atp edition Virtuelle Inbetriebnahme von Produktionsanlagen (Vorschau)

4 / 2012 

54. Jahrgang B3654 

Oldenbourg Industrieverlag 

Automatisierungstechnische Praxis 

Virtuelle Inbetriebnahme 

von Produktionsanlagen | 28 

Simulationsbasierte 

Steuerungsfunktionstests | 34 

Emulation dezentraler 

Steuerungslogik | 42 

Anbau von Stellungsreglern 

an pneumatische Antriebe | 50

editorial 

Virtuelle Inbetriebnahme auch 

für die Verfahrenstechnik! 

Die virtuelle Inbetriebnahme (VIBN) war in den letzten Jahren immer wieder 

ein Thema auf dem Kongress Automation der GMA, bei der Namur und entsprechend 

auch in der atp edition. Wesentliche Motivation dafür ist die Perspektive, 

Dauer und Kosten der realen Inbetriebnahme dadurch zu reduzieren, dass 

die Funktionen der geplanten Anlage mithilfe einer VIBN per Simulation überprüft 

und Planungsfehler so bereits vor dem Bau korrigiert werden. 

Aus Sicht der Prozessleittechnik wird für Inbetriebnahme und Test des Prozessleitsystems 

(PLS) nur das simulierte Klemmenverhalten der Anlage benötigt, 

das die Reaktion der Anlage auf Eingriffe des PLS realistisch abbildet. Die 

VIBN des PLS kann damit bereits heute auf der Basis des komplett emulierten 

PLS durchgeführt werden. 

Für die VIBN der Anlage als Ganzes greift allerdings dieser partikuläre Ansatz 

zu kurz und muss durch einen ganzheitlichen Ansatz ersetzt werden: Dem 

emulierten PLS ist jetzt ein qualitativ hochwertiges Anlagensimulationsmodell 

an die Seite zu stellen, an dem nicht nur die Funktionen des PLS, sondern auch 

die verfahrenstechnischen Eigenschaften der Anlage und ihrer Komponenten 

im Detail verifiziert und so Planungsfehler in der Anlage detektiert werden 

können. Der heute mit der Modellerstellung verbundene zeitliche und finanzielle 

Aufwand führt aber dazu, dass eine solche VIBN meist nur bei Anlagen 

mit erhöhten Sicherheitsanforderungen oder mit absehbaren Problemen bei der 

Nachbesserung der Anlage während der realen Inbetriebnahme, etwa bei Unterwasserinstallationen, 

durchgeführt wird. 

Ein Ausweg aus dieser Situation könnten Strategien für die automatisierte 

Erstellung von Simulationsmodellen für die VIBN sein, die das Modell aus den 

Planungsdaten des Anlagen-CAE-Systems generieren, wozu sie auf Modellbibliotheken 

für die Anlagenkomponenten zurückgreifen. Dass dies grundsätzlich 

möglich ist, zeigt beispielhaft der Stand der Technik beim CAE von elektronischen 

Schaltungen, der heute – nach mehr als 20 Jahren gemeinsamer 

Anstrengung – erreicht worden ist: Hier können selbst aufwendige Schaltungen 

direkt nach dem Entwurf ohne expliziten Modellierungsaufwand simuliert 

und getestet werden, weil standardmäßig Modellbibliotheken auch für komplexe 

Komponenten zur Verfügung stehen. Die dafür benötigten Simulationsmodelle 

stellen die Komponenten-Hersteller ganz selbstverständlich bereit. 

Es wäre wünschenswert, eine ähnliche Entwicklung auch für das verfahrenstechnische 

Anlagen-Engineering in Gang zu setzen. Dazu müssen alle Beteiligten 

– Anlagenplaner, Systemhersteller, Anwender und insbesondere die 

Hersteller von Anlagenkomponenten – bereit sein, gemeinsam eine praxistaugliche 

Strategie für die Realisierung einer VIBN im Rahmen der Anlagenprojektierung 

zu entwickeln. Auch Sie können dabei mitwirken, beispielsweise im 

GMA-Fachausschuss 6.11, der sich schwerpunktmäßig mit der VIBN befasst. 

Sie können dafür mit der GMA-Geschäftsstelle oder direkt zu mir Kontakt 

aufnehmen (reimar.schumann@fh-hannover.de). 

Prof. Dr.-Ing. 

Reimar Schumann, 

Kompetenzzentrum AUBIOS, 

Hochschule Hannover 

atp edition 

4 / 2012 

3

Inhalt 4 / 2012 

Forschung 

6 | Die Digitale Fabrik nimmt in Saarbrücken Gestalt an 

Simulation untersucht Angriffe auf IT-Security 

von Infrastrukturen im öffentlichen Leben 

Von Ameisen lernen heißt Logistik lernen 

Verband 

10 | GMA forciert Diskussion über cyber-physische Systeme 

in einem neuen Fachausschuss 

Die Chancen von Appification und Gamification: 

Useware im Fokus von Tagung und Wettbewerb 

11 | Zuversicht der Branche beflügelt die Achema 

Dechema gibt sich eine neue Struktur 

12 | Namur baut ihre strategischen Aktivitäten in China kontinuierlich aus 

branche 

8 | Komplexität beherrschen – Zukunft sichern mit Automation, 

Robotik und Wireless Automation 

9 | Wachstumsdelle ausgebügelt 

Türkei nun auch Vollmitglied des Cenelec 

22 | Hochpräzise Temperaturregelung ist bei Herstellung 

von Prothesen eine besondere Herausforderung 

24 | Ganzheitliche Automatisierungslösung optimiert 

das Luftpfeifenstechen für Sandgussformen 

26 | Eigensicherheit und hohe Leistung: Feldbusse 

im explosionsgefährdeten Bereich betreiben 

4 


4 / 2012

Hauptbeiträge 

28 | Virtuelle Inbetriebnahme 

von Produktionsanlagen 

B. Grimm 

34 | Simulationsbasierte 

Steuerungsfunktionstests 

J. Greifeneder, P. Weber, M. Barth und A. Fay 

42 | Emulation dezentraler Steuerungslogik 

M. Hoernicke und P. Bauer 

50 | Anbau von Stellungsreglern 

an pneumatische Antriebe 

T. Karte, J. Kiesbauer, K.-B. Schärtner 

und F. Valentin-Rumpel 

Praxis 

14 | Automatisierte Steuerungstests 

vereinfachen die virtuelle Inbetriebnahme 

in der Fabrikautomation 

18 | Normen-Dschungel IT-Security: 

Neue Standards sollen Konflikte 

mit etablierten Regeln vermeiden 

rubriken 

3 | Editorial 

58 | Impressum, Vorschau

Forschung 

Die Digitale Fabrik nimmt in Saarbrücken Gestalt an 

Politisch: 

Bildungsministerin 

Annette Schavan 

(Mitte) und Ministerpräsidentin 

Annegret Kramp- 

Karrenbauer 

informieren sich 

am DFKI. Bild: DFKI 

Die intelligente Fabrik (Smart Factory) hält am Deutschen 

Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) 

Einzug. Durch dezentrale Selbstorganisation cyber-physischer 

Systeme soll die 4. industrielle Revolution angestoßen 

werden. Die Neuausrichtung der bislang unflexiblen Arbeitsschritte 

„alter“ Fabriken soll Antworten auf Herausforde- 

rungen des 21. Jahrhunderts finden: Ressourcenschonung, 

Energiemanagement und Assistenzsysteme zur Unterstützung 

älter Arbeitnehmer. In digital veredelten Anlagen werden 

cyber-physische Systeme über IP-basierte Funkprotokolle 

und semantische Technologien vernetzt und mit industriellen 

Assistenzsystemen für die Mitarbeiter integriert. Das 

DFKI forscht an solchen Zukunftslösungen. Am Innovative 

Retail Laboratory (IRL) wird die Digitale Fabrik bereits in der 

Praxis gelebt. In einer Kooperation mit der SB-Warenhauskette 

Globus werden auf Basis unternehmensübergreifender 

Softwarelösungen konkrete Beispiele für den Einzelhandel 

getestet. Das IRL, Träger des EHI-Wissenschaftspreis 2012, 

entwickelte beispielsweise eine intelligente Frischetheke. 

Anhand von Zeigegesten wählt der Kunde die Ware aus. Er 

bezahlt mit einer Anwendung seines Handys, die die Near- 

Field-Communication-Technologie verwendet. 

Deutsches Forschungszentrum 

für Künstliche Intelligenz (DFKI) GmbH, 

Campus D3_2, Stuhlsatzenhausweg 3, 

D-66123 Saarbrücken, Tel. +49 (0) 681 85 77 50, 

Internet: www.dfki.de 

Simulation untersucht Angriffe auf IT-Security 

von Infrastrukturen im öffentlichen Leben 

Was passiert, wenn Hacker einen Angriff auf Daten 

kritischer Versorgungsnetze unternehmen? Diese 

Frage beantwortet die Simulationsumgebung, die das das 

Institut IT Sicherheitsforschung der Fachhochschule 

Sankt Pölten im Rahmen des Projektes CAIS (Cyber Attack 

Information System) entwarf. Dabei seien Verkehrsund 

Energieversorgung nur zwei Bereiche, in denen Ausfälle 

und Angriffe die allgemeine Versorgung bedrohen, 

so Dr. Ernst Piller, Dozent und Leiter des Instituts für IT 

Sicherheitsforschung in St. Pölten. Wichtigere Herausforderungen 

seien große Datenmengen, die dabei analysiert 

und evaluiert werden und die hohe Komplexität des Systems. 

Jedes IT-System besteht aus Knoten und Ebenen, die 

miteinander in Wechselwirkung stehen. Durch Programmfehler 

und Angriffe können mehrere Teilbereiche gleich- 

zeitig ausfallen. Die Simulation soll Kosten reduzieren und 

für den Ernstfall vorbereiten. Sie berechnet die Vernetzung 

verschiedener Bereiche des Gemeinwesens. Dabei analysiert 

sie Wechselwirkungen kritischer Infrastrukturen mit 

Methoden des Risikomanagements. „Fällt beispielsweise 

die Energieversorgung aus, so kann es zum Dominoeffekt 

kommen,“ so Piller. Die Simulationsumgebung ist auch für 

privatwirtschaftliche Unternehmen geeignet. Die FH St. 

Pölten forscht an proaktiven Abwehrmaßnahmen gegen 

Schadsoftware sowie Lösungen für die sichere Cloud. 

Fachhochschule St. Pölten, 

Institut für IT Sicherheitsforschung, 

Matthias-Corvinus-Str. 15, A-3100 St. Pölten, 

Tel. +43 2742 313 22 86 36, Internet: www.fhstp.ac.at 

Von Ameisen lernen heißt Logistik lernen 

Wie die Ameisen transportieren die Multishuttle Moves 

Gegenstände zwischen Lagerhalle und Regalen. Niemand 

steuert sie und doch kollidieren sie nicht. Sie sind 

effizienter als herkömmliche Laufband-Systeme. Am 

Fraunhofer-Institut für Materialfluss und Logistik IML forschen 

Experten unter der Leitung von Prof. Dr. Michael ten 

Hompel daran, mit Schwarmintelligenz Material- und Lagerflüsse 

zu optimieren. 50 kleine Transporter kurven 

durch eine 1000 Quadratmeter große Forschungshalle und 

suchen Gegenstände aus dem Regallager. Die Mobile werden 

dezentral gesteuert. Ihre Entwickler nutzen Ameisenalgorithmen 

nach Marco Dorigo. Den Auftrag erhalten die 

Shuttles über Softwareagenten. Sie kommunizieren über 

WLAN. Die integrierte Lokalisations- und Navigationstechnik 

verhindert Kollisionen. Die Vorteile: Die Zahl der Shuttles 

kann beliebig verringert oder erweitert werden. Außerdem 

verkürzen sich die Wege. Die Fördertechnik, die den 

Weg versperrt, entfällt. Die Shuttles nehmen den kürzesten 

Weg. Regalbediengeräte und Steigfördertechnik entfallen. 

Fraunhofer-Institut 

für Materialfluss und Logistik IML, 

Joseph-von-Fraunhofer-Straße 2-4, D-44227 Dortmund, 

Tel. +49 (0) 231 974 30, Internet: www.iml.fraunhofer.de 

6 


4 / 2012

Kompetent in Sicherheit 

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anche 

Komplexität beherrschen – Zukunft sichern mit 

Automation, Robotik und Wireless Automation 

Die Komplexität wächst in der Industrie und in zahlreichen 

Bereichen des Alltags unaufhörlich. Die damit 

verknüpften Herausforderungen greift der Kongress Automation 

2012 mit dem Motto „Komplexität beherrschen 

– Zukunft sichern“ auf. 

Die Vielfalt der Automation mit ihren dynamischen 

technologischen Entwicklungen einerseits und der großen 

Breite der Anwendungen andererseits in einem einzigen 

Kongress zu erfassen, ist selbst eine komplexe 

Aufgabe, betont die Kongressleitung. Bewältigt werde 

diese Aufgabe durch eine Kongressstruktur, die sich 

nicht explizit in diverse Einsatzgebiete gliedert. Viel- 

die zukunft meistern: Wie sich mit Automatisierungstechnik 

die wachsende Komplexität in Fertigungsund 

Prozessindustrie bewältigen lässt, wird auf dem 

GMA-Kongress Automation 2012 diskutiert. Bild: Siemens 

mehr werde der Lebenszyklus von Lösungen der Automation 

beleuchtet – vom Geräte- und Systementwurf, 

über den Betrieb automatisierter Anlagen bis zu Aspekten 

der Wartung und Diagnose. 

Dies ermögliche zugleich Einblicke, wie Fachkolleginnen 

und -kollegen aus anderen Einsatzbranchen ähnlich 

gelagerte Aufgaben der Automation lösen, betonen 

die Kongressleiter Dr.-Ing. Peter Adolphs, Prof. Dr.-Ing. 

Ulrich Jumar und Dr.-Ing. Norbert Kuschnerus. Sie heben 

hervor: „Ein fruchtbarer Gedankenaustausch und eine 

enge Kooperation von Wissenschaftlern, Herstellern und 

Anwendern sind Voraussetzung für zukunftssichernde 

Automationslösungen. Eingeschlossen sind dabei wirtschaftliche 

Aspekte ebenso wie die Interaktion des Menschen 

mit den geschaffenen Systemen.“ Die Tagung Automation 

in Baden-Baden, die sich im deutschsprachigen 

Raum als der technisch-wissenschaftliche Leitkongress 

von Herstellern, Anwendern, Forschungsvertretern und 

dem technischen Nachwuchs auf dem Gebiet der Automation 

etabliert habe, biete dafür eine optimale Plattform. 

Veranstaltet wird Automation 2012 von der VDI/VDE- 

Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik. Fachliche 

Mitträger sind die Namur und der ZVEI. Parallel 

finden auch die Tagungen Wireless Automation und Industrielle 

Robotik statt, die den Besuchern der Automation 

2012 ebenfalls offen stehen. Weitere Informationen 

sind zu finden unter www.automatisierungskongress.de. 

VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und 

Automatisierungstechnik (GMA) 

VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE E.V., 

VDI-Platz 1, D-40468 Düsseldorf, 

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

Funktionale Sicherheit und Informationssicherheit 

In Ausgabe 10/2012 der atp edition 

möchten wir das Spannungsfeld funktionale 

Sicherheit und Informationssicherheit 

in der industriellen Automatisierung beleuchten. 

In interoperablen vernetzten Systemen 

sind Methoden und Werkzeuge gefragt, 

die die spezifischen Anforderungen 

beider Bereiche integrieren. Das Themenfeld 

reicht von der systematischen Definition 

von anlagenspezifischen Risiken und 

Schutzzielen über mathematisch-algorithmische 

Grundlagen sicherer Kommunikation 

bis zu formalen Ansätzen zur Generierung 

zertifizierbarer Automatisierungslogiken. 

Besonderer Wert wird auf jene 

Beiträge gelegt, die integrierenden oder 

differenzierenden Charakter aufweisen. 

Wir bitten Sie, bis zum 18. Mai zu diesem 

Themenschwerpunkt einen gemäß atp- 

Autorenrichtlinien ausgearbeiteten Hauptbeitrag 

per E-Mail an urbas@oiv.de einzureichen. 

Ziel ihres Beitrags sollte der „Brückenschlag“ 

zwischen aktuellen Erkenntnissen 

und Innovationen, den methodischen 

Grundlagen und den zukünftigen Anwendungen 

in der industriellen Praxis sein. 

Ansprechen soll Ihr Aufsatz technische 

Führungskräfte, Entscheider und Key Experts 

der Automatisierungsbranche. 

In den Hauptbeiträgen der atp edition werden 

die Themen mit hohem wissenschaftlichem 

und technischem Anspruch und 

vergleichsweise abstrakt dargestellt. Im 

Journalteil schlägt atp edition die Brücke 

zur Praxis. Hier werden Erfahrungen von 

Anwendern mit neuen Technologien, Prozessen 

oder Produkten beschrieben. 

Alle Beiträge werden von einem Fachgremium 

begutachtet. Sollten Sie sich selbst 

aktiv an dem Begutachtungsprozess beteiligen 

wollen, bitten wir um kurze Rückmeldung. 

Für weitere Rückfragen stehen 

wir Ihnen selbstverständlich gern zur 

Verfügung. 

Ihre Redaktion der atp edition: 

Leon Urbas, Gerd Scholz, Anne Hütter 

Call for 

Aufruf zur Beitragseinreichung 

Thema: Funktionale Sicherheit 

und Informationssicherheit 

Kontakt: urbas@oiv.de 

Termin: 18. Mai 2012 

8 


4 / 2012

Wachstumsdelle 

ausgebügelt 

Die deutsche Elektroindustrie erzielte zum Jahresstart 

mit 11,9 Milliarden Euro den zweithöchsten Exportwert, 

der jemals in einem Januar erreicht wurde und übertraf 

damit den Vorjahreswert um fünf Prozent. Im gesamten 

vergangenen Jahr hatten die Elektroausfuhren mit einem 

Zuwachs von fünf Prozent auf 155 Milliarden Euro ein 

neues Allzeithoch erreicht. 

Die Konjunkturaussichten bleiben nach Einschätzung des 

Branchenverbands ZVEI zum Jahresbeginn stabil. Zwar lagen 

die Bestellungen im Januar fünf Prozent unter ihrem 

entsprechenden Vorjahreswert. „Hier spielen aber auch Basiseffekte 

eine Rolle“, sagte ZVEI-Chefvolkswirt Dr. Andreas 

Gontermann. „So waren die Auftragseingänge im Januar 

2011 noch um mehr als ein Fünftel in die Höhe geschnellt. 

