellen 

Automation. So lassen sich beispielsweise 

koordinierte Bewegungsabläufe mit Hilfe vernetzter 

synchroner Antriebe sehr viel flexibler realisieren als 

mit einer mechanischen Königswelle. 

Mit dem Standard IEEE-1588 (Standard for a Precision 

Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement 

and Control Systems) steht für die hochgenaue 

Uhrzeitsynchronisation ein etabliertes und leistungsfähiges 

Protokoll zur Verfügung. 

Da sich durch die zunehmende Vernetzung technischer 

Systeme die Anforderungen an die Uhrzeitsynchronisation 

weiter erhöhen, wird die Weiterentwicklung 

dieses Verfahrens kontinuierlich vorangetrieben. 

Daher wurde in diesem Jahr eine neue Revision der 

IEEE-1588 angestoßen. Die oben genannten Anwendungsgebiete 

wurden dabei zum Beispiel um die Audiound 

Videoübertragung sowie Automotive- und Avionik- 

Anwendungen erweitert. Diese stellen hohe Anforderungen 

in Bezug auf extreme Umgebungseinflüsse wie 

mechanische Belastungen (Vibrationen) und Temperaturschwankungen. 

Während einer Standardisierungssitzung 

des entsprechenden IEEE-Arbeitskreises wurden 

diese Aspekte nun in Lemgo diskutiert. 

Der zweitägigen Sitzung ging das vom Fraunhofer- 

Anwendungszentrum Industrial Automation (IOSB- 

INA) veranstaltete IEEE International Symposium on 

Precision Clock Synchronization, kurz ISPCS, voraus. 

Während der einwöchigen Veranstaltung konnten die 

über 140 Experten aus 23 Ländern auf einem Plugfest 

ihre Geräte und Anwendungen auf Funktionalität und 

Interoperabilität testen. Im Anschluss folgte eine Kon- 

ferenz, deren Ergebnisse die Diskussionsgrundlage für 

den IEEE-Arbeitskreis bildeten. Während der Sitzung 

erörterten die beteiligten Experten neue leistungssteigernde 

Protokollfunktionen, die zukünftig die technische 

Welt noch etwas synchroner machen werden. 

AUTOREN 

M.Sc. SEBASTIAN SCHRIEGEL 

ist Gruppen leiter Kogni tive 

Systeme für die Automation. 

Fraunhofer-Anwendungszentrum 

Industrial Automation (IOSB-INA), 

Langenbruch 6, D-32657 Lemgo, 

Tel. +49 (0) 5261 702 59 25, 

E-Mail: sebastian.schriegel@ 

iosb-ina.fraunhofer.de 

Prof. Dr.-Ing. JÜRGEN JASPER- 

NEITE leitet das Fraunhofer- 

Anwendungszentrum Industrial 

Automation (IOSB-INA). 

Fraunhofer-Anwendungszentrum 

Industrial Automation (IOSB-INA), 

Langenbruch 6, D-32657 Lemgo, 

Tel. +49 (0) 5261 70 25 72, 

E-Mail: juergen.jasperneite@ 

iosb-ina.fraunhofer.de 

10 


11 / 2013

AALE 2014 ruft zur Beitragseinreichung 

rund um Ideen in der Automatisierung auf 

Das Diskussionsforum rund um Konzepte, Entwicklungen 

und Lehre der Automatisierungstechnik, die 

AALE (Angewandte Automatisierungstechnik in Lehre 

und Entwicklung), ruft Autoren auf, Beiträge für die 

kommende Veranstaltung am 8. und 9. Mai 2014 einzureichen. 

Gewünscht sind Aufsätze oder Posterbeiträge 

über Trends der Automatisierungstechnik, Forschungsund 

Entwicklungsarbeiten, Kooperationen zwischen 

Hochschulen und der Industrie oder Lehre und Ausbildung, 

Didaktik und MINT-Projekte (Mathematik, Informatik, 

Naturwissenschaft, Technik). Seinen Aufsatz 

trägt der Autor nach erfolgreichem Durchlaufen des 

Reviewprozesses in einer 15-minütigen Präsentation 

dem AALE-Publikum vor. Ausrichter ist im kommenden 

Jahr die Ostbayerisch Technische Hochschule Regensburg 

(OTH Regensburg). 

Zunächst sollte die Idee in einem zweiseitigen Paper 

skizziert werden. Das PDF laden Interessenten auf 

www.hs-regensburg.de/aale2014 bis zum 31. Dezember 

2013 hoch. Unter dieser Adresse haben die Veranstalter 

bereits weitere Hinweise zum Procedere der Einreichung 

hinterlassen. Nach Begutachtung und Freigabe 

des Programmkomitees werden die Aufsätze im AALE- 

Tagungsband veröffentlicht. Sie sollten in der finalen 

Version nicht länger als zehn Seiten sein. Die schriftliche 

Erläuterung der Poster sollte sich auf vier Seiten beschränken. 

Die Autoren werden über die Annahme Ihrer 

Beiträge bis zum 31. Januar 2014 informiert. Ansprechpartner 

für das Programm zur 11. AALE 2014 ist Prof. 

Dr.-Ing. Ralph Schneider (Telefon +49 (0)941 943 51 66, 

E-Mail: aale2014@hs-regensburg.de). 

(ahü) 

DIE PREISTRÄGER DER AALE aus dem 

vergangenen Jahr. Bild: Anne Purschwitz 

AALE-KONFERENZ 2014 AN DER OSTBAYERISCHEN 

TECHNISCHEN HOCHSCHULE (OTH) REGENSBURG, 

Prüfeninger Str. 58, D-93049 Regensburg, 

Ansprechpartner: Dr.-Ing. Ralph Schneider, 

Tel. +49 (0) 941 943 51 66, 

E-Mail: aale2014@hs-regensburg.de, 

Internet: www.hs-regensburg.de/aale2014 

Kommunikation in der Automation: 

Jahreskolloquium tagt am 13. und 14. November 2013 

Am 13 und 14. November 2013 lädt das Jahreskolloquium 

Komma, kurz für Kommunikation in der Automation, 

zur Diskussion rund um die industrielle Kommunikation 

ein. Die Veranstaltung, die wechselweise 

am Institut für Automation und Kommunikation e.V., 

Magdeburg (Ifak) und am Centrum Industrial IT (CIIT) 

in Lemgo stattfindet, wird dieses Jahr von den Magdeburgern 

ausgerichtet. Der Expertentreff unter der Leitung 

von Prof. Ulrich Jumar und Prof. Jürgen Jasperneite 

dreht sich um die Frage, wie der Übergang in die geforderte 

intelligente Automation sinnvoll gestaltet werden 

kann. Echtzeit-, System- und Engineeringaspekte 

zählen zu den Kernthemen des jährlich veranstalteten 

Kolloquiums. Gespannt wird ein Bogen von technologischen 

Entwicklungen der industriellen Kommunikation 

über den Lebenszyklus von Komponenten und Systemen 

bis hin zu Anwendungserfahrungen verschiedener 

Branchen. Die Aufteilung der Tagung auf den 13. 

und 14. November 2013 ermöglicht eine Abendveranstaltung, 

die ausgiebig Gelegenheit zum informellen 

Gedankenaustausch bietet. Weitere Informationen sind 

abrufbar unter www.ifak.eu/komma2013. (ahü) 

DAS THEMA IN 

MAGDEBURG 

wird die 

Umsetzung der 

intelligenten 

Automation sein. 

Bild: Veranstalter 

JAHRESKOLLOQUIUM KOMMUNIKATION 

IN DER AUTOMATION IN DER DENKFABRIK 

IM WISSENSCHAFTSHAFEN MAGDEBURG, 

Werner-Heisenberg-Straße 1, D-39106 Magdeburg, 

Tel. +49 (0) 391 990 14 10, 

Internet: www.ifak.eu/komma2013 


11 / 2013 

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FORSCHUNG 

Computational Intelligence – Einführung in 

Probleme, Methoden und technische Anwendungen 

Praxisbezogenes Lehrbuch von Andreas Kroll für Studenten, Lehrende und Praktiker 

Das Lehrbuch über Computational Intelligence (CI) mit 

Anwendungs- und gerechneten Übungsbeispielen 

adressiert Studierende technischer Studiengänge im 

Hauptstudium. Die Anwendungs- und Praxiselemente 

erleichtern ebenso dem Praktiker den Einstieg in Analyse, 

Modellbildung, Entwurf und Optimierung technischer 

Systeme und zeigen die Industrieerfahrung des 

Autors Andreas Kroll auf. 

Schwerpunkte des Buches sind Erklärung der CI-Methoden 

Fuzzy-Systeme, künstliche neuronale Netze und 

evolutionäre Algorithmen wie auch die Kombination der 

Methoden zu Neuro-Fuzzy-Systemen bis hin zu evolutionären 

Neuro-Fuzzy-Systemen. Dabei spielen die Anwendungen 

Automatisierung und Regelung immer eine 

besondere Rolle. Studierende und Lehrende können aus 

dem Online-Material zum Lehrbuch ebenfalls einen großen 

Mehrwert ziehen. 

In der Einführung baut der Autor nach einem Hinweis 

auf konventionelle Berechnungsmethoden für den Entwurf 

von komplexen Systemen eine Verbindung zu neuen 

naturinspirierten Berechnungsmethoden auf. Bionik, 

die moderne Verbindung zwischen Biologie und Technik, 

setzt er zu den CI-Methoden ins Verhältnis. Begriffe 

und Methoden (naturinspiriert und teilweise genormt 

nach VDI/VDE) werden erläutert und häufig grafisch in 

Zusammenhang gestellt. Hier spricht die Erfahrung von 

Andreas Kroll aus seiner Arbeit im gleichnamigen VDI- 

GMA Fachausschuss 5.14. 

Der Autor erläutert die Methoden und Ansätze kurz 

und treffend. Die Beispiele sind klar beschrieben, meistens 

durchgerechnet und mit grafischen Darstellungen 

untermauert. Am Ende eines Kapitels gibt der Verfasser 

nützliche Hinweise zur weiterführenden Literatur mit 

Tipps zu bestimmten Schwerpunkten. Außerdem bewertet 

der Autor zusammenfassend die Methoden und ordnet 

den praktischen Nutzen der Genauigkeit und des 

Rechenzeitbedarfs zu. Oft wird zusammenfassend mit 

einer grafischen Übersicht erläutert, welche Methode 

(konventionell oder CI) sich für welchen Anwendungsfall 

eignet. In diesen Übersichten, die sich durch das 

gesamte Buch ziehen, sind die CI-Methoden kursiv dargestellt. 

Zahlreiche Abbildungen mit grafischer Darstellung 

der Ergebnisse von durchgerechneten Beispielen, 

erleichtern dem Leser den Zugang zu den beschriebenen 

Methoden. 

Den praktischen Nutzen des Buches als Nachschlagewerk 

erhöhen zahlreiche Tabellen mit Systemvergleichen 

und Gegenüberstellungen. Die Vergleiche sind klar 

und kurz formuliert. Ebenso hilfreich sind die Hinweise 

auf Normen und Richtlinien sowie Gremien und Ausschüsse, 

in denen die Methoden von Fachleuten aus Industrie, 

Hochschule und Wissenschaft behandelt und 

weiterentwickelt werden. Für den Praktiker eine Möglichkeit, 

Kontakt zu anderen Fachleuten aufzunehmen. 

Einige kleine Beispiele mit einfachen Problemschilderungen 

ziehen sich mit gleicher Aufgabenstellung 

durch mehrere Kapitel. Dadurch werden Lösungen, zum 

Beispiel für die Identifikation von Systemen auf Datenbasis, 

durch Anwendung verschiedener Methoden, miteinander 

vergleichbar. Für das Thema sind die Beispiele 

sehr anwendungsnah. 

AUTOR 

PROF. ANDREAS KROLL 

ist Leiter des Fachgebiets 

Mess- und Regelungstechnik 

an der Universität 

Kassel und ist aktiv im 

GMA Fachausschuss 5.14 

Computational Intelligence. 

MSR UND INFORMATIK 

Computational Intelligence (CI) bewegt sich an der Schnittstelle 

zwischen Ingenieurwissenschaften und Informatik. Mess- und 

regelungstechnische Problemstellungen werden hier mithilfe 

ausgefeilter computergestützter Methoden gelöst. Das Buch ist eine 

anwendungsorientierte Einführung in das Thema und vermittelt 

Studenten und berufstätigen Ingenieuren das notwendige Wissen 

über die derzeit meist verbreiteten Ansätze der CI (Fuzzy-Systeme, 

neuronale Netze und evolutionäre Algorithmen). 

Computational Intelligence, Autor: Andreas Kroll, 

ET 4/2013, XVIII, 428 S., broschiert, 

ISBN 978-3-486-70976-6, LP 39,80 EUR 

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11 / 2013

PRAXIS 

Kompletteinsatz im Gasbereich: Gas speicher mit 

Automatisierungstechnik ausgerüstet 

Flexibler Erdgasspeicher nahm im Frühjahr in Norddeutschland den Betrieb auf 

Einen modernen und flexiblen Erdgasspeicher entwickelte 

die EWE Gasspeicher GmbH aus Oldenburg im niedersächsischen 

Jemgum zwischen Leer und Emden. Der 

Speicher nahm planmäßig in diesem Frühjahr den Betrieb 

auf. Den vollautomatischen und sicheren Ablauf gewährleistet 

das ABB-Prozessleitsystem 800xA mit Melody- 

Controllern, Messgeräten und Prozessgasanalysatoren. 

FUNDIERTES WISSEN BEI GASSPEICHERN GEFRAGT 

Im Februar 2010 hat EWE den Solprozess für die unterirdischen 

Kavernen aufgenommen. Bereits für diese Arbeiten 

installierte ABB ein Prozessleitsystem, das jetzt 

im laufenden Betrieb erweitert und auf den neuesten 

Stand der Technik gebracht wurde. 

„ABB ist für uns seit Jahren der Partner für Automatisierungstechnik. 

Dieser Anbieter verfügt über fundiertes 

Wissen um die speziellen Anforderungen in unseren 

Gasspeichern“, begründet André Fisse, EWE-Projektleiter 

für den Gasspeicher Jemgum, die Entscheidung für 

ABB-Systeme und -Services. Besonders der Umfang der 

Dienstleistungen geht über das übliche Maß bei derartigen 

Automatisierungsprojekten hinaus. Der Anbieter 

wurde schon während der frühen Engineeringphase 

eingebunden und trug so zur Punktlandung dieses Großprojektes 

bei. 

AUTOMATISIERUNGSPROJEKT BEGANN BEREITS 2012 

Das aktuelle Automatisierungsprojekt für den eigentlichen 

Betrieb des Speichers begann im Sommer 2012, die 

Loop Checks, TÜV-Abnahmen, Test und Inbetriebnahmen 

waren planungsgemäß Ende März 2013 abgeschlossen. 

Es umfasste neben der Planung, Installation und 

Konfiguration des Prozessleitsystems (Betriebsleitebene, 

Netzwerk und E/A-Ebene) auch die Einbindung der sicherheitsgerichteten 

Steuerung. 

Zum Einsatz kommen redundante Melody-Controller, 

die über I/O-Baugruppen (Remote I/Os) vom Typ S800 

die Prozesse erfassen, steuern und regeln. Die Remote- 

Anbindung an die Leitstelle erfolgt mittels Fernwirkanbindung 

und die Integration in die Unternehmens-IT mit 

dem „Information Manager“ (PGIM) von ABB. 

Das vorhandene Leitsystem erweiterten die Ingenieure 

ohne Stillstand. Sie spielten die aktuellen Software- 

Versionen ein ohne Unterbrechung des laufenden Betriebs. 

Die neue Client/Server-Architektur wurde einige 

Wochen in Vorfeld bei ABB vorinstalliert und anschließend 

auf der Baustelle in das System integriert. 

Die Automatisierung bietet aufgrund der redundanten 

Auslegung eine hohe Verfügbarkeit, unabdingbar für die 

zuverlässige Ein- und Ausspeicherung von Erdgas ohne 

Unterbrechungen. Durch eine flexible Umschaltung von 

Fahrwegen ist das System in der Lage, schnell auf unvorhergesehene 

Ereignisse zu reagieren. 

KOMPLETT-EINSATZ IM GAS-BEREICH 

Zum ABB-Automatisierungssystem gehört in Jemgum 

nicht nur die Leittechnik. Zahlreiche Druck- und Temperaturmessgeräte 

überwachen unter anderem die Kol- 

IM NIEDERSÄCHSISCHEN JEMGUM errichtete die EWE Gasspeicher 

GmbH aus Oldenburg einen Erdgasspeicher. Bild: ABB. 

benverdichter und die Gasregelstrecken. TZIDC-Stellantriebe 

steuern pneumatische Regelventile in den Messund 

Regelstrecken, Prozessgaschromatographen vom 

Typ PGC 5000 überwachen den Schwefelgehalt des Erdgases 

im Umfeld der eichfähigen Mengenmessungen. 

„Wir haben in mehreren der EWE-Gasspeicher die 

komplette Automatisierung installiert und sind seit mehr 

als 30 Jahren mit dem Thema Gasspeicherung vertraut“, 

fasst Peter Hortig, Leiter Chemie, Öl & Gas im Bereich 

Prozessautomation der ABB Deutschland, den Einsatz in 

der Gasbranche zusammen. 

AUTOR 

DIRK JUNGE betreut vom 

Regionalbüro Oldenburg 

aus die Gaskunden der 

ABB in Nordeutschland. 

ABB Automation GmbH, 

August-Wilhelm-Kühnholz Straße 4, 

D-26135 Oldenburg, Tel. +49 (0) 441 20 94 66 62, 

E-Mail: dirk.junge@de.abb.com 


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PRAXIS 

Energieversorgungsunternehmen modernisiert 

sichere Stromerzeugung aus Wasserkraft 

Steuerungs- und Informationslösung mit Prozessleitsystem und Zugriff auf Prozessinformationen 

DER BOX-CANYON-DAMM staut seit 1956 das Wasser 

des Pend Oreille im Bundesstaat Washington. 

ALLES NEU: Zum Arbeitsumfang gehört die 

komplette Demontage bis auf das Betonfundament. 

Anschließend werden die Turbine 

und der Generator erneuert und mit den 

Schalteinrichtungen, Relaisschutzsystemen, 

Pumpen und Rohren eingebaut. 

DIE PLANT-PAX-LÖSUNG mit zwei 

speicherprogrammierbaren Automatisierungssteuerungen 

des Typs Allen Bradley Control 

Logix im Einsatz. Bilder: Rockwell Automation 

Schon seit 1956 wandelt der Box-Canyon-Damm mit 

seinen vier Maschinensätzen die Strömung eines 

schmalen Abschnitts des Pend Oreille, des zweitgrößten 

Flusses des US-Bundesstaats Washington, in Energie 

um. Der Wasserpegel des Flusses schwankt jedoch 

täglich. Der Betreiber des Wasserkraftwerkes, der Pend 

Oreille County Public Utility District, will die Energieerzeugung 

möglichst nah am Spitzenwert halten, 

gleichzeitig aber für möglichst stabile Flusspegel sorgen. 

Das über 50 Jahre alte System im Wasserwerk 

wurde nun mit der Prozessautomatisierungssoftware 

Plant Pax modernisiert. 

GENAUE REGELUNG SICHERT ENERGIEVERSORGUNG 

UND UMWELT 

Derzeit versorgt das Wasserkraftwerk 8 500 Kunden mit 

Strom aus erneuerbarer Energie. Box Canyon ist ein Laufwasserkraftwerk, 

das heißt, seine Tauchturbinen werden 

durch die Wasserströmung des Oberlaufs angetrieben. 

Die meisten größeren Wasserkraftwerke erzeugen ihre 

Elektrizität dagegen durch kontrolliertes Ablassen von 

Wasser, das mittels eines Damms aufgestaut wird. Dennoch 

kommt es auch im Box Canyon auf eine genaue 

Regelung an, um das sensible Gleichgewicht zwischen 

optimaler Elektrizitätserzeugung und dem Schutz des 

natürlichen Ökosystems zu wahren. 

Saisonal bedingte Regenfälle, Schneeschmelze sowie 

andere Naturgewalten lassen den Box Canyon anschwellen. 

Hohe Fließgeschwindigkeiten begünstigen die 

Stromerzeugung aus Wasserkraft, da sie die Turbinen 

antreiben. Sie bewegen wiederum Generatoren, die den 

Strom letztendlich erzeugen. 

Unterhalb des Box Canyon liegen jedoch staatlich geschützte 

Flächen, die keinesfalls überflutet werden dürfen. 

Zudem locken dort öffentliche Parks jährlich zahlreiche 

Besucher in die Gegend. Unablässig kontrollieren 

die Betreiber der Talsperre Box Canyon deshalb den 

Wasserdurchfluss des Kraftwerks und den Flusspegel 

unterhalb der Anlage. 

BISLANG MEISTENS MANUELL TARIERT 

Das Gleichgewicht zwischen Betrieb und Umwelt wurde 

am Box-Canyon-Damm bislang größtenteils manuell austariert. 

Denn die ursprünglichen mechanischen Stellvorrichtungen 

und hydroelektrischen Ausrüstungen 

befanden sich auch über 50 Jahre nach ihrer Installation 

noch im Einsatz, darunter die vier Turbinen, die Generatoren 

und die Hilfsausrüstungen. 

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Die durchschnittliche Durchflussrate in Box Canyon 

beträgt knapp 750 m³/s, kann aber durch die Schneeschmelze 

im Frühling und frühsommerliche Regenfälle 

auf 2 300 m³/s oder mehr ansteigen. Bei solchen seltenen 

Spitzenwerten stoppt das Bedienpersonal die Turbinen 

und öffnet die hydraulischen Schleusentore des Damms, 

so dass der rauschende Strom durch die Überlaufrinnen 

abfließen kann. Weit weniger dramatisch fallen dagegen 

die täglichen Schwankungen des Flusspegels aus, auch 

wenn durchaus erhebliche Änderungen möglich sind. 

Um mit diesen Schwankungen fertig zu werden, überwachen 

die Betreiber ständig die Durchflussrate und den 

Flusspegel unterhalb des Damms. Mit diesen Informationen 

steuern sie den Wasserfluss durch den Damm, indem 

sie die Leitschaufeln der Turbinen anpassen. Ziel 

ist es, die Energieerzeugung möglichst nah am Spitzenwert 

zu halten, gleichzeitig aber für möglichst stabile 

Flusspegel zu sorgen. 

STAATLICHE AUFFORDERUNG ZUR MODERNISIERUNG 

Die kritischen Daten, die für den Energieerzeugungsprozess 

relevant sind, wurden in der Vergangenheit großenteils 

auf manuellem Weg erfasst. Da es kein elektronisches 

Netzwerk zur Weiterleitung der Daten gab, mussten 

diese von den Verantwortlichen in Excel-Tabellen eingetragen, 

ausgedruckt und anschließend den anderen Abteilungen 

zur Verfügung gestellt werden. Die Mitarbeiter 

der Einkaufsabteilung etwa nutzen die monatlichen 

Trenddaten als Hilfestellung bei der Berechnung der 

Stromlieferverträge. „Eigentlich waren alle unsere Systeme 

veraltet“, sagt Terry Borden, Manager of Hydro Production 

in Box Canyon. 

Als die Verlängerung der Lizenz für die Talsperre Box 

Canyon um weitere 50 Jahre beantragt wurde, bestand 

die Federal Energy Regulatory Commission (FERC) auf 

Modernisierungsmaßnahmen, die den aktuellen staatlichen 

Vorgaben entsprechen. „Was wir brauchten war 

eine moderne Automatisierungslösung, um all unsere 

Anforderungen von integrierter Steuerung über Reporting 

in Echtzeit bis hin zu Anlagensicherheit zu erfüllen“, 

so Borden. 

ERFAHRUNG MIT DER ALLEN-BRADLEY-STEUERUNG 

„Wir hatten bereits in vier Steuerungen des Typs Allen- 

Bradley SLC investiert, mit denen das Leitschaufel-Regulierungssystem 

der vier Turbinen ausgestattet wurde. 

So konnten wir bereits Erfahrungen mit Rockwell Automation 

sammeln“, erläutert Borden. „Aufgrund unserer 

Tätigkeit in der Energiewirtschaft waren uns auch die 

Innovationen bekannt, die Rockwell Automation für die 

besonderen Anforderungen von Wasserkraftwerken entwickelt 

hatte“, erläutert Borden. Früh war klar, dass sie 

Rockwell Automation mit der Lieferung der für das 

Kraftwerk benötigten umfassenden Steuerungslösung 

beauftragen würden. 

Das Energieversorgungsunternehmen des Bezirks Pend 

Oreille entschied sich für das Prozessautomatisierungssystem 

Plant Pax. Diese integrierte Steuerungs- und In-

PRAXIS 

formationslösung kombiniert die Fähigkeiten eines Prozessleitsystems 

mit einem umfassenden Zugriff auf Prozessinformationen 

und trägt so zur anlagenweiten Optimierung 

bei. Die skalierbare, interdisziplinäre Plattform 

kommt jenen Anwendern entgegen, die eine Kombination 

aus Prozess- und Ablaufsteuerung benötigen, um die 

Gesamt-Betriebskosten zu senken und die ganze Anlage 

im Blick zu haben. 

Die Implementierung der Plant-Pax-Lösung im Box 

Canyon erfolgt stufenweise zusammen mit dem Rest des 

150-Millionen-Dollar-Projekts. Denn um weiterhin Elektrizität 

erzeugen zu können, müssen drei der vier Turbinen/Generatoren 

immer laufen. Nachdem die erste Einheit 

umgerüstet wurde, befindet sich derzeit die zweite 

in Arbeit. Zum Arbeitsumfang gehört die komplette Demontage 

bis auf das Betonfundament. Anschließend 

werden die neue Turbine und der neue Generator mitsamt 

den neuen Schalteinrichtungen, Relaisschutzsystemen, 

Pumpen und Rohren eingebaut. 

ZENTRALE ÜBERWACHUNG UND KOORDINATION 

Zur Plant-Pax-Lösung gehören zwei speicherprogrammierbare 

Automatisierungssteuerungen des Typs Allen- 

Bradley Control Logix für jede Einheit. Eine steuert das 

Turbinenregelungs-System, während die andere für allgemeine 

Steuerungsaufgaben und Hilfspumpen sowie 

das Anhalten und Starten der Generatoren verwendet 

wird. In der Leitwarte steht eine Reihe von Bedienplätzen 

mit Factory Talk View Supervisory Edition zur Verfügung, 

an denen das Personal über Ethernet/IP wichtige 

Informationen und Diagnosedaten abrufen kann. Die 

Factory-Talk-SE-Server-Software bündelt für die Mensch- 

Maschine-Schnittstelle die Daten aus den Maschinensätzen 

und gibt den Bedienern in Box Canyon die Möglichkeit, 

Systemparameter wie Flusspegel und Durchflussraten 

zentral zu überwachen und zu koordinieren. 

Factory Talk Historian SE stellt zentralisierte Daten-, 

Ereignis- und Alarmdatenbanken bereit. 

„Die Architektur des Plant-Pax-Systems ermöglicht 

über Ethernet/IP außerdem die Kommunikation der programmierbaren 

Automatisierungssteuerungen mit Ausrüstungen 

von Drittherstellern, so dass wertvolle Informationen 

umgehend für alle Personen verfügbar sind, 

die sie benötigen”, so Borden. 

MEHR ECHZEITINFORMATIONEN FÜR TRENDANALYSEN 

Das modernisierte System hat durch die präzisere Überwachung 

der Maschinensätze dazu beigetragen, den 

Wirkungsgrad der Elektrizitätserzeugung des Kraftwerks 

zu steigern. Außerdem kann das Bedienpersonal mögliche 

Probleme wie etwa zu hohe Generatortemperaturen 

oder eine mangelnde Durchflussrate im Kühlsystem 

frühzeitiger erkennen und beheben. 

„Wir gehen davon aus, dass die verbesserte Zuverlässigkeit 

und Verfügbarkeit der Anlage zu einer Senkung 

der Betriebskosten führen wird, sobald das Projekt abgeschlossen 

ist“, erklärt Borden. „Das Personal wird außerdem 

zusätzliche Instandhaltungsmaßnahmen durchführen 

können, für die jetzt die Zeit fehlt.“ 

Bereits jetzt profitiert der Box-Canyon-Damm von den 

Vorteilen der automatischen Datenerfassung durch das 

Plant-Pax-System. „Dank der nahtlosen Zusammenarbeit 

der Contol-Logix-Steuerung und der Factory-Talk-Software 

können wir mehr Echtzeitinformationen erfassen, 

um sie für künftige Analysen und Trendbestimmungen 

zu archivieren“, sagt Borden. „Darüber hinaus werden 

Systemdaten automatisch an eine Datenbank im Firmennetzwerk 

übermittelt. Anstatt Ausdrucke überbringen 

zu müssen, haben andere Abteilungen hierdurch ganz 

einfach Zugriff auf die Informationen.“ 

Die Datensicherheits-Optionen der Factory-Talk-Asset- 

Centre-Software ermöglichen zudem die direkte Berichtserstellung 

und Dokumentation, wie es die Vorschriften 

für den Schutz kritischer Infrastrukturen der 

North American Electric Reliability Corporation (Nerc 

CIP) vorsehen. 

WEITERE KOOPERATIONEN GEPLANT 

Nach Abschluss des Modernisierungsprojekts beabsichtigen 

Borden und sein Team, die Fernüberwachungs- 

Funktionen des neuen Prozessleitsystems in vollem Umfang 

zu nutzen. Das Energieversorgungsunternehmen 

betreibt nämlich eine kleinere Talsperre und Pumpstationen 

außerhalb von Box Canyon und plant die Anbindung 

an das Scada-System des Unternehmens zu verbessern. 

Dazu Borden: „Unsere neuen Prozessleitfunktionen 

werden die Überwachung und Bedienung entfernter 

Standorte von einer zentralen Leitstelle aus ermöglichen, 

sodass Lohn- und Fahrtkosten gespart werden können.“ 

Auf der Agenda des Unternehmens steht ferner der Bau 

einer Fischauf- und -abstiegsanlage, dank der Flusssaiblinge 

und andere Arten den Damm in beiden Richtungen 

passieren können. „Für dieses umfangreiche Projekt ist 

eine automatisierte Steuerung erforderlich, und wir werden 

dabei höchstwahrscheinlich wieder mit Rockwell 

Automation zusammenarbeiten“, so Borden. „Die hohe 

Qualität der Produkte und der hervorragende Support 

durch das Unternehmen, ob vor Ort oder durch die Zentrale 

in Milwaukee, haben uns überzeugt.“ 

AUTOR 

NORBERT NOHR 

ist Sales Manager Process 

Automation bei Rockwell 

Automation. 

Rockwell Automation, 

Parsevalstr. 11, D-40468 Düsseldorf, 

Tel. +49 (0) 211 41 55 30, 

E-Mail: ragermany-info@ra.rockwell.com, 

Internet: www.rockwellautomation.de 

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11 / 2013

Wireless hier und da einzusetzen ist eine Sache. 

Aber es für meinen gesamten Betrieb nutzen? 

Es gibt keinen, dem ich das 

würde. 

IT’Szutrauen 

IMPOSSIBLE 

Einfach flexibler und profitabler sein mit dem Partner für Wireless, dem die meisten 

vertrauen – Emerson. Emerson ist Ihr bewährter Partner für Smart Wireless in mehr 

Anlagen und mit mehr Betriebsstunden als jeder andere in der Prozessindustrie. Smart 

Wireless besitzt die umfangreichste Palette an Technologie, die Ihnen ungehindert Einblick 

in Ihren Betrieb ermöglicht. Und das selbst organisierende Mesh-Netzwerk bietet höchste 

Zuverlässigkeit. Es ist die intelligenteste, sicherste und kostengünstigste anlagenweite 

Wireless-Option, die erhältlich ist. Erfahren Sie hier, wie gewinnbringend Smart Wireless 

für Sie sein kann: www.EmersonProcess.com/de/SmartWireless , oder kontaktieren 

Sie uns: info.de@Emerson.com 

Das Emerson Logo ist ein Warenzeichen der Emerson Electric Co. © 2013 Emerson Electric Co.

PRAXIS 

Grün zahlt sich aus: Kanadischer Papierhersteller 

spart Energie mit modernisiertem Antriebssystem 

Mechatronische Antriebseinheiten verbessern den innerbetrieblichen Transport 

Verschwinden Kanadas legendäre Wälder langsam 

aber sicher in der Papiermühle? Nicht, wenn es nach 

Kruger geht, einem kanadischen Hersteller von Papierprodukten. 

Das Unternehmen mit Sitz in Montreal, der 

zweitgrößten Stadt Kanadas, wurde 1904 gegründet und 

genießt in der langen Geschichte der kanadischen Zellstoff- 

und Papierindustrie einen bedeutenden Ruf. Auf 

dem nordamerikanischen Markt ist das Unternehmen 

stark vertreten und bekannt für Druckpapier, Tissuepapier, 

Schnittholz und andere Holzprodukte, Wellpappe 

aus Recyclingfasern sowie für Recyclingpapier und Kartonprodukte. 

PAPIERPRODUKTION IN GATINEAU AUF 18 000 m 2 

Der Unternehmensbereich Kruger Products L. P. stellt 

zahlreiche Papierprodukte für den Haushaltsbereich 

her. Der Hersteller betreibt Papierfabriken in Kanada 

und den USA. Die Produktionsanlage in Gatineau in 

der Provinz Quebec trägt wesentlich zum Erfolg bei. 

