atp edition Plug und Prognose (Vorschau)

10 / 2012 

54. Jahrgang B3654 

Oldenbourg Industrieverlag 

Automatisierungstechnische Praxis 

Reifezeugnis für mechatronische 

Entwicklungsprozesse | 28 

Das Zeitverhalten 

verteilter Anlagen | 36 

Safety und Security für 

Feldbus-Anforderungen | 44 

Plug and Prognose | 52

Print wirkt 

„atp edition“ ist ein Printtitel auf höchster 

Qualitätsstufe und mit Nachhaltigkeit im 

Sinne wiederkehrender Nutzung. Der Titel 

erfüllt den selbstgestellten Anspruch eines 

anspruchsvollen und seriösen Magazins für 

Top-Entscheider zwischen Wissenschaft 

und Praxis konsequent. 

Entsprechend der journalistischen Konzeption 

ist Online hintenangestellt. Die Jury 

sah hier „die beispielhafte Umsetzung einer 

wissenschaftlich ausgerichteten Fachzeitschrift 

mit Magazincharakter“.

EDITORIAL 

Sicherheit und Zuverlässigkeit 

in automatisierten Prozessen 

Unsere Gesellschaft hängt in hohem Maße von der Funktion technischer Systeme 

ab. Das wird sich künftig durch die zunehmende intelligente Vernetzung, 

Stichwort Cyber-physikalische Systeme, noch deutlich verstärken. Daher 

kommt der Zuverlässigkeit der Systeme eine hohe Bedeutung zu. 

Kein technisches System ist absolut perfekt, das heißt, es weist Schwachstellen 

auf. Treffen Bedrohungen auf Schwachstellen, kann es zu einer Gefährdung für 

Mensch, Maschine und Umfeld kommen. Um die Gefährdung auf einem akzeptablen 

Niveau zu halten, müssen Maßnahmen zur Erhöhung der Zuverlässigkeit 

ergriffen werden. 

Was ist Zuverlässigkeit? Wir bezeichnen im umgangssprachlichen Wortlaut 

einen Menschen als zuverlässig, wenn man sich auf ihn verlassen kann. Die DIN 

40041 definiert Zuverlässigkeit als Fähigkeit eines technischen Systems für eine 

gegebene Zeitdauer den gestellten Anforderungen zu genügen. 

Die Beiträge der vorliegenden Ausgabe adressieren Aspekte an unterschiedlichen 

Stellen des Lebenszyklus automatisierter Prozesse, mit denen man die 

Zuverlässigkeit beeinflussen kann. 

Es beginnt in der Entwurfsphase. Gerade bei disziplinübergreifenden Entwicklungen 

sind gut definierte Prozesse eine Voraussetzung für ein zuverlässiges 

mechatronisches Produkt. Doch wie steht es um den Reifegrad dieser Prozesse? 

Oder um die Bewertung des Zeitverhalten eines Automatisierungssystems, 

insbesondere dann, wenn Produkte und Systeme unterschiedlicher Hersteller 

beteiligt sind? 

Für zuverlässige technische Systeme sind die Berücksichtigung der Informationssicherheit 

(Security) und der Funktionalen Sicherheit (Safety) unabdingbar. 

Dabei zeigen sich vielfältige Querbeziehungen zwischen diesen beiden nichtfunktionalen 

Eigenschaften, die aufgrund bisher getrennter Fachwelten noch 

nicht ausreichend adressiert werden. 

Keine Komponente oder kein Bauteil hat eine unendliche Lebensdauer. Um die 

Verfügbarkeit eines automatisierten Prozesses entsprechend den Anforderungen 

dennoch zu gewährleisten, besteht eine zuverlässigkeitserhöhende Maßnahme 

in der automatischen Überwachung und Fehlerdiagnose des Prozesses. 

Wie Sie sehen, sind sehr viele Facetten zu betrachten, bevor ein technisches 

System als verlässlich gilt. In diesem Zusammenhang sei auch auf den jüngst 

gegründeten VDI/VDE-GMA Arbeitskreis FA 6.15 hingewiesen, der sich mit dem 

zuverlässigen Betrieb Ethernet-basierter Bussysteme in der industriellen Automatisierung 

beschäftigt. Anwender sind eingeladen, hier ihre Erfahrungen und 

Anforderungen im Umgang mit Ethernet einzubringen! 

PROF. DR.-ING. 

JÜRGEN JASPERNEITE 

Institutsleiter Institut für 

industrielle Informationstechnik 

(inIT) der Hochschule OWL und 

Leiter Fraunhofer-Anwendungszentrum 

Industrial Automation 

(IOSB-INA), Lemgo 

atp edition 

10 / 2012 

3

INHALT 10 / 2012 

VERBAND 

8 | Grundsätze zur Prozessführung per Bildschirm 

DKE baut Kooperation mit Eurasien aus 

9 | Neuer Leitfaden zeigt Umsetzung funktionaler Sicherheit 

mit elektrotechnischen Elementen 

AALE zeichnet exzellente Abschlussarbeiten aus 

FORSCHUNG 

10 | Hohe Fördersummen für kosteneffiziente Planung von Inbetriebnahme 

an Lemgoer Modellfabrik 

Umfrage zu Produktionsarbeit der Zukunft gestartet 

11 | Radar: KIT und RUB schaffen Spitzenwert 

Master Energieeffizienz 

BRANCHE 

12 | Von der Handdrossel zum smarten Stellgerät – 

75. Namur-Hauptsitzung 2012 in Bad Neuenahr 

13 | „Integrated Industry“ ist Leitthema der HMI 2013 

Querschnittstechnologien für Ressourceneffizienz 

24 | Oberflächeninspektionen nutzen bei 

unterschiedlichen Anforderungen den Piezoeffekt 

4 


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PRAXIS 

14 | Wenn kapazitive Messtechnik versagt: 

Drehflügelmesser optimiert Müllverbrennungsprozess 

18 | Mit effizienter Steuerungs- und Antriebstechnik 

den Maschinenausstoß verdoppelt 

20 | Energiebus- und Anschluss-System für dezentrale Energieverteilung 

vereinfacht neue Förderstrecke 

HAUPTBEITRÄGE 

28 | Reifezeugnis für mechatronische Entwicklungsprozesse 

B. SPIEGELBERGER, M. BONETSMÜLLER, R. STETTER, B. KAUSLER 

36 | Das Zeitverhalten verteilter Anlagen 

S. SCHÄFER, U. BERGER, D. SCHÖTTKE, T. KÄMPFE 

44 | Safety und Security für Feldbus-Anforderungen 

F. WIECZOREK, F. SCHILLER 

52 | Plug and Prognose 

L. LIAO, Z. EDMONDSON, H. LUDWIG 

RUBRIKEN 

3 | Editorial 

62 | Impressum, Vorschau 


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5

PRAXIS 

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der Prozessautomatisierung ist komplett. 

6 


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VERBAND 

Grundsätze zur Prozessführung per Bildschirm 

Die VDI-/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik 

(GMA) hat eine neue Richtlinie über 

die Grundlagen zur Prozessführung mit Bildschirmen 

veröffentlicht. Moderne Anlagen zur Überwachung, 

Kontrolle und Steuerung von dynamischen Prozessen 

werden meist über ein Prozessleitsystem gesteuert, betont 

die GMA. Die neue Richtlinie VDI/VDE 3699 Blatt 2 

vermittle dementsprechend wesentliche Informationen 

der Prozessführung mit Bildschirmen. Die Einspruchsfrist 

endet am 31. Januar 2013. 

Aufgezeigt werden die Ziele der Prozessführung und 

die zehn Grundsätze der Mensch-Maschine-Schnittstelle. 

Daneben behandelt die Richtlinie die Organisation 

von Leitplätzen, Konzepte der Darstellung, Darstellungstechnik 

und erste Grundlagen der Bedienung. 

Die Richtlinie richtet sich an Unternehmen der chemischen 

und petrochemischen Verfahrenstechnik, Anlagen 

zur Dampferzeugung sowie verfahrenstechnische 

Anlagen in der Eisenhüttenindustrie, soweit keine besonderen 

Vorschriften für die genannten Anlagen oder 

Teilanlagen zu beachten sind. 

Die GMA betont, das Richtlinienblatt bilde eine Grundlage 

zum Verständnis und zur Anwendung der übrigen 

Blätter der Richtlinienreihe. Der Entwurf der Richtlinie 

VDI/VDE 3699 Blatt 2 „Prozessführung mit Bildschirmen 

– Grundlagen“ ist ab sofort in deutscher Sprache erhältlich, 

unter anderem unter www.vdi.de/richtlinien. gz 

WESENTLICHE INFORMATIONEN zur Prozessführung 

mit Bildschirmen vermittelt die neue Richtlinie der GMA. 

Bild: Scholz 

VDI/VDE – GESELLSCHAFT MESS- UND 

AUTOMATISIERUNGSTECHNIK (GMA) 

VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE E.V., 

VDI-Platz 1, D-40468 Düsseldorf, 

Tel. +49 (0) 211 6 21 40, Internet: www.vdi.de 

DKE baut Kooperation mit Eurasien aus 

DR.-ING. BERNHARD THIES 

Sprecher der DKE-Geschäftsführung: 

„Wir unterstützen schon seit Jahren 

Russland und Weißrussland bei den 

Themen Normung und Standardisierung 

und haben auch lang anhaltende, 

gute Beziehungen zu Kasachstan.“ 

Bild: DKE 

Die DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik 

Informationstechnik im DIN und VDE 

(VDE|DKE) intensiviert ihre Zusammenarbeit mit der 

entstehenden Eurasischen Zollunion bei Normung und 

Standardisierung. Bislang besteht die Zollunion aus 

Russland, Weißruss land und Kasachstan. Bald, so erläutert 

die VDE|DKE, soll sie um Kirgistan und Tadschikistan, 

eventuell auch um die Ukraine erweitert werden. 

Damit wäre sie ein Bindeglied zwischen Europa und der 

dynamischen Asien-Pazifik-Region. 

Der Raum der Eurasischen Union stellt nach Einschätzung 

des VDE insbesondere in den Bereichen Elektrizität, 

Energieversorgung und -übertragung sowie moderne 

Kommunikations- und Informationstechnologien einen 

wachsenden Zielmarkt dar. Daher verstärke man die 

Bemühungen, den neuen Technologien durch entsprechende 

Normen, die auch bei der Gesetzgebung berücksichtigt 

werden, den Weg zu bereiten. „Wir unterstützen 

schon seit Jahren Russland und Weißrussland bei den 

Themen Normung und Standardisierung und haben 

auch lang anhaltende, gute Beziehungen zu Kasachstan“, 

erläutert Dr.-Ing. Bernhard Thies, Sprecher der DKE- 

Geschäftsführung. 

Um das Entstehen eines einheitlichen Wirtschaftsraums 

zu ermöglichen, haben die Mitglieder der Zollunion 

darauf verzichtet, eigene souveräne Normen zu 

schaffen. Der VDE setzt sich dafür ein, dass Normung 

und Standardisierung mit der Zollunion direkt auf den 

internationalen Ebenen erfolgen, also in den internationalen 

Gremien der Elektrotechnik IEC (Internationale 

Elektrotechnische Kommission) und CENELEC (Europäisches 

Komitee für Elektrotechnische Normung). „Bilaterale 

Abkommen auf diesem Gebiet zwischen EU und 

der Zollunion wären in gewisser Weise ein Rückschritt, 

weil 80 Prozent der Normungsarbeit innerhalb der Elektrotechnik 

ohnehin international erfolgen. In der Elektrotechnik 

sind wir hier sehr weit im Gegensatz zu vielen 

anderen Bereichen“, konstatiert Dr.-Ing. Hans Heinz Zimmer, 

Vorstandsvorsitzender des VDE. 

Dem Ausbau der Beziehungen zwischen VDE|DKE 

und der Eurasischen Zollunion diente unter anderem 

jüngst der Besuch einer hochrangigen Delegation der 

Eurasischen Wirtschaftskommission bei der DKE. 

Zudem führte die VDE|DKE im Juni in Kooperation 

mit der Russischen Energie Agentur eine Konferenz 

zum Thema „Smart Grid – Normung und Praxis“ in 

Moskau durch. 

gz 

DKE DEUTSCHE KOMMISSION ELEKTROTECHNIK 

ELEKTRONIK INFORMATIONSTECHNIK IM DIN UND VDE, 

Stresemannallee 15, D-60596 Frankfurt am Main, 

Tel. +49 (0) 69 630 80, Internet: www.dke.de 

8 


10 / 2012

Neuer Leitfaden zeigt Umsetzung funktionaler 

Sicherheit mit elektrotechnischen Elementen 

Die wichtigste Aufgabenstellung an die Elektrotechnik 

bezüglich funktionaler Sicherheit ist die sicherheitsgerichtete 

Abschaltung eines Verbrauchers. Mit ihrer 

neuen Empfehlung NE 142 bietet die Namur (Interessensgemeinschaft 

von Automatisierungsanwendern in der 

Prozessindustrie) dem Anwender einen praxisgerechten 

Leitfaden, funktionale Sicherheit mit elektrotechnischen 

Elementen umzusetzen. Sie ersetzt nicht sicherheitstechnische 

Vorüberlegungen, wie Antworten auf die Frage zu 

finden, ob die sicherheitstechnische Anforderung ausschließlich 

mit elektrotechnischen Mitteln zu lösen ist 

oder ob es auch andere, vorzugsweise diversitäre Lösungsansätze 

gibt. 

Das Dokument beschreibt für die jeweilige SIL-Klassifizierung 

notwendige Auslegungs- und Gestaltungshinweise 

für elektrotechnische Elemente, wobei sich die Betrach- 

tungen im Wesentlichen auf die im Fehlerfall selbsttätig 

schaltenden Komponenten wie Schütze und Leistungsschalter 

konzentrieren. Die im Dokument aufgeführten 

Beispiele zielen darauf ab, möglichst elektrotechnische 

Standardkomponenten und -schaltungen (etwa Standard- 

Typicals für Einschubverteilungen) einzusetzen, welche 

jeweils mittels Adaptionen den unterschiedlichen Sicherheitsanforderungen 

SIL 1 bis SIL 3 genügen. Ausführlich 

wird auf die Nutzung bewährter Sicherheitsprinzipien 

und ebensolcher Elemente eingegangen. Die NE 142 ist bei 

der Namur-Geschäftsstelle erhältlich. 

gz 

NAMUR-GESCHÄFTSSTELLE, 

c/o Bayer Technology Services GmbH, 

Gebäude K 9, D-51368 Leverkusen 

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

AALE zeichnet exzellente Abschlussarbeiten aus 

Für die AALE Student Awards 2013 können noch 

Bewerbungen eingereicht werden. Herausragende 

Bachelor- und Master-Abschlussarbeiten von Hochschulabsolventen 

oder -absolventinnen werden dann auf der 

10. AALE-Konferenz am 28. Februar und 1. März 2013 in 

Stralsund mit den Preisen ausgezeichnet. 

Vergeben werden Preisgelder in Höhe von 1000 Euro 

für die beste Master-Arbeit und in Höhe von 500 Euro 

für die beste Bachelor-Arbeit. Sie werden gestiftet von 

Bayer Technology Services und Evonik Industries. Teilnahmeberechtigt 

sind alle Absolventen und Absolventinnen 

von Hochschulen der angewandten Wissenschaften, 

die eine Abschlussarbeit aus dem Gebiet Automation 

oder mit eindeutigem Bezug zur Automatisierungstechnik 

angefertigt haben. 

Die jeweils drei besten Abschlussarbeiten werden von 

einer Jury, die mit Fachleuten aus den Hochschulen und 

der Industrie besetzt ist, nominiert und deren Autoren 

nach Stralsund eingeladen. Dort stellen sie eine Kurzfassung 

ihrer Abschlussarbeiten im Plenum der AALE- 

Konferenz vor, bevor die Jury die Preisträger bekanntgibt. 

Eingereicht werden können die Arbeiten für den 

Award von den jeweiligen Hochschulbetreuern bis zum 

15. November 2012 in elektronischer Form im Konferenz- 

Management-System. Erforderlich sind eine Kurzfassung 

der Arbeit, eine Bewertung durch den Hochschulbetreuer 

und die Arbeit als PDF-Dokument. Weitere Informationen 

sind zu finden unter www.aale2013.fh-stralsund.de 

oder www.aale2013@fh-stralsund.de 

gz 

FACHHOCHSCHULE STRALSUND, 

Fachbereich Elektrotechnik und Informatik, 

Zur Schwedenschanze 15, D-18435 Stralsund, 

Tel. +49 (0) 38 31 455, Internet: www.aale2013.fh-stralsund 

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Präzision und 

Sicherheit in 

der Durchfluss- 

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PROJEKTLEITER Prof. 

Dr.-Ing. Oliver Niggemann 

und Projektkoordinatorin 

Natalia Moriz 

vom inIT wollen die 

neuen Methoden, 

Werkzeuge und 

Produkte direkt in der 

Lemgoer Modellfabrik 

testen. Bild: inIT 

FORSCHUNG 

Hohe Fördersummen für kosteneffiziente Planung 

von Inbetriebnahme an Lemgoer Modellfabrik 

Gute Nachrichten für die Automatisierungsforschung. 

Mit hohen Fördersummen wird das Forschungsprojekt 

„Entwurfsmethoden für Automatisierungssysteme 

mit Modellintegration und automatischer Variantenbewertung“ 

von Projektleiter Prof. Dr.-Ing. Oliver Niggemann 

und Prof. Dr.-Ing. Jürgen Jasperneite gefördert. 

Das Forschungsprojekt hat sich zum Ziel gesetzt, durch 

frühzeitige, detaillierte Entwürfe von Automatisierungssystemen 

Planung und Inbetriebnahme von Produktionsanlagen 

kosteneffizienter zu gestalten. Welche Anforderungen 

die Anwender an die jeweilige Anlage stellen, 

wird derzeit nur marginal erfasst. 

Unter dem Dach des Lemgoer Centrum Industrial IT 

(CIIT) entwickeln das Institut für industrielle Informationstechnik 

(inIT) der Hochschule Ostwestfalen-Lippe 

und das Fraunhofer-Anwendungszentrum Industrial 

Automation gemeinsam mit Projektpartnern wie Lenze 

Automation Methoden, prototypische Werkzeuge und 

Lösungen zur Kostensenkung bei der Entwicklung von 

komplexen Automatisierungssystemen. Gefördert wird 

das Vorhaben vom Bundesministerium für Bildung und 

Forschung (BMBF) mit insgesamt 1,2 Millionen Euro. 

Das Projekt setzt an der frühen Entwurfsphase an. 

„Durch Methoden, Werkzeuge und Lösungen sollen sich 

die Planungsphasen von Systemen verkürzen und zeitgleich 

effizienter werden. Beispielsweise durch die Automatisierung 

des Entwurfsprozesses“, erklärt Niggemann. 

Mithilfe einer Anforderungserfassung, durch 

Planungsunterstützungssysteme und durch eine virtuelle 

Systemintegration soll höhere Entwurfsqualität erzielt 

werden. Die umfangreiche Planung unter Berücksichtigung 

aller Ansprüche könnte beispielsweise den Energieverbrauch 

in Stillstandzeiten um bis zu 60 Prozent des 

Durchschnittsbedarfs verringern. „Gezielte Formulierungen 

von Anforderungen bestätigen oder widerlegen die 

Erwartung und Leistung der Systeme bereits frühzeitig“, 

so Projektkoordinatorin Natalia Moriz vom inIT. 

Der Startschuss für die Projektpartner Fraunhofer- 

Anwendungszentrum, inIT, die MIN-Fakultät der Universität 

Hamburg, Lenze, Leikon sowie Inpro ist jetzt 

gefallen. Die Förderung läuft über drei Jahre. Dabei 

werden neben der Entwicklungsarbeit auch die Methoden, 

Werkzeuge und Lösungen getestet. Dies geschieht 

vorwie gend in der im CIIT integrierten Lemgoer Modellfabrik 

der beiden Institute sowie beim Endanwender 

Lenze. 

Ziel der BMBF-Förderung ist die nachhaltige Stärkung 

der Wertschöpfungskette vom Entwurf über Systemintegration 

und Test der intelligenten Elektroniksysteme 

in den Anwendungsfeldern Geräte- und Anlagenbau 

und Medizintechnik. Dazu gehören die Entwicklung 

neuer Methoden und Produkte sowie der 

Aufbau strategischer Partnerschaften zwischen Wirtschaft 

und Wissenschaft. 

ahü 

CENTRUM INDUSTRIAL IT 

c/o Hochschule Ostwestfalen-Lippe 

Langenbruch 6, D-32657 Lemgo, 

Tel. +49 (0) 5261 702 59 79, Internet: www.ciit-owl.de 

Umfrage zu Produktionsarbeit der Zukunft gestartet 

Für eine Studie zur „Zukunft der Produktionsarbeit“ 

erhebt das Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft 

und Organisation IAO Informationen zu Voraussetzungen, 

Chancen und Herausforderungen für eine Produktion 

nach dem Industrie-4.0-Prinzip bei Entscheidern 

produzierender Unternehmen. Nach Mechanisierung, 

Industrialisierung und Automatisierung stellt der Paradigmenwechsel 

hin zu verstärkter Vernetzung intelligenter 

Produktionstechnik durch eingebettete Steuerungen 

die vierte industrielle Revolution dar. Das Fraunhofer- 

IAO erforscht den Faktor Mensch in der „Industrie 4.0“. 

Im sogenannten Internet der Dinge werden reale Produkte 

oder Produktionsverfahren mit dem Internet verbunden 

und können dadurch auf neue Weise mit Informationen 

angereichert und vernetzt werden. „CyberPhysische-Systeme“ 

(CPS) verbinden zukünftig die virtuelle 

Cyberwelt mit Objekten in der real-physischen Welt. 

Das können Maschinen und Anlagen, aber auch Produkte, 

Behälter oder Werkzeuge sein. Der dezentrale Einsatz 

vernetzter maschineller Intelligenz schafft vielfältige 

Möglichkeiten zur Steigerung der Produktivität. ahü 

FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR ARBEITSWIRTSCHAFT 

UND ORGANISATION IAO, 

Nobelstraße 12, D-70569 Stuttgart, 

Tel. +49 (0) 711 970 21 24, Internet: www.iao.fraunhofer.de 

ALLES DIGITAL? Das Stuttgarter 

Fraunhofer-Institut ermittelt 

die Chancen von Industrie 4.0. 

Bild: Fraunhofer IAO 

10 


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Radar: KIT und RUB 

schaffen Spitzenwert 

Wissenschaftler am Institut für Hochfrequenztechnik 

und Elektronik (IHE) des Karlsruher Instituts für 

Technologie (KIT) um Prof. Thomas Zwick und am Lehrstuhl 

für Integrierte Systeme der Ruhr-Universität Bochum 

(RUB) um Prof. Nils Pohl haben ein Radarsystem 

zur Abstandsmessung entwickelt und erfolgreich eingesetzt. 

Bei einem gemeinsamen Versuch im Juli dieses 

Jahres erreichten die Karlsruher und Bochumer Forscher 

mit einer Genauigkeit von einem Mikrometer einen neuen 

Rekordwert für Radarabstandsmessungen. 

Zur Messung setzen die Wissenschaftler ein Dauerstrichradar 

(FMCW-Radar – Frequency Modulated Continuous 

Wave Radar) ein, dessen Sender während der 

Dauer des Messvorgangs ununterbrochen arbeitet. Die 

RUB-Forscher entwickelten die Hardware, die Wissenschaftler 

des KIT die Algorithmik. Das Radarsystem mit 

speziellem Messaufbau erlaubt die mikrometergenaue 

Messung von Abständen bis zu mehreren Metern im Freiraum. 

Im Vergleich zu Lasersystemen sind diese kostengünstiger 

und bieten die Möglichkeit, absolute Positionen 

eindeutig zu messen. Durch den quasi unbegrenzten 

Eindeutigkeitsbereich ist das Radar dem Laser weit überlegen. 

Künftig soll das Radarsystem verschiedene Messaufgaben 

in der Produktions- und Anlagentechnik hochgenau, 

vielseitig und kostengünstig ausführen. sky 

KARLSRUHER INSTITUT FÜR TECHNOLOGIE (KIT), 

Kaiserstraße 12, D-76131 Karlsruhe 

Tel. +49 (0) 721 60 84 74 14, Internet: www.kit.edu 

Master Energieeffizienz 

Die Fachhochschule Brandenburg (FHB) bietet zum 

Wintersemester den neuen Studiengang „Energieeffizienz 

technischer Systeme“ an. Der Studiengang soll 

weiterbildende Kenntnisse auf dem Gebiet der Energieeffizienz 

vermitteln. Der Masterabschluss qualifiziert für 

vielfältige Aufgaben in Energie- und Umwelttechnik, 

Verkehrswesen, Verfahrenstechnik, Gebäudetechnik, 

Automatisierungstechnik sowie Informations- und Kommunikationstechnik. 

Aufbauend auf den Fachkenntnissen des jeweiligen 

Bachelorstudiums vertieft der interdisziplinäre Masterstudiengang 

durch einen systematischen Ansatz die 

Schwerpunkte der Energieeffizienz. In verschiedenen 

fachlichen Richtungen werden ausgewählte Problemstellungen, 

wie etwa Systeme der erneuerbaren Energien, 

Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz 

im System Bahn, der Systementwurf, die Gebäudeversorgungstechnik 

sowie Fragen der Automatisierung 

und Simulation technischer Systeme behandelt. Praktische 

Erfahrungen lassen sich in einem interdisziplinären 

Projekt sammeln, an das sich die Masterarbeit 

inhaltlich anschließt. 

ahü 

FACHHOCHSCHULE BRANDENBURG, 

Magdeburger Straße 50, D-14770 Brandenburg an der Havel, 

Tel. +49 (0) 3381 35 50, Internet: www.fh-brandenburg.de 

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10 / 2012 

11

BRANCHE 

Von der Handdrossel zum smarten Stellgerät – 

75. Namur-Hauptsitzung 2012 in Bad Neuenahr 

Bei der Automatisierung von verfahrenstechnischen 

Prozessen spielt neben der Prozessleittechnik und der 

Sensorik die Aktorik eine wichtige Rolle. Daher widmet die 

Namur ihre 75. Hauptsitzung diesem vielseitigen Thema. 

Die Veranstaltung wird am 8. und 9. November 2012 in 

Bad Neuenahr einen thematischen Bogen von den Anfängen 

der einfachen, mechanischen bis zur heutigen 

komplexen, smarten Aktorik mit Zukunftspotenzial für 

weitergehende prozesstechnische Aufgaben spannen. 

Zu den Arbeitspferden der Prozessautomatisierung gehören 

die Stellgeräte, die Stoffströme zur Regelung von 

Prozessgrößen wie beispielsweise Druck, Temperatur, 

Durchfluss und Füllstand beeinflussen. Gab es viele Jahrzehnte 

in der chemischen Industrie ausschließlich rein 

manuelle Bedienmöglichkeiten, so sind heutige Stell geräte 

eine ausbalancierte Kombination aus robuster Mechanik und 

intelligenter Funktion, bestehend aus optimierten mechanischen 

Komponenten und smarten Stellungsreglern. 

Mit mehr als 100 Jahren Erfahrung und hoher Fachkompetenz 

im Bereich der Stellgeräte-Aktorik sieht die Namur 

die Samson Group als idealen Partner für die diesjährige 

Hauptsitzung. Dr. Jörg Kiesbauer, im Vorstand der Samson 

AG für Forschung und Entwicklung verantwortlich, wird 

in seinem Plenarvortrag zunächst darauf eingehen, welche 

historische Entwicklung Stellgeräte durchlaufen haben. 