Zudem gab es zu Beginn des laufenden Jahres wie schon in 

den drei Monaten zuvor keine Großaufträge.“ 

Die um Preiseffekte bereinigte Produktion der Elektrounternehmen 

hat ihren Vorjahresstand im Januar 2012 indessen 

um zehn Prozent übertroffen. „Dies war der auf Jahressicht 

stärkste Zuwachs seit Herbst des vergangenen Jahres", 

betonte Gontermann. Ihre Produktionspläne haben die 

Elektrounternehmen im Februar 2012 den zweiten Monat 

in Folge deutlich heraufgesetzt. Neun von zehn Firmen 

planten, ihren Output in den kommenden drei Monaten 

weiter zu erhöhen oder aufrechtzuerhalten. 

| FB12-08G | 

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Türkei nun auch 

Vollmitglied des Cenelec 

Das Nationale Elektrotechnische Komitee der Türkei, 

die TSE – Turkish Standards Institution, ist zu Jahresbeginn 

als 32. Vollmitglied des Cenelec aufgenommen 

worden. Die DKE hat sich im Rahmen der Intec-Initiative 

mit dem türkischen Normungsinstitut TSE bereits in der 

Vergangenheit in Normungsthemen ausgetauscht und 

wird diese Kooperation in der Zukunft noch weiter verstärken. 

Die DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik 

Elektronik Informationstechnik im DIN und VDE vertritt 

Deutschland in den technischen Gremien im Cenelec. 

Hauptaufgabe von Cenelec ist die Umsetzung von IEC- 

Normen in europäische Normen: Knapp 80 Prozent der 

europäischen Normen basieren auf Arbeitsergebnissen 

der IEC oder sind mit ihnen identisch. Darüber hinaus 

erarbeitet Cenelec – mit dem Schwerpunkt auf europäische 

Anforderungen – eigene europäische Normen. Cenelec 

übt mit seinen Dienstleistungen eine Klammerfunktion 

zwischen Normung und Gesetzgebung aus. 

DKE – DEUTSCHE KOMMISSION ELEKTROTECHNIK 

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verband 

GMA forciert Diskussion über cyber-physische 

Systeme in einem neuen Fachausschuss 

Wie cyber-physische Systeme und 

die Automatisierungstechnik ineinandergreifen, 

will die GMA in einem neuen 

Fachausschuss diskutieren. Bild: BASF 

Mit einem neuen Fachausschuss zu cyber-physischen 

Systeme (Cyber-Physical Systems, CPS) will die VDI/ 

VDE-Gesellschaft für Mess- und Automatisierungstechnik 

(GMA) das Thema stärker auf die Agenda bringen 

und die Rolle der Automatisierungstechnik in diesem 

Kontext deutlich formulieren. Es sollen sowohl das Potenzial 

der entstehenden Technologien für die Automatisierungstechnik 

ausgelotet werden, als auch die möglichen 

Beiträge aus der Automatisierungstechnik zur 

Bewältigung der durch die neue Systemklasse entstehenden 

Herausforderungen identifiziert werden. 

Der Begriff der cyber-physischen Systeme, so betont die 

GMA, habe sich schnell zum dominierenden Begriff in der 

Diskussion zukünftiger Herausforderungen im Bereich vernetzter 

technischer Systeme entwickelt. Mittlerweile habe 

die Welle auch Deutschland erreicht, etwa in Form der von 

der Bundesregierung initiierten „Forschungsagenda CPS“. 

CPS werden als Systeme definiert, in denen rechentechnische 

und physikalische Vorgänge und Ressourcen eng 

verknüpft und koordiniert sind und über öffentliche, globale 

Netze kommunizieren. Beispiele dafür sind die dezentrale 

Erzeugung und Verteilung von Energie (Smart 

Grids), Fahrerassistenz- und Verkehrssys teme auf Basis 

einer Vernetzung von Fahrzeugen untereinander und mit 

ihrer Umgebung (Car-to-X), vernetzte medizintechnische 

Systeme mit Kopplung von körpernaher Sensorik und 

Fernüberwachung (eHealth), oder verteilte, flexible, 

selbstkonfigurierende Produktionsanlagen (Industrie 4.0). 

Als typische Herausforderungen für Entwurf und Betrieb 

von CPS werden laut GMA postuliert: komplexe 

Interaktion von physikalischer Anlage, steuernder Software 

und Kommunikationsnetzen; heterogene Systemstrukturen 

mit inkompatiblen, sich verändernden 

Schnittstellen; oder zur Entwurfszeit nicht vorhersehbare 

Änderungen im Betrieb des CPS. 

Die GMA bemängelt, dass die Bedeutung der CPS für 

die Automatisierungstechnik bislang nicht angemessen 

diskutiert werde, obwohl sie von den Problemstellungen 

her als auch im Hinblick auf die erforderlichen Lösungskonzepte 

einen unmittelbaren Bezug zur Automatisierungstechnik 

haben. Das soll der neue Fachausschuss 

ändern, der im GMA-Fachbereich-7 „Anwendungsfelder 

der Automation“ angesiedelt ist. Die Leitung des Ausschusses 

hat Prof. Dr.-Ing. Stefan Kowalewski, RWTH 

Aachen, übernommen. 

Weitere Informationen, vor allem für Experten, die in 

dem Fachausschuss mitarbeiten möchten, sind in der 

GMA-Geschäftsstelle verfügbar (gma@vdi.de). 

VDI/VDE-Gesellschaft 

Mess- und Automatisierungstechnik (GMA), 



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

10 

Die Chancen von Appification und Gamification: 

Useware im Fokus von Tagung und Wettbewerb 

Aus der Consumer Electronic bekannte Techniken zur 

Bedienung von Geräten erhalten auch für die Gestaltung 

der Mensch-Maschine-Schnittstelle in Automatisierungsanlagen 

wachsende Bedeutung. Welches Potenzial 

sie in diesem Feld bieten, ist das zentrale Thema der 

Fachtagung „Useware 2012 – Mensch-Maschine-Interaktion“. 

Diese Tagung der VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und 

Automatisierungstechnik (GMA) findet am 4. und 5. 

Dezember in Kaiserslautern statt. Die GMA bittet um 

Einreichung von Vortragsvorschlägen für eines dieser 

beiden Formate: Fachbeiträge zu Appification und Gamification 

in herausfordernden Einsatzumgebungen 

oder Demonstratoren, Designstudien sowie industrielle 

Produktpräsentationen. 

Zudem lobt die GMA den „Useware-Preis für nutzerorientierte 

Technikgestaltung“ aus. Bis zum 31. August 


4 / 2012 

können sich Unternehmen und Forschungseinrichtungen 

selbst bewerben oder von Dritten als Kandidaten vorgeschlagen 

werden. Ausgezeichnen will die GMA mit dem 

Preis „herausragende Produktlösungen, neue Entwicklungsmethoden 

und die Etablierung von Prozessen, die 

dazu beitragen, Useware-Engineerings in Unternehmen 

nachhaltig zu verankern“. Verliehen wird der Preis bei 

der Useware-Konferenz in Kaiserslautern. 

Weitere Informationen zu Tagung und Preis sind zu 

finden unter: www.vdi.de/useware 

VDI/VDE-Gesellschaft 

Mess- und Automatisierungstechnik (GMA), 



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

Zuversicht der Branche 

beflügelt die Achema 

Die gute Wirtschaftslage spiegelt sich auch in den 

Prognosen für die Achema 2012 wider. Die weltgrößte 

Messe für chemische Technik, Biotechnologie 

und Umweltschutz erwartet gegenüber der letzten 

Achema im Jahr 2009 steigende Ausstellerzahlen. Besonders 

in den Bereichen Mess- und Regeltechnik 

sowie Pharma- und Verpackungstechnik seien deutliche 

Zuwächse zu verzeichnen, teilte die Dechema 

als Messeveranstalterin mit. Die Achema findet vom 

18. bis 22. Juni 2012 in Frankfurt am Main statt. 

Das Programm des parallel zur Messe stattfindenden 

Kongresses umfasst mit 900 Vorträgen die gesamte 

Bandbreite von Verfahrenstechnik, pharmazeutischer 

Produktion und Biotechnologie. Namur, ARC Advisory 

Group und ZVEI veranstalten auf der Achema zudem 

das Forum „Automation im Dialog“. An allen fünf 

Ausstellungstagen werden Vertreter von Herstellern, 

Anwendern, Lösungsanbietern, Consultants und Behörden 

über wichtige Themen der Automatisierungstechnik 

in der Prozessindustrie diskutieren. 

Die Gesprächsrunden behandeln Trendthemen wie 

Energie- und Ressourceneffizienz, IT-Security in der Automation 

oder den Einsatz von Funk in der Prozessindustrie. 

Daneben können sich interessierte Besucher auch 

über aktuelle Entwicklungen wichtiger Dauerthemen 

wie Ex-Schutz oder funktionale Sicherheit informieren. 

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Dechema gibt sich 

eine neue Struktur 

Die Dechema Gesellschaft für Chemische Technik 

und Biotechnologie hat sich neu aufgestellt. Die 

Dechema Ausstellungs-GmbH wurde aus dem Dechema 

e.V. ausgegründet und das Karl-Winnacker-Institut 

an die Stiftung Dechema-Forschungsinstitut übergeben. 

Die Dechema Gesellschaft für chemische Technik 

und Biotechnologie e.V. werde sich weiterhin um die 

Belange ihrer Mitglieder kümmern, unter anderem 

etwa 100 themenbezogene Gremien betreuen und jährlich 

50 Tagungen, darunter auch den Achema-Kongress, 

organisieren. Die Stiftung Dechema-Forschungsinstitut 

soll sich unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. 

Michael Schütze und PD Dr. Jens Schrader ganz auf 

die Entwicklung nachhaltiger Technologien konzentrieren. 

Die Stiftung Dechema-Forschungsinstitut und 

die Dechema e.V. sind Anteilseigner der Dechema 

Ausstellungs-GmbH. 

DECHEMA Gesellschaft für Chemische 

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

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verband 

Namur baut ihre strategischen Aktivitäten 

in China kontinuierlich aus 

Sieben Arbeitskreise mit lokalen Obmännern treiben die Arbeit vor Ort voran 

Besonders in Asien weitet die Namur in jüngster Zeit 

ihre internationalen Aktivitäten aus. In China 

sind bereits sieben Namur-Arbeitskreise aktiv, die von 

chinesischen Obmännern geleitet werden und sich jenen 

Themen widmen, die lokale Unternehmen als die drängendsten 

identifizierten. Im Herbst wird zudem bereits 

die vierte Namur-Konferenz in Shanghai stattfinden. Ihr 

strategisches Engagement in China hat die Namur auch 

mit der Einrichtung eines neuen Arbeitsbereiches im 

Vorstand unterstrichen, der sich allein den Aktivitäten 

in China widmet und von Dai XiaoLong (BASF YPC) 

geleitet wird. Im Gespräch mit atp edition erläuterten 

Namur-Vertrteter die Eckpunkte der Arbeit in China. 

Die Namur vertritt als Verband die Interessen der Anwender 

von Automatisierungstechnik in der Prozessindustrie. 

Zu den wichtigen Aktivitäten gehört der Austausch 

von Erfahrungen innerhalb der Mitgliedsfirmen. 

Die Arbeitskreise der Namur definieren aber auch Anforderungen 

an Komponenten, Systeme und Dienstleistungen. 

Diese Vorgaben stellen eine wertvolle Hilfe für 

Anbieter dar, die sich bei der Entwicklung von Produkten 

gerne daran orientieren, um die Praxistauglichkeit 

ihres Angebots sicherzustellen. 

internationale Ausrichtung verstärkt 

Gerade der Erfolg dieser zweiten wesentlichen Aktivität 

der Namur hängt stark davon ab, ob sie international 

sichtbar ist und beachtet wird. Die Namur hat deswegen 

im vergangenen Jahrzehnt ihre internationale Ausrichtung 

deutlich verstärkt, zum einen durch Kooperationen 

mit Verbänden in anderen Ländern, zum anderen 

auch durch ein verstärktes Engagement in internationalen 

Normungsaktivitäten. Eine verstärkte internationale 

Vernetzung der Anwenderverbände bringt auch 

für die Hersteller als international aufgestellte Unternehmen 

Vorteile. 

Der asiatische Wirtschaftsraum hat in den vergangenen 

Jahren stark an Bedeutung gewonnen. Viele Mitgliedsfirmen 

der Namur haben dort Tochterfirmen. Die 

Namur hat deswegen im Jahr 2008 beschlossen, zunächst 

eine Konferenz in China zu veranstalten, um 

damit den Erfahrungsaustausch zu fördern. Gleichzeitig 

sollte ausgelotet werden, ob es einen Bedarf gibt, 

einen ständigen Erfahrungsaustausch in Arbeitskreisen 

zu organisieren. Die Konferenz unter dem Motto „Namur 

comes to China“ wurde von einem Kernteam aus 

Mitarbeitern von Tochterunternehmen von Namur- 

Mitgliedsfirmen inhaltlich vorbereitet und organisiert. 

Zu diesem Kernteam gehören: 

BASF-YPC (Nanjing) 

Bayer Technology and Engineering (Shanghai) 

Bayer MaterialScience China (Shanghai) 

Evonik Degussa (Shanghai) 

Wacker Chemicals (Zhangjiagang) 

die wichtigsten themen identifiziert 

Die bereits von 88 Teilnehmern besuchte Konferenz 

2009 zeigte, dass es einen großen Bedarf und ein großes 

Interesse an einem permanenten Erfahrungsaustausch 

in China gibt. Während der Konferenz wurden in direkten 

Diskussionen mit dem Publikum die wesentlichen 

Themen identifiziert, bei denen die Teilnehmer die größten 

Vorteile aus einem Firmen-übergreifenden Erfahrungsaustausch 

erwarten. Aus der gesamten Breite der 

Namur-Arbeit kristallisierten sich dabei sieben Themen 

heraus. Zu diesen Themen wurden nach der Konferenz 

Arbeitskreise (Working Groups, WG) gegründet, die von 

jeweils einem Mitglied des Kernteams als Sponsor unterstützt 

werden. 

Das Kernteam der Namur in China (von links nach rechts): 

BiDai Xiaolong (BASF-YPC), Martin Zeller (Bayer Technology and 

Engineering), Hu Weigang (Wacker Chemicals), Darius Simon 

(Bayer Material Science China), Ottmar Schilling (Evonik Degussa). 

Bild: Namur 

„Planung und Errichtung“(WG 1.1) 

„PLS-Engineering“(WG 1.10) 

„Niederspannungs-Technik“(WG 3.14) 

„Wartung“(WG 4.1) 

„Anlagensicherheit“(WG 4.5) 

„Explosionsschutz“(WG 4.7) 

„Energieeffizienz“(WG 4.17) 

Die zweite Konferenz der Namur fand 2010 unter dem 

Motto „Namur Activities in China“ ebenfalls in Shanghai 

statt. Bei dieser Tagung mit über 100 Teilnehmern 

12 


4 / 2012

Die Working Groups der Namur in China 

WG 1.1 Planung und Errichtung 

Obmann: William Chen, Evonik Degussa 

Sponsor: Ottmar Schilling, Evonik Degussa 

Zuständig für: 

Behördliche Vorschriften für PLT -Projekte 

Projektausführung für PLT in China 

Management der PLT-Montage 

PLT-Dokumentationsstruktur 

WG 4.1 Maintenance 

Obmann: Zhao Yongming, BASF-YPC 

Sponsor: Dai Xiaolong, BASF-YPC 


Wartungspläne für E&I in China (Vorschriften und Musterlösungen) 

Vorbeugende Instandhaltung 

Zustandsorientierte Instandhaltung auf der Basis von PLT-Asset 

Management Systemen (Machbarkeitsstudie mit marktgängigen Systemen) 

WG 1.10 PLS-Engineering 

Obmann: Le Wang, BMSC 

Sponsor: Martin Zeller, BTES 


Alarmmanagement 

Asset LifeCycle Management bei Prozessleitsystemen 

im Spannungsfeld kurzer 

Produktzyklen und langer Anlagenlaufzeiten Anforderungen 

an die Statusüberwachung von Prozessleitsystemen 

Standardbibliotheken für Softwarebausteine 

Qualitätssicherung bei der Instandhaltung 

Abfahren von Anlagen 

Akzeptanzkriterien für die Abnahme 

IT-Security in der Automation 

WG 3.14 Niederspannungstechnik 

Obmann: Gao Zhirong, BASF-YPC 

Sponsor: Hu Weigang, Wacker 


Sammeln von Best Practices 

Einheitliches Konzept für zukünftige 

Niederspannungssysteme in der Prozessindustrie 

Niederspannungsverteilung 

Elektrische Antriebe 

Integrierte Motorsteuerung 

Frequenzumrichter 

Konkrete Umsetzung von Anforderungen in IEC- und 

GB-Standards 

WG 4.5 Anlagensicherheit 

Obmann: Wang Haitao, Wacker Chemicals 

Sponsor: Hu Weigang , Wacker Chemicals 


Funktionale Sicherheit in der Prozessindustrie 

(Technische Aspekte, Managementsysteme) 

Praktische Umsetzung der IEC 61511 / GB/T21109 (Prüfung oder 

Abnahme von sicherheitsgerichteten Systemen durch Chinesische Behörden und 

zugelassene Prüfstellen mit ausreichender fachlicher Expertise, Praktisches 

Vorgehen bei SIL-Zertifikaten für in China hergestellte Geräte oder Systeme). 

Elektromechanische Bauteile in Sicherheitseinrichtungen 

WG 4.7 Explosion Protection 

Obmann: Pan Qingsheng, BASF (China) Company Ltd. 

Sponsor: Dai Xiaolong, BASF-YPC 


Checkliste für die Abnahme von Ex-Motoren nach Reparatur 

Induktionsmotor und Frequenzumrichter im Ex-Bereich 

Kontakt zu chinesischen Regelsetzern und Prüfstellen im 

Explosionsschutz 

WG 4.17 Energieeffizienz 

Obmann: Wang Bin, BMSC 

Sponsor: Darius Simon, BMSC 


Energieeffizienz in der Beleuchtung 

(Marktübersicht und Empfehlungen) 

Wirtschaftliche Auslegung von Niederspannungskabeln 

Energieeffiziente Motoren 

Energieeffizienz in Umspannungseinrichtungen 

Energieeffizienz von Frequenzumrichtern im Vergleich zu konventionellen Antrieben 

wurden die beeindruckenden Arbeitsergebnisse des ersten 

Jahres vorgestellt, Anregungen an die Arbeitskreise 

herangetragen und das weitere Vorgehen besprochen. 