Mit 8 700 m² für die Zellstofferzeugung sowie weiteren 

knapp 18 000 m² für die Papierherstellung erreicht die 

Papierfabrik in Gatineau eine Produktionskapazität 

von 87 500 Tonnen pro Jahr. Steven Sage, Vice President 

von Kruger Products und zuständig für Nachhaltigkeit 

und Innovation, erläutert: „Wir sind der kanadische 

Marktführer für Tissue-Produkte sowohl im 

Haushalts- als auch im Industriebereich.“ 

Der Produzent steht, wie alle Unternehmen in der energieintensiven 

Papierherstellung, vor erheblichen Herausforderungen. 

Die Verringerung der Umweltauswirkungen 

seiner Produktionstätigkeit ist eine Herausforderung, 

der sich das Unternehmen stellt. „Als Marktführer in 

Kanada nimmt Kruger Products seine Verantwortung 

auch in puncto Nachhaltigkeit wahr“, sagt Steven Sage. 

„Große Unternehmen können zur Erhaltung der Umwelt 

Großes beitragen.“ 

ANTRIEBE VON SEW-EURODRIVE ermöglichen bei 

Kruger Products in der Papierfabrik Gatineau den 

effizienten Einsatz von Energie und Ressourcen. 

RÜCKGEWINNUNG SPART ELF PROZENT ENERGIE 

2010 wurde in der Papierfabrik Gatineau ein neues Wärmerückgewinnungssystem 

installiert. Damit wurde der 

Energieverbrauch der Fabrik um elf Prozent gesenkt und 

die THG-Emissionen um 15 Prozent. Die Wärme, die zuvor 

nach außen entwich, wird nun vollständig am Entstehungsort 

zurückgewonnen und zur Beheizung der 

Anlage im Winter sowie zum Aufheizen des Prozesswassers 

genutzt. 

Diese Maßnahme ist Teil eines vom Hersteller 2010 

aufgelegten Fünfjahresplans zur nachhaltigen Entwicklung, 

mit dem die Umweltauswirkungen des Unternehmens 

in neun Bereichen verbessert werden sollen. Hierzu 

gehören Energieverbrauch, THG-Emissionen, Wasserverbrauch, 

Abfallstoffe und Verpackung als wesentliche 

Bereiche. Steven Sage zufolge hat seine Firma große 

Erfolge zu verzeichnen, darunter die Verringerung des 

Gesamtenergieverbrauchs um 3,7 Prozent, die Verringerung 

der THG-Emissionen sowie die Steigerung der Effizienz 

in der Logistik. Im Sommer 2011 kaufte Kruger 

eine hocheffiziente Verarbeitungs- und Verpackungsanlage 

für das Werk Gatineau. Die Anlage ist seit Dezember 

in Betrieb. Der Vice President erläutert: „Um die steigende 

Nachfrage nach unseren Produkten zu befriedigen, 

brauchten wir neueste Technik, mit der wir unsere Prozesse 

verbessern und die Produktionsmenge unseres 

Werks erhöhen konnten.“ Projektingenieur Martin Levesque 

erzählt, dass Kruger Products im gesamten Betrieb 

rund 40 Förderbänder im Einsatz hat für den Transport 

von Kosmetikpapierkartons, Kartonmultiverpackungen 

und Toilettenpapiersäcken. 

DEUTLICHE ENERGIEEINSPARUNGEN DURCH ANTRIEBE 

Einer der ausschlaggebenden Faktoren bei der Wahl der 

neuen Förder- und Verpackungsanlage war der Kauf von 

40 mechatronischen Antriebseinheiten Movigear, die 

von SEW-Eurodrive Co. of Canada geliefert wurden. „Mit 

der Lösung des Fördertechnikspezialisten Span Tech 

hatten wir die Möglichkeit, ein Fördersystem zu schaffen, 

das genau zu unseren Bedürfnissen passt“, erklärt 

Levesque. „Nachdem Span Tech uns zum mechatronischen 

Antriebssystem Movigear geraten hatten, informierte 

ich mich über diese Produkte und traf mich mit 

Vertretern aus der SEW-Niederlassung Montreal. Danach 

fiel die Entscheidung zugunsten von Movigear aus.“ 

Der Projektingenieur berichtet, dass Kruger je eine an 

der Förderwelle ansetzende Movigear-Antriebseinheit 

18 


11 / 2013

AUCH FÜR DIE INKJET- 

CODIERER BEI KRUGER GILT: 

geringer Verbrauch und minimaler 

Wartungsaufwand über die 

gesamte Lebensdauer sorgen für 

niedrige Betriebskosten. 

EIN ANTRIEBSCONTROLLER Movifit 

(im Bild) steuert die mechatronischen 

Antriebseinheiten an. Er verteilt die 

Energie und Kommunikation an bis zu 

zehn Movigear. 

STEVEN SAGE, Vice President für 

Nachhaltigkeit und Innovation: „Um 

die steigende Nachfrage nach unseren 

Produkten zu befriedigen, brauchten 

wir neueste Technik, mit der wir 

unsere Prozesse verbessern und die 

Produktionsmenge unseres Werks 

erhöhen konnten. Unsere Entscheidung 

fiel zugunsten von Movigear.“ 

für jedes Förderband einsetzt. Die Antriebseinheiten 

werden durch einen Antriebscontroller Movifit angesteuert. 

Er verteilt die Energie und Kommunikation an bis 

zu zehn mechatronische Antriebe. 

Eines der wichtigsten Kaufargumente für die Firma 

Kruger war, dass das mechatronische Antriebssystem 

von SEW-Eurodrive als Bestandteil der Prozesslösung 

für deutliche Energieeinsparungen sorgt. Ingenieur Martin 

Levesque erläutert: „Weil bei Kruger rund um die Uhr 

und auch an den Wochenenden 25 Motoren gleichzeitig 

laufen, haben wir ermittelt, dass wir, im Vergleich zu 

einem Standard-Motorsystem, rund 4 000 kanadische 

Dollar jährlich einsparen. Jede Möglichkeit zum schlankeren 

Betrieb unserer Fertigungsstraße ist gut für das 

Unternehmen.“ 

Steven Sage stimmt ihm zu: „Es steht in Einklang mit 

unserem Bestreben, unseren Energieverbrauch im Rahmen 

unserer Nachhaltigkeitsinitiative 'Sustainability 

2015' zu senken.“ 

GRÜN ZAHLT SICH AUS 

Neben den Energieeinsparungen ergeben sich durch Movigear 

auch Einsparungen bei den CO 2 

-Emissionen, sagt 

Sage. „Industrie, Handel, Gastgewerbe und Verwaltung 

suchen nach grüneren Produkten von Herstellern, die 

auf die Umsetzung von Initiativen zur Nachhaltigkeit 

setzen, um ihre Position zu stärken“, fasst er zusammen. 

„Deswegen sind – neben der Fasergewinnung – Einsparungen 

bei Energie, Wasser, Emissionen, Abfällen und 

Verpackung für uns die Bereiche, auf die wir uns besonders 

konzentrieren.“ 

AUTOR 

UDO MARMANN 

ist Marktmanager 

bei SEW-Eurodrive 

in Bruchsal. 

SEW-Eurodrive GmbH & Co KG, 

Ernst-Blickle-Str. 42, D-76646 Bruchsal, 

Tel. +49 (0) 7251 75 0, 

E-Mail: sew@sew-eurodrive.de 


11 / 2013 

19

PRAXIS 

Dosiereinheiten Dosimass inklusive Steuerung für 

Vakuumprozessanlagen in Brasilien 

Steuerung überwacht dosierte Mengen der Produktkomponenten 

KOMPLETTE, HOCHPRÄZISE 

DOSIEREINHEITEN mit integrierter 

Steuerung. 

TRI-CLAMP-PROZESSANSCHLUSS 

für hohe Hygieneansprüche und 

einfache Reinigung. 

VAKUUMPROZESSANLAGE DINEX 

von Fryma Koruma mit minimierten 

Prozess- und Reinigungszeiten. 

Bild: Fryma Koruma 

MIT DEM DOSIMASS 

lassen sich hochgenaue 

Dosiermengen 

mit kurzen Dosierzeiten 

realisieren. 

KOMPAKTE, WARTUNGSARME 

Membranventile Typ Gemü 650. 

SAMUEL METTLER, 

Projektmanager 

bei Fryma Koruma. 

Bild: Fryma Koruma 

Eine Vakuumprozessanlage dient zur Produktion von 

Cremes, Lotionen, Gelen, Salben, Zahnpasta und jeglichen 

anderen Formen von Dispersionen. Die Planung 

und der Bau einer solchen Anlage erfordern viel Erfahrung 

und die Verwendung qualitativ hochwertiger Materialien 

und Komponenten. Typische Anforderungen 

der Betreiber sind Minimierung der Prozess- und Reinigungszeiten, 

ein optimaler Wärmeaustausch, eine schonende 

Verarbeitung der Inhaltsstoffe, Produkthygiene 

und aseptisches Anlagendesign sowie eine einfache, 

menügeführte Bedienung mit Rezepturverwaltung. 

Einer der Hersteller von Vakuumprozessanlagen ist 

die Firma Romaco Fryma Koruma mit Sitz in Rheinfelden 

(Schweiz) und Neuenburg (Deutschland). Sie stellt 

seit 2000 den Geschäftsbereich Processing der Romaco 

Group. Am Standort Neuenburg sind Vertrieb und Marketing 

sowie das Prozesstechnologie- und Schulungszentrum 

Protec angesiedelt. Das Produktmanagement, 

die Produktion, die allgemeine Verwaltung und der 

Kundenservice befinden sich in Rheinfelden. Die Technologie 

aus dem Hause Fryma Koruma wird zur Produktion 

verschiedener Produkte eingesetzt: Pharmazeutische 

Wirkstoffe, bunte Lippenstiftmassen, Cremes 

sowie Ketchup und Schokolade werden auf den Anlagen 

produziert. 

2011 erhielt das Unternehmen den Auftrag eines brasilianischen 

Kosmetikherstellers über die Lieferung von 

sechs Vakuumprozessanlagen. Jede dieser Anlagen hat 

ein Fassungsvermögen von 10 000 Litern und verfügt 

über eine zusätzliche Dosiereinheit zur Zudosierung der 

Rohstoffe, die zur Herstellung der kosmetischen Produkte 

benötigt werden. Das Gesamtprojekt war gemäß der 

GMP-Richtlinien zu realisieren. 

GENAUIGKEIT VON KLEINER ALS 0,6 % EINHALTEN 

Für die Lieferung der Dosiereinheiten wandte sich der 

Hersteller an Endress+Hauser. Die langjährige Erfahrung 

des dortigen Kompetenzcenters Life Sciences Industry im 

GMP-Umfeld, im Bereich der Durchflussmesstechnik und 

die Referenzen bei der Realisierung von Dosiersteuerun- 

20 


11 / 2013

gen im Pharmaumfeld, haben die Firma überzeugt. Es 

wurde vereinbart, dass im ersten Schritt zunächst vier 

der sechs Dosiersteuerungen zu liefern seien. 

Folgende Anforderungen des Endkunden galt es für 

Endress+Hauser in enger Abstimmung mit Fryma Koruma 

zu erfüllen: Die Dosiereinheiten arbeiten mit autonomen 

Dosiersteuerungen basierend auf den Vorgaben der übergeordneten 

Steuerung der Vakuumprozessanlage. Die Dosierung 

von gleichzeitig zweimal zwei Komponenten bei 

einer Genauigkeit von kleiner als 0,6 % soll realisiert werden. 

Die erreichte Genauigkeit ist ständig zu überwachen. 

Die Öffnungs- und Schließzeiten der Ventile sind automatisch 

zu optimieren und die Einflüsse der Ventilabnutzungen 

entsprechend auszugleichen. Dosiert wird direkt in 

die Homogenisierkammer der Vakuumprozessanlage. 

STEUERUNG ÜBERWACHT GENAUIGKEIT DER DOSIERUNG 

Jede der vier zu liefernden Dosiereinheiten umfasst die 

Messtechnik, die Dosierventile, die Steuerung und Verrohrung 

und ist auf jeweils zwei Skids aufgeteilt. Die 

Dosiereinheiten wurden für die Integration in die Vakuumprozessanlage 

von Fryma Koruma vorbereitet und 

vor der Auslieferung in einem Factory Acceptance Test 

(FAT) getestet. 

Aufgrund der Anzahl der zu dosierenden Komponenten 

erhielt jede Dosiereinheit insgesamt neun Durchflussmessgeräte 

vom Typ Endress+Hauser Dosimass. Zur 

späteren Ankopplung der Dosimass an die Ringleitungen, 

die den Maschinen die einzelnen Rohstoffe zuführen, 

sind Tri-Clamp-Prozessanschlüsse vorgesehen. Zwischen 

den zwei Skids einer Dosiereinheit befindet sich 

der Steuerschrank aus Edelstahl mit der speicherprogrammierbaren 

Steuerung. Die Steuerung erfasst die 

dosierten Mengen der einzelnen Produktkomponenten 

über Zählimpulse der jeweiligen Dosimass und gibt Steuerbefehle 

zum Öffnen oder Schließen an die Dosierventile. 

Die Dosiersteuerung überwacht selbstständig die 

erreichte Genauigkeit des Dosiervorgangs und passt die 

Öffnungs- beziehungsweise Schließzeiten der Ventile 

automatisch an. Ein weiterer Steuerschrank beinhaltet 

die Pneumatik zur Ansteuerung der Membranventile. 

DATENAUSTAUSCH MIT MASCHINENSTEUERUNG 

Neben den Dosiersteuerungen und der Maschinensteuerung 

der Vakuumprozessanlage gibt es ein übergeordnetes 

Prozessleitsystem, das beim Endkunden bereits 

installiert ist. Somit ist der Datenaustausch zwischen 

den Dosiersteuerungen und der Maschinensteuerung 

und parallel dazu zwischen dem Prozessleitsystem und 

der Maschinensteuerung zu koordinieren und sicherzustellen. 

Daher wurde von Endress+Hauser in einer Funktionsbeschreibung 

definiert, welche Daten mit der Maschinensteuerung 

ausgetauscht werden. Folgende Aspekte 

sind darin berücksichtigt: Freigabe oder Sperrung 

jeder einzelnen Dosierlinie, Hand- oder Automatikbetrieb, 

Vorgabe der zu dosierenden Menge, Prüfung jedes 

einzelnen Dosiervorgangs, Cleaning-in-Place(CIP)-Reinigung. 

Der Datenaustausch erfolgt über die Ethernetschnittstellen 

der Steuerungen. Bei den Dosiersteuerungen 

und bei der Maschinensteuerung kommen SPS vom 

Typ Simatic S7-315-2PN/DP zum Einsatz. Via Fernwartungszugang 

auf die Steuerungen kann der Endkunde 

unterstützt werden. 

DOSIMASS BENÖTIGT WENIG PLATZ 

In den Dosiereinheiten sind Massedurchflussmessgeräte 

vom Typ Dosimass mit 3A-Zulassungen eingebaut. Aus 

der kompakten Geometrie des Dosimass resultiert ein 

geringer Platzbedarf. Dies ist ein Vorteil bei solchen Dosieraufgaben. 

Hinzu kommen die hohe Messgenauigkeit 

und Robustheit dieses Massedurchflussmessgerätes. Außerdem 

ist bei dem Gerät eine CIP- und Sterilisation-in- 

Place(SIP)-Reinigung möglich. Weitere Vorteile des eingesetzten 

Coriolis-Messsystems: Es sind keine Ein- und 

Auslaufstrecken notwendig, es arbeitet unabhängig von 

den physikalischen Messstoffeigenschaften des Mediums 

und ist wartungsfrei. 

MEMBRANVENTILE FÜR DOSIERVORGÄNGE KONZIPIERT 

Einen wichtigen Einfluss auf die Dosiergenauigkeit und 

Reproduzierbarkeit der Rezeptur haben auch die eingesetzten 

Ventile. Endress+Hauser wählte für jede Dosierlinie 

ein Membranventil vom Typ Gemü 660. Das Membranventil 

ist jeweils unterhalb des Dosimass mittels 

Tri-Clamp-Prozessanschlüssen montiert und wird pneumatisch 

angesteuert. Das Gemü 660 ist eine wartungsarme 

Konstruktion mit Edelstahlantrieb und einem Ventilkörper 

aus 316L Edelstahl. Es verfügt über eine visuelle 

Stellungsanzeige und ein EHEDG-zertifiziertes 

Dichtungskonzept, und wurde speziell für Dosier- und 

Abfüllvorgänge unterschiedlicher Produkte konzipiert. 

JEDES TECHNISCHE DETAIL IST WICHTIG 

„Gerade, wenn es um die Planung und Durchführung von 

Großprojekten geht, ist es absolut wichtig, dass wir uns 

auf unsere Lieferanten verlassen können. Bei der Konzeption 

von Vakuumprozessanlagen mit einem Fassungsvermögen 

von 10 000 Litern muss jedes technische Detail 

passen. Neben einem ausgereiften mechanischen Verfahren 

ist die exakte Steuerung der Rezeptur ein Muss“, sagt 

Samuel Mettler, Projektmanager bei Fryma Koruma. 

AUTOR 

RÜDIGER SETTELMEYER ist Marketingmanager 

Prozessautomatisierung bei 

Endress+Hauser in Reinach. 

Endress+Hauser Messtechnik GmbH & Co. KG, 

Colmarer Strasse 6, D-79576 Weil am Rhein, 

Tel. +49 (0) 762 19 75 01, 

E-Mail: info@de.endress.com 


11 / 2013 

21

PRAXIS 

Flexibel und verbindlich: Agiles V-Modell bündelt 

Vorteile bei der Entwicklung von Software 

Neues Verfahren setzt auf enge Zusammenarbeit von Abteilungen und fördert Motivation 

Unternehmen aus der Industrie wie die Hersteller von 

Automatisierungstechnik generieren heute zunehmend 

aus Software Nutzen für ihre Kunden. Daher ist die 

Software immer häufiger das wesentliche Entscheidungskriterium 

bei der Suche nach einem geeigneten Anbieter 

beziehungsweise der passenden Lösung. Die Industrieunternehmen 

sind jedoch keine typischen Software-Entwickler 

und -Lieferanten, da sich ihre Entwicklungsprozesse 

auf die Konzeption von Hardware ausrichten. Diese 

Abläufe entsprechen allerdings nicht der effizienten Entwicklung 

von Software. Um wettbewerbsfähig zu bleiben, 

müssen die Unternehmen daher ihre Software-relevanten 

Entwicklungsprozesse optimieren. 

V-MODELL LEGT VERANTWORTLICHKEITEN FEST 

In der klassischen Software-Entwicklung wird vielfach 

nach dem V-Modell gearbeitet. Der Ansatz beginnt mit 

der Anforderungsanalyse, einer Planung der Inkremente 

und dem Software-Entwurf, dem ein oder mehrere 

Implementierungsschritte folgen. Auf Seiten der Qualitätssicherung 

gibt es eine analoge Abfolge über Modul-, 

Integrations- sowie System- und Abnahmetests. 

Das V-Modell wird von einem Quality-Gate-Prozess 

überlagert, bei dem der jeweils nächste Schritt nur gestartet 

werden darf, wenn der aktuelle Schritt gemäß 

einer Checkliste abgeschlossen ist. Der Vorteil dieser 

Vorgehensweise liegt in einer durchgängigen Dokumentation 

des Projektfortschritts und der Terminplanung 

sowie der klaren Zuweisung von Rollen und Verantwortlichkeiten. 

Die Praxis zeigt jedoch, dass insbesondere 

bei der Software-Entwicklung Termine nicht immer 

eingehalten werden können und die Ergebnisse 

unter Umständen nicht den Wünschen des Auftraggebers 

entsprechen. 

SCRUM-VERFAHREN STIMMT ERGEBNISSE AB 

Alternativ steht deshalb eine Reihe agiler Entwicklungsmethoden 

zur Verfügung, die hauptsächlich in kleinen 

Unternehmen genutzt werden. Die Methoden gehen davon 

aus, dass sich Anforderungen während des Projektverlaufs 

inhaltlich, aber auch in ihrer Priorität verändern 

können. Der Scrum-Prozess basiert dabei auf einem zentralen 

Lastenheft, dem Product Backlog. Hier sind alle 

Anforderungen an die Software aufgeführt und mit eindeutigen 

Prioritäten versehen. Die Verantwortung für 

das Dokument liegt in der Rolle des Product Owners. 

Umgesetzt wird das Lastenheft in so genannten 

Sprints. Hierbei handelt es sich zum Beispiel um vier 

Wochen Inkremente, in denen ein Team die Anforderungen 

gemäß ihren Prioritäten abarbeitet. Für die Zuordnung 

der Arbeitsprozesse und deren Realisierung ist das 

Team zuständig und nicht eine Einzelperson. Am Ende 

des Sprints wird das Ergebnis dem Product Owner vorgestellt, 

Feedback eingeholt und dieses unter Umständen 

wieder in Form priorisierter Anforderungen in den Product 

Backlog geschrieben. Auf diese Weise nähern sich 

die Beteiligten aus der Entwicklungs- und Marketing- 

Abteilung in enger Abstimmung dem Software-Release. 

Als nachteilig erweist sich allerdings, dass der Endtermin 

für die Freigabe sowie der genaue Funktionsumfang 

nicht vorhersagbar sind. Dies ist in einer größeren Organisation 

insbesondere für Personen, die nicht direkt am 

Entwicklungsprozess beteiligt sind, nur schwer zu verstehen. 

Zudem erwarten die Vertriebsmitarbeiter und die 

Kunden eine höhere Verbindlichkeit. 

EINHALTUNG DES ENDTERMINS ALS TEAM-ZIEL 

Auf Basis der mehrjährigen Erfahrung mit beiden Entwicklungsabläufen 

haben die Mitarbeiter von Phoenix 

DAS V-MODELL dient als Basis für die 

klassische Produktentwicklung 

AGILE SOFTWARE-ENTWICKLUNG mit Scrum 

22 


11 / 2013

Contact und KW-Software daher damit begonnen, die 

Vorteile beider Verfahren miteinander zu verbinden. Sie 

haben den Nutzen der agilen Entwicklung aufgrund der 

starken Team-Bildung und des gemeinsam verantworteten 

Ergebnisses und die nach außen klar kommunizierbare 

Verbindlichkeit des V-Modells zu einem optimalen 

Ansatz kombiniert. Nach der Anforderungsanalyse werden 

hier die im Projekt umzusetzenden Anforderungen 

festgelegt, grob abgeschätzt und ein Abnahmetermin 

vereinbart. Die Anforderungen müssen jedoch weniger 

detailliert als im V-Modell aufgeschlüsselt sein. Das 

Pflichtenheft und eine Spezifikation entfallen. 

Die Entwicklung erfolgt nun nach dem Scrum-Prozess, 

wobei alle Beteiligten die Einhaltung des Endtermins 

und der zu realisierenden Anforderungen als 

Team-Ziel für die Marketing- und Entwicklungsabteilung 

im Auge behalten. Zur Abnahme und Freigabe werden 

die bekannten Quality Gates herangezogen. Die 

Mitarbeiter des Bereichs Software-Qualitätssicherung 

sind ebenfalls Teil des Teams, werden aber separat organisiert, 

um ihre Aufgabe als „unabhängige“ Instanz 

zu erfüllen. Sie erarbeiten entsprechende Tests parallel 

zu den einzelnen Sprints. 

Das kombinierte Entwicklungsverfahren verzichtet auf 

umfangreiche technische Spezifikationen. Stattdessen 

werden die Anforderungen während des Entwicklungsprozesses 

weiter gepflegt, sodass sie am Ende die tatsächliche 

Software in einer Außenansicht beschreiben. Dies 

ist sowohl für einen abgestimmten Test als auch den 

weiteren Lebenszyklus des Produkts wichtig. Die technische 

Dokumentation der Software-Architektur und der 

Komponenten geschieht in dem Maße, wie es für die 

Entwicklung und Pflege notwendig ist. Hier gibt es unabhängig 

vom Prozess gesonderte Festlegungen. 

ENGE ZUSAMMENARBEIT ERHÖHT DIE MOTIVATION 

Wie bereits erwähnt, weisen das V-Modell und der 

Scrum-Prozess Vor- und Nachteile auf. Das Manko des 

V-Modells resultiert aus den starren Verantwortlichkeiten 

und Abläufen. Dabei werden Lastenhefte erstellt und 

Projektergebnisse zum Projektende abgeholt. In diesen 

Fällen entspricht das Ergebnis oft nicht den Erwartungen 

des Auftraggebers, weil die Zwischenergebnisse nicht 

frühzeitig gemeinsam betrachtet und Entscheidungen 

zusammen getroffen wurden. In anderen Fällen wird der 

Planungstermin so lange verzögert, bis nahezu die gesamte 

Software umgesetzt und damit alle Entwicklungsrisiken 

minimiert sind. Damit erfolgt die Freigabe fast 

unmittelbar auf den Planungstermin, was dem Sinn einer 

Projektplanung zuwider läuft. 

Das von Phoenix Contact und KW-Software konzipierte 

agile V-Modell umgeht beide Nachteile. Dies liegt an 

der engen Zusammenarbeit zwischen Marketing-, Entwicklungs- 

und Testabteilung begründet. Denn die Projektergebnisse 

hinsichtlich Funktion, Termin und Qualität 

werden gemeinsam verantwortet. Dieses Vorgehen 

funktioniert, da sämtliche Parteien den weiteren Verlauf 

über den Entwicklungszyklus mit beeinflussen können. 

Den einzelnen Personen müssen trotzdem bestimmte 

Rollen und Verantwortungen zugeordnet werden. Des 

Weiteren wird eine Zertifizierung des Entwicklungsprozesses 

gegenüber einem rein agilen Prozess erleichtert. 

Auch diesem Aspekt kommt besonders aus Sicht von 

Großkunden eine immer höhere Bedeutung zu. 

Aufgrund der Erfahrung der Mitarbeiter ist es wichtig, 

dass ein solcher Prozess durch den Einsatz eines Application-Lifecycle-Management(ALM)-Tools 

unterstützt 

wird. Auf diese Weise lässt sich später jede Entscheidung, 

Erweiterung und Veränderung nachvollziehen. 

Das gilt zunächst für das Entwicklungsprojekt, aber auf 

lange Sicht auch für die gesamte Software und ihren 

Lebenszyklus. Eine weitere Folge der engen Zusammenarbeit 

in den Teams und dem hohen Maß an Selbstorganisation 

ist die gestiegene Motivation der Mitglieder 

sowie deren Identifikation mit dem Produkt. 

FAZIT 

Software wird zukünftig der Schlüssel zur Kundengewinnung 

und -bindung sein. Um innovative und erfolgreiche 

Tools zu entwickeln, müssen die Unternehmens- und Entwicklungsprozesse 

ebenfalls angepasst und optimiert 

werden. Nur dann können die Industrieunternehmen den 

veränderten Anforderungen ihrer Kunden Rechnung tragen 

und sich einen Wettbewerbsvorteil sichern. 

AUTOREN 

JÖRG JESCHIN ist Leiter Software 

Plattform Entwicklung bei Phoenix 

Contact Electronics GmbH und 

KW-Software in Lemgo. 

JENS DREYER arbeitet im Produktmarketing 

Software bei Phoenix Contact Electronics 

GmbH in Bad Pyrmont. 

INTEGRIERTE SPRINTS erhöhen den 

Entwicklungserfolg des V-Modells 

Phoenix Contact GmbH & Co. KG, 

Flachsmarktstraße 8, D-32825 Blomberg, 

Tel. +49 (0) 523 53 00, 

E-Mail: jdreyer@phoenixcontact.com 


11 / 2013 

23

PRAXIS 

Innovation spart 40 Prozent Bauraum im Schalt - 

schrank verglichen mit den vorherigen Baugrößen 

Digitale I/O-Module für das modulare LB-Remote-I/O-System sind nur noch halb so breit wie bisher 

DAS DIGITALE 

EINGANGSMODUL 

LB1109A, das nur 

noch halb so viel 

Platz im Schaltschrank 

benötigt, 

wie vergleichbare 

Modelle. 

VIELSEITIG: Remote-I/O-Systeme helfen unter anderem 

in der Chemiebranche, Signale zwischen den Feldgeräten 

im explosionsgefährdeten Bereich und dem Leitsystem 

anzupassen und weiterzuleiten. 

Der Platz in einem Schaltschrank ist bares Geld wert. 

Bei der Planung oder Modernisierung von Anlagen 

wird die Größe des Schrankes als Kostenfaktor mit einbezogen. 

Pepperl+Fuchs bietet nun seine analogen Remote-I/O-Module 

als digitale Version an. Sie sind mit 16 

Millimetern nur noch halb so groß wie vergleichbare Geräte. 

Laut Anbieter reduzieren sie so die Kosten pro Kanal. 

PLATZERSPARNIS ALS WETTBEWERBSVORTEIL 

In Zeiten, in denen immer umfangreichere Funktionen 

zunehmend mehr elektronische Komponenten benötigen, 

ist Platzersparnis ein wesentlicher Wettbewerbsvorteil. 

„Es macht schon einen Unterschied, ob auf einer Backplane 

mit 8, 16 oder noch mehr I/O-Modulen jedes Einzelne 

in der Breite 16 Millimeter mehr oder weniger Platz 

benötigt“, rechnet Gerrit Lohmann, Leiter der Produktgruppe 

Remote Systems bei Pepperl+Fuchs vor. Daher verbessern 

er und seine Kollegen das Produktrange der bereits 

seit mehr als 15 Jahren erfolgreich am Markt etablierten 

Remote-I/O-Systeme kontinuierlich. Auch die Entwicklung 

neuer und kompakterer Gehäusebauformen für die 

I/O-Module gehört dazu. Sie bestimmen, entsprechend der 

Anzahl der darüber angebundenen Feldgeräte, zu mehreren 

kombiniert, die Gesamtgröße eines Systems erheblich. 

MIT REMOTE-I/O-SYSTEMEN SPAREN 

Modulare Remote-I/O-Systeme, von denen Pepperl+Fuchs 

die Varianten FB und LB anbietet, verbinden Feldgeräte 

aus explosionsgefährdeten und sicheren Bereichen mit 

Prozessleitgeräten über einen Feldbus. 

FB-Remote-I/O-Stationen werden in Zone 1 oder 21 und 

LB-Remote-I/O-Stationen in Zone 2/22, Class I, Division 2 

oder im sicheren Bereich montiert. Ihre Aufgabe ist die 

Signalanpassung zwischen Feldsignalen des explosionsgefährdeten 

und des sicheren Bereiches für Steuerungen und 

Leitsysteme. Sie führen eigensichere Eingänge und Ausgänge 

von Sensoren und Aktoren verschiedenen Feldbussen 

zu, nehmen Signale von Namur-Initiatoren oder mechanischen 

Kontakten entgegen und steuern IS-Leistungsspulen 

an. Darüber hinaus können über die Anschlusstechnik 

Aktoren mit erhöhter Sicherheit (Ex e) wie zum Beispiel 

Signalleuchten oder akustische Signalgeber angeschlossen 

werden, die eine größere Leistung benötigen. 

Ein Remote-I/O-System besteht aus ein- und/oder mehrkanaligen 

Modulen, die beliebig auf eine Backplane gesteckt 

sind. Die Backplane wiederum ist auf eine Montageplatte 

geschraubt oder auf einer DIN-Standardschiene 

eingerastet. Sie versorgt die Module mit Energie und bildet 

die Verbindung zwischen Modulen und dem Buskoppler. 

Die Backplanes bietet Pepperl+Fuchs in unterschiedlichen 

Größen an. Das erlaubt ebenfalls einen modularen 

und Platz sparenden Aufbau einer Remote-I/O-Station. 

In Remote-I/O-Modulen kommen verschiedene Bustechnologien 

zum Einsatz, um mit dem Master-Prozessleitsystem, 

einer SPS oder dem Scada-System zu kommunizieren. 

Die beliebtesten sind Profibus DP oder DP 

V1, Modbus RTU, Foundation Fieldbus H1 sowie Modubus 

TCP über Ethernet. 

Anwender sparen mit Remote-I/O-Systemen bei der 

Verdrahtung, der technischen Projektierung und den 

Montagekosten. Sie gewinnen mehr Kontroll- und Diagnosefunktionen 

und haben Fernzugriff auf Hart-Feldgeräte. 

Geeignet für sichere und explosionsgefährdete Bereiche 

sichern Remote-I/O-Systeme bei redundant ausgeführtem 

Feldbus sowie redundanten Buskopplern und 

Netzteilen die hohe Verfügbarkeit. Bei Ausfall einer Busleitung 

oder eines Buskopplers schaltet das übergeordnete 

System automatisch und stoßfrei auf den Redundanz- 

24 


11 / 2013

www.atp-edition.de 

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koppler um. Außerdem ist dank Netzteil-Redundanz 

sichergestellt, dass bei einem Netzteilausfall die Module 

und Buskoppler weiter versorgt werden. 

EFFIZIENTE RAUMNUTZUNG IM SCHALTSCHRANK 

Die nun entwickelten 8-kanaligen, digitalen Eingangsmodule 

hat der Anbieter durch ein neues, elektrisches 

Design ermöglicht. Mit lediglich 16 Millimeter 

Breite sind die High-Density-Module nur noch 

halb so breit wie die Vorgängerbauform. Sie passen 

in vorhandene Backplanes und sind leicht zu konfigurieren. 