Heute ist ein Stellgerät eine Einheit aus Ventil, meist 

pneumatischem Antrieb und Anbaugeräten wie Stellungsregler 

oder Magnetventil. Durch Kombination ergibt sich 

ein modularer, aber auch komplexer Funktionsbaukasten, 

der durch Auslegung und geeignete Auswahl der Komponenten 

Lösungen für fast jede Anforderung liefert. 

Mit dem digitalen Stellungsregler konnten die Funktionen 

eines Stellgerätes erheblich erweitert werden. 

Hier stehen vor allem Diagnosefunktionen im Vordergrund. 

Diese sind mittlerweile so weit fortgeschritten, 

dass sich Stellgeräte heute je nach Aufgabenstellung als 

hochkomplexe mechatronische Einheiten präsentieren. 

Ursprünglich gingen die Entwicklungen zur Fehlerdiagnose 

der Stellgeräte von den Regelventilen aus. Inzwischen 

zeichnet sich auch ein Trend zur Fehlerdiagnose 

bei automatisierten Auf/Zu-Ventilen ab. Weit verbreitet 

ist hier bereits der Teilhubtest (Partial Stroke Test) beim 

Emergency-Shutdown-Ventil, bei dem in dieser Ausprä- 

MODERNE AKTORIK spielt 

für die Automatisierung 

verfahrenstechnischer 

Prozesse eine wichtige 

Rolle – und sie bestimmt 

thematisch die Namur- 

Hauptsitzung 

gung neben dem Magnetventil als Steuereinheit für die 

Sicherheitsabschaltung ein zusätzlicher Stellungsregler 

hauptsächlich als Diagnosegerät zum Einsatz kommt. 

Die Mittel der Diagnose ermöglichen heute die Klassifikation 

der Diagnoseergebnisse in Form von eindeutigen 

Statusmeldungen. Auch diese aktuellen Themen wird 

die diesjährige Hauptsitzung aufnehmen und von verschiedenen 

Seiten beleuchten. 

Dem Hauptvortrag des diesjährigen Partners Samson 

in der Plenarsitzung am Donnerstagvormittag folgen drei 

Beiträge aus der Namur, die Aspekte aus dem breiten 

Spektrum des Hauptvortrages aufgreifen und sich aus 

der Sicht der Anwender mit aktuellen Themen des Stellgeräte-Engineering, 

der Entwicklung der Gerätediagnose 

zum Informationsmanagement und der funktionalen 

Sicherheit befassen werden. 

Viele Workshop-Beiträge aus den Arbeitsfeldern der 

Namur, weitere Beiträge sowohl von Samson und als auch 

aus der Namur zum diesjährigen 

Schwerpunkthema Aktorik sowie ein 

interessantes Programm am Freitagvormittag 

mit dem Schwerpunkt „Integriertes 

Engineering“ versprechen, 

die Namur-Hauptsitzung zu einem außergewöhnlichen 

Automatisierungs- 

Event werden zu lassen. gz 

NAMUR-GESCHÄFTSSTELLE, 

c/o Bayer Technology Services GmbH, 

Gebäude K 9, D-51368 Leverkusen, 

Tel. +49 (0) 214 307 10 34, 

Internet: www.namur.de 

DR. JÖRG KIESBAUER, im 

Samson-Vorstand für Forschung 

und Entwicklung 

verantwortlich. Bilder: Samson 

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Seit über 100 Jahren setzt der Oldenbourg Industrieverlag mit dem Taschenbuch für Heizung + Klimatechnik – kurz Recknagel 

oder auch Recknagel-Sprenger genannt – den Maßstab für die Wissensvermittlung in der Heizungs-, Lüftungs- und Klima- 

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HERAUSGEBER: Hermann Recknagel, Eberhard Sprenger, Ernst-Rudolf Schramek 

Auflage 2013/14, ca. 1900 Seiten, Basisversion Print, 149,90 Euro 

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10 / 2012

„Integrated Industry“ ist 

Leitthema der HMI 2013 

Mit dem Leitthema „Integrated Industry“ rückt die 

Hannover Messe Industrie vom 8. bis 12. April 2013 

nach eigenen Angaben die zunehmende Vernetzung aller 

Bereiche der Industrie in den Mittelpunkt. „Integrated 

Industry“ beschreibe neben der technischen und elektronischen 

Vernetzung die Herausforderung an alle Teilbereiche 

der Industrie, unternehmens- und branchenübergreifend 

zusammenzuarbeiten. Kommunikationswege 

können so verkürzt und Zusammenarbeit effizienter 

werden. Die zunehmende Vernetzung ist unter dem 

Stichwort „Industrie 4.0“ Kernprojekt der Hightech- 

Strategie der deutschen Bundesregierung. Wirtschaftsexperten 

gehen davon aus, dass der Grad der Vernetzung 

der Industrie entscheidender Erfolgsfaktor im internationalen 

Wettbewerb der Unternehmen und der Volkswirtschaften 

sein wird. Mit Themen wie Embedded 

Systems und Smart Production stehen auf der Industrial 

Automation, einer Teilmesse der HMI 2013, integrierte 

Automatisierungsprozesse im Vordergrund. Anhand von 

intelligenten Produktionssystemen und -verfahren sowie 

der Realisierung und Koordination von vernetzten geografisch 

verteilten Produktionsstätten werde „Integrated 

Industry“ erlebbar. 

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Querschnittstechnologien 

für Ressourceneffizienz 

Klare Forderungen an die Verfahrenstechnik und Geowissenschaft 

stellt das Positionspapier „Aufbereitungstechnik“ 

der ProcessNet-Fachgruppen Zerkleinern/ 

Klassieren und Grenzflächenbestimmte Systeme und 

Mechanische Flüssigkeitsabtrennung. Die Verknappung, 

die Erschließung und Verarbeitung neuer Rohstoffe stellen 

besondere Anforderungen an die Verfahrenstechnik. 

Experten aus Industrie und Wissenschaft haben analysiert, 

wie sich die Rohstoffbasis verändert und welche 

angepassten Verfahren notwendig sind, um neue Quellen 

effizient zu nutzen. Eine entscheidende Rolle für den 

wirtschaftlichen Einsatz biotechnologischer Prozesse 

spielten außerdem Adsorption, Extraktion und Chromatographie 

sowie hybride Verfahren. 

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DECHEMA – GESELLSCHAFT FÜR CHEMISCHE TECHNIK 

UND BIOTECHNOLOGIE E.V., 

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

Tel. +49 (0) 69 756 40 

Internet: www.dechema.de 


6 / 2012 

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PRAXIS 

Wenn kapazitive Messtechnik versagt: 

Drehflügelmesser optimiert Müllverbrennungsprozess 

Quickborner Lösung kommt in deutsch-niederländischer Anlage zum effizienten Einsatz 

Der Drehflügelmesser MBA 200 gibt Informationen 

über die Füllstände im Rauchgasbunker der Recyclingfirma 

EVI Abfallverwertung B.V. & Co KG. Er kann 

als Voll- und Leermelder in dem feinen Restgut effizient 

eingesetzt werden. 

EVI PRODUZIERT GRENZÜBERSCHREITEND 

ENERGIE AUS MÜLLVERBRENNUNG 

Europa produziert jährlich 1,8 Milliarden Tonnen Abfall, 

von dem trotz eingeführter Recycling-Aktivitäten 

Tonnen an Restmüll übrigbleiben. Diese Reste bilden 

als wertvoller Brennstoff die Grundlage zur Energieerzeugung. 

Das niederländisch-deutsche Unternehmen 

EVI Abfallverwertung B.V. & Co KG nahe Coevorden 

und Emlichheim/Laar hat sich dies zur Aufgabe 

gemacht. Am Standort betreibt das Unternehmen eine 

Müllverbrennungsanlage: die „Europark Verbrennings 

Installatie“ (EVI). Insgesamt 365 000 Kilogramm pro 

Jahr an Gewerbe- und Haushaltsmüll verbrennt die 

gesamte Anlage und erreicht damit eine elektrische 

Leistung von 46 MVA el beziehungsweise eine thermische 

Leistung von 2 x 76 MW th . 

Die Anlage von EVI arbeitet grenzüberschreitend. 

Während die Verbrennungsanlage auf deutschem Gebiet 

steht, wird auf niederländischem Territorium mit der 

Turbine und dem Generator Elektrizität erzeugt. EVI produziert 

im Verbrennungsprozess Dampf, der als thermische 

Energie über einen Turbinenrotor an einen 70-Megawatt-Generator 

geleitet wird. Im Generator wird die 

Rotorenergie in elektrischen Strom mit einer Spannung 

von 10 000 Volt umgewandelt. Insgesamt deckt EVI mit 

seiner hergestellten Energie 0,4 Prozent des gesamten 

niederländischen Strombedarfs. 

KAPAZITIVE MESSTECHNIK FÜR 

FEINES FILTERGUT UNGEEIGNET 

Der wichtigste Teil nach der Energieerzeugung ist für 

den Betrieb eines solchen Unternehmens die Rauchgasreinigungsanlage 

(RRA). Schadstoffe, die bei der Müllverbrennung 

entstehen, werden hier aus dem Rauchgas 

entfernt. Additive wie Natriumbikarbonat und Hochofenkoks 

absorbieren Schwefeldioxid, Kohlenwasserstoffe 

und Schwermetalle im Reinigungsvorgang und neutralisieren 

sie. Anschließend wird das Rauchgas in eine 

Kammer durch Schlauchfilter geleitet, an denen die festen 

staubförmigen Partikel als Filterkuchen haften bleiben. 

Von Zeit zu Zeit wird dieser Filterkuchen mit Druckluft 

gereinigt. 

Im Filterbunker gibt es zwei Optionen: Im Normalfall 

wird das Material mittels einer Regelklappe dem 

Absorber erneut zugeführt, da die Additive mehrmals 

im Filtervorgang genutzt werden. Sammelt sich im 

Bunker jedoch zu viel Filtermaterial an, leitet eine 

Zellenradschleuse bestimmte Mengen direkt an die 

Produktsilos weiter. 

Für die Ermittlung des Füllstands im Bunker nutzte 

EVI bisher die kapazitive Messtechnik. Ein Problem 

für diese Messtechnik besteht im Unterdruck, der im 

DURCHGANG AM RAUCHGAS-BUNKER der Müllverbrennungsanlage. 

Hier kommt der Drehflügelmesser zum Einsatz. 

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10 / 2012

Auffangbunker herrscht. Das Material aus der Rauchgasreinigung 

ist extrem fein. Es fließt förmlich, besonders 

im warmen Zustand, und neigt daher leicht zu 

ungleicher Verteilung. 

Die Rauchgasasche verhält sich somit ähnlich wie 

Mehl. Geringe Mengen sind leicht und wirbeln stark auf. 

Große Mengen hingegen werden träge und setzen sich 

ab. Es entstehen Aufschüttungen, zwischen denen sich 

Krater und Leerräume bilden. Geschieht dies direkt am 

kapazitiven Sensor, entstehen Fehlsignale, die einen vollen 

oder leeren Bunker melden. Durch diese Fehlmessungen 

konnte der genaue Füllstand im Filterbunker 

nicht ermittelt werden. 

DREHFLÜGELANZEIGER GIBT FÜLLSTAND 

ZUVERLÄSSIG AN 

Für die speziellen Anforderungen in der Messung der 

Rauchgasrückstände hat EVI eine Lösung gesucht, die 

trotz des feinen Guts zuverlässig den Füllstand anzeigt. 

Der Betreiber entschied sich für den Drehflügelanzeiger 

MBA 200 von der MBA Instruments GmbH 

aus Quickborn. Hauptvorteil des Drehflügelanzeigers ist 

Feldbusunabhängig 

in den Ex-Bereich! 

Das WAGO-I/O-SYSTEM 750 ist sowohl für den Einsatz in nicht 

explosionsgefährdeten als auch in explosionsgefährdeten Bereichen der 

Industrie und des Bergbaus ausgelegt. 

Im industriellen Ex-Bereich kann das WAGO-I/O-SYSTEM 750 in der 

Zone 2 / 22 eingesetzt werden und bietet eine sichere, einfache und 

wirtschaftliche Verbindung zur Sensorik und Aktorik der Zone 

0 / 20 und 1 / 21. 

Die hierfür entwickelten Ex i Busmodule bilden hierbei ein eigensicheres 

Segment, das integriert in einen Standardbusknoten dem Anwender 

sämtliche Vorzüge moderner Feldbustechnik bietet: Feldbusunabhängigkeit, 

Flexibilität, Modularität, IEC 61131-3 Programm ierbarkeit, Zuverlässigkeit, 

Wirtschaftlichkeit, etc. 

Zur Verfügung stehen die Ex i Busmodule: Digital Eingang NAMUR, Digital 

Ausgang, Analog Eingang 4-20mA, Analog Eingang 4-20mA HART, 

Analog Eingang RTD, Analog Eingang TC, Analog Ausgang 0-20mA und 

die Ex i Einspeisung 1,0A. 

Zertifiziert nach ATEX, IEC-EX, UL ANSI/ISA 12.12.01, UL 508 und 

Schiffbau (u.a. GL, LR). 

die Einsatzmöglichkeit als Voll- und Leermelder in fast 

allen Schüttgütern. Als Vollmelder verhindert das Gerät 

das Überlaufen des Bunkers auch dann, wenn Störungen 

wie Spannungsausfall oder Drahtbruch in der Zuleitung 

auftreten. Mit der Laufüberwachung wird die Rotation 

der Welle direkt gemessen: Wenn sich die Welle nicht 

mehr dreht und gleichzeitig keine Vollmeldung ansteht, 

dann wird eine Störung am Gerät angezeigt und gleichzeitig 

ein Voll-Signal erzeugt, das die weitere Befüllung 

des Silos stoppt. So wird eine Überfüllung des Silos oder 

Bunkers verhindert. Eine grüne Betriebskontrollleuchte 

zeigt die Funktion des MBA 200 permanent an. 

Das Gerät besitzt einen großen Klemmenraum für den 

Anschluss der Kabel und einen drehbaren Gerätekopf 

zur exakten Ausrichtung nach der Montage. Entsprechend 

der speziellen Prozessbedingungen hat EVI den 

MBA 200 für höhere Temperaturen bis 200° Celsius gewählt. 

Je nach Material lassen sich unterschiedliche 

Wellen und Flügel nutzen. 

Da es sich bei dem Material in der Verbrennungsinstallation 

um extrem feines Pulver handelt, hat EVI sich 

für den einseitigen Flügel entschieden. Bei waagerechwww.wago.com 


10 / 2012 

15

PRAXIS 

IM RAUCHGASBUNKER der Müllverbrennungsanlage 

kommt der Drehflügelmesser zum Einsatz. 

DIE MÜLLVERBRENNUNGSANLAGE „Europark Verbrennings Installatie“ (EVI) 

an der deutsch-niederländischen Grenze. 

tem Einbau entsteht so eine größere Kraftübertragung 

beim Schaltvorgang für das Signal, wenn der Flügel in 

das feine Pulver eintaucht. 

Auch wirtschaftlich ist die exakte Messtechnik mittels 

Drehflügel von Vorteil. Die im Reinigungsprozess zugegebenen 

Absorbentien richten sich nach der Beschaffenheit 

des Rauchgases. „Bei der alten Messtechnik war oft 

nicht eindeutig klar, ob das Produkt abgefördert werden 

musste. Auf längere Zeit sind solche mutmaßlichen Entscheidungen 

wirtschaftlich untragbar“, sagt Maik Lübbermann, 

Leiter Instandhaltung bei EVI und fügt hinzu: 

„Aufgrund der Laufüberwachung des Drehflügelmelders 

im Bunker erhält die Leittechnik gesicherte Signale, wodurch 

die Abförderung im Filterbunker jetzt optimiert 

und damit effizient abläuft.“ 

Insgesamt hat die deutsch-niederländische Müllverbrennungsanlage 

25 Sensoren von MBA Instruments 

bezogen. In den vier Filterkammern werden 24 Geräte 

eingesetzt, wobei pro Kammer sechs Geräte messen. Diese 

sind eingeteilt nach MIN, MAX 1, was einem Voralarm 

entspricht, und MAX 2, was „Bunker voll“ bedeutet. 

Zusätzlich hat EVI ein Gerät als Reserve eingelagert. 

Das Unternehmen hat sich für Geräte in 24-Volt-Version 

entschieden. 

AUTOR 

MBA Instruments GmbH, 

Friedrich-List-Straße 3–7, 

D-25451 Quickborn, 

Tel. +49 (0) 4106 123 88 80, 

E-Mail: info@mba-instruments.de 

HANS-HEINRICH WESTPHAL 

ist als Geschäftsführer bei 

der MBA Instruments GmbH 

tätig. 

16 


10 / 2012

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Oldenbourg Industrieverlag oder vom Vulkan-Verlag □ per Post, □ per Telefon, □ per Telefax, □ per E-Mail, □ nicht über interessante, fachspezifi sche Medien- und Informationsangebote informiert und beworben werde. Diese Erklärung kann ich mit Wirkung für 

die Zukunft jederzeit widerrufen.

PRAXIS 

Mit effizienter Steuerungs- und Antriebstechnik 

den Maschinenausstoß verdoppelt 

Wöhler-Brush-Tech-Anlagen zur Bürstenherstellung erzielen mit B&R-Technik Spitzenleistungen 

Moderne Steuerungs- und Antriebstechnik unterstützt 

die Wöhler Brush Tech GmbH nachhaltig in ihrem 

Erfolg. Der Spezialist für halbautomatische und vollautomatische 

Maschinen zur Herstellung technischer Bürsten 

vermeldete jüngst mehrere Weltbestleistungen seiner 

Streifenbürsten maschine SBM92. 

Bis zu 40 Meter Streifenbürsten pro Minute lassen sich 

auf der Bürstenmaschine SBM92 vollautomatisch produzieren. 

Sie ist damit nach Angaben des Herstellers die 

schnellste Streifenbürstenmaschine der Welt. Vor nicht 

einmal zehn Jahren war bereits bei etwa 10 Metern pro 

Minute das Maximum erreicht. „Es ist uns seit dem immer 

wieder gelungen, den Durchsatz stufenweise anzuheben“, 

erläutert Rudolf Brenken, langjähriger Geschäftsführer 

der Wöhler Brush Tech GmbH. „Zuletzt haben wir 

den Maschinenausstoß sogar verdoppelt. B&R und die 

Steuerungs- und Antriebstechnik des Unternehmens 

haben dabei eine entscheidende Rolle gespielt.“ 

100 STATT 70 SCHNITTE DANK NEUEM ANTRIEB 

So konnte die Produktionsleistung des Abschneidmoduls, 

mit dem die Streifen auf die gewünschte Länge 

gebracht werden, durch den Austausch technisch weniger 

leistungsfähiger Servoantriebe gegen entsprechende 

B&R-Lösungen von 70 auf 100 Schnitte pro Minute gesteigert 

werden. „Mehr ließ die Mechanik nicht mehr zu. 

Die zu bewegende Masse des nach dem Prinzip der fliegenden 

Säge arbeitenden Systems war dafür schlicht zu 

groß“, erläutert der Manager. „Damit wollten wir uns 

nicht zufrieden geben und haben uns auf die Suche 

40 METER STREIFENBÜRSTEN 

pro Minute lassen sich auf der 

Bürstenmaschine SBM92 

vollautomatisch produzieren. 

ÜBER DEN TOUCH SCREEN der Maschinensteuerung 

– ein Power Panel von B&R – kann der Anwender die 

Nutform sowohl direkt am Bildschirm als auch über 

den Aufruf eines neuen Rezepts ändern. 

Bilder: Wöhler Brush Tech 

18 


10 / 2012

nach neuen Ansätzen gemacht. Dabei haben wir uns 

deutliche Verbesserungen zum Ziel gesetzt.“ 

Thorsten Schumacher, Leiter der Konstruktionsabteilung 

von Wöhler entwickelte daraufhin das MSA 30 

für den Einsatz in Streifenbürstenmaschinen. Dieses 

Schneidaggregat kann bis zu 500 Schnitte pro Minute 

durchführen und setzt damit Wöhler zufolge einen neuen 

Geschwindigkeitsrekord. Das Herzstück des Moduls 

bilden drei, von zwei B&R-Motoren angetriebene, rotierende 

Messer. Sie schneiden bis zu 15 mm starke Streifenbürsten 

ab und drücken die Enden dabei gleichzeitig 

so zusammen, dass der Bürstenbesatz nicht aus dem 

Profil rutschen kann. Die Ansteuerung der Motoren erfolgt 

mit Umrichtern aus der B&R-Acoposmulti-Familie 

in Kombination mit einer Kurvensteuerung. 

DIE NUTFORM VIA TOUCHSCREEN ÄNDERN 

Geräte aus dieser Serie sind auch an einem weiteren Rekord 

beteiligt: Sie treiben den Motor der von Wöhler 

ebenfalls neu entwickelten Nutvorrichtung Nut 10 an, 

die inline bis zu 70 Fenster pro Minute in den Bürstenbesatz 

stanzt und so für die typischen Aussparungen im 

Besatz von Staubsaugerbürsten sorgt. „Ein Novum ist, 

dass die Nutform vom Anwender über den Touchscreen 

der Maschinensteuerung Power Panel von B&R sowohl 

direkt am Bildschirm als auch über den Aufruf eines 

neuen Rezepts geändert werden kann“, sagt Wöhler- 

Geschäftsführer Brenken. 

Von den Vorteilen einer frei programmierbaren Highspeed-Nutvorrichtung 

war auch der deutsche Auftraggeber 

der Maschine begeistert, wie Konstruktionsleiter 

Schumacher berichtet: „Die von uns im Vorfeld garantierte 

Produktionsgeschwindigkeit konnten wir mit tatkräftiger 

Unterstützung von B&R zur Überraschung des 

Auftraggebers noch übertreffen.“ 

MEHRERE ARBEITSSCHRITTE VEREINIGT 

Bis es soweit war, gab es aber einige Hürden zu nehmen, 

berichtet Konstruktionschef Schumacher: „Zwischen 

Steuerung und Antrieben müssen große Datenmengen 

übertragen werden. Eine Ursache ist, dass die Maschine 

mit zwei Nutvorrichtungen ausgestattet ist, die online 

mit dem Nutmuster versorgt werden müssen. Zudem 

müssen vier Servoachsen – jeweils eine Achse pro Nutvorrichtung, 

die Servoachse des Sortierers und die Servoachse 

des MSA – einer virtuellen Masterachse synchron 

folgen. Dabei muss eine Zykluszeit von einer Millisekunde 

erreicht werden.“ Wöhler hat diese Anforderung 

mit einer Kombination aus einem Power Panel und 

dem Bussystem Powerlink erfüllt und damit mehrere 

Arbeitsschritte auf einer Maschine vereinigen sowie den 

Durchsatz verdoppeln können. 

Neben der Möglichkeit, die Antriebe über Powerlink 

an die Steuerung anzubinden, nutzt Wöhler erstmals die 

B&R-I/O-Module des X20-Systems zur Einbindung weiterer 

Maschinenmodule in die Automatisierungsarchitektur. 

Dazu gehört ein laserbasiertes Besatzmesssystem, 

dessen hochgenaue Messergebnisse auf dem Touchscreen 

der Maschinensteuerung live angezeigt und zur Regelung 

des Sortierers genutzt werden. 

„Die Automatisierungsarchitektur der SBM92 setzen 

wir aber nicht durchgängig in all unseren Maschinen 

ein“, stellt Rudolf Brenken klar. „Bei halbautomatischen 

beziehungsweise einfacheren, weniger anspruchsvollen 

Maschinen bevorzugen wir CAN in Verbindung mit kleineren 

Geräten der Power-Panel-Familie. Die Skalierbarkeit 

der B&R-Lösung sowie das große Produktspektrum 

waren schon vor fast zehn Jahren entscheidende Argumente, 

warum wir uns für B&R entschieden haben.“ 

KLARE VISUALISIERUNG FÜR DEN BEDIENER 

Kunden leisten sich heute keine längeren Entwicklungszeiten 

mehr. „Üblich sind Durchlaufzeiten von zirka 

einem halben Jahr“, verrät Rudolf Brenken. Unkonventionelles, 

lösungsorientiertes Denken und Handeln beweist 

der Maschinenbauer auch hier: „Es macht dem 

Ertragsgesetz nach keinen Sinn, jeden Fehler, der vom 

Maschinenbediener schnell selbst behoben werden kann 

und der kaum Folgen nach sich zieht, mit großem technischen 

und personellen Entwicklungsaufwand beheben 

zu wollen. Dies würde nur die Kosten unvertretbar erhöhen 

und die Lieferzeit verlängern“, erläutert Konstruktionsleiter 

Thorsten Schumacher. „Entscheidend ist vielmehr, 

dafür zu sorgen, dass sich der Fehler vom Maschinenbediener 

schnell beheben lässt und keine Experten 

hinzugezogen werden müssen.“ 

Das Unternehmen setzt auf die Stärken einer Visualisierung, 

die den Bediener mit verständlichen Fehlerinformationen 

und klaren Anleitungen zur Problembehebung 

befähigt. Kann der Bediener oder das Wartungspersonal 

vor Ort einen Fehler trotzdem nicht lösen, 

leisten die Spezialisten von Wöhler via Fernwartungszugriff 

Hilfestellung. 

AUTOR 

MARTIN STEINBACH ist 

Vertriebsingenieur bei B&R 

mit eigenem Vertriebsbüro 

in Hagen/Westfalen. 

B&R Industrie-Elektronik GmbH, 

Norsk-Data-Straße 3, 

D-61352 Bad Homburg, 

Tel. +49 (0) 2331 95 21 00, 

E-Mail: martin.steinbach@br-automation.com 


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PRAXIS 

Energiebus- und Anschluss-System für dezentrale 

Energieverteilung vereinfacht neue Förderstrecke 

Gesamtes Logistikzentrum von Geberit wurde mit einer 2-Leitungs-Lösung automatisiert 

Mit einem modernen Antriebskonzept konnte der 

Sanitärtechnikhersteller Geberit die Lagerlogistik 

in seinem Produktionswerk in der Schweiz wesentlich 

ein facher und schneller aufbauen als ursprünglich 

veranschlagt. Die Kombination aus einem dezentralen 

Antriebssystem von MSF-Vathauer Antriebstechnik mit 

dem „Field-Power“-Energiebus- und Anschlusssystem 

von Weidmüller erlaubte es, mit drei modular aufgebauten 

Schaltschränken mit 1,20 m Breite und 3 km Leitung 

auszukommen. Die erste Planung hatte noch 12 m Schaltschrank 

und rund 36 km Kabel vorgesehen. Die gesamte 

Installationszeit wurde gegenüber der Ursprungsplanung 

halbiert. 

Die im Jahr 1874 gegründete Firma Geberit gehört zu 

den führenden Unternehmen in der europäischen Sanitärtechnik. 

Die Geberit-Gruppe will ihre Fertigware 

nicht mehr im schweizerischen Werk Jona bei Rapperswil 

einlagern, sondern per Lastwagen direkt in ein 

Zentrallager im deutschen Pfullendorf transportieren. 

Dazu erweitert Geberit den Standort Jona mit einem 

Anbau, in dem ein fahrerloses Transportsystem die 

palettierte Fertigware aus der Produktion zweilagig 

auf einen Kettenförderer ausgibt. 