Auch diese Konferenz war geprägt von intensiven fachlichen 

Gesprächen und der Möglichkeit zum gegenseitigen 

Kennenlernen. 

eigenständige organisation in china 

Neben der Etablierung eines regelmäßigem Erfahrungsaustausches 

zwischen den Mitgliedsfirmen verfolgt die 

Namur mit dem Engagement in China auch das Ziel, den 

Kontakt zu chinesischen Normungsgremien und ähnlichen 

Organisationen zu intensivieren. Als sehr fruchtbar 

bei den Bemühungen, einen einheitlichen Standard im 

Bereich „Wireless Automation“ zu erreichen, hat sich dabei 

der Kontakt zum ITEI (Instrumentation Technology 

and Economy Institute) erwiesen. 

Die Namur hat in China innerhalb des ersten Jahres 

ihrer Aktivitäten eine ganze Reihe von Themen aus der 

Automatisierungstechnik aufgegriffen und bearbeitet. 

Sie tut das im Interesse der beteiligten Firmen und trägt 

auch in China dazu bei, die Verfügbarkeit und Sicherheit 

der Anlagen zu erhöhen. Der Bedarf an Erfahrungsaustausch 

zeigt sich in der großen Zahl von Kollegen, die 

sich an der Arbeit in den Arbeitskreisen beteiligen. Die 

ersten beiden Jahre der Namur in China waren damit ein 

deutlicher Erfolg. 

Bei der Namur-Tagung in Shanghai 2011 unterstrich 

der kurz zuvor neu gewählte Vorstandsvorsitzende Dr. 

Wilhelm Otten vor mehr als 120 Teilnehmern die Bedeutung 

der Aktivitäten in China. Er hob hervor, Namur 

China sehe man nicht als Filiale des deutschen Verbands, 

sondern als eigenständige Organisation, die ihre 

eigenen Themen setzen und bearbeiten solle. Die Namur 

werde ihr strategisches Engagement in China bestärkt 

durch den bisherigen Erfolg fortsetzen und ausbauen. 



4 / 2012 

13

praxis 

Automatisierte Steuerungstests vereinfachen die 

virtuelle Inbetriebnahme in der Fabrikautomation 

Projekt OMSIS verbindet die beteiligten Softwarewerkzeuge zu einem praktikablen Workflow 

Virtuelle Inbetriebnahmen (VIBN) von Maschinen oder 

Fabriken mit dem Ziel, ausgetestete Steuerungsprogramme 

zu erzeugen, benötigen zu ihrem Gelingen nicht nur bloße 

Hardware-in-the-Loop-Simulationen, sondern eine durchgängige 

und automatisierte Werkzeugkette für Steuerung, 

Simulation, Monitoring, Analyse sowie Testfallverwaltung 

und -ausführung. Im Rahmen des Forschungsprojektes 

OMSIS wurde solch eine integrierte Test- und Simulationsumgebung 

prototypisch realisiert und diese These bekräftigt. 

Obwohl die virtuelle Inbetriebnahme von Anlagen der 

Fabrikautomation ein großes Potenzial besitzt, scheuen 

sich nach wie vor viele Unternehmen, diese Technik einzusetzen. 

Wesentlicher Grund für diese Ablehnung sind 

nicht etwa fehlende Teillösungen zur 3D-Anlagensimulation 

oder zur Kopplung dieser Simulationen mit realen 

Steuerungen (SPSen). Was fehlt, ist eine geeignete Gesamtlösung, 

welche die vorhandenen Werkzeuge zu einem praktikablen 

Workflow verbindet, um die notwendige Nutzerakzeptanz 

bei Automatisierern und Betreibern für diese 

Technologie zu erreichen. Deshalb hat sich ein Konsortium 

aus zwei Universitäten, drei Simulatorherstellern sowie 

vier IT-Dienstleistern aus den Bereichen Messtechnik, Automotive 

und Halbleiter im Rahmen des Förderprojektes 

OMSIS (On-the-fly-Migration und Sofort-Inbetriebnahme 

von automatisierten Systemen) damit beschäftigt, die Anwendbarkeit 

von VIBN in der Praxis zu verbessern und 

deren Fokus von reiner Simulation auf den automatisierten 

Test von Maschinensteuerungen zu erweitern. 

SOFTWARETESTS BESITZEN HOHE BEDEUTUNG 

Weil Neubau und Erneuerung von Automatisierungstechnik 

in modernen Unternehmen kein einmaliger, sondern 

ein permanenter Prozess ist, kommt solchen Softwaretests 

eine große Bedeutung zu. Errichter und Betreiber von automatisierten 

Industrieanlagen sehen sich dabei typischerweise 

mit folgenden Problemstellungen konfrontiert: 

Bild 1: Virtuelle Inbetriebnahme als bloße Hardware-inthe-Loop-Simulation. 

Programmierung, Softwaretest und 

Leistungsbewertung zu Zeitpunkten, da die reale Maschine 

noch gar nicht existiert, sind damit allein oft nicht möglich. 

Bild 3: Testfall-Beschreibung im Testautomatisierungswerkzeug 

ECU-Test. Hier wird beispielhaft getestet, ob eine Aktivierung 

beziehungsweise Deaktivierung einer einzelnen Maschine 

einer Taktstraße das spezifizierte Verhalten bewirkt. 

Bild 2: Integrierte Test- und Simulationsumgebung zur automatisierten 

Testfallausführung und –überwachung. Sie ermöglicht 

dem Anwender ein systematisches und reproduzierbares 

Austesten aller denkbaren Prozesssituationen, auf welche die 

Steuerung später reagieren können muss. 

Bild 4: Tool-Mapping des Testfalls auf verschiedene Software 

(SW) oder Hardware (HW) während einzelner Entwicklungsphasen. 

Damit wird die symbolische Entkopplung der Testschritte 

von den tatsächlich angesteuerten Werkzeugen möglich. 

14 


4 / 2012

Die Entwicklung und der Test von Steuerungsprogrammen 

sollen aus Termingründen bereits vor der 

Fertigstellung einer zu errichtenden Anlage erfolgen. 

Bestimmte Anlagenkomponenten, wie Steuerungen 

(MES, SPS) oder Maschinen, müssen quasi im laufenden 

Anlagenbetrieb ausgewechselt oder um neue 

Komponenten erweitert werden. 

Neue Strategien zur Fertigungsplanung oder optimierte 

Dispatching-Regeln für die Materiallogistik 

müssen erprobt werden, ohne den geordneten Produktionsablauf 

zu gefährden. 

Sowohl während einer Prototypen-Entwicklung als auch 

einer Migration sollen demzufolge Programmierung, 

Softwaretest und Leistungsbewertung zu Zeitpunkten 

stattfinden, wo die reale Maschine noch gar nicht existiert 

oder nicht benutzt werden darf. Genau diese Anforderung 

soll die VIBN (Bild 1) eigentlich erfüllen, aber oft 

genügt sie diesem Anspruch nicht. Warum? 

Kommerzielle Anbieter in diesem Segment konzentrieren 

ihre Lösungen für die Fabrikautomation überwiegend 

auf die Anlagensimulation und die Steuerungskopplung. 

Die Simulation übernimmt dabei die realitätsnahe Nachbildung 

aller relevanten Maschinenfunktionen und ist 

häufig mit einer informativen 3D-Visualisierung ausgestattet. 

Die Kopplung ist meist eine kombinierte Hardware-Software-Lösung 

und dient der echtzeitfähigen 

Anbindung eines realen Controllers sowie weiterer HMI- 

Geräte wie Operator Panels. Letztere können wahlweise 

auch rein simulativ nachgebildet werden. 

BISLANG NUR PROBIEREN UND BEOBACHTEN 

Prinzipiell lassen sich VIBN mit solch einer Hardwarein-the-Loop-Simulation 

durchführen, die gebotenen 

Möglichkeiten reduzieren sich aber auf visuelles Testen 

– also Probieren und Beobachten. Warum das nicht 

hinreichend ist und die VDI 3633 konsequenterweise 

eine Verknüpfung von Simulation und (automatisiertem) 

Funktionstest fordert, lässt sich leicht nachvollziehen, 

wenn man betrachtet, dass es die VIBN einer 

durchschnittlichen Anlage bedingt, mehrere Hundert 

Eingangs-Signale kombinatorisch verknüpft zu stimulieren 

und die erwarteten Ausgangs-Reaktionen zu 

prüfen und zu protokollieren. Daraus resultieren mehrere 

Tausend Testfälle, die iterativ ausgeführt werden 

müssen, sobald sich Teile der Software ändern, zum 

Beispiel aufgrund einer nachträglichen Fehlerbehebung. 

Jeder einzelne Testlauf wiederum verlangt vom 

Testpersonal die Ausführung einer Reihe von Bedienhandlungen 

wie 

das Initialisieren oder Rücksetzen des Simulationsmodells, 

den Neustart der Steuerung (SPS/MES), 

das folge- und zeitrichtige Stimulieren bestimmter 

Prozesssignale und 

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praxis 

Aufgrund der mangelhaften Werkzeugunterstützung für 

VIBN im Bereich der Fabrikautomation müssen diese 

Schritte für gewöhnlich mühsam von Hand ausgeführt 

werden. Testfehler und eine geringe Testgeschwindigkeit 

sind die logischen Folgen. 

AUTOMATISIERTE TESTUMGEBUNG ERFORDERLICH 

Spätestens dann, wenn die Steuerung von der simulierten 

auf die reale Anlage umgeschaltet wird, zeigt sich, 

inwieweit die Steuerungssoftware bis dahin wirklich 

ausgetestet und ausgereift ist – und zwar hinsichtlich 

ihrer Funktion und Performance. Ab einem bestimmten, 

minimalen Reifegrad ist eine automatisierte Test- und 

Simulationsumgebung erforderlich, die aus einer integrierten 

Werkzeugkette für Simulation, Monitoring, Datenanalyse 

und Testfallausführung besteht (Bild 2). Diese 

Umgebung ermöglicht dem Anwender ein systematisches, 

reproduzierbares und nachweisbares Austesten 

aller denkbaren Prozesssituationen, auf welche die Steuerung 

später reagieren können muss. Ziel ist, den Mensch 

von den oben genannten Routineaufgaben zu entlasten 

und dadurch die Testeffizienz und -qualität zu steigern. 

Alle beteiligten Hardware- und Softwarekomponenten 

einschließlich der zu testenden Steuerung werden zu diesem 

Zweck über Schnittstellen mit einer zentralen Instanz, 

dem sogenannten Testsystem-Manager verbunden. Dieser 

bietet den Komfort, alle Systemkomponenten auf Knopfdruck 

konfigurieren, starten oder stoppen zu können. So 

wird der Steuerungstest, und damit die eigentliche virtuelle 

Inbetriebnahme, erst effizient und praktikabel. Solch 

eine integrierte Test- und Simulationsumgebung wurde 

im Rahmen des Projektes OMSIS prototypisch realisiert. 

TESTFÄLLE FÜR GESAMTEN ENTWICKLUNGSPROZESS 

Als Testsystem-Manager kam die Software ECU-Test 

(TraceTronic) zum Einsatz, ein im Automobilbereich etabliertes 

Testautomatisierungswerkzeug zur Spezifikation, 

Implementierung, Ausführung und Dokumentation 

von Testfällen. Sogenannte Tool-Adapter bilden dabei 

die Schnittstellen, über welche ECU-Test mit der jeweiligen 

Systemkomponente kommuniziert. Im Rahmen des 

Projektes wurden mit wenig Aufwand Tool-Adapter für 

mehrere Werkzeugklassen entwickelt, die folgende 

Funktionalitäten bieten: 

Simulation – Enterprise Dynamics (Incontrol): 

Erzeugen, Lesen und Schreiben von Modellelementen 

und deren Attributen, 

Starten, Stoppen und Rücksetzen der Simulation, 

Steuerung – SPS SIMATIC S7 (Siemens): 

Stoppen und Neustarten der Steuerung, 

Lesen und Schreiben ausgewählter Signale, 

Monitoring – Analysator AutoSPy (GWT-TUD): 

Dokumente zum Speichern der Monitoringdaten 

erzeugen, Aufzeichnungen starten und anhalten. 

ECU-Test gestattet neben der Interaktion mit dem 

Testaufbau auch die grafische Bearbeitung von Testfällen, 

die Spezifikation von entsprechenden Erwartungswerten, 

eine bedingte Testschrittausführung, Schleifendurchläufe 

und schließlich komplexe Bewertungen, die 

im Testreport sichtbar werden. Bild 3 zeigt einen solchen 

Testfall. Hier wird beispielhaft getestet, ob eine 

Aktivierung beziehungsweise Deaktivierung einer einzelnen 

Maschine einer Taktstraße das spezifizierte Verhalten 

bewirkt. 

Erfahrungen aus der Automobilbranche zeigen, dass 

es ökonomisch sinnvoll ist, Testfälle nicht nur für einzelne 

Phasen der Steuerungsentwicklung zu entwerfen, 

sondern diese Tests möglichst über den gesamten Entwicklungsprozess 

weiterzuverwenden. ECU-Test unterstützt 

dieses Konzept durch die symbolische Entkopplung 

der Testschritte von den tatsächlich angesteuerten 

Werkzeugen mittels des sogenannten Tool-Mapping, wie 

in Bild 4 dargestellt. 

Das Projekt OMSIS (Förderkennzeichen 16IN0650) 

wurde finanziert vom Bundesministerium für Wirtschaft 

und Technologie und endete im Juli 2011. Im 

ersten Quartal 2012 erfolgte die praktische Validierung 

der geschaffenen Werkzeuge und gewonnenen Erkenntnisse 

in einem Pilotprojekt zur virtuellen Inbetriebnahme 

einer Sondermaschine. Darin konnten die Praktikabilität 

und der Nutzen der vorgestellten Testumgebung 

bestätigt werden. 

Autoren 

Prof. Dr.-Ing. habil. 

Klaus Kabitzsch 

ist Leiter des Lehr - 

stuhls für Technische 

Informationssysteme 

der 

TU Dresden. 

Technische Universität Dresden, 

Institut für Angewandte Informatik, 

Helmholtzstraße 10, D-01069 Dresden, 

Tel. +49 (0) 351 46 33 82 89, 

E-Mail: klaus.kabitzsch@tu-dresden.de 

Dipl.-Inf. André 

Gellrich ist 

Wissenschaftlicher 

Mitarbeiter mit 

Forschungsschwerpunkt 

energieeffiziente 

Software am 

Institut für Angewandte 

Informatik 

der TU Dresden. 

Technische Universität Dresden, 

Institut für Angewandte Informatik, 

Helmholtzstraße 10, D-01069 Dresden, 

Tel. +49 (0) 351 46 33 84 78, 

E-Mail: andre.gellrich@tu-dresden.de 

Dipl.-Inf. 

Jens Naake ist 

Produktverantwortlicher 

für die 

Monitoring- und 

Analysesoftware 

AutoSPy bei der 

GWT-TUD GmbH. 

GWT-TUD GmbH, 

Arbeitsgruppe AutoSPy, 

Blasewitzer Straße 43, D-01307 Dresden, 

Tel. +49 (0) 351 46 33 84 75, 

E-Mail: jens.naake@gwtonline-fb.de 

16 


4 / 2012


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praxis 

Normen-Dschungel IT-Security: Neue Standards 

sollen Konflikte mit etablierten Regeln vermeiden 

UK 931.1 des DKE formuliert Anforderungen an die künftige Normenreihe IEC 62443 

Die Informationstechnik bringt ohne Zweifel eine Steigerung 

der Effizienz vieler Geschäftsprozesse. Damit 

einher gehen aber auch neue Bedrohungen der Verfügbarkeit 

von Produktionsanlagen oder der Integrität und 

Vertraulichkeit von Geschäftsdaten. Angestrebt wird, 

abgestimmte technische Regeln, Normen oder Standards 

aufzustellen, um für die verschiedenen Industrien einheitliche 

Vorgehensweisen und angepasste Schutzkonzepte 

gegen diese neuen Bedrohungen zu verabreden. 

Für moderne Prozessleitsysteme werden Hard- und Softwaretechnologien 

eingesetzt, wie sie auch in der Standard- 

IT für die Büroumgebung zum Einsatz kommen. Damit 

stehen preiswerte, leistungsfähige Systeme zur Verfügung. 

Aber aufgrund der technologischen Gleichheit der Lösungen 

werden neue Bedrohungs-Szenarien relevant, welche 

zuvor keine Rollte spielten, da proprietäre Systeme eingesetzt 

wurden. Dabei sind die Anforderungen in der Prozessautomatisierung 

deutlich höher: Während etwa bei 

Banken oder Speditionen kurzzeitige Ausfälle als durchaus 

akzeptabel gelten, müssen in der Prozessindustrie die 

Systeme für die Basisautomatisierung uneingeschränkt 

verfügbar sein. Denn auch kurzzeitige Ausfälle der Systeme 

können zu gravierenden Produktionsverlusten führen. 

STANDARDISIERTE VORGEHENSWEISE 

Um diesen Anforderungen entsprechende Lösungen entwerfen 

zu können, hat sich in vielen Bereichen eine quasi 

standardisierte Strategie etabliert: 

Es wird eine Bedrohungsanalyse ausgeführt und dokumentiert. 

Es werden Maßnahmen zur Beherrschung der identifizierten 

Risiken definiert. 

Es wird ein Plan zur Implementierung der definierten 

Maßnahmen erarbeitet. 

Es wird ein Auditierungsschema erarbeitet, mit dem 

Einhaltung und Wirksamkeit der definierten Maßnahmen 

überwacht werden. 

Für Automatisierungsanwendungen kann dieses Konzept 

auch für die IT-Sicherheit übernommen werden, jedoch müssen 

Einzelheiten angepasst werden. Details dieser Vorgehensweise 

sind in den einschlägigen Normen und Spezifikationen 

wie der Richtlinie VDI/VDE 2182 erläutert. Zur technischen 

Umsetzung der risikominimierenden Maßnahmen werden 

dann bekannte Lösungen aus der Büro-IT wie Verschlüsselungstechniken 

oder Passwort-gestützte Authentifizierung 

herangezogen, die noch an die speziellen Erfordernisse der 

Prozessautomatisierung angepasst werden müssen. 

NACHRÜSTUNG ALS HERAUSFORDERUNG 

Zu den im Prozessbereich notwendigen Anpassungen gehört, 

dass die BPC (Basic Process Control)-Systeme in der 

Regel nicht mit Virenscannern ausgestattet werden. Stattdessen 

dienen zusätzliche, geschützt aufgestellte Rechner, 

als Daten-Gateway (etwa als Virenschleuse). Die BPC werden 

als „demilitarisierte Zone“ ohne Schutzmaßnahmen 

gegen Schadsoftware betrieben. Dabei ist es aber wichtig, 

dass auch die Nutzung externer Datenträger, wie USB 

Sticks oder externe Service Notebooks, hinreichend geregelt 

und wo notwendig eingeschränkt wird. 