Ausgerüstet mit Status LEDs für die schnelle 

Diagnose vereinfachen sie die Inbetriebnahme. 

Mit den Modulen für digitale Eingänge ergänzt der 

Hersteller die Produktrange für besonders kompakte 

Installationen. Ergänzend zu der nun kompletten Reihe 

schmaler, mehrkanaliger Module für analoge und 

digitale I/Os passen auch die universellen I/O-Module 

in das Konzept für effiziente Raumnutzung im 

Schaltschrank. 

Für die Verarbeitung analoger sowie binärer Einoder 

Ausgänge sind sie als analoger Hart-kompatibler 

Ein- oder Ausgang sowie als digitaler Kontakteingang 

oder Magnetventilausgang konfigurierbar. So reduzieren 

diese Geräte die auf Lager zu haltenden Varianten, 

was ebenfalls zur Kostensenkung beiträgt. 

Die Referenzklasse für die 

Automatisierungstechnik 

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Die Qualität der wissenschaftlichen Hauptbeiträge 

sichert ein strenges Peer-Review-Verfahren. Bezug zur 

automatisierungstechnischen Praxis nehmen außerdem 

die kurzen Journalbeiträge aus der Fertigungs- und Prozessautomatisierung. 

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FAZIT 

„Bei einem kompletten LB-Remote-I/O-System inklusive 

Buskoppler und Netzteile, sparen die schmalen 

Module je nach Signalmix – im Vergleich zu den vorherigen 

Baugrößen – insgesamt rund 40 % Bauraum“, 

rechnet Lohmann vor. Das bedeutet je nach Konstellation 

erheblich kleinere Systeme oder doppelt so viele 

I/O-Module bei gleichem Platz. In jedem Fall geht die 

Platzeinsparung als erheblicher Faktor in die Kostenbetrachtung 

pro Kanal ein. 

AUTORIN 

SABRINA WEILAND, 

ist Produkt Marketing 

Manager im Geschäftsbereich 

Prozessautomation bei 

der Pepperl+Fuchs GmbH. 

Pepperl+Fuchs GmbH, 

Lilienthalstraße 200, D-68307 Mannheim, 

Tel. +49 (0) 621 776 22 22, 

E-Mail: pa-info@de.pepperl-fuchs.com 

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

HAUPTBEITRAG 

Prozesssimulation im 

Automatisierungssystem 

Objektorientierte Strukturierung für Rezepte und Tests 

Höhere Anforderungen an die Anwendersoftware von Automatisierungssystemen verursachen 

wachsende Kosten für Programmierung, Simulation und Test. Teure Rezeptpakete 

und Simulationswerkzeuge unterstützen zwar die Softwareentwickler, lohnen sich 

jedoch zeitlich und finanziell nur für große Projekte. Dieser Beitrag untersucht, wie die 

wichtigsten Fähigkeiten dieser Systeme mit Bordmitteln der Automatisierungssysteme 

selbst nachgebildet werden können. Um eine solche kostengünstige Lösung für kleinere 

Projekte anzubieten, werden Funktionsbaustein-Bibliotheken entwickelt, die auf den 

Grundlagen von Rezeptfahrweise und objektorientierter SPS-Programmierung basieren. 

SCHLAGWÖRTER Grundoperationenkonzept / Objektorientierung / virtuelle Inbetriebnahme 

Process Simulation in Smaller Automation Systems – 

Object Orientation and Recipe Method 

Increasing demands on the control system software of automation systems cause immense 

costs for programming, simulation, and testing. Expensive batch systems and simulation 

tools support software developers but are only viable in big projects. This paper examines 

how to replicate the most important features of these systems with standard 

programming tools. To provide such a low-cost solution for smaller projects, function 

block libraries are developed on the basis of recipe method and object-oriented PLCprogramming. 

KEYWORDS recipe method / object-orientation / virtual commissioning 

26 


11 / 2013

MATTHIAS SEITZ, Hochschule Mannheim 

Die Anwendersoftware in Automatisierungssystemen 

basiert auf einer strukturierten Programmierung. 

Dabei werden Anwenderprogramme mit 

Hilfe von Funktionsbausteinen entwickelt, die 

sich für häufig auftretende Funktionen immer 

wieder verwenden lassen [1,2]. Standardbausteine für Maschinen 

in der Fertigungsautomatisierung wurden von der 

PLCopen entwickelt [3], für Geräte in der Prozessautomatisierung 

bieten die Leitsystemhersteller Bausteinbibliotheken 

an [4,5]. Zurzeit wird diskutiert, welche Anforderungen 

Standardmodule erfüllen müssen, um das Engineering 

verfahrenstechnischer Anlagen zu vereinfachen [6]. 

Infolge steigender Qualitätsanforderungen und kürzerer 

Inbetriebsetzungszeiten steigt der Aufwand für Simulation 

und Test der Anwendersoftware. Vorhandene Simulationssysteme 

[7,8] sind auf eine möglichst genaue, 

grafisch animierte Modellierung der Anlage fokussiert. 

Dies ist zwar anschaulich und für die Analyse des dynamischen 

Anlagenverhaltens und den Entwurf von Regelungen 

notwendig, hat aber zur Folge, dass das Anlagenverhalten 

aufwendig zu programmieren ist. Neben der 

Software zur Steuerung der Anlage, muss fast noch einmal 

so viel Software zur Simulation der Anlage in einer 

zweiten Programmierumgebung entwickelt werden. 

In vielen verfahrenstechnischen Anlagen werden 

Standardregler eingesetzt und statt des Reglerentwurfs 

ist der Steuerungsentwurf für das komplexe Anlagenverhalten 

von größerer Relevanz. In diesem Beitrag wird 

deshalb das Anlagenverhalten mit Funktionsbausteinen 

im Automatisierungssystem selbst modelliert. Diese Simulationsbausteine 

spielen dann als Software-in-theloop 

mit den Steuerbausteinen zusammen. Im Folgenden 

wird erläutert, wie allgemein verwendbare Funktionsbausteine 

durch eine geschickte Strukturierung der Anlage 

und des Verfahrens entwickelt werden können, 

welche Vorteile die objektorientierte SPS-Programmierung 

hierfür bietet und wie sich daraus Funktionsbausteine 

ergeben, mit denen die Steuerungssoftware automatisiert 

getestet werden kann. Ergänzend wird dem 

Leser die programmtechnische Umsetzung dokumentiert 

in [9] bereitgestellt. 

1. ENTWICKLUNG VON PROZESS- UND ANLAGENMODULEN 

Eine modulare Automatisierungssoftware besteht, wie 

in Bild 1 skizziert, aus drei Säulen mit Modulen zur Steuerung, 

Simulation und Visualisierung. Im Zuge einer 

Anlagenzerlegung lassen sich allgemein verwendbare 

Funktionsbausteine für die wichtigsten Feldgerätetypen 

finden, die in prozesstechnischen Anlagen auftreten. Für 

ein Simulations- und Testsystem sind zusätzlich Simulations- 

und Visualisierungsbausteine als Pendant zu 

den Steuerbausteinen zu entwickeln. 

Die vierte Säule umfasst Grundfunktionen für Ablaufsteuerungen, 

die nicht immer, aber insbesondere für die 

Automatisierung von Chargenprozessen benötigt werden 

[1]. Um möglichst allgemein wiederverwendbare Funktionsbausteine 

zu entwickeln, ist es notwendig, die Anlage 

und den Prozessablauf in Module zu zerlegen. 

Die Rezeptfahrweise nach ISA-88 [10] basiert auf der 

Idee, den verfahrenstechnischen Prozess in Grundoperationen 

und Grundfunktionen aufzuteilen, die als parametrierbare 

und wiederverwendbare Bausteine im Automatisierungssystem 

abgebildet werden [11]. Im System nach 

Bild 1 sind Schrittketten für Dosieren, Heizen, Abfüllen 

und so weiter als geräteneutrale Grundfunktionen in Form 

wiederverwendbarer Funktionsbausteine bereitgestellt. 

Diese Grundfunktionen werden in dem hier betrachteten 

Alltagsbeispiel zunächst zu den Grundoperationen Wasserkochen, 

Kaffeeaufbrühen und Warmhalten zusammengesetzt. 

Aus den Grundoperationen wird dann der Ablauf 

des Rezepts zur Herstellung von Kaffee gebildet. 

1.1 Vorteile durch objektorientierte SPS-Programmierung 

Seit die SPS-Programmiersprachen eine objektorientierte 

Programmierung von Automatisierungssystemen ermöglichen 

[12], lässt sich die Rezeptfahrweise ohne Rezeptpaket 

mit Bordmitteln des Programmiersystems vergleichsweise 

einfach umsetzen [2]. Dabei werden die 

Feldgeräte, wie in Bild 2 gezeigt, über Methoden und Eigenschaften 

aus den Schrittketten der Grundoperationen 


11 / 2013 

27

HAUPTBEITRAG 

und Grundfunktionen heraus angesprochen. In den Aktionen 

der Schrittketten werden Methoden, etwa zum 

Ein- und Ausschalten einer Pumpe, aufgerufen, während 

die Eigenschaften der Feldgeräte, wie zum Beispiel das 

Erreichen einer oberen Füllstandsgrenze, als Weiterschaltbedingung 

in den Transitionen ausgewertet werden. 

Die Ansteuerung über Methoden und Eigenschaften ist 

übersichtlicher und transparenter als die Ansteuerung 

durch Variablen. Der Umfang der Software wird durch Anwendung 

von Vererbung und Polymorphismus noch weiter 

reduziert. Ein weiterer Vorteil polymorpher Bausteine ist, 

dass sie für verschiedene Varianten von Anlagen- und Prozessmodulen 

eingesetzt werden können. Beispielsweise 

wirkt die Grundfunktion BF_TEMP in Bild 3 zum Heizen 

oder Kühlen von Medien auf einem Temperaturregler. Die 

Schnittstelle Control des Reglers, der die Methoden und 

Eigenschaften der Schnittstelle Sensor geerbt hat, umfasst 

zusätzlich folgende Methoden und Eigenschaften: 

INTERFACE Control EXTENDS Sensor 

METHOD AUT : BOOL (*Einschalten der Regelung*) 

METHOD MAN : BOOL (*Ausschalten der Regelung 

und Ausgabe eines manuellen 

Stellwerts*) 

METHOD EXT : BOOL (*Externe Sollwertvorgabe*) 

PROPERTY MV : REAL (*Rückmeldung des ausgegebenen 

Stellwerts*) 

PROPERTY SP : REAL (*Rückmeldung des eingestellten 

Sollwerts*) 

Die Implementierung dieser Methoden und Eigenschaften 

kann unterschiedlich sein. So ist der Temperaturregler 

T3107, der in der Anlage nach Bild 4 zum Wasserkochen 

eingesetzt wird, ein Zweipunktregler und basiert auf dem 

entsprechenden Funktionsbaustein TYP_2PT. Dagegen 

wird zum Warmhalten des Kaffees in Bild 4 der PID-Regler 

TIC3302 durch den Funktionsbaustein TYP_PID realisiert. 

Die Methoden und Eigenschaften dieser Reglerbausteine 

haben gleiche Namen und Übergabeparameter, der Regelalgorithmus 

ist jedoch unterschiedlich. Trotzdem kann in 

beiden Fällen die gleiche Grundfunktion BF_TEMP verwendet 

werden, da diese nur die Methoden und Eigenschaften 

der Schnittstelle Control aufruft, die unterschiedliche Implementierung 

jedoch in den Reglerbausteinen erfolgt. 

Bild 3 zeigt den Aufbau der Prozessmodule, die den Prozessablauf, 

hier das Kaffeekochen, in die Module Rezept, 

Grundoperationen und Grundfunktionen unterteilt. 

Grundfunktionen sind dabei als parametrierbare Funktionsbausteine 

realisiert, wie zum Beispiel BF_TEMP in Bild 

3. Grundoperationen sind als Aktionen des Rezeptprogramms 

implementiert. Die Module sind so allgemein 

umgesetzt, dass sie in verschiedenen verfahrenstechnischen 

Prozessen immer wieder verwendet werden können. 

1.2 Aggregierte Klassenbildung 

Ähnlich wie der Prozessablauf in Module zerlegt wird, sind 

die Geräte der Anlage zu modularisieren. Die Feldgeräte 

einer Anlage stellen Objekte dar, die sich in wenige Klassen 

einteilen lassen. Zum Beispiel stellen die Ventile und Motoren 

in Bild 4 die Klasse der Einzelsteuerfunktionen dar, 

die durch den Funktionsbaustein TYP_IDF1 angesteuert 

werden können. Genauso sind Funktionsbausteine für alle 

anderen Feldgerätetypen der Anlage zu entwickeln (siehe 

beispielsweise TYP_PID, TYP_AIN in Bild 1). 

Die Funktionsbausteine der Feldgeräteklassen werden 

nun zur Steuerung ganzer Anlagenteile (wie TYP_VES- 

SEL, TYP_HEATER) und Teilanlagen (wie TYP_FILTER, 

TYP_BOILER) zusammengesetzt. Die in der hier betracteten 

Anlage verwendeten Steuer- und Simulationsbausteine 

sind in Bild 4 den gestrichelten Anlagenteilen 

zugeordnet. Alle blau gestrichelten Anlagenteile bilden 

die Teilanlage TYP_BOILER, die grün gestrichelten die 

Teilanlage TYP_FILTER und die rot gestrichelten die 

Teilanlage TYP_STORAGE. Die Teilanlagen werden von 

Programmen angesteuert, in denen die Steuer- und Simulationsbausteine 

instanziiert sind. Die komplette 

Software zur Steuerung der Anlage nach Bild 4 wurde 

mit dem SPS-Programmiersystem CoDeSys 3.5 programmiert 

und steht unter [9] zum Download zur Verfügung. 

Durch dieses Bottom-up-Vorgehen entstehen neue übergeordnete 

Softwaremodule, sozusagen aggregierte Klassen, 

die große Teile einer Anlage ansteuern können. Die 

Bausteine sind geräteneutral und parametrierbar, sodass 

sie sich soweit möglich für gleiche Anlagenteile immer 

wieder verwenden lassen. Somit ergibt sich ein Baukasten 

mit Funktionsbausteinen beziehungsweise Ansteuerprogrammen 

(Continuous Function Charts, CFC) für Feldgeräte, 

Anlagenteile und Teilanlagen sowie mit Grundfunktionsbausteinen 

für ihre verfahrenstechnische Verwendung 

in Ablaufketten (Sequential Function Charts, SFC). 

Dieser Baukasten mit CFC- und SFC-Bausteinen kann 

nach Bild 1 auf Simulationsbausteine und Bausteine zur 

Prozessvisualisierung ausgedehnt werden. Für jeden Feldgerätetyp 

lassen sich beispielsweise im SPS-Programmiersystem 

CoDeSys ein Visualisierungssymbol und ein Faceplate 

als parametrierbare und wiederverwendbare Bedienungsbausteine 

anlegen. Diese können zu Grafikbildern 

von verfahrenstechnischen Teilanlagen und Fertigungsstraßen 

zusammengesetzt werden. 

2. STANDARDBAUSTEINE ZUR ANLAGENSIMULATION 

Um den Aufwand gering zu halten, ein Simulationsmodell 

für verfahrenstechnische Anlagen zu erstellen, wurde 

die Simulationssoftware genauso strukturiert wie die 

Steuerungssoftware (siehe Bild 1). Für jeden Feldgerätetyp 

wird ein Funktionsbaustein zur Ansteuerung und 

jeweils ein Funktionsbaustein zur Simulation entwickelt. 

Mit der gewonnenen Bausteinbibliothek lassen 

sich die Simulationsbausteine generisch zu einem Simulationsmodell 

der Anlage zusammensetzen, womit die 

Steuerungssoftware vor der Inbetriebnahme mit der realen 

Anlage automatisiert getestet werden kann. 

Die Simulationsbausteine wirken statt eines realen Anlagenteils 

im Steuerkreis als Software-in-the-loop. Dabei 

steht das Beherrschen der Komplexität der Steuerungssoftware 

im Mittelpunkt und weniger die exakte dynamische 

Modellierung der Anlage, denn das Zeitverhalten 

der Anlage und die Reglereinstellungen müssen später 

bei der Inbetriebnahme ohnehin noch optimiert werden. 

Durch das Ineinandergreifen von Steuerungs- und Simulationsbausteinen 

wird erreicht, dass der grundsätzliche 

Prozessablauf vor der Inbetriebnahme ohne Anlage 

getestet werden kann. Dies hilft dem Programmierer bei 

der Entwicklung der Steuerungssoftware, dient als Nach- 

28 


11 / 2013

BILD 1: Softwarestruktur 

mit Modulen zur Steuerung und 

Simulation einer Beispielanlage 

TYP_Vessel, 

Sim_Vessel 

TYP_Heater, 

SIM_Heater 

TYP_Feed, SIM_Feed 

TYP_Tank, 

SIM_Tank 

TYP_Tank 

SIM_Tank 

BILD 2: Ansteuerung von Methoden in Aktionen der 

Schrittketten (SFC) und Auswertung von Eigenschaften 

als Weiterschaltbedingung 

TYP_Vessel, 

SIM_Vessel 

TYP_Temp, SIM_Temp 

Rezept 

Grundoperation 

Grundfunktion 

BILD 4: Zuordnung der 

Ansteuer- und Simulationsbausteine 

zu einer 

verfahrenstechnischen 

Anlage, die in der Ausbildungsabteilung 

von BASF zur 

Herstellung von Tee und 

Kaffee eingesetzt wird. 

BILD 3: Aufbau von Prozessmodulen für 

den Beispielprozess des Kaffeekochens 


11 / 2013 

29

HAUPTBEITRAG 

Ansteuerbaustein 

BILD 5: Mapping der E/A-Signale %IW9 und %QX0.4 wahlweise 

auf den Simulationsbaustein SIM_Heater und/oder auf den 

Steuerbaustein TYP_Heater 

Simulationsbaustein 

Mapping auf E/A-Kanäle 

BILD 6: Test der Sensoren und Aktoren 

mit Hilfe der Simulationsprogramme 

und einer Schrittkette (SFC) 

weis der prinzipiellen Funktionalität bei Factory Acceptance 

Test (FAT) und erlaubt es, die Auswirkungen von 

Änderungen nach der Inbetriebnahme auf die bestehende 

Steuerungssoftware vorab in der Simulation zu testen. 

Voraussetzung für das reibungslose Umschalten zwischen 

Simulationsumgebung und realer Anlage ist, dass 

das Automatisierungssystem ein Mapping der E/A-Kanäle 

auf Variablen ermöglicht. Im SPS-Programmiersystem 

CoDeSys können die E/A-Kanäle, wie in Bild 5 dargestellt, 

auf Variablen der Funktionsbausteine gemappt 

werden. Solange an den E/A-Kanälen noch keine Feldgeräte 

angeschlossen sind, werden die Adressen mit Variablen 

verbunden. Dies wird genutzt, um die Ausgangskanäle 

durch Simulationsbausteine einzulesen und 

daraufhin die Eingangskanäle zu simulieren. 

Im Beispiel von Bild 5 wird das Stellsignal E3108.OUT1 

einer Heizung durch den Simulationsbaustein SIM_Heater 

eingelesen. Ist die Heizung eingeschaltet, simuliert der 

Baustein den Temperaturanstieg durch ein Verzögerungsglied 

erster Ordnung und gibt den simulierten Temperaturwert 

als Datenwort an den Reglereingang T3107.X_W 

aus. Ohne Simulation wird der Eingang von einem Sensor 

der realen Anlage über den Eingangskanal %IW9 gespeist. 

Der Ansteuerbaustein TYP_Heater registriert nicht, ob 

er die Daten vom Simulationsbaustein oder direkt vom 

Eingangskanal erhält. In jedem Fall kann die Steuerung 

ausgeführt und getestet werden. In ähnlicher Weise lassen 

sich weitere Übertragungsglieder für typische Steuer- 

und Regelstrecken der Verfahrenstechnik simulieren. 

Natürlich wäre es möglich, die Simulation als Methoden 

in die Ansteuerbausteine zu integrieren. Dann wären aber 

Simulations- und Steuerungssoftware miteinander verwoben. 

Die meisten Anlagenbetreiber fordern jedoch aus Sicherheitsgründen 

eine sichere Deaktivierung der Simulation, 

um versehentliche Reaktionen der Steuerung auf die 

Simulation anstatt auf die reale Anlage zu verhindern. 

Der Vorteil dieses Ansatzes ist, dass Simulations- und 

Ansteuersoftware sauber voneinander getrennt sind. Die 

vorgeschlagenen Standardbausteine werden in eigenen 

Simulationsprogrammen instanziiert und von einer Simulationstask 

abgearbeitet, die getrennt von der Steuerungssoftware 

in das Zielsystem geladen oder vor der 

Inbetriebnahme einfach deaktiviert beziehungsweise 

gelöscht werden können. Die Steuerungssoftware kann 

so ohne Änderungen vom Simulationsbetrieb auf den 

realen Anlagenbetrieb umgeschaltet werden. 

3. MODELLBASIERTES TESTEN 

Mit Hilfe der entwickelten Simulationsbausteine lässt 

sich der spezifizierte Prozessablauf automatisch testen. 

Viele Ansätze haben zum Ziel, die Installationsprüfung 

während der Inbetriebnahme zu automatisieren [13,14]. 

In diesem Beitrag steht dagegen nicht Site Acceptance Test 

(SAT), sondern der FAT der Software im Mittelpunkt. Dies 

AUTOR 

Prof. Dr.-Ing. MATTHIAS 

SEITZ (geb. 1967) vertritt 

das Fach gebiet Elektronische 

Steuerungstechnik 

am Institut für Automatisierungssysteme 

der 

Hoch schule Mannheim. 

Haupt arbeitsfelder: 

Engineering von Automatisierungssystemen 

(SPS, PLS), Entwicklung 

adaptiver und lernfähiger Steuerungen. 

Hochschule Mannheim, 

Paul-Wittsack-Straße 10, 

D-68163 Mannheim, 

Tel. +49 (0) 6151 60 62 33, 

E-Mail: m.seitz@hs-mannheim.de 

30 


11 / 2013

REFERENZEN 

hilft auch dem Programmierer, der seine Software während 

der Erstellung mehrfach testen möchte und muss. 

Der Aufwand hierfür ist überschaubar. Für jeden Ansteuerbaustein 

aus Bild 1 muss der Entwickler nur den dazugehörigen 

Simulationsbaustein als Pendant aus der Simulationsbibliothek 

hinzufügen. Dadurch wird der Loop zwischen 

Sensor und Aktor auch ohne Anlage geschlossen und 

die Software kann vor der Inbetriebnahme getestet werden. 

Durch die Aggregation von Klassen können ganze Anlagenteile 

durch einen Steuer- und einen Simulationsbaustein 

modelliert werden, was die Softwareerstellung noch effizienter 

macht. Voraussetzung ist natürlich, dass die modellierten 

Bausteine auf den konkreten Anlagenteil passen. 

Mit den beschriebenen Simulations- und Visualisierungsbausteinen 

können die Feldgeräte in der Betriebsart Manuell 

getestet werden. Durch diese Modultests wird die prinzipielle 

Funktionsweise der Feldgeräteansteuerung vor der Installation 

überprüft. In den meisten Fällen ist dieser Test nicht 

nötig, wenn die Typicals der Funktionsbausteine schon ausreichend 

getestet wurden. Jedes einzelne Feldgerät wird während 

der Inbetriebnahme ohnehin durch Loop-Checks im 

Zusammenspiel mit der realen Anlage untersucht. 

Wichtiger ist der automatische Test des spezifizierten Prozessablaufs. 

Durch Integration der Rezeptsteuerung werden 

die CFC dann, wie in Bild 6 dargestellt, in der Betriebsart 

Automatik gemäß dem vorgesehenen Ablauf durch die SFC 

angesteuert. Läuft die Schrittkette ohne Fehler durch, ist der 

Test der CFC automatisch ausgeführt. Ist eine Ansteuerung 

nicht erfolgreich, wird die Weiterschaltbedingung in der 

Regel nicht erfüllt. Die Schrittkette bleibt dann an dieser 

Stelle stehen und muss vom Bediener abgebrochen werden. 

Die SFC müssen im Rahmen der Designverifizierung 

gegen die Spezifikation reviewed werden, stellen oft aber 

in der grafischen Ablaufsprache schon eine genehmigungsfähige 

Spezifikation dar. Für Anlagenteile oder Feldgeräte, 

die nicht von Schrittketten angesteuert werden, sind eigene 

Testschrittketten zu entwickeln, um die CFC testweise 

anzusteuern und die Auswirkungen zu prüfen. 

Auch die Protokollierung der Tests kann automatisiert erfolgen, 

indem die Namen der erfolgreich ausgeführten Schritte 

als Testergebnis in eine xml-Datei geschrieben werden. Die 

spezifierte Schrittkette kann als Akzeptanzkriterium ebenfalls 

in eine xml-Datei exportiert werden. Aus beiden xml- 

Dateien lässt sich so automatisiert ein Testprotokoll erstellen 

[15]. Dies dient dem Entwickler als Nachweis, dass seine 

Software bei Übergabe spezifikationsgemäß funktioniert hat. 

Durch diesen Integrationstest kann die Funktion nahezu 

der gesamten Software im Zusammenspiel mit der Prozessvisualisierung 

vor der Inbetriebsetzung getestet werden, 

was die Zeiten für die Inbetriebsetzung erheblich reduziert. 

Die E/A-Kanäle werden dabei nicht getestet, was aber später 

bei der Installationsprüfung und im Rahmen von Loop- 

Checks an realen Anlagen umfangreich getestet wird. 

SCHLUSSFOLGERUNGEN 

Eine durchgängige Softwarestrukturierung vereinfacht 

Programmierung, Simulation und Test der Automatisierungssoftware 

erheblich. Das Ziel, die Anwendersoftware 

einfach durch Verbinden einiger weniger vorkonfektionierter 

Bausteine zu erstellen, bekam durch die 

Möglichkeiten der objektorientierten SPS-Programmierung 

neue Impulse, da die Bausteine für verschiedene 

Varianten polymorph genutzt werden können [9]. Um die 

Software während und nach der Programmierung zu 

testen, bedarf es der Simulation der Anlage. 

Die vorgestellte Simulationsmethode stellt sicher, dass 

die Software ohne installierte Anlage in sich schlüssig 

funktioniert. Die anschließende Inbetriebnahme verläuft 

dann mit deutlich weniger Verzögerungen. Die Simulation 

basiert auf Funktionsbausteinen für Feldgeräte und Anlagenteile, 

durch die die Software generisch zusammengesetzt 

werden kann. Eventuell passen die bislang entwickelten 

Bausteine für neue Anlagenteile nicht, für die dann 

neue Bausteine erstellt werden müssen. Somit wächst die 

Bausteinbibliothek und die allgemeine Einsatzfähigkeit 

wird allmählich verbessert. 

MANUSKRIPTEINGANG 

09.07.2013 

Im Peer-Review-Verfahren begutachtet 

[1] Uhlig, R., Bruns, M.: Automatisierung von Chargenprozessen. 

Oldenbourg 1995 

[2] Seitz, M.: Speicherprogrammierbare Steuerungen für die Fabrik- und 

Prozessautomation: Strukturierte und objektorientierte SPS-Programmierung, 

Motion Control, Sicherheit, vertikale Integration. Hanser Verlag 2012 

[3] PLCopen: Function Blocks for Motion Control, http://www.plcopen.org 

[4] Siemens: New standards in process control, 

http://www.automation.siemens.com 

[5] ABB: ABB 800XA Extended Automation, 

http://www.abb.de/product/us/9AAC115756.aspx 

[6] Urbas, L., Bleuel, S., Jäger, T., Schmitz, S., Evertz, L., Nekolla, T.: Automatisierung 

von Prozessmodulen - Von Package-Unit-Integration zu modularen 

Anlagen. atp edition – Automatisierungstechnische Praxis 54(1-2), S. 44-53, 2012 

[7] Siemens: SIMIT - Simulation & Testing, 

http://www.automation.siemens.com 

[8] Mewes und Partner: Simulation, Virtualisierung, Kommunikation und 

Interaktion in Echtzeit mit WinMOD, http://www.mewes-partner.de 

[9] Seitz, M.: Projektbeispiele zur Simulation und zum automatischen 

Testen in speicherprogrammierbaren Steuerungen, 

http://www.es.hs-mannheim.de/sps/SimAT 

[10] ISA-88: Batch Control, 2010 

[11] Christmann, U.: BatchMon - Monitoring and Simulation of Recipe 

Driven Batch Processes in Disturbance Situations. Logos 2000 

[12] Vogel-Heuser, B., Wannagat, A.: Modulares Engineering und 

Wiederverwendung mit CoDeSys V3. Oldenbourg 2009 

[13] Klausler, B., Pöschl, M.: Automatisierter Testprozess für Software 

in technischen Produkten der Investitionsgüterindustrie (ATTEST). 

In: A&D-Kompendium, S. 87. publish-industry Verlag 2005 

[14] V. Ehret, A. Ziegler, M. Seitz, E. Kruschitz: Flexible Testautomatisierung 

für sicherheitsgerichtete Steuerungen. atp edition – 

Automatisierungs technische Praxis 51(12), S. 54-61, 2009 

[15] Steck, T.: Entwicklung von Bausteinen zum generischen Aufbau 

eines Simulations- und Testsystems für speicherprogrammierbare 

Steuerungen. Bachelorarbeit Hochschule Mannheim, 2012 


11 / 2013 

31

HAUPTBEITRAG 

Handlungsorientiertes 

Werkzeugmaschinen-HMI 

Vernetzte Apps steigern Benutzerfreundlichkeit der Maschinen 

Werkzeugmaschinen zeichnen sich aufgrund steigender Anlagenkomplexität durch eine 

hohe Informationsdichte aus. Die funktionsorientierten Navigationsstrukturen sowie nicht 

mehr zeitgemäße Eingabegeräte tragen dazu bei, dass die Einarbeitungszeit in die Maschinen-HMIs 

stetig wächst und einen hohen Schulungsaufwand verursacht. Bedienkonzepte 

aus der Informations- und Telekommunikationstechnologie, die nicht primär für den 

Maschinenbau entwickelt wurden, bergen ein großes Potenzial für eine verbesserte Benutzerfreundlichkeit 

und höhere Intuitivität von Produktionsmaschinen. Wegen der strikten 

Sicherheitsanforderungen und einer ungleich höheren Informationsdichte ergeben 

sich jedoch viele Fragen in Bezug auf anknüpfende Bedienkonzepte. In diesem Beitrag 

wird ein Ansatz für eine handlungsorientierte Werkzeugmaschinen HMI-Strukturierung 

vorgestellt, mit der sich die Systemkomplexität und die kognitive Belastung der Bediener 

erheblich reduzieren lässt. Der Bediener der Anlage wird weiterhin in seinen Arbeitsabläufen 

unterstützt und kann durch angepasste Eingabegeräte seine Effizienz steigern. 

SCHLAGWÖRTER Benutzerzentrierte Navigation / Intuitive Eingabegeräte / Reduzierung 

der Systemkomplexität 

Workflow-oriented Machine Tool HMI-Panels – 

Apps can enhance the Usability of Machine Tools 

Increasingly complex machine tools confront operators with a heavy information load. 

At the same time, the navigation structures are function-oriented and input devices fail 

to offer appropriate support for human-machine-interaction, extending initial training 

and making daily operations less efficient. Modern HCI approaches used in information 

and mobile technology, though not designed with production engineering in mind, can 

enhance machine usability and offer more intuitive machine tool handling. But due to 

higher security requirements and system complexity, most HCI concepts require extensive 

adaptation. This article presents an approach for a task-oriented HMI structure aimed 

at reducing the overall system complexity and related cognitive load for human operators. 

Furthermore, the machine supports individual workflows and increases human efficiency 

by integrating adapted user input devices. 

KEYWORDS user centred navigation / intuitive input devices / reduction of system 

complexity 

32 


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WERNER HERFS, DANIEL KOLSTER, WOLFRAM LOHSE, WZL RWTH Aachen 

Seit ihrer Markteinführung in den 1960er Jahren 

ist die Funktionalität von Werkzeugmaschinensteuerungen 

stetig gewachsen. Die zunehmende 

Komplexität mechatronischer Komponenten 

führt in Summe zu einer umfangreichen Funktionsvielfalt. 

Diese muss durch den Menschen gehandhabt 

werden. Dafür kommen Human-Machine-Interface-Systeme 

(HMI) zum Einsatz, die die Schnittstelle zwischen 

dem Bediener und der Werkzeugmaschine bilden. Neben 

einfachen Überwachungsfunktionen ermöglichen sie die 

Parametrierung und die komplette Steuerung der Anlage. 

Die wachsende Maschinenkomplexität muss im HMI abgebildet 

werden. Dies führte Software-seitig zu immer 

komplexeren hierarchischen Navigationsstrukturen und 

zahlreicheren niedrigdimensionalen Eingabeelementen 

(beispielsweise Buttons) auf Hardwareseite. Trotz eines 

immer größeren Ungleichgewichts zwischen der Informationsdichte 

und geeigneten Bedienkonzepten wurden 

keine wesentlichen Anstrengungen unternommen, diesem 

Dilemma mittels neuer Bedienkonzepte beizukommen. 