AUS DER FERTIGUNG DIREKT ZUR LKW-VERLADUNG 

Ein Entstapler vereinzelt die Transporteinheiten und 

übergibt sie über einen Lift an eine an der Decke befestigte 

Förderstrecke. Am Ende dieser Strecke gelangen die 

Transporteinheiten über einen Lift in einen außerhalb 

des Gebäudes angebauten horizontalen Förderkanal. 

Nach dem Förderkanal werden die Paletten wieder zweilagig 

gestapelt. Ein Teil der Transporteinheiten gelangt 

auf direktem Weg über eine Kettenförderstrecke zu einem 

weiteren Stapler. Dort werden optimale Stapeleinheiten 

für die maximale Höhe eines Lkw-Aufliegers erstellt. 

Anschließend gelangen sie in den Bereitstellungsraum 

zum Verladen auf die Lastwagen. Ein anderer Teil 

der Transporteinheiten wird im Pufferlager zwischengelagert, 

sie stehen dort für die Erstellung optimaler Stapeleinheiten 

zur Verfügung. 

Für die Lösung dieser Logistikaufgabe zeichneten die 

Först-Unternehmensgruppe, MSF-Vathauer Antriebstechnik 

sowie deren Schweizer Importeur Referenz Tech nik 

AG verantwortlich. Zum Einsatz kommen dort Lagerhaltungssoftware 

von Först und dezentrale Antriebssysteme 

von MSF-Vathauer Antriebstechnik auf Basis des Field- 

Power-Systems von Weidmüller. Dieses Energiebus- und 

Anschluss-System für die dezen trale Energieverteilung 

bildet die modulare Basis der MSF-Vathauer-Antriebe 

sowie Frequenzumrichter. Es ist für Antriebskonzepte in 

der dezentralen Automation konzipiert. 

ÜBER EINE NEU ERRICHTETE FÖRDERSTRECKE transportiert 

Geberit im Schweizer Werk Jona die fertigen Produkte direkt zur 

Lkw-Verladung. 

EINE EINHEIT IM FELD REICHT AUS 

FieldPower basiert auf ungeschnittenen handelsüblichen 

Rund- und/oder Flachleitungen. Das Energiebussystem 

mit neuem Anschlusskonzept lässt sich überall 

dort einsetzen, wo Energie über weite Strecken verteilt 

werden soll. MSF-Vathauer Antriebstechnik integriert 

20 


10 / 2012

Technik steht 

hoch im Kurs ? 

als Systempartner seine Motorstarter- und Frequenzumrichter 

komplett in dieses Konzept, indem die MSF- 

Vathauer-Geräte einfach auf die FieldPower-Box aufgesteckt 

werden. Via vorkonfektionierter Leitung erfolgt 

der Anschluss zum Motor. 

Der Vorteil dieses Konzepts: Der Anwender muss nur 

eine Einheit im Feld montieren. Außerdem ist er in der 

Motorauswahl frei und herstellerunabhängig. Das System 

ist multifunktional, rationell, ökonomisch und flexibel 

ausgelegt. Entlang der 200 m langen Gesamtförderanlage 

kommen Mono- und Duo-Switch-FieldPower-Geräte von 

MSF-Vathauer mit AS-i-Anschluss zum Einsatz. AS-Interface 

ist als Standard für die Feldbus-Kommunikation 

zum Anschluss von Aktoren und Sensoren entwickelt 

worden – beschrieben nach EN 50295 und IEC 62026-2. 

90 PROZENT WENIGER KABEL BENÖTIGT 

Drei modular aufgebaute Steuerschränke mit einer Breite 

von 1,20 m speisen, verteilt auf die gesamte Anlage, 

den AS-Interface-Bus sowie die komplette Leistung über 

die flexible Stromschiene FieldPower ein. Entgegen der 

ursprünglichen Planung mit 12 m Schaltschrank und 

zirka 36 km Kabel reduzierte man den Komponenteneinsatz 

so weit, das nun zirka 90 integrierte Motoranschaltungen 

Mono- und Duo-Switch-FieldPower sowie nur 

3 km Leitung zur Automatisierung des Logistikzentrums 

ausreichen. Somit gelang es, das gesamte Logistikzentrum 

mit einer 2-Leitungs-Lösung – AS-Interface und 

Energieeinspeisung – zu automatisieren. 

Die Anschlüsse der Sensoren wurden mit Standardleitungen 

direkt an den Motorstartern durchgeführt. Es 

wurden weniger AS-i-Feldverteiler benötigt und die Installationszeit 

reduzierte sich. Durch die einfache und 

sehr schnelle Montage der Energieverteilung sowie die 

schnelle Installation aller Motoranschaltungen und Sensoren 

konnte die gesamte Installationszeit um 50 Prozent 

reduziert werden – bei einigen Anlagenmodulen sogar 

bis zu 70 Prozent. 

REIBUNGSLOSER KOMPONENTENAUSTAUSCH 

Durch das modulare Energiebussystem sowie die auf 

die FieldPower-Box aufsteckbaren Motorstarter steht ein 

frei kombinierbarer Systembaukasten zur Verfügung. 

Die Verteilung der Energie erfolgt dezentral über die ungeschnittenen 

5-poligen Energieleitungen. Der Abgriff 

geschieht idealerweise verbrauchernah an jeder beliebigen 

Stelle in der Anlage. Dazu wird die FieldPower-Box 

direkt vor Ort montiert und die ungeschnittene Energieleitung 

eingelegt. Der sichere und zuverlässige Kontakt 

zur ungeschnittenen Energieleitung ist über die IDC- 

Kontakttechnologie (Insulation Displacement Connection) 

hergestellt. 

Auf dieses Basismodul steckt der Monteur wahlweise 

einen Motorstarter Mono- oder Duo-Switch beziehungsweise 

Mono-Soft- oder Duo-Soft-Switch oder Frequenzumrichter 

Vector auf. Somit lassen sich alle Antriebe 

optimal an die jeweilige Applikation anpassen. Eine 

konsequente Standardisierung aller Anschlüsse ermög- 

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Unit für alle Fragen zum Thema Explosionsschutz. Dabei zeigen Sie sich mit Ihrer 

Expertise verantwortlich für die Prüfung, Bewertung und Freigabe der bereits 

projektierten Kunden- und Fertigungsaufträge. Sie erstellen Konformitätserklärungen 

anhand von Bewertungsunterlagen und beraten die Entwicklungsteams 

beim Ex-technischen Design und der Ex-technischen Auslegung von Produkten 

und deren Fertigung. Gegebenenfalls übernehmen Sie auch die Leitung von 

Entwicklungsteams für die Entwicklung von kundenspezifi schen Lösungen. Sie 

berechnen und überprüfen die in den Normen genannten Grenzbedingungen 

für Produkte und die Betreuung deren Zertifi zierung in Zusammenarbeit mit 

nationalen und internationalen Zulassungsstellen. 

Für diese anspruchsvolle Tätigkeit erwarten wir ein abgeschlossenes Studium 

der Fachrichtung Elektrotechnik, Maschinenbau oder Physikalischen Technik. Des 

Weiteren sollten Sie bereits erste Berufserfahrung im Bereich Explosionsschutz 

und Kenntnisse in den relevanten Normen (zum Beispiel ATEX, IEC, FM, CSA 

etc.) vorweisen können. Aufgrund der internationalen Ausrichtung unseres 

Unternehmens sind gute Englischkenntnisse von Vorteil. Persönlich überzeugen 

Sie uns durch Ihre Organisationskompetenz, Ihre zielorientierte Arbeitsweise und 

Ihre Eigeninitiative. 

Mehr Informationen, mehr Jobs, einfach bewerben: 

www.phoenixcontact.de/jobs 


10 / 2012 

21

PRAXIS 

DEZENTRALE ANTRIEBSTECHNIK und das FieldPower- 

Energiebus- und Anschlusssystem reduzierten für 

Geberit den Aufwand der neuen Lagerlogistik erheblich. 

ENTLANG DER 200 M LANGEN Gesamtförderanlage 

kommen Mono- und Duo-Switch-FieldPower-Geräte 

von MSF-Vathauer mit AS-i-Anschluss zum Einsatz. 

Bilder: Weidmüller 

licht zu jeder Zeit einen reibungslosen Austausch der 

Komponenten. 

Das Projektierungstool NetCalc unterstützte die Anlagenplanung 

bei Geberit und sorgte dafür, dass die integrierte 

und flexible Antriebslösung schnell in Betrieb 

genommen werden konnte. NetCalc steht für eine effiziente 

Planung von Energieverteilungen in Linien- und 

Baumstrukturen. Anwender nutzen das Tool für eine 

schnelle und übersichtliche Darstellung von Spannungsfall 

und Leitungsauslastung. Der Grafikeditor unterstützt 

die Erstellung von Linien-, Baum- und vermaschten Netzwerkstrukturen. 

Auswahlbibliotheken für Antriebssteuerungen 

berücksichtigen den realen Lastbedarf, die Einspeisungen 

und Schutzorgane können anlagenspezifisch 

ausgewählt und dimensioniert werden. Bereits während 

der Eingabe werden die Kenngrößen Spannungsfall und 

Strombelastung berechnet und mit einem grün-gelb-roten 

Farbumschlag auf den projektierten Leitungen signalisiert. 

Projektiert werden AC-Netzwerke mit symmetrischen und 

unsymmetrischen Lasten, sowie DC-Netzwerke. 

Eine besondere Variante dieser innovativen Antriebslösung 

ist der integrierte Frequenzumrichter Vector Field- 

Power – eine kompakte dezentrale Einheit für Energieverteilung 

und Motorsteuerung. Durch die genormte Kommunikations-Schnittstelle 

RS 232 mit M12-Stecker steht ein 

schneller und effizienter Zugang für die Parametrierung 

des Frequenzumrichters zur Verfügung. Die Parametrierung 

erfolgt mithilfe einer PC-Parametriersoftware. 

AUTOR 

ULRICH TRAPP ist bei 

Weidmüller als 

Produkt manager 

FieldPower-Systeme 

in Detmold tätig. 

Weidmüller GmbH & Co. KG, 

Ohmstraße 9, D-32758 Detmold, 

Tel. +49 (0) 52 31 142 80, 

E-Mail: ulrich.trapp@weidmueller.de 

22 


10 / 2012

Sprechstunde 

3. Explosionsschutz-Sprechstunde 

Explosionsschutz 

14. + 15.11.2012, Mannheim, Pepperl+Fuchs GmbH 

www.explosionsschutz-sprechstunde.de 

§ 12 

BetrSichV 

Programm 

Moderation: Dr. Andreas Hildebrandt, 

Pepperl+Fuchs GmbH 

Wann und Wo? 

Typische Fehler bei unterschiedlichen 

Zündschutzarten 

Der korrekte Nachweis der Eigensicherheit 

Fachgerechte Reparatur und Prüfung von 

explosionsgeschützten Betriebsmitteln 

Anforderungen an die funktionale Sicherheit 

beim Explosionsschutz 

Referenten 

Wolfgang Gohm 

Extronic Gohm Consulting 

Dr. Andreas Hildebrandt, Gerhard Jung, 

Michael Wenglorz, Thomas Westers 


Stefanie Klein 

DSM Nutritional Products, Grenzach-Wyhlen 

Arnold Staedel 

TÜV SÜD Industrie Service GmbH – Niederlassung Nürnberg 

Reinhard Wilkens 

PTB 

Dr. Michael Wittler 

Dekra Exam 

Fragen Sie! 

Die Explosionsschutz-Sprechstunde gibt Ihnen ausreichend 

Gelegenheit, Ihre individuellen Fragen zu stellen und offen 

mit den praxiserfahrenen Referenten zu diskutieren. 

Stellen Sie Ihre Fragen rechtzeitig unter 

www.explosionsschutz-sprechstunde.de. 

Termin 

Mittwoch, 14.11.2012 

Veranstaltung (11:30 – 17:30 Uhr) 

„Get-Together“ mit Abendessen (ab 18:30 Uhr) 

Donnerstag, 15.11.2012 


Ort 

Mannheim, Pepperl+Fuchs GmbH 

Thema 

Installation und Betrieb 

explosionsgeschützter Anlagen 

Teilnahmegebühr 

atp edition-Abonnenten 

Firmenempfehlung 

540 € zzgl. MwSt 


reguläre Teilnahmegebühr 690 € zzgl. MwSt 

Frühbucherrabatt 100 € 

auf alle Tarife bei Anmeldung bis 28.10.2012 

Studenten (Universität, Fachhoch-/Duale Hochschule) 

nehmen gratis teil 

(Vorlage des Studentenausweises bei der Anmeldung) 

Im Preis enthalten sind die Tagungsunterlagen 

sowie das Catering (Kaffee, 2x Mittagsimbiss, 

„Get-Together“ mit Abendessen). 

Veranstalter 

Weitere Informationen und Online-Anmeldung unter 

www.explosionsschutz-sprechstunde.de 

Fax-Anmeldung: +49 (0) 89 45051-207 oder Online-Anmeldung: www.explosionsschutz-sprechstunde.de 

Ich habe die atp edition abonniert 

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

Vorname Nachname 

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E-Mail 

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Ihre freiwilligen Angaben werden zusammen mit den für die Vertragsabwicklung erforderlichen Daten von uns und der Unternehmensgruppe, unseren Dienstleistern sowie anderen 

ausgewählten Unternehmen verarbeitet und genutzt, um Sie über Produkte und Dienstleistungen zu informieren. 


Wenn Sie dies nicht mehr wünschen, schreiben Sie bitte an: Oldenbourg Industrieverlag, Rosenheimer Str. 145, D-81671 München 

10 / 2012 

23

BRANCHE 

Oberflächeninspektionen nutzen bei 

unterschiedlichen Anforderungen den Piezoeffekt 

Weißlichtinterferometrie, konfokale Mikroskopie und Nanoindentierung unter die Lupe genommen 

Oberflächeninspektionen sind heute in vielen Bereichen 

obligatorisch. Dabei geht der Trend zu immer 

kleineren Strukturen, etwa bei der Prüfung von Nanobeschichtungen. 

Je nach Aufgabenstellung haben sich 

unterschiedliche Verfahren bewährt. Die Palette reicht 

von der Weißlichtinterferometrie und konfokalen Mikroskopie 

über hochauflösende Kamerasysteme, die dreidimensionale 

Untersuchungen ermöglichen, bis hin zur 

Nanoindentierung, die bei Material- und Härteprüfungen 

Verwendung findet. Auch das sogenannte Structural 

Health Monitoring, also die Zustandsüberwachung von 

Strukturen, gehört in diesen Bereich. All diese Verfahren 

haben dabei mindestens eine Gemeinsamkeit: Gäbe es 

den Piezoeffekt nicht, könnten sie nicht mit der geforderten 

Genauigkeit und Zuverlässigkeit funktionieren. 

Piezoelemente bieten viele Möglichkeiten, da sie sich 

sowohl aktorisch als auch sensorisch nutzen lassen. 

NANOSTELLTECHNIK VERWENDET PIEZOKERAMIKEN 

Die Anforderungen, die Oberflächeninspektionssysteme 

an die eingesetzten Positioniersysteme stellen, beschränken 

sich nicht nur auf die Positioniergenauigkeit. Wichtige 

Parameter sind oft die realisierbaren Stellwege, hohe 

Geschwindigkeiten zur Steigerung des Durchsatzes 

bei großen zu untersuchenden Flächen oder konstante 

Verfahrgeschwindigkeiten zur exakten Zuordnung von 

Messwerten und die Lebensdauer. In der Nanostelltechnik 

werden deshalb heute Piezokeramiken verwendet, 

die diese Anforderungen erfüllen. 

So spielen auf Piezokeramik aufbauende Aktoren im 

praktischen Einsatz all ihre positiven Eigenschaften aus: 

Sie sind wartungsfrei, weil sie keine im klassischen Sinn 

bewegten Teile haben. Da die Bewegung auf kristallinen 

Festkörpereffekten beruht, gibt es keine rotierende oder 

reibende Mechanik. Dadurch lassen sich Bewegungen 

im Sub-Nanobereich mit hoher Geschwindigkeit realisieren. 

Piezoaktoren verbrauchen außerdem im statischen 

Betrieb keine Energie, denn sie wirken elektrisch 

wie kapazitive Lasten. 

Die piezobasierten Positioniersysteme der Karlsruher 

Firma Physik Instrumente (PI) finden in vielen, teilweise 

sehr unterschiedlichen Verfahren zur Oberflächenmesstechnik 

Verwendung. Die auf die jeweiligen Positioniersysteme 

abgestimmten, analogen oder digitalen Controller 

ermöglichen eine einfache Integration in die jewei - 

lige Applikation und auch die für das hochpräzise Positionieren 

notwendige Sensorik ist inbegriffen. 

3D-OBERFLÄCHENINSPEKTION: 

PIEZOAKTOREN IN DER INTERFEROMETRIE 

Die Prüfung technischer Oberflächen erfordert zunehmend 

berührungslose und zerstörungsfreie Verfahren, 

die eine hochpräzise Messung der Oberflächentopographie 

ermöglichen. Mit dem Weißlichtinterferometrie- 

Verfahren lassen sich Messungen von Ebenheiten, Höhenabständen, 

Parallelitäten oder anderen Oberflächeneigenschaften 

schnell und mit hoher Wiederholgenauigkeit 

durchführen, entweder mit telezentrischer Optik 

WEISSLICHT-INTERFEROMETER zum Messen von 

Ebenheiten, Stufen und Parallelitäten. Bild: Polytec 

WEISSLICHT-INTERFEROMETER nutzen die Interferenzeffekte, 

die bei der Überlagerung des vom Messobjekt 

reflektierten Lichts mit dem von einem hochgenauen 

Referenzspiegel zurückgestreuten Licht auftreten. Bild: PI 

24 


10 / 2012

Mit Sicherheit 

kompetent 

für große Messvolumina oder lateral hochauflösend mit 

Mikroskopoptik. Telezentrische WLI-Systeme eignen 

sich für die Vermessung von Oberflächenstrukturen 

großer Flächen. Innerhalb weniger Sekunden und in 

einem einzigen Messvorgang können Messfeldgrößen 

von mehreren 100 Quadratmillimetern mit einer Auflösung 

bis zu einigen Mikrometern dargestellt werden. 

Um feinste laterale Strukturen zu untersuchen, werden 

WLI-Systeme in Mikroskope integriert. Das betrachtete 

Messfeld beträgt nur wenige Quadratmillimeter bei einer 

Messauflösung im Nano- und Subnanometerbereich. 

Die Weißlicht-Interferometrie nutzt die Interferenz einer 

breitbandigen Lichtquelle. Dabei wird das kollimierte 

Weißlicht-Licht in einen Mess- und einen Referenzstrahl 

aufgeteilt. Der Messstrahl trifft das Messobjekt, der 

Referenzstrahl wird auf einen Spiegel geleitet. Das von 

Spiegel und einem Punkt des Messobjekts jeweils zurückgeworfene 

Licht interferiert auf einem CCD-Sensor. 

Je nach Strukturhöhe und dem daraus resultierenden 

optischen Weglängenunterschied zwischen Messarm 

und Referenzarm, verändert sich die Intensität des Interferenzsignals 

und damit die Information auf dem Sensor. 

Je nach Methode wird entweder der Referenzspiegel, 

das Interferenzobjektiv oder der gesamte Objektivrevolver 

verfahren, um ein konstruktives Interferenzsignal zu 

erhalten. Je höher die Anforderung an die Messauflösung, 

desto präziser muss die Verschiebung des Referenzspiegels 

oder des Objektivs sein. 

Mit konventionellen motorischen Antrieben ist dies 

jedoch kaum realisierbar. Das Positioniersystem basiert 

deshalb auf Piezoaktoren. Sie arbeiten verschleiß- und 

reibungsfrei sowie ohne Spiel und eignen sich aufgrund 

ihrer Dynamik für hohe Aufnahmefrequenzen, 

die für die 3D-Oberflächenmessung in Echtzeit erforderlich 

sind. Spielfreie und hochgenaue Festkörperführungen 

sorgen gleichzeitig für eine hohe Fokusstabilität. 

Auf diese Weise lassen sich in der beschriebenen 

Anwendung Wege bis zu mehreren 100 μm realisieren. 

Die Verfahrgenauigkeit der Kinematik liegt im 

Nanometerbereich. 

SIL SIL 

SIL NANOINDENTIERUNG: FLEXIBLE WERKSTOFFPRÜFUNG 

Eine wichtige Rolle bei der Werkstoffprüfung spielt 

die so genannte Nanoindentierung. Sie ist von der klassischen 

Härteprüfung abgeleitet, findet aber in viel 

kleinerem Maßstab statt. Anwendungsgebiete sind die 

Härtebestimmung an dünnen Schichten oder die Bestimmung 

von Materialeigenschaften wie Elastizität, 

Steifigkeit, plastischer Verformbarkeit oder Bruchfestigkeit 

bei kleinen Objekten und Mikrosystemen, etwa 

in der Biotechnologie. Dazu wird eine Testspitze mit 

einer geringen Kraft auf eine Probe aufgebracht und der 

Eindringweg der Spitze gemessen. Aus diesen Messwerten 

lässt sich dann die Kontaktfläche errechnen und 

daraus wiederum die Materialeigenschaft ermitteln. 

Ein besonders flexibles System zur Nanoindentierung 

ist der NanoTest, der als aussagekräftiges Testsystem 

weltweit in unterschiedlichen Bereichen genutzt wird, 

nicht nur in Forschung und Entwicklung, sondern auch 

in der Produktion und beim Test von Fertigprodukten. 

Je nach Anwendungsfall lässt sich die Methode der 

Krafterzeugung und die Geometrie der Testspitze, der 

so genannte Indentation-Tip, variieren. Das System ist 

für viele unterschiedliche Materialien geeignet, da die 

Testspitze je nach Betriebsart mit Kräften zwischen 

30 nN und 500 mN arbeitet und sich Eindringtiefen 

A01039DE 

Mit den Stellventilen Typ 3241 von 

SAMSON sind Sie immer auf der 

sicheren Seite. Dank ihrer hohen 

MTBF brauchen Sie sich um einen 

Ausfall nicht zu sorgen. 

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Stellungsregler der Bauarten 3730 

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Grenzkontakt führen sie die Sprungantworttests 

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

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10 / 2012 

25

BRANCHE 

zwischen 0,1 nm und 50 μm messen lassen. Diese Aufgabe 

übernehmen wieder die bereits erwähnten hochauflösenden 

kapazitiven Sensoren. 

NANOPOSITIONIERSYSTEM FÜR EINEN PRÄZISEN SCAN 

Für die Untersuchung der Probenoberfläche vor und 

nach der Indentierung lässt sich die Indentierung außerdem 

mit einem bildgebenden Verfahren kombinieren: 

Die Indentierungsspitze wird zeilenweise in einem 

definierten Raster über die Oberfläche der Probe bewegt, 

die Probenoberfläche wird also gescannt. Durch 

das punktweise Aufzeichnen der Auslenkungen an der 

Spitze lässt sich eine dreidimensionale Abbildung der 

Probenoberfläche erzeugen und auswerten. Mit dieser 

Kombination aus Indenter und Rastersondenmikroskop 

lässt sich also die Oberfläche der Probe bewerten. 

Messungen an verschiedenen Stellen sind ohne großen 

Aufwand möglich. 

Für die zum Scannen notwendigen Bewegungen in x- 

und y-Achse sorgt ein piezobasiertes Nanopositioniersystem. 

Sein 200 x 200 μm großer Scan-Bereich ermöglicht 

genaue Aussagen über die Beschaffenheit der Kontaktfläche 

und ihrer Umgebung. Die Positioniergenauigkeit 

unterhalb von 3 nm erlaubt eine hohe Ortsauflösung 

für den Scan. Zum einen werden so kritische Belastungen 

genau einer bestimmten Position zugeordnet, was 

wiederum Schlüsse auf die lokalen Materialeigenschaften 

zulässt, zum anderen können kleinste Proben anhand 

einer Vielzahl von Messpunkten auf engstem Raum 

untersucht werden. 

Die Bahngenauigkeiten während des Scans werden 

durch eine aktive Führung noch verbessert: Auch dabei 

messen kapazitive Sensoren eventuelle Abweichungen 

in der zur Bewegungsrichtung senkrechten Achse. Ein 

ungewolltes Übersprechen der Bewegung (etwa durch 

externe Krafteinwirkung) in eine andere Achse kann so 

detektiert und in Echtzeit aktiv ausgeregelt werden. Das 

ermöglicht eine hohe Bahntreue im Nanometerbereich, 

auch bei dynamischem Betrieb. Die dafür notwendige 

Steuerung übernimmt ein digitaler Controller. Er ist speziell 

auf die mehrachsigen parallelkinematischen Piezo- 

Nanopositioniersysteme abgestimmt und garantiert im 

dynamischen Betrieb eine hohe Linearität. 

STRUCTURAL HEALTH MONITORING: 

ZUSTANDSÜBERWACHUNG VON STRUKTUREN 

Ein spezielles Gebiet der Oberflächenmesstechnik ist das 

Structural Health Monitoring, also die Überwachung des 

Zustands von Strukturen. Damit lassen sich kontinuierlich 

Anhaltspunkte über die Funktionsfähigkeit von 

Bauteilen und Bauwerken erhalten und Schädigungen, 

zum Beispiel Risse oder Verformungen, frühzeitig erkennen, 

um Gegenmaßnahmen einzuleiten. Auch hier sind 

Piezoelemente mit von der Partie: Der DuraAct-Wandler 

kann sowohl als Sensor wie auch als Aktor eingesetzt 

werden. Er kann Schwingungen erzeugen und ihre Fortpflanzung 

in Materialstrukturen messen. Bei einem veränderten 

Schwingungsbild sind Fehler in der Struktur 

erkennbar, noch bevor Risse entstehen, etwa in Maschinenteilen, 

Brücken oder Tragflächen von Flugzeugen. 

Grundlage der Wandler ist eine piezokeramische 

Folie, die zur elektrischen Kontaktierung beidseitig 

mit einem leitfähigen Material bedeckt wird. Anschließend 

wird dieser Aufbau in einem biegsamen (duktilen) 

Polymerverbundstoff eingebettet. Dadurch erreicht man 

gleich dreierlei: Die Piezokeramik wird elektrisch isoliert, 

mechanisch vorgespannt und der an sich spröde 

Werkstoff wird so robust, dass er sogar auf gekrümmten 

Oberflächen mit Biegeradien bis zu 20 mm aufgebracht 

werden kann. 

Man klebt die Wandler dazu auf das entsprechende 

Substrat oder integriert sie direkt in den Verbundwerkstoff 

des Substrats. Kundenspezifische Geometrien des 

Flächenwandlers lassen sich bei diesem Aufbau ebenso 

realisieren wie auf den jeweils benötigten Biegeradius 

abgestimmte Form und Dicke der Keramik. Das Gleiche 

gilt für die Beschaffenheit der Keramik (in Abhängigkeit 

von der Einsatztemperatur) sowie die Gestaltung der 

elektrischen Anschlüsse. 

AUTOREN 

Dipl.-Phys. STEFFEN 

ARNOLD ist Leiter „Markt 

und Produkte“ bei der 

Physik Instrumente (PI) 

GmbH & Co. KG 

in Karlsruhe. 

Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG, 

Auf der Römerstraße 1, D-76228 Karlsruhe/Palmbach, 

Tel. +49 (0) 721 484 60, 

E-Mail: s.arnold@pi.ws 

ELLEN-CHRISTINE REIFF, 

M.A., ist Autorin des 

Redaktionsbüros Stutensee. 