Bei der Errichtung neuer Anlagen und Betriebe können 

alle erforderlichen Sicherheitsmaßnahmen direkt umgesetzt 

und vor allem mit dem eigentlichen Produktionsprozess 

im Vorfeld abgestimmt werden. Denn hier sind 

die komplette IT und die damit verbundenen Schwachstellen 

bekannt. Bei IT-Änderungen einer existierenden 

Prozessautomatisierungsanlage, wo die notwendigen 

Maßnahmen für die IT-Sicherheit nachgerüstet werden 

müssen, besteht die Herausforderung darin, die durch 

die neuen IT-Funktionen erzeugten Schwachstellen genau 

und vollständig zu analysieren und die erforderlichen 

Schutzmaßnahmen in die bestehende Prozessautomatisierungsanlage 

nahtlos zu integrieren. 

SCHNELLIGKEIT VERSUS ZUVERLÄSSIGKEIT 

Die unterschiedlichen Vorgehensweisen im Büro- und 

Prozessbereich schlagen sich in folgenden Punkten nieder: 

Steht bei Anwendungen der Büro-IT im Vordergrund, 

Schwachstellen und Fehler möglichst auszumerzen bevor 

Schaden entsteht, so legt man bei BPC auf sorgfältige Inbetriebnahme 

und umfangreiche Betriebserfahrungen 

Wert. Erkannte Fehler auf Systemniveau werden im Bürobereich 

schnellstmöglich durch Software Patches 

(Patch = Pflaster) korrigiert, bei BPC werden diese vermerkt 

und möglichst umgangen. Nur wenn eine Umgehung 

(Work Around) nicht sinnvoll oder möglich ist, werden 

Systemupgrades vorgenommen, nachdem diese von 

den jeweiligen Lieferanten ausgiebig getestet worden sind. 

Das führt dazu, dass die BPC im Lauf der Zeit anfälliger 

für IT-Bedrohungen werden, da die Systeme früher 

oder später nicht mehr up to date sind. Dies ist von besonderer 

Bedeutung, wenn etwa Bestandsanlagen nachträglich 

mit Wartungszugängen ausgestattet werden. 

Anwendungen, die von Ihrer Aktualität leben (wie Virenscanner) 

sind unter diesen Bedingungen nur bedingt 

wirksam, da sie auf ständige Aktualisierungen angewiesen 

sind und nur mit den Security Patches des Betriebssystems 

den gewünschten Schutz bieten. 

Die Verwendung externer Werkzeuge (wie Laptops von 

Servicetechnikern) ist kritisch zu hinterfragen, da 

Schadsoftware, die durch ein aktuelles Betriebssystem 

blockiert wird, unter einem alten Betriebssystemstand 

verheerend wirken kann. 

SAFETY UND SECURITY 

Von besonderer Bedeutung sind im Hinblick auf die IT- 

Sicherheit all die Automatisierungssysteme, für welche 

besondere Rahmenbedingungen aufgrund gesetzlicher 

oder normativer Anforderungen bestehen. Neben den 

Systemen zur nachvollziehbaren Aufzeichnung von Produktionsdaten 

sind dies vor allem die Systeme der funktionalen 

Sicherheit. 

Im Englischen verdeutlichen die Begriffe Safety und 

Security die unterschiedliche Bedeutung dieser Sicherheitsgebiete. 

Im technischen Bereich spricht man von 

18 


4 / 2012

Für moderne Prozessleitsysteme werden Hard- und 

Softwaretechnologien eingesetzt, wie sie auch in der 

Standard-IT für die Büroumgebung zum Einsatz kommen. 

Erforderlich sind daher Maßnahmen zur IT-Security, für die 

handhabbare Normen erarbeitet werden müssen. Bild: BASF 

Kurzname Arbeitskreisname Arbeitsschwerpunkt Webseite 

AGA 12 American Gas Association Cryptographic Protection of SCADA (Supervisory 

Control And Data Acquisition) Communications 

ATIS 

AWV 

BDI 

Alliance for Telecommunications 

Industry Solutions 

Arbeitsgemeinschaft für 

wirtschaftliche Verwaltung e.V. 

Bundesverband der Deutschen 

Industrie e.V. 

T1S1 Security Subcommittee (T1S1sec) Security 

T1M1 – OAM&P Network Management Security, 

Secure Management Security Focus Group 

Arbeitskreis Sicherheit in der Informationstechnik 

Datenschutz der Spitzenorganisationen der 

Wirtschaft 

Bitkom AK Sicherheitsmanagement Fragen der Sicherheit von elektronischen Geschäftsprozessen 

und informationellen Ressourcen. Zu den 

Themenbereichen zählen unter anderem elektronische 

Signaturen, Biometrie und Web-Identitäten. 

Bitkom FA Frühwarnsysteme Zusammenarbeit deutscher IT-Unternehmen bei der 

Frühwarnung zu Internet-Gefahren 

Bitkom 

IEC 

TC65WG10 

IETF 

ISA99 

AK Sicherheit in Unternehmensnetzen 

International Electrotechnical 

Committee TC65 WG10 

Internet Engineering Task 

Force 

The Instrumentation, Systems, 

and Automation SocietySP99 

Aktuelle politische, technologische und rechtliche 

Entwicklungen auf dem Gebiet der IT-Sicherheit 

WG to develop standard 62443; 

came out of SC65C WG13, 

IP Security, SIP security, SRTP, MIKEY Security 

aspects in a number of working groups (including 

NSIS, Geopriv, EAP, AAA, RADEXT, PANA, etc.) 

Manufacturing and Control Systems Security, 

Defining an overall Standard for Manufacturing 

and Control Systems Security (Model, Technology, 

Implementation of a Security Program, Audit, 

System – and Product Requirements) 

www.aga.org 

www.atis.org 

www.awv-net.de 

www.bdi-online.de 

www.bitkom.org 



www.iec.ch 

www.ietf.org 

www.isa.org 

Tabelle 1: Eine schier unübersehbare Vielzahl von Gremien ist aktiv, um Normen, Standards 

und industrielle Richtlinien zur funktionalen Sicherheit und IT-Sicherheit up to date zu halten. 


4 / 2012 

19

praxis 

functional Safety (funktionale Sicherheit) und IT-Security 

(IT-Sicherheit). Auch im Deutschen ist eine saubere Trennung 

notwendig, denn funktionale Sicherheit beschreibt 

ein komplett anderes Eigenschaftsfeld als IT-Sicherheit. 

Eine Abgrenzung findet sich auf der Homepage des VDE. 

Bei der funktionalen Sicherheit geht es darum, durch 

Automatisierungstechnik sicherzustellen, dass von einem 

Gerät oder einer Anlage keine Gefahr für Menschen oder 

Umwelt ausgeht. Diese Art von Sicherheit schützt die Umgebung. 

Bei der IT-Sicherheit lautet das Ziel, Gefahren 

abzuwehren, die von außen auf das System einwirken und 

dessen Funktion beeinträchtigen, beispielsweise Schadsoftware 

oder einen nicht autorisierten Zugriff. 

Damit ist die Verbindung zwischen beiden Themen sichtbar: 

Wenn das betrachtete System etwa eine sicherheitsgerichtete 

Steuerung oder ein Feldgerät in einer Sicherheitseinrichtung 

ist, dann ist jede Beeinträchtigung seiner Funktion 

auch gleichzeitig eine der (funktionalen) Sicherheit. 

NORMUNG: GANZHEITLICHE BETRACHTUNG FEHLT 

Dennoch findet die Normung in unterschiedlichen Gremien 

statt. In den einschlägigen Normen wird darauf 

hingewiesen, dass das jeweils andere Thema zu beachten 

ist. Es fehlt ihnen jedoch eine ganzheitliche Betrachtung. 

Eine schier unübersehbare Vielzahl von Gremien ist aktiv, 

um diese Normen, Standards und industriellen 

Richtlinien up to date zu halten. Dabei ergeben sich unterschiedliche 

Analysen, Konzepte und Sichtweisen. So 

haben sich etwa unterschiedliche Begriffe entwickelt, 

die im Kern aber alle für die gleiche Risikoproblematik 

der IT-Sicherheit stehen, wie IT-Sicherheit in der Automatisierungstechnik, 

Automation Security, Cyber Security 

oder Industrial Security. 

ZIELKONFLIKTE UND ÜBERLAPPUNGEN VERMEIDEN 

Die IEC hat ihre Arbeitsgruppe TC 65 WG 10 mit der Erarbeitung 

einer internationalen Normenreihe für die IT- 

Sicherheit in der Prozessautomatisierung beauftragt. Sie 

stützt sich dabei wesentlich auf die Arbeit der ISA99 

(USA), in der nationale Vorarbeit geleistet wird. Im Rahmen 

der ISA-Arbeit zur Normierung wurde unter anderem 

ein eigenes Managementsystem für die IT-Sicherheit für 

Automatisierungsanwendungen entwickelt nebst zugehörigen 

spezifischen Sicherheitsanforderungen und Bewertungsmaßstäben. 

In Deutschland wurde parallel zu den Aktivitäten von 

ISA und IEC ein Vorgehensmodell zur Risikoanalyse und 

Beherrschung erarbeitet, das auf den Bedarf der Automatisierungsanwendungen 

zugeschnitten ist. Besonders 

berücksichtigt werden dabei die Rollen von Anwendern, 

Systemintegratoren und Produktherstellern. Dieses Vorgehensmodell 

postuliert keine eigenen Anforderungen, 

sondern stützt sich auf etablierte Standards. Es wurde 

als Richtlinie VDI/VDE 2182 veröffentlicht. Bei Anwendung 

von IT-Systemen in Unternehmen sind üblicherweise 

IT-Sicherheits-Managementsysteme auf der Basis 

der ISO/IEC 27000-Serie etabliert. 

Dies führt dazu, dass Anwender kommerzieller IT- 

Systeme, die gleichzeitig für den Fertigungs- beziehungsweise 

Prozessbereich die ISA99 oder die entsprechende 

internationale IEC-Normenreihe 62443 umsetzen wollen, 

damit für unterschiedliche Unternehmensbereiche nicht 

nur verschiedene Managementsysteme etablieren müssen. 

Sondern diese sind auch noch untereinander abzustimmen 

und zu verzahnen. Da je nach Anwendung 

unterschiedliche Zertifizierungsstellen in Anspruch 

genommen werden sollen, ist das Entstehen weiterer 

Konflikte nicht auszuschließen. 

ANFORDERUNG AN DIE NORMUNGSARBEIT 

Wesentliche Aufgabe der WG 10 des TC 65 wird aus Sicht 

der Verfasser sein, diesen Zielkonflikt aufzulösen. Darüber 

hinaus gibt es momentan eine Reihe branchenspezifischer 

Spezifikationen (etwa WIB, BDEW, Namur, GMA), 

die unabhängig voneinander erarbeitet wurden. 

Es muss ein Ziel der Normungsarbeit sein, für Unternehmen 

effiziente und handhabbare Vorschriften zu 

entwickeln. Das übliche Vorgehen bei der Erstellung 

einer IEC-Norm erfolgt Top Down. Dabei entwickeln 

und formulieren die Mitglieder eines IEC-Komitees als 

Autoren 

Dr. rer. nat. Gerd Wartmann 

ist unter anderem Mitglied 

verschiedener Arbeitskreise 

und Komitees zum Thema der 

IT-Sicherheit in der Automatisierungstechnik: 

DKE UK 931.1 

und VDI/VDE GMA FA 5.22. In 

der Firmengruppe 

Endress+Hauser verantwortet er 

als Director Information Security die Umsetzung 

und Weiterentwicklung der Informationssicherheit. 

Endress+Hauser Consult AG, 

Kägenstrasse 2, CH-4153 Reinach, 

Tel. +41 61 715 77 23, 

E-Mail: gerd.wartmann@holding.endress.com 

BIS alpha msr GmbH, 

Dr.-Julius-Leber-Str. 12, 

D-67433 Neustadt/Weinstraße, 

Tel. + 49 (0) 6321 40 05 50, 

E-Mail: P.Sieber@alpha-msr.de 

Dipl. Ing. Peter Sieber 

ist Geschäftsführer der 

BIS alpha msr GmbH in 

Neustadt an der Weinstraße. 

20 


4 / 2012

delegierte Experten eine Norm und legen diese den nationalen 

Normungsgremien zur Begutachtung und 

Überprüfung vor. 

Bei der jetzt entstehenden Normenreihe IEC 62443 werden 

die Vorarbeiten zu weiten Teilen in nationalen Standardisierungsgremien 

geschaffen. Aus Sicht des UK 931.1 

des DKE hat die IEC nun die Kernaufgabe, entstehende 

Überlappungen mit existierenden Normen und Standards 

zu identifizieren und aufzulösen. Insbesondere sollte die 

neue IEC 62443 auf die etablierte Normenreihe zur IT-Sicherheit 

ISO/IEC 27000 abgestimmt sein, die das IT-Sicherheitsmanagement 

für ein Unternehmen als Ganzes betrachtet. 

Dies begründet sich aus dem Reifegrad und der 

Anwendungsbreite dieses bereits vorliegenden Standards. 

FOKUSSIERTER LÖSUNGSANSATZ ERFORDERLICH 

Andere Normen und Standards, die spezifische industrielle 

Forderungen abdecken, wie die zur funktionalen 

Sicherheit von industriellen Komponenten oder Anlagen, 

sind zu berücksichtigen. Sollte dies nicht gelingen, wird 

es künftig identische Produkte und Anwendungen geben, 

für die unterschiedliche normative Anforderungen gelten. 

Dies sollte mit Rücksicht auf die kommerziellen Konsequenzen 

für Hersteller und Anwender unbedingt vermieden 

werden. 

Die wichtigsten Punkte der Haltung des UK 931.1 des 

DKE zu den Eckpunkten einer zu schaffenden Normenreihe 

zum Thema IT-Sicherheit für die Prozessautomatisierung 

lauten: 

Es ist ein risikoorientierter Lösungsansatz vorzusehen. 

Der Lösungsansatz soll sich eng auf das eigentliche 

Thema fokussieren, angrenzende Bereiche gehören 

in andere Dokumente. 

Die zum Einsatz kommenden Managementsysteme 

müssen sich an den bereits vorhandenen orientieren 

– Widersprüche sind zu vermeiden. 

Es wird der Entwicklung eine Reihe von „Rezepten“ 

zur Anwendung der existierenden normativen Forderungen 

Vorzug gegeben vor der Aufstellung neuer 

technischer Anforderungen an die IT-Sicherheit von 

Automatisierungsanlagen. 

Existierende Spezifikationen, die auf der Anwendung 

gültiger thematisch gleicher IEC-Standards beruhen, 

sind zu berücksichtigen. 

Es müssen Lösungsstrategien definiert werden, die 

auch für Bestandsanlagen anwendbar sind. 

Diese Forderungen scheinen schwer zu erfüllen zu sein. 

An anderer Stelle, etwa in der DIN EN 61508 (VDE 0803), 

konnte eine vergleichbare Lösung jedoch gefunden werden. 

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). 

www.wago.com

anche 

Hochpräzise Temperaturregelung ist bei Herstellung 

von Prothesen eine besondere Herausforderung 

Neogramm optimiert Visualisierung und Steuerung von Industrieöfen bei Aesculap 

Fingerspitzengefühl ist bei der Herstellung von 

Prothesen gefragt. Dies gilt auch für die Hochtemperaturöfen, 

in denen die chirurgischen Elemente geformt werden. 

In diesem DreherDofen werden Prothesen von 

Aesculap angefertigt. Die hochpräzise Regelung 

der Öfen ist eine besondere Herausforderung für 

das Steuerungssystem. Bilder: Neogramm 

Die Aesculap AG in Tuttlingen, Hersteller orthopädischer 

Implantate, beauftragte Könn GmbH Industrieofenbau 

aus Ketsch mit der Entwicklung eines speziellen 

Drehherdofens für das präzise und kontrollierte 

Erhitzen von Rohlingen aus Titan- und Kobaltlegierungen 

bis maximal 1300 °C. 

Diese werden in einem anschließenden Gesenkschmiedeprozess 

umgeformt und dann zu hochbelastbaren Gelenkprothesen 

weiterverarbeitet. Die softwareseitige Umsetzung 

und damit die Programmierung der Ofensteuerung, 

die Temperaturregelung und Rezepturverwaltung 

sowie die Dokumentation übernahm die Neogramm GmbH 

& Co. KG. Die Softwarespezialisten aus Mannheim implementierten 

zudem ein flexibles Visualisierungssystem mit 

vielfältigen statistischen Auswertungsfunktionen. 

In der Weiterentwicklung von medizinischen Produkten 

zählen vor allem Qualität, Innovation und Sicherheit. 

Als Partner der Chirurgie trägt Aesculap besondere Ver- 

antwortung für einen zuverlässigen Herstellungsprozess. 

Medizinische Prothesen und chirurgische Instrumente 

unterliegen in der Herstellung strengsten Qualitätsanforderungen. 

Neogramm entwickelte für Könn eine entsprechend 

individuell angepasste Steuerungs- und Visualisierungssoftware. 

Diese kommt in der Wärmebehandlung 

von Implantat-Rohlingen im Drehherdofen von 

Könn zum Einsatz. Die Herausforderungen dieses Projektes 

lagen in den von Aesculap geforderten komplexen 

Überwachungsfunktionalitäten und gleichzeitig hoch 

flexiblen Bedienungsmöglichkeiten der Anlage. 

SOFTWARE ALS MASSANFERTIGUNG 

Es sollte ein hoch flexibles System geschaffen werden, das 

verschiedene Produktionsprogramme abdeckt und Daten 

zuverlässig dokumentiert. Dazu war eine individuelle Neuentwicklung 

der SPS-Software notwendig. Diese wurde 

mit Siemens Simatic STEP 7 und WinCC flexible realisiert. 

22 


4 / 2012

Die Ofensteuerung umfasst diverse Funktionalitäten. 

Im Hauptbetrieb werden die beiden Vorgänge Produktion 

und Entleerung unterschieden. Im Produktionsbetrieb 

erfolgt das automatische Verfahren des Drehherds 

zum nächsten Segment samt Türöffnung und -schließung. 

Der Bediener stößt diesen Vorgang über einen Fußschalter 

an. Die Steuerung überwacht dabei die Temperaturen 

und die Verweilzeiten für jedes einzelne Segment. 

Bei einer Zeitüberschreitung weist sie den Bediener 

auf die Entnahme hin. Wahlweise kann hier die 

Zeitüberwachung auch blockierend justiert werden. In 

diesem Fall ist es im Automatikbetrieb nicht möglich, 

die Ofentür zu öffnen bevor die Minimalzeit für das aktuelle 

Segment erreicht ist. Die Entleerung des Ofens 

erfolgt ohne Zeitüberwachung. 