Die Industrie scheint jedoch inzwischen Handlungsbedarf 

erkannt zu haben. Laut dem VDI repräsentiert die 

Mensch-Maschine-Interaktion hinter der Ressourceneffizienz 

und Umweltschonung für die Produktionstechnik 

das wichtigste Thema der kommenden Jahre [1]. Von vielen 

Seiten wird deshalb ein Umdenken hin zu einer stärker 

benutzerorientierten HMI-Entwicklung gefordert [2]. 

Zahlreiche Beispiele aus der Informationstechnologie 

(IT) zeigen, wie sich die Benutzerfreundlichkeit technischer 

Systeme durch innovative Eingabegeräte im Zusammenspiel 

mit intelligenten Software-seitigen Bedienkonzepten 

verbessern lässt [3]. Im Bereich der Telekommunikation 

reduzieren spezialisierte Programme 

(application, kurz: app) die bis dato hohe Softwarekomplexität 

und bieten dem Benutzer überschaubare Funktionspakete 

als kompakte, modulare Anwendungen an. 

Die breite Akzeptanz, die sich durch unterschiedliche 

demografische Bevölkerungsschichten zieht, motiviert 

zur Weiterentwicklung dieses Paradigmas für die Produktionstechnik. 

Der Bereich Steuerungstechnik und 

Automatisierung des Werkzeugmaschinenlabors (WZL) 

der RWTH Aachen beschäftigt sich mit Fragestellungen 

um neue Bedienkonzepte für die Produktionstechnik. 

In diesem Beitrag wird ein erweitertes und für die Anwendungsdomäne 

der Werkzeugmaschinen konzipiertes 

App-Konzept vorgestellt. 

1. STAND DER TECHNIK 

Die Gemeinsamkeit aller Mensch-Maschine-Systeme besteht 

darin, dass der Mensch über bereitgestellte Benutzerschnittstellen 

eine Interaktion durchführen sowie 

entsprechendes Feedback als Reaktion des Systems auf 

seine Eingaben wahrnehmen kann. Dadurch wird der Regelkreis 

der Mensch-Maschine-Interaktion nach [4] geschlossen. 

Zu diesem Zweck bieten Hersteller Bedienpanels 

(HMIs) für Werkzeugmaschinen an. Mit dem Einzug 

der Mikroprozessortechnik in den 1970er Jahren ergab 

sich die Fähigkeit, maschinenspezifische Software zu 

betreiben. Die Funktionen zuvor physikalisch umgesetzter 

Schaltelemente fanden sich nun in Softwaremenüs, 

wodurch die Anzahl physikalischer Bedienelemente 

kurzzeitig sank. Parallel zur mechanischen Varianz konnte 

seitdem zusätzlich eine Software-seitige Komplexität 

in der Handhabung festgestellt werden, deren Umfang 

ständig zunahm [5]. Dieser enorme Anstieg der Funktionalität 

bei gleichbleibender Interaktionsmöglichkeit führte 

zu einer erhöhten Informationsdichte innerhalb des 

Maschinen-HMI. Diesem Problem begegneten die Hersteller 

mit größeren Bildschirmen und sowohl Hardware- als 

auch Software-seitig zahlreicheren Eingabeelementen. 

Wie in Bild 1 dargestellt, ergab ein Vergleich der ersten 

Werkzeugmaschinen-HMIs aus den 1960er und 1970er 

Jahren mit heutigen Geräten eine Zunahme der physikalischen 

Eingabeelemente um durchschnittlich etwa 300 % 

(Quelle: Erhebung des WZL basierend auf der Anwenderdokumentation 

von Werkzeugmaschinensteuerungen 

zweier führender HMI-Hersteller). 

Einen weiteren Entwicklungsschritt leitete die Touchbedienung 

ein. Die zunächst als Singletouch ausgeführten 

Geräte setzten sich primär im Bereich der Vor-Ort-Bedi- 


11 / 2013 

33

HAUPTBEITRAG 

enpanel, auch Webpanel genannt, durch. Laut einer 

Marktstudie aus dem Jahr 2009 verfügten bereits 99 % 

der vorgestellten Geräte über einen Touchscreen [6]. 

Auch Werkzeugmaschinensteuerungen sind heute vereinzelt 

mit Singletouch-Lösungen erhältlich. In den vergangenen 

Jahren sind bei den Webpanels auch Singleund 

Multitouch-Konzepte umgesetzt worden, die lediglich 

eine Zwei-Finger-Bedienung vorsehen. Einfache 

Bediengesten, die bereits von Smartphones bekannt sind, 

werden dabei für Aktionen wie Zoomen verwendet. Eine 

umfassende Validierung der Einsatzmöglichkeiten von 

Dual- oder True-Multitouch (Erkennung von mehr als 

zwei Fingern) inklusive einer umfassenden Gestenbedienung 

für Werkzeugmaschinensteuerungen wurde 

noch nicht erbracht. 

Visualisierungsseitig setzten sich bei Webpanel die 

Webtechnologien (überwiegend Microsoft Silverlight [7, 

8] und HTML5/AJAX [9]) für dynamische und verlustfrei 

skalierbare grafische Benutzerschnittstellen durch. Profibus 

und Sercos erweiterten zudem das Schnittstellenangebot 

sowie die vereinfachte Anbindung von Antrieben 

und weiterer Anlagenperipherie, wie beispielsweise 

Feldgeräten. Gleichzeitig erkannte die Industrie das Potenzial 

von Internetschnittstellen für Teleservice und 

Remote-Unterstützung während der Inbetriebnahme, 

Diagnose und Anlagenwartung. 

Die verfügbaren kleinformatigen Webpanels kommen 

jedoch nicht als Werkzeugmaschinensteuerungen im 

engeren Sinne zum Einsatz und sind softwareseitig auf 

einfache Scada-basierte Condition Monitoring Aufgaben 

spezialisiert. Dementsprechend eingeschränkt sind der 

abgebildete Funktionsumfang und die zur Verfügung 

stehenden GUI-Eingabeelemente, vergleiche [10]. 

Unabhängig vom HMI-Typ ist herstellerübergreifend 

feststellbar, dass heutige Maschinen-HMIs stark funktionsgetrieben 

sind. Entgegen psychologischer Erkenntnisse, 

nach denen Menschen in Handlungen und nicht 

Funktionen oder Datentypen denken, stellen Navigationsstrukturen 

dahingehend keine kognitiv unterstützende 

Umsetzung dar. Stattdessen erfordern sie eine permanente 

Transferleistung [11]. Die Handhabung wird durch 

bis zu zehn Navigationshierarchien erschwert, die der 

Bediener stets überblicken muss [12]. 

Hinsichtlich einer handlungsorientierten Funktionsstrukturierung 

wurden im Bereich der Anlagensteuerung 

bereits erste Anstrengungen unternommen. Die Arbeiten 

von [13, 14] demonstrieren ein Konzept zur modellbasierten 

Generierung von Workflows auf mobilen Endgeräten. 

Der Fokus liegt auf automatisierte Anlagen. Basierend auf 

ontologischen Modellen (hinsichtlich der Aufgaben, dem 

Arbeitsfluss- und Kontext) erfahren eine Reihe generischer 

Basis-Apps ihre handlungsspezifische Ausrichtung 

und werden anschließend zu einem Gesamtworkflow verknüpft 

und in jedem Schritt um Zusatzinformationen 

angereichert (wie Positionsdaten und Wartungspläne). 

Das Konzept wurde jedoch primär für die Ausgabe auf 

mobilen Endgeräten und damit für einen sehr eingeschränkten 

Funktionsumfang und wenige darzustellende 

Informationen ausgelegt. Des Weiteren steht nicht die 

Steuerung von Produktionsmaschinen inklusive sicherheitsrelevanter 

Fragestellungen sowie ein hohes Maß an 

kontextsensitiver Filterung (der Interaktionselemente) im 

Vordergrund. Zusätzlich erfordern die vorhandenen Ansätze 

einen hohen Modellierungsaufwand, der über die 

reine Festlegung der Workflowschrittfolge hinausgeht und 

nicht zur Laufzeit erfolgen kann. Dadurch entstehen zusätzliche 

Maschinenstillstandszeiten. 

Heutige Maschinensteuerungen unterstützen den Bediener 

nicht optimal. Angesichts verfügbarer innovativer 

Eingabegeräte und dem Vorbild intuitiver Consumerprodukte 

folgend, besteht ein großes Potenzial, die Benutzerfreundlichkeit 

von Maschinen-HMI zu verbessern. Die 

für eine Restrukturierung zu berücksichtigenden Anforderungen 

werden im folgenden Abschnitt vorgestellt. 

2. ANFORDERUNGSANALYSE 

Es gibt zahlreiche Standards und Richtlinien, die den 

Entwicklungsprozess von Anlagenschnittstellen und 

Softwareergonomie regeln, unter anderem die ISO 9241 

[15] und die VDI 3850 [16]. Darin enthalten sind Anforderungen 

an Typografie und Farbgestaltung für grafische 

Benutzeroberflächen (GUI), gängige Dialogsysteme und 

typische ergonomische Aspekte, wie zulässige Reaktionszeiten 

des Systems, vergleiche auch [17, 18, 19, 20]. Die 

Benutzerakzeptanz hängt wesentlich von diesen Faktoren 

ab. Um neuartige Werkzeugmaschinen-HMIs zu konzipieren 

und aufzubauen, sind aufgrund der erwähnten 

strikten Sicherheitsstandards einige Randbedingungen 

zu berücksichtigen. Dazu zählen: 

Handlungsorientierte Strukturierung der Funktionalität: 

Maschinenbediener gehen während der Maschinenbedienung 

handlungsorientiert vor, nicht 

funktionsorientiert [11]. Die stark hierarchischen 

Navigationsstrukturen sind daher durch handlungsorientierte 

Workflows zu ersetzen. Gleichzeitig muss 

ein Bediener stets, gemäß geltender Usability-Richtlinien, 

den Überblick haben, wo er sich gerade befindet, 

woher er kommt und welche Interaktionsmöglichkeiten 

sich ihm bieten [21]. 

Reduzierung der Systemkomplexität: Abhängig vom 

jeweiligen Kontext sind, im Gegensatz zu heutigen 

Systemen, nur die Schaltelemente anzubieten, die 

für die Handlungsabsicht zielführend sind [22]. Zusätzliche 

optionale Funktionen sind für erfahrene 

Benutzer in anderen Bedienbereichen beziehungsweise 

einer Expertenansicht zu verbergen [23, 24]. 

Angemessene Eingabemöglichkeiten: Der Bedienablauf 

darf nicht durch eine permanent sequenzielle 

Auswahl niedrigdimensionaler Eingabeelemente 

verzögert werden [25]. Das Tragen zusätzlicher 

Komponenten am Körper wird als störend empfunden 

und ist zu vermeiden [26]. 

Benutzerunabhängigkeit: Die Bedienung von Werkzeugmaschinen 

erfolgt sequenziell durch unterschiedliche 

Personen. Abhängig vom Kenntnisstand 

des Benutzers, besteht ein individueller Bedarf der 

Anpassbarkeit und zügigerer Bedienmöglichkeiten 

der Benutzerschnittstellen [27, 28]. 

Einsatz von Schutzhandschuhen: Dem Schutz der Haut 

vor chemischen Schadstoffen (Kühlschmiermittel, Öle/ 

34 


11 / 2013

Fette) und mechanischen Verletzungen durch Späne 

steht eine leicht reduzierte Beweglichkeit, sowie eine 

verminderte haptische Wahrnehmung gegenüber, vergleiche 

[29, 30]. 

3. HANDLUNGS-ORIENTIERTES BEDIENKONZEPT 

Für eine erfolgreiche Abkehr vom funktionsgetriebenen 

Ansatz heutiger Maschinen-HMIs hin zu einer stärkeren 

Handlungsorientierung muss das funktionale HMI-Gefüge 

komplett umstrukturiert werden. Eine Inspiration dazu 

bietet die Telekommunikation. Das Prinzip der Bedienung 

von Smartphones ist eng mit der App-Kultur verwoben. Im 

Gegensatz zu Programmen der gängigen Betriebssysteme 

für PC oder Maschinen-HMIs, die in der Regel über einen 

sehr großen funktionalen Umfang verfügen, zeichnen sich 

Smartphone-Apps durch eine minimalistische Struktur 

aus. Das Konzept beruht darauf, dass jede App nur einem 

Zweck dient. Auf der ersten Bedienebene (Desktop) steigt 

die Komplexität durch die Ansammlung von App-Icons 

einerseits an. Gleichzeitig ist es durch das schlanke Bedien- 

Interface und die auf das Wesentliche reduzierte Funktionsvielfalt 

entsprechend schnell zu überblicken und stellt 

eine niedrige Hemmschwelle für das allgemeine Systemverständnis 

dar. Dieser Ansatz eignet sich jedoch nur sehr 

eingeschränkt für eine Maschinenbedienung, da keine Bedienabläufe 

abgebildet werden können. Um dieses Konzept 

auf die Domäne der Werkzeugmaschinen zu übertragen, 

sind nach der Vorgehensweise von [31] zur Entwicklung von 

Benutzerschnittstellen für technische Systeme zunächst 

die genauen Anwendergruppen und deren spezifische Anforderungen 

und Bediengewohnheiten zu identifizieren. 

3.1 Anwendergruppen 

Der OSACA/HÜMNOS-Styleguide [32] definiert folgende 

Benutzerklassen, die in Expertengesprächen validiert 

werden konnten: 

Inbetriebnehmer/Instandhalter: Maschine, Antriebe 

und andere Komponeten projektieren und parametrieren, 

Anlauf der Maschine durchführen (voller 

Zugriff) 

Einrichter: Verantwortlich für die Behebung 

größerer Störungen (eingeschränkter Zugriff) 

Maschinenbediener: Involviert in den täglichen 

Produktionsprozess (limitiert auf die wesentlichen 

Bedienelemente) 

Der Bediener der Maschine verwendet häufig nur einen 

geringen Teil der Anlagenfunktionalität, zugeschnitten 

auf die ihm übertragenen Aufgaben [33]. Mit steigender 

Erfahrung und erlaubter Eingriffstiefe ändert sich die 

Vorgehensweise der Bediener während der Maschinenhandhabung 

nur geringfügig. Abhängig von der jeweiligen 

Unternehmensgröße und -struktur können Anwender 

mit Querschnittsfunktionen auftreten. Auch 

wenn mit steigendem Benutzerlevel der abzubildende 

Funktionsumfang zunimmt, so bleibt das handlungsorientierte 

Vorgehen eine Gemeinsamkeit aller Benutzergruppen. 

3.2 Virtuelle konfigurierbare Workflows 

Zur handlungsorientierten Aufteilung der Maschinenfunktionen 

müssen für jede Anwenderklasse deren genaue 

Handlungsfelder identifiziert werden. Im Falle des 

Maschinenbedieners, der in den produktiven Alltag eingebunden 

ist und keine inbetriebnahme- oder wartungsbezogenen 

Aufgaben durchführt, beschränken sich die 

Aktionen auf: 

NC-Programmierung: laden/erstellen/modifizieren/abfahren/simulieren/Zyklen 

einbinden 

Werkzeuge: einsehen/Korrektur vornehmen/ 

Messzyklen abfahren 

Sonstige Aktionen: Fehler einsehen/einfache 

Diagnose/Achsen manuell verfahren 

Diese Auflistung zeigt, dass eine direkte Übertragung 

des App-Konzepts von Smartphones auf Werkzeugmaschinen 

nicht zielführend ist, da die Apps schnell einen 

unüberschaubaren Umfang annehmen würden. Des Weiteren 

lassen sich komplexere Handlungsabläufe nicht 

abbilden. Der im Beitrag vorgestellte Ansatz unterscheidet 

deshalb zwei unterschiedliche App-Varianten, die 

zur Umsetzung des Konzepts erforderlich sind. 

BILD 1: Zeitliche 

Entwicklung 

der Anzahl von 

Eingabeelementen 

(Quelle: WZL-Erhebung) 


11 / 2013 

35

HAUPTBEITRAG 

Die atomaren Apps stellen Einzelhandlungen dar, die 

nicht weiter unterteilt und dementsprechend als eigenständige 

Handlung angesehen werden können (beispielsweise 

das manuelle Verfahren von Maschinenachsen). 

Zur Beschreibung komplexer Bedienabläufe lassen 

sich mehrere atomare Apps zu Container-Apps kombinieren. 

Ein Beispiel ist die NC-Programmierung, die 

mehrere sequenzielle, teils iterative Handlungsstränge 

beinhaltet: NC-Programm öffnen/erstellen, G-Code modifizieren, 

Programm simulieren, Programm abfahren. 

Atomare Apps sind modulare Programmeinheiten, die 

zur Laufzeit in eine HMI-Umgebung integriert werden 

können. Unterschiedliche Standardschnittstellen zwischen 

den Apps und dem umgebenden HMI-Framework 

ermöglichen eine plug-and-play-artige Integration neuer 

Apps zur Laufzeit und eine reibungslose Kommunikation 

zwischen allen Parteien. 

Ein Beispiel für eine Container-App ist die NC-Programmierung 

mit der erwähnten Schrittsequenz. Die 

Zusammenstellung kann zur einfachen Durchführung 

in einem Editor erfolgen. Bild 2 veranschaulicht, wie aus 

einer Liste atomarer Apps (A) individuelle Abläufe generiert 

werden können (B), die sich anschließend als 

neue Container-App im Benutzerinterface wiederfinden, 

siehe Bild 4. 

Die generierten Container-Apps enthalten eine Workflowübersicht, 

siehe Bild 3, die sich direkt an der Namensgebung 

der kombinierten atomaren Apps orientiert 

und den Bediener in mehrfacher Hinsicht unterstützt, 

da sie: 

als Navigationshilfe fungiert, 

eine Übersicht des gesamten Ablaufs gibt und 

die Orientierung unterstützt (Letzte Position / 

Aktuelle Position / Mögliche weitere Positionen). 

3.3 Kommunikationskonzept 

Das Konzept stützt sich auf eine Architektur, in der das 

Basissystem und die Apps Standardschnittstellen zum 

Informationsaustausch bereitstellen. Die Schnittstellenbeschreibung 

definiert das erwartete Format für einen 

Eingangskanal und eine Schnittstellenbeschreibung für 

ausgehende Daten. Somit wird sichergestellt, dass 

Apps modular und neu hinzugefügt werden 

können und Anweisungen und Daten in die 

Steuerung einspeisen (Fehlermeldungen, Hinweise, 

App-bezogene Daten), 

Apps, die zur Laufzeit benötigten Informationen 

aus dem Maschinen-HMI lesen und verwerten 

können (beispielsweise Prozessdaten, Fehlercodes 

und Maschinenparameter) und 

Apps auch untereinander ohne Konfigurationsaufwand 

Daten austauschen können. 

In Autorenumgebungen, wie dem zuvor beschriebenen Editor 

für virtuelle Workflows, kann somit zur Laufzeit eine 

Validitätsprüfung während der Modellierung durchgeführt 

werden, um nicht zulässige Verknüpfungen zwischen Apps 

zu sperren. 

3.4 Grundlegendes Bedieninterface 

Konsistenz wird häufig als wichtiges Kriterium im Interface-Design 

genannt. Das bedeutet, dass sich zum einen 

der grundlegende Aufbau (Position, Anordnung, 

Aussehen) des Benutzerinterfaces während der Bedienung 

nicht verändert. Gleichzeitig sind zum anderen die 

gezeigten Inhalte konsistent zu präsentieren, da sie sonst 

falsch gedeutet werden können. Das trifft auch auf Bedienoberflächen 

von Maschinen zu. Angelehnt an die 

Aufteilung des OSACA/HÜMNOS-Styleguide [32] für 

Werkzeugmaschinen, wird im Folgenden eine modifizierte 

Variante vorgestellt. Diese berücksichtigt die modernen 

Einflüsse handlungsorientierter Strukturen und 

neuartiger hochdimensionaler Eingabegeräte. 

Wie in Bild 4 zu sehen, sieht das neue Bedienkonzept 

vier unterschiedliche Bereiche vor. Der Status-/Infobereich 

A beinhaltet Informationen zu Datum/Zeit, Maschinenstatus, 

Verbindungsstatus, Betriebsmodus sowie 

eingeloggtem Benutzerlevel (vergleiche Abschnitt 3) und 

ist permanent sichtbar. In Bereich B verbirgt sich die als 

integrierter Funktionsbereich (IFB) global erreichbare, 

aber standardmäßig minimierte Fehler-/Meldungshistorie. 

Diese lässt sich bei Bedarf über eine aktive Ecke maximieren 

und verdeckt damit temporär den darunterliegenden 

Bereich C. In diesem sind die eigentlichen Anwendungen 

(Apps) dargestellt. 

Bereich D, der ebenfalls ständig sichtbar ist, jedoch 

unterschiedliche a priori definierte Layouts einnehmen 

kann, siehe Abschnitt 4, definiert eine Software-Tastatur 

inklusive Maschinensteuertafel. 

Sobald mehrere Anwendungen parallel geöffnet sind, 

kann mittels einer Bediengeste, siehe Abschnitt 5, entweder 

durch offene Apps geblättert werden, oder gemäß 

Bild 5 global erreichbar eine radiale Übersicht offener 

Apps mit zentralem Vorschaufenster und direkter Sprungoption 

gestartet werden. 

4. KONTEXTBASIERTE FILTER 

Eine handlungsorientierte Strukturierung des Benutzerinterfaces 

muss neben der reinen Navigation die Benutzereingaben 

berücksichtigen, um die Systemkomplexität 

zu reduzieren und individuelle handlungsgerechte Inhalte 

zu präsentieren. Schlüsselschalter sind heute der 

Stand der Technik zur Benutzeridentifikation an Werkzeugmaschinen-HMIs. 

Zwar lassen sich dadurch variierende 

Benutzer- und Zugriffsebenen umschalten, jedoch 

genügen derartige Systeme keiner individuellen Erkennung 

für größere Nutzergruppen. Dies ist erforderlich, 

um zur Laufzeit auch persönliche Einstellungen in einem 

Profil abspeichern zu können. Dazu zählen unter 

anderem die Fensterpositionen und Größen, Schriftgrößen, 

persönlicher Arbeitsbereich mit individualisierten 

Apps oder die Intensität des haptischen Feedbacks bei 

Touchbedienung. Seit wenigen Jahren werden auch 

RFID-basierte Lösungen (Radio Frequency Identification) 

zur Benutzeridentifikation eingesetzt, die diese Einschränkung 

auflösen können. Unabhängig von der verwendeten 

Technologie stellt die Benutzeridentifikation 

einen ersten Schritt in Richtung reduzierter Systemkom- 

36 


11 / 2013

BILD 2: Grafisches Modellieren 

virtueller Workflows 

BILD 4: 

Grundlegender Aufbau 

der neuartigen 

Bedienoberfläche 

nach [32] 

Status-/ 

Infobereich 

(A/B) 

Verwaltungsoperationen 

Arbeitsbereich 

(C) 

Auflistung 

atomarer Apps 

Aufruf-Eingang 

Atomare App 

Hyperlink 

Daten-Eingang 

Visuelle 

Tastatur und 

Maschinensteuertafel 

BILD 3: Container-App mit integrierter 

Workflowübersicht 

Vorschauansicht der selektierten App 

Aktiver Schritt 

Workflowübersicht 

(inkl. deaktivierter 

Schritte) 

App-Inhalte 

BILD 5: 

Globale Übersicht 

laufender 

Anwendungen 

Fenstervorschau 

(mit App-Icon) 

Unkenntlicher Hintergrund 

für visuelle Entlastung 

plexität dar. Dem Bediener die richtige Information zur 

richtigen Zeit in einer einfach zu handhabenden Form 

zu präsentieren, wird künftig einen höheren Stellenwert 

einnehmen müssen [24]. Untersuchungen bestätigten, 

dass die Aufmerksamkeit gesteigert und Fehlerrate eines 

Bedieners reduziert werden kann, wenn relevante von 

nicht relevanter Information visuell getrennt werden 

[18]. Für einen benutzerzentrierten App-HMI-Ansatz hat 

das folgende Konsequenzen: 

Ausschließliche Bereitstellung der Apps, die der 

Benutzer für seine Arbeitsabläufe benötigt und die 

daher für ihn freigeschaltet sind. 

Während der App-Ausführung: Ausblenden aller 

Bedienelemente, die im aktuellen Bedienkontext 

nicht relevant oder zulässig sind. 

Eine grundlegende Freischaltung von Apps kann kurzfristig 

durch einen administrativen Anwender erfolgen 

(zum Beispiel den Instandhalter). Zur Laufzeit kann sich 

die Bedienoberfläche direkt nach einer durchgeführten 

Benutzeridentifikation selbständig aktualisieren und 

benutzerspezifische Inhalte darstellen. 

Das Ausblenden der nicht benötigten Bedienelemente 

auf der virtuellen Tastatur setzt eine Untersuchung der 

involvierten Bedienabläufe sowie eine rein softwareba- 


11 / 2013 

37

HAUPTBEITRAG 

sierte Umsetzung der zuvor rein hardwareseitig ausgeführten 

Eingabeelemente voraus. Es konnte dabei festgestellt 

werden, dass drei unterschiedliche Keyboard- 

Schablonen ausreichend sind, um alle Bediensituationen 

abzudecken, dargestellt in Bild 6. Diese enthalten jeweils 

einen statischen und einen dynamischen Teil. Der 

statische Teil, der zur Laufzeit permanent und unverändert 

sichtbar ist, enthält Bedienelemente, die in wechselnden 

Kontexten und global erreichbar sein müssen 

(unter anderem Späneförderer ein/aus, Kühlschmierstoff 

ein/aus, Reset-Taste). Der dynamische Teil vereint Bedienelemente, 

die nur für einen speziellen Bedienkontext 

benötigt werden (beispielsweise die aus dem Consumerund 

Bürobereich gängige QWERTZ-Tastatur für Dateneingabe). 

Redundant werden jegliche Arten von physikalischen 

Softkeys, da sie durch Software-Derivate ersetzt 

und damit ausgeblendet werden können. Bei Bedarf 

können die Schablonen auf Tastenebene kaskadierend 

zur Laufzeit über eine Standardschnittstelle zum HMI- 

Framework maskiert werden, wenn benutzerspezifische 

Anforderungen dies erfordern. 

Eine direkte Anwahl des Betriebsmodus wird hinfällig, 

da sich dieser aus dem Bedienkontext der jeweils aktiven 

App ergibt, die das System in den erforderlichen Betriebs- 

Layout 1 

Layout 2 

Statischer Bereich 

QWERTZ-Tastatur 

Ziffernblock 

Dateneingabe 


Achsanwahl 

Inkrementauswahl 

Prozesssteuerung 

BILD 7: 

(A) Grobkonzept 

für ein touchbasiertes 

Funktionsmapping, 

(B) 

Drehdrücksteller 

als alternatives 

Eingabegerät 

Layout 2 


Prozessbeobachtung 

BILD 6: Schablonendesigns für ein virtuelles 

kontextsensitives Eingabegerät 

BILD 9: Grobkonzept des prototypischen Demonstrators 

BILD 8: Funktionales Mapping auf Multitouch-Gesten 

38 


11 / 2013

modus umschaltet (und blockiert) und über eine Standardschnittstelle 

des Systems die virtuelle Tastatur umgestaltet. 

Auch wenn eine handlungsorientierte Ausrichtung des 

Systems näher am menschlichen Denkprozess liegt, stellt 

dies nur den ersten Schritt dar, den Mensch-Maschine- 

Dialog zu verbessern. Die Handhabung der Maschinenkomplexität 

wird maßgeblich durch die bereitgestellten 

Eingabegeräte beeinflusst und unterstützt dadurch zusätzlich 

das handlungsorientierte Bedienkonzept. 

5. HOCHDIMENSIONALE EINGABEGERÄTE 

Die Systemkomplexität lässt sich zusätzlich reduzieren, 

wenn häufig verwendete Navigationspfade verkürzt werden. 

Gleichzeitig sind Benutzereingaben möglichst schnell 

durchführbar zu gestalten. Vielfach haben sich bei selektionsgerichteten 

Handlungen koordinatengebende Eingabegeräte 

(beispielsweise Touchscreen, Maus, Trackball) 

als deutlich performanter erwiesen, als nichtkoordinatengebende 

(wie Schalter) [34, 35]. Auch komplexere Manipulationsaktionen 

können von einer touchgetriebenen Interaktion 

profitieren [36]. Gleichzeitig verzeichnet die Touchtechnologie 

ein starkes Wachstum aufgrund der guten 

Benutzerakzeptanz und eines hohen Grades an Intuitivität 

[37, 38, 39]. Die technologische Übertragung des Touchkonzepts 

auf mehrere Finger (Multitouch) wird in anderen 

Industriezweigen bereits gewinnbringend eingesetzt (zum 

Beispiel Telekommunikation, Tablet-PC). Das Potenzial 

konnte jedoch noch nicht an Werkzeugmaschinensteuerungen 

validiert werden. Zur nominellen Anzahl von ursprünglich 

zwei Freiheitsgraden bei Touchgeräten (X,Y- 

Achse) lassen sich konzeptuell weitere Freiheitsgrade 

modulieren – abhängig von der involvierten Anzahl der 

Finger und der Komplexität der ausgeführten Bewegungen 

im zweidimensionalen Touch-Koordinatensystem. Eine 

vergleichbar hohe Eingabedimensionalität ist derzeit im 

Produktionsumfeld gegenwärtig nicht verfügbar. Neben 

der Touchbedienung bieten Drehdrücksteller mit vier Freiheitsgraden 

(Translation in X/Y/Z, Rotation um γ) ebenfalls 

eine hohe Eingabedimensionalität, weisen jedoch Schwächen 

bei der Eingabe großer Datenmengen auf. Dadurch 

eignen sie sich für eine ganzheitliche, ergonomische Maschinenbedienung 

nur eingeschränkt, siehe Bild 7. Möglich 

ist hingegen der komplementäre Einsatz in Kombination 

mit der Touch-Technologie, um primär die benutzerzentrierte 

Navigation zu unterstützen [40]. 

Sicherheitskritische Aktionen, wie das Steuern von 

Achsen, müssen gemäß EN 954 bei einer touchbasierten 

Bedienung durch zusätzliche Mechanismen gesichert 

werden, da es keinen vollständigen Schutz gegen fehlerhafte 

oder ungewollte Eingaben (versehentliches Berühren) 

gibt. Eine Verbesserung kann durch globale Quittierungsschalter 

erzielt werden, die an einer einheitlichen 

Position (ausgeführt als weitere Touchfläche oder als 

physikalischer Taster am Drehdrücksteller) während der 

Ausführung einer sicherheitskritischen Funktion ebenfalls 

betätigt werden müssen. Eine Übersicht der gegenwärtig 

integrierten touchseitigen Bediengesten enthält 

Bild 8. Das Design der Touchgesten basiert auf Quasi- 

Standards, die sich aus dem Consumerbereich bereits 

etabliert haben und auf Designrichtlinien für Touchgesten, 

keine ausladenden Bewegungen ausführen zu lassen 

und die Muster einfach und damit leicht einprägsam zu 

halten [41, 42, 43]. 

6. VALIDIERUNG DES HMI-KONZEPTS 

Zu Validierungszwecken ist am WZL ein prototypischer 

Demonstrator entwickelt worden, dessen Grobaufbau 

zeigt Bild 9. 

Das HMI besteht aus einem zweiteiligen Grundgerüst 

mit einem entkoppelten oberen Korpus, der das 30“ Display 

und die Eingabegeräte enthält. Die Höhe des Korpus 

kann über ein Bedienpanel für Personen zwischen 160 

und 190 cm Körpergröße eingestellt werden. Die Identifikation 

erfolgt über ein RFID-Lesegerät für passive Tags 

mit 13,56 MHz auf kurze Distanz. 

Redundant zur systemweiten Multitouchbedienung 

(bis zu sechs Finger Infrarottracking) kann auch der (für 

Links- und Rechtshänder geeignete) seitlich verschiebbare 

Drehdrücksteller für einfache Navigationsaufgaben 

und zur Freischaltung sicherheitskritischer Touchaktionen 

verwendet werden. 

Das Systemkonzept wurde mit dem aktuellen Stand 

der Implementierung mit zwei repräsentativen Referenzabläufen 

durch einen Experten an zwei kommerziellen 

HMI-Systemen verglichen. Für die Szenarien wurde ein 

Ablauf zur NC-Programmierung (vorhandenes Programm 

öffnen, nach Vorgabe unter Anwendung von Zyklenprogrammierung 

modifizieren und ablaufen lassen) 

und eine Werkzeugkorrektur (vorgegebene Parameter 

eines gezielten Werkzeugs anpassen) gewählt. 

Bei einem direkten Systemvergleich mit zwei heute 

erhältlichen HMI-Systemen ergeben sich folgende Beobachtungen. 

Die Anzahl der Eingabeelemente (sowohl 

soft- als auch hardware-seitig) ließ sich in den Versuchsszenarien 

durch die dynamische, kontextsensitive Tastatur 

um bis zu 91 % verringern. Gleichzeitig sind für 

das erste Bedienszenario durchschnittlich 29 % und für 

das zweite 20 % weniger Benutzereingaben erforderlich. 

In einer Vorstudie mit 56 Probanden (47 männliche, 

9 weiblich) erhöhte sich darüber hinaus mit einem kontextsensitiven 

haptischen Feedbackmechanismus für die 

Touchinteraktion [44] die Eingabesicherheit und die Anzahl 

der Fehleingaben verringerte sich um bis zu 26 %. 

ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 

Der Beitrag vermittelt, inwieweit eine handlungsorientierte 

HMI-Strukturierung gewinnbringend für die vereinfachte 

Handhabung von Werkzeugmaschinen eingesetzt 

werden kann, und welche Randbedingungen dabei zu 

beachten sind. Die hohe Systemkomplexität sowie strikte 

Sicherheitsanforderungen machen tiefgreifende Anpassungen 

des App-Konzepts aus dem Consumerbereich unumgänglich. 

Der Ansatz sieht eine modulare Einteilung 

der Maschinenfunktionen in atomare Programmeinheiten 

(Apps) vor, die über Standardschnittstellen mit wenigen 

Handgriffen in einer Autorenumgebung zu virtuellen 

Workflows (Container-Apps) verknüpft werden können. 

Dadurch sind beliebige aufgaben- und personenspezifische 


11 / 2013 

39

HAUPTBEITRAG 

Bedienabläufe an Werkzeugmaschinen abbildbar. Ein direkter 

Vergleich mit heutigen kommerziellen Systemen 

ergab, dass das entwickelte Verfahren zur vereinfachten 

und intuitiveren Maschinenhandhabung beiträgt und die 

soft- und hardware-seitige Komplexität erheblich reduziert. 

In vielen Aspekten entspricht das konzipierte System 

den menschbezogenen mentalen Vorgehensweisen und 

unterstützt den Bediener durch eine erhöhte Übersichtlichkeit 

und verringerte kognitive Belastung. 

Der prototypische Aufbau zeigte außerdem, dass mit 

der Stabilität der eingesetzten Technologien ein enger 

Zusammenhang zur Akzeptanz der Benutzer besteht. Die 

Touchtechnologie lässt sich zwar mit beliebigen Gegenständen 

bedienen, weist jedoch technologiebedingte 

Nachteile auf, wie visuelle Parallaxeneffekte, Empfindlichkeit 

gegen raue Umgebungsbedingungen und Erkennung 

von Touchinteraktion ohne physikalischen Kontakt 

zur Touchoberfläche. Dies kann den Bediener verwirren 

und die Akzeptanz verringern. 

Mit der Weiterentwicklung der verfügbaren Touchtechnologien 

werden die genannten Einschränkungen des jetzigen 

Systems verschwinden. Ein Forschungsbedarf besteht 

in der domänengerechten Auslegung und Anpassung 

sicherer Multitouchbedienelemente, die ein versehentliches 

Ausführen ausschließen. Dabei müssen sie ergonomisch 

bedienbar bleiben (beispielsweise über Einhand- 

Bedienung) und den Benutzer nicht durch eine umständliche 

Handhabung in seinen Abläufen behindern. 

Die nächsten Schritte der Entwicklung beinhalten eine 

Ausdetaillierung und Umsetzung des App-Konzepts hinsichtlich 

der erforderlichen Datenmodelle. Das betrifft 

die erforderlichen Schnittstellen zur Kommunikation 

zwischen Apps und dem unterlagerten HMI-Framework. 

Das schließt die beschriebene Editorumgebung zur Modellierung 

virtueller Workflows ein, die maßgeblich in 

diesen Informationsfluss eingebunden ist. Nach der Umsetzung 

des vorgestellten Ansatzes folgt eine Validierung 

mit weiteren Probanden aus dem Produktionsumfeld, 

um die bisher getroffenen Aussagen zur Benutzerakzeptanz 

zusätzlich zu untermauern. 

Durch den höheren Grad der Vernetzung wird das Thema 

Maschinen- und Datensicherheit im Kontext der Apps 

an Bedeutung gewinnen müssen. Die beschriebenen Standardschnittstellen 

ermöglichen Plug-and-Play-Konzepte 

mit zur Laufzeit downloadbaren, kundenspezifischen 

Apps aus einem firmeneigenen Softwarepool oder externen 

Quellen. Derartige Apps stellen jedoch ein potenzielles 

Risiko für die Betriebsstabilität der Maschinen und 

damit für die Sicherheit der Bediener dar. Umfangreiche 

Rechte-/Zugriffsmodelle und Signaturmechanismen für 

Apps werden erforderlich sein, um den sicheren Datenaustausch 

und eine gleichbleibend hohe Systemstabilität 

und Integrität zu gewährleisten. 


08.08.2013 


REFERENZEN 

[1] VDI e.V.: Ergebnisse der Umfrage der VDI/ 

VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik 

2010. http://www.vdi.de/ 

uploads/media/2010-06-15-Umfrage_ 

GMA_2010_Charts_05.pdf 

[2] Klocke, F., Pritschow, G.: Autonome 

Produktion. Springer 2004. 

[3] Schilling, B.: HMI - wo liegt die Zukunft bei 

Bediengeräten? MSR Magazin 2011(1-2), S. 8, 

2011 

[4] Eberleh, E.: Einführung in die Software- 

Ergonomie. Gestaltung graphisch-interaktiver 

Systeme: Prinzipien, Werkzeuge, 

Lösungen. De Gruyter 1994. 

[5] Brecher, C., Weck, M.: Werkzeugmaschinen 1 

- Maschinenarten und Anwendungsbereiche. 

Springer 2005 

[6] Schulz, H.: Marktübersicht Panel-PCs. SPS 

Magazin 2009(11), S. 125–133, 2009 

[7] Inosoft: VisiWinNET Produktwebseite. 

http://www.inosoft.com/VisiWinNET/ 

VisiWinNET-WPF.asp 

[8] Webfactory: Webfactory Ultimate Produktwebseite. 

http://webfactory-world.de/de/Produkte/ 

Editionen/WEBfactory2010Ultimate.aspx 

[9] Certec: atvise Produktwebseite. http://www. 

atvise.com/en/vendors/implementation-sdk 

[10] Copa Data: ZENON HMI Scada Produktwebseite. 

www.copadata.com/de/ger/produkte/automation-solutions/zenon-hmi-scada-anwendungenmit-multitouch-am-operator-panel.html 

[11] Mayhew, D. J.: Principles and guidelines in 

software user interface design. Prentice 1992 

[12] Luczak, H., Weck, M.: Teilprojekt 3: Benutzerschnittstellen. 

In: Arbeits- und Ergebnisbericht Sonderforschungsbereich 

Autonome Produktionszellen 

(SFB 368). RWTH Aachen 2002 

[13] Ziegler, J., Graube, M., Pfeffer, J., Urbas, L.: 

Beyond App-Chaining: Mobile App Orchestration 

for Efficient Model Driven Software Generation. 

In: Proc. Int. Conf. Emerging Technologies & 

Factory Automation (ETFA), S. 1-8. : IEEE 2012 

[14] Pfeffer, J., Graube, M., Ziegler, J., Urbas, L.: 

Vernetzte Apps für komplexe Aufgaben in der 

Industrie. atp edition – Automatisierungstechnische 

Praxis 54(3), S. 34-41, 2012 

[15] ISO 9241-171: Ergonomie der Mensch-System-Interaktion: 

Leitlinien für die Zugänglichkeit 

von Software, 2008 

[16] VDI 3850-1: Nutzergerechte Gestaltung von 

Bediensystemen für Maschinen, 2000 

[17] Kaaresoja, T., Anttila, E., Hoggan, E.: The 

effect of tactile feedback latency in touchscreen 

interaction. In: Proc. 2011 IEEE World 

Haptics Conference, S. 65–70. IEEE 2011 

[18] Ware, C.: Information Visualization. Perception 

for Design. Morgan Kaufmann 2004 

[19] Preim, B., Dachselt, R.: Interaktive Systeme. 

Springer 2010 

[20] Shneiderman, B., Plaisant, C.: Designing the 

User Interface. Strategies for effective 

human-computer interaction. Pearson 

Higher Education 2004 

[21] Schmidtke, H., Bernotat, R.: Ergonomie. 

Hanser 1993 

[22] Heinecke, A. M.: Mensch-Computer-Interaktion. 

Fachbuchverlag Leipzig im Carl-Hanser-Verlag 

2004. 

[23] Wadewitz, F.: Einfach einfach. impulse 

2011(08), S. 16–24, 2011 

[24] Kempf, F.: Multimediale Fertigungsunterstützung 

- Pilotprojekt zur Konzeption, Entwicklung 

und Anwendung eines multimedialen 

Lern- und Informationssystems für die 

40 


11 / 2013

AUTOREN 

Dr.-Ing. 

WERNER HERFS 

MBA (geb. 1975) hat 

zwischen 2007 und 

2012 die Abteilung 

Steuerungstechnik 

und Automatisierung 

geleitet und 

ist seit März 2012 

geschäftsführender Oberingenieur 

und akademischer Rat des Lehrstuhls 

für Werkzeugmaschinen an der 

RWTH Aachen. 

MInfTech. 

DANIEL KOLSTER 

(geb. 1981) arbeitet 

seit 2007 als 

wissenschaftlicher 

Mitarbeiter am 

Lehrstuhl für 

Werkzeugmaschinen 

der RWTH 

Aachen. Seit April 2012 leitet er die 

Gruppe Automatisierung. 

Sein Forschungsgebiet umfasst die 

Mensch-Maschine-Interaktion im 

Produktionsumfeld. 

Dipl.-Ing. 

WOLFRAM LOHSE 

(geb. 1981) war von 

2007 bis 2012 als 

wissenschaftlicher 

Mitarbeiter am 

Lehrstuhl für 

Werkzeugmaschinen 

der RWTH 

Aachen tätig. Seit März 2012 leitet er 

die Abteilung Steuerungstechnik und 

Automatisierung. 

RWTH Aachen, 

Werkzeugmaschinenlabor (WZL), 

Steinbachstr. 19, 

D-52074 Aachen, 

Tel. +49 (0) 241 802 74 10, 

E-Mail: w.herfs@wzl.rwth-aachen.de 

RWTH Aachen, 




Tel. +49 (0) 241 802 74 57, 

E-Mail: d.kolster@wzl.rwth-aachen.de 

RWTH Aachen, 




Tel. +49 (0) 241 802 74 55, 

E-Mail: w.lohse@wzl.rwth-aachen.de 

betriebliche Praxis. In: Tagungsband 

Fertigungstechnisches Kolloqium (FTK '97), 

S. 441-453. Springer 1997 

[25] Schmauder, M.: WNF - werkstattgerechte 

Nutzerunterstützung bei der Freiformflächenbearbeitung. 

Abschlussergebnisse eines 

Forschungsverbundvorhabens. Inst. für 

Arbeitsingenieurwesen 2002 

[26] Zühlke, D.: Bedienung komplexer Maschinen 

heute, morgen und übermorgen. In: Marzi, R., 

Karavezyris, V., Erbe, H.-H., Timpe, K.-P. (Hrsg.) 

Bedienen und Verstehen, S. 42–54. VDI 2002 

[27] Althoff, F.: Ein generischer Ansatz zur 

Integration multimodaler Benutzereingaben. 

Dissertation TU München 2004 

[28] Puscher, F.: Das Usability-Prinzip. Wege zur 

benutzerfreundlichen Website. Dpunkt-Verlag 

2001 

[29] Karwowski, W., Marras, W. S.: Occupational 

ergonomics. Engineering and administrative 

controls. CRC Press 2003 

[30] Kumar, S.: Biomechanics in ergonomics. CRC 

Press 2008 

[31] Hackos, J. T., Redish, J.: User and task 

analysis for interface design. Wiley 1998 

[32] Osaca e.V.: Style Guide Werkzeugmaschinen. 

Fraunhofer IRB Verlag 1997. 

[33] Brecher, C.: Wettbewerbsfaktor Produktionstechnik. 

Aachener Perspektiven. Apprimus 

2008 

[34] Card, S. K., Moran, T. P., Newell, A.: The 

psychology of human-computer interaction. 

L. Erlbaum 1983 

[35] Beaumont, J.: Speed of response using 

keyboard and screen-based microcomputer 

response media. International Journal of 

Man-Machine Studies 23(1), S. 61-70, 1985 

[36] Damaraju, S., Kerne, A.: Comparing 

multi-touch interaction techniques for 

manipulation of an abstract parameter space. 

In: Proc. 13th int. conf. multimodal interfaces 

- ICMI '11, S. 221-225. ACM 2011 

[37] Bullinger, H.-J.: Technology Guide. Principles 

- Applications - Trends. Springer 2009 

[38] Trischler, J.: Digital Natives - Die Generation 

Internet im Maschinenbau. VDMA Nachrichten 

90(4), S. 8–11, 

[39] Wenk, C.: Einsatz von Internet-Technologie 

für Maschinenbedienoberflächen. Dissertation 

RWTH Aachen 2005 

[40] Brecher, C., Kolster, D., Herfs, W.: Innovative 

Benutzerschnittstellen für die Bedienpanels 

von Werkzeugmaschinen. Zeitschrift für 

wirtschaftlichen Fabrikbetrieb 106(7-8), S. 

553–556, 2011 

[41] Lao, S., Heng, X., Zhang, G., Ling, Y., Wang, P.: 

A Gestural Interaction Design Model for 

Multi-touch Displays. In: Proc. 23rd British 

HCI Group Annual Conference on People and 

Computers: Celebrating People and 

Technology, S. 440-446. British Computer 

Society 2009 

[42] Wang, F., Ren, X.: Empirical Evaluation for 

Finger Input Properties In Multi-touch 

Interaction. In: Proc. 27th int. conf. Human 

factors in computing systems (CHI '09), 

S. 1063-1072. ACM 2009 

[43] Wroblewski, L.: Touch Gesture Reference 

Guide. http://www.lukew.com/touch/ 

TouchGestureGuide.pdf 

[44] Brecher, C., Kolster, D., Herfs, W.: Audio- 

Tactile Feedback Mechanisms for Multi- 

Touch HMI Panels of Production Engineering 

Systems. International Journal of Automation 

Technology 6(3), S. 369-375, 2012 


11 / 2013 

41

HAUPTBEITRAG 

Fähigkeiten adaptiver 

Produktionsanlagen 

Verbindung von Produkt, Prozess und Ressource 

In einer idealen Umsetzung von Plug-and-produce würde eine noch unbekannte Anlagenkomponente 

während des laufenden Betriebs angekoppelt, automatisch erkannt und 

funktional in die Produktionsabläufe integriert; und das ohne manuellen Integrationsaufwand. 

Ein Ansatz dafür ist die Modellierung von Fähigkeiten in der Produktion. Sind 

die Fähigkeiten einer Anlagenkomponente bekannt, können diese mit den Anforderungen 

an einen Produktionsschritt abgeglichen und gezielt eingesetzt werden. In diesem Beitrag 

werden die Fähigkeiten technischer Anlagen über ihre Relationen zu Produkt, Prozess 

und Ressource definiert. Das Spannungsfeld des resultierenden Frameworks entsteht 

durch die Notwendigkeit, Fähigkeiten sehr allgemein zu definieren, um alle potentiellen 

Einsatzmöglichkeiten zu berücksichtigen. Im Gegensatz dazu müssen für die Automatisierung 

eines konkreten Produktionsschritts spezifische Details operationalisiert werden. 

SCHLAGWÖRTER Plug-and-produce / Adaptive Produktionsanlagen / Fähigkeiten in der 

Produktion 

Skills in Adaptive Production Systems – 

Combining Products, Processes and Resources 

In an ideal plug-and-produce implementation, new components would be plugged in while 

operations were running, and integrated automatically on a functional level. We pursue 

this goal by modelling the skills provided by production resources. Production skills are 

defined on the basis of their relations to product, process, and resources. The resulting 

framework makes it possible to model generic skills to capture all possible use cases while 

providing the detailed information necessary to automate the production hardware. 

KEYWORDS plug and produce / adaptive production systems / production skills 

42 


11 / 2013

JULIUS PFROMMER, Karlsruher Institut für Technologie 

MIRIAM SCHLEIPEN, Fraunhofer IOSB 

JÜRGEN BEYERER, Fraunhofer IOSB, Karlsruher Institut für Technologie 

Durch volatile, globale Märkte sowie kürzere 

Produktlebenszyklen bei steigender Variantenzahl, 

werden die Anforderungen an die Wandlungsfähigkeit 

von Produktionsanlagen (gerade 

in der diskreten Fertigung) immer bedeutender 

[1]. In der Produktionstechnik wird nun seit einiger 

Zeit an der Unterstützung häufiger Produktwechsel 

und der Herstellung vieler Produktvarianten auf derselben 

Anlage geforscht. Auch neue Themen der letzten 

Jahre, etwa der Einsatz von mobilen Robotern oder 3D- 

Druckern zielen in diese Richtung. Diese sind (hardwareseitig) 

nicht mehr an die Herstellung eines bestimmten 

Produkts gebunden, sondern lassen sich adhoc 

für unterschiedliche Aufgaben einsetzen. 

Parallel dazu entwickelt sich die softwareseitige Steuerung 

von Produktionsanlagen weiter, um die Adaptivität 

der Systeme zu erhöhen [2]. Unter Plug-and-produce 

[3] wird dabei die vereinfachte Integration von Anlagenkomponenten 

durch standardisierte Kommunikation 

und Mechanismen der Selbstbeschreibung verstanden. 

Das SkillPro-Projekt (http://www.skillpro-project.eu), 

gefördert durch das 7. Rahmenprogramm der Europäischen 

Kommission, forscht an diesem Thema ausgehend 

von der Modellierung der Fähigkeiten von Anlagenkomponenten. 

Als Grundlage für die einheitliche Beschreibung 

von Produktionsanlagen wird AutomationML [4] 

verwendet. Dieser Beitrag stellt einen Ansatz zur Modellierung 

der Fähigkeiten technischer Anlagen vor. Diese 

sind über ihren Bezug zu den bekannten Konzepten Produkt, 

Prozess und Ressource (PPR) definiert. 

1. PRODUKT, PROZESS UND RESSOURCE 

Die Aufteilung in Produkt, Prozess und Ressource ist in 

der Produktionstechnik weit verbreitet [5, 6]. Auch in 

AutomationML wird PPR für die Modellierung verwendet 

[7] (siehe Bild 1). 

Produkt: Der Begriff Produkt bezeichnet die Werkstücke 

(End- und Zwischenprodukte), die auf einer 

Anlage verarbeitet werden. Es ist zu beachten, dass 

hier oftmals ein Produkttyp beschrieben wird und 

kein physisch existentes Objekt. In diesem Beitrag 

wird davon ausgegangen, dass für alle vorkommenden 

(Zwischen-) Produkte ein entsprechender Typ 

existiert, auf den referenziert werden kann. 

Prozess: Ein Prozess ruft gezielt Änderungen von 

Produkteigenschaften hervor. Prozesse definieren 

zum Beispiel die Bearbeitung eines Werkstücks, einen 

logistischen Transport innerhalb der Anlage, 

oder das Fügen mehrerer Werkstücke. Ein Prozess 

besteht dabei aus einem oder mehreren (geordneten) 

Ausführungsschritten (siehe [6] für eine Übersicht 

der Definitionen von Prozess in verschiedenen Normen 

und Standards). 

Ressource: Als Ressource werden alle materiellen 

und immateriellen Anlagenkomponenten bezeichnet, 

die bei der Ausführung eines Prozesses und der 

Fertigung eines Produkts zum Einsatz kommen. Beispiele 

für Ressourcen sind Roboter, Werkzeugmaschinen, 

Software oder Logistikinfrastruktur. 

2. FÄHIGKEITEN VON PRODUKTIONSANLAGEN 

In den vergangenen Jahren wurden vermehrt Fähigkeiten 

in der Produktion untersucht. Die Autoren des SIARAS- 

Projekts [8, 9, 10] verwenden eine Ontologie, um Fähigkeiten 

und ihre Relationen für die automatische Konfiguration 

eines Produktionssystems zu verwenden. Das 

ROSETTA-Projekt [11, 12, 13] zielt darauf ab, Roboter und 

ihre Fähigkeiten in einer Umgebung einzusetzen, in der 

sie mit menschlichen Arbeitskräften direkt zusammenarbeiten. 

Für das AutoPnP-Projekt [14, 15] wurde ebenfalls 

eine Beschreibung der Fähigkeiten von Plug-andproduce-Anlagenkomponenten 

entwickelt. Die Autoren 

bezeichnen zum einen generelle Bearbeitungsverfahren, 

wie Bohren oder Transportieren, als Fähigkeiten. Zum 

anderen können diesen Fähigkeiten Attribute, wie der 

Durchmesser des Bohrers, zugewiesen werden. In [16] 

wird eine Taxonomie von Fähigkeiten speziell für das 


11 / 2013 

43

HAUPTBEITRAG 

Fügen von Bauteilen definiert. Die Autoren von [17] stellen 

eine Ontologie für Fähigkeiten in der Produktion auf 

und ordnen, gemäß entsprechend definierter Anforderungen, 

Ressourcen einzelnen Produktionsschritten zu. 

Das OZONE-Projekt [6] definiert Aktivitäten als zentrales 

Element. Über die Verbindung zu Produkten und Ressourcen 

wird eingeschränkt, welche Aktivitäten im Rahmen 

eines Herstellungsvorgangs ausgeführt werden können. 

In [18] werden die PPR-Konzepte im Kontext von 

Fähigkeiten genutzt. Fähigkeiten werden als endliche 

Automaten modelliert, die mit allen drei PPR-Konzepten 

in Verbindung stehen. Die Urheber von [19] und [20] modellieren 

Fähigkeiten als agentenbasierte Systeme. Diese 

können ihre Fähigkeiten dynamisch kombinieren, um 

komplexere Aufgaben zu bewältigen. In der englischen 

Ausgabe der ISA-95/DIN EN 62264 [21] wird zwar von 

Capabilities gesprochen, dieser Begriff bezieht sich aber 

auf die Kapazität von Produktionsanlagen und nicht auf 

ihre Fähigkeiten. Das RoboEarth-Projekt [22, 23] beschäftigt 

sich mit dem Austausch von Informationen zwischen 

Robotern. Ziel ist das gemeinsame Erforschen und Beschreiben 

der Umwelt, ein Austausch erlernter Problemlösungsstrategien 

und die Kollaboration von Robotern 

in Situationen, die ein gemeinsames Handeln erfordern. 

Dafür werden in der RoboEarth-Ontologie auch Fähigkeiten 

von Robotern definiert. Deren Geltungsbereich ist 

dabei nicht auf das Produktionsumfeld beschränkt. 

In den genannten Ansätzen werden identische Begriffe 

bezüglich Fähigkeiten teilweise semantisch unterschiedlich 

besetzt. Weitere Unterschiede gibt es in der 

Granularität (low-level, wie Arm bewegen, im Gegensatz 

zu high-level, wie Motorhaube lackieren). Auch sind die 

bisherigen Definitionen von Fähigkeiten meist stark in 

einer bestimmten informationstechnischen Verarbeitung 

verhaftet, zum Beispiel Ontologien oder objektorientierte 

Modellierung. Zusammengenommen sind drei Sichtweisen 

auf Fähigkeiten erkennbar: 

1 | Eine Fähigkeit beschreibt das Potenzial, eine Tätigkeit 

aus einer bestimmten Domäne durchzuführen 

und kann einer technischen Anlage beschreibend 

zugewiesen werden. (Weder Subjekt noch Objekt 

sind bekannt.) 

2 | Eine Fähigkeit beschreibt das Potenzial einer konkreten 

technischen Anlage, eine Tätigkeit aus einer 

bestimmten Domäne durchzuführen. Durch den 

Bezug zu einer technischen Anlage sind Details 

(besonders Limitierungen) der Fähigkeit bekannt 

und können für logisches Schließen verwendet 

werden. Die Fähigkeit bleibt dabei generisch genug, 

um in unterschiedlichen Situationen Anwendung 

zu finden. (Das Subjekt ist bekannt, das Objekt noch 

unbekannt.) 

3 | Eine Fähigkeit beschreibt das Potenzial einer konkreten 

technischen Anlage in einer konkreten Situation 

(wie der Verarbeitung eines bestimmten 

Produkttyps) eine bestimmte Tätigkeit durchzuführen. 

(Subjekt und Objekt sind bekannt.) 

Diese Aufteilung fließt im Folgenden in die Entwicklung 

des Produkt, Prozess, Ressource und Skill-Frameworks 

(PPRS) ein. Beispiele und weitere Erläuterungen zu jeder 

Sichtweise finden sich bei den Definitionen von Prozess, 

Skill und Task im folgenden Abschnitt. 

3. DAS PPRS-FRAMEWORK 

Das PPRS-Framework wurde mit dem Ziel entwickelt, 

nicht eine weitere Definition von Fähigkeiten zur Liste 

existierender Ansätze hinzuzufügen, sondern die Unterschiede 

zwischen den drei Sichtweisen bezüglich Fähigkeiten 

explizit zu machen und in ein gemeinsames Modell 

zu integrieren. Dies geschieht über die Verbindungen zu 

den etablierten Konzepten Produkt, Prozess und Ressour- 

PPRConnector 

PRODUKT 

ExternalInterface 

InternalLink 

Prozesse 

• Schweißen 

(Gasschweißen, 

Elektroschweißen…) 

• Fräsen 

• Fügen, … 

Ressourcen 

Skills 

Zum Beispiel Gasschweißen 

auf 

Anlagenkomponente 1 

PPRConnector 

PROZESS 

Transport 

Prozess wird auf der 

Ressource ausgeführt 

RESSOURCE 

PPRConnector 

Produkte 

Ausführungsplan 

Produktionsziele 

Tasks 

Zum Beispiel Werkstücke 1 

und 2 zu einem fertigen 

Produkt 3 fügen (Vor- und 

Nachbedingungen) 

Nebenläufige Ausführung 

auf den verfügbaren 

Ressourcen 

BILD 1: Das Konzept von Produkt, Prozess und 

Ressource in AutomationML [7] 

BILD 2: Fähigkeiten von Produktionsanlagen in Relation 

zum Produkt-Prozess-Ressource-Konzept 

44 


11 / 2013

ce. Im Folgenden werden die Begrifflichkeiten von PPRS 

definiert. Bild 2 zeigt dazu einen grafischen Überblick. 

Produkt (product), Ressource: behalten ihre ursprüngliche 

Bedeutung. 

Prozess (process): Fertigungs- und Bearbeitungsverfahren 

(manufacturing processes), sowie unterstützende 

Vorgänge, werden in PPRS als Prozesse bezeichnet. Diese 

Verfahren haben noch keinen Bezug zu einem konkreten 

Anwendungsfall oder einer technischen Umsetzung 

durch eine Ressource. Prozesse können auch zu einer 

Hierarchie geordnet werden. Unterhalb des Prozesses 

Schweißen ließen sich so Gasschmelzschweißen und 

Lichtbogenschweißen ausdifferenzieren. In der DIN 8580 

[24] sind gängige Verfahren aus der Fertigungstechnik 

bereits in ähnlicher Form hierarchisch strukturiert. Weitere 

relevante Themenbereiche stammen aus der Logistik, 

der Robotik und dem Fügen von Werkstücken. 

Fähigkeit (skill): Ein Skill s ∈ S beschreibt das technische 

Potenzial einer Ressource r ∈ R, einen bestimmten 

Prozess π ∈ Π umzusetzen. 

S ⊆ Π Í R (1) 

Angenommen eine Werkzeugmaschine stellt den Prozess 

Fräsen als Fähigkeit zur Verfügung. Das bedeutet nicht, 

dass jeder Fräsvorgang automatisch auf dieser Ressource 

ausführbar sein muss. Im Rahmen des Beispiels würde 

dies von der Größe des Werkstücks und dem verwendeten 

Werkstoff abhängen. Beschränkungen bezüglich der Anwendbarkeit 

sind als Metadaten mit dem Skill verknüpft. 

Ausführungsschritt (task): Als Task wird die Anwendung 

eines Skills in der Herstellung eines Produktes (auf 

einer bestimmten Ressource) bezeichnet. Dazu enthalten 

Tasks alle Informationen, die für die Automatisierung 

der konkreten Aufgabe benötigt werden. Nach außen 

stellen sich Tasks als Blackbox dar. Bekannt sind nur 

Vorbedingungen und Nachbedingungen der Ausführung 

(wie der ein- und ausgehende Produkttyp und 

die Konfiguration beteiligter Ressourcen), sowie die 

zeitlichen Eigenschaften (die Ausführungsdauer und 

dadurch notwendiges Blockieren beteiligter Ressourcen; 

wird in diesem Beitrag zunächst nicht betrachtet). 

Diese Kapselung von Funktionalität nimmt Anleihen an 

den formalisierten Prozessbeschreibungen (FBP) nach 

VDI/VDE 3682, siehe auch [25, 26]. Eine wichtige Erweiterung 

gegenüber FBP ist, dass ein Task auch Auswirkungen 

auf die Ressource(n) selbst haben kann. Das automatisierte 

Wechseln eines Werkzeugs (Rüsten) oder 

das Verfahren mit einem mobilen Roboter ist also ebenfalls 

als Task beschreibbar. Ebenso wie FBPs können 

Tasks hierarchisch aufgebaut sein. 

Grundlegende Tasks: Grundlegende Tasks können über 

eine Steuereinheit ohne weitere Vorverarbeitung auf 

der Ressource ausgeführt werden. Die Implementierung 

grundlegender Tasks kann auf verschiedene Arten 

erfolgen: 

1 | Automatisierte Abläufe sind mit klassischen 

Werkzeugen etwa basierrend auf IEC 61131-3 oder 

DIN 66025/ISO 6983, auf den Anlagenkomponenten 

programmiert. Der entsprechende Task enthält 

dann eine Referenz, über die ein solches 

Programm angesteuert werden kann. 

2 | Gleichsam kann nach dem Teach-in eines Roboters 

der generierte Arbeitsgang mit einer eindeutigen 

Identifikation versehen und über einen Task 

zur Ausführung zugänglich gemacht werden. 

3 | Ausgehend von den modellierten Skills und detaillierte 

Daten zum Produkt wird ein ausführbarer 

Task automatisch generiert [10, 13]. 

Zusammengesetzte Tasks: Ein zusammengesetzter Task 

besteht aus Untertasks, grundlegend oder wiederum 

zusammengesetzt, sowie Einschränkungen der Ausführungsreihenfolge, 

siehe auch Bild 3. Die Untertasks können 

sich auf verschiedene Skills beziehen. Zum Beispiel 

Objekt erkennen – Objekt greifen – Arm bewegen. Jeder 

Blattknoten der Hierarchie aus Tasks muss dabei ein 

grundlegender Task sein, um die Ausführbarkeit der 

gesamten Hierarchie zu gewährleisten. Einschränkungen 

der Ausführungsreihenfolge und die zeitlichen Relationen 

von Untertasks können zum Beispiel mittels 

der Intervallalgebra von Allen [27] beschrieben werden. 

Ein Beispiel aus der Lebensmittelindustrie: Der Task 

Teigmasse auf konstanter Temperatur halten muss vor 

dem Vorgang Rühren anlaufen und darf erst nach Beendigung 

von Rühren abgeschlossen werden. 

Formal definiert sind die Tasks τ ∈ T ein Übergang zwischen 

den Zuständen der beteiligten Ressourcen. Der Zustand 

ρ ∈ r einer Ressource r ∈ R bezieht sich dabei a) 

auf die Konfiguration der Ressource c ∈ C r , wie der Rüstzustand 

einer Maschine oder die Position eines mobilen 

Roboters, und b) auf den Zwischen-Produkttyp p ∈ P, der 

aktuell in der Ressource enthalten ist. Es kann auch kein 

Produkt, gekennzeichnet durch die leere Menge, in der 

Ressource enthalten sein. Die Menge 

init enthält den initialen 

Zustand aller Ressourcen des Gesamtsystems. 

r ⊆ C r Í (P ∪ ∅), 

init 

∈ Π r (2) 

Es können mehrere Ressourcen R τ an einem Task beteiligt 

sein. Zum Beispiel, um im Rahmen eines Transportprozesses 

ein Produkt zwischen zwei Ressourcen zu übergeben. 

Somit gilt für die Vor- und Nachbedingungen (die 

Zustände der beteiligten Ressourcen) τ pre und τ post , dass 

τ i ∈ Π r , ∀i ∈ {pre, post}. (3) 

Die Betrachtung von Tasks als Zustandsübergänge ermöglicht 

die Betrachtung mittels bekannter Formalismen 

zur Beschreibung diskreter dynamischer Systeme, 

wie diskrete Ereignissysteme (DES) [28] oder den Situationskalkül 

[29]. Somit steht eine Vielzahl von Techniken 


11 / 2013 

45

HAUPTBEITRAG 

BILD 3: 

Zusammengesetzte 

Tasks (gestrichelter 

Rahmen) bestehen 

aus grundlegenden 

oder wiederum 

zusammen gesetzten 

Tasks und einer 

Einschränkung 

der Ausführungsreihenfolge. 

Task 

Task Task 

Task Task 

Task 

BILD 4: Topologie der Beispiel-Produktionsanlage 

Lager 

Draht 

schneiden 

Biegen (2D) 

Biegen (3D) 

Ausgangspuffer 

für das logische Schließen über mögliches Systemverhalten 

und zur gezielten Ablaufsteuerung zur Verfügung. 