Redaktionsbüro Stutensee, 

Am Hasenbiel 13 – 15, D-76297 Stutensee, 

Tel. +49 (0) 7244 73 96 90, 

E-Mail: ereiff@rbsonline.de 

26 


10 / 2012

BUS 

Sprechstunde 

BUS 

2. Feldbus-Sprechstunde 

Feldbus in der Prozessindustrie 

22. + 23.01.2013, Mannheim, Pepperl+Fuchs GmbH 

www.feldbus-sprechstunde.de 

Programm 

Moderation: Jürgen George, 


Wann und Wo? 

+ + NEUER TERMIN! + + 

22. + 23.01.2013 

Systemplanung: Auswahl der Geräte und Komponenten 

Systemplanung: Feldbusinfrastruktur 

Systemplanung: Einsatz von Planungstools 

Systemplanung: Explosionsschutz und 

funktionale Sicherheit 

Inbetriebnahme: Hardware-Installation und 

-Inbetriebnahme 

Inbetriebnahme: Implementierung 

Inbetriebnahme: Systematische Fehlersuche 

Referenten 

Ronny Becker, Prüflabor MSR u. Analysentechnik, 

BIS Prozesstechnik GmbH 

Dr. Andreas Hildebrandt, Thomas Klatt, 

Thomas Westers, Pepperl+Fuchs GmbH 

Dr. Niels Kiupel, Degussa GmbH 

Sven Seintsch, Prüflabor MSR u. Analysentechnik, 

BIS Prozesstechnik GmbH 

Termin 

Dienstag, 22.01.2013 


„Get-Together“ mit Abendessen (ab 18:30 Uhr) 

Mittwoch, 23.01.2013 


Ort 

Mannheim, Pepperl+Fuchs GmbH 

Thema 

Antworten zur Planung und 

Inbetriebnahme von Feldbussen 

Teilnahmegebühr 

atp edition-Abonnenten 

Firmenempfehlung 



reguläre Teilnahmegebühr 690 € zzgl. MwSt 

Studenten 

kostenlos 

(Universität, Fachhoch-/Duale Hochschule – Vorlage des 

Studentenausweises bei der Anmeldung erforderlich) 

Im Preis enthalten sind die Tagungsunterlagen 

sowie das Catering (Kaffee, 2x Mittagsimbiss, 

„Get-Together“ mit Abendessen). 

Veranstalter 

100 Euro 

Frühbucherrabatt 

bei Buchung bis zum 

14.12.2012 

Fragen Sie! 

Die Feldbus-Sprechstunde gibt Ihnen ausreichend Gelegenheit, Ihre 

individuellen Fragen zu stellen und offen mit den praxiserfahrenen 

Referenten zu diskutieren. 

Stellen Sie Ihre Fragen rechtzeitig unter 


Weitere Informationen und Online-Anmeldung unter 


Fax-Anmeldung: +49 (0) 89 45051-207 oder Online-Anmeldung: www.feldbus-sprechstunde.de 

Ich habe die atp edition abonniert 

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

Vorname Nachname 

Telefon 

Telefax 


E-Mail 

Straße/Postfach 


Hausnummer 

 

Ort, Datum, Unterschrift 

Ihre freiwilligen Angaben werden zusammen mit den für die Vertragsabwicklung erforderlichen Daten von uns und der Unternehmensgruppe, unseren Dienstleistern sowie anderen 

ausgewählten Unternehmen verarbeitet und genutzt, um Sie über Produkte und Dienstleistungen zu informieren. 


Wenn Sie dies nicht mehr wünschen, schreiben Sie bitte an: Oldenbourg Industrieverlag, Rosenheimer Str. 145, D-81671 München 

10 / 2012 

27

HAUPTBEITRAG 

Reifezeugnis für mechatronische 

Entwicklungsprozesse 

Status Quo im Maschinen- und Anlagenbau 

Die Mechatronik bietet Herstellern erhebliches Potenzial, innovative Produkte zu erzeugen. 

Dementsprechend sehen viele Unternehmen des Maschinen- und Anlagenbaus die 

Mechatronik heute als entscheidenden Wertschöpfungsfaktor. Dennoch hat die Mehrzahl 

der Firmen ihre Prozesse nur unzureichend angepasst. Dies lässt sich anhand des in 

diesem Beitrag vorgestellten BESTVOR-Reifegradmodells belegen. Weiterhin wird dargestellt, 

dass der Entwicklungsprozess von zahlreichen unternehmens- und projektspezifischen 

Faktoren abhängig ist, die bei der Gestaltung mechatronischer Entwicklungsprozesse 

berücksichtigt werden müssen. 

SCHLAGWÖRTER Mechatronik / Entwicklungsprozess / Reifegradmodell / Maschinenbau 

Maturity certificate for mechatronic development processes 

Status quo in machine and plant engineering 

Mechatronics provides manufacturers with a significant potential to generate innovative 

products. Many companies in machine and plant engineering see mechatronics as a crucial 

factor in creating value. However, the processes of the majority of companies have 

not yet changed sufficiently. This can be demonstrated using the BESTVOR maturity 

model. It is demonstrated that the development process depends on various organizational 

and project specific factors which must be taken into account in the design of mechatronic 

development processes. 

KEYWORDS mechatronics / development process / maturity model / mechanical engineering 

28 


10 / 2012

BERND SPIEGELBERGER, ITQ 

MANFRED BONETSMÜLLER, Somic 

RAINER STETTER, ITQ 

BERNHARD KAUSLER, ITQ 

Umfragen haben ergeben, dass 90 Prozent der 

echten Innovationen (im Unterschied zu 

Detailverbesserungen) in der Maschinenbaubranche 

im Bereich der Informationstechnik 

realisiert werden [2].“ 

Die Integration von Komponenten unterschiedlicher 

Fachbereiche, wie der Mechanik, Hydraulik, Pneumatik, 

Elektronik oder Informationstechnik zu einem 

mechatronischen System erlaubt es, dem Kunden einen 

erheblichen Mehrwert zu offerieren. Dies hat dazu 

geführt, dass immer mehr Produktfunktionen durch 

Software realisiert werden. Die sich daraus ergebenden 

Chancen, innovative Produkte zu erzeugen, verdeutlichen 

Beispiele aus unterschiedlichen industriellen 

Bereichen. 

In der Automatisierungstechnik werden vermehrt 

intelligente Feldgeräte eingesetzt, die Funktionen zur 

Parametrierung, Zustandsüberwachung, Wartung und 

Kommunikation anbieten. Diese Entwicklung führt 

dazu, dass selbst einfache Geräte oftmals über unzählige, 

frei konfigurierbare Parameter verfügen. 

Ferner ist es als Stand der Technik anzusehen, dass 

Maschinen als modulare Systeme aufgebaut sind. Diese 

können kundenspezifisch konfiguriert und während der 

Nutzung flexibel verändert und erweitert werden. Dazu 

bedarf es klar definierter Schnittstellen, die Veränderungen 

des Systems und seiner Umgebung erlauben. Einfach 

anpassbare softwaretechnische Schnittstellen spielen 

dabei eine entscheidende Rolle. 

Die Antriebstechnik verdeutlicht den Trend zur 

Software besonders plastisch. Gerade Produktionsmaschinen 

müssen oftmals eine Vielzahl voneinander 

abhängiger Bewegungen realisieren. In der Vergangenheit 

wurde dies häufig mittels eines zentralen Antriebs 

und entsprechender Getriebetechnik realisiert. Ein 

derartiger Aufbau wird als Königswelle bezeichnet. 

Veränderungen sind nur durch zeitintensive Umbauten 

der Mechanik möglich. Die Leistungsfähigkeit von 

elektrischen Antrieben und die Möglichkeiten der 

Kommunikationstechnik erlauben es heute, effizientere 

Ansätze zu verfolgen. An die Stelle einer unflexiblen 

Getriebetechnik rücken vermehrt dezentrale 

Antriebssysteme. Die Echtzeitkommunikation ersetzt 

dabei die Königswelle. 

1. MECHATRONIK UND INNOVATION 

Die Beispiele zeigen, dass die Mechatronik erhebliche 

Chancen bietet. So überrascht es nicht, dass viele Unternehmen 

aus unterschiedlichsten Bereichen des 

Maschinen- und Anlagenbaus die Mechatronik heute 

als entscheidenden Wertschöpfungsfaktor sehen, den 

es zu beherrschen gilt. Trotz der Tatsache, dass die 

Mechatronik bereits seit Jahrzehnten eine bekannte 

und anerkannte Herausforderung darstellt, hat die 

Mehrzahl der Unternehmen erst seit wenigen Jahren 

der Mechatronik eine verstärkte Aufmerksamkeit zukommen 

lassen. 

Somit stellt sich die Frage, welchen Status die Unternehmen 

in den letzten Jahren erreichen konnten. Um 

diese Frage zu beantworten, ist es erforderlich, die Anforderungen 

der Mechatronik an die Entwicklung näher 

zu betrachten, um die Reife von Unternehmen gezielt 

beurteilen zu können. 

2. MECHATRONISCHE PRODUKTENTWICKLUNG 

Durch die Mechatronisierung eines Systems steigt 

automatisch die Anzahl der in der Entwicklung zu realisierenden 

Komponenten. Zum einen ist dies auf den 

oftmals steigenden Funktionsumfang zurückzuführen. 

Zum anderen werden zahlreiche Funktionen, die 

bislang mittels rein mechanischer Komponenten realisiert 

wurden, um elektronische und Software-basierende 

Systeme ergänzt. In Summe steigt die Produktkomplexität. 

Darüber hinaus bedingen mechatronische 

Komponenten eine übergreifende Abstimmung und 

Zusammenarbeit in allen Entwicklungsphasen. Die an 

der Produktentstehung beteiligten Fachbereiche verfügen 

dabei traditionell über stark variierende Prozesse. 


10 / 2012 

29

HAUPTBEITRAG 

Erst die Abstimmung dieser Prozesse erlaubt eine 

disziplinübergreifende Zusammenarbeit in Entwicklungsprojekten. 

2.1 Definierte Prozesse in der Entwicklung 

Die Einflüsse von Entwicklungsprozessen auf den Projekterfolg 

sind seit langem Gegenstand der Forschung. 

Die Studie „Forschung und Entwicklung managen – 

Erfolgsfaktoren im Maschinen- und Anlagenbau“ [10] 

quantifiziert den Zusammenhang zwischen definierten 

Prozessen und dem Erfolg von Entwicklungsprojekten. 

Dabei wird deutlich, dass eine zuverlässige Projektabwicklung 

im hohen Maße von der Prozessbeherrschung 

abhängt. Die Definition eines mechatronischen 

Entwicklungsprozesses stellt jedoch zahlreiche Hersteller 

vor große Herausforderungen. Entwicklungsprozesse 

im Bereich des Maschinenbaus wurden zwar schon 

in der Vergangenheit stark an die Bedürfnisse der Entwicklung 

mechanischer Systeme angepasst. Der zunehmende 

Softwareanteil macht es jedoch erforderlich, die 

Prozesse der Softwareentwicklung stärker und früher 

zu berücksichtigen. 

2.2 Abstimmung disziplinspezifischer Prozesse 

Prozesse zur Spezifikation und Realisierung mechanischer 

Systeme oder Komponenten lassen sich in der Regel 

sehr gut als vorwärts gerichtete Sequenz abbilden. 

Ein Beispiel hierfür ist die VDI-Richtlinie 2221 [13]. Die 

darin definierten Phasen bieten zwar die Möglichkeiten 

für Rücksprünge an, die Richtlinie stellt jedoch fest, dass 

im Falle einer Einzelfertigung der Prozess in der Regel 

nur einmal zu durchlaufen ist. 

Im Bereich der Softwareentwicklung gestalten sich die 

Prozesse in der Regel gänzlich anders. So sieht die Mehrzahl 

der existierenden Modelle ein iteratives Vorgehen 

vor. Dies hängt unter anderem damit zusammen, dass 

die Funktionserfüllung von Softwarekomponenten nur 

mit erheblichem Aufwand formal verifizierbar ist [5]. Bis 

heute ist es daher unumgänglich, die Funktionserfüllung 

auf Grundlage von Funktionstests zu überprüfen. 

Die etablierten Prozesse zur Entwicklung mechatronischer 

Systeme müssen daher überdacht und den Gegebenheiten 

der Interdisziplinarität angepasst werden. 

Eine reine Ergänzung der Prozesse um mechatronische 

Einzelschritte, wie es im industriellen Alltag oft zu beobachten 

ist, wird den Herausforderungen der Mechatronik 

nicht gerecht. 

2.3 Kommunikation und Kooperation 

Das Thema der Entwicklungsprozesse kann nicht losgelöst 

von den an der Entwicklung beteiligten Personen 

betrachtet werden. So stellt Gallup fest [7], dass durch 

mangelndes Engagement der Mitarbeiter in Deutschland 

jährlich volkswirtschaftliche Kosten in Höhe von 122 

Milliarden € entstehen. Prozesse müssen daher ein Umfeld 

schaffen, das eine Zusammenarbeit vereinfacht und 

potenziell störende Faktoren eliminiert. Studien [1] zeigen, 

dass bei einer durchschnittlichen Erfolgsquote von 

51 % im Falle einer schlechten Team-Kommunikation 

lediglich 15% aller Forschungs- und Entwicklungsvorhaben 

als erfolgreich angesehen werden können. Neben 

einer erfolgreichen Kommunikation ist die disziplinübergreifende 

Kooperation eine zentrale Herausforderung. 

Die Tatsache, dass Restrukturierung/Reorganisation der 

mit Abstand häufigste Grund für Veränderungen von 

Unternehmen sind [4], belegt die Bedeutung von Organisationsstrukturen. 

2.4 Projektmanagement 

Die Bedeutung einer Projektsystematik erklärt die bereits 

angeführte Studie [10]. Sie zeigt, dass Unternehmen 

mit einer ausgeprägten Projektsystematik mit 43 % 

zu einer um 14 % niedrigeren Quote an unerwarteten 

Kostenanstiegen bei Forschungs- und Entwicklungsprojekten 

gelangen. Um bei einem vorgegebenen Zeitund 

Kostenrahmen zu einem abgestimmten und qualitativ 

hochwertigen Ergebnis zu gelangen, bedarf es der 

intensiven Abstimmung in allen Phasen der Entwicklung. 

Nur ein integrierendes Projektmanagement als 

Bindeglied zwischen den an der Entwicklung Beteiligten 

ermöglicht einen reibungslosen Projektablauf. Dies 

gilt im besonderen Maße bei der immer häufiger anzutreffenden 

projekt- und unternehmensübergreifenden 

Kooperation der Entwicklung. 

3. REIFEGRADMODELLE ZUR ANALYSE 

Zur Bewertung mechatronischer Entwicklungsprozesse 

eignen sich besonders Reifegradmodelle. Diese verfolgen 

das Ziel, die Qualität von Entwicklungsprozessen 

objektiv zu messen. Insbesondere wird geprüft, ob 

die einzelnen Elemente eines definierten Prozesses 

aufeinander abgestimmt sind und sich dazu eignen, 

qualitäts-, termin- und kostengerecht zu produzieren. 

Durch den Vergleich des realen Prozesses mit einem 

idealisierten Prozessreferenzmodell lassen sich die 

Stärken und Schwächen einzelner Elemente darstellen. 

Vergleichbar mit Schulnoten wird so die Reife eines 

Unternehmens anhand eines Reifegrades bestimmt. Auf 

dieser Grundlage ist es möglich, gezielt in Prozesse einzugreifen, 

um mit möglichst geringem Aufwand einen 

größtmöglichen Nutzen zu erzielen. 

3.1 Mechatronische Reifegradmodelle 

Es gibt unzählige Modelle, Richtlinien und Normen, 

welche sich mit der Bewertung und Verbesserung von 

Entwicklungsprozessen, gerade im Umfeld der Informationstechnik, 

beschäftigen. Zu den bekanntesten Modellen 

zählen die Normen ISO 9000 ff und ISO 15504 

(SPICE) sowie die Reifegradmodelle CMM/CMMI. Ferner 

existiert mit dem in diesem Beitrag vorgestellten 

30 


10 / 2012

BESTVOR-Reifegradmodell eine Methode, welche insbesondere 

Unternehmen des Maschinen- und Anlagenbaus 

fokussiert. 

3.1.1 DIN ISO 9000 ff. 

Die Normen der ISO-9000-Familie [6] verfolgen das Ziel, 

ein wirksames Qualitätsmanagementsystem in Organisationen 

zu etablieren. Hierzu verfügen sie über eine klare 

Methode beziehungsweise Metrik zur Messung der Qualität 

von Entwicklungsprozessen. Die generischen Anforderungen 

des Modells erlauben einen unmittelbaren Vergleich 

selbst heterogener Unternehmen und Entwicklungsvorhaben. 

Jedoch wurden spezifische Prozesse und 

insbesondere der Software-Prozess außen vor gelassen. 

Somit eignet sich dieses Modell nur bedingt dazu, mechatronische 

Entwicklungsprozesse gezielt zu beurteilen. 

3.1.2 CMM, CMMI und ISO 15504 (SPICE) 

Die Entwicklung des Reifegradmodells Capability Maturity 

Model (CMM) wurde 1986 im Auftrag des US- 

Verteidigungsministeriums begonnen, um die Qualität 

der Prozesse von Softwarelieferanten zu beurteilen. Auf 

dessen Grundlagen wurden zahlreiche Folgemodelle 

entwickelt, welche mit dem Modell Capability Maturity 

Model Integration (CMMI) wieder vereinheitlicht wurden. 

Wie der Name des Modells Software Process Improvement 

and Capability Determination (SPICE) widerspiegelt, 

wurde auch dieses Modell unter besonderer Berücksichtigung 

von Prozessen der Softwareentwicklung 

entworfen. Spezifika der Entwicklung von Mechanik 

und Elektrik/Elektronik und damit der Charakter der 

Mechatronik werden von allen Modellen nur bedingt 

entsprochen. Zudem ist anzumerken, dass der enorme 

Aufwand zur Durchführung eines Assessments einen 

Einsatz im Umfeld von KMU kaum zulässt. 

BILD 1: BESTVOR-Einführungsstrategie [12] 

BILD 2: BESTVOR-Reifegrade [12] 

ITQ GmbH 

Fraunhofer Institut für 

Produktionstechnologie, IPT 

Lehrstuhl für Informationstechnik 

im Maschinenwesen, 

TU München 

Optima Packaging Group GmbH 

Scheidt & Bachmann 

Schneider Electric, 

ELAU Packaging Solutions 

Siempelkamp Handling Systems, 

G. Siempelkamp GmbH & Co.KG 

Somic Verpackungsmaschinen 

GmbH & Co. KG 

Sortimat 

Trumpf Werkzeugmaschinen 

TABELLE 1: BESTVOR-Projektkonsortium 

3.1.3 BESTVOR 

Das Forschungsprojekt BESTVOR wurde vom Bundesministerium 

für Bildung und Forschung (BMBF) innerhalb 

des Rahmenkonzeptes „Forschung für die Produktion 

von morgen“ gefördert. Dabei ging es darum, eine 

BEtriebliche EinführungsSTrategie für ein anwendungsorientiertes 

VORgehensmodell für die Entwicklung zuverlässigerer 

mechatronischer Systeme im Maschinenund 

Anlagenbau zu konzipieren. 

„Die Einführungsstrategie setzt sich aus drei Bausteinen 

zusammen (Bild 1): Einem Self-Assessment-Tool, 

einem anwendungsorientierten Vorgehensmodell und 

konkreten Einführungsanleitungen …“ [12]. Ersteres 

wurde von einem Konsortium, bestehend aus Anwendern, 

Dienstleistern und Forschungsinstituten (Tabelle 

1), aufbauend auf bestehenden Reifegradmodellen entworfen. 

Die Belange der Mechatronik wurden in den 

Vordergrund der Betrachtung gestellt. Mit der Fokussierung 

auf KMU als Anwender wurde ferner auf eine aufwandsarme 

Durchführung geachtet, was den Vergleich 

eines breiten Anwenderkreises ermöglicht. 

Den Rahmen für die Beurteilung stellen vier definierte 

Reifegrade (Bild 2) dar, welche einen direkten 

Vergleich mit den Reifegradmodellen CMM, CMMI und 

SPICE ermöglichen. Dabei wird zwischen einem voll- 

Erfahrungsträger 

Anwender 


10 / 2012 

31

HAUPTBEITRAG 

ständig und einem teilweise erreichten Reifegrad unterschieden. 

Ersterer gibt einen mit den gängigen Modellen 

(CMMI und SPICE) vergleichbaren Reifegrad an. Der 

teilweise erreichte Reifegrad berücksichtigt hingegen 

auch Prozesse, die nur bei Bedarf durchgeführt werden. 

Denn im Gegensatz zu den übrigen Modellen vertritt 

BESTVOR die Auffassung, dass auch Prozesse, die nur 

bei einem empfundenen Bedarf durchgeführt werden, 

von einer höheren Prozessreife zeugen 

Der folgende Abschnitt zeigt daher die Ergebnisse der 

Reifebestimmung mechatronischer Entwicklungsvor haben 

bei KMU im Maschinenbau auf Grundlage von BEST- 

VOR-Assessments von über 600 Personen aus 100 Unternehmen 

des Maschinen- und Anlagenbaus. Betrachtungsgegenstand 

sind folgende sechs zentrale Prozessgebiete: 

BILD 3: Durchschnittliche Reife aller befragten Unternehmen 

Anforderungsmanagement: Spezifikation von 

Anforderungen und Lösungen 

Projektplanung: Termin- und Ressourcenplanung 

eines Entwicklungsprojekts 

Projektverfolgung: Überprüfung des Projektfortschritts 

Qualitätssicherung: Überprüfung der Produktqualität 

anhand von Anforderungen 

Konfigurationsmanagement: Verwaltung von Versionen, 

Varianten, … 

Lieferantenmanagement: Planung und Verfolgung 

von Zulieferungen 

4. MECHATRONISCHE REIFE IM MASCHINENBAU 

BILD 4: Reife in Abhängigkeit von der Unternehmensgröße 

Bild 3 zeigt die durchschnittlichen Ergebnisse aller Befragten. 

Hierbei wird deutlich, dass von den Unternehmen 

des deutschen Maschinenbaus die Herausforderung 

der Mechatronik bei der Entwicklung nicht beherrscht 

wird. Auch die von BESTVOR empfohlene minimale 

Prozessreife wird bei Weitem nicht erreicht. Angesichts 

der mit der Mechatronik verbundenen Chancen für Unternehmen, 

stellt dies ein ernstes Problem dar. Somit ist 

die Frage zu beantworten, wie der optimale Entwicklungsprozess 

zu gestalten ist, um sämtlichen Herausforderungen 

der Mechatronik mit einem angemessenen 

Kosten/Nutzen-Verhältnis zu begegnen. Die Untersuchungen 

sollten klären, ob individuelle Faktoren den 

idealen Entwicklungsprozess beeinflussen. 

4.1 Reife abhängig von Unternehmensgröße 

BILD 5: Reife in Abhängigkeit von der Organisationsform 

Wird die Prozessreife der befragten Unternehmen in Abhängigkeit 

von ihrer jeweiligen Unternehmensgröße betrachtet, 

so ist ein eindeutiger Trend abzulesen (Bild 4). 

Mit zunehmender Unternehmensgröße steigt die Prozessreife. 

Mit zunehmender Größe eines Unternehmens 

werden Kommunikation und Kooperation immer größere 

Herausforderungen. Denn ab einer gewissen Größe 

kann nicht davon ausgegangen werden, dass Informationen 

per Flurfunk alle Betroffenen erreichen. Die Unternehmen 

müssen klare Prozesse definieren, um den erforderlichen 

Informationsfluss sicherzustellen. 

32 


10 / 2012

4.2 Reife abhängig von Organisationsform 

In Bild 5 zeigt sich eine zum Teil deutlich höhere Reife 

von Mischformen gegenüber einer Organisation in reinen 

Projektteams. Eine derartige Organisation führt dazu, 

dass die Zusammensetzung von Entwicklungsteams 

nicht stets dieselbe ist. Hierzu bedarf es zwangsläufig 

einer erhöhten Prozessfähigkeit des Unternehmens. 

Dementsprechend haben die Unternehmen ihre Prozesse 

den gestiegenen Anforderungen angepasst. 

4.3 Reife abhängig von Zulieferer-Einbindung 

Während bei der Zulieferung von Entwicklungsdienstleistungen 

und Komponenten kein klarer Trend festzustellen 

ist, liegt die Prozessreife der Gruppe Zulieferung von Systemen 

zumeist unter den Werten der erstgenannten Gruppen 

(Bild 6). Offenbar bringt die Zulieferung kompletter 

Systeme für die Hersteller geringere Herausforderungen 

mit sich als Zulieferungen im kleineren Umfang. Dies stellt 

nur auf den ersten Blick einen Widerspruch dar. Denn bei 

der Zulieferung von Systemen werden zumeist sehr früh 

Funktionen, Schnittstellen und Abhängigkeiten des Systems 

definiert. Auf Komponentenebene kommt es bei der 

Entwicklung häufiger zu Änderungen, die oft spontan mit 

Zulieferern abgestimmt werden. Dies kann die abnehmenden 

Werte gerade in den Bereichen der Projektverfolgung 

und der Qualitätssicherung erklären. 

BILD 6: Reife in Abhängigkeit von der Zulieferer-Einbindung 

4.4 Reife abhängig von Fertigungsart 

Der Einflussfaktor Fertigungsart steht synonym für die 

geplante Stückzahl des zu entwickelnden mechatronischen 

Systems. Hierbei zeigen sich nicht alle Prozessgebiete 

im gleichen Maße beeinflusst. Die Projektplanung 

und das Lieferantenmanagement sind kaum betroffen 

(Bild 7). Auch im Falle des Anforderungsmanagements 

und der Projektverfolgung steigt die Prozessreife mit zunehmender 

Stückzahl, aber nur marginal. Auffällig sind 

hingegen die Beeinflussungen der Qualitätssicherung 

und des Konfigurationsmanagements. Fehler des Produkts 

können bei einer Serienproduktion gewaltige Kosten 

und Imageschäden bewirken. Auch die Verwaltung 

von Versionen und Varianten wird aufgrund der im Maschinenbau 

üblichen kundenspezifischen Produktkonfiguration 

mit zunehmender Stückzahl komplexer. 

BILD 7: Reife in Abhängigkeit von der Fertigungsart 

4.5 Reife abhängig von Komplexität 

Als Maß für die Komplexität der Entwicklungsprozesse 

wurde die Anzahl an beteiligten Entwicklern in einem 

Entwicklungsprojekt herangezogen. Im Falle des Anforderungsmanagements 

und der Projektverfolgung ist mit 

zunehmender Teamgröße ein leichter Anstieg der Prozessreife 

zu verzeichnen (Bild 8). Besonders interessant 

sind jedoch die Ergebnisse der Qualitätssicherung und 

des Konfigurationsmanagements. Insbesondere die Gruppe 

>10 Entwickler verfügt über eine deutlich höhere Pro- 

BILD 8: Reife in Abhängigkeit von der Komplexität 


10 / 2012 

33

HAUPTBEITRAG 

AUTOREN 

Dr.-Ing. BERND SPIEGELBERGER (geb. 1976) studierte Maschinenwesen, 

Fachrichtung Informationstechnik, an der Technischen 

Universität München und promovierte bei Prof. Dr.-Ing. Klaus 

Bender am Lehrstuhl für Informationstechnik im Maschinenwesen 

zum Thema „anwendergerechte Gestaltung mechatronischer 

Entwicklungsprozesse für kleine und mittlere Unternehmen 

im Maschinenbau“. Seit 2010 ist er bei der ITQ GmbH 

als Senior Consultant tätig. Seine Aufgabenschwerpunkte 

liegen im mechatronischen Entwicklungs- und Projektmanagement 

sowie der Qualitätssicherung softwareintensiver mechatronischer 

Produkte. 