Um die verschiedenen Prothesenrohlinge dem Material 

entsprechend behandeln zu können, regelt die Software 

drei Temperaturzonen im Ofen mit insgesamt 24 

Segmenten. Für verschiedene Produkte können vorab 

verschiedene Behandlungsprogramme mit minimaler 

und maximaler Verweilzeit und gewünschter Temperatur 

hinterlegt werden. Auch Taktzeiten sind variabel. 

So wird durch die Steuerung sichergestellt, dass sich 

die zu erhitzenden Teile weder zu kurz noch zu lang im 

Ofen befinden, womit optimale Voraussetzungen für das 

nachfolgende Schmieden geschaffen werden. Alle Taktzeiten, 

Ofenreisezeiten, Temperaturen und Regelparameter 

können vom Anwender flexibel oder über die Rezeptverwaltung 

produktbezogen eingestellt werden. 

Darüber hinaus werden Toleranzgrenzwerte, Drehgeschwindigkeit, 

Beschleunigungszeiten und Taktweiten 

komfortabel konfiguriert. Die elektromotorische 

Verstellung der gesamten Ofenherdhöhe erlaubt eine 

ergonomische Nutzung des Ofens für unterschiedlich 

große Bediener. 

INTUITIVE BEDIENUNG ÜBER TOUCHPANEL 

Es wurde eine flexible Panelsteuerung realisiert, die eine 

umfassende, intuitive und konsistente Bedienung der Anlage 

ermöglicht. Das mit WinCC flexible entwickelte Visualisierungssystem 

überzeugt durch einfache Parametrierung, 

Anpassungsfähigkeit und ein klare Menüführung. 

Sollwerte können manuell eingegeben, Parameter für Ofen 

und Peripherie eingestellt und Benutzer zugewiesen und 

verwaltet werden. 

Wärmebehandlungsprogramme werden in Rezepten 

gespeichert. Über die HMI-Schnittstelle ist der Bediener 

in der Lage, die Sollwerte und Regelparameter dieser Rezepturen 

zu verwalten und Betriebsarten problemlos zu 

wechseln. Aufträge können mit ihren Kenndaten eingegeben 

werden. Sämtliche Rezepturen lassen sich im Sinne 

der Datensicherung auf einen USB-Stick exportieren 

und von dort auch wieder importieren. Der Ofenzustand 

und relevante Prozessdaten sind jederzeit abrufbar. 

LÜCKENLOSE DOKUMENTATION 

Die Ofensoftware Thermosoft dient der Prozessführung 

und Optimierung von Regelstrecken sowie der Dokumentation 

kompletter thermischer Prozesse. In der Medizinbranche 

ist eine lückenlose Rückverfolgbarkeit einzelner 

Produktionsschritte wichtig. Die Verfolgung aktueller 

Prozesse in Echtzeit ermöglicht ein sofortiges Eingreifen 

durch den Bediener. Um der Dokumentationspflicht Rechnung 

zu tragen, bietet das System Meldeübersichten zu 

entsprechenden Ereignissen, wie Störungen am Ofen oder 

der Peripherie. Eine chargenbezogene Archivierung der 

Prozessdaten ist über implementierte Markos möglich. 

Als weiteres optionales Steuerungs- und Visualisierungselement 

entwickelte Neogramm ein Feature zur 

statistischen Auswertung der letzten fünfzehn Aufträge. 

Auswertungsdaten sind die Anzahl korrekt und inkorrekt 

behandelter Produkte, die minimale, maximale sowie 

mittlere Verweilzeit oder Ofentemperatur, das Startund 

Enddatum, die Auftragsgesamtdauer sowie die Daten 

aller beteiligten Bediener. 

KOMPLEXE OFENANLAGE – EINFACHES HANDLING 

Trotz des Software-Schwerpunktes hat Neogramm seinen 

Kunden vorab bei der Auswahl der geeigneten Hardware 

beraten. Es wurden die notwendigen Schnittstellen für 

die Ein- und Ausgänge der SPS sowie die Auftragskennung 

geplant und definiert. Gemeinsam mit Könn wurde 

die Anlage beim Kunden in Betrieb genommen. Dies umfasste 

die Parametrierung der Anlage und den Test der 

Steuerungs- und Visualisierungssoftware. Im Teach-In 

wurden die Prothesenrohlinge entsprechend validiert. 

Des Weiteren fand eine intensive Schulung und Einweisung 

des Bedienpersonals an der Anlage statt. Für eine 

schnelle und unkomplizierte Handhabung im Fall einer 

Störung ist ein Fernwartungsmodul inklusive Softwareerweiterung 

als Option nachrüstbar. 

Die Kombination einer hoch modernen Ofenanlage mit 

individuell gestalteter Software macht komplexe Produktionsprozesse 

transparent und leicht zu handhaben. 

Autor 

Dipl.-Inform. 

Stephan Könn 

ist Geschäftsführer und 

Key Account Manager 

bei Neogramm. 

Neogramm GmbH & Co. KG, 

Julius-Hatry-Straße 1, D-68163 Mannheim, 

Tel. +49 (0) 621 150 25 00, 

E-Mail: s.koenn@neogramm.de 


4 / 2012 

23

anche 

Ganzheitliche Automatisierungslösung optimiert 

das Luftpfeifenstechen für Sandgussformen 

Das Setzen von Entlüftungskanälen wurde in das Gießanlagen-Leitsystem integriert 

Das „Luftpfeifenstechen“ ist für Gießereien eine kritische 

Aufgabe: Denn das Stechen der Entlüftungskanäle 

in Formen für den Sandguss ist zeitaufwendig 

und fehleranfällig. Die Aluminiumgießerei-Abteilung 

des Metallwerks Ohm & Häner verwendet dafür mit 

großem Erfolg nun eine Automatisierungslösung: Pro 

Jahr setzt ein ABB-Roboter mit einem speziellen Werkzeug 

und gesteuert von dem Softwarepaket Flex-Mould- 

Venter zwischen 500 000 und 750 000 Löcher in die 

Sandgussformen für Aluminiumteile. Anders als beim 

manuellen Stechen treten nun auf der Innenseite der 

Formen keine Ausbrüche mehr auf. Das erspart Nacharbeit 

an den Gussteilen. Zudem erlaubt die Steuerung 

auch das schräge Stechen der Entlüftungskanäle. 

Beim Metallguss ist das Stechen von Löchern, den 

Luftpfeifen, in die Sandform ein qualitätsbestimmender 

Schritt. Durch die Luftpfeifen entweicht während 

des Gießprozesses die Luft aus den Hohlräumen der 

Form. Präzis gestochene Luftpfeifen reduzieren den 

nachträglichen Putzaufwand am Gussteil. Bisher üblich 

sind weitgehend noch das manuelle Luftpfeifenstechen 

oder das maschinelle Stechen mit hydraulischen 

Vorrichtungen. 

Manuelles Stechen wählen die Sandformer meist für 

Einzelstücke oder Kleinserien. Der Former braucht dabei 

viel Erfahrung und Feingefühl. Beim Durchstechen 

können Sandausbrüche auf der gegenüberliegenden 

Formseite entstehen. Muss er dabei von der Außenseite 

her in die Form stechen, entstehen die Ausbrüche auf 

der Gutseite (Modellseite). Sie verursachen dann am 

gegossenen Werkstück aufwendiges, kostenintensives 

Nacharbeiten. 

MANUELLES STECHEN IST FEHLERANFÄLLIG 

In der Serienfertigung kommt es darauf an, die Luftpfeifen 

präzise immer an gleicher Stelle anzubringen. 

Dafür haben sich maschinelle Luftstechvorrichtungen 

etabliert. Eine hydraulisch absenkbare Platte, auf der je 

nach Form und Größe des Gussteils entsprechend verteilte 

Nadeln sitzen, platziert der Former gemäß der 

Zeichnungsvorgabe und der Positionsdaten der Formteile. 

Er senkt das mit Nadeln bestückte Werkzeug dann 

hydraulisch in die Sandform und fährt es anschließend 

wieder heraus. 

Werkleiter Dr. Georg Dieckhues erläutert: „Dieses konventionelle 

Luftpfeifenstechen zeigt jedoch insbesondere 

bei wechselnden Losen einen gravierenden Nachteil: 

Der Former muss Position, Anzahl und Einstechtiefe der 

Nadel jeweils wieder anpassen – das ist fehleranfällig, 

zeit- und kostenaufwendig.“ 

Der Wunsch nach Verbesserungen war also vorhanden. 

Denn Ohm & Häner liefert Jahr für Jahr rund 4500 Tonnen 

Gussteile in den Geräte- und Maschinenbau, an Automobilbauer 

und Schienenfahrzeughersteller sowie für 

die Stromerzeugung und -durchleitung. Und bei jährlich 

500 000 bis 750 000 zu stechenden Luftpfeifen spielen 

Qualitätsverbesserungen und höhere Wirtschaftlichkeit 

eine gravierende Rolle. 

INDUSTRIELLES NEULAND BETRETEN 

Doch noch fehlten industrielle Referenzen für die Roboterlösung. 

Mit diesem System zum automatisierten Setzen 

der Entlüftungskanäle musste Ohm & Häner Neuland 

betreten. Aber gute Erfahrungen mit Gießrobotern von 

ABB im Werk I von Ohm & Häner veranlassten die Technik-Manager, 

den Vorschlag der Friedberger Roboterspezialisten 

zu prüfen. 

Anfang 2009 startete dann in der Aluminiumgießerei- 

Abteilung im Werk II bei Ohm & Häner am Standort Olpe- 

Friedrichsthal der Probebetrieb des automatisierten Luftpfeifenstechens. 

Nach der erfolgreichen Testphase bewährt 

sich das neue System von ABB Automation seit Ende 2009 

im täglichen Normalbetrieb. Es besteht aus einem Industrieroboter 

IRB 6620, einem speziellen Werkzeug zum Führen 

der Nadel und dem Softwarepaket FlexMouldVenter. 

Sowohl die Vorbereitung als auch die Entwicklungs- und 

die Realisierungsphase des Projekts überzeugten, und von 

den Ergebnissen fühlen sich die Gießerei-Manager bestätigt. 

„Wir sind absolut zufrieden mit dem Roboter. Er arbeitet 

unter Gießereibedingungen zuverlässig, ist sehr wartungsarm 

und vorbildlich hinsichtlich seiner Verfügbarkeit“, 

fasst Dr. Georg Dieckhues die Erfahrungen zusammen 

und ergänzt: „Seit der Inbetriebnahme im Normalbetrieb 

läuft der FlexMouldVenter störungsfrei. Diese Automatisierungslösung 

ist ein bedeutender Schritt nach vorn.“ 

DATENFLUSS OHNE MEDIENBRÜCHE 

Moderne Industrieroboter sind ohne spezifische Programmierkenntnisse 

einfach zu bedienen. Frei von Medienbrüchen 

übernimmt die Steuerungssoftware des 

Roboters die 3D-CAD-Daten des Werkstückes als Basis 

für das Luftpfeifenstechen. Manuelle Übertragungen 

und Einstellungen entfallen. Dies verringert Fehlerquellen 

und die Vorbereitungs- sowie Werkzeugwechselzeiten. 

Eine zentrale Datenbank des Anlagenleitsystems, 

das im Fallbeispiel von dem Formanlagenhersteller HWS 

stammt, enthält alle Werkstückdaten. Die Werker können 

sie von dort jederzeit aufrufen. Dies betrifft neben den 

CAD-Geometriedaten der zu gießenden Werkstücke auch 

Informationen zum optimalen Belegen der Formkästen 

und zum Setzen der Einstechpunkte. So entfällt für ein 

bereits bekanntes Werkstück die Vorbereitungszeit nahezu 

vollständig. 

Das Parametrieren der Roboter erfolgt automatisiert 

direkt aus dem Anlagenleitsystem. Die Software ermittelt 

automatisch die optimale Lochreihenfolge. Die Roboterlösung 

mit den intelligenten Funktionen ihres Softwarepaketes 

und den Sensoren gewährleistet eine außerordentlich 

gute Reproduzierbarkeit der Ergebnisse. Mithilfe 

der automatischen Nadelüberwachung erkennt der 

Roboter Nadelverbiegungen oder -brüche und ermöglicht 

so das rechtzeitige Austauschen der Nadeln. Dies vermeidet 

Fehler und eventuell daraus folgenden Ausschuss. 

Im Rahmen der Nadelüberwachung wird die 

Position der Nadelspitze nach jedem Stechzyklus mit 

einem Koordinaten-Messsystem kontrolliert. Ist die Position 

unverändert, ist auch die Nadel in Ordnung. 

24 


4 / 2012

Zu qualitativ hochwertigen Gussprodukten, 

effizient hergestellt, trägt das Luftpfeifen-Stechsystem 

von ABB Automation bei. Vier exakt an die richtige 

Position um die Aussparung in der Bildmitte gesetzte 

Luftpfeifen werden anschließend beim Bearbeiten der 

Gussfläche entfernt. Bild: Ohm & Häner 

Ohne spezifische 

Programmierkenntnisse 

gibt der Nutzer 

über intuitiv erfassbare 

grafische Oberflächen 

dem Roboter 

seine Arbeit vor. 

Automatisiert, 

in hoher Qualität 

und Geschwindigkeit 

sticht das 

System Flex- 

MouldVenter 

Entgasungslöcher 

in Sandformen, 

bei Bedarf auch 

unter variierenden 

Winkeln. 

Hinzu kommen Vorteile der digitalisierten Datentechnik. 

Die Entwickler von ABB integrieren auf Wunsch 

Optionen wie das Messen der Stechkräfte, Hard- und 

Software für Sicherheitsmodule, Prozessüberwachung 

und -dokumentation, die zentrale Lochdatenverwaltung, 

unterschiedliche Montageelemente und weitergehende 

Dienstleistungen. 

JEDER STICH WIRD INDIVIDUELL GESTEUERT 

Ein weiterer entscheidender Fortschritt ergibt sich aus der 

Kinematik des Roboters in Kombination mit der Bewegung 

des Werkzeuges inklusive der Stechnadel. Im Unterschied 

zum manuellen und zum klassischen hydraulischen 

Luftstechen mit einstellbaren Vorrichtungen lässt 

sich hier jeder Stich individuell steuern. Dabei bietet der 

Roboter eine interessante Besonderheit: Er kann die Luftpfeifen 

„schräg“ stechen, also auch in Winkellagen zur 

Hauptstechrichtung. Das ist von Vorteil, wenn die Luft 

direkt von einem auf dem Gussteil definierten Punkt abgezogen 

werden soll. Mit den schräg gestochenen Luftpfeifen 

werden dann zusätzliche Kanäle überflüssig. 

Wesentlichen Anteil an der deutlich erhöhten Qualität, 

einem Hauptziel des Projekts, haben die hohe Positionier- 

und Wiederholgenauigkeit des Roboters. Ein weiterer 

Vorteil ergibt sich aus seiner Beweglichkeit und 

dem Zugang auch an schlecht erreichbare Positionen. 

Deshalb kann der Roboter in der überwiegenden Zahl 

der Situationen die Nadel ohne zeit- und kostenintensives 

Anformen die Stiche von der Modellseite her setzen. 

Das Robotersystem kann Luftpfeifen von 5 bis 10 mm 

Lochdurchmesser mit Tiefen bis 650 mm in Geschwindigkeiten 

bis zu 2,5 m/s stechen. In der Praxis entspricht 

das rund einem Loch pro Sekunde. 

Einen wichtigen Pluspunkt bietet der Flexibilitätsgewinn 

bei kleinen, häufig wechselnden Losgrößen. Produktionsunterbrechungen 

wegen der Nadeljustage entfallen. 

Der Roboter ermöglicht eine kontinuierliche Produktion 

– unabhängig von der jeweiligen Formkastenbelegung 

oder Geometrie des Werkstückes. So lassen sich 

immer gleiche Gießbedingungen und konstante Liniengeschwindigkeiten 

erzielen. Mit einer Verfügbarkeit von 

99 % bieten die Industrieroboter von ABB beste Voraussetzungen 

für einen störungsfreien Betrieb. 

Autor 

Michael Kremer 

ist Segment Manager 

Foundry bei der ABB 

Automation GmbH. 

ABB Automation GmbH, 

Unternehmensbereich Robotics, 

Grüner Weg 6, D-61169 Friedberg, 

Tel. + 49 (0) 6031 852 95, 

E-Mail: michael.kremer@de.abb.com 


4 / 2012 

25

anche 

Eigensicherheit und hohe Leistung: Feldbusse 

im explosionsgefährdeten Bereich betreiben 

Dynamic Arc Recognition and Termination hebt die bisherigen Leistungsbeschränkungen auf 

Den Fehler schnell 

erkennen: 

Dart reagiert und begrenzt 

die Zündenergie. 

Ausgangswerte 

DART 

Transmitterspeisegerät 

FISCO 

Feldbus 

Spannung 

U 

Leistung 

P 

Kabellänge 

50 VDC ca. 50 W 100 m 

24 VDC ca. 22 W 100 m 

50 VDC ca. 8 W 1000 m 

24 VDC ca. 8 W 1000 m 

16 VDC ca. 320 mW 1000 m 

12,8 VDC ca.1,4 W 1000 m 

Eigensicherheit im Vergleich: 

Übertragbare Leistung mit und ohne Dart 

Zukunftsgerichtet und Rückwärtskompatibel: 

Mit Dart lässt sich jede Feldbusinfrastruktur eigensicher auslegen. 

Der High-Power Trunk hat Feldbussystemen auch im 

Bereich der Prozessanlagen endgültig zum Durchbruch 

verholfen. Dynamic Arc Recognition and Termination 

(DART oder Dart) baut auf dieser Basistechnologie 

auf und sorgt für eine problemlose Eigensicherheit 

im Ex-Bereich. Alle eigensicheren Feldgeräte und Foundation 

Fieldbus-H1- und Profibus-PA-Infrastrukturen 

können weiter verwendet werden. Die bisherigen Leistungsbeschränkungen 

gelten nicht mehr. Die Validierung 

der Eigensicherheit erfolgt über ein Systemzertifikat 

und erfordert damit keinerlei eigene Berechnungen. 

Obwohl Dart erst auf dem Weg zum anerkannten 

IEC-Standard ist, gilt die Technologie in der Prozessindustrie 

jetzt schon als die nächste Generation der Eigensicherheit. 

hoher aufwand für eigensichere stromkreise 

Eigensichere Stromkreise im Ex-Bereich waren bisher 

stets mit einem hohen Aufwand und zahlreichen Kompromissen 

behaftet. Das Entity-Modell erforderte nicht 

nur komplexe Berechnungen. Es begrenzte auch die maximal 

verfügbare Leistung auf einem Feldbus-Segment 

auf 1,2 Watt, was für maximal drei Feldgeräte ausreichte. 