Ausführbarer Ablaufplan: Anhand der verfügbaren Tasks 

init 

T, dem initialen Systemzustand und der Produktionsziele 

kann von einem entsprechenden Planungswerkzeug 

ein ausführbarer Ablaufplan generiert werden. Tasks 

können sich dabei funktional, wie Gasschmelzschweißen 

gegenüber Lichtbogenschweißen, und auf Ebene der Ressourcen, 

etwa für zwei identische Werkzeugmaschinen, 

substituieren. Auf der Ebene individueller Produkte kann 

sich dadurch die Route innerhalb einer Produktionsanlage 

unterscheiden. Effiziente Pläne werden meist einen hohen 

Grad an Nebenläufigkeit aufweisen, also mehrere Tasks auf 

den verfügbaren Ressourcen parallel ausgeführt. Für die 

Beachtung der zeitlichen Effizienz von Plänen muss dafür 

die Ausführungsdauer von Tasks vorab bekannt sein. 

Nach dem Eintreten unvorhergesehener Ereignisse, wie 

der Ausfall einer Ressource, oder das Nachbearbeiten eines 

Werkstücks aufgrund von Qualitätsproblemen, wird 

auf Basis des aktuellen Systemzustands neu geplant, um 

die Ausführbarkeit und Effizienz des Ablaufplans zu gewährleisten. 

Damit durch die Neuplanung keine allzu 

langen Wartezeiten entstehen, sollten nur relevante Teile 

des Ablaufplans neu erzeugt werden. Es bietet sich zum 

Beispiel an, an den Puffern einer Produktionsanlage Teilbereiche 

des Plans voneinander zu entkoppeln. 

Das beschriebene Vorgehen wurde prototypisch umgesetzt. 

Die Beschreibung der Ressourcen und der Tasks ist 

dazu in der Planning Domain Description Language (PDDL) 

[30] ausgeführt. Mittels des frei verfügbaren Solvers OPTIC 

[31] wird dann, ausgehend von einem initialen Zustand 

und den Produktionszielen, ein Ablaufplan erzeugt. 

Die in PPRS definierten Begrifflichkeiten lassen sich 

auch in Anlagen ohne dynamische Ablaufplanung zur 

Laufzeit verwenden. Die Rolle von Tasks haben dann die 

fest vordefinierten lokalen "Reaktionen" von Anlagenkomponenten 

auf Ereignisse. Es sind auch hybride Anlagen 

möglich, bei denen nur Teilabläufe zur Laufzeit 

geplant werden. Der Übergang hin zu einer dynamischen 

Ablaufplanung kann demnach fließend erfolgen. 

Beispiel einer einfachen Produktionsanlage 

Das Anwendungsbeispiel ist Teil einer größeren Produktionsanlage, 

mit der Drahtkörbe gefertigt werden. Durch 

die hohe Anzahl an Varianten und niedrige Losgrößen 

musste die Anlage in der Vergangenheit oft umgerüstet 

werden. Weiterhin gab es eine Reihe von Arbeitsschritten, 

die durch die häufigen Produktwechsel nicht wirtschaftlich 

zu automatisieren waren. 

Im betrachteten Ausschnitt wird Metalldraht aus dem 

Eingangslager entnommen und zunächst in Stücke der 

geforderten Länge geschnitten. Die Drahtstücke können 

anschließend von zwei Anlagenkomponenten weiter verarbeitet 

werden, die den Draht in die gewünschte Form 

biegen. Die Maschinen beherrschen dabei entweder 2Doder 

3D-Biegen. Der Transport wird von einem Roboterarm 

bewerkstelligt, der auch die fertig gebogenen Drahtstücke 

in einen Ausgangspuffer legt. Die Topologie der 

Anlage ist in Bild 4 dargestellt. 

Prozesse: Π = { schneiden, biegen, transport } 

Ressourcen: R = { ds, b2D, b3D, ra, puffer } 

Die Benennung der Ressourcen ist aus Platzgründen 

abgekürzt, vergleiche Bild 4. Der Roboterarm ra kann 

sich in einer von vier Konfigurationen (Positionen) befinden, 

jeweils dem Drahtschneider, Biegen (2D/3D) oder 

dem Ausgangspuffer zugewandt C ra = { pos ds , ...}. Die 

restlichen Ressourcen haben nur eine mögliche Konfiguration 

(standard). Alle Ressourcen können egal welches 

Produkt oder auch kein Produkt enthalten. 

Produkte: P = { p 1 , ... , p 4 , p z1 , ... , p z3 } 

Die vier finalen Produkte sind { p 1 , p 2 , p 3 , p 4 }. Von 

ihnen sind p 1 und p 2 2D-gebogen, p 3 und p 4 3D-gebogen. 

Die Länge des Drahts von p 1 und p 3 ist jeweils 

identisch. Alle weiteren Produkte haben unterschiedliche 

Längen. 

Die Zwischenprodukte, geschnittene, aber noch 

ungebogene Drahtstücke, sind demnach { p z1 , p z2 , 

p z3 }. Das Zwischenprodukt p z1 kann durch unter- 

46 


11 / 2013

schiedliches Biegen in p 1 oder p 3 weiter verarbeitet 

werden. 

Skills: S = { drahtschneiden, biegen2D, biegen3D, 

bewegen, entnehmen } 

drahtschneiden = (schneiden, ds) 

biegen2D = (biegen, b2D) 

biegen3D = (biegen, b3D) 

bewegen = (transport, ra) 

entnehmen = (transport, puffer) 

Die Metadaten, die einen Skill soweit beschreiben, 

dass ein ausführbarer Task (bezogen auf ein konkretes 

Produkt) automatisch generiert werden kann, werden in 

diesem Beispiel nicht betrachtet. 

Tasks: T = { schneiden 1 , bewegen 1 , bewegen 2 , biegen 1 , 

entnehmen 1 } 

Die Auflistung der Tasks ist an dieser Stelle nicht vollständig, 

sondern in erster Linie repräsentativ. Tasks sind 

zur Identifikation benannt und durchnummeriert, dies 

hat jedoch keine funktionale Bedeutung. 

schneiden 1 : R schneiden1 = {ds} 

pre 

schneiden 1 = (standard, ∅ ) 

post 

schneiden 1 = (standard, p z1 ) 

bewegen 1 : R bewegen1 

pre 

bewegen 1 

bewegen 1 

post 

biegen 1 : R biegen1 

pre 

biegen 1 

post 

biegen 1 

bewegen 2 : R bewegen2 

pre 

bewegen 2 

bewegen 2 

post 

= {ds, ra, b2D} 

= ((standard, p z1 ), (pos ds , ∅ ), 

(standard, ∅ )) 

= ((standard, ∅ ), (pos b2D , ∅ ), 

(standard, p z1 )) 

= {b2D} 

= (standard, p z1 ) 

= (standard, p 1 ) 

= {b2D, ra, puffer} 

= ((standard, p 1 ), (pos b2D , ∅ ), 

(standard, ∅ )) 

= ((standard, ∅ ), (pos puffer , 

∅ ), (standard, p 1 )) 

entnehmen 1 : R entnehmen1 = {puffer} 

pre 

entnehmen 1 = (standard, p 1 ) 

post 

entnehmen 1 = (standard, ∅ ) 

Werden die modellierten Tasks in der Reihenfolge der 

Auflistung ausgeführt, wird zunächst ein Produkt vom 

Typ p 1 erzeugt, in den Ausgangspuffer gelegt und dort 

für eine Weiterverwendung wieder entnommen. Dabei 

wird ein initialer Zustand 

init angenommen, in dem der 

Roboterarm dem Drahtschneider zugewandt ist und keine 

der Ressourcen ein Produkt enthält. 

Die Tasks bewegen 1 und bewegen 2 lassen sich in mehrere 

Teilschritte Produkt aufnehmen, Roboterarm bewegen, 

Produkt absetzen mit je zwei kooperierenden Ressourcen 

unterteilen. Diese können dann in der Definition zusammengesetzter 

Tasks wiederverwendet werden. Andernfalls 

würden sie über die Ablaufplanung ad-hoc aneinander 

gefügt. Die erzeugten Pläne wären dadurch aber entsprechend 

länger – mit Auswirkungen auf die Laufzeit 

der Planungsalgorithmen. Siehe [32] für eine Diskussion 

der Vor- und Nachteile feingranularer Modellierung gegenüber 

umfangreicheren, monolithischen Fähigkeiten. 

Limitierungen von Tasks und Themen 

für zukünftige Erweiterungen 

Falls an einem Task mehrere Ressourcen beteiligt sind, könnten 

eine oder mehrere Ressourcen noch beschäftigt sein, 

während die restlichen Ressourcen bereits auf die Ausführung 

des nächsten Tasks warten. In diesem Beitrag ist die 

zeitliche Dauer von Tasks zunächst nicht berücksichtigt. 

Dadurch wurde implizit die Annahme getroffen, dass jede 

Ressource undefiniert lange auf eine Synchronisation mit 

beschäftigten Ressourcen warten kann. Diese Annahme 

muss aber nicht unbedingt zutreffen. Zum Beispiel in der 

Verarbeitung von erhitztem Metall oder in logistischen Ablaufketten. 

In diesem Fall müsste für die Erzeugung ausführbarer 

Pläne die Ausführungsdauer von Tasks bekannt sein 

und den Ressourcen ein Zeitstempel zugeordnet werden. 

Eine weitere Limitierung der aktuellen Modellierung 

ist, dass Ressourcen nur einen Produkttyp enthalten 

können. Dies kann durch die Vereinigung mehrerer Produkte 

zu einem kombinierten Produkttyp umgangen 

werden. Ein solches Vorgehen führt aber in den meisten 

Fällen zu einer Explosion der Anzahl von Produkttypen, 

die innerhalb einer Anlage auftreten können. Etwa bei 

der Modellierung großer Puffer oder Lager. 

4. NEUE MÖGLICHKEITEN IM PLUG-AND-PRODUCE 

Im Zusammenhang mit Plug-and-produce wird oft der Universal 

Serial Bus-Standard (USB) [33] aus der PC-Welt als 

Vorbild genannt. USB definiert die mechanische Verbindung, 

die Kommunikation und die Energieversorgung über 

den Bus, sowie eine Reihe grundlegender Geräteklassen. Die 

PC-Betriebssysteme enthalten passende Treiber, die für fast 

jede Peripherie Plug-and-play, die Integration ohne manuelle 

Konfiguration, und Hot-plugging, das Ein- und Ausstecken 

von Peripherie an ein laufendes System, ermöglichen. 

Analog zu USB findet in der Idealvorstellung von Plugand-produce 

die funktionale Integration von neuen oder 

ausgetauschten Anlagenkomponenten automatisch statt. 

Die Modellierung von Fähigkeiten mit PPRS könnte zur 

Grundlage für eine langfristige Umsetzung dieser Vision 

werden. Der Ablauf eines Plug-and-produce-Vorgangs 

wäre dann wie folgt: 

1 | Physische Kopplung der Komponente mit der 

Gesamtanlage (manuell) 

2 | Aufbau der Kommunikation und Bekanntmachen 

der Komponente innerhalb der Gesamtanlage 

(automatisiert) 

3 | Kommunikation der Komponenteneigenschaften 

an die Anlagensteuerung (automatisiert über 

Mechanismen der Selbstbeschreibung) 

4 | Definition der neu verfügbaren Tasks ausgehend 

von den zu fertigenden Produkten 


11 / 2013 

47

HAUPTBEITRAG 

(entweder manuell programmiert oder automatisiert 

aus Skill-Beschreibungen abgeleitet) 

5 | Aktualisierung des Ablaufplans (wird nach dem 

Eintreten eines unerwarteten Ereignisses, wie einer 

Änderung der Anlagentopologie, automatisch neu 

erzeugt) 

6 | Ausführen des Ablaufplans durch die Anlagensteuerung 

und fortlaufende Kommunikation mit den 

Anlagenkomponenten zur Überwachung des Betriebszustands 

(automatisiert) 

Natürlich können nicht alle bestehenden Anlagenkomponenten 

ein solches Vorgehen nativ unterstützen. Ihnen 

würde ein Adapter, rein softwarebasiert oder als physische 

Hardware, vorgeschaltet werden. Eine einheitliche 

Schnittstelle, die ein solcher Adapter nach außen anbietet, 

könnte auf Grundlage der OPC Unified Architecture 

(OPC UA) [34] definiert sein. 

ZUSAMMENFASSUNG 

Im Beitrag wurde gezeigt, wie sich die Fähigkeiten von 

Komponenten einer Produktionsanlage anhand ihrer Beziehung 

zu Produkt, Prozess und Ressource (PPR) beschreiben 

lassen. Anschließend illustrierten die Autoren die 

Modellierung von Fähigkeiten im resultierenden PPRS- 

Framework anhand eines Beispiels. Weiter ging es darum, 

REFERENZEN 

[1] Wiendahl, H. P., ElMaraghy, H. A., Nyhuis, P., Zäh, M. F., 

Wiendahl, H. H., Duffie, N., Brieke, M.: Changeable 

manufacturing-classification, design and operation. 

CIRP Annals-Manufacturing Technology 56(2), 

S. 783-809, 2007 

[2] Schleipen, M.: Adaptivität und semantische Interoperabilität 

von Manufacturing Execution Systemen (MES). KIT Scientific 

Publishing 2013 

[3] Arai, T., Aiyama, Y., Maeda, Y., Sugi, M., Ota, J.: Agile 

assembly system by “plug and produce”. CIRP Annals- 

Manufacturing Technology 49(1), S. 1-4, 2000 

[4] Drath, R., Luder, A., Peschke, J., Hundt. L.: AutomationML 

- the glue for seamless automation engineering. In: Proc. 

IEEE Conf. Emerging Technologies & Factory Automation 

(ETFA’08), S. 616-623. IEEE 2008 

[5] Maropoulos, P. G.. McKay, K. R., Bramall, D. G.: Resource- 

Aware Aggregate Planning for the Distributed Manufacturing 

Enterprise. CIRP Annals - Manufacturing 

Technology 51(1), S. 363-366, 2002 

[6] Cutting-Decelle, A. F., Young, R. I. M., Michel, J. J., Grangel, 

R., Le Cardinal, J., Bourey, J. P.: ISO 15531 MANDATE: 

A Product-process-resource based Approach for 

Managing Modularity in Production Management. 

Concurrent Engineering 15(2), S. 217-235, 2007 

[7] Schleipen, M., Drath, R.: Three-View-Concept for modeling 

process or manufacturing plants with AutomationML. 

In: Proc. IEEE Conf. Emerging Technologies & Factory 

Automation (ETFA’09), S. 1-4. IEEE 2009 

[8] Angelsmark, O., Malec, J., Nilsson, K., Nowaczyk, S., 

Prosperi, L.: Knowledge representation for reconfigurable 

automation systems. In: Proc. 9th Nat. Conf. on Robotics, 

S. 129-138. Wydawnictwo Komunikacji i Ł c z n o ´sc i 2 0 0 6 

[9] Malec, J., Nilsson, A., Nilsson, K., Nowaczyk, S.: Knowledgebased 

reconfiguration of automation systems. In: Proc. IEEE 

Int. Conf. Automation Science and Engineering (CASE’07), 

S. 170-175. IEEE 2007 

[10] Bengel, M.: Model-based configuration – A workpiececentred 

approach. In: Proc. ASME/IFToMM International 

Conference on Reconfigurable Mechanisms and Robots 

(ReMAR), S. 689-695. ASME 2009 

[11] Björkelund, A., Edstrom, L., Haage, M., Malec, J., Nilsson, K., 

Nugues, P., Robertz, S. G., Storkle, D., Blomdell, A., 

Johansson, R.: On the integration of skilled robot motions 

for productivity in manufacturing. In: Proc. IEEE Int. Symp. 

Assembly and Manufacturing (ISAM’11), S. 1-9. IEEE 2011 

[12] Björkelund, A., Malec, J., Nilsson, K., Nugues, P.: Knowledge 

and skill representations for robotized production. In: Proc. 

18th IFAC Congress, S. 8999-9004. IFAC 2011 

[13] Malec, J., Nilsson, K., Bruyninckx, H.: Describing assembly 

tasks in declarative way. In: Proc. Workshop Semantics, 

Identification and Control of Robot-Human-Environment 

Interaction at ICRA 2013, S. 50-53. IEEE 2013 

[14] Kainz, G., Keddis, N., Pensky, D., Buckl, C., Zoitl, A., 

Pittschelis, R. Kärcher, B.: AutoPnP – Plug-and-Produce in 

der Automation. atp edition – Automatisierungstechnische 

Praxis 55(4), S. 42-49, 2013 

[15] Keddis, N., Kainz, G., Buckl, C., Knoll, A.: Towards adaptable 

manufacturing systems. In: Proc. IEEE Int. Conf. Industrial 

Technology (ICIT), S. 1410-1415. IEEE 2013. 

[16] Huckaby, J., Christensen, H. I.: A Taxonomic Framework 

for Task Modeling and Knowledge Transfer in Manufacturing 

Robotics. In: Workshops at the Twenty-Sixth 

AAAI Conference on Artificial Intelligence, S. 94-101. 

AAAI 2012 

[17] Järvenpää, E., Luostarinen, P., Lanz, M., Tuokko, R.: 

Presenting capabilities of resources and resource combinations 

to support production system adaptation. 

In: 2011 IEEE International Symposium on Assembly and 

Manufacturing (ISAM’11), S. 1-6. IEEE 2011 

[18] Björkelund, A., Malec, J., Nilsson, K., Nugues, P., Bruyninckx, 

H.: Knowledge for Intelligent Industrial Robots. In: AAAI 

Spring Symposium Series: Technical Report SS-12-02. AAAI 

2012. http://www.aaai.org/ocs/index.php/SSS/SSS12/paper/ 

view/4340 

[19] Angerer, S., Pooley, R., Aylett, R.: Self-Reconfiguration of 

Industrial Mobile Robots. In: Proceedings of the 4th IEEE 

International Conference on Self-Adaptive and Self-Organizing 

Systems (SASO’10), S.64-73. IEEE 2010 

[20] Barata, J., Onori, M., Frei, R., Leitão, P.: Evolvable production 

systems in a RMS context: enabling concepts and technolo- 

48 


11 / 2013

wie sich über die Modellierung von Fähigkeiten eine funktionale 

Integration neuer Anlagenkomponenten im Rahmen 

von Plug-and-produce automatisieren lässt. Dabei 

verbleibt eine Reihe von Fragen. Wichtig für einen praktischen 

Einsatz sind insbesondere Garantien zur Einhaltung 

der nichtfunktionalen Anforderungen industrieller Steuerungssysteme 

(Echtzeitfähigkeit, Laufzeit von Planungsalgorithmen, 

Performanceeinbußen durch den Einsatz von 

Heuristiken). Und nicht zuletzt bleibt die Zusammenarbeit 

von Mensch und Maschine ein zentrales Thema. 


12.07.2013 


AUTOREN 

Karlsruher Institut für Technologie, 

Lehrstuhl für Interaktive Echtzeitsysteme, 

Adenauerring 4, D-76131 Karlsruhe, 

Tel. +49 (0) 721 6 09 12 86, 

E-Mail: julius.pfrommer@kit.edu 

JULIUS PFROMMER (geb. 1985) ist seit 

2013 wissenschaftlicher Mitarbeiter 

am Lehrstuhl für Interaktive Echtzeitsysteme 

des Karlsruher Instituts für 

Technologie (KIT) und arbeitet in 

enger Kooperation mit dem Fraunhofer 

IOSB. Davor hat er am KIT, am Institut 

National Polytechnique de Grenoble 

und an der ETH Zürich studiert. 

gies. In: Proc. 2nd Int. Conf. Changeable, Agile, Reconfigurable 

and Virtual Production, S. 239-244. CARV 2007 

[21] DIN EN 62264-1: Integration von Unternehmensführungsund 

Leitsystemen - Teil 1: Modelle und Terminologie 

(IEC 62264-1:2003), 2008 

[22] Waibel, M., Beetz, M., Civera, J., D'Andrea, R., Elfring, J., 

Galvez-Lopez, D., et al.: Roboearth. IEEE Robotics & Automation 

Magazine 18(2), S. 69-82, 2011 

[23] Tenorth, M., Perzylo, A. C., Lafrenz, R., Beetz, M.: The 

RoboEarth language: Representing and exchanging knowledge 

about actions, objects, and environments. 

In: 2012 IEEE International Conference on Robotics and 

Automation (ICRA), S. 1284-1289. IEEE 2012 

[24] DIN 8580: Fertigungsverfahren - Begriffe, Einteilung, 2003 

[25] VDI/VDE 3682: Formalisierte Prozessbeschreibungen, 2005 

[26] Jäger, T., Christiansen, L., Strube, M., Fay, A.: Durchgängiges 

Engineering von der Anforderungserhebung bis 

zur Anlagenstrukturbeschreibung. at - Automatisierungstechnik 

61(2), S. 92-101, 2013 

[27] Allen, J. F.: Maintaining knowledge about temporal intervals. 

Communications of the ACM 26(11), S. 832-843, 1983. 

[28] Ramadge, P. J., Wonham, W. M.: Supervisory Control of a 

Class of Discrete Event Processes. SIAM Journal on Control 

and Optimization 25(1), S. 206-230, 1987 

[29] Reiter, R.: Knowledge in action: logical foundations for 

specifying and implementing dynamical systems. MIT 2001 

[30] Fox, M., Long, D.: PDDL2. 1: An Extension to PDDL for 

Expressing Temporal Planning Domains. Journal of Artificial 

Intelligence Research (JAIR) 20, S. 61-124, 2003 

[31] Benton, J., Coles, A. J., Coles, A.: Temporal Planning with Preferences 

and Time-Dependent Continuous Costs. In: 22nd Int. Conf. 

Automated Planning and Scheduling (ICAPS), S. 2-10. AAAI 2012 

[32] Weser, M., Zhang, J.: Autonomous planning for mobile 

manipulation services based on multi-level robot skills. 

In: 2009 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent 

Robots and Systems (IROS’09), S. 1999-2004. IEEE 2009 

[33] USB Implementers Forum: Universal Serial Bus 3.0 

Specification, 2008. http://www.usb.org/developers/docs 

[34] IEC/TR 62541-1: OPC Unified Architecture - Part 1: Overview 

and Concepts, 2010. 

Dr.-Ing. MIRIAM SCHLEIPEN 

(geb. 1983) arbeitet seit 2005 am 

Fraunhofer IOSB. Sie leitet die 

Gruppe Leitsysteme und Anlagenmodellierung. 

Ihr Hauptinteresse gilt 

der Adaptivität und Interoperabilität 

von Komponenten und Systemen in 

Produktionsanlagen speziell für die 

MES-Ebene. 

Fraunhofer IOSB, 

Fraunhoferstr.1, D-76131 Karlsruhe, 

Tel. +49 (0) 721 6 09 13 82, 

E-Mail: miriam.schleipen@iosb.fraunhofer.de 

Prof. Dr.-Ing. JÜRGEN BEYERER 

(geb. 1961) ist Inhaber des 2004 

eingerichteten Lehrstuhls für Interaktive 

Echtzeitsysteme an der Fakultät 

für Informatik des Karlsruher Instituts 

für Technologie (KIT). Gleichzeitig 

ist er Leiter des Fraunhofer-Instituts 

für Optronik, Systemtechnik und 

Bildauswertung (IOSB) in Karlsruhe. 

Prof. Beyerer studierte Elektrotechnik an der Universität 

Karlsruhe und promovierte 1994 am Institut für Messund 

Regelungstechnik (MRT). Anschließend baute er eine 

Forschungsgruppe zum Thema Automatische Sichtprüfung 

und Bildverar beitung am gleichen Institut auf. 1999 

habilitierte er sich für das Fach Messtechnik. Von 1999 

bis 2004 leitete er das Mannheimer Mittelstands-Unternehmen 

Hottinger Systems GmbH (heute: inspectomation 

GmbH) und war stellvertretender Geschäftsführer des 

Schwester unternehmens Hottinger Maschinenbau GmbH. 

Fraunhofer IOSB, 

Fraunhoferstr.1, D-76131 Karlsruhe, 

E-Mail: juergen.beyerer@iosb.fraunhofer.de 


11 / 2013 

49

HAUPTBEITRAG 

Plug-and-produce von 

Feldbuskomponenten 

Allgemeines Framework dargestellt am Beispiel Profinet IO 

Basierend auf dem herstellerneutralen und einheitlichen Feldbuszugang UniFeBu wurde 

von den Verfassern ein Framework entwickelt, um Ethernet-basierte Feldbusse plug-andproduce-fähig 

zu machen. Im Beitrag wird beschrieben, wie ein Erkundungsagent den 

Feldbus scannt und eine Basiskonfiguration vornimmt, sodass eine einfache Kommunikation 

mit dem neuen Feldgerät ermöglicht wird. Mit Hilfe eines Dienstesystems auf dem 

Feldgerät und dem Controller wird anschließend die Echtzeitkommunikation eingerichtet. 

Die Funktion wird anhand einer prototypischen Umsetzung für Profinet IO gezeigt. 

SCHLAGWÖRTER UniFeBu / Profinet IO / Dienste / Plug-and-produce / Agent 

Plug and Produce with Fieldbus Components – 

A Common Framework Presented for the Example of Profinet IO 

A plug and produce capable framework has been designed based on UniFeBu, a manufacturer-neutral 

and uniform fieldbus access. An exploration agent scans the fieldbus and 

performs a basic configuration, offering simple communication with the new field device. 

A service system is then used to establish the real-time communication with the field 

device. The functionality is demonstrated with the help of a prototype implementation 

for Profinet IO. 

KEYWORDS UniFeBu / Profinet IO / services / plug and produce 

50 


11 / 2013

KAI KRÜNING, ULRICH EPPLE, RWTH Aachen University 

S 

tetig kürzer werdende Zeiten für die Inbetriebnahme 

und der Wunsch nach flexiblen Anlagen 

erfordern einfache und automatisierte Lösungen 

für das Hinzufügen und Entfernen von Geräten 

und Modulen zur Anlage. Zu diesem Zweck 

wurde analog zum Plug-and-play-Begriff in der Computertechnik 

der Begriff Plug-and-produce (PnP) für die 

Fertigungsindustrie geprägt [1]. Auch in der Prozessindustrie 

werden modulare und flexible Ansätze für die 

Anlagenplanung intensiv verfolgt [2], um die Engineeringkosten 

zu senken und die Zeit bis zur Inbetriebnahme zu 

verkürzen. Um diese Ziele zu erreichen, muss im Bereich 

der industriellen Kommunikation, insbesondere im Feldbusbereich, 

PnP unterstützt werden [3]. Im Beitrag wird 

daher ein Framework für einen PnP-Ansatz auf Feldbusebene 

vorgestellt. Anders als in [2] beschrieben wird keine 

Life-Cycle-Betrachtung oder eine Bewertung auf 

Modulebene vorgenommen. Vielmehr ist das vorgestellte 

Framework als Beispiel für die Grundlagen zu verstehen, 

diese weitergehenden Betrachtungen anzustellen. 

Der universelle Feldbuskanal UniFeBu [4] ist ein einheitlicher 

und herstellerneutraler Zugang zum Datenhaushalt 

in Feldbusinstallationen. Wie bereits an anderer 

Stelle gezeigt wurde, eignet sich UniFeBu besonders für 

flexible, modulare Anlagenkonzepte [5]. Aus diesem 

Grund erläutern die Autoren zunächst einige Grundlagen 

von UniFeBu. Danach werden die Anforderungen an eine 

PnP-Funktionalität für ein Realtime Ethernet untersucht. 

1. UNIFEBU 

Mit UniFeBu wurde ein Framework geschaffen, das in der 

Lage ist, von verschiedenen Feldbussen und herstellerspezifischen 

Programmierschnittstellen zu abstrahieren und den 

Datenhaushalt der Feldbusse über eine einheitliche, feldbusund 

herstellerunabhängige Schnittstelle zur Verfügung zu 

stellen. UniFeBu ist kein eigenständiges Netzwerkprotokoll, 

sondern nutzt die von den Herstellern vorgesehenen Funktionalitäten. 

UniFeBu ist eine reine Softwarelösung und am 

ehesten mit einer Middleware wie PAPAS [6] zu vergleichen. 

Anpassungen an den Feldgeräten oder an Kommunikationshardware 

müssen nicht vorgenommen werden. 

1.1 Rollen am Feldbus 

UniFeBu kann verschiedene Rollen am Feldbus einnehmen. 

Die Rollen sind dabei vergleichbar mit den Fieldbus 

Application Layer User (FAL user) der IEC 61158-1 [7]. Es 

wurden folgende Rollen identifiziert, in denen sich Uni- 

FeBu einsetzen lässt (siehe Bild 1): 

Die Rolle I beschreibt dabei UniFeBu als führenden 

Teilnehmer am Bus. Typische Aufgaben des führenden 

Teilnehmers sind der zyklische IO-Datenaustausch 

und das Auslesen von Diagnosen der Feldgeräte. 

Bei Profinet IO entspricht der IO Controller dem 

führenden Teilnehmer [8]. 

UniFeBu als passiver Teilnehmer ist in Rolle II dargestellt. 

Dieser Teilnehmer kann zusätzliche Konfigurationsdaten 

übertragen und sammelt Diagnosedaten. 

Ein Beispiel für einen passiven Teilnehmer 

ist der IO Supervisor von Profinet IO [8]. 

In der Rolle III wird UniFeBu als Feldgeräteemulation 

eingesetzt und ermöglicht so zum Beispiel, Simulatoren 

mit direkter Feldbuskommunikation zu 

erstellen. Die Emulation tauscht zyklisch die IO- 

Daten mit dem führenden Teilnehmer aus und stellt 

diesem beispielsweise Diagnosedaten zur Verfügung. 

Bei Profinet IO verhält sich die Emulation gegenüber 

einem IO Controller wie ein IO Device [8]. 

Durch diese Vielgestaltigkeit, bei gleichzeitig einheitlichem 

Anwenderinterface, ist UniFeBu sehr flexibel einsetzbar. 

1.2 Ebenenmodell 

Kernidee von UniFeBu ist die Abstraktion des realen Feldbusses 

durch die Verwendung eines Schichtenmodells ähn- 


11 / 2013 

51

HAUPTBEITRAG 

lich dem ISO/OSI Modell der Kommunikation [9], siehe Bild 

2. Das Modell unterscheidet dabei zwischen drei Ebenen: 

Die unterste Ebene bildet die Hardwareabstraktionsschicht 

mit dem Card Controller (CC). Diese Schicht 

abstrahiert von der verwendeten Schnittstellenkarte. 

Der jeweilige CC übersetzt dabei die Funktionen 

der Programmierschnittstelle der Karte in eine 

busabhängige, aber herstellerneutrale Schnittstelle. 

In der Mitte befindet sich die Feldbusabstraktionsschicht. 

Der zentrale Bus Controller (BC) greift auf 

den CC der unterlagerten Schicht zu und organisiert 

die Feldbuskommunikation. Ferner wird in dieser 

Schicht ein allgemeines Feldbusmodell genutzt, um 

die Feldbusstruktur abzubilden. Damit und mit einem 

allgemeinen Gerätemodell werden die am Feldbus 

hängenden Geräte als eigene Objektstrukturen 

abgebildet (G0, G1). In den Objektstrukturen sind 

bereits die Gerätedaten, zum Beispiel aus der GSD, 

enthalten. Die Verwendung generischer Modelle in 

dieser Schicht erlaubt es, einen feldbusneutralen Zugang 

zum Datenhaushalt der Feldgeräte herzustellen. 

Die Anwendungsdiensteschicht stellt dem Anwender 

einfache Get-/Set-Methoden für den Zugriff auf den 

Feldbus bereit. Der Anwender benötigt somit für den 

Zugriff auf den Datenhaushalt keine Information über 

die Art oder Struktur des verwendeten Feldbusses. 

Wie Bild 2 zeigt, ist die Möglichkeit der automatischen 

Erstellung des Feldbusabbildes integraler Bestandteil 

von UniFeBu. Statt den weiterhin zur Verfügung stehenden, 

manuellen Konfigurationsfunktionen wird ein Erkundungsagent 

eingesetzt. Dieser technische Agent im 

Sinne der VDI/VDE 2653 [10] kann den Feldbus erkunden 

und das UniFeBu-Feldbusmodell erstellen. 

Die in der Feldbusabstraktionsschicht genutzten Modelle 

werden in [4] beschrieben. Das Gerätemodell ist dabei 

eine Abstraktion der Gerätemodelle der einzelnen Feldbusse. 

Die Abbildung einiger Feldbus-Gerätemodelle (zum 

Beispiel Profinet IO, Foundation Fieldbus) auf das UniFeBu 

Gerätemodell wird ebenfalls in [4] gezeigt. Das Gerätemodell 

der IEC 61804 [11] kann abgebildet werden [5]. 

Eine alternative Möglichkeit, die Geräte abzubilden, 

scheint mit dem OPC-UA-Informationsmodell OPC UA 

for Devices (OPC UA DI) gegeben, das in FDI [12] Verwendung 

findet. Da eine Nutzung von UniFeBu mit FDI möglich 

ist [5] und die UniFeBu Modelle frei verfügbar sind, 

wurde UniFeBu für die Implementierung genutzt. 

2. FELDBUS MIT PNP-FUNKTIONALITÄT 

Um im Unternehmensumfeld einheitliche Netzwerktechnologien 

einsetzen zu können, werden vermehrt 

Feldbusse auf Ethernetbasis verwendet. Sie erlauben 

hohe Datenübertragungsraten und durch die Nutzung 

von TCP/IP, gegebenenfalls zusätzlich zum Echtzeitdaten 

austausch, erweiterte Möglichkeiten für die vertikale 

Integration [13]. 