ITQ GmbH, 

Parkring 4, D-85748 Garching b. München, 

Tel. +49 (0) 89 32 19 81 70, E-Mail: spiegelberger@itq.de 

Dr.-Ing. RAINER STETTER (geb. 1963) studierte Maschinenbau an 

der Technischen Universität München und promovierte über 

„Rechnergestützte Simulationswerkzeuge zur Effizienzsteigerung 

des Industrierobotereinsatzes“ am Institut für Werkzeugmaschinen 

und Betriebswissenschaften. Seit 1997 ist er Geschäftsführer 

der Software Factory GmbH in Garching bei München. 

Zusätzlich leitet er als Geschäftsführender Gesellschafter 

die 1998 von ihm gegründete ITQ GmbH, Garching. 

ITQ GmbH, 


Tel. +49 (0) 89 32 19 81 70, E-Mail: stetter@itq.de 

MANFRED BONTESMÜLLER (geb. 1940) studierte Maschinenbautechnik 

und war anschließend als Konstrukteur und als Beratungsingenieur 

für Verpackungsmaschinen tätig. So wurde die 

Basis für die Gründung der Somic Verpackungsmaschinen 

GmbH & Co. KG 1974 geschaffen. Seit 2007 widmet er sich 

ausschließlich den Unternehmensfragen und der technischen 

Firmenentwicklung. 

Somic Verpackungsmaschinen GmbH & Co. KG, 

Am Kroit 7, D-83123 Amerang, 

Tel. +49 (0) 80 75 91 60, E-Mail: info@somic.de 

Dr.-Ing. BERNHARD KAUSLER (geb. 1978) studierte Elektro- und 

Informationstechnik, Fachrichtung Mechatronik, an der Technischen 

Universität München. Im Anschluss promovierte er am 

Lehrstuhl für Informationstechnik im Maschinenwesen im 

Bereich der Qualitätssicherung mechatronischer Systeme. Seit 

2008 ist der bei der ITQ GmbH als Senior Consultant tätig. Seine 

Aufgabenschwerpunkte liegen im mechatronischen Entwicklungs- 

und Projektmanagement sowie der Qualitätssicherung 

softwareintensiver mechatronischer Produkte. 

ITQ GmbH, 


Tel. +49 (0) 89 32 19 81 70, E-Mail: kausler@itq.de 

zessreife. Eine höhere Zahl an Entwicklern scheint auch 

zu einem steigenden Bedarf an Maßnahmen der Qualitätssicherung 

zu führen. Wie in Bild 4 gezeigt, führt sie 

weiterhin dazu, dass die Prozesse des Konfigurationsmanagements 

über eine deutlich höhere Reife verfügen. 

4.6 Diskussion der erzielten Ergebnisse 

Der Vergleich der durchschnittlich erzielten Reife mit 

den von BESTVOR geforderten Werten belegt, dass 

mechatronische Entwicklungsprozesse in der Regel 

nicht beherrscht werden. Insbesondere die Prozesse der 

Qualitätssicherung sind nicht nur bei Unternehmen mit 

weniger als 100 Mitarbeitern auf einem alarmierend 

niedrigen Niveau. Um den Unternehmenserfolg im 

globalen Wettbewerb langfristig zu sichern, müssen die 

brachliegenden Potenziale besser genutzt werden. 

Ferner wird deutlich, dass die Reife der einzelnen Prozessgebiete 

in den Unternehmen stark variiert. Dies ist 

auf zahlreiche Einflussfaktoren zurückzuführen. Das 

ideale Vorgehen beziehungsweise die ideale Reife eines 

Entwicklungsprojekts ist demnach nicht als absolute 

Größe zu sehen. Unternehmen müssen vielmehr in die 

Lage versetzt werden, einzelne Prozesse in Abhängigkeit 

von der jeweiligen Entwicklungsaufgabe und -situation 

an ihr Unternehmen anzupassen. 

Der Gedanke, dass es den idealen Entwicklungsprozess 

nicht gibt, ist nicht neu. Moderne Vorgehensmodelle 

wie das V-Modell XT sehen daher ein Tailoring 

vor, um Prozesse an individuelle Gegebenheiten anzupassen. 

Bis dato werden die Unternehmen bei diesem 

Schritt jedoch nur unzureichend unterstützt. Die Ausführungen 

verdeutlichen, dass es einer Methode zur 

anwendergerechten Gestaltung mechatronischer Entwicklungsprozesse 

bedarf. Hierzu präsentiert die Dissertation 

von Spiegelberger [11] einen Ansatz, welcher 

die BESTVOR-Methodik in einen kontinuierlichen 

Verbesserungsprozess integriert. Das darin enthaltene 

Konzept zeigt eine klare Systematik zur anwendergerechten 

Gestaltung von Entwicklungsvorhaben in der 

Mechatronik auf Grundlage mehrerer Einflussfaktoren. 

Um ein möglichst vollständiges Bild der relevanten 

Einflussfaktoren auf Entwicklungsprozesse zu erhalten, 

wären daher weitere Untersuchungen mittels 

BESTVOR wünschenswert. 

FAZIT 

Die Mechatronik bietet erhebliches Potenzial, innovative 

Produkte zu erzeugen. Dementsprechend betrachten 

viele Unternehmen des Maschinen- und Anlagenbaus 

die Mechatronik als entscheidenden Wertschöpfungsfaktor, 

den es zu beherrschen gilt. Trotz der Tatsache, 

dass Entwicklungsprozesse der Mechatronik 

gänzlich anders ablaufen als heute etablierte Prozesse 

der Mechanik, wurden Prozesse und Strukturen in den 

Unternehmen nur geringfügig geändert. Häufig dominiert 

noch immer die Mechanik die Abläufe. Empirische 

Untersuchungen mit dem BESTVOR-Reifegrad- 

34 


10 / 2012

modell belegen, dass die Mechatronik bestenfalls teilweise 

beherrscht wird. 

Weiterhin kann gezeigt werden, dass der ideale Prozess 

von zahlreichen unternehmens- und projektspezifischen 

Faktoren abhängt, die bei der Gestaltung mechatronischer 

Entwicklungsprozesse zu berücksichtigen sind. [11] 

stellt hier eine Methodik zur Gestaltung von Entwicklungsprozessen 

vor. Weitere Untersuchungen, welche den 

Entwurf einer allgemeingültigen Metrik zur Berücksichtigung 

spezifischer Einflussfaktoren ermöglichen, wären 

daher erforderlich. 

MANUSKRIPTEINGANG 

02.02.2012 

Im Peer-Review-Verfahren begutachtet 

REFERENZEN 

[1] Buschermöhle, R.; Eekhoff, H.; Josko, B.: Success, 

Erfolgs- und Misserfolgsfaktoren bei der Durchführung 

von Hard- und Software-Entwicklungsprojekten 

in Deutschlang, BIS-Verlag der Carl von Ossietzky 

Universität Oldenburg, 2006 

[2] Bender, K. (Hrsg.): Embedded systems – qualitätsorientierte 

Entwicklung, Springer, 2005 

[3] Burghardt, M.: Projektmanagement, Leitfaden für die 

Planung, Überwachung und Steuerung von Projekten, 

Publicis Corp., 2008 

[4] Capgemini Consulting: Change Management – Studie 

2010, Business Transformation – Veränderungen 

erfolgreich gestalten, 2010 

[5] Collofello, J.: Introduction to Software Verification and 

Validation. Software Engineering Institute, Carnegie 

Mellon University, 1988 

[6] EN ISO 9000: Qualitätsmanagementsysteme – Grundlagen 

und Begriffe, 2005 

[7] Gallup: Mitarbeiterzufriedenheit in Deutschland, 2011 

[8] Gausemeier, J.: Domänenübergreifende Vorgehensmodelle, 

(http://www.transmechatronic.de/fileadmin/ 

Fachbeitrag/Beitrag_Vorgehensmodelle_Gausemeier_ 

2008-12-18.pdf, 2008) 

[9] Glinz, M.: Eine geführte Tour durch die Landschaft der 

Software-Prozesse und -Prozessverbesserung: 

INFORMATIK/INFORMATIQUE; 1999. 

[10] KPMG: KPMG Forschung und Entwicklung managen, 

Erfolgsfaktoren im Maschinen- und Anlagenbau, 2005 

[11] Spiegelberger, B.: Anwendergerechte Gestaltung 

mechatronischer Entwicklungsprozesse für kleine 

und mittlere Unternehmen im Maschinenbau. 

Sierke Verlag, 2011 

[12] Stetter, R., Rauchenberger, J., Spiegelberger, B.: 

BMBF Projektabschlussbericht des Forschungsprojekts 

BESTVOR, Betriebliche Einführungsstrategie für 

ein anwendungsorientiertes Vorgehensmodell für die 

Entwicklung zuverlässigerer mechatronischer 

Systeme im Maschinen- und Anlagenbau, 2010 

[13] VDI/VDE 2221: Methodik zum Entwickeln und Konstruieren 

technischer Systeme und Produkte, 1993 

„ Zuverlässige Messtechnik 

für die Sicherheit Ihrer 

Prozesse.“ 

Selbstüberwachende Füllstand- und Drucksensoren 

erhöhen Ihre Anlagensicherheit. 

Für die Sicherheit Ihrer Anlage arbeiten VEGA-Sensoren 

mit Selbstüberwachung und Diagnosefunktionen. Asset 

Management und zusätzliche Speicher für Prozesswerte 

und Systemereignisse ermöglichen eine vorbeugende 

Wartung sowie die lückenlose Rückverfolgung von 

Veränderungen im Prozess und am Sensor. Dies optimiert 

Ihre Anlagenverfügbarkeit und spart Kosten im Anlagenbetrieb 

und bei der Instandhaltung. 

www.vega.com/de/chemie.htm 


10 / 2012 

35

HAUPTBEITRAG 

Das Zeitverhalten 

verteilter Anlagen 

Modellierung heterogener Systeme 

Der Wunsch nach Interoperabilität in verteilten Anlagen bei Verwendung durchgängiger 

Engineeringmethoden ist seit langem Gegenstand der Forschung. Gerade Schnittstellen 

zwischen Produkten und Systemen unterschiedlicher Hersteller führen in der Praxis oft 

zu Problemen bei der Fehleranalyse und der Abgrenzung der Leistungsumfänge. Dieser 

Beitrag behandelt verteilte Systeme, welche echtzeitfähige Komponenten und nicht echtzeitfähige 

Komponenten beinhalten. Diese Systeme werden als heterogene Systeme bezeichnet. 

Vorgeschlagen wird die zeitliche Modellierung des Gesamtsystems, bestehend 

aus dem Prozess, der Kommunikation und der verwendeten Instrumentierung sowie eine 

Bewertung der zeitlichen Unbestimmtheiten der Subsysteme. Durch die weitere Verwendung 

des Modells als Online-Beobachter erfolgt eine Überwachung der Prozessführung 

mit Handlungsempfehlungen. 

SCHLAGWÖRTER SysML / Modellierung / Verteilte Systeme / Netzplan / Prozessführung 

Temporal behaviour of distributed facilities – 

Modelling heterogeneous systems 

Interoperability in heterogeneous distributed systems using consistent engineering methods 

has long been a topic of research. Interfaces between products and systems from 

different vendors often lead to problems with the fault analysis and specification of performances. 

Here, distributed systems are considered which contains real-time and nonreal 

time components. Temporal modelling is proposed for the overall system consisting 

of the process, communications, and the instrumentation used, as well as an evaluation 

of the temporal uncertainties of the sub-systems. An online-observer should be used to 

supervise the system and to suggest recommendations if needed. 

KEYWORDS SysML / modelling / distributed control systems / network plan / process 

engineering 

36 


10 / 2012

STEPHAN SCHÄFER, HTW Berlin 

ULRICH BERGER, BTU Cottbus 

DIRK SCHÖTTKE, HTW Berlin 

THOMAS KÄMPFE, HTW Berlin 

Aus der Prozess- und Fertigungsautomation 

kommt der Wunsch nach einer durchgängigen 

Modellierung der Gesamtanlage über einzelne 

Anlagenteile oder Steuerungen hinaus. Um 

Außerbetriebszeiten und Inbetriebnahmezeiten 

zu reduzieren und sichere Migrationsstrategien zu 

entwickeln, werden zunehmend Prozesssimulationsmodelle 

verwendet, wie beispielsweise in [1] beschrieben. 

Zur Reduzierung der Komplexität bei der Inbetriebnahme 

großer verteilter Gesamtanlagen werden diese in verschiedene 

Module unterteilt und Teil inbetriebnahmen 

durchgeführt [2]. Ein weiterer Schritt hin zum durchgängigen 

Engineering verteilter Anlagen war die Einführung 

der IEC 61131-3 zur herstellerunabhängigen Programmierung 

verteilter Systeme [3], sowie deren objektorientierter 

Nachfolger für verteilte Funktionsbausteine, 

die DIN EN 61499 [4]. 

Da ein Schwerpunkt dieses Artikels auf räumlich und 

zeitlich verteilten Kommunikationsstrukturen liegt, wird 

für echtzeitfähige Systeme, welche beispielsweise die 

nach DIN IEC 60050-351 [5] geforderten Echtzeitbedingungen 

erfüllen, der Begriff deterministisch verwendet, wobei 

sich Echtzeitfähigkeit so beschreiben lässt: „Ein Echtzeitsystem 

ist ein System, dessen Funktion nicht nur von 

der Richtigkeit der Ergebnisse, sondern ebenfalls von der 

dazu benötigten Zeit abhängt. Wenn die notwendigen 

zeitlichen Rahmenbedingungen nicht eingehalten werden, 

liegt ein Fehlerfall vor“ [6]. Bussysteme, welche die 

zuvor genannten Echtzeitbedingungen nicht einhalten, 

werden häufig als nicht-deterministische Kommunikationssysteme 

bezeichnet. Dieser Begriff ist in der Anwendung 

üblich, auch wenn sich das nicht-deterministische 

Verhalten ausschließlich auf zeitliche Aspekte bezieht. 

In der Literatur finden sich viele Beschreibungsmethoden 

für deterministische endliche Automaten. Zustandsgraphen 

und Petri-Netze werden bereits erfolgreich in 

komplexen Systemen verwendet. Die Grundlagen zu 

Petri-Netzen, mit denen sich auch nebenläufige Prozesse 

beschreiben lassen, beschreibt [7]. Petri-Netze wurden 

bereits produktiv für die Modellierung deterministischer 

Systeme, beispielsweise in der Automobilindustrie 

eingesetzt, wie [8] zeigt. Dabei werden jedoch in der Regel 

vollständig deterministische Systeme untersucht, 

wobei die Kommunikation durch deterministische Busstrukturen 

realisiert wird, zum Beispiel durch die ausschließliche 

Verwendung echtzeitfähiger Feldbusse. Die 

Einbeziehung nicht-deterministischer Kommunikationsstrukturen 

wird erreicht, indem diese durch deterministische 

Busstrukturen ersetzt werden. 

Herstellerübergreifende und damit hardwareunabhängige 

Beschreibungsmittel, wie UML, haben ebenfalls 

verstärkt in die Modellierung komplexer heterogener Anlagen 

Einzug gehalten [9]. Als weiteres, insbesondere für 

die Automation entwickeltes Beschreibungsmittel, wurde 

in jüngster Zeit die Modellierungssprache UML zu 

SysML weitergeführt, um den besonderen Bedürfnissen 

dieses Anwendungsbereiches Rechnung zu tragen [10]. 

Die Modellierungssprache UML bietet mehrere Möglichkeiten, 

um zeitliche Verläufe zu modellieren. Je nachdem, 

ob nur die beteiligten Kommunikationspartner, die 

exakte zeitliche Reihenfolge oder Kommunikationsfehler 

und die daraus resultierenden Systemreaktionen modelliert 

werden sollen, stellt die UML verschiedene Diagrammtypen 

zur Verfügung. Dies sind [11]: 

Sequenzdiagramm 

Kommunikationsdiagramm 

Timing-Diagramm 

Interaktionsübersichtsdiagramm 

Darüber hinaus schlagen die Autoren für eine konkrete 

Anwendung ein Beobachtermodell vor, welches das 

Gesamtsystem auf die Einhaltung zeitlicher Grenzen 

(engl. Constraints) für die deterministischen und nichtdeterministischen 

Subsysteme, überwacht. Es geht darum, 

eventuelle Abweichungen zu erkennen und gegebenenfalls 

auf solche Verletzungen mithilfe von Ersatzstrategien 

zu reagieren. Innerhalb der Modellierungssprache 

UML lassen sich Constraints durch die 

Object-Constraint-Language (OCL) beschreiben. Einzelheiten 

zu OCL sind unter [12] zu finden. Da diese Sprache 

jedoch weit über die Modellierung rein zeitlicher Aspek- 


10 / 2012 

37

HAUPTBEITRAG 

te hinausgeht und aufgrund ihrer Mächtigkeit eine intensive 

Einarbeitung erfordert, wird für die in diesem 

Beitrag beschriebene Anwendung eine alternative Beschreibungsform 

gewählt. Diese beinhaltet eine zeitliche 

Betrachtung des Gesamtsystems und der einzelnen Teilsysteme 

und trifft qualitative und quantifizierbare Aussagen 

über deterministische und nicht-deterministische 

Vorgänge in heterogenen Systemen. 

Es wird eine Notation vorgeschlagen, die auf Netzplantechnik 

und GANTT-Diagrammen basiert. Diese Art der 

Modellierung wird beispielhaft für ein Pendeldämpfungssystem 

(anti-sway system) eines Kransystems durchgeführt 

(Bild 1). Dieses Verfahren ermöglicht es, zeitkritische 

Engpässe und zeitliche Spielräume zu finden, um 

das zeitliche Verhalten des Gesamtsystems zu optimieren. 

1. ZEITLICHE DARSTELLUNG VERTEILTER SYSTEME 

Wir betrachten ein Gesamtsystem, bestehend aus Prozessen, 

Kommunikationsstrukturen und der dazugehörigen 

gerätetechnischen Instrumentierung. Für die zeitliche 

Darstellung dieser verteilten Systeme eignen sich besonders 

die Diagrammtypen Netzplan und GANTT-Diagramm. 

Die Methode der Netzplantechnik wird im weiteren 

Verlauf auf die konkrete Anwendung übertragen. 

Eine erste schematische Zuordnung der anzutreffenden 

Funktionsbestandteile zu ihrem zu erwartenden Zeitverhalten 

zeigt Bild 2. 

Um bereits während der Modellierung zeitkritische 

Engpässe und zeitliche Spielräume zu lokalisieren, werden 

folgende Schritte vorgeschlagen: 

1 | Modellierung der statischen Systemeigenschaft 

mittels SysML mit einem Schwerpunkt auf dem 

zeitlichen Einzelverhalten der jeweiligen Module 

2 | Modellierung der Abhängigkeiten mittels der aus 

der Prozessoptimierung bekannten Netzplantechnik 

3 | Ermittlung eventueller Engpässe sowie zeitlich 

unbestimmter Prozesse und Optimierung des 

Gesamtsystems 

4 | Verwendung eines Online-Beobachters zur 

permanenten Überwachung zeitlich unbestimmter 

Prozesse 

5 | Erarbeitung von Handlungsempfehlungen bei 

Verletzung zeitlicher Beschränkungen 

Die Praxistauglichkeit dieses Vorgehens wird anhand 

eines Pendeldämpfungssystems einer Krananlage (Handling-System) 

nachgewiesen. Der Ansatz ist so allgemein 

gewählt, dass sich diese Methode auf andere Projekte 

und Anlagen übertragen lässt. 

2. ANLAGENBESCHREIBUNG HANDLING-SYSTEM 

Handling-Systeme in Form von Kransystemen und handgeführten 

Manipulatoren werden aus Normungssicht in 

DIN EN 14238 behandelt [13]. Als Teilelemente komplexer 

Logistikprozesse finden sich Handling-Systeme unter 

anderem in der Intralogistik. Ihr Einsatzgebiet umfasst 

fast alle Technikbereiche. In der Konzeption von Materialflusssystemen 

spielen Handling-Systeme und deren 

Einsatz in gekapselten Subsystemen daher eine wichtige 

Rolle. Um derart komplexe Systeme unter dem Gesichtspunkt 

der zeitund energieoptimalen Fahrweise betreiben 

zu können, bedarf es in jedem Fall einer modellbasierten 

Prozessführungsstrategie, die eine Überführung 

der Last entlang einer zu definierenden oder definierten 

Trajektorie sicherstellt. Dies bedeutet, dass die technologischen 

Rahmenbedingungen zu betrachten sind und 

die für die informationstechnische Realisierung notwendigen 

Ressourcen der Instrumentierung (Performance 

PAC, Speicher, Timing, Kommunikationskanäle) und 

deren Auslegungsparameter. Nur durch die transparente 

Betrachtung dieser Ressourcen und deren Einfluss 

ergibt sich die Möglichkeit, bereits im Vorfeld auf das 

Engineering einzuwirken. 

Bei der in Bild 3 ausgewiesenen Instrumentierung handelt 

es sich um eine Reduktion auf die wesentlichen 

Merkmale der Ansteuerung einer Achse eines beliebigen 

Handling-Systems. 

Die Beherrschung des Engineerings derartiger Systeme 

erfordert eine systematische Strukturierung der notwendigen 

Funktionsbereiche und umfasst die Modellierung 

der Eigenschaften und der Abhängigkeiten der einzelnen 

Module. Neben der statischen Modellierung der einzelnen 

Elemente (Module) findet zunächst eine erste 

Abschätzung der zu erwartenden zeitlichen Anforderungen 

an die Systembestandteile (Systemmodule) statt. Im 

Anschluss werden die dynamischen Eigenschaften der 

Module untersucht. 

Auf Basis dieser zeitlichen Einordnung und der in der 

Praxis anzutreffenden Rahmenbedingungen erfolgen die 

ereignisgesteuerte Freigabe von Ressourcen, sowie die 

Stellgrößengenerierung und Ansteuerung des betreffenden 

Antriebs. Die durchgängige Darstellung der funktionalen 

Anlagenstruktur, sowie deren Abhängigkeiten 

und Schnittstellen zwischen den Teilmodulen Prozessüberwachung, 

Steuerung und Regelung, zeigt Bild 4. 

3. ABBILDUNG DER ZEITLICHEN EIGENSCHAFTEN 

Durch die Verwendung der Metamodellierungssprache 

SysML lassen sich auch nichtfunktionale Anforderungen 

modellieren. In SysML definierte Constraint-Blöcke 

bieten einen Mechanismus zur Modellierung zeitabhängiger 

und sicherheitskritischer Randbedingungen. Zeitliche 

Abläufe werden daher als Eigenschaft innerhalb 

der Constraint-Blöcke modelliert, auf die andere Blöcke 

wiederum zugreifen können [14]. Die statische Anlagenstruktur 

des betrachteten Systems wurde mit SysML 

aufbereitet. SysML erlaubt unter anderem die Spezifikation, 

die Analyse, das Design und die Verifikation und 

Validierung von Systemen und deren Systemelemente 

wie Software, Hardware, Informationen, Prozesse, Personen 

und Gegenstände. Ausgehend von dem Systemmodell 

(Bild 4) wird mithilfe von Konfigurationseinstellungen 

und der Übergabe von Werten an die äußere 

Schnittstelle des Systems die Veränderung des Systemzustandes 

im Verlauf der Zeit beobachtet. 

Damit dieses Systemmodell nicht nur zur Systembeschreibung 

dient, sondern auch eine Simulation des Sys- 

38 


10 / 2012

BILD 2: Zeitliche Einordnung der Funktionsbestandteile 

BILD 1: Technologieschema-Einordnung 

BILD 3: Schematische Darstellung eines Handling-Systems 

BILD 4: Darstellung der Abhängigkeiten der 

Teilmodule 

BILD 5: Darstellungen der Funktionsblöcke mittels SysML 


10 / 2012 

39

HAUPTBEITRAG 

Die Netzplantechnik wird hauptsächlich für die zeitliche 

Organisation von Projekten und Abläufen eingesetzt. 

Es gibt viele Werkzeuge, und die mathematischen Verfahren 

zur Ermittlung verschiedener Pfade (Routing) 

sind ausgereift. Somit ist die Ermittlung kritischer Pfade 

und alternativer Kommunikationswege über Routingvertems 

ermöglicht, muss neben der Systemstruktur das 

Systemverhalten spezifiziert werden. Zustandsänderungen 

können so zu diskreten Zeitpunkten oder kontinuierlich 

vollzogen werden [15]. Das SysML-Blockdiagramm 

(Bild 5) übernimmt hierbei die Kernbereiche der 

Funktionsübersicht und definiert für jeden Bereich eine 

zeitliche Abhängigkeit und Priorität. Das zeitliche Verhalten 

wird an zusätzlichen Funktionen abgeleitet. 

4. VERWENDUNG DER NETZPLANTECHNIK 

Durch das SysML-Blockdiagramm ist es nun möglich, 

diese Konstellation in die Netzplantechnik zu überführen. 

Dabei ist die Modellierung für örtlich beschränkte 

Sub-Systeme und für örtlich und zeitlich verteilte vernetzte 

Systeme umsetzbar. Kommunikationsprotokolle 

und Kanäle können dabei in die Modellierung mit einbezogen 

werden. Der Begriff Netzplantechnik umfasst 

nach DIN 69900-1 „auf Ablaufstrukturen basierende 

Verfahren zur Analyse, Beschreibung, Planung, Steue- 

rung, Überwachung von Abläufen, wobei Zeit, Kosten, 

Ressourcen und weitere Größen berücksichtigt werden 

können“ [16]. Ein Netzplan ist somit die grafische oder 

tabellarische Darstellung von Abläufen und deren Abhängigkeiten. 

In diesem Netzplan (siehe Bild 6) besitzt 

jeder Vorgang eine Priorität, zeitliche Dauer und Puffer 

und wird mit dem jeweiligen deterministischen Kommunikationskanal 

verkettet. Nun können die Zeitpunkte 

der Vorgänger berechnet werden. Da die Kommunikationskanäle 

zyklisch Daten versenden, gibt es einen 

festen Endzeitpunkt. 

4.1 Vorteile bei der Verwendung der Netzplantechnik 

nicht-deterministische 

Kommunikation 


Kommunikation 

deterministische 

Kommunikation 


Kommunikation 

BILD 6: Netzplan – Zeitliche Zuordnung (Auszug) 

40 


10 / 2012

fahren mittels entsprechender Algorithmen realisierbar. 

Bei der Netzplantechnik handelt es sich um eine anschauliche 

grafische Darstellungsform, welche bereits 

aus anderen Fachdisziplinen bekannt ist und daher nur 

eine geringe Einarbeitungszeit benötigt. Zeitliche Verfügbarkeiten 

können direkt aus dem Netzplan gewonnen 

werden. So lässt sich eine Ablaufplanung unter Präzedenz- 

und Ressourceneinschränkungen durchführen. 

Die Verwendung eines Online-Beobachters dient dazu, 

den ermittelten kritischen Pfad zu überwachen und im 

Falle einer Verletzung oder Überschreitung von Grenzen 

Handlungsempfehlungen zu ermöglichen. 

4.2 Nachteile bei der Verwendung der Netzplantechnik 

Die vorgestellte zeitliche Modellierung mittels Netzplantechnik 

berücksichtigt ausschließlich die zeitlichen Aspekte. 