Das 2005 in die IEC 60079-27 aufgenommene Fieldbus 

Intrinsically Safe Concept (Fisco) beseitigte nicht alle 

Nachteile. Zwar entfielen damit die umständlichen Berechnungen. 

Aber die Leistungsbegrenzung blieb weiterhin 

erhalten. 

FELDBUSKOPPLER REDUZIEREN DIE ENERGIE 

Grundlegende Änderungen brachte erst das zur Jahrtausendwende 

von Pepperl+Fuchs vorgestellte High-Power- 

Trunk-Konzept. Es beruht auf dem Prinzip, dass die 

Feldbus-Hauptleitung zunächst unbegrenzt Energie zur 

Verfügung stellt, die dann mithilfe von Feldbuskopplern 

auf ein im Ex-Bereich sicheres Niveau begrenzt wird. Dadurch 

ließen sich immerhin bis zu 16 eigensichere Feldgeräte 

einsetzen. Außerdem war erstmals ohne Einschränkungen 

eine redundant aufgebaute Stromversorgung 

möglich. 

Das High-Power-Trunk-Konzept löste den Durchbruch 

von Feldbus-Infrastrukturen im Bereich der Prozessau- 

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4 / 2012

tomation aus. Mit der federführend von Pepperl+Fuchs 

entwickelten und im Jahr 2008 erstmals vorgestellten 

Technologie Dynamic Arc Recognition and Termination 

(Dart) wurde ein völlig anderer Ansatz realisiert, um 

die Entstehung gefährlicher Funken im Ex-Bereich auszuschließen. 

Diese neue Technologie setzt nicht einfach 

auf eine Begrenzung der Leistung auf ein ungefährliches 

Niveau. Sie überwacht vielmehr den Stromkreis 

und erkennt das charakteristische elektrische Verhalten, 

welches das Entstehen eines Funkens anzeigt. Innerhalb 

von 5 bis 10 Mikrosekunden schneidet sie dann 

die Energie ab und verhindert auf diese Weise, dass der 

Funke eine zündfähige Temperatur erreicht. 

VIERMAL SO VIEL EIGENSICHERE leistung 

Die Kombination des High-Power-Trunk-Konzepts mit 

Dart kann ohne Übertreibung als die nächste Generation 

der Eigensicherheit bezeichnet werden. Die Nennleistung 

pro Feldbus-Segment liegt bei 8 Watt, sodass künftig im 

Vergleich zu FISCO eine mehr als viermal so hohe eigensichere 

Leistung für dreimal so viele Feldgeräte verbunden 

mit langen Kabelwegen zur Verfügung steht. 

Derzeit arbeitet ein Konsortium von Unternehmen unter 

der Führung der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt 

daran, Dart zu einem IEC-Standard zu machen. 

Der Erfolgsweg für Dart ist vorgezeichnet und es ist nur 

eine Frage der Zeit, bis diese Technologie völlig neue 

Anwendungen im Ex-Bereich eröffnet. 

Hardwareseitig funktioniert die Technologie mit jeder 

vorhandenen Feldbus-Infrastruktur mit High-Power 

Trunk. Es werden lediglich Dart-Power-Module und 

Dart-Feldbuskoppler „Segment Protektoren“ benötigt, 

um die einzelnen Stromkreise bis hin zu den Feldgeräten 

zu überwachen und bei Funkenbildung die Energieversorgung 

zu kappen. Die Stromversorgungen gibt es mit 

redundanten Steckmodulen, eine Funktion die mit 

Fisco so nicht realisierbar ist. 

PROBLEMLOSE WARTUNG IM EX-BEREICH 

Dart-Eigensicherheit funktioniert auch, wenn zum Beispiel 

ein Feldgerät an- oder abgeklemmt wird. Kommt 

es dabei zur Funkenbildung, spricht das System automatisch 

an und schaltet die Stromversorgung aus – um 

sie bereits nach wenigen Millisekunden wieder einzuschalten. 

Feldgeräte können somit selbst im Ex-Bereich 

problemlos gewartet werden, ohne dass dafür ein Feuerschein 

erforderlich ist. Durch die extrem kurze 

Stromunterbrechung wird zwar jede gefährliche Funkenbildung 

ausgeschaltet, aber der Datenverkehr bleibt 

unbehelligt. Über im Protokoll definierte Wiederholungen 

wird das eine oder andere zerstörte Telegramm 

wiederholt. Das ist bei Foundation Fieldbus H1 und 

Profibus PA so gang und gäbe. 

einfache validierung der eigensicherheit 

Ein weiterer entscheidender Vorteil ist die problemlose 

Validierung der Eigensicherheit. Durch die Zertifizierung 

des Systems und der damit zusammenhängenden Komponenten 

ist es nicht mehr notwendig, eigene Berechnungen 

anzustellen, um die Validierung der Eigensicherheit 

für jedes System nachzuweisen. Stattdessen genügt die 

Installation eines Dart-Power-Hubs in Verbindung mit 

Dart-Segment-Protektoren, die über maximal 1000 Meter 

lange Feldbuskabel vom Typ A miteinander verbunden 

sind. Die Ausgänge der Dart-Segment-Protektoren und 

damit die Stichleitungen (Spurs) sind klassisch eigensicher 

und nach Ex ib IIC. Das heißt, die Anlage ist selbst 

vor den höchst explosiven Gasen der Gruppe IIC geschützt. 

Und es können alle heute zugelassenen eigensicheren 

Feldbusfeldgeräte, die für die Zone 1 zugelassen 

sind, angeschlossen werden. 

ZUKUNFTSGERICHTET UND RÜCKWÄRTSKOMPATIBEL 

Grundsätzlich lässt sich mithilfe von Dart jede Feldbusinfrastruktur 

eigensicher auslegen. Es steht daher nicht 

nur ein breites Programm an Feldgeräten zur Verfügung. 

Es ergibt sich auch ein maximaler Investitionsschutz für 

die bereits vorhandene Instrumentierung. 

Die neueste Version des FieldConnex Segment Checkers 

steht nun zum Download bereit. Das Tool zur effizienten 

Planung von Foundation-Fieldbus-H1- und Profibus-PA-Segmenten 

beinhaltet jetzt alle Dart-Komponenten 

und den neuen Blitzschutz. 

Dart ist also eine Technologie, die in die Zukunft weist 

und gleichzeitig rückwärtskompatibel ist. Damit wird es 

erstmals möglich, explosionsgefährdete Bereiche uneingeschränkt 

mit der sichersten Explosionsschutzart in die 

Prozesssteuerung zu integrieren, ohne sich dabei mit 

einer Fülle von Vorschriften, Berechnungen und Einschränkungen 

auseinandersetzen zu müssen. 

Autor 

Andreas Hennecke 

ist Produkt Marketing 

Manager im Geschäftsbereich 

Prozessautomation 

bei Pepperl+Fuchs. 

Pepperl+Fuchs GmbH, 

Lilienthalstrasse 200, 

D-68307 Mannheim, 

Tel. +49 (0) 621 776 16 01, 

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


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hauptbeitrag 

Virtuelle Inbetriebnahme 

von Produktionsanlagen 

Neuer Prozessschritt beim Anlagenengineering 

In der Automobilindustrie wird die virtuelle Inbetriebnahme vermehrt angewendet. Dabei 

ist es neben der gewissenhaften Durchführung wichtig, die virtuellen Anlagenmodelle 

effizient zu erstellen. Anpassungen in den damit zusammenhängenden Engineering-Schritten 

erleichtern den Modellaufbau. Die virtuelle Inbetriebnahme ist in vieler Hinsicht 

nützlich, erfordert jedoch auch, dass in den vorhergehenden Engineering-Schritten einige 

Voraussetzungen geschaffen werden. Dieser Beitrag beschreibt, worauf es dabei ankommt. 

SCHLAGWÖRTER Virtuelle Inbetriebnahme / Digitale Fabrik / Anlagenengineering 

Virtual commissioning of production plant – 

A new step in plant engineering 

Virtual commissioning is increasingly used in the automotive industry. In addition to 

careful implementation, it is also important to create the virtual plant models efficiently. 

Adjustments in the related engineering steps make it easier to construct the models. The 

virtual commissioning offers various benefits, but it does involve certain preconditions 

being met in the preceding engineering stages. The key factors are described. 

KEYWORDS Virtual commissioning / digital factory / plant engineering 

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4 / 2012

Björn Grimm, Daimler 

Die Automobilbranche ist geprägt von zunehmender 

Globalisierung und Konkurrenzdruck. Um 

den Herausforderungen zu begegnen, verkürzen 

die Hersteller die Innovationszyklen und erhöhen 

die Vielfalt ihrer Produktpalette. Dies führt 

zu mehr Produktionsanläufen und zu erhöhten Anforderungen 

an die Produktionsanlagen, die eine größere Anzahl 

an Typen abbilden müssen [1]. Vor diesem Hintergrund 

gewinnen Produktionsplanung und Inbetriebnahme 

an Bedeutung. Gleichzeitig verkürzt sich die Zeit, die für 

Anläufe zur Verfügung steht, und Produkte werden in Anlagen 

integriert, die bereits im produktiven Betrieb sind. 

Deshalb muss das Engineering von Anlagen angepasst 

werden. Mithilfe der virtuellen Inbetriebnahme als neuem 

Engineering-Schritt lassen sich die Planungsergebnisse 

und insbesondere die Steuerungssoftware absichern 

noch bevor die reale Produktionsanlage existiert. 

1. Einordnung der virtuellen Inbetriebnahme 

Das Ziel der virtuellen Inbetriebnahme ist die Optimierung 

und Absicherung des Zusammenspiels von Anlagenmechanik, 

-elektrik und Steuerungssoftware, ohne 

dass die reale Fertigungsanlage vorhanden ist. Die virtuelle 

Inbetriebnahme ersetzt also keine Schritte im Planungsprozess, 

sondern ergänzt den Prozess um die zusätzliche 

Möglichkeit der Absicherung. Simulation, Offline-Programmierung, 

die Erstellung des SPS-Programms 

und die weiteren Schritte im Engineering behalten ihre 

Bedeutung und liefern die Eingangsdaten zur virtuellen 

Inbetriebnahme, die nicht isoliert betrachtet werden darf. 

Um einen möglichst großen Nutzen dieses neuen Engineering-Schrittes 

zu erzielen, muss der Aufbau des 

Modells für die virtuelle Inbetriebnahme effizient erfolgen. 

Ebenso muss es möglich sein, das Modell bei Änderungen 

der realen Anlage schnell, einfach und zuverlässig 

zu aktualisieren. Die virtuelle Inbetriebnahme sollte 

zwischen verschiedenen Anlagen vergleichbar und das 

Modell sollte stets ähnlich aufgebaut sein, um dem Benutzer 

einen großen Wiedererkennungseffekt zu bieten. 

Der Benutzer ist der Bediener der virtuellen Anlage. 

Er arbeitet in der virtuellen Inbetriebnahme mit dem 

SPS-Programmierer und dem Roboter-Programmierer 

zusammen, um die steuerungstechnischen Programme 

zu testen, die in einem weiteren Schritt auf die reale 

Anlage übertragen werden. 

2. Technische Umsetzung 

Da die virtuelle Inbetriebnahme eine Vorwegnahme der 

realen Inbetriebnahme darstellt, ähneln sich die Architekturen 

einer realen und einer virtuellen Anlage sehr. 

In einer realen Anlage ist die Anlagensteuerung mit den 

steuerungstechnisch relevanten Komponenten über einen 

Industriebus verbunden. Steuerung und Komponenten 

tauschen über diesen Bus Befehle und Rückmeldungen aus 

(Bild 1). Durch das Zusammenspiel der Komponenten wird 

der Fertigungsablauf abgebildet, der Materialfluss der Produkte 

ergibt sich durch den Steuerungsablauf. Eine besondere 

Gruppe der Komponenten bilden die Industrie-Roboter, 

die jeweils einen eigenen individuellen Ablauf haben. 

Für die virtuelle Inbetriebnahme kommt eine reale 

Steuerung zum Einsatz, wie sie an der Produktionsanlage 

eingesetzt wird. Sie wird über den Industriebus mit 

der virtuellen Anlage gekoppelt (Bild 2). Über diese Architektur 

ist es möglich, zusätzlich reale Komponenten 

einzubinden. Die virtuelle Anlage setzt sich aus drei 

Komponenten zusammen: 

Busankopplung 

Logik-Modell 

3D-Modell mit Roboter-Emulation 

Die Busankopplung verbindet das Logik-Modell mit der 

Anlagensteuerung. Sie hat die Aufgabe, den Busaufbau 

nachzubilden und die Eingänge und Ausgänge der Steuerung 

an das Logik-Modell weiterzureichen. Die Anlagensteuerung 

akzeptiert die über die Busankopplung abgebildeten 

Komponenten wie reale Komponenten, das heißt, die 

Kommunikationsebene der Anlage ist somit abgebildet. 


4 / 2012 

29

Hauptbeitrag 

Über das Logik-Modell wird das Verhalten der einzelnen 

steuerungstechnischen Komponenten simuliert. Auf die 

Signale von Seiten der Steuerung erfolgen Reaktionen und 

Antworten wie von realen Geräten. Ein Unterschied zur 

realen Anlage ist für die Anlagensteuerung kaum zu erkennen. 

Das Logik-Modell stellt auch das Bindeglied zum 

3D-Modell dar. Über simulierte Komponenten werden Positionen 

und Geschwindigkeiten ermittelt und damit das 

3D-Modell angesteuert. In der umgekehrten Richtung 

nimmt das Logik-Modell von dem 3D-Modell Sensorsignale, 

wie zum Beispiel Bauteilkontrollen, entgegen und 

reicht sie an die Anlagensteuerung weiter. Die Umsetzung 

des Logik-Modells erfolgt mit Hilfe der Software WinMOD. 

Über das 3D-Modell erhält der Bediener eine visuelle 

Rückmeldung über die Abläufe in der Anlage. Neben den 

Geometrien und Kinematiken ist auch der Materialfluss 

im 3D-Modell abgebildet. Hierüber werden Bauteilsignale 

erzeugt, die über das Logik-Modell zurückgemeldet 

werden. Eine weitere zentrale Rolle spielt das 3D-Modell, 

weil es die Emulation der Roboter beinhaltet. Die Roboterprogramme 

werden interpretiert und zusammen mit 

den in den Roboterprogrammen definierten Signalen 

ausgeführt. Das 3D-Modell inklusive Roboteremulation 

wird durch die Software Invision realisiert. 

Logik-Modell und 3D-Modell werden jeweils auf einem 

separaten PC ausgeführt. Die Aufteilung der Modelle 

rührt daher, dass die Software WinMOD für Windows- 

Betriebssysteme erstellt wurde und die Software Invision 

auf Linux basiert. Das Erreichen der Performance- 

Anforderungen, die Bedienung und Visualisierung wird 

durch diese Aufteilung unterstützt. 

Die zuvor erwähnte Einbindung von realen Busteilnehmern 

lässt sich in verschiedenen Szenarien anwenden. 

Zur Verbesserung der Bedienbarkeit werden zum 

Beispiel einzelne Bedienpulte integriert, sodass während 

der Durchführung der virtuellen Inbetriebnahme bestimmte 

Funktionalitäten, wie die Anwahl von Handoder 

Automatikbetrieb oder das Quittieren von Meldungen 

direkt aufgerufen werden können. Ebenso ist es 

möglich, Geräte einzubinden, die noch nicht in der Komponentenbibliothek 

abgebildet sind, weil sie außerhalb 

des Standards zur Umsetzung seltener Funktionalitäten 

in der betreffenden Anlage eingesetzt werden. 

3. Aufbau der Modelle 

Die Anforderungen an das Anlagenmodell für die virtuelle 

Inbetriebnahme sind vielschichtig. Um die Übertragbarkeit 

der Ergebnisse aus der virtuellen auf die reale 

Inbetriebnahme sicherzustellen, muss das Anlagenmodell 

der realen Anlage möglichst genau entsprechen, sowohl 

im logischen Verhalten als auch in der geometrischen 

Darstellung. Damit verbunden ist die Anforderung, 

dass das Modell eine Antwortzeit sicherstellen muss, in 

der die Signale mit der Anlagensteuerung auszutauschen 

sind. Dem gegenüber stehen die Grenzen, die die Ressourcen 

der PC-Systeme setzen. Es muss also ein Kompromiss 

zwischen Detailtreue und Ressourcen gefunden werden. 

Dies führt zu definierten Ungenauigkeiten im Modell, 

zum Beispiel im Zeitverhalten oder in der geometrischen 

Darstellung. Da bei der virtuellen Inbetriebnahme die 

Absicherung des Anlagenablaufes im Vordergrund steht, 

sind diese Ungenauigkeiten akzeptierbar. 

Eine weitere Anforderung besteht im effizienten Aufbau 

des Modells und der Möglichkeit, eventuelle Änderungen 

aus dem Planungsprozess ohne großen Aufwand nachpflegen 

zu können. Daher ist ein möglichst großer Anteil des 

Modellaufbaus zu standardisieren und – wenn möglich – zu 

automatisieren. Dies führt zu einer definierten Qualität der 

Modelle und einer guten Vergleichbarkeit zwischen den Modellen 

verschiedener Anlagen. Das erleichtert es, die Modelle 

bei einem Integrationsprojekt und bei Schulungsmaßnahmen 

erneut zu verwenden, da ein starker Wiedererkennungseffekt 

eintritt. Die zu schulenden Bediener können sich auf 

die Besonderheiten der jeweiligen Anlage konzentrieren. 

Die Eingangsdaten für den Aufbau des Logik-Modells 

sind die Hardwarekonfiguration und die Zuordnungsliste 

des SPS-Programms, in der die Symbole den Ein- und 

Ausgängen zugeordnet werden. Weitere Informationen 

werden über den Elektroplan und eine Liste der verwendeten 

Funktionsgruppen bereitgestellt. Für die Erstellung 

des 3D-Modells werden das Simulationsmodell der Anlage, 

Dokumentationen über die Zuordnung von Ventilen, 

Kinematiken und Sensoren sowie Informationen über 

Ablauf und Materialfluss benötigt. 

Für den Modellaufbau können Logik- und 3D-Modell 

zunächst getrennt betrachtet werden (Bild 3). 