Ethernet-basierte Feldbusse (zum Beispiel Modbus 

TCP, Ethercat, Profinet IO) eignen sich durch die Fähigkeit, 

parallel zu den Echtzeitdaten auch TCP/IP Daten zu 

transportieren, besonders gut für einen PnP-Ansatz, da 

sich Konfigurationsdaten ohne etablierte Echtzeitkommunikation 

einfach übermitteln lassen. Für entsprechende 

Ethernet-basierte Feldbusse wurden in [14] fünf 

Schritte für eine PnP-Integration eines neuen Gerätes in 

eine Feldbusinstallation definiert: 

Schritt 1: Physische Verbindung 

Das neue Gerät wird physikalisch mit dem Feldbus 

verbunden und es werden gegebenenfalls alle notwendigen 

Einstellungen am Gerät vorgenommen, sodass 

die folgenden Schritte automatisiert durchgeführt werden 

können. 

Schritt 2: Erkundung 

Der Feldbus wird erkundet, damit das neue Gerät gefunden 

werden kann. Die Existenz des Geräts ist nun 

dem führenden Teilnehmer bekannt und das Gerät 

kann in den Feldbus integriert werden. 

Schritt 3: Basiskommunikation 

Es wird eine Basiskommunikation, zum Beispiel über 

TCP/IP, mit dem neuen Gerät etabliert. Für diese Basiskommunikation 

wird keine Echtzeitfähigkeit benötigt. 

Schritt 4: Fähigkeitsbewertung 

Die Basiskommunikation aus Schritt 3 wird genutzt, 

um die notwendigen Daten vom neuen Gerät abzufragen. 

Unter den notwendigen Daten werden dabei vor 

allem Funktionen und Anforderungen des Geräts verstanden. 

Schritt 5: Konfiguration 

Die Daten aus Schritt 4 werden für die Integration des 

neuen Geräts in den Feldbus genutzt. 

Nachdem alle fünf Schritte durchlaufen wurden, ist das 

neue Gerät betriebsbereit. 

3. VORSTELLUNG DES FRAMEWORKS 

Im Folgenden wird gezeigt, wie mit UniFeBu ein Framework 

für PnP-Komponenten aufgebaut werden kann. Dazu 

wird zunächst das Dienstesystem für die Konfigurationsabfrage 

der Geräte beschrieben. Danach wird der Aufbau 

des Erkundungsagenten aus Bild 2 näher erläutert. 

Schließlich wird dargelegt, welche Aufgaben diese Werkzeuge 

in dem in Abschnitt 2 vorgestellten fünf Schritten 

einnehmen. Für die prototypische Implementierung wurde 

Profinet IO als Ethernet-basierter Feldbus ausgewählt. 

3.1 Dienstesystem 

Für eine PnP-Funktionalität muss das Feldgerät in der 

Lage sein, über sich selbst Auskunft zu geben, sodass es 

automatisch in den Feldbus integriert werden kann. Dieser 

Auskunftsmechanismus muss selbsterklärend und 

flexibel erweiterbar sein, damit sich zusätzliche Anforderungen 

von neuen Geräten ohne Änderungen der 

Schnittstelle hinzufügen lassen. 

Eine Implementierungsmöglichkeit für diesen Auskunftsmechanismus 

ist OPC UA [15]. Die Verfasser von [3] 

nutzen zum Beispiel einen OPC UA Server auf einem Profinet 

IO Device, um das Feldgerät mit der Fähigkeit zur 

Selbstauskunft zu versehen. Ein separater OPC UA Discovery 

Server erkundet die neuen Geräte und stellt die erkundeten 

Daten dem IO Controller zur Verfügung. Der IO 

Controller selbst agiert dazu als OPC UA Client. Obwohl 

IO Controller und Discovery Server eigenständig sind, 

können sie auf derselben Maschine implementiert werden. 

52 


11 / 2013

BILD 1: Rollen am 

Feldbus (nach [4]) 

BILD 2: UniFeBu Schichtenmodell (aus [4]) 

Am Lehrstuhl für Prozessleittechnik der RWTH Aachen 

University wurde ein Dienstesystem entwickelt [16] und 

implementiert [17], das eine integrierte Implementierung 

in den führenden Teilnehmer erlaubt. Da kein zusätzlicher 

Server für die Erkundung benötigt wird, wurde es 

für das vorgestellte Framework genutzt. Das System unterscheidet 

zwischen zwei Rollen, dem Service Provider, 

der die Dienste (Services) bereitstellt und dem Service 

Requester, der den Dienst nutzt. Für den Service Requester 

ist es dabei unwesentlich, wie ein Dienst umgesetzt 

wurde, einzig die Schnittstelle beziehungsweise die 

Dienstbeschreibung ist relevant. Ein Dienst enthält dabei 

Operationen, die die Funktionen des Dienstes umsetzen. 

Damit einfach weitere Dienste oder Operationen ergänzt 

werden können, wird in dem beschriebenen System 

für jeden Service Provider ein Exploration Service 

vorausgesetzt. Der Exploration Service hat die Aufgabe, 

Dienste und Operationen des jeweiligen Service Providers 

auszulesen und die Dienstbeschreibungen der vorhandenen 

Dienste zugänglich zu machen. Er stellt den 

geforderten Auskunftsmechanismus bereit. 

Bild 3 zeigt die genutzte Servicearchitektur und die 

Möglichkeit, Dienstzugriffe außerhalb der eigentlichen 

Feldbusteilnehmer zu realisieren. Der Service Provider 

ist auf dem Feldgerät installiert und stellt einen Dienst 

bereit, der eine Abfrage der Konfiguration des Feldgerätes 

erlaubt bei Profinet IO IO Device genannt. Wichtige Operationen 

dieses PnP-Service sind: 

GetDeviceData: Gibt wichtige Informationen über 

das Feldgerät zurück, die sonst in der zugehörigen 

Konfigurationsdatei (zum Beispiel GSD) zu finden 

sind. Diese Daten umfassen unter anderem Gerätetyp, 

Hersteller und Bestellnummer und dienen zur 

eindeutigen Identifikation des IO Devices. Sie entsprechen 

somit einer Teilmenge der Identificationand-Maintenance-Daten 

(I&M) [8]. Aufgrund dieser 

Daten können in UniFeBu die notwendigen Objekte 

instanziiert werden. 

GetModuleList: Gibt bei einem modularen Gerät die 

Liste der installierten Module zurück. Als Rückgabewert 

werden die Modul-Identitäten in Installationsreihenfolge 

gegeben. Mehrfach installierte Module 

werden entsprechend mehrfach zurückgegeben. 

So lassen sich die Module in UniFeBu abbilden. 

Für die Profinet IO-Implementierung werden aus Kompatibilitätsgründen 

zwei weitere Operationen genutzt, 

die die GSD-Daten als GSD-Datei zurückgeben. Diese 

Operationen können mit einem externen Service Requester 

abgefragt und die GSD-Dateien in nicht PnP-fähigen 

Tools genutzt werden. 

Get_GSD_Device: Gibt die GSD-Datei für genau das 

verwendete Gerät zurück. Es sind ausschließlich die 

Hardwarebeschreibungen für die vorhandene Gerätekonfiguration 

in der Datei enthalten, da die Daten aus 

dem Gerät selbst ausgelesen werden. Es wird keine 

fertige Datei auf dem Gerät gespeichert, sondern die 

Datei wird beim Dienstaufruf zur Laufzeit erzeugt. Der 

Inhalt dieser Datei muss für das betrachtete Gerät und 

die betrachteten Module mit der zur Gerätezertifizierung 

genutzten GSD-Datei übereinstimmen. 

Get_GSD_Server: Wenn beispielsweise ein modulares 

Gerät häufig in unterschiedlichen Konfigurationen 

eingesetzt wird, ist eine gerätespezifische Beschreibung 

unpraktisch. Dieser Dienst liefert daher 

eine URL für die Hersteller-GSD zurück und erlaubt 

den Download der Datei aus der Cloud. 

Der führende Teilnehmer, bei Profinet IO der IO Controller, 

hat über eine zusätzliche Netzwerkverbindung Zugriff auf 

Service Provider, die nicht direkt mit dem Feldbus verbunden 

sind. So können externe Datenbasen angesprochen wer- 


11 / 2013 

53

HAUPTBEITRAG 

BILD 3: Architektur 

des Dienstesystems 

BILD 4: Aufbau des 

Erkundungsagenten 

BILD 5: Typische Erkundungssequenz 

mit Aufbau des Gerätesystems 

den, die über Daten verfügen, die nicht auf dem Feldgerät 

gespeichert sind. Genutzt wird dieses Vorgehen, um die vergebenen 

Signalnamen den gefundenen Devices zuzuordnen. 

Dabei ist es egal, ob diese Namen bereits im CAE-Tool festgelegt 

wurden, in einer Excel-Tabelle hinterlegt sind oder in 

sonstiger Weise gespeichert sind. Der Service Provider muss 

befähigt werden, diese Daten abzurufen und dem Device 

zuzuordnen. Die Dienstbeschreibung aus Sicht des Service 

Requesters ist von der Art der Datenhaltung unabhängig. 

3.2 Erkundungsagent 

Der Erkundungsagent hat die Aufgabe, den Feldbus zu 

überwachen, neue Geräte zu erkennen und diese in den 

Feldbus zu integrieren. Der Erkundungsagent benötigt 

Wissen über den zu erkundenden Feldbus und ist daher 

selber feldbusspezifisch. Der Erkundungsagent selbst 

wurde in drei Objekten realisiert, siehe Bild 4: 

Das Netzwerk-Objekt 

Das Netzwerk-Objekt enthält die technologischen Funktionen 

für die Interaktion mit dem Feldbus. Für die Erkundung 

bei Profinet IO wird DCP (discovery and basic 

configuration protocol) genutzt, da jedes Profinet IO-Gerät 

dieses Protokoll unterstützt [8] und auch Nicht-PnP-Geräte 

erkannt werden können. Falls ein Gerät erkannt wurde, 

liefert ein Feldbus-Scan mit DCP die MAC-Adresse 

und den Gerätetyp der gefundenen Geräte zurück, siehe 

Bild 5. Sind die Geräte bereits konfiguriert, werden ferner 

der Gerätename und die IP-Adresse des Geräts erkannt. 

Das Netzwerk-Objekt speichert diese Daten für jedes gefundene 

Gerät. Sollte ein einmal gefundenes Gerät nicht 

mehr am Feldbus erkannt werden, werden seine Daten 

verworfen. Die IP-Adresse und der Gerätename können 

vom Netzwerkobjekt gesetzt werden. 

Da DCP im Nutzbetrieb nicht benötigt wird, sondern 

nur der Konfiguration dient, hat das Netzwerk-Objekt 

direkten Zugriff auf die Schnittstellenkarte des Feldbusses. 

So wird der Card Controller, siehe Bild 2, nicht 

mit weiteren Protokollen belastet. 

Das UniFeBu-Objekt 

Das UniFeBu-Objekt enthält die technologischen Funktionen 

für die Interaktion mit UniFeBu und kann 

Dienstanfragen anstoßen. Es erstellt das Feldbusmodell 

in der Feldbusabstraktionsschicht von UniFeBu und 

parametriert die abgebildeten Devices, siehe Bild 5. 

Dazu kann es über die Dienste die Gerätedaten vom 

Device selbst erfragen und über eine Dienstanfrage an 

die externe Datenbasis die Namen der Signale erfahren. 

Das PnP-Kontroll-Objekt 

In dem PnP-Kontroll-Objekt ist das Verhalten des 

Agenten verankert. Es steuert die beiden anderen Objekte 

und nutzt gegebenenfalls deren Daten. Weiterhin 

nimmt es die Handlungsaufträge vom Nutzer entgegen. 

Der Nutzer hat die Möglichkeit festzulegen, ob ein 

Feldbusscan durchgeführt wird und ob dies einmal 

oder in Intervallen geschieht. Die Pause zwischen den 

einzelnen Scans ist einstellbar. Weiterhin kann der 

Nutzer das Verhalten beeinflussen indem er vorgibt, 

ob automatisch IP-Adressen oder Gerätenamen vergeben 

werden sollen. Der automatische Aufbau des Feldbusmodells 

kann ebenfalls abgeschaltet werden. 

Die IP-Adressvergabe erfolgt aus einem Adress-Pool 

heraus, den der Nutzer vorgeben muss. Bei der automatischen 

Vergabe wird automatisch überprüft, ob das 

Device schon eine IP-Adresse hat oder ob die zu vergebende 

Adresse bereits in Benutzung ist. 

Die zu vergebenden Gerätenamen werden automatisch aus 

dem Gerätetyp und einer laufenden Nummer generiert, 

sodass jeder Name nur einmal vergeben wird. Sollte ein 

Device bereits einen Namen haben, wird er beibehalten. 

54 


11 / 2013

Der Aufbau des Agenten in einzelne Objekte erlaubt die 

direkte Zuordnung von technologischen Funktionen. 

Andere Realisierungen technologischer Funktionen sind 

daher einfach möglich. Beispielsweise wird häufig vorgeschlagen, 

für die Erkennung und Basis-Konfiguration 

neuer Devices DHCP anstelle von DCP zu verwenden [3]. 

Dies ließe sich durch den Austausch des Netzwerk-Objektes 

einfach realisieren. Da vorhandene Profinet IO 

Devices häufig kein DHCP beherrschen, wurde auf diese 

Lösung verzichtet. 

Ein fehlerhaftes Verhalten eines IO Devices wird vom 

Erkundungsagenten nicht detektiert. Ist ein IO Device 

einmal gefunden und in UniFeBu als Objektmodell hinterlegt, 

obliegt es den feldbusinternen Diagnosen, Fehler 

zu erkennen. Da es für den Erkundungsagenten nicht 

transparent ist, ob ein IO Device absichtlich vom Feldbus 

getrennt wurde oder ein Fehler vorliegt, wird das Objektmodell 

nicht automatisch gelöscht. 

3.3 Integration in UniFeBu 

Der vorgestellte Erkundungsagent und das Dienstesystem 

sind in das vorhandene UniFeBu integriert und für Profinet 

IO prototypisch umgesetzt worden. Dabei wurde 

ausgenutzt, dass UniFeBu als Controller und als Geräteemulation 

am Feldbus eingesetzt werden kann. Der 

Erkundungsagent und der Service Requester sind dabei 

in den Controller integriert, der Service Provider für die 

Feldgeräteerkundung in dem Device. Das so erstellte 

PnP-fähige Device lässt sich nun mit dem jetzt ebenfalls 

PnP-fähigen Controller mit dem 5-Schritte-Modell über 

PnP in den Feldbus integrieren: 

Schritt 1: Physische Verbindung 

Das neue Device wird an den Feldbus angeschlossen. 

Es sind keine weiteren Konfigurationsschritte erforderlich. 

Schritt 2: Erkundung 

Der Erkundungsagent scannt das Profinet-IO-Netzwerk. 

Dabei speichert das Netzwerk-Objekt MAC-Adresse, 

Gerätetyp und falls vorhanden IP-Adresse und 

Gerätename zu jedem angeschlossenen Device. 

Schritt 3: Basiskommunikation 

Das PnP-Kontroll-Objekt greift auf die Gerätedaten des 

Netzwerkobjektes zu und überprüft, ob jedes Gerät 

eine IP-Adresse und einen Namen hat. Findet es ein 

neues Device ohne diese Konfiguration, vergibt das 

Kontroll-Objekt automatisch eine IP-Adresse und einen 

Namen an das Device. Dazu nutzt es die Fähigkeiten 

des Netzwerk-Objektes. Nach dieser Basiskonfiguration 

ist das Device fähig, über TCP/IP eine nicht 

echtzeitfähige Basiskommunikation aufzubauen. 

Schritt 4: Fähigkeitsbewertung 

Das PnP-Kontroll-Objekt überprüft nun mit Hilfe des 

UniFeBu-Objektes, ob alle gefundenen Devices in dem 

Feldbusmodell abgebildet sind. Da das neue Device 

noch nicht abgebildet ist, werden über die Basiskommunikation 

Dienstaufrufe gestartet, um die Konfiguration 

des Devices zu ermitteln. Da die Basiskommunikation 

noch keine Profinet-IO-Dienste umfasst, können 

die Konfigurationsdaten noch nicht durch Auslesen der 

I&M-Daten erlangt werden. Das UniFeBu-Objekt erstellt 

mit den ermittelten Daten die Objektstruktur, die das 

Device in der Feldbusabstraktionsschicht abbildet. 

Schritt 5: Konfiguration 

In den in Schritt 4 erstellten Objekten ist bereits die 

Basiskonfiguration aus den GSD-Daten enthalten. 

Durch einen weiteren Dienstaufruf werden die Namen 

der vom IO Device zur Verfügung gestellten Signale 

(wie Prozesswerte, Geräterückmeldungen) erkundet 

und im Feldbusmodell den entsprechenden Kanälen 

des Feldgerätes zugewiesen. 

Mit diesen Erweiterungen ist UniFeBu in der Lage, neue 

Devices am Feldbus zu erkennen, zu konfigurieren und 

sie in das Feldbusmodell zu integrieren. Nicht PnP-fähige 

Devices werden ebenfalls erkannt und erhalten eine Konfiguration 

für die Basiskommunikation. Die Schritte 4 

und 5 entfallen in diesem Fall. An die Conformance-Klassen 

der Devices werden keine Anforderungen gestellt. Der 

Benutzer hat dabei jederzeit die Wahl, ob er keine Feldbusscans 

mehr durchführen möchte und welche Konfigurationseinstellungen 

(Name, IP-Adresse) automatisch 

gesetzt werden. Ein manuelles Setzen der Konfigurationseinstellungen 

ist möglich, indem der Nutzer direkt auf 

das Netzwerk-Objekt zugreift. Da auch für PnP-fähige 

Devices GSD-Dateien zur Verfügung gestellt werden, ist 

eine Nutzung mit nicht PnP-fähigen Controllern möglich. 

FAZIT UND AUSBLICK 

Wie in den anderen angesprochenen Lösungen für PnP 

im Feldbusbereich, ist bei dem vorgestellten Framework 

eine Erweiterung des Feldgerätes um Selbstauskunftsfähigkeiten 

nötig. PAPAS [6] ist dabei sehr nahe an der Idee 

der modularen Anlage, wie sie die Namur vertritt [2]. Für 

die betrachteten, über Ethercat verbundenen Roboter, 

bietet PAPAS eine PnP-Lösung an, die die funktionalen 

Aspekte berücksichtigt. 

Das Anwendungsbeispiel der Lösungen in [14] bezieht 

sich ebenfalls auf Roboter, verfolgt allerdings einen mehr 

auf die Feldbuskommunikation (hier: EPL) ausgerichteten 

Ansatz. Für die Realisierung der PnP-Funktionalität 

sind in diesem Fall entweder ein genau definierter Zustand 

des Feldgerätes oder ein zusätzlicher Konfigurationsmanager 

erforderlich. 

Diese zusätzliche Serverfunktionalität außerhalb der 

eigentlichen Feldbusteilnehmer nutzt auch [3]. Hier wird 

ein OPC UA Discovery Server eingesetzt, um die Datenabfrage 

von den Feldgeräten zu realisieren. Die IP-Adressvergabe 

für Profinet IO erfolgt mittels DHCP und 

benötigt ebenfalls einen zusätzlichen Server. 

Das im Beitrag vorgestellte Framework integriert die 

notwendigen Ergänzungen in die Feldbusteilnehmer, 

sodass keine zusätzliche Soft- oder Hardware benötigt 

wird. Der IO Controller wird um einen integrierten Erkundungsagenten 

und einen, ebenfalls integrierten, Service 

Requester ergänzt. Da der Feldbus-Protokollstack 

nicht verändert wird und für die Erkundungsaufgabe 

das bei Profinet IO verpflichtend vorhandene DCP genutzt 

wird, können auch vorhandene, nicht PnP-fähige 

IO Devices genutzt werden. Die Performance der Feldbuskommunikation 

wird ebenfalls nicht beeinflusst. Die 

vorgenommene Erweiterung gegenüber realen IO Devices 

betrifft einzig den ergänzten Serviceprovider mit den 

abzurufenden Daten. Die Realisierung erfolgt mit dem 

am Lehrstuhl für Prozessleittechnik entwickelten Uni- 

FeBu und dem Dienstesystem. Die hinter der PnP-Funk- 


11 / 2013 

55

HAUPTBEITRAG 

AUTOREN 

tionalität liegende Struktur ist technologieneutral. Eine 

Umsetzung mit anderen Mitteln, zum Beispiel OPC UA, 

ist ebenfalls möglich. 

Das erstellte Framework bietet für die Zukunft eine 

solide Basis, auf der weitere Fragestellungen behandelt 

werden können. So bietet Profinet IO Funktionen und 

Modi, zum Beispiel IRT und Redundanz, die bei der vorgestellten 

Implementierung nicht berücksichtigt wurden. 

Hier müssen dann die Profinet-IO-Conformance- 

Klassen beachtet werden. 

Durch die Nutzung von TCP/IP für die eigentliche PnP- 

Funktionalität, bietet das Framework die Möglichkeit, 

weitere Ethernet-basierte Feldbusse Plug-and-producefähig 

zu gestalten. Auch die Nutzung des Frameworks 

als Feldbusanbindung für einen FDI Communication 

Server [15] kann untersucht werden. 

Das vorgestellte Dienstesystem bietet viel Potenzial für 

weitere Fortschritte im Bereich Plug-and-produce. Es 

gestattet durch die Selbstbeschreibung der implementierten 

Dienste und den als verpflichtend vorausgesetzten 

Selbsterkundungsdienst einfache Möglichkeiten der 

flexiblen Erweiterung ohne Änderung der Schnittstellen. 

Eine vorstellbare Erweiterung ist beispielsweise die automatische 

Zuweisung von Namen, die der Nutzer selber 

festgelegt hat, zu den gefundenen Geräten aus einer externen 

Datenbasis heraus. 


16.09.2013 


Dipl.-Ing. KAI KRÜNING (geb. 1979) ist seit 

2008 wissenschaftlicher Mit arbeiter am 

Lehrstuhl für Prozessleittechnik/RWTH 

Aachen. Hauptarbeits gebiete: Universeller 

Feldbuszugang UniFeBu, Aufbau und 

Automatisierung eines Reformer-Brennstoffzellensystems. 

RWTH Aachen University, 

Lehrstuhl für Prozessleittechnik, Turmstraße 46, D-52064 Aachen, 

Tel. +49 (0) 241 809 76 19, E-Mail: kai.kruening@plt.rwth-aachen.de 

Prof. Dr.-Ing. ULRICH EPPLE (geb. 1953) war 1979 

bis 1985 Wissenschaftlicher Mitarbeiter am 

Institut für Systemdynamik und Regelungstechnik 

Universität Stuttgart, 1985 bis 1990 Mitarbeiter 

im Ressort Prozessleittechnik in der Bayer 

AG, 1991 bis 1995 Geschäftsführer der Gesellschaft 

für Prozesstechnik GmbH, und leitet seit 

1995 den Lehrstuhl für Prozessleittechnik, 

RWTH Aachen. Hauptarbeitsgebiete: Modellbildung 

in der Leittechnik, formale Beschreibungsmethoden, Anwendung 

modellgetriebener Verfahren in der Prozessautomatisierung. 

Assistenzsysteme zur Unterstützung von Ingenieurprozessen. 

RWTH Aachen University, 

Lehrstuhl für Prozessleittechnik, Turmstraße 46, D-52064 Aachen, 

Tel. +49 (0) 241 809 43 39, E-Mail: u.epple@plt.rwth-aachen.de 

REFERENZEN 

[1] Arai T., Aiyama Y., Maeda Y., Sugi M., Ota J.: Agile 

Assembly System by „Plug and Produce“.CIRP 

Annals - Manufacturing Technology 49, S.1-4, 2000 

[2] Obst, M., Holm, T., Bleuel, S., Claussnitzer, U., Evertz, 

L., Jäger, T., Nekolla, T., Pech, S., Schmitz, S., Urbas, 

L.:Automatisierung im Life Cycle modularer Anlagen: 

atp edition -Automatisierungstechnische Praxis 

55(1-2), S. 24-S31, 2013 

[3] Dürkop, L., Imtiaz, H., Wisniewski, L., Jasperneite, J,: 

Using OPC-UA for the Autoconfiguration of Real-time 

Ethernet Systems. In: Proc. INDIN 2013, S. 248-253, 

2013 ISBN: 978-1-4799-0751-9 

[4] Krüning, K, Epple, U.: Abschlussbericht des AiF- 

Forschungsvorhabens 15063N/1 „UniFeBu“, 2009. 

http://www.plt.rwth-aachen.de/unifebu 

[5] Krüning, K., Epple, U.: UniFeBu 2.0-Einheitliche 

Lösung für Feldbuszugang und FDI Geräteintegration. 

In: Tagungsband Automation 2013, S. 197-200. 

VDI 2013 

[6] Plank, G., Reintsma, D., Grunwald, G., Otter, M., 

Kurze, M., Löhnuing, M. Reiner, M., Zimmermann, U., 

Schreiber, G., Weiss, M., Bischoff, R., Fellhauer, B., 

Nitheis, T., Barklage, T.: PAPAS – Plug and Play 

Antriebs- und Steuerungskonzepte für die Produktion 

von Morgen. Abschlussbericht BMBF Verbundprojekt 

PAPAS, 2006 

[7] IEC 61158-1: Industrial communication networks 

- Fieldbus specifications - Part 1: Overview and 

guidance for the IEC 61158 and IEC 61784 series, 2012. 

[8] IEC 61158-5-10: Industrial communication networks 

- Fieldbus specifications - Part 5-10: Application layer 

service definition - Type 10 elements, 2012. 

[9] Zimmermann, H.: http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/ 

download?doi=10.1.1.136.9497&rep=rep1&type=pdf 

OSI Reference Model—The ISO Model of Architecture 

for Open Systems Interconnection. IEEE Transactions 

on Communications 28(4), S 425 –S 432, April 1980 

[10] VDI/VDE 2653-1: Agentensysteme in der Automatisierungstechnik, 

Grundlagen. Juni 2010. 

[11] IEC. 61804-3: Function Blocks (FB) for process control 

- Part 3: Electronic Device Description Language 

(EDDL) . 2010. 

[12] IEC 62769-5: Field device integration (FDI) - Part 5: 

FDI Information Model, Juni 2012. 

[13] Enste, U., Müller, J.: Datenkommunikation in der 

Prozessindustrie. Oldenbourg Industrieverlag 2007 

[14] Reinhart, G., Krug, S., Hüttner, S., Mari, Z., Riedelbauch, 

M. Schlögel, M.: Automatic Configuration 

(Plug & Produce) of Industrial Ethernet Networks. 

In: Proc. INDUSCON, S. 1.6 IEEE/IAS 2010. 

ISBN: 978-1-4244-8010-4 

[15] IEC 62769-1: Field device integration (FDI) - Part 1: 

Overwiew, Juni 2012. 

[16] Evertz, L., Epple, U.: Laying a Basis for Service 

Systems in Process Control. In: Proc. ETFA2013, [CD]. 

IEEE 2013 

[17] Hansen, C.: Integration von dienstorientierter 

Interaktion in der operativen Prozessführung. 

Bachelorarbeit am Lehrstuhl für Prozessleittechnik. 

RWTH Aachen 2013 

56 


11 / 2013

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HAUPTBEITRAG 

Geräteintegration und 

-management 

Teil 2: Integriertes Engineering mit Simatic PDM und FDI 

Teil 2 des Beitrags zeigt am Beispiel des um FDI-Funktionalität erweiterten Produkts Simatic 

PDM auf, wie Gerätemanagementaufgaben mit FDI gelöst werden. Dazu werden 

zunächst Aufgaben des Gerätemanagements in den Anlagenlebenszyklus eingeordnet und 

Anforderungen abgeleitet. An zwei Praxisbeispielen, der Erstinbetriebnahme eines Feldgeräts 

und des Feldgerätetauschs, werden die notwendigen Arbeitsschritte dargestellt und 

Bezüge zu den für die Anwender aufgrund der Integration weitgehenden unsichtbaren 

Komponenten des FDI Device Package.hergestellt. 

SCHLAGWÖRTER Geräteintegration / Gerätemanagement / EDDL / FDT / FDI 

Device Management and Integration – 

Part 2: Integrated Engineering with Simatic PDM and FDI 

Part 2 of the paper uses a prototype extension of Simatic PDM to show how FDI can be 

used for device management. The key tasks are arranged in the plant life cycle and requirements 

derived. The necessary steps are shown for two practical examples, commissioning 

a field device and exchanging field devices. The links to the components of the FDI 

device package are clarified. 

KEYWORDS device integration / device management / EDDL / FDT / FDI 

58 


11 / 2013

HOLGER RACHUT, STEFAN RUNDE, ALBERT JUSTUS, JÜRGEN FICKER, RONALD LANGE, 

KARSTEN SCHNEIDER, HERMANN RICHTER, Siemens 

Aufbauend auf Teil 1 des Beitrags werden zunächst 

Grundlagen des Gerätemanagements 

und entsprechende Aufgaben im Anlagenlebenszyklus 

skizziert. Der Schwerpunkt liegt auf 

der Darstellung des in der Produktentwicklung 

um FDI erweiterten Stand des Gerätemanagementwerkzeugs 

Simatic PDM, der auf der Namur-Hauptsitzung (7.-8. 

November 2013 in Bad Neuenahr) [11] gezeigt wird: Erstinbetriebnahme 

eines Feldgerätes und Feldgerätetausch 

unter Verwendung des um FDI erweiterten Simatic PDM 

Demonstrators. 

1. GERÄTEMANAGEMENT 

Mit einem Gerätemanagementwerkzeug müssen sich verschiedene 

Engineering-Aufgaben bei der Verwaltung von 

Feldgeräten lösen lassen. Basis sind die Empfehlungen 

der Namur zur Integration von Feldgeräten in Automatisierungssysteme 

und Parametrierwerkzeuge. Zu nennen 

ist vor allem die Namur-Empfehlung NE 105 „Anforderungen 

an die Integration von Feldbusgeräten in Engineering-Tools 

für Feldgeräte“ [2]. Diese beschreibt unter 

anderem die Anforderungen an die Integration, Inbetriebnahme 

und das Gerätemanagement von intelligenten 

Feldgeräten in Automatisierungssystemen. 

Nachfolgend sind typische Engineering-Aufgaben im 

Kontext des Gerätemanagements hinsichtlich eines Anlagenlebenszyklus 

dargestellt. Dabei liegt der Fokus 

nicht auf einem bestimmten Anlagenlebenszyklus, wie 

beispielsweise den der NA 35 [3], sondern es werden die 

grundsätzlich anfallenden Aufgaben beschrieben. 

Im Design der Anlage werden die Messstellentypen 

definiert, ohne dass die Geräte bereits im Detail beschrieben 

sind. Hierbei handelt es sich vor allem um die Technologieentscheidung 

– beispielsweise welches Messprinzip 

(wie magnetisch-induktiv, Ultraschall, Druck) eignet 

sich, um einen Durchfluss zu messen. Mit dem Engineering 

werden die Messstellen projektiert. Dabei ist das 

konkrete Feldgerät immer noch unbekannt, aber die 

notwendigen Messspezifikationen (zum Beispiel Min- 

Max-Messwerte, Temperaturbereiche) sind vorhanden. 

Mit der Installation und Inbetriebsetzung, werden konkrete 

Feldgeräte (unter anderem Hersteller und Typ) den 

Messstellen zugeordnet und die notwendigen Parameter 

eingestellt, sodass die Anlage in Betrieb genommen werden 

kann. In der Betriebsphase, auch als Operation bezeichnet, 

kommt es vor, dass sich Prozessparameter ändern 

und Feldgeräte angepasst werden müssen. Darüber 

hinaus müssen die Feldgeräte überwacht werden, um 

Änderungen und Fehler frühzeitig zu ermitteln. In der 

Phase Instandhaltung, auch Maintenance genannt, fallen 

Engineering-Aufgaben an, wie die Aktualisierung einer 

Gerätebeschreibung und der Geräteersatz. Durch eine 

Aktualisierung werden beispielsweise vorhandene Fehler 

behoben. Beim Geräteersatz wird ein Feldgerät mit 

einem Gerät gleichen Typs und gleicher Version ausgetauscht. 

Vorteilhaft ist dabei, dass sich die Projektdaten 

nicht ändern und die Gerätebeschreibungsdateien identisch 

sind. Wenn eine Modernisierung ansteht, kann es 

unter anderem zum Umbau des jeweiligen Automatisierungssystems 

kommen, was sich ebenfalls möglicherweise 

auf die Feldgeräte auswirkt. 

Selbstverständlich können in dieser Phase die zuvor 

genannten Aufgaben Aktualisierung einer Gerätebeschreibung 

und Geräteersatz anfallen; typisch ist jedoch die 

Hochrüstung von Feldgeräten. Die Gründe für eine Hochrüstung 

sind zum Beispiel eine erweiterte Überwachung 

und Diagnose im Automatisierungssystem mit den Feldgeräten. 

Bei der Hochrüstung handelt es sich um die Erneuerung 

eines Gerätes aufgrund einer inkompatiblen, 

weil funktionserweiterten Version, zu dem auszutauschenden 

Gerät. Diese Hochrüstung lässt sich in zwei Gruppen 

unterteilen: Beim Austausch von Geräten mit ungleichen 

Versionen müssen im Vergleich zum einfachen Geräteersatz 

zusätzlich die Gerätebeschreibungsdateien ausgetauscht 

und die Parameter übertragen werden. Beim Austausch 

von Geräten unterschiedlichen Typs – gegebenenfalls 

das Feldgerät eines anderen Herstellers – ist zusätzlich 

die Gerätebeschreibungsdatei auszutauschen. 