In den folgenden Ausführungen wird die criticalpath-Methode 

der Netzplantechnik als etabliertes Werkzeug 

für prozessrelevante Ereignisse (Vorgänge) exemplarisch 

verwendet [17]. Die Autoren setzen voraus, dass 

auch nicht-deterministische Systeme innerhalb der angegebenen 

Zeitgrenzen bleiben. Eine Verletzung der Einschränkungen, 

also beispielsweise im Fehlerfall, welcher 

sich ebenfalls durch Handlungsempfehlungen in 

Form einer Ersatzwertstrategie berücksichtigen lässt, 

wird nicht weiter behandelt. 

4.3 Ergebnisermittlung als Nachweisführung 

Der in Bild 6 dargestellte zeitliche Zusammenhang beruht 

auf der Annahme, dass eine örtliche und zeitliche 

Verteilung der notwendigen Ressourcen in der Systemumgebung 

gegeben ist. Dies bedeutet, dass die Ressourcen 

hinsichtlich ihrer zeitlichen Positionierung einen 

unbestimmten Anfangszustand einnehmen können. Um 

die Prozessführung hinreichend stabil und robust zu 

gestalten, bedarf es vorab einer zeitlichen Abschätzung 

der Modellzeit auf systembeeinflussende Ereignisse. Das 

betrachtete Ereignis ist die Pendelbewegung der Last 

nichtdeterministische 

Kommunikation 

deterministische 

Kommunikation 

BILD 7: Zeitkritischer Pfad – 

Ressourcennutzung 

BILD 8: Zeitversatz der Ressourcennutzung 

und deren Einfluss (exemplarisch) 

BILD 9: Beeinflussung Prozessführung 

bei Fehlinterpretation von Prozessgrößen 


10 / 2012 

41

HAUPTBEITRAG 

während ihrer Positionierung. Mit den genutzten Ressourcen 

sollen die Kompensation der Restpendelbewegung 

und des vorhandenen Modellfehlers der Anlage 

erfolgen. Auf Basis der Netzplandarstellung ergeben sich 

automatisch die notwendigen Ressourcen und der kritische 

Pfad für den Bereich der Stellgrößengenerierung 

des Reglers, welche Bild 7 aufzeigt. 

Hieraus wird ersichtlich, dass unter Berücksichtigung 

dieser Annahmen (Bild 8), sich die Nutzung der Ressource 

Kommunikation am zeitlich intensivsten auswirkt. 

Bei einer angenommenen Positioniergeschwindigkeit 

von bis zu 4 m/s ergibt sich bereits eine erhebliche Streuung 

in der Positioniergenauigkeit. Für den Fall, dass die 

vereinbarte zeitliche Beschränkung verletzt wird, muss 

der nachgeführte Ersatzwert Vorrang vor dem veralteten 

Messwert erhalten, da dies sonst zu einer erheblichen 

Verschlechterung des Prozessverhaltens und zu einer 

Fehlinterpretation des Systemverhaltens führen kann. 

Diese Auswirkungen sind qualitativ in Bild 9 dargestellt. 

Die mögliche Fehlinterpretation hängt immer ab vom 

gewählten Ansatz der Rekonstruktion von Messwerten 

und des zu kompensierenden Modellfehlers. Da bei einer 

Rekonstruktion über einen Zustandsbeobachter auch die 

Prozessgrößen zum Abgleich genutzt werden, folgt eine 

nicht zu vernachlässigende Verfälschung des rekonstruierten 

Parameters. Dieses Verhalten kann vermindert 

werden, wenn die zeitliche Betrachtung dieser Situation 

in den verteilten Ressourcen und ihren Applikationen 

berücksichtigt wird. 

FAZIT 

Bereits bekannte Modellierungsverfahren erlauben es, 

deterministische Systeme vollständig zu beschreiben. 

Die Systeme, die deterministische und nicht deterministische 

Subsysteme aufweisen, lassen sich unter anderem 

dadurch modellieren, dass ausschließlich deterministische 

Kommunikationssysteme, wie echtzeitfähige 

Feldbusse, verwendet werden. Der vorgestellte 

Ansatz beschreibt vereinfacht die zeitliche Modellierung 

eines komplexen Systems, welches sowohl deterministische 

als auch nicht-deterministische Subsysteme 

aufweist. Dabei wird unter anderem die für technische 

Systeme und Anlagen spezifizierte Metamodellierungssprache 

SysML verwendet. Die Constraint-Blöcke 

in SysML dienen der Festlegung nicht-funktionaler 

Randbedingungen. Im beschriebenen Anwendungsfall 

sind das die zeitlichen Rahmenbedingungen. Unter Verwendung 

der Netzplantechnik, die auf der Graphentheorie 

basiert, lässt sich durch die Verkettung der modellierten 

Blöcke ein anschaulicher Überblick über das 

Gesamtsystem gewinnen. 

Im Beitrag wurde die Methode des kritischen Pfades 

verwendet, bei der die Übergänge beziehungsweise Transitionen 

als Pfeile dargestellt werden. Bei dieser Vorgehensweise 

ist eine rechnergestützte Auswertung möglich. 

Darüber hinaus bietet dieses Verfahren eine hohe 

Sicherheit bei der Abschätzung des zeitlichen Verhaltens 

des Gesamtsystems. Engpässe im zeitlichen Verhalten 

können bereits während der Modellierungsphase erkannt 

und behoben werden. Der Einsatz des Online-Beobachters, 

der eine Einzelüberwachung, der verschiedenen 

Systemzeiten durchführt kann zu Handlungsempfehlungen 

zur Anpassung einzelner Zeiten und zur Optimierung 

des kritischen Pfades und damit zur zeitlichen 

Optimierung des Gesamtsystems verwendet werden. 

REFERENZEN 


30.04.2012 


[1] Grimm, B.: Virtuelle Inbetriebnahme von Produktionsanlagen. 

atp edition–Automatisierungstechnische 

Praxis, 54(4), S. 28 – 33, 2012 

[2] Urbas, L., Bleuel, St., Jäger, T., Schmitz, St., Evertz, L., 

Nekolla, T. Automatisierung von Prozessmodulen. atp 

edition – Automatisierungstechnische Praxis, 54 (1– 2), 

S. 44 – 53, 2012 

[3] IEC 61131-3: Programmable controllers, 2003 

[4] DIN EN 61499: Funktionsbausteine für industrielle 

Leitsysteme, 2005 

[5] DIN IEC 60050-351: Internationales Elektrotechnisches 

Wörterbuch – Teil 351: Leittechnik, 2009 

[6] Gillies, D.W.: Real-Time System References and 

Reading Materials, Elec 494 Course on Real-Time 

Software-Spring, University of British Columbia, 

Dept. of Electrical Engineering, 1995 

[7] Petri, C.A.: Kommunikation mit Automaten, Schriften 

d. Rheinisch-Westfälischen Instituts f. instrumentelle 

Mathematik Universität Bonn. Nr. 2, Darmstadt 1962 

[8] Schorer, M., Mottok J., Kuntz St.: Beschreibung eines 

kooperativen Tasksystems mit OSEK-konformen 

Scheduler durch Petri Netze. In: Tagungsband 2. Embedded 

Software Engineering Kongress, S. 637 – 644. 

Vogel, 2009 

[9] Frey, G., Hussain, T.: Entwicklung verteilter Steuerungen 

mit UML und IEC 61499. In: Tagungsband Automation 

2008, S. 199 – 202. VDI-Verlag, 2008. 

[10] OMG Systems Modeling Language, 2010 ( http://www. 

sysml.org/docs/specs/OMGSysML-v1.2-10-06-02.pdf ) 

[11] ISO/IEC 19505-1/ 2: Information technology-Object 

Management Group Unified Modeling Language (OMG 

UML), 2012 

[12] OMG Object Constraint Language (OCL) Version 2.3.1 

(http://www.omg.org/spec/OCL/2.3.1) 

[13] DIN EN 14238: Krane – Handgeführte Manipulatoren; 2009 

[14] Hausding, P: Systemmodellierung mit SysML, Studienarbeit 

am Institut für Informatik, Lehr- und Forschungseinheit 

Systemanalyse, Humboldt Universität Berlin 2009 

[15] DIN 69900-01, Projektmanagement – Netzplantechnik; 

Beschreibungen und Begriffe, 2009. 

[16] Aichele, Ch.: Intelligentes Projektmanagement, 

Kohlhammer Verlag, 2006 

42 


10 / 2012

AUTOREN 

Prof. Dr.-Ing. STEPHAN SCHÄFER (geb. 1970) 

lehrt seit 2010 an der Hochschule für Technik und 

Wirtschaft HTW in Berlin. Zu seinen Forschungsschwerpunkten 

zählen die Modellierung und der 

Einsatz komplexer Automatisierungssysteme in 

heterogenen Industrieumgebungen, verteilte Echtzeitsysteme 

und die Ergonomie- und Gestaltungsanforderungen 

an SCADA und HMI-Oberflächen. 

HTW Berlin, FB1, 

Wilhelminenhofstraße 75A, D-12459 Berlin, 

Tel. +49 (0) 30 50 19 34 66, 

E-Mail: stephan.schaefer@htw-berlin.de 

Dipl.-Ing. DIRK SCHÖTTKE (geb. 1962) ist Mitarbeiter 

im Studiengang Elektrotechnik der HTW Berlin 

und dort im Bereich Prozesssteuerungssysteme 

tätig. Zu seinen Hauptarbeitsgebieten gehören die 

Analyse, der Entwurf und die Entwicklung von 

SW-Lösungen für Anwendungen in der Industrieund 

Gebäudeautomation sowie die Bereiche der 

Feldbussysteme und der verteilten Echtzeitsysteme. 



Tel. +49 (0) 30 50 19 35 64, 

E-Mail: dirk.schoettke@htw-berlin.de 

Prof. Dr.-Ing. ULRICH BERGER (geb. 1959) 

leitet seit 2001 den Lehrstuhl für Automatisierungstechnik 

und ist seit 2011 Mitglied des 

Fakultätsrates der Fakultät Maschinenbau, 

Elektrotechnik und Wirtschaftsingenieurwesen 

der Brandenburgischen Technischen Universität 

(BTU) Cottbus. 

BTU Cottbus, Lehrstuhl AT, 

Postfach 101344, D-03013 Cottbus, 

Tel. +49 (0) 355 694 11 11, 

E-Mail: ulrich.berger@tu-cottbus.de 

THOMAS KÄMPFE (B.Eng.) (geb. 1983) studiert an 

der HTW Berlin im Masterstudiengang Informations- 

und Kommunikationstechnik. In seiner 

Masterarbeit beschäftigt er sich mit der Thematik 

„Funktionaler Anwendungsentwurf für verteilte 

Automatisierungslösungen am Beispiel seilgeführter 

Handhabungssysteme“. 



Tel. +49 (0) 30 50 19 35 64, 

E-Mail: thomas.kaempfe@student.htw-berlin.de 

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10 / 2012 

43

HAUPTBEITRAG 

Safety und Security 

für Feldbus-Anforderungen 

Architektur ermöglicht Nachweisbarkeit und Echtzeit 

Für die fehlersichere Kommunikation existiert eine Reihe von Safety-Protokollen, die 

entweder über einen separaten Safety-Feldbus ausgeführt oder in einen Standard-Feldbus 

sicher eingebettet werden. Durch das wachsende Risiko von Angriffen auf Automatisierungssysteme 

wurde in letzter Zeit die Security ein immer wichtigeres Thema. In diesem 

Beitrag wird eine Architektur zur Kombination von Safety- und Security-Methoden vorgestellt. 

Dabei sind die Security-Methoden so gewählt, dass die Gültigkeit der Safety- 

Fehlermodelle erhalten bleibt, während die Security-Ziele ohne Einschränkungen erreicht 

werden. Die Wechselwirkungen zwischen den Methoden werden hinsichtlich Safety- und 

Security-Kriterien sowie der Effizienz analysiert. 

SCHLAGWÖRTER Safety / Security / Feldbus / Kommunikation / Integrität / Vertraulichkeit 

Safety and security for fieldbus requirements – 

Architecture allowing validification 

There are many protocols for fail-safe communication that are either executed over a 

separate safety fieldbus or safely embedded in a regular fieldbus. Because of the growing 

risk of attacks against automation systems, security became an increasingly important 

issue. Safety and security measures apply different methods in order to achieve different 

goals. Their combination causes inevitable interactions. In this paper, an architecture for 

the combination of safety and security measures is presented. There the security measures 

are chosen such that the fault models of safety still hold and the security goals are 

reached without limitations. The interactions between the measures are analyzed with 

respect to safety and security criteria as well as efficiency. 

KEYWORDS safety / security / fieldbus / communication / integrity / confidentiality 

44 


10 / 2012

FELIX WIECZOREK, FRANK SCHILLER, Beckhoff Automation 

Moderne Feldbusse sind häufig Teil komplexer 

Automatisierungs-Netzwerkarchitekturen. 

Spätestens seit die Prozess- und Felddaten 

über Industrial Ethernet oder drahtlos transportiert 

werden, kann nicht länger vorausgesetzt 

werden, dass die Feldbusumgebung nur aus vertrauenswürdigen 

Kommunikationsteilnehmern besteht. 

Es ist davon auszugehen, dass auch Angreifer Zugang 

zum Feldbus erhalten. 

Safety-Protokolle in Feldbussen erkennen Fehler, um 

vor sicherheitskritischen Situationen zu schützen [1, 2]. 

Bei diesen Protokollen stehen zufällige Fehler im Fokus. 

Sie sind nicht ausgelegt, um vor Manipulation der Daten 

oder unbefugtem Lesen durch intelligente Angreifer zu 

schützen, da diese keinesfalls zufälligen Ereignissen 

entsprechen. Um die Angreifer zu berücksichtigen, müssen 

zusätzliche Security-Mechanismen in Feldbus-Protokolle 

eingeführt werden. 

Laut Kerckhoffs’ zweitem Prinzip [3], bekannt als 

Kerckhoffs’ Prinzip, wird vorausgesetzt, dass ein Angreifer 

alles über das Zielsystem einschließlich aller Komponenten 

und Prozesse weiß oder in Erfahrung bringen 

kann – nur nicht die Schlüssel, auf deren Grundlage die 

Daten geschützt werden. Die konsequente Anwendung 

dieses Prinzips führt zu Lösungen, für die der nie ermittelbare 

Wissensstand eines Angreifers unerheblich ist. 

Es ist nur noch notwendig, die Länge der Schlüssel entsprechend 

dem technischen Fortschritt zu erhöhen [4]. 

1. FEHLERSICHERE KOMMUNIKATION 

1.1 Safety-Ziele 

Allgemein ist das Ziel der Safety, das Risiko einer Gefahr 

in der gesamten Anlage und deren Umgebung zu 

verringern. Dies wird durch die Gewährleistung eines 

sicheren Zustandes erreicht. Ein sicherer Zustand liegt 

dann vor, wenn definitiv kein Fehler auftritt oder das 

System im Fehlerfall mit festgelegt hoher Wahrscheinlichkeit 

sicher reagiert. 

Für die Kommunikation bedeutet dieses Ziel, die Integrität 

der übertragenen Informationen zu sichern. Die 

Integrität von Informationen impliziert die Korrektheit 

dieser Informationen und die Erkennbarkeit von Fehlern. 

Die Integrität einer Safety-Funktion gewährleistet daher 

ihre korrekte Funktionsweise einschließlich einer sicheren 

Reaktion im Falle eines Fehlers (daher der Begriff 

fehlersichere Kommunikation). 

Safety-Mechanismen zielen darauf ab, aufgetretene 

Fehler mit hoher Wahrscheinlichkeit zu erkennen beziehungsweise 

die Wahrscheinlichkeit für unerkannte Fehler 

(Restfehlerwahrscheinlichkeit) zu minimieren. Zudem 

müssen spezielle Fehlermuster erkannt werden 

können (deterministische Kriterien, vergleiche Abschnitt 

1.2). Der Hauptfokus fehlersicherer Kommunikation 

liegt auf zufälligen Fehlern, auch wenn mittlerweile 

in den entsprechenden Safety-Normen [1] die Beachtung 

von intelligenten Angriffen angemahnt und auf 

Security-Standards verwiesen wird. 

1.2 Fehlermodelle 

Das in der Safety typischerweise verwendete Fehlermodell 

der Kommunikation ist der Binary-Symmetric- 

Channel (BSC). Dieses Modell setzt voraus, dass 

die übertragenen Bits unabhängig voneinander 

verfälscht werden, 

jedes Bit mit derselben Wahrscheinlichkeit 

verfälscht wird (Bitfehlerwahrscheinlichkeit p), 

die Verfälschung vom Wert 0 zum Wert 1 mit 

derselben Wahrscheinlichkeit auftritt wie die vom 

Wert 1 zum Wert 0. 

Die Modellannahmen des BSC treffen offensichtlich 

nicht im vollen Umfang zu. Es gibt Fehler, die mit einer 

höheren Wahrscheinlichkeit als einer gemäß dem BSC 

auftreten. Beispielsweise ist die Wahrscheinlichkeit einer 

kompletten Inversion eines Telegramms der Länge n 

nach BSC sehr gering. Da jedes Bit mit p verfälscht wird, 


10 / 2012 

45

HAUPTBEITRAG 

ergibt sich hier die Wahrscheinlichkeit aus p n . Eine 

Inversion kann aber die Folge eines einfachen Hardwarefehlers 

mit viel höherer Wahrscheinlichkeit sein. 

Deshalb werden zum probabilistischen Kriterium der 

Restfehlerwahrscheinlichkeit zusätzliche deterministische 

Kriterien für Maßnahmen festgelegt. Diese sind die 

vollständige Erkennung von: 

komplett invertierten Telegrammen, 

komplett auf 1 oder 0 gesetzten Telegrammen, 

Telegrammen mit Bandfehlern (Slack-Fehler), 

Telegrammen mit Bündelfehlern, 

verfälschten Telegrammen mit ungerader Anzahl 

verfälschter Bits und 

verfälschten Telegrammen mit einer kleineren 

Anzahl verfälschter Bits als eine minimale 

Hamming-Distanz (HD). 

In der allgemeinen Codierungstheorie beschreibt die minimale 

HD die minimale Anzahl von Bits, die mindes tens 

verändert werden müssen, damit aus einem gültigen Codewort 

ein anderes generiert wird. Daher bedeutet in der 

Kommunikation die HD, wie viele Bits mindestens verfälscht 

sein müssen, um potenziell ein unerkennbares fehlerhaftes 

Telegramm zu erhalten. Beispielsweise bedeutet 

eine HD von 6, dass alle 1- bis 5-Bit-Fehler erkennbar sind. 

Erst von den 6-Bit-Fehlern sind einige nicht erkennbar. 

Die deterministischen Kriterien hängen nicht von den 

Annahmen des BSC ab; die entsprechenden Nachweise 

beziehen sich nur auf Code-Eigenschaften. Da der BSC 

nicht umfassend gilt, reicht für Safety-Nachweise eine 

Argumentation nur auf Basis der Restfehlerwahrscheinlichkeit 

nach BSC nicht aus. Eine Analyse entsprechend 

der deterministischen Kriterien ist unabdingbar. 

1.3 Safety-Lösungen 

Um Übertragungsfehler zu erkennen, wird im Sender 

eine Prüfsumme Frame-Check-Sequence (fcs) vor der 

Übertragung an die Daten angehängt. Beim Empfänger 

wird die Konsistenz zwischen der empfangenen fcs und 

den empfangenen Daten geprüft. Falls die Konsistenz 

gilt, wird die Korrektheit der Daten angenommen. Es gibt 

verschiedenen Techniken für eine solche Art der Fehlererkennung. 

Eine weitverbreitete Codierungstechnik ist 

der Cyclic-Redundancy-Check (CRC). Dabei lässt sich 

mit einer relativ geringen Anzahl an Prüfsummenbits 

eine geringe Restfehlerwahrscheinlichkeit erreichen. 

Die fcs wird mithilfe eines Generatorpolynoms berechnet, 

das einen signifikanten Einfluss auf die Qualität der 

Fehlererkennung hat [5, 6, 7]. 

Allgemein wird die Restfehlerwahrscheinlichkeit 

P re durch 

n 

P re =∑ A i ∙ p i ∙ (1– p) n–i , 

i = HD 

berechnet, wobei A i die Anzahl der unerkennbaren Fehlermuster 

mit i verfälschten Bits eines n-Bit-Telegramms 

darstellt. Neben der Berechnung der Restfehlerwahrscheinlichkeit 

kann auch die Einhaltung deterministischer 

Kriterien nachgewiesen werden [8]. 

2. SECURITY-KOMMUNIKATION 

2.1 Schutzziele 

Die Security-Ziele für die Kommunikation weisen einige 

Unterschiede zu den Safety-Zielen auf. Typische Security-Ziele 

sind in [9, 10, 11] aufgeführt. In diesem Beitrag 

sind die Ziele von [9] abgeleitet, die auch mit [12] vereinbar 

sind. Im Folgenden werden nur die drei wichtigsten 

definiert. 

Integrität (Integrity) ist die Korrektheit von Funktionen 

und Informationen. Veränderungen durch Unbefugte 

müssen unmöglich oder wenigstens erkennbar sein. 

Diese Aussage ist mit der obigen Definition von Integrität 

im Bereich der Safety vereinbar. Allerdings steht 

bei der Security die Erkennung von Manipulationen statt 

der Erkennung von zufälligen Fehlern im Fokus. 

Vertraulichkeit (Confidentiality) von Funktionen und 

Informationen liegt vor, wenn für unautorisierte Parteien 

kein Wissen über diese ableitbar ist. 

Die Vertraulichkeit ist eines der klassischen Ziele der 

Kryptographie. Sie wird durch Verschlüsselungssysteme 

erreicht (siehe Abschnitt 2.3). Es ist wichtig hervorzuheben, 

dass eine garantierte Vertraulichkeit nicht vor einer 

Verkehrsanalyse schützt, das heißt die Information, welche 

Kommunikationspartner wann und wie viel kommunizieren, 

bleibt nach wie vor erhalten und kann für 

einen Angreifer wertvoll sein. 

Verfügbarkeit (Availability) von Funktionen und Informationen 

liegt vor, wenn diese genutzt werden können, 

wann es geplant ist. 

Funktionen und Informationen müssen also nicht permanent 

zur Verfügung stehen, sondern nur dann, wenn 

sie tatsächlich benötigt werden. 

In diesem Beitrag werden nur die zwei Ziele Integrität 

und Vertraulichkeit behandelt. Die Verfügbarkeit kann 

nicht auf Protokollebene gegen aktive Angreifer geschützt 

werden, da Fehler wie das Löschen von Telegrammen 

zwar erkannt, aber nicht verhindert werden 

können. Die vorgeschlagene Architektur wurde unter 

der Maßgabe entwickelt, die vorhandene Verfügbarkeit 

nicht zu beeinträchtigen. 

2.2 Angreifermodell 

Die Fähigkeiten eines Angreifers werden mittels eines 

Angreifermodells beschrieben. Ein Angreifer versucht 

immer, ein oder mehrere Schutzziele zu brechen. Angreifer 

auf Kommunikationssysteme unterscheiden sich 

bezüglich der Aspekte. 

Aktivität, 

Lokalität und 

Rechenleistung, 

die im Folgenden genauer beschrieben werden. 

46 


10 / 2012

Aktivitätsausprägungen. Das Angreifermodell beinhaltet 

alle Aktivitäten, zu denen ein Angreifer fähig ist. Diese 

Aktivitäten können passiv sein, wobei der Angreifer nur 

die übertragenen Daten lesen, aber nicht verändern kann. 

Dies ist ein realistisches Szenario, bei dem der Angreifer 

zu Komponenten des Netzwerks Zugang hat, die nur Telegramme 

lesen können, zum Beispiel Monitorports. 

Mächtigere Angreifer hingegen sind aktiv, das heißt, dass 

die Angreifer zudem Daten manipulieren. 

In der Praxis werden die meisten Angreifer zumindest 

einige aktive Fähigkeiten haben. Bei der drahtlosen Kommunikation 

muss der Angreifer nur einen minimalen 

Aufwand betreiben, um aktive Angriffe ausführen zu 

können, aber auch der Zugang zu einem verbundenen 

Gerät oder Kabel kann aktive Angriffe ermöglichen. Die 

Datenmanipulationen können weiter unterschieden werden 

in 

das Blockieren von Daten, 

das Verzögern von Daten, 

das Erzeugen neuer Daten, die von einer anderen 

Identität zu stammen scheinen, 

das Wiedereinspielen von Daten, wobei der 

Angreifer in der Lage ist, bereits gesendete Daten 

erneut zu senden. 

Lokalitätsausprägungen. Der Zugang ist entscheidend für 

die Information, zu der ein Angreifer Zugriff hat. Diese 

Zugänge werden unterschieden in: 

Physikalischer Zugang zu einem Gerät. Dieser Zugang 

kann zu sehr wirkungsvollen Angriffen führen. 

Es können hier die Seitenkanalinformationen wie 

etwa der Stromverbrauch oder das Laufzeitverhalten 

bei der Verarbeitung von Schlüsseldaten ausgenutzt 

werden. Physikalische Angriffe zielen auf Implementierungseigenschaften 

bis auf die Hardware- 

Ebene, die schwer kontrollierbar sind. Angreifer mit 

physikalischem Zugang werden in diesem Artikel 

nicht betrachtet; diese können nur auf konkreter 

Implementierungsebene abgewehrt werden. 

Zugang zu einzelnen Punkten im Feldbus. Der Angreifer 

hat nur Zugang zu Telegrammen, die durch 

diese Punkte des Feldbusses geroutet werden. Deshalb 

hängt die Stärke des Angreifers stark von der 

Routingstrategie im Feldbus ab. 

Globaler Zugang zu allen Verbindungen im Feldbus. 

Der Angreifer hat Zugriff auf alle übertragenen Daten. 

Ein solcher Angreifertyp wird für die Untersuchung 

von Security-Protokollen unterstellt. 

Rechenleistungsausprägung. Die Rechenleistung eines 

Angreifers ist immer beschränkt. Wenn der Angreifer 

jedoch eine unbeschränkte Rechenleistung zur Verfügung 

hätte, wäre eine erschöpfende Schlüsselsuche in 

beliebig kurzer Zeit möglich. 

Die Rechenleistung des Angreifers wird daher in für 

ihn lösbarer Schlüssellänge gemessen. Eine gute Übersicht 

über lösbare Schlüssellängen und Zeiten gibt [13]. 

Die Laufzeit von Angriffsalgorithmen gegen die im Folgenden 

beschriebenen Lösungen, erhöht sich exponentiell 

mit steigender Schlüssellänge, während sich die 

Laufzeit der kryptographischen Algorithmen der berechtigten 

Parteien linear erhöht. 

2.3 Security-Lösungen 

Überblick über Security-Algorithmen. Um die Schutzziele 

zu erreichen, werden kryptographische Algorithmen 

in Protokollen verwendet. Die Algorithmen können 

wie in Bild 1 unterteilt werden. Alle kryptographischen 

Algorithmen sind so gestaltet, dass deren Ausgaben 

ohne Kenntnis des Schlüssels in relevanter Zeit 

nicht von zufälligen, gleichverteilten Werten zu unterscheiden 

sind. Diese Eigenschaft wird als pseudozufällig 

bezeichnet. 