3.1 Logik-Modell 

Eine Vorlage für das Logik-Modell und eine Komponentenbibliothek 

bilden neben den genannten Eingangsdaten die 

Basis, um das Logik-Modell zu erstellen. Über diese Vorlage 

sind bereits Signalformate und globale Einstellungen für das 

Logik-Modell vordefiniert. Die Komponentenbibliothek umfasst 

Verhaltensmodelle für die Geräte, die gemäß dem bei 

der Daimler AG eingesetzten Steuerungstechnikstandard 

integra zum Einsatz kommen. Diese Verhaltensmodelle wurden 

vorab für die virtuelle Inbetriebnahme erstellt und bilden 

neben Elektroplan-Vorlagen, SPS-Software-Bausteinen und 

Dokumentationen eine weitere Ebene im Standard integra. 

Die Erstellung der Verhaltensmodelle erfolgt unter Berücksichtigung 

der Anforderungen an die Performance, Detailtreue 

und Bedienerfreundlichkeit. Damit wird auch das Logik-Modell 

vorbereitet. In abschließenden Tests wird die Qualität und 

Korrektheit der Modelle überprüft. Diese Komponentenbibliothek 

wird den Anlagenlieferanten zur Verfügung gestellt. Damit 

reduziert sich der Aufwand zur Erstellung der Modelle 

und die Vergleichbarkeit der Anlagenmodelle zwischen verschiedenen 

Lieferanten und Baureihenprojekten wird erreicht. 

Durch die weitgehende Standardisierung im Bereich Steuerungstechnik, 

insbesondere durch die vorhandenen Software-Bausteine, 

die Bezeichnungssystematik und die darauf 

abgestimmte Komponentenbibliothek, lässt sich mit Hilfe 

von Generierungswerkzeugen innerhalb kurzer Zeit eine 

Engineering-Liste erzeugen. Mit der WinMOD-Engineering- 

Assistenz wird aus dieser Liste und der Komponentenbibliothek 

das Logik-Modell aufgebaut. Im Idealfall ist dieses 

Modell sofort lauffähig. Durchzuführen sind noch Anpassungen, 

wie die Beschaltung von globalen Signalen, die Visualisierung 

besonderer Signale und Parametrierung einzelner 

Verhaltensmodelle. Wurde im Vorfeld bereits die Busankopplung 

parametriert, so kann nun eine erste Testkopplung 

mit der Anlagensteuerung vorgenommen werden. 

3.2 3D-Modell 

Als Grundlage für das 3D-Modell dient das Simulationsmodell 

aus dem Simulationswerkzeug der Roboter-Offline- 

30 


4 / 2012

Programmierung. Hieraus wird das Modell in das Datenaustauschformat 

AutomationML exportiert. Mit diesem 

Datenformat können die Topologie einer Anlage, Geometrie- 

und Kinematik-Informationen sowie Logik-Informationen 

abgespeichert und übertragen werden [2, 3, 4]. Im 

Anwendungsfall werden nur Anlagentopologie sowie 

Geometrie und Kinematik verwendet. 

Vor dem Export werden die Geometriedaten auf Standardkonformität 

überprüft und, sofern noch nicht für die 

Offline-Programmierung geschehen, selektiv in einem 

Batch-Prozess reduziert. Nach dem Export steht für die 

virtuelle Inbetriebnahme ein AutomationML-Dokument 

zur Verfügung. Wie für das Logik-Modell existiert auch 

für das 3D-Modell eine Vorlage, in die das Automation- 

ML-Dokument eingelesen wird. Falls ein SPS-Bereich in 

der Simulation in mehrere Absicherungsbereiche aufgeteilt 

werden musste, lässt er sich in diesem Schritt beim 

Import in das 3D-Modell wieder zum kompletten SPS- 

Bereich zusammenführen. 

Nach dem Import wird das erzeugte Modell mit dem 

Simulationsmodell verglichen. Neben den richtigen Positionen 

der Komponenten werden auch Bewegungsrichtung, 

Bewegungsbereich und definierte Positionen der 

Kinematiken überprüft und in Einzelfällen korrigiert. 

Für die folgenden Schritte braucht es zusätzliche Dokumentationen 

aus den vorangehenden Planungsschritten. 

Für die Erstellung des Materialflusses muss dieser 

als Dokument vorliegen oder aus dem Ablaufdiagramm 

der Anlage abgeleitet werden. Weiter werden Übersichten 

für die einzelnen Bearbeitungsstationen benötigt, um die 

Sensorik zu den Bauteilen zuzuordnen. Mit diesen Informationen 

wird in Invision definiert, an welchen Stellen 

Produkte in die Anlage eintreten, welchen Weg sie durch 

die Anlage nehmen und wo sie die Anlage verlassen. 

Auch das Fügen von Bauteilen zu einem Zusammenbau 

wird im Rahmen des Materialflusses definiert. Abschließend 

wird die Schnittstellendefinition zur Kopplung mit 

dem Logik-Modell eingelesen und mit den Signalen von 

Materialfluss, Kinematik und Robotern verknüpft. Indem 

eine Bezeichnungssystematik durchgängig verwendet 

wird, erleichtert das diese Verknüpfung sehr; sie kann 

teilweise automatisch erfolgen. 

heitsprogramms, Handbetrieb, Automatikbetrieb, Sonderfunktionen 

und Störfälle. 

Bei diesen Tests bilden der Programmierer der Anlagensteuerung, 

der Roboterprogrammierer und der Bediener 

der virtuellen Anlage ein Team. Zu Beginn der Tests 

wird das SPS-Programm in die SPS geladen und die Roboterprogramme 

werden in die Software Invision eingelesen. 

Das SPS-Programm kann direkt in der Hardware- 

Steuerung eingespielt werden. Die Roboterprogramme, 

die neben den Bewegungsbefehlen mindestens auch die 

Verriegelungssignale enthalten sollten, müssen zunächst 

aus der nativen Roboter-Programmiersprache in ein neutrales 

Format übersetzt werden und werden von der Software 

Invision emuliert. 

Bild 1: Architektur einer 

realen Fertigungsanlage 

3.3 Testkopplung der Modellbestandteile 

Die beiden Teile des Modells sind nun bereit für eine erste 

Testkopplung. Im Rahmen dieser Kopplung werden die verschiedenen 

Ansteuersignale seitens des Logik-Modells und 

die Rückmeldesignale seitens des 3D-Modells überprüft. Die 

Verbindung des Logik-Modells mit der SPS erfolgt über die 

Busankopplung, die Verbindung zwischen Logik-Modell und 

3D-Modell wird über eine Ethernet-Verbindung hergestellt. 

Durch das manuelle Setzen (Forcen) definierter Signale auf 

Seiten des Logik-Modells lassen sich die Verfahrwege der 

Kinematiken testen und der Materialfluss durchspielen. 

Wenn auch die Testkopplung erfolgreich verläuft, so ist 

das Modell bereit, um eine virtuelle Inbetriebnahme 

durchzuführen. 

Bild 2: Architektur einer virtuellen Anlage 

4. Virtuelle Inbetriebnahme 

Die Durchführung der virtuellen Inbetriebnahme orientiert 

sich an der Vorgehensweise der realen Inbetriebnahme. 

Auch hier gliedern sich die Schritte in Test des Sicher- 

Bild 3: Aufbau des Anlagenmodells 


4 / 2012 

31

Hauptbeitrag 

Test von Hand- und Automatik-Betrieb 

Wie bei der Abnahme an der realen Anlage wird beim Test 

des Sicherheitsprogrammes jedes Sicherheitselement ausgelöst 

und anschließend überprüft, ob die in der Sicherheitsmatrix 

definierten Elemente in einen sicheren Zustand 

überführt wurden. Korrekturen kann der SPS-Programmierer 

direkt im Steuerungsprogramm vornehmen. 

Anschließend steuert der Steuerungsprogrammierer die 

einzelnen Komponenten in der Anlage über die Visualisierung 

an und verfährt sie zwischen den einzelnen Positionen. 

Dabei werden die Verfahrwege im 3D-Modell überprüft. 

Die Bewegungsrichtungen und Rückmeldungen aus 

den einzelnen Endlagen verarbeitet das Steuerungsprogramm. 

Bei diesem Test wird die Ansteuerung der einzelnen 

Komponenten durch das Steuerungsprogramm validiert. 

Daneben wird die Handverriegelung von Komponenten 

getestet. In manchen Fällen muss beim Verfahren der 

mechanischen Komponenten eine bestimmte Reihenfolge 

eingehalten werden, weil sich die Bewegungsräume der 

Komponenten überschneiden oder sich Komponenten in 

einem bestimmten Zustand im Bewegungsraum einer anderen 

Komponente befinden. In diesem Fall wird auch das 

Handverfahren von Komponenten verriegelt, um eine Kollision 

in jedem Fall auszuschließen. 

Sobald der Handbetrieb getestet ist, wird die Anlage 

Station für Station in den Automatikbetrieb versetzt. Dabei 

wird, beginnend an den Quellen des Materialflusses, 

der Automatikablauf eingeführt. Hierzu sind Optimierungen 

im Steuerungsprogramm und Roboterprogrammen, 

wie das Freigeben des Einfahrens in Stationen, das 

Setzen von Rückmeldungen durch den Roboter und Anpassungen 

im Ablauf, notwendig. Während sich die Änderungen 

im SPS-Programm an der Originalsoftware 

ohne großen Aufwand durchführen lassen, sind die Änderungen 

des Signalaustausches in den Roboterprogrammen 

zunächst in der Simulationsumgebung vorzunehmen 

und separat zu dokumentieren. Im Anschluss werden 

die Änderungen in den Originalroboterprogrammen 

nachvollzogen und die Programme über den Zwischenschritt 

der Konvertierung in das neutrale Format übersetzt 

und in die virtuelle Anlage eingelesen. Schritt für 

Schritt wird so Station für Station in Betrieb genommen, 

bis ein Fertigungsablauf für ein Bauteil ohne Eingriff 

durch den SPS-Programmierer oder den Roboterprogrammierer 

durch die virtuelle Anlage produziert wurde. Anschließend 

werden die Tests auf die Varianten der in der 

Anlage zu produzierenden Produkte ausgedehnt. Entsprechend 

der Spezifikation der Anlage werden auch die 

Wechsel zwischen den Produktvarianten erprobt. 

Test von Sonderfunktionen und Störszenarien 

Dem Test des Automatikbetriebs folgen die Tests der Sonderfunktionen. 

Hierzu zählen das Aus- und Einschleusen 

von Bauteilen. Ein besonderes Augenmerk gilt Anlagenzuständen, 

die nur nach einer größeren Anzahl an Zyklen herbeigeführt 

werden, wie zum Beispiel das Kappenfräsen bei 

Anlagen mit Punktschweißapplikationen. Der Vorteil der 

virtuellen Inbetriebnahme, dass eine unbegrenzte Anzahl 

von Bauteilen beliebiger Varianten verfügbar ist, hilft besonders 

beim Test von Sonderprogrammen, wie dem Vollfahren 

und Leerfahren der Anlage. Diese Tests können an der realen 

Anlage erst zu einem sehr späten Zeitpunkt durchgeführt 

werden, da die Bauteile in der Phase der Inbetriebnahme nur 

in begrenzter Anzahl zur Verfügung stehen. 

Sofern noch Zeit für weitere Tests zur Verfügung steht, 

lassen sich durch das Forcen von Signalen Störszenarien, 

wie Störungen von einzelnen Komponenten, einspielen, 

um die Robustheit des SPS-Programmes zu testen. Wie 

beschrieben, werden die Optimierungen und Fehlerbehebungen 

im Rahmen der virtuellen Inbetriebnahme 

direkt durchgeführt. Wenn dies nicht möglich ist, weil 

Anpassungen auch Änderungen in der Hardware bedürfen 

oder weil es aus Zeitgründen nicht machbar ist, werden 

die noch durchzuführenden Maßnahmen dokumentiert 

und mit den betroffenen Gewerken besprochen. 

5. Einbindung in den Engineering-Prozess 

Im Gegensatz zu anderen Optimierungen im Engineering- 

Prozess werden durch die virtuelle Inbetriebnahme keine 

bisherigen Prozessschritte ersetzt oder modifiziert, sondern 

ein neuer Prozessschritt eingeführt. Trotzdem wirkt 

sie sich auf den restlichen Engineering-Prozess aus. Bereits 

zu einem frühen Zeitpunkt ist auszuwählen, an welchen 

Anlagen eine virtuelle Inbetriebnahme durchgeführt 

werden soll. Kriterien hierfür sind die Komplexität 

der Anlage, eine Verwendung für mehrere Varianten eines 

Bauteiles, zukünftige Planungen oder besondere Projektumstände. 

Ist eine Anlage ausgewählt, muss im Projektzeitplan 

die virtuelle Inbetriebnahme berücksichtigt und 

sichergestellt werden, dass sich die beteiligten Gewerke 

früher als im bisherigen Prozess detailliert abstimmen. 

Dies betrifft zum Beispiel den Steuerungs- und Roboterprogrammierer 

hinsichtlich der Signale zur Verriegelung 

der Roboter untereinander und mit anderen Komponenten 

der Anlage. Bisher erfolgte dieser Schritt erst kurz vor 

Beginn der realen Inbetriebnahme. Weiter ist es unabdingbar, 

dass die Eingangsdaten zum Aufbau der Modelle 

für die virtuelle Inbetriebnahme in einem konsistenten 

und aktuellen Stand vorliegen. 

Nach dem Aufbau des Modells sind Änderungen in 

der Ausführung der Anlage stets zu verfolgen und, sofern 

der Umfang größer ist, im Modell zu definierten Zeitpunkten 

nachzupflegen. Der Projektzeitplan kann so 

gestaltet werden, dass der SPS-Programmierer an der 

virtuellen Inbetriebnahme teilnimmt, bevor seine Anwesenheit 

auf der Baustelle erforderlich wird. Gegebenenfalls 

müssen hierzu das Prüfen der Elektroinstallation, 

Signaltest oder ähnliche Tätigkeiten bei Beginn der 

Inbetriebnahme an andere Personen delegiert werden. 

Allerdings müssen Personen, die erstmals an der virtuellen 

Inbetriebnahme teilnehmen, oft erst von ihrem 

Nutzen überzeugt werden. Dabei muss ihnen verdeutlicht 

werden, dass sich Mithilfe dieses Engineering- 

Schrittes der Aufwand bei der realen Inbetriebnahme 

vermindert. 

Die Erkenntnisse aus der virtuellen Inbetriebnahme 

müssen bei der realen Inbetriebnahme berücksichtigt 

werden. Hierzu zählen neben behobenen und offenen 

Mängeln auch Informationen über die durchgeführten 

Tests und deren Ergebnisse. Nach Abschluss der realen 

Inbetriebnahme sollte das Anlagenmodell auf den 

Stand der realen Anlage gebracht werden. Die verschiedenen 

Programme können dann wieder in die 

virtuelle Inbetriebnahmeumgebung eingespielt werden 

und sollten zum gleichen Verhalten führen wie an 

der realen Anlage. 

Mit dem aktualisierten Modell steht dann ein wertvolles 

Werkzeug für weitere Integrationsprojekte zur Verfügung. 

Diese finden bei laufender Produktion statt. Die 

virtuelle Inbetriebnahme sorgt für vorgetestete Program- 

32 


4 / 2012

me, verkürzt damit Stillstandszeiten und entlastet das 

Inbetriebnahmepersonal. 

6. Erfahrungen 

Der erste Nutzen der virtuellen Inbetriebnahme tritt bereits 

vor dem eigentlichen Modellaufbau ein. Abstimmungen 

zwischen den verschiedenen Gewerken, die sonst oft 

erst während der realen Inbetriebnahme durchgeführt 

werden, finden zu einem früheren Zeitpunkt statt und 

machen Letztere dadurch besser planbar. 

Durch den Test der Sicherheitsprogramme am Modell 

wird erreicht, dass ein funktionierendes Sicherheitsprogramm 

zu einem frühen Zeitpunkt an der Anlage eingespielt 

werden kann. Durch den systematischen Vortest 

am virtuellen Modell wird die Abnahmezeit des Programms 

an der realen Anlage verkürzt. 

Der Test des Handbetriebs und der Automatikabläufe 

unterstützt bei kurzen Testzyklen und enger Zusammenarbeit 

von SPS-Programmierer und Roboterprogrammierer 

die Abstimmung und Weiterentwicklung der verschiedenen 

Programme. 

Besonders beim Test der Betriebsfunktionen, wie Vollfahren 

und Leerfahren der Anlage sowie der verschiedenen 

zu produzierenden Typen, bringt die virtuelle 

Inbetriebnahme entscheidende Vorteile, da eine beliebige 

Anzahl von Bauteilen verschiedener Varianten zur 

Verfügung steht. Eine Situation, die an der realen Anlage 

durch die Knappheit der ersten Prototypen- und Serienteile 

nicht gegeben ist. Macht sich dieser Nutzen 

bereits beim Aufbau von neuen Anlagen bemerkbar, sorgt 

die virtuelle Inbetriebnahme bei Integrationsprojekten 

in bestehende Anlagen für zusätzliche Sicherheit. 

Den beteiligten Personen müssen die Möglichkeiten 

und Grenzen der virtuellen Inbetriebnahme bekannt 

sein. Die Übertragbarkeit von Ergebnissen hängt stark 

von der Genauigkeit und der Aktualität des Modells ab. 

Die Beteiligten müssen das Modell als Möglichkeit für 

Tests akzeptieren und können damit die Arbeit auf der 

Baustelle auf die Punkte fokussieren, die an einer virtuellen 

Anlage nur begrenzt abbildbar sind. 

Eine weitere Erfahrung ist, dass die Einbettung des 

neuen Prozessschrittes virtuelle Inbetriebnahme in den 

Engineering-Prozess sehr wichtig ist. War es bisher möglich, 

die Engineering-Ergebnisse Schritt für Schritt an 

die reale Anlage zu liefern, gibt es jetzt mit dem Start der 

virtuellen Inbetriebnahme beziehungsweise mit dem 

Start des Modellaufbaus einen definierten Abgabezeitpunkt 

für den kompletten Umfang. Hierauf müssen sich 

die vorgelagerten Prozessen einstellen. 

7. Weitere Anwendungsfälle 

Eine virtuelle Anlage kann über die virtuelle Inbetriebnahme 

hinaus noch in folgenden Tätigkeiten Anwendung 

finden, vorausgesetzt, es wird nach Abschluss der realen 

Inbetriebnahme aktualisiert: 

Fazit 

Schulung: In der Ausbildung von Anlagenführern 

und Instandhaltungspersonal liefert das Modell einen 

wertvollen Beitrag. Bisher konnte nur an stark reduzierten 

Anlagennachbildungen oder an der realen 

Anlage ausgebildet und geübt werden. 

Instandhaltung: Verbesserungen lassen sich an der 

virtuellen Anlage vorab testen und an der realen Anlage 

beobachtete Fehlerzustände zwecks Ursachenfindung 

und -behebung am Modell nachbilden. 