Weiterhin sind die Parameter, soweit kompatibel, zu übertragen 

und bei der Montage entsprechende Änderungen 


11 / 2013 

59

HAUPTBEITRAG 

BILD 1: Inbetriebnahme des Profibus PA Gerätes 

Sipart PS 2 mit FDI und Simatic PDM 

BILD 2: Adressierdialog in Simatic PDM 

BILD 3: Parametrierdialog des prototypischen 

Simatic PDM bezüglich Sipart PS 2 

BILD 4: Tausch eines Profibus PA-Feldgerätes 

durchzuführen. Im Rahmen einer Modernisierung muss 

die grundsätzliche Erweiterung der Anlage betrachtet werden, 

das heißt, das Hinzufügen zusätzlicher Feldgeräte. 

Diese Engineering-Aufgaben müssen von einem Parametrierwerkzeug 

unterstützt werden. Im Produktportfolio 

von Siemens ist dies das Gerätemanagementwerkzeug 

Simatic PDM [1]. 

2. FDI-DEMONSTRATOR UND PRAXISBEISPIELE 

Siemens zeigt auf der Namur-Hauptversammlung (7. und 

8. November 2013) einen unter Berücksichtigung des aktuellen 

Status von FDI erweiterten Stand von Simatic 

PDM. Eine Multi-Vendor-Demonstrationswand verdeutlicht 

die Einbindung verschiedener Feldgeräte namhafter 

Hersteller. Vom Druck- und Temperaturtransmitter über 

den Füllstand zum Stellungsregler sind auf der Wand die 

unterschiedlichen Messgrößen und -prinzipien vereinigt. 

Für alle Geräte liegen FDI Device Packages vor, die mit 

dem im Rahmen der FDI Cooperation, LLC entwickelten 

Integrated Development Environment (IDE) [1] erarbeitet 

wurden. Als Gerätemanagementsoftware wird Simatic 

PDM mit allen Geräten kommunizieren. Jedes FDI Device 

Package wird in Simatic PDM auf Basis des neuen FDI- 

Binärformats geladen – zudem wird die UIP-Funktionalität 

von FDI demonstriert [1]. Die mittels der FDI Packages 

bereitgestellte Information bildet die Basis für 

weitere Engineering-Aufgaben. 

So werden in den beiden folgenden Abschnitten werden 

zwei typische Engineering-Aufgaben des Gerätemanagements 

beschrieben – als Basis dient das um FDI erweiterte 

Simatic PDM, um mögliche vorteilhafte FDI-Funktionalitäten 

[1] zu adressieren. 

2.1 Beispiel 1: Erstinbetriebnahme eines Feldgerätes 

In Bild 1 ist dargestellt, wie ein Profibus-PA-Feldgerät 

mit einem FDI Device Package in Betrieb genommen 

wird. Die Aufgabe fällt typischerweise in der Phase Instandhaltung 

an. 

60 


11 / 2013

Der Aufbau besteht aus der Steuerung Simatic S7 400 

PA als Profibus Master und einem DP/PA-Link, an dessen 

Strang verschiedene Feldgeräte angeschlossen sind. 

In dem skizzierten Beispiel wird ein neues Gerät an den 

Profibus angeschlossen und in Betrieb genommen (Bild 

1). Der nachfolgende Ablauf ist typisch für die Erstinbetriebnahme 

eines Profibus-PA-Feldgerätes. Die in 

Bild 1 dargestellten Nummern illustrieren die bei der 

Erstinbetriebnahme durchzuführenden Schritte Verschiebung 

auf den technischen Platz und Parametrierung. 

Zuvor wird das FDI Device Package eingelesen. 

0. Einlesen des FDI Device Package 

Der Hersteller liefert das Feldgerät in einem unparametrierten 

Zustand mit der Auslieferadresse 126 (Default-Zustand). 

Mit dem Feldgerät wird ein FDI Device 

Package ausgeliefert, das alle Information zu diesem 

Gerät bündelt. Ein FDI Device Package beschreibt das 

Feldgerät bezogen auf seine Funktionen und Kommunikation. 

Zusätzlich können Dokumente, Beschreibungen 

der Parametrieroberfläche, Bilder und andere 

Information enthalten sein, wie im ersten Teil des [1] 

eingeführt. 

Zu Beginn wird das FDI Device Package des neuen 

Feldgerätes über den Device Integration Manager (DIM) 

von Simatic PDM eingelesen. Der DIM prüft das FDI Device 

Package auf Vollständigkeit und führt verschiedene 

Prüfungen bezogen auf die Syntax und Semantik der 

enthaltenen Electronic Device Description (EDD) durch. 

Damit werden dem Gerätemanagementwerkzeug und 

dem Engineeringsystem des übergeordneten Automatisierungssystems 

(zum Beispiel Simatic PCS 7) alle notwendigen 

Geräteinformationen (wie Parameter, Funktionen, 

Kommunikations- und Zusatzinformation des 

Feldgerätes) verfügbar gemacht [1]. 

1. Verschiebung des Feldgerätes auf den technologischen 

Platz 

Im Projekt wird in diesem Fall festgelegt, dass das Feldgerät 

auf der Adresse 20 betrieben werden soll. Mit 

dieser Festlegung und der Projektierung der verwendeten 

Prozesswerte im technologischen Projekt erfolgt die 

Beschreibung des technologischen Platzes. Der erste 

Schritt bei der Inbetriebnahme ist nun die Zuordnung 

des Feldgerätes zu diesem technologischen Platz. In 

unserem Beispiel muss das Feldgerät von der Auslieferungsadresse 

126 (Serviceadresse) auf die für den späteren 

Betrieb relevante Busadresse 20 verschoben werden. 

Diese Verschiebung erfolgt nach der Montage und 

Verkabelung des physikalischen Feldgeräts mit Hilfe 

des Adressierdialoges (Bild 2). 

In diesem Adressierdialog wird vor dem Verschieben 

geprüft, ob das projektierte Feldgerät und das angeschlossene 

Feldgerät übereinstimmen. Erst nach der 

Verschiebung auf den vorgesehenen technologischen 

Platz kann die zyklische Kommunikation zwischen 

dem Profibus-Master und dem Feldgerät aufgebaut werden. 

Die Nutzung der Serviceadresse 126 stellt sicher, 

dass es nach dem Anschluss des Feldgerätes zu keinem 

Adresskonflikt mit im Projekt bereits verwendeten 

Feldgeräten kommt, da diese Serviceadresse laut Spezifikation 

in Projekten nicht verwendet werden darf. 

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1. Auflage 2014 

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ISBN: 978-3-8356-3362-9 

Preis: € 49,80 

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www.di-verlag.de 

Das Buch erscheint im DIV Deutscher Industrieverlag GmbH, Arnulfstr. 124, 80636 München

HAUPTBEITRAG 

2. Parametrierung des eingebundenen Feldgerätes 

Nach der Verschiebung des Feldgerätes auf den technologischen 

Platz werden die Parameter des Feldgerätes 

eingestellt. Dazu wird die Parametrieroberfläche 

des Feldgerätes in Simatic PDM geöffnet. Die Darstellung 

der Bedienoberfläche, die Menüstruktur, Dialoge 

und Inbetriebnahme-Wizards werden dem FDI Device 

Package entnommen. Mit Hilfe dieses Wizards werden 

Parameter (wie Einheit, Nenndrehwinkel) des Gerätes 

festgelegt. Nachdem der Parametersatz erstellt wurde, 

kann dieser in das Feldgerät geschrieben werden. Bild 

3 zeigt einen Parametrierdialog des Inbetriebnahme- 

Wizards. 

Die für Inbetriebnahme notwendige Information über 

die jeweiligen Parameter muss nicht umständlich aus 

einem Handbuch bezogen werden. Diese Information 

ist Bestandteil des FDI Device Packages und lässt sich 

jederzeit zu Rate ziehen. 

2.2 Beispiel 2: Feldgerätetausch 

Während der Lebenszeit einer Anlage kann es nötig sein, 

ein Feldgerät auszutauschen. Dies ist beispielsweise bei 

einer Funktionsstörung der Fall oder wenn ein Service 

nur in der Werkstatt ausgeführt werden kann. 

Bild 4 zeigt, wie ein Profibus-PA-Feldgerät mit einem 

FDI-Gerätepaket getauscht werden kann. Dabei ist es unerheblich, 

ob das Austauschgerät identisch oder kompatibel 

zu dem ursprünglichen Feldgerät ist. 

Nachfolgend wird in diesem Beispiel der Tausch eines 

Feldgerätes beschrieben, wiederum mit der Geräteintegrationstechnologie 

FDI und Simatic PDM. Der Aufbau 

ist identisch mit dem im vorhergehenden Beispiel . Das 

zu tauschende Gerät ist in Bild 4 mit einem roten X markiert. 

Der Tausch eines Feldgerätes ist vergleichbar mit 

der Erstinbetriebnahme. 

1. Feststellung, dass ein Gerätetausch notwendig ist 

Entweder das Feldgerät auf dem technologischen Platz 

(hier Busadresse 20) fällt aus oder es muss aufgrund 

eines festgestellten Mangels ausgetauscht werden, was 

der Phase Instandhaltung zuzuordnen ist. Der Tausch 

eines Gerätes kann jedoch ebenso im Rahmen einer 

Modernisierung gefordert werden, was dann als Hochrüstung 

bezeichnet wird (Abschnitt 1). In beiden Fällen 

wird die Messstelle in einem ersten Schritt deaktiviert, 

die Parameter werden mit der Exportfunktion in Simatic 

PDM gesichert und das auszutauschende Feldgerät 

demontiert. 

2. Einbindung eines Austauschgerätes 

Das neue Feldgerät wird zunächst montiert und an das 

Bussegment angeschlossen. Danach lässt sich mit der 

Lifelist prüfen, ob das Feldgerät unter der Adresse 126 

am Bussegment erreichbar ist. 

3. Verschieben des Ersatzgerätes auf den technologischen 

Platz 

Mit der Umadressierungsfunktion von Simatic PDM 

(Bild 2) wird das Tauschgerät nun auf den technologischen 

Platz 20 verschoben. 

4. Übertragung der Feldgeräteparameter in das 

Austauschgerät 

Hinsichtlich der Übertragung der Feldgeräteparameter 

in das Austauschgerät sind zwei Szenarien zu betrachten. 

Diese resultieren wiederum aus den Fällen Geräteersatz, 

Austausch von Geräten mit ungleichen Versionen 

und Austausch von Geräten unterschiedlichen Typs. 

REFERENZEN 

[1] Rachut, H., Richter, H., Runde, S., Lange, R., Justus, A., Ficker, 

J., Schneider, K.: Geräteintegration und –management – Teil 1: 

Von der Integration mit EDDL und FDT zu FDI. atp edition – 

Automatisierungstechnische Praxis 55(10), S. 38-44, 2013 

[2] NE 105: Anforderungen an die Integration von 

Feldbusgeräten in Engineering-Tools für Feldgeräte. 

Namur 2008 

[3] NA 35: Abwicklung von PLT-Projekten. Namur 2003 

[4] Siemens AG: SIMATIC PDM – Der Process Device Manager. 

http://www.automation.siemens.com/w2/efiles/pcs7/ 

pdf/00/prdbrief/kb_pdm_de.pdf, 2013. 

[5] Zentralverband Elektrotechnik- und Elektroindustrie 

(ZVEI): Leitfaden Life Cycle-Management. 

http://www.zvei.org/Verband/Publikationen/Seiten/ 

Leitfaden-Life-Cycle.aspx 

[6] Runde, S., Wolf, G., Braun, M.: EDDL and Semantic Web 

– from Field Device Integration (FDI) to Future Device 

Management (FDM). In: Proc. 18th IEEE Int. Conf. 

Emerging Technologies and Factory Automation (ETFA), 

[CD]. IEEE 2013 

[7] Urbas, L., Bleuel, S., Jäger, T., Schmitz, S., Evertz, L., Nekolla, T.: 

Automatisierung von Prozessmodulen - Von Package-Unit- 

Integration zu modularen Anlagen. In: atp edition – Automatisierungstechnische 

Praxis 54(1-2), S. 44-53, 2012 

[8] NAMUR AK 1.12: Anforderungen an die Automatisierungstechnik 

durch die Modularisierung verfahrenstechnischer Anlagen. 

http://www.namur.de/arbeitsfelder-af-und-projektgruppen-pg/ 

arbeitsfeld-1-planung-und-errichtung/ak-112-anforderungenan-die-automatisierungstechnik-durch-die-modularisierungverfahrenstechnischer-anlagen/ 

[9] Obst, M., Runde, S., Wolf, G., Urbas, L.: Integration Requirements 

of Package Units – a description approach with FDI. 

In: Proc. 18th IEEE Int. Conf. Emerging Technologies and Factory 

Automation (ETFA), [CD]. IEEE 2013 

[10] Tauchnitz, T.: Integriertes Engineering – wann, wenn nicht jetzt! 

Notwendigkeiten, Anforderungen und Ansätze. In: atp edition – 

Automatisierungstechnische Praxis 55(1-2), S. 48-55, 2013 

[11] Siemens: Siemes als Partner der NAMUR: http://www.industry. 

siemens.com/topics/global/de/magazine/process-news/Seiten/ 

namur-hauptsitzung.aspx#Workshops, 2013 

62 


11 / 2013

KNOWLEDGE 

for the FUTURE 

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for automation 

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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, 

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Editor: L. Urbas 

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PAPCSE2012

HAUPTBEITRAG 

Szenario A adressiert den Geräteersatz: Der Parameterdatensatz 

des bisherigen Feldgeräts ist in den Projektdaten 

hinterlegt und an die bisherige Gerätebeschreibung 

gebunden. Nach der Umadressierung kann der 

Parameterdatensatz des bisherigen Feldgerätes in das 

Ersatzgerät geladen werden. Nach einer Neuinitialisierung 

ist dieses Feldgerät betriebsbereit und übernimmt 

die Aufgabe des ausgetauschten Feldgerätes. 

Szenario B adressiert den Austausch von Geräten mit 

ungleichen Versionen beziehungsweise von Geräten unterschiedlichen 

Typs: In diesem Fall muss dem Ersatzgerät 

eine andere Gerätebeschreibung zugeordnet werden. 

Dies ist mit Simatic PDM über die Funktion Gerätbeschreibung/FDI 

Device Package neu zuordnen möglich. 

Nach der Neuzuordnung ist aber der Geräteparametersatz 

mit den Voreinstellwerten (Auslieferungszustand) hinterlegt. 

Jetzt werden die vor der Neuzuordnung über die 

Exportfunktion gesicherten Parameter importiert und 

alle namensgleichen Parameter übernommen. Da sich 

beide Feldgeräte (Altgerät und Austauschgerät) in Teilfunktionen 

unterscheiden können, ist in einigen Fällen 

eine Nachparametrierung nötig. Anschließend werden 

die Parameter in das Feldgerät geladen. Nach der Initialisierung 

ist das Feldgerät betriebsbereit und übernimmt 

die Aufgaben des ausgetauschten Feldgerätes. 

Die Funktion Gerätbeschreibung/FDI Device Package 

neu zuordnen hat einen weiteren Vorteil. Sie gewährleistet, 

dass einem in der Anlage in Betrieb befindlichen Feldgerät 

jederzeit ein neues FDI Device Package zugeordnet 

werden kann, ohne dass das eigentliche Automatisierungsprojekt 

im übergeordneten Automatisierungssystem 

geändert werden muss. Damit ist es möglich, die im FDI 

Device Package beschriebenen Funktionserweiterungen 

oder Fehlerkorrekturen in die Automatisierungsanlagen 

einzubringen, ohne den Betrieb zu unterbrechen. 

ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 

Die FDI-Technologie vereint die Vorteile und Möglichkeiten 

von Electronic Device Description Language (EDDL) 

und Field Device Technology (FDT), wie in Teil 1 des Beitrags 

dargestellt. Es ist eine konsequente Weiterentwicklung 

dieser etablierten Technologien. Ferner erfüllt FDI 

in Kombination mit einer Implementierung (zum Beispiel 

Simatic PDM) die Herausforderungen hinsichtlich der 

Geräteintegration, wie sie beispielsweise die NA 105 beschreibt. 

Dahingehend ist zudem die von der Namur geforderte 

Rück-Kompatibilität sicherzustellen. Im Idealfall 

werden neben dem neuen FDI Standard gleichermaßen 

die existierenden Technologien (wie FDT oder EDDL) unterstützt 

und die Legacy-Ausprägungen der Gerätebeschreibungen 

von Foundation Fieldbus, Hart Communication 

Foundation und Profibus Nutzerorganisation [1]. 

Der FDI-Demonstrator auf der Namur-Hauptversammlung, 

basierend auf dem um FDI-Funktionalität erweiterten 

Produkt Simatic PDM, zeigt den Fortschritt dieser 

Technologie. Dabei wurde in Teil 2 des Beitrags auf Basis 

des Namur-Demonstrators dargestellt, dass Engineering- 

Aufgaben im Kontext des Gerätemanagements und Anlagenlebenszyklus, 

wie die Erstinbetriebnahme eines Feldgerätes 

und der Gerätetausch mit FDI, in Kombination mit 

Simatic PDM ebenso einfach zu realisieren sind wie mit 

EDDL. Aufgrund der einheitlichen Gerätemanagementtechnologie 

FDI funktioniert nun die Parametrierung für 

alle Geräte einheitlich. Der Anwender hat nun weniger 

Aufwand beim Einsatz gemischter Feldgeräte. Der verpflichtende 

EDD-basierten Teil des FDI Device Packages 

[1] stellt sicher, dass nach der Inbetriebnahme die wesentlichen 

Informationen zur Verfügung stehen – Add-ons 

lassen sich mit den drei programmierbaren, optionalen 

UIP realisieren (zum Beispiel 3-D-Animationen). 

Dieser Ansatz unterstützt insbesondere den Investitionsschutz: 

Nutzer von Simatic PDM können auf ihre 

Expertise im Umgang mit diesem Werkzeug zurückgreifen. 

Hinsichtlich eines künftigen integrierten Engineerings 

sind bei der Verwendung von Simatic PDM keine 

größeren Umstellungen (unter anderem bezüglich Bedienung 

und Darstellung) notwendig, da dies wie gewohnt 

mit EDDL auch mit FDI erfolgt. 

Neben Herausforderungen, wie der Realisierung von 

Basis- und Experten-Parametrierung sowie der Weiterent- 

AUTOREN 

Dipl.-Ing. HOLGER RACHUT (geb. 1957) ist seit 

2000 im Produktmanagement für das Prozessleitsystem 

Simatic PCS 7 in der Siemens AG 

tätig. Nach der Ausbildung zum Betriebs- 

Mess- und Regelungstechniker studierte er an 

der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg 

Automatisierungstechnik und technische 

Kybernetik. Im Produktmanagement ist er 

zuständig für die Themen Feldgeräteintegration/Diagnose 

und Assetmanagement. 

Siemens AG, 

Östliche Rheinbrückenstraße 50, 

D-76187 Karlsruhe, 

Tel. +49 (0) 721 595 65 56, 

E-Mail: holger.rachut@siemens.com 

Dipl.-Ing. HERMANN RICHTER (geb. 1954) ist 

im globalen Produktmanagement der Prozessleittechnik 

in der Siemens AG tätig. Nach 

seinem Studium der Elektrotechnik an der 

Technischen Universität München arbeitete er 

bei Siemens in unterschiedlichen Funktionen 

und Regionen im Umfeld der Industrieautomation. 

Im Produktmanagement für das 

Prozessleitsystem Simatic PCS 7 leitet er die 

Fachgruppe System Hardware. 

Siemens AG, 



Tel. +49 (0) 721 595 68 74, 

E-Mail: hermann.richter@siemens.com 

64 


11 / 2013

wicklung von Geräteprofilen, bestehen weiterführende 

Herausforderungen was die Themen Geräteintegration 

und -management betrifft – dieser Komplex steht unmittelbar 

im Zusammenhang mit aktuellen Themen wie Integriertes 

Engineering und Industrie 4.0. So nimmt beispielsweise 

die eindeutige semantische und syntaktische 

Beschreibung des Automatisierungssystems unter Berücksichtigung 

des Aspektes Anlagen-Life-Cycle [5] eine 

Schlüsselrolle ein – diese Beschreibung adressiert das 

Engineering sowie das Laufzeitsystem. Technologien, wie 

FDI, OPC UA und eClass, sind voraussichtlich unverzichtbar 

und müssen weiter entwickelt werden – dabei nimmt 

die Standardisierung eine Schlüsselrolle ein. Zur Unterstützung 

werden gegebenenfalls Web-Technologien eingesetzt; 

zum Beispiel die Web Ontology Language (OWL) 

und Semantic Web Rule Language (SWRL). Diese können 

als Ausgangspunkt für Innovationen bei der Erstellung 

von Geräte-Firmware und der Gerätesimulation dienen 

[6]. Abhängig vom Anlagentyp ist zudem ein Trend hin 

zu Modularisierung erkennbar [7]. 

In der Prozessautomatisierung nimmt die Modularisierung 

anhand von Package Units [8] eine Schlüsselrolle ein. 

Die Ansätze aus dem Umfeld Geräteintegration im Allgemeinen 

und der Geräteintegrationstechnologie FDI im Speziellen 

helfen, die Package Units via Plug-and-produce in 

ein Automatisierungssystem einzubinden [9]. Diese Herausforderungen 

adressieren wiederum das in Tauchnitz [10] 

beschriebene Szenario zu integriertem Engineering und 

Industrie 4.0. Abhängig vom jeweiligen Automatisierungstechnik- 

und Host-Hersteller sind die Voraussetzungen und 

Randbedingungen unterschiedlich, was die Realisierung 

des beschriebenen Szenarios betrifft. Die entsprechende 

Werkzeuglandschaft ist bei Siemens bereits vorhanden und 

zu großen Teilen integriert. Es existieren bereits Kopplungen 

zwischen Simatic PDM und Simatic PCS 7, Comos und 

Simatic PCS 7 sowie Simit und Simatic PCS 7. 


01.08.2013 


Dr.-Ing. STEFAN RUNDE (geb. 1980) ist in der 

Vorfeldentwicklung des Sektors Industry der 

Siemens AG seit 2010 Projektleiter für das 

Thema Future DCS Architecture und seit 2012 

zudem Programm Manager für das Themenfeld 

PC-based Architecture. Nach der Ausbildung 

zum Energieelektroniker studierte er 

Elektro- und Informationstechnik an der FH 

Hannover und promovierte an der Helmut- 

Schmidt-Universität Hamburg. Aktuelle 

Schwerpunkte seiner Arbeit sind die Verbesserung 

von Engineering und Architekturen im 

Umfeld von Scada und DCS. 

Siemens AG, 



Tel. +49 (0) 721 595 79 77, 

E-Mail: stefan.runde@siemens.com 

Dipl.-Inf. RONALD LANGE (geb. 1965) ist seit 

1989 in der Siemens AG tätig. Er studierte 

Informatik an der Universität Erlangen. Seit 

1995 liegt sein Arbeitsschwerpunkt in der 

Systemarchitektur der Automatisierungssysteme. 

Aktuelle Arbeiten sind dabei die Geräteintegration 

in Engineeringsysteme sowie die 

Architektur des TIA-Portals. 

Siemens AG, 

Gleiwitzer Straße 555, D-90475 Nürnberg, 

Tel. +49 (0) 911 895 26 89, 

E-Mail: lange.ronald@siemens.com 

Dipl.-Ing. ALBERT JUSTUS (geb. 1960) arbeitet seit 2008 im globalen 

Produktmanagement im Bereich der Prozessinstrumentierung mit den 

Schwerpunkten Geräteintegration und Kommunikation. Nach seinem 

Studium an der Fachhochschule Bielefeld begann er 1987 seine berufliche 

Laufbahn als Ingenieur bei der Siemens AG. Er war mehrere Jahre als 

Inbetriebsetzer und Projektleiter im In- und Ausland tätig. 

Siemens AG, 

Östliche Rheinbrückenstraße 50, D-76187 Karlsruhe, 

Tel. +49 (0) 721 595 51 08, E-Mail: albert.justus@siemens.com 

Dr. JÜRGEN FICKER (geb. 1971) ist seit 2012 im globalen Produktmanagement 

der Prozessinstrumentierung in der Siemens AG tätig. Nach seinem 

Physikstudium an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg 

promovierte er im Rahmen einer Industriepromotion an der technischen 

Universität Darmstadt in Zusammenarbeit mit Siemens. Im Produktmanagement 

beschäftigt er sich mit fachübergreifenden Themen der 

Prozessinstrumentierung aus Sicht des Marktes. 

Siemens AG, 

Östliche Rheinbrückenstraße 50, D-76187 Karlsruhe, 

Tel. +49 (0) 721 595 35 22, E-Mail: juergen.ficker@siemens.com 

Dipl.-Ing. KARSTEN SCHNEIDER (geb. 1969) absolvierte das Studium der 

Elektrotechnik an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg. 

Vor mehr als 15 Jahren startete er bei der Siemens AG in der zentralen 

Forschung und Entwicklung. Seitdem war er dort in verschiedenen 

Tätigkeitsfeldern beschäftigt. Im April 2012 wurde er in den Vorstand der 

Profibus Nutzerorganisation e.V. gewählt. 

Siemens AG, 

Gleiwitzer Straßse 555, D-90475 Nürnberg, 

Tel. +49 (0) 911 895 43 21, E-Mail: karsten.schneider@siemens.com 


11 / 2013 

65

IMPRESSUM / VORSCHAU 

IMPRESSUM 

VORSCHAU 

Verlag: 

DIV Deutscher Industrieverlag GmbH 

Arnulfstraße 124, D-80636 München 

Telefon + 49 (0) 89 203 53 66 0 

Telefax + 49 (0) 89 203 53 66 99 

www.di-verlag.de 

Geschäftsführer: 

Carsten Augsburger, Jürgen Franke 

Verlagsleiterin: 

Kirstin Sommer 

Spartenleiterin: 

Anne Purschwitz geb. Hütter 

Herausgeber: 

Dr.rer.nat. Thomas Albers 

Dr. Gunther Kegel 

Dipl.-Ing. Hans-Georg Kumpfmüller 

Dr.-Ing. Wilhelm Otten 

Beirat: 

Dr.-Ing. Kurt Dirk Bettenhausen 

Prof. Dr.-Ing. Christian Diedrich 

Prof. Dr.-Ing. Ulrich Epple 

Prof. Dr.-Ing. Alexander Fay 

Prof. Dr.-Ing. Michael Felleisen 

Prof. Dr.-Ing. Georg Frey 

Prof. Dr.-Ing. Peter Göhner 

Dipl.-Ing. Thomas Grein 

Prof. Dr.-Ing. Hartmut Haehnel 

Dr.-Ing. Jörg Kiesbauer 

Dipl.-Ing. Rolf Marten 

Dipl.-Ing. Gerald Mayr 

Dr. Jörg Nothdurft 

Dr.-Ing. Josef Papenfort 

Dr. Andreas Wernsdörfer 

Dipl.-Ing. Dieter Westerkamp 

Dr.rer.nat. Christian Zeidler 

Organschaft: 

Organ der GMA 

(VDI/VDE-Gesell schaft Messund 

Automatisierungs technik) 

und der NAMUR (Interessengemeinschaft 


der Prozessindustrie). 

Redaktion: 

Anne Purschwitz geb. Hütter (ahü) 

(verantwortlich) 

Telefon + 49 (0) 89 203 53 66 58 

Telefax + 49 (0) 89 203 53 66 99 

E-Mail: purschwitz@di-verlag.de 

Aljona Hartstock (aha) 

Telefon + 49 (0) 89 203 53 66 78 

E-Mail: hartstock@di-verlag.de 

Gerd Scholz (gz) 

Einreichung von Hauptbeiträgen: 

Prof. Dr.-Ing. Leon Urbas 

(Chefredakteur, verantwortlich 

für die Hauptbeiträge) 

Technische Universität Dresden 

Fakultät Elektrotechnik 

und Informationstechnik 

Professur für Prozessleittechnik 

D-01062 Dresden 

Telefon +49 (0) 351 46 33 96 14 

E-Mail: urbas@di-verlag.de 

Fachredaktion: 

Dr.-Ing. Michael Blum 

Dipl.-Ing. Heinrich Engelhard 

Prof. Dr.-Ing. Jürgen Jasperneite 

Dr.-Ing. Bernhard Kausler 

Dr.-Ing. Niels Kiupel 

Prof. Dr.-Ing. Gerrit Meixner 

Dr.-Ing. Jörg Neidig 

Dipl.-Ing. Ingo Rolle 

Dr.-Ing. Stefan Runde 

Prof. Dr.-Ing. Frank Schiller 

Bezugsbedingungen: 

„atp edition – Automatisierungstechnische 

Praxis“ erscheint 

monatlich mit Doppelausgaben im 

Januar/Februar und Juli/August. 

Bezugspreise: 

Abonnement jährlich: € 468,– + € 30,–/ 

€ 35,– Versand (Deutschland/Ausland); 

Heft-Abonnement + Online-Archiv: 

€ 638,40; ePaper (PDF): € 468,–; 

ePaper + Online-Archiv: € 608,40; 

Einzelheft: € 55,– + Versand; 

Die Preise enthalten bei Lieferung 

in EU-Staaten die Mehrwertsteuer, 

für alle übrigen Länder sind es 

Nettopreise. Mitglieder der GMA: 30% 

Ermäßigung auf den Heftbezugspreis. 

Bestellungen sind jederzeit über den 

Leserservice oder jede Buchhandlung 

möglich. 

Die Kündigungsfrist für Abonnementaufträge 

beträgt 8 Wochen zum Bezugsjahresende. 

Abonnement-/ 

Einzelheftbestellung: 

DataM-Services GmbH, Leserservice atp 

Herr Marcus Zepmeisel 

Franz-Horn-Str. 2, 97082 Würzburg 

Telefon + 49 (0) 931 417 04 59 

Telefax + 49 (0) 931 417 04 94 

leserservice@di-verlag.de 

Verantwortlich für 

den Anzeigenteil: 

Inge Spoerel 

Telefon + 49 (0) 89 203 53 66 22 

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Es gelten die Preise der Mediadaten 2013 

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Druck: 

Druckerei Chmielorz GmbH, 

Ostring 13, 

D-65205 Wiesbaden-Nordenstadt 

Gedruckt auf chlor- und 

säurefreiem Papier. 

Die atp wurde 1959 als „Regelungstechnische 

Praxis – rtp“ gegründet. 

DIV Deutscher Industrieverlag 

GmbH München 

Die Zeitschrift und alle in ihr enthaltenen 

Beiträge und Abbildungen sind urheberrechtlich 

geschützt. Mit Ausnahme der 

gesetzlich zugelassenen Fälle ist eine 

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Gemäß unserer Verpflichtung nach § 8 

Abs. 3 PresseG i. V. m. Art. 2 Abs. 1c DVO 

zum BayPresseG geben wir die Inhaber 

und Beteiligungsverhältnisse am Verlag 

wie folgt an: 

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Arnulfstraße 124, D-80636 München. 

Alleiniger Gesellschafter des Verlages 

ist die ACM-Unternehmensgruppe, 

Ostring 13, 

D-65205 Wiesbaden-Nordenstadt. 

ISSN 2190-4111 

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E-MAIL: 

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• Zertifiziert gemäß ATEX, IECEx, UL, AEx, 

BRex, GOST-R etc. 

Hochstrom-Reihenklemmen 

POWER CAGE CLAMP 

Die Federklemmtechnik: 

• Das größte Reihenklemmensystem 

von 0,14 – 95 mm 2 

• Für alle Leiterarten geeignet 

• CAGE CLAMP ® S-Direktstecktechnik – für 

eindrähtige Leiter und feindrähtige Leiter mit 

Aderendhülse 

• Großes Brückersystem für alle Anwendungen 

• Schnellstes und wirtschaftlichstes Beschriftungssystem 

• TOPJOB ® S: rüttelsicher, schnell und 

wartungsfrei 

Verbindungsdosenklemmen 

attenklemmen

Feldbusunabhängig 

in den Ex-Bereich! 

Ausgelegt für den Ex-Bereich: 

• Zugelassen für den Einsatz in Zone 2/22 

• Ex i I/O-Module zum Anschluss eigensicherer Sensorik/Aktorik 

• Zertifiziert gemäß ATEX, IECEx, UL ANSI/ISA 12.12.01, UL508, 

Schiffbau, GOST-R, etc. 

Safety meets Ex i: 

• Vereint in einem Modul: Funktionale Sicherheit und Explosionsschutz 

Kompakt, Flexibel & Modular: 

• Kleinste, feldbusunabhängige Steuerung (SPS) 

• Programmierbar gemäß IEC 61131-3 

• Über 400 verschiedene I/O-Module 

• Standard-I/O- und Ex i-Module kombinierbar 

• Einspeisungen verschiedener Potentiale in einem Knoten 

• Unterstützung der Fernwirkprotokolle IEC 60870 und IEC 61850 

CAGE CLAMP ® -Technologie: 

• Gasdichte Federklemmverbindung 

• Vibrationsfest und wartungsfrei 

• Hohe Anlagenverfügbarkeit und -zuverlässigkeit 

www.wago.com/ex

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