Die asymmetrische Kryptographie basiert auf NPschweren 

Problemen (zum Beispiel der ganzzahlige 

Faktorisierung großer Zahlen). Die Verschlüsselung 

erfolgt dort mit einem öffentlichen Schlüssel, für die 

Entschlüsselung wird der zugehörige private Schlüssel 

benötigt. Asymmetrische Kryptographie skaliert in großen 

Systemen, so werden für n Parteien, O(n) Schlüsselpaare 

erfordert. 

Die symmetrische Kryptographie basiert darauf, dass 

jeweils kommunizierende Parteien dieselben Schlüssel 

teilen. Die Algorithmen der symmetrischen Kryptographie 

können schneller abgearbeitet werden als die der 

asymmetrischen Kryptographie, sie skalieren aber 

nicht. In einem System von n Parteien werden O(n²) 

Schlüssel benötigt. Die symmetrische Kryptographie 

kann weiterhin in Block- und Stromverschlüsselung 

unterschieden werden. 

Bei Blockchiffren werden die zu verschlüsselnden Daten 

in Blöcke gleicher Länge geteilt. Jeder Block wird separat 

mit dem Schlüssel verarbeitet. Mit jeder Änderung 

eines Bits eines Eingabeblocks soll jedes Bit des Ausgabeblocks 

mit der Wahrscheinlichkeit von 0,5 verändert 

werden (strict avalanche criterion, [14]). Dadurch wären 

die Safety-Fehlermodelle nicht gültig (Abschnitt 1.2). 

BILD 1: Klassifikation kryptographischer Algorithmen 


10 / 2012 

47

HAUPTBEITRAG 

Stromchiffren verwenden den Schlüssel für die Initialisierung 

und erzeugen dann einen pseudozufälligen 

Strom. Sie sind effizient in Hardware implementierbar, 

aber die Erfahrung im Design und der Analyse von 

Stromchiffren ist geringer als die von Blockchiffren. 

In vielen kryptographischen Protokollen wird ein hybrider 

Ansatz gewählt, um die Performanz der symmetrischen 

Verschlüsselung mit der skalierenden Schlüsselverwaltung 

der asymmetrischen Verfahren zu kombinieren, 

wie beispielsweise bei [15] beschrieben. In 

diesen Protokollen wird ein Schlüssel unter Verwendung 

asymmetrischer Algorithmen ausgetauscht. Die zu übertragenden 

Daten werden später durch den ausgetauschten 

Schlüssel mit einem symmetrischen Algorithmus 

geschützt. 

Asynchrone Stromchiffren propagieren Fehler in den 

entschlüsselten Datenstrom, da empfangene Daten auf 

den Schlüsselstrom rückgekoppelt werden [17]. Diese 

Eigenschaft würde sich nachteilig auf die Anwendbarkeit 

der Safety-Fehlermodelle auswirken (Abschnitt 1.2). 

Im Folgenden konzentriert sich der Beitrag auf eine 

echtzeitfähige Kommunikation, wobei synchrone Stromchiffren 

verwendet werden. Es wird angenommen, dass 

die Schlüssel jeder Partei bereits bekannt sind, zum Beispiel 

als Resultat eines Schlüsselaustauschs. 

Verschlüsselungssystem. Verschlüsselungssysteme 

bestehen aus zwei Algorithmen: einem zum Ver- und 

einem zum Entschlüsseln. Basieren diese Algorithmen 

auf symmetrischer Kryptographie, so sind sie häufig so 

ähnlich, dass nur der Verschlüsselungsalgorithmus Enc 

angegeben wird. Die hier betrachteten Verschlüsselungen 

auf Basis von Stromchiffren führen ein bitweises 

exklusives Oder (XOR) des Schlüsselstroms und des 

Datenstroms im Klartext aus. Derselbe Schlüsselstrom 

darf nicht mehrfach benutzt werden, um eine erfolgreiche 

differenzielle Kryptanalyse [16] zu verhindern. Diese 

Art der Verschlüsselung wird One-Time-Pad (OTP)- 

Mode genannt [17]. 

Integritätssysteme. Integritätssysteme verwenden 

kryptographische Algorithmen, um die Integrität von 

Daten zu schützen. Die Integrität von Daten wird von 

einem Message-Authentication-Code (mac) geschützt. 

Der erzeugende Algorithmus wird in der Literatur oft 

ebenfalls als Message-Authentication-Code bezeichnet. 

Im Folgenden wird er zur Unterscheidung von der kryptographischen 

Prüfsumme mac als MAC bezeichnet. Der 

Algorithmus bildet den mac aus den zu übertragenden 

Daten data und einem Schlüssel k: mac = MAC k (data). Der 

mac wird den Daten angehängt, im Folgenden durch 

data zmac dargestellt. 

Der Empfänger prüft die Konsistenz zwischen den 

empfangenen Daten und dem empfangenen mac mittels 

des Schlüssels mit einem Verifikationsalgorithmus 

Vrf k (data, mac). 

Die MAC-Algorithmen werden ähnlich wie Blockchiffren 

mit Konfusion- und Diffusion-Prinzipien entworfen, 

was zu den bereits genannten strict-avalanche-Eigenschaften 

führt [14]. Daher wird erwartet, dass jeder Bitfehler 

die Hälfte der Bits des mac beeinflusst und daher 

keine HD wie bei der Analyse der Safety bestimmt werden 

kann. Ähnlich wie bei Blockchiffren gilt ein MAC- 

Algorithmus als sicher, wenn er pseudozufällig ist. Moderne 

MAC-Algorithmen auf Basis von Stromchiffren 

werden zum Beispiel von [18] und [17] beschrieben. 

3. INTERAKTION VON SAFETY- UND 

SECURITY-MECHANISMEN 

3.1 Schwache Erkennung von Manipulationen 

Die fcs auf Basis des CRC kann nicht als Security-Integritätsinformation 

genutzt werden, da ein Angreifer zum 

Beispiel Vielfache des Generatorpolynoms des CRC ohne 

Aufdeckung mit bitweisem XOR überlagern kann. Sogar 

für beliebige Manipulationen lässt sich die originale fcs 

wieder einstellen. Für Datensätze mit vorher festgelegter 

fcs kann eine Manipulation leicht durchgeführt werden 

[19]. Besonders die deterministischen Kriterien widersprechen 

der erforderlichen Eigenschaft einer pseudozufälligen 

Ausgabe (vergleiche Abschnitt 3.3). Wenn 

beispielsweise eine HD>1 existiert, sinkt der Aufwand 

ungemein, um unerkennbare Fehlermuster mit nicht vernachlässigbarer 

Erfolgswahrscheinlichkeit zu erzeugen. 

3.2 Schwache Erkennung von zufälligen Fehlern 

Der Verifikationsalgorithmus deckt Datenverfälschungen 

auf. Daher ist die Idee naheliegend, mit dessen 

Hilfe auch zufällige Fehler aufzudecken. Für die entsprechende 

Analyse wird der mac im Folgenden unter 

den Annahmen des BSC (vergleiche Abschnitt 1.3) betrachtet. 

Dabei wird vorausgesetzt, dass sowohl der 

Schlüssel zufällig gleichverteilt gewählt wird, als auch 

der mac gleichverteilt ist, was dessen Konstruktionsprinzip 

entspricht: 

P(MAC(data 1 ) = mac) = P(MAC(data 2 ) = mac) 

wobei data 1 ^ data 2 , mac d!0,1+ ymacy . 

Die Wahrscheinlichkeit, dass zwei verschiedene Datensätze 

denselben mac erzeugen, ist also gleich. Der 

MAC-Algorithmus ist entsprechend seinen Designkriterien 

deterministisch, das heißt, bei gleichem Schlüssel 

wird für gleichen Datensatz der gleiche mac erzeugt. 

Das Telegramm data zMAC(data) mit dem Fehlermuster 

e führt zu den fehlerhaften Daten 

(data zMAC(data))’ 

= (data zMAC(data)) 5 e = data z (MAC(data))’ 

Wenn e nur den mac beeinflusst, sodass 

(data zMAC(data))’ = data z(MAC(data))’ 

gilt, ist der Fehler immer erkennbar, 

Vrf(data,(MAC(data))’) = false 6 data 

da der MAC(data) deterministisch ist. 

48 


10 / 2012

Wenn hingegen der Fehler auch data beeinflusst, 

erkennt mit Wahrscheinlichkeit 2 –ymacy die Verifikation 

Vrf(data,(MAC(data))’) den Fehler nicht. Diese 

Wahrscheinlichkeit ist unabhängig von der Verfälschung 

des mac, da alle mac gleich wahrscheinlich 

sind. Deshalb ist die Gesamtwahrscheinlichkeit eines 

unerkannten Fehlers 

P re = 2 –ymacy ∙ (1– (1– p) ydatay ), 

wobei p die Bitfehlerwahrscheinlichkeit nach BSC 

darstellt. 

Der Security-Integritätsschutz kann für zufällige Fehler 

nur mit dem Modell des BSC berechnet werden. Da 

die Wahrscheinlichkeit unerkennbarer Fehler für jedes 

Fehlermuster gleich ist, lassen sich keine Aussagen über 

die Erkennbarkeit von deterministischen Fehlern machen. 

Deswegen reicht ein Security-Integritätsschutz 

keinesfalls aus, um Safety-Anforderungen zu genügen. 

Allerdings kann die Kombination von MAC- und CRC- 

Mechanismen einen Vorteil haben. Der MAC-Algorithmus 

erzielt eine genügend kleine P re zufälliger Fehler 

unabhängig von der Länge der Eingabedaten. Der Safety- 

Integritätsmechanismus erkennt Fehler, die den erforderlichen 

deterministischen Kriterien entsprechen. 

Dazu müssten natürlich auch zufällige Fehler bei der 

Abarbeitung des MAC sicher im Sinne von Safety behandelt 

werden. 

Diese zufälligen Fehler können zum Beispiel durch 

Anordnung der Algorithmen wie in Bild 4 erkannt werden. 

Dann wird keine zusätzliche Analyse benötigt. 

Wenn eine solche Anordnung nicht vorliegt, muss in 

Safety- und Security-relevanten Umgebungen die Ausführung 

von Security-Algorithmen vor zufälligen Fehlern 

entsprechend anders (beispielsweise durch Redundanz) 

geschützt werden. 

4. INTEGRIERTE ARCHITEKTUR 

BILD 2: sec-then-safe-Ansatz 

BILD 3: sec-and-safe-Ansatz (nur Senderseite) 

Aus Sicht des Senders sind prinzipiell drei verschiedene 

Ansätze möglich, wie die Security- und Safety-Mechanismen 

angeordnet werden können: 

sec-then-safe (vergleiche Bild 2) würde in einer 

sicheren Umgebung die Safety-geschützte Ausführung 

der Security-Algorithmen erfordern, da die 

Safety-Berechnungen in der Automatisierungskomponente 

direkt nach dem Empfang der Daten 

durchgeführt werden. 

sec-and-safe (siehe Bild 3) könnte vertrauliche 

Information über die Daten über die im Klartext 

übertragene fcs preisgeben. 

safe-then-sec (vergleiche Bild 4). Hier wird die 

Security-relevante Integrität der Daten durch 

mac geschützt. Die Eigenschaft der Erkennung 

zufälliger Fehler kann, wie im folgenden Abschnitt 

aufgezeigt wird, komplett erhalten werden. 

Zufällige Fehler von Security-Mechanismen 

werden ebenfalls von den Safety-Mechanismen 

erkannt. 

BILD 4: safe-then-sec-Ansatz 


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49

HAUPTBEITRAG 

Der sec-then-safe-Ansatz hat zudem den Vorteil, dass er 

Fehler mit nachweisbarer Restfehlerwahrscheinlichkeit 

und deterministischen Kriterien erkennt. Diese Eigenschaft 

wird im Folgenden detailliert beschrieben. 

Eine korrekt arbeitende Security-Schicht darf die Anzahl 

der fehlerhaften Bits eines Telegramms nicht verändern, 

um das Safety-Fehlermodell (insbesondere dessen 

deterministische Kriterien) nicht zu verletzen. Die Operationen, 

die die Anzahl der fehlerhaften Bits erhalten, sind: 

Permutation der Bits des Telegramms, 

XOR des gegebenenfalls verfälschten Telegramms 

mit einem Datenstrom, 

Hinzufügen zusätzlicher Daten vor dem Senden wie 

ein mac, die nach dem Empfang entfernt werden. 

Die Permutation von Daten erzeugt nicht die notwendige 

Komplexität, um eine ausreichende Vertraulichkeit 

zu gewährleisten. Die Anzahl möglicher Permutationen 

eines Telegramms hängt von den konkreten 

Werten ab, das heißt das komplette 0-Telegramm kann 

nur auf sich selbst abgebildet werden. Deshalb ist die 

Permutation ungeeignet. 

Eine angehängte zusätzliche Information lässt sich 

nutzen, um die Integrität eines Telegramms zu schützen, 

während das XOR mit einem pseudozufälligen Strom 

verwendet wird, um Vertraulichkeit eines Telegramms 

zu erreichen. Die vorangegangenen Betrachtungen führen 

zu der in Bild 5 veranschaulichten Architektur. Die 

Safety-Schicht deckt alle Fehler mit mindestens derselben 

Güte auf wie die Security-Schicht. 

Die Anordnung der Mechanismen innerhalb der Security-Schicht, 

die Vertraulichkeit und Integrität sicherstellen, 

wird bei [20] betrachtet. Es sind prinzipiell drei 

Anordnungen möglich: 

Enc-and-MAC. Die Verschlüsselung und die mac- 

Bildung werden beide auf die zu übertragenden 

Daten angewandt. Das geschützte Telegramm ist 

Enc k1 (data) zMAC k2 (data). Dieses Schema wird in 

Secure Shell (SSH) verwendet, ein weitverbreitetes 

Protokoll zum Fernzugriff. 

MAC-then-Enc. Der mac wird über die zu übertragenden 

Daten erzeugt und angehängt. Danach wird 

diese Verkettung verschlüsselt. Das geschützte 

Telegramm ist demzufolge 

Enc k1 ((data) zMAC k2 (data)). MAC-then-Enc wird 

zum Beispiel in Transport-Layer-Security (TLS) 

verwendet. 

Enc-then-MAC. Enc-then-MAC verschlüsselt zuerst 

die zu übertragenden Daten und schützt dann die 

Integrität der verschlüsselten Daten. Dieses Vorgehen 

resultiert in 

Enc k1 (data) zMAC k2 (Enc k1 (data)), vergleiche Bild 5. 

In [20] wird dargestellt, dass ohne weitere Annahmen 

über die Algorithmen nur Enc-then-MAC die Ziele der 

Security erreicht. Mit synchronen Stromchiffren erreicht 

jedoch auch das MAC-then-Enc-Schema die Ziele. Allerdings 

ist die Leistung von Enc-then-MAC besser, da die 

Verschlüsselung nicht zusätzliche Bits des pseudozufälligen 

Stroms zur Verschlüsselung des mac verbraucht. 

BILD 5: Architektur der Security- und Safety-Layer 

ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 

Eine effiziente Kombination von Safety- und Security- 

Algorithmen für ihre Anwendung in Echtzeit-Umgebungen 

ist möglich – und nötig. Die Architektur sowie die 

Wahl der Algorithmen nach den Bildern 4 und 5 erfüllen 

die notwendigen Eigenschaften: 

Integrität – Die unerkannte Manipulation von 

Daten ist für den Angreifer nicht möglich, da er 

die angehängte mac nicht erzeugen kann. Auch 

das Duplizieren und Löschen von Telegrammen 

wird erkannt, da die mac vom aktuellen Zustand 

der Stromchiffre abhängt. 

Vertraulichkeit – Die Daten werden kryptographisch 

gesichert. Einem Angreifer ist es mit einer aktuell 

realistisch angenommenen Rechenleistung unmöglich, 

Informationen über die Daten zu gewinnen. 

Gültigkeit der Safety-Fehlermodelle – Da die 

Fehlermuster durch die hier ausgewählten kryptographischen 

Algorithmen und deren Anordnung 

erhalten bleiben, sind die Safety-Fehlermodelle 

anwendbar und die Safety-Nachweise behalten 

ihre Gültigkeit. 

Ein Prototyp wurde in C auf Windows mit der Stromchiffre 

Grain-128a [21] in Kombination mit dem Feldbus 

EtherCat implementiert. Der Laufzeitunterschied der 

Slaves erhöhte sich durch die Abarbeitung des Security 

Layers von etwa 7 μs auf etwa 8 μs bei relativ langen 

Kommunikationszyklen von etwa 10 ms. Ein umfassender 

Ausbau der Tests wird im Moment entwickelt. 

Die Protokolle zur Anwendung der Architektur und 

des Schlüsseltausches werden Gegenstand weiterer Forschung 

sein. Zum Beispiel lassen sich für den Schlüsseltausch 

weit verbreitete Protokolle verwenden, die wie 

der Diffie-Hellman-Schlüsseltausch [22] auf asymmetrische 

Kryptographie basieren. Da Algorithmen der asymmetrischen 

Kryptographie kein deterministisches Laufzeitverhalten 

aufweisen, muss der Schlüsseltausch vor 

der Echtzeitphase der Kommunikation stattfinden. 


16.07.2012 


50 


10 / 2012

REFERENZEN 

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Embedded Systems, Hindawi Publishing Corporation, New 

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Advances in Cryptology — CRYPTO '90, S. 2 – 21. Springer, 1990 

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Crytology – CRYPTO 2001, Band 2139 Lecture Notes in Computer Sciences, S. 

310 – 331. Springer, 2001 

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Authentication. In: Symmetric Key Encryption Workshop. European Network of 

Excellence in Cryptology II. 2011 

[22] Rescorla, E.: RFC 2631, Internet Key Exchange protocol version 2 

(IKEv2). 1999 

AUTOREN 

M. Sc. FELIX WIECZOREK 

(geb. 1985) ist wissenschaftlicher 

Mitarbeiter für Safety & Security 

der Beckhoff Automation GmbH. 

Er studierte von 2005 bis 2011 

Informatik an der TU München 

und studierte 2009 ein Semester 

an der Teknilinen Korkeakuolu 

(Helsinki University of Technology), 

Helsinki, Finnland. Seine Arbeitsgebiete sind 

Security-Lösungen für Kommunikationseinrichtungen 

und Komponenten der Automation. 

Beckhoff Automation GmbH, 

Ostendstraße 196, D-90482 Nürnberg, 

Tel. +49 (0) 911 54 05 62 46, 

E-Mail: f.wieczorek@beckhoff.com 

Prof. Dr.-Ing. FRANK SCHILLER (geb. 1966) ist 

wissenschaftlicher Leiter für Safety & Security der 

Beckhoff Automation GmbH. Er studierte Elektrotechnik 

an der TU Dresden und promovierte 1997 

an der TU Hamburg-Harburg. Nach verschiedenen 

Stationen bei Siemens war er von 2004 bis 

2011 als Professor für Automatisierungstechnik 

an der TU München tätig. Seine Tätigkeitfelder 

umfassen die sicherheitsgerichtete Kommunikation, 

software-basierte Sicherheitssteuerungen und die Kombination 

vom Safety- und Security-Algorithmen für die Automatisierung. Er 

lehrt als Gastprofessor an der (Huádōng Lǐgōng Dàxué, 

East China University of Science and Technology), Shanghai, China. 

Beckhoff Automation GmbH, 

Ostendstraße 196, D-90482 Nürnberg, 

Tel. +49 (0) 911 54 05 62 44, 

E-Mail: f.schiller@beckhoff.com 


10 / 2012 

51

HAUPTBEITRAG 

Plug and Prognose 

Condition monitoring, diagnosis and life time prediction 

The aim of Plug and Prognose (PnP) is to develop a machine prognostics technology that 

delivers simple, reliable machine health and prognostics information to owners of machine 

tools and similar rotary equipment. PnP utilizes a collection of data-driven prognostics 

algorithms to track machine health, identify incipient faults and predict possible 

remaining useful life from data collected from the machine controller and external sensors. 

PnP communicates with the machine controller to understand what condition the 

machine is operating under and automatically adapts the prognostics models to different 

machine operating conditions, which reduces false alarms and ensures that the results 

are as accurate as possible. It generates prognostics information without machine modeling, 

custom parameterization, or special machine test cycles – that is, as close to “plug 

and play” as possible. 

KEYWORDS prognostics / diagnosis / remaining useful life prediction / 

anomaly detection / condition monitoring / condition based maintenance 

Plug and Prognose – 

Überwachen, diagnostizieren und Laufzeit vorhersagen 

Plug and Prognose bietet eine Diagnoselösung, die einem Plug-and-Play-Konzept so nahe 

kommt wie möglich. Das in diesem Beitrag behandelte Werkzeug ist dafür konzipiert, den 

Maschinenzustand zu beobachten und entstehende Störungen zu erkennen, ohne dass 

dafür eine Modellierung der Maschinenphysik, eine manuelle Parametrierung oder spezielle 

Maschinentestzyklen erforderlich sind. Die Software des Plug-and-Prognose-Prototyps 

kommuniziert mit der Maschinensteuerung, um die Betriebsbedingungen der 

Maschine – oder welche Funktion sie gerade ausführt – zu erfassen, und nimmt die Daten 

von der Maschine und ihren Sensoren auf. Anschließend wird die Datenanalyse anhand 

von in der Vergangenheit erfassten Daten für diese spezifischen Bedingungen angepasst. 

Um auch neue Betriebsbedingungen berücksichtigen zu können, erstellt Plug and Prognose 

automatisch neue Analysemodelle, wenn neue Bedingungen erkannt werden. 

SCHLAGWÖRTER Prognose / Diagnose / Vorhersage der Restnutzungsdauer / 

Erkennung von Abweichungen / Zustandsüberwachung / 

Zustandsabhängige Wartung 

52 


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LINXIA LIAO, ZACHERY EDMONDSON, HARTMUT LUDWIG, Siemens 

Unexpected downtime has significant impact to 

the productivity and total cost of ownership 

(TCO) in the manufacturing industry. Continuous 

monitoring of equipment and early 

detection of incipient faults can support maintenance 

decision making, prevent downtime, and increase 

productivity and save costs. Many manufacturing 

plants have adopted condition-based maintenance (CBM) 

systems which continuously deliver data related to the 

equipment’s performance. However, it is still challenging 

to make effective use of the huge amount of data to 

accurately detect impending equipment failure in order 

to help maintenance practitioners quickly diagnose problems 

and provide decision support to proactive maintenance 

activities. 

Generally, there are two types of methodology available 

to engineers for prognostics purposes: physics-based 

modeling and data-driven approach. Very accurate prognostics 

information can be achieved using physic-based 

modeling when the physics is well understood. However, 

an accurate physics model is usually prohibitive to 

be obtained, especially for complex systems, and may 

not be easily to be adapted to other types of equipment. 

Data-driven approach provides reasonable prognostics 

information when data is easy to obtain. The models are 

more adaptable to types of applications. However, datadriven 

approaches require large amounts of data and can 

be difficult to maintain due to lack of expertise in data 

analysis. Moreover, the models may generate lots of false 

alarms due to lack of adaptability to the changes in machine 

operating conditions. 

Despite the fact that many methods have been developed 

in the literature [1-4], challenges remain in how 

to adapt prognostics algorithms to different equipment 

operating conditions and many types of applications 

with small amount of effort, and how to embed the prognostics 

solutions closer to the equipment to ensure information 

to be delivered to the right people on the right 

time. In [5], Plug and Prognose technology was applied 

to a machine tool feed axis application with specific 

focus on performance assessment and diagnosis techniques. 

This paper gives a more complete overview of 

PnP technology, addresses additional remaining useful 

life prediction capability and different implementations, 

and shares the experience of applying PnP technology 

for more types of applications. 

1. METHODOLOGY OF PLUG AND PROGNOSE 

Plug and prognose (PnP) automates a collection of stateof-the-art 

datadriven algorithms to minimize human 

intervention of using the technology. PnP technology 

develops a mechanism to adapt the prognostics models 

to different machine operating conditions, which reduces 

false alarms and ensures that the results are as 

accurate as possible. PnP has been implemented as a 

desktop application and an integration method is also 

developed to embed prognostics into Programmable 

Logic Controller (PLC) systems to target broader applications. 

1.1 Methodology Overview 

Figure 1 shows the overview of the data analysis flowchart. 

In many cases, the operating condition of a piece 

of equipment is alternating over time due to different 

operating conditions of the machine. The operating condition 

can be determined by the operational data, e.g. a 

single control signal such as speed, feed rate, and direction, 

etc., or a combination of multiple control signals. If 

the prediction model associated with an operating condition 

already exists, the measurement data (e.g. senor input 

of current, vibration and temperature, etc.) is input 

to the prediction model to generate prediction result. If 

an operating condition has never been encountered in 

the past, a new operating condition is created. The prediction 

model of the new operating condition is trained 

when a predefined number of data records have been 

collected. After the prediction model is trained, it starts 

generating prediction result. The prediction result is or- 


10 / 2012 

53

HAUPTBEITRAG 

ganized according to the sequence of the appearance of 

the operating condition over time. The prediction model 

and the output of prediction result are described in section 

1.2. 

1.2 Data Analysis Methods 

This section describes the data analysis techniques 

which are used in Plug and Prognose. The operational 

data is used for operating condition identification. The 

prediction model applies to the measurement data after 

the operating condition identification step. 

Operating Condition Identification: The purpose of 

the operating condition identification step is to automatically 

identify different operating conditions 

based on the operational data. The algorithm initializes 

with zero number of operating condition and 

evolves to adapt to new operating conditions automatically. 

If the newly observed operational data is 

within a predefined control limit, the existing cluster 

of operating condition will be updated by the newly 

observed operational data. If not, the new operational 

data will be saved until enough observations are 

accumulated for building new operating condition. 

Further data analysis is performed within each operating 

condition on the measurement data. 

Meaningful Data Identification: This algorithm identifies 

a window or multiple windows which contain 

the most stationary data (without frequency change 

overtime) in the original dataset to avoid noisy measurement. 

Even though in some situations transient 

data (with frequency change overtime) can potentially 

reveal additional information of machine defect, 

additional effort is needed to define a specific 

transient period and advanced data acquisition device 

is required to capture the transient data. For 

many rotary components, stationary data contains 

abundant periodical characteristics for rotary component 

defect detection. Hence, PnP uses a meaningful 

data identification algorithm to identify the most 

stationary data. The algorithm consists of the following 

steps: 

Use a moving window to go through the original 

signal and generate a set of windows (set A); 

Identify a set of windows (set B) which have the 

smallest changes of short-time root mean square 

(indicating the change of amplitude) from set A. 

This removes data with transient amplitude; 

Identify the window in set B with the minimum 

value of the sum of wavelet packet energy in the 

high frequency wavelet packets (indicating the 

change of frequency overtime). This removes data 

with transient frequency. 

Signal Processing and Feature Extraction: Signal 

processing and feature extraction algorithms decompose 

the multiplesensor input into a feature space 

which is relevant to the equipment health status. 

Time domain analysis is used to extract RMS (Root 

Mean Square), MEAN (average value), Kurtosis, Crest 

factor, and Skewness from the vibration signal. FFT 

(Fast Fourier Transform) decomposes a vibration 

signal into its component frequencies and their amplitude. 

The amplitude or its energy (defined as sum 

of the squares of amplitudes) over specific frequency 

bands (e.g. rotating frequency and its harmonics 

and/or bearing passing frequency at outer race) are 

calculated as features. Wavelet packet transform 

(WPT) represents a signal in terms of a waveform 

(known as mother wavelet) with a finite length or 

fast decaying oscillating characteristic. The transform 

can obtain higher resolution within the timefrequency 

domain with higher computational efficiency 

comparing to FFT. The energies of the coefficients 

of the nodes in the last layer of the decomposition 

are calculated as features. Principal 

component analysis (PCA) is used to select a subset 

of optimal features which contains variance information 

higher than a predefined threshold (90%). 

Performance Assessment: Performance assessment 

algorithms quantitatively evaluate the deviation of 

the most recent behavior to the normal behavior or 

baseline. The output is a performance / health indicator 

showing the deviation between the current 

behavior and the nominal operation. The continuous 

drifting of the health indicator shows the gradual 

degradation of mechanical components. The spikes 

shown by the health indicator indicate anomaly 

situations. The SOM (Self Organizing Maps) method 

is applied to the features extracted from data collected 

only at normal condition in an unsupervised 

manner. After a SOM is set up as a description of the 

normal condition, for each input feature vector, a 

best matching unit (BMU) can be found among the 

neurons in the trained SOM. The distance between 

the input feature vector and the weight vector of the 

BMU, which can be defined as the minimum quantization 

error (MQE) and used as the machine health 

indicator, actually indicates how far the input feature 

vector deviates from the normal condition. 

Diagnosis: Diagnosis algorithms analyze the patterns 

embedded in the data to determine what previous 

observed failure or abnormality has occurred. Depending 

on data availability, the output can be a 

contribution chart showing which sensor contributes 

to the fault if no failure data or label is available. 

If the model is trained using labeled data, the output 

is a predicted label with a probability indicating how 

likely a previously experienced fault has appeared. 

A supervised SOM, which contains the fault patterns 

(labels), is set up using the faulty data indicated 

by users. After the supervised SOM is set up, 

it can be used for diagnosis when new observation 

is obtained. The diagnosis result is decided by the 

largest probability of each fault pattern given the 

observation. 

Performance Prediction: Performance prediction algorithms 

are used to extrapolate the pattern of the 

degradation and predict the system behavior in the 

future. A particle filter method is used to predict the 

future projection of the performance/health indica- 

54 


10 / 2012

Analysis Method 

Automatic Operating 

Condition Identification 

Meaningful Data 

Identification 

Main Algorithms Used 

Adaptive Clustering 

Time Domain Analysis 

Wavelet Packet Transform 

Signal Processing and 

Feature Extraction 

Fast 

Fourier 

Transform 

Wavelet 

Packet 

Transform 

Time 

Domain 

Analysis 

Principal 

Component 

Analysis 

TABLE 1: Summary of 

Data Analysis Methods 

Health Assessment 

Diagnosis 

Prediction 

Self-Organizing Maps (Unsupervised Learning) 

Self-Organizing Maps (Supervised Learning) 

Particle Filter 

… 

… 

O1 O2 O3 O2 O_new On 

t 

P LC 

O – Operating Condition 

M – Prediction Model 

R – Prediction Result 

Operating Condition 

Identification 

Learn New Model 

O1 O2 On O_new 

M1 M2 … Mn M_new 

R1 R2 R3 R2 R_new Rn 

t 

Program Running in RT 

Operating System 

P LC 

C ycle 

S FB 

Embedded 

Prognostics 

Software 

FIGURE 1: Methodology Overview 

DAQ Device 

Equipment 

Sensors 

Optional 

Third-Party 

Device 

FIGURE 4: System Structure of Embedded Prognostics on 

PLC Systems 

FIGURE 2: Data Analysis Flowchart 

FIGURE 3: System Structure of Plug-and-Prognose on PCs 


10 / 2012 

55

HAUPTBEITRAG 

tor when an initial fault is detected until it reaches 

a predefined failure threshold. The failure threshold 

is determined as a threshold beyond which the system 

is not recommended for future use. The time 

from the starting of prediction to the time when the 

indicator reaches the failure threshold is output as 

an indicator to remaining useful life (RUL). The output 

is an estimated RUL with its confidence bounds. 

More details and background of the specific algorithms 

can be found in [5, 8 – 9]. Table 1 summarizes the data 

analysis method used in PnP. 

1.3 Overview of the System Structure 

Currently, PnP technology has two types of implementations 

which are Prognostics on PCs and embedded prognostics 

on PLC systems. This section describes the overview 

of the system structure of both implementations. 

1.3.1 Prognostics on PCs 

The PnP software on PCs consists of two parts: data collection 

and data analysis as shown in Fig. 3. Data collection 

is installed on a PC close to the monitored equipment 

to collect data from external sensors and controller. 

DAQ manager communicates with the controller (e.g. via 

OPC server) to trigger data collection (e.g. collect data 

while the machine is in use). Data collector collects data 

both from sensors (e.g. accelerometers) and controller 

(e.g. spindle speed and feed rate). Data is saved locally 

on the PC and uploaded periodically to a remote PC (e.g. 

via Siemens ePS). Data collection software is implemented 

using C# language with a user interface for users to 

configure DAQ parameters (e.g. sensor types, address of 

OPC server, and sampling frequency). Data analysis software 

downloads and processes the data to generate prognostics 

results. The algorithms mentioned in section 1.2 

are implemented in Matlab script using Matlab 2010a. 

1.3.2 Embedded Prognostics on PLC Systems 

Figure 4 shows the system structure of embedded prognostics 

software on PLC systems. The PLC cycle runs 

cyclically from the program running in a real-time operating 

system. The program in the PLC cycle collects 

data from the DAQ (Data Acquisition) device which is 

connected to sensors installed on the equipment. It can 

also collect data from internal sensors through services 

(e.g. OPC server). The PLC cycle can be regular or high 

speed cycles depending on the requirement of sampling 

frequency. Multiple PLC cycles can be used to collect 

data using different sampling frequencies. When a preset 

number of data samples are collected, a system function 

block is initialized to transfer the data in buffer to be 

processed by the embedded prognostics software as described 

in section 1.1 & 1.2. The prognostics analysis 

software (e.g. implemented in DLL format) processes the 

received data and output prognostics information which 

can be further visualized with a connected HMI system. 

It also provides opportunity to use third-party device. 

2. APPLICATION EXAMPLES 

This section shows examples and results of applying plug 

and prognose technology to many types of applications 

such as feed axis and cutting tools on machine tools both 

on test-bed and in partial production environment, and 

turbine generator in service as well as a prototype of a 

PLC system with embedded prognostics software. 

2.1 Feed Axis Anomaly Detection and Diagnosis 

As shown in Figure 5, the feed axis test-bed was designed 

and built by TechSolve Inc. (www.techsolve.org) using 

a Siemens 840D Solution Line controller, a motor and 

a ball screw, a ball nut and two bearings. Three acceler- 

FIGURE 5: System Setup of the Feed Axis Test-bed [5] 

FIGURE 6: Anomaly Detection Using a Single Digit Health Indicator 

56 


10 / 2012

ometers (PCB model 607A11) and four thermocouples 

type J were installed on different components. Three 

signals (direction, encoder position and torque) were 

outputted from the controller through a digital to analogue 

module sitting on a rack (ET200-S) as analog output 

(AO) signals. A National Instruments (NI) data acquisition 

system was used to collect all the sensory data via 

USB connection at a sampling rate of 5000 Hz. The laptop 

communicated with the controller to trigger data acquisition 

and obtain operating condition related variables. 

No human interference was required after starting the 

data acquisition software. As the axis was operating, data 

was collected and saved on the laptop automatically. 

The test-bed was run under situations of different 

speeds, loadings and directions (as parameters of different 

operating conditions) with the following labeled 

health conditions (normal & faulty): 

Normal (neither misalignment nor degradation) 

End bearing misalignment 0.002” 

End bearing misalignment 0.007” 

Ball nut misalignment 0.007” 

Reverse end bearing misalignment 0.002” 

Ball nut misalignment 0.007” + End bearing 

misalignment 0.007” 

Degradation (due to wear) 

Bent ball screw 

Only data collected under the normal condition was used 

to train the PnP prediction model (using unsupervised 

SOM) as baseline within each operating condition. Data 

obtained under other health conditions were compared 

with the baseline. The result was a single digit health 

indicator showing the deviation from the baseline. The 

health indicator, which was called MQE (Minimum 

Quantization Error) and was shown on the y-axis in Fig. 

6, was the output of the self-organizing maps as described 

in [5]. Figure 6 showed that the health indicator 

clearly visualized the system’s normal condition (shown 

as green dots with the lowest MQE value) and different 

types of faulty conditions (dots in other colors with higher 

MQE values than the normal condition). If two types 

of faults were showing similar level of health indicator, 

a probability was output as well indicating how likely 

a certain type of previously experienced fault had happened. 

For example, the end bearing misalignment 0.007” 

and bent ball screw fault showed similar level of MQE 

in Fig. 6. An additional probability was output showing 

how certain the fault happened. A high probability of 

99.43 % and 93.06 % showed the fault type was bearing 

misalignment 0.007” and bent ball screw, respectively. 

2.2 Cutting Tool Health Monitoring and Life Time 

Prediction 

FA Deckel Maho DMU50 machine with a Siemens 840D 

PowerLine control was selected by TechSolve Inc. for 

testing the PnP software on an actual machine tool to 

track the degradation of the cutting tools. The system 

setup is shown in Figure 7. An accelerometer was mounted 

on the spindle. A J-type thermocouple was installed 

on either side of the X axis bearings. The thermocouples 

were not used as input of the prediction model since they 

were not directly related to the cutting tool health. Instead, 

the thermocouples were used for feed axis health 

monitoring. Hence, the vibration was used as an external 

sensor input in this case. The spindle rotating speed, feed 

rate and tool number were recorded from the controller 

as parameters of the operating conditions. 

The vibration data collected for different cutting tools 

was automatically separated into different operating conditions 

by PnP via classifying the combination of the 

abovementioned parameters obtained from the controller. 

The health indicator, which was the same as described 

in section 2.1, of different cutting tool was output 

FIGURE 7: System Setup of the Cutting Tool Health Prognostics [6] FIGURE 8: Continuous Degradation Tracking [6] 


10 / 2012 

57

HAUPTBEITRAG 

as the analysis results within different operating conditions. 

The data collected right after the installation of 

the cutting tool was trained by the prediction model as 

the baseline. The rest of the data was compared with the 

trained baseline. In our case, each cutting tool was used 

with one combination of rotating speed and feed rate. If 

multiple combinations of these parameters were associated 

with the same cutting tool, the health indicator 

would be generated from multiple operating conditions 

for that cutting tool after a predefined number of samples 

for baseline were collected for each operating condition. 

Figure 8 showed the result of the health indicator (MQE) 

of the entire life cycle of a cutting tool. The result clearly 

showed the gradual degradation of the cutting tool 

through its life time. 

When the health indicator started to show an explicit 

trend, the performance prediction algorithm was triggered 

to estimate the remaining useful life or remaining 

life to service. Our assumption was that a mechanical 

system usually went through three phases of gradual 

degradation during the entire life time: (1) no degradation 

trend, (2) degradation propagation, and (3) dramatic 

deterioration right before failure. If no degradation trend 

was shown, the predictability is low. The remaining useful 

life distribution tended to be very different when the 

fault progression just started and when it was right before 

failure. Hence, a regime identification mechanism was 

included in the algorithm to detect which degradation 

phase the machine was in based on historical data. The 

characteristics used to determine the regime were standard 

deviation, trendability and monotonicity (as described 

in [7]) of the health indicator. A particle filter 

algorithm [8] was actually used to propagate the trend of 

the health indicator until it reached the pre-defined 

thresholds according to engineering experience in different 

degradation phases. There were two thresholds (as 

shown in Figure 9) used in the case. One threshold was 

the so called warning threshold which was set at the 

stage when it was necessary to conduct maintenance 

service to the machine. The other threshold was the failure 

threshold, which indicated an actual failure. The 

two thresholds were used for predicting remaining life 

to service and remaining useful life, respectively. 

The first two predictions started at cycle 60 and 100 

which were denoted by the brown square and the purple 

square in Figure 9, respectively. The blue dots were the 

actual health indicator. The regime identification mechanism 

detected that these two cycles were both in the 

second phase. Hence, the parameters of the particle filter 

were updated using the MQE that were in phase two. The 

prediction result was shown as brown dots and purple 

dots for the two predictions, respectively. The density of 

the predicted remaining life to service was shown by a 

scaled (for good visualization purposes) probability density 

function (pdf) via fitting a Gaussian distribution. 

The third prediction started at cycle 174 (denoted by 

red square). The remaining useful life (RUL) was predicted 

by propagating the particles in the particle filter 

updated using the MQE that were only in phase three, 

because it was detected to be in the dramatic deterioration 

phase. The densities of the predicted end of life were 

shown by a scaled probability density function as well. 

The plot of life time pdf clearly showed the most probable 

remaining life time to service or failure and its distribution. 

It was noticed that the earlier in the life time 

when the prediction started, the larger the confidence 

bounds were. Finally, all the cycles in phase two and 

phase three were used as the starting point of the life 

time prediction. The average error percentage of the predicted 

RULs was 4.79 %. 

2.3 Turbine Generator Anomaly Detection and Diagnosis 

In the case study, the purpose was to use the existing 

PnP algorithms with minimum changes to analyze the 

FIGURE 9: Remaining Useful Life/Life to Service Prediction 

FIGURE 10: System Setup of Turbine Generator Monitoring 

58 


10 / 2012

6-months’ turbine generator data trying to find out whether 

any potential detrimental event or degradation pattern 

happened in the history, and to identify the leading contributing 

factors/measurements to the event or pattern. 

Data received contains 32 measurements (including 

speed, temperature and pressure, voltage, and current 

and average vibration level, etc.) sampled each minute 

and was saved in CSV file format with time stamps over 

a 6-month period. No label information was provided. 

PnP automatically grouped data measured when the 

turbine was running at stable conditions with speeds 

ranging from 3597 to 3603 revolutions per minute (rpm) 

for pattern learning. The first half a months’ data was 

selected as the baseline after confirmed with engineers 

that in this period of time the generator was running in 

good condition. All measured data in the 6 months was 

compared with the baseline for anomaly detection. PnP 

outputted a single digit health indicator to indicate the 

overall generator health condition. The higher this indicator, 

the more the current health condition deviated 

from baseline. If an anomaly (e.g. a spike appears in the 

health indicator) was detected, PnP prioritized the contributing 

measurement to determine which 

measurement(s) led to the anomaly. It helped engineers 

to quickly find out which measurement contributed the 

most to the deviation (shown as spikes in the health indicator). 

An example is shown in Figure 10. By zooming in the 

PnP output on the Panel PC, there were spikes on the day 

of Nov 30th, 2011, which was considered as a potential 

anomaly ‘Event’. There was no turbine shutdown event 

close to that time stamp, but the health indicator showed 

big spikes. By looking at the contributing measurement, 

power factor was listed as the leading contributing factor 

(the one drops most in the ‘Cause’ plot). The method used 

to find the contributing factor is described in [5]. Moreover, 

the cause plot showed that the voltages were increased 

as the second contributing factors. Based on the 

information, engineers can quickly confirm that the oscillating 

of power factor during the 15 minutes actually 

indicates a potential dangerous state of the generator, and 

prepare inspection and maintenance accordingly. It was 

noticed that there was no label given to train the PnP 

algorithms. If engineers wanted to label this event as a 

certain type of fault, the algorithm can be updated and 

output the label with a probability showing how likely 

this fault reappeared in the future. 

2.4 Embedded Prognostics on PLC Systems 

A motor test-bed was built for the purposes of validating 

the concept of embedding prognostics capabilities into 

PLC systems. For the testbed, which is shown in Figure 

11, a Maxon dc motor (A-max 26), rubber wheel (loading) 

and coupling were assembled. A mount was designed to 

support the motor. The motor was powered with 24 VDC. 

An accelerometer (IMI PCB 624B61) was installed on the 

housing of the motor. The output range of the accelerometer 

was between -5 and +5 volts. The data was conditioned 

using a signal conditioner (IMI 682A02) which 

provided 4 mA current excitation to the accelerometer 

and output original signal in the scale of 1:1. The data 

was taken at a sampling frequency 1 kHz (the PLC’s cycle 

was set to 1 ms) using regular AI module (e.g. Siemens 

AI 2x12bit; higher data conversion speed of 52 μs can be 

achieved using high speed AI module, e.g. Siemens AI 

8x14bit). The DI module (Siemens DI 16xDC24V) was used 

to detect the running state (on/off) of the motor. The AI 

and DI modules were connected to an interface module 

(Siemens IM513-4PN) which was connected to the industrial 

Ethernet. A PLC, where the Siemens WinAC software 

was running on, was connected to the industrial 

Ethernet via a PCI interface card (Siemens CP1616/ 

CP1604). A subset of the PnP software was ported into 

C++ library running as DLLs in WinAC. 

DC 24V 

Power 

B ase 

Accelerometer 

Mount 

Motor 

Load 

A 

Signal 

Conditioner 

PLC 

PCI Interfa 

ce 

Interfa 

ce 

Module 

AI 

DI 

Industrial Ethernet 

FIGURE 11: Motor Test-bed for Validating Embedded Prognostics 

FIGURE 12: Health Indicator for Various Motor Imbalance Situations 


10 / 2012 

59

HAUPTBEITRAG 

In order to test the performance assessment/anomaly 

detection function, imbalance faults were introduced 

manually to the motor test-bed. Small screws were installed 

on different locations of the wheel panel which 

was rotating with the shaft. As the location of the screw 

changed, the imbalance patterns changed as well. It was 

noticed that there existed misalignment due to the installation 

of the loading on the shaft. The misalignment 

existed in all balanced and imbalanced situations. The 

algorithms should be able to detect the imbalanced patterns 

despite of the misalignment. 

Data was collected from each fault situation. For testing, 

80 different records were used for each fault type. 

Each data record contained 4092 data samples. There 

were five different imbalance situations tested. Two energy 

features (energy centered at the running speed and 

its harmonic in the FFT spectrum) and six time domain 

features (mean, standard deviation, and kurtosis, crest 

factor and skewness and root mean square) were selected 

as features to input to the performance assessment / 

anomaly detection algorithm. 

The anomaly detection algorithm in the prediction 

model (specifically, an unsupervised self-organizing 

map) was trained with only balanced data, which was 

used as the baseline. Then the map was tested with other 

data collected in situations of ‘1 Screw Near’, 1 Screw 

Far, 2 Screw Near and 2 Screw Far. ‘1 Screw Near’ meant 

that the screw was installed close to the bolt which was 

used to fasten the loading with the shaft. ‘Near’ and ‘Far’ 

were both relative to the position of the bolt. 

The results in Figure 12 show that when balanced 

situation was trained as baseline, 2screwFar imbalanced 

fault showed the biggest difference from the baseline. 

The distances of different imbalances faults to the baseline 

clearly differentiated 4 types of imbalance situations 

with the balanced situation using the output of SOM 

(MQE – a health indicator of deviation from baseline). A 

possible reason of the increasing of the distance (MQE) 

of class ‘1 Screw Far’ and ‘2 Screw Near’ is that the data 

might not be taken at a perfect environment due to the 

changing of the test-bed (e.g. loosening of the screw to 

the fixture). However, the different levels of imbalanced 

can still be well differentiated 

The anomaly detection program was tested to run at a 

real-time mode on the PLC. The program started collecting 

data only when the motor is running. The baseline 

was trained using unsupervised SOM after a predefined 

number of data records were collected. After the baseline 

was trained, the health indicator was calculated whenever 

a new data record was collected. With this real-time 

manner, the right information can be delivered to the 

right person at the right period. 

CONCLUSION 

The paper presented the general methodology of plug 

and prognose, which is a machine health monitoring 

technology designed to automatically convert sensory 

data into useful machine health related prognostics information. 

Practices and experiment carried out on different 

test-beds and industrial machines demonstrated 

the effectiveness of applying the technology to many 

types of machines with minimum human intervention. 

By using this technology, no physics modeling of the 

system is necessary. However, good understanding of 

the physics of the system can contribute to better diagnosis 

accuracy and can be incorporated into life time 

prediction models. The implementation of the technology 

on the PLC systems can potentially address broader 

industrial applications. 


01.05.2012 

REFERENZEN 


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Agent ® for Machine Health Prognostics. International 

Journal of COMADEM, 11(3), 2–15, 2008 

60 


10 / 2012

AUTOREN 

LINXIA LIAO (born in 1979) is a 

research scientist at Control 

Systems department at Siemens 

Corporation, Corporate Research 

and Technology in the US. 

His main research interests 

include system and components 

fault diagnostics & prognostics 

and their integration on embedded 

systems. 

Siemens Corporation, 

Corporate Research and Technology, 

755 College Road East, 

Princeton, NJ 08540, USA, 

Tel. +1 609 7 34 35 20, 

E-Mail: linxia.liao@siemens.com 

ZACHERY EDMONDSON (born in 1982) 

is the head of Control Systems 

department at Siemens AG, 

Corporate Technology in Germany. 

His main area of work includes 

control systems, languages and 

optimization algorithms for control 

platforms, and power and energy 

management. 





Tel. +1 609 7 34 35 74, 

E-Mail: zachery.edmondson@siemens.com 

HARTMUT LUDWIG (born in 1963) 

is the head of Control Systems 

department at Siemens Corporation, 

Corporate Research and 

Technology in the US. His main 

area of work includes embed ded 

real-time software development, 

control architecture and algorithms 

for mission and safety 

critical systems. 





Tel. +1 609 7 34 35 23, 

E-Mail: hartmut.ludwig@siemens.com 

Electric Drives Production 

Konferenz und Ausstellung 

Nürnberg, 16. – 17.10.2012 

Wissenschaftlicher Partner: 

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10 / 2012 

61

IMPRESSUM / VORSCHAU 

IMPRESSUM 

VORSCHAU 

Verlag: 

Oldenbourg Industrieverlag GmbH 

Rosenheimer Straße 145 

D-81671 München 

Telefon + 49 (0) 89 4 50 51-0 

Telefax + 49 (0) 89 4 50 51-3 23 

www.oldenbourg-industrieverlag.de 

Geschäftsführer: 

Carsten Augsburger, Jürgen Franke 

Spartenleiter: 

Jürgen Franke 

Herausgeber: 

Dr. T. Albers 

Dr. G. Kegel 

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Dr. N. Kuschnerus 

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Dr.-Ing. K. D. Bettenhausen 

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Prof. Dr.-Ing. U. Epple 

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(VDI/VDE-Gesell schaft Messund 

Automatisierungs technik) 

und der NAMUR 

(Interessen gemeinschaft 

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Prozessindustrie). 

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für die Hauptbeiträge) 

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Fakultät Elektrotechnik 

und Informationstechnik 

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Leserservice atp 

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Telefon + 49 (0) 931 4170-1615 

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den Anzeigenteil: 

Annemarie Scharl-Send 

Mediaberatung 

sales & communications Medienagentur 

Kirchfeldstraße 9, D-82284 Grafrath 

Tel. +49 (0) 8144 9 96 95 12 

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Grafik: 

Data Graphis 

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. 

© 2012 Oldenbourg Industrieverlag 

GmbH München 

Die Zeitschrift und alle in ihr enthaltenen 

Beiträge und Abbildungen sind urheberrechtlich 

geschützt. Mit Ausnahme der 

gesetzlich zugelassenen Fälle ist eine 

Verwertung ohne Ein willigung des Verlages 

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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: 

Oldenbourg Industrieverlag GmbH, 

Rosenheimer Straße 145, 81671 München. 

Alleiniger Gesellschafter des Verlages 

ist die ACM-Unternehmensgruppe, 

Ostring 13, 

65205 Wiesbaden-Nordenstadt. 

ISSN 2190-4111 

DIE AUSGABE 11 / 2012 DER 

ERSCHEINT AM 05.11.2012 

MIT FOLGENDEN BEITRÄGEN: 

Instandhaltungsstrategien für 

PLT-Schutzeinrichtungen 

In Echtzeit: RFID-gestütztes 

Produktionsassistenzsystem. 

Robuste Produktion durch 

bessere Lieferkettentransparenz 

Effizientes Testen heterogener 

Leitsystemkonfigurationen. 

Integration gewerkeübergreifender 

Hardware-Emulatoren 

Modellierung von Geräten 

mit OPC UA in FDI. 

Voraussetzung für interoperable 

Geräteintegration 

...und vielen weiteren Themen. 

Aus aktuellem Anlass können sich die Themen 

kurzfristig verändern. 

LESERSERVICE 

E-MAIL: 

leserservice@oiv.de 

TELEFON: 

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10 / 2012

Methoden Verfahren Konzepte 

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Die Automatisierungstechnik wird durch neue Forschungen und Entwicklungen bestimmt. Damit Ingenieure 

fit für ihren Job sind und die entscheidenden Trends in der Automatisierungstechnik schnell zur Hand haben, 

legt die Fachpublikation atp edition die Buchreihe atp kompakt auf. Alle darin enthaltenen Beiträge haben 

ein wissenschaftliches Gutachterverfahren durchlaufen. 

Herausgeber Prof. Dr.-Ing. Frank Schiller leitet am Lehrstuhl für Informationstechnik im Maschinenwesen der 

TU München das Fachgebiet Automatisierungstechnik. 

atp kompakt Band 1 

Erfolgreiches Engineering – Die wichtigsten Methoden 

Diese Ausgabe befasst sich mit den Methoden, Verfahren und Standards, die Sie in den nächsten Jahren im Engineering beschäftigen 

werden. Wichtige Kriterien sind die einfache Wiederverwendbarkeit von Komponenten, die Unterstützung durch geeignete Werkzeuge, 

die Erhöhung der Flexibilität von Anlagen sowie geeignete Modellierungs- und Gerätebeschreibungssprachen. 

 


Effiziente Kommunikation – Die bedeutendsten Verfahren 

Sie bekommen Einblick in die wachsende Bedeutung der industriellen Kommunikation und dem Wandel in der Gerätekommunikation. 

Einen Schwerpunkt bildet die Kommunikationstechnik in der Prozessautomatisierung mit deren besonderen Rahmenbedingungen wie 

dem Explosionsschutz. Die bedeutendsten Verfahren und Methoden der modernen Kommunikation werden praxisnah veranschaulicht. 

 


Praktische Messtechnik – Die besten Konzepte 

Dieser Band vermittelt wertvolles Know-how zu allen Aspekten der praktischen Messtechnik und fokussiert besonders die Prozessmesstechnik. 

Lernen Sie die Fortschritte in der Sensortechnik entlang der Technologie-Roadmap kennen und profitieren Sie von erstklassigen 

Konzepten zu kostengünstigen und effizienten Lösungen. 

 

atp kompakt Kollektion (Bände 1-3) 

Erfolgreiches Engineering Effiziente Kommunikation Praktische Messtechnik 

Mit dieser dreibändigen Kollektion zu den Themen Engineering, Kommunikation und Messtechnik erhalten Sie ein nützliches, 

kompakt und praxisnah aufbereitetes Kompendium zu den Kernthemen der Automatisierungstechnik. Die wertvolle Grundlage 

für Ihre tägliche und zukünftige Arbeit. 

 

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anpassen und eine strenge Qualitätskontrolle durchführen, sondern auch 

Ihre Arbeitsabläufe optimieren. 

Eines der wichtigsten Erfolgskriterien ist die Optimierung des 

Energieverbrauchs pro Tonne Stahl 

Ein kontinuierliches Energiemanagement ist der direkteste Weg zu einem 

rentablen Werk, dessen volles Potenzial ausgeschöpft wird. Die Lösungen für 

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©2012 Schneider Electric. All Rights Reserved. Schneider Electric, EcoStruxure, and Make the most of your energy are trademarks owned by Schneider Electric Industries SAS or its affiliated companies. 

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