Test von Standardbausteinen: Standardbausteine 

können über verschiedene virtuelle Modelle umfangreicher 

vor der Freigabe getestet werden. 

Die virtuelle Inbetriebnahme leistet einen guten Beitrag zur 

Verkürzung einer Inbetriebnahme und zur Verringerung 

der mit ihr verbundenen Risiken. Zusätzlich werden durch 

die für die virtuelle Inbetriebnahme erforderliche frühzeitige 

Abstimmung zwischen den betroffenen Gewerken positive 

Effekte erzielt. Es ist jedoch nötig, weiter an der Integration 

der virtuellen Inbetriebnahme in die Prozesskette 

der Anlagenplanung und -realisierung zu arbeiten. 

Manuskripteingang 

29.12.2011 

Im Peer-Review-Verfahren begutachtet 

Referenzen 

Autor 

[1] Kiefer, J.: Mechatronikorientierte Planung automatisierter 

Fertigungszellen im Bereich Karosserierohbau, 

Schriftenreihe Produktionstechnik, Band 43, 

Universität des Saarlandes 2007 

[2] L. Hundt, A. Lüder, E. Estévez Estévez, Kiefer, J.: 

Engineering of manufacturing systems within engineering 

networks, 15th IEEE International Conference on Emerging 

Technologies and Factory Automation (ETFA 2010), Bilbao, 

Spain, September 2010, Proceedings-CD 

[3] Strube, M., Fay, A.; Truchat S., Figalist, H.: 

Modell gestützte Modernisierungsplanung. In: 

Zeitschrift atp-edition, 53 (7-8), S. 46-53, 2011 

[4] Drath, R. (Herausgeber): Datenaustausch in der 

Anlagenplanung mit AutomationML, 

Springer-Verlag 2010 

Dipl.-Ing. Björn Grimm (geb. 1977) 

studierte Elektrotechnik und Informationstechnik 

an der Universität 

Karlsruhe (TH). Seit 2004 arbeitet 

er bei der Daimler AG an der Einführung 

und Weiterentwicklung von 

Engineering-Werkzeugen sowie neuen 

Produktionskonzepten. 

Mercedes-Benz Werk Sindelfingen, 

Produktionsplanung, 

Planung Presswerk, Karosseriebau, Lackierung, 

Automatisierungs- und Steuerungstechnik (PKL/AST), 

D-71059 Sindelfingen, Tel. +49 (0) 7031 908 20 56, 

E-Mail: bjoern.grimm@daimler.com 


4 / 2012 

33

hauptbeitrag 



Generierung von Modellen aus PLS-Engineering-Systemen 

Das Testen des implementierten Steuerungscodes von Prozessleitsystemen (PLS) ist ein 

wichtiger Bestandteil des PLS-Engineering-Prozesses und Voraussetzung für eine zügige 

Inbetriebnahme und einen fehlerfreien Anlagenbetrieb. Mithilfe der Simulation des IO- 

Verhaltens der beteiligten Aktoren und Sensoren sowie – damit verbunden – des physikalischen 

Anlagenprozesses lassen sich diese Tests früher, schneller und umfassender 

durchführen. Dieser Beitrag diskutiert wesentliche Aspekte des effizienten simulationsbasierten 

Testens von Steuerungsprogrammen. Er stellt ein Simulationswerkzeug vor, 

welches die Simulationsmodellgenerierung auf Basis von Daten aus dem PLS-Engineering- 

Werkzeug semi-automatisiert ausführt. In einem Folgebeitrag [12] wird in Erweiterung zu 

der hier vorgestellten praxisorientierten Lösung ein Forschungsansatz beschrieben, mit 

dessen Hilfe sich Simulationsmodelle auf Basis von objektorientierten CAE-Planungsdaten 

vollautomatisch generieren lassen. 

SCHLAGWÖRTER Factory-Acceptance-Test / automatische Modellgenerierung / Simulation / 

MS Excel / PLS-Test-Engineering 

Simulation based control logic tests – 

Generating simulation models based on PCS Engineering Systems 

Testing the control code implemented in the Process Control System (PCS) is an important 

part of the PCS engineering process and a prerequisite for rapid commissioning and the 

correct functioning of the plant. With the aid of simulation of the IO behaviour of the 

relevant sensors and actuators as well as the physical process, these tests can be carried 

out earlier, quicker and more comprehensively. In this article, essential aspects of an efficient 

simulation-based testing of control programs are discussed. A simulation tool is 

presented which is able to generate the simulation model semi-automatically on the basis 

of PCS engineering tool data. In a related article, a research approach will be presented 

with which simulation models based on object oriented CAE data can be generated fullyautomatically. 

KEYWORDS Factory acceptance Test / automated model generation / simulation / 

MS Excel / PCS test engineering 

34 


4 / 2012

Jürgen Greifeneder, Peter Weber, Mike Barth, ABB Forschungszentrum 

Alexander Fay, Helmut-Schmidt-Universität 

Angelehnt an Testprozeduren von Software-Applikationen 

beinhaltet das Engineering eines 

Prozessleitsystems mehrere Prüfschritte. Je 

nach Fortschritt bei der Implementierung der 

Leitsystemfunktionen werden Grenzwerte für 

Alarme und Meldungen, Verriegelungen, Schrittketten 

sowie Wirkrichtungen von Reglern daraufhin überprüft, 

ob sie den Spezifikationen entsprechen. Die Ingenieure 

stehen hierbei vor der Herausforderung, dass die für den 

Factory-Acceptance-Test (FAT) zur Verfügung stehende 

Zeit immer kürzer wird – Reduzierung der Gesamtprojektdauer 

seit 1970: 25 % [1]. Die Anzahl und Komplexität 

der durchzuführenden Tests hat dagegen aufgrund des 

zunehmenden Funktionsumfangs der Automatisierung 

stetig zugenommen. Die Frage ist, ob sich Vorbereitung 

und Durchführung dieser Tests durch den Einsatz von 

Simulationsmodellen effizienter gestalten oder zumindest 

teilweise in frühere Projektphasen verlagern lassen. 

Die als Inhouse-Tests bezeichneten Prüfungen des 

Steuerungscodes beinhalten Funktions-, Integrationstest 

und den FAT und werden beim PLS-Systemintegrator 

durchgeführt, bevor das fertig konfigurierte und programmierte 

PLS an den Kunden ausgeliefert wird. Die 

Reihenfolge ist dabei nicht streng sequenzieller Natur 

sondern zeichnet sich durch zeitliche Überlappungen 

und Iterationen [2, 3] aus: 

Im funktionalen Anlagentest (Funktionstest) werden 

die Steuerungslogik und die Bedien- und Beobachtungsfunktionen 

überprüft. Da in vielen Fällen vorgetestete 

Bibliotheksbausteine (Typicals) und Bediendialoge 

(Faceplates) eingesetzt werden, kann der 

Funktionstest auf die Bereiche Verschaltung von 

Funktionsbausteinen, Parametrierung (zum Beispiel 

Grenzwerte), Verriegelungen, Schrittketten, Bediendialog 

HMI-Ankopplung und Protokollierung konzentriert 

werden. 

Der Integrationstest befasst sich mit den im Leitsystem 

angelegten Systemfunktionen wie Netzwerkverbindungen, 

Zugriffsberechtigungen, Gerät-Logik- 

Verknüpfungen (connectivity), Reaktion auf Fehlverhalten 

(zum Beispiel E/A-Kartenausfall), Systemalarmen, 

Zeitsynchronisation, Speicherverbrauch und 

CPU-Auslastung. 

Der FAT beinhaltet systemintegrative und funktionale 

Aspekte und wird in den meisten Fällen im Beisein 

des Kunden durchgeführt. Der Abschlussbericht 

wird von den Beteiligten abgezeichnet. Er gilt zusammen 

mit der anschließenden Überführung des Prozessleitsystems 

auf die Baustelle als Abschluss der 

Inhouse-Engineering-Tätigkeiten. 

In diesem Beitrag werden jene Teile der funktionalen und 

Abnahme-Tests behandelt, bei denen die reale Hardware 

durch emulierte Komponenten ersetzt werden kann [4]. 

Auf Basis dessen fokussieren die Autoren folgende Testaufgaben: 

Verriegelungslogiken, zum Beispiel das Aktivieren 

eines Sekundärkreislaufes bei Trockenlauf einer 

Pumpe 

Schrittketten, beispielsweise die Überprüfung korrekter 

Schaltbedingungen 

Ein-/Ausgabeverhalten, wie die korrekt konfigurierte 

Wirkrichtung von Reglerbausteinen 

Die Überprüfung der implementierten Grafiken von 

Bediendialogen und Alarmen. Hierbei wird getestet, 

ob die Lesbarkeit gegeben ist, die korrekte Farbwahl 

getroffen wurde, die Sensor- und Stellwerte in der 

korrekten Einheit, Genauigkeit und Darstellungsvariante 

(wie Trend, Säule, Digitalanzeige) angezeigt 

werden. 

Der Vollständigkeit halber muss auch die Überprüfung 

der eingesetzten Bibliotheken genannt werden. Diese 

wird dann relevant, wenn projektübergreifend eingesetzte 

Funktionsbausteine auf die Anforderungen eines konkreten 

Projektes abgestimmt wurden. Der Stand der Technik 

beim Testen wird durch das manuelle Aufschalten 

von Signalen (Signalwertaufschaltung) dominiert. Im 

Unterschied zu früheren Vorgehensweisen, bei denen mit 

Schaltern und Potenziometern gearbeitet wurde, wird die 


4 / 2012 

35

Hauptbeitrag 

Setzen 

Variablenwerte 

Verändern 

Parameter 

E_ACS350 

(Simulierte) Hardware 

Funktionsobjekt 

Objekte im Leitsystem 

Zugehörige Hardware 

Signalwertaufschaltung (Signal Forcing) heute durch 

Softwareprogramme unterstützt. Dieses softwaregestützte 

Vorgehen bildet eine erste native Form von simulationsbasierten 

Testverfahren. 

1. Simulationsbasierte Testverfahren 

Leitsystem 

Bild 1: Objektweises Testen, im Beispiel für ein Drive (ACS350), 

das eine Pumpe ansteuert 

Die zuvor erläuterten Funktions- und Abnahme-Tests betreffen 

Steuerungsaspekte, welche durch die Verhaltensmodellierung 

einzelner Anlagenobjekte getestet werden 

können, und Funktionen, für deren Test mehrere Anlagenobjekte 

sowie deren Abhängigkeiten simuliert werden 

müssen. Letzteres betrifft vor allem die Tests von Verriegelungen, 

Ablaufsteuerungen und Wirkrichtungen von 

Reglern. Um das zu erläutern, werden im Folgenden die 

Vorgehensweisen objektweises Testen und Testen mit Prozessmodellen 

eingeführt. 

Als objektweises Testen wird die aus der klassischen 

Signalwertaufschaltung stammende Simulation eines 

einzelnen Objektes beziehungsweise die damit einhergehende 

Prüfung einer Leitsystemfunktion definiert. Bei 

einem solchen Objekt kann es sich um einen Aktor (zum 

Beispiel Pumpe) oder einen Sensor (beispielsweise Füllstandsensor) 

handeln. Beim Test wird das korrekte Zusammenwirken 

von Anlagenobjekt und Leitsystemfunktion 

überprüft. Im einzelnen Projekt werden die gemäß 

der Spezifikation eingestellten Grenzwerte (wie Laufzeit- 

Eingangssignale 

Simulationswerkzeug 

Ausgangssignale 

Visualisieren 

Steuerungssignale 

Rückmeldesignale 

Füllstands- 

Sensor 

LT 

Füllstands- 

Regelung 

LIC 

Ventil 

FV 

Pumpe 

EU 

! 

Interlock- 

Logik! 

! 

Durchfluß- 

Regelung 

Mit der Entwicklung von Werkzeugen wie Matlab/Simulink 

(Mathworks), welche Simulation auch außerhalb einer 

hoch spezialisierten Forschung ermöglichen, lassen sich 

die dabei entstehenden Vorteile für das Tagesgeschäft der 

Ingenieure nutzen [5, 6]. Hieraus hervorgegangen sind 

kommerzielle PLS-Test-Werkzeuge wie 800xA Simulator 

(ABB), Simit (Siemens), WinMod (Mewes) und Virtuos 

FIC 

Durchfluß- 

Sensor 

Bild 2: Darstellung des funktionalen Zusammenhangs zwischen 

einzelnen Anlagenobjekten 

FT 

(ISG), welche als eigenständige Software oder als weiteres 

Modul für ihre jeweilige PLS-Engineering-Umgebung erhältlich 

sind. Je nach deren Anbindung an die emulierte 

(Soft-SPS) oder real vorhandene Steuerung wird zwischen 

den Testarten Systemsimulation und Hardware-in-the- 

Loop (HIL) [7] unterschieden. Bei der Systemsimulation 

[8] werden der zu steuernde Prozess und die Steuerungs- 

Hardware simuliert (ausschließliche Simulation). Die Systemsimulation 

eignet sich insbesondere für schnell umzusetzende 

Untersuchungen zu Beginn eines Projekts. Sie 

erlaubt es, falsche Lösungsansätze frühzeitig auszuschließen 

oder verschiedene Lösungsansätze bezüglich ihrer 

jeweiligen Performanz miteinander zu vergleichen. Hierbei 

liegt der Controller in der Regel in emulierter Form, 

das heißt als Soft-SPS, vor. Das Anlagenmodell kann dabei 

in einer externen Simulationsumgebung modelliert und 

zum Beispiel über OPC an die Soft-SPS angeschlossen 

werden als auch im Controller selbst aufgebaut sein [10]. 

Eine Variante der Systemsimulation für das PLS-Test- 

Engineering bilden im Controller implementierte Modelle. 

Diese sind in den zu Typicals zusammengefassten Funktionsbausteinen 

implementiert und damit Bestandteil des 

Steuerungscodes. Dem sich ergebenden Vorteil in Bezug 

auf das Wegfallen eines zusätzlichen Simulationswerkzeuges 

steht der Nachteil gegenüber, dass die Simulationsmodelle 

nach dem Test deaktiviert werden. Dies bedeutet 

eine nachträgliche Änderung des Steuerungscodes nach 

erfolgtem Test, wobei die Auswirkungen nicht vollständig 

absehbar sind. Zwar ist auch hier eine rückwirkungsfreie 

Alternative möglich, zum Beispiel durch den Einsatz eines 

zweiten Controllers, doch diese ist gleichzusetzen mit dem 

Einsatz eines externen Simulationswerkzeuges. 

Das Testen durch HIL-Simulation (Hardware-In-The- 

Loop) hat für den Systemintegrator größere Bedeutung. Die 

zu liefernde, bereits erstellte PLS-Infrastruktur wird mit 

einem Simulations-Modell des zu steuernden Prozesses 

gekoppelt. Bei der HIL-Simulation lässt sich der Simulationsrechner 

zum Beispiel als simulierte Remote-IO Komponente 

über Feldbus mit dem realen Controller verbinden. 

2. Objekt- und Prozessmodelle 

36 


4 / 2012

parameter, HHH/HH/H-Alarmwerte) getestet. Das objektweise 

Testen beinhaltet des Weiteren Syntaxprüfungen, 

die Überprüfung von Variablenzuweisungen und Reaktionsprüfungen. 

Letztere könnte die Farbänderung einer 

Anzeige bei Änderung eines Variablenwertes oder die 

Erfüllung einer Schaltbedingung sein. 

Als Prozesssignale von den simulierten Anlagenobjekten 

werden Konstanten, Sprungfunktionen (binäre Sensorwerte) 

oder zeitabhängige Eingangssignale (zum Beispiel 

Rampen als Teil einer Regelfunktion TIC (Temperature 

Indication and Control) modelliert. So wird beispielsweise 

das binäre Rückmeldesignal eines 

geschlossenen Ventils (GO-) simuliert, nachdem es ein 

Aktorsignal aus der Steuerung erhalten hat. Dies veranschaulicht 

Bild 1, in welchem die Leitsystemfunktion 

Rückmeldesignale vom simulierten Objekt empfängt, 

nachdem sie zuvor ein Steuersignal an das simulierte 

Objekt gesendet hat. Hierbei kann zusätzlich die Weitergabe 

von Signalen der Leitsystemfunktion an eine Visualisierung 

getestet werden. Die an das simulierte Objekt 

gesendeten beziehungsweise empfangenen Signale kann 

der Testingenieur jederzeit durch eigene Eingangswerte 

(zum Beispiel direkt am Funktionsbaustein im Leitsystem 

oder Simulationswerkzeug) überschreiben. 

Anders als das optionale Aufschalten von Fehlerwerten 

erfordert das Testen von Verriegelungen, Schrittketten 

oder Folgealarmen zwingend manuelle und zeitlich abgestimmte 

Eingriffe des Testingenieurs (beziehungsweise 

die Aktivierung von definierbaren Testsequenzen). 

Zum Beispiel muss für das Testen einer Befüllungssequenz 

eines Mischbehälters der Materialfluss (bei Einsatz 

eines Durchflussmessers), mindestens aber ein ansteigender 

Füllstand im Behälter simuliert werden, um die Transitionsbedingung 

„Behälter voll“ zu aktivieren. 

Auch für den Test von Verriegelungen bietet sich die 

Simulation der Material- und Energieströme in der Produktionsanlage 

an, da diese (hinsichtlich Kausalität und 

zeitlicher Folge) korrekte Signalsequenzen der beteiligten 

Sensoren, Aktoren und sonstigen Anlagenelemente 

(zum Beispiel Behälter) generieren kann Testen mit 

Prozessmodellen. Ein solches Szenario wird in Bild 2 

dargestellt: Obwohl im PLS lediglich Funktionsbausteine 

zur Ansteuerung der Anlagenelemente konfiguriert 

sind, ist deren physikalische Interaktion elementar, da 

beispielsweise getestet werden muss, ob ein Unterschreiten 

eines kritischen Füllstandes im Behälter zum Schließen 

des Abflussventils und in Folge dessen auch zur 

Abschaltung der Pumpe (Verriegelung) führt. Wenn es 

sich um eine Antriebsschaltung handelt, ist zu klären, 

ob ein Überschreiten der kritischen Drehzahl oder des 

zulässigen Stromes eine Notabschaltung auslöst. 

Das Arbeiten mit Prozessmodellen setzt jedoch deren 

Generierung voraus. Wie in Abschnitt 1 erläutert, ist dies 

eine Tätigkeit, welche bislang überwiegend manuell vom 

Testingenieur durchgeführt werden muss. Dieser Aufwand 

ist, einhergehend mit dem bestehenden Zeit- und 

Kostendruck im PLS-Engineering, ein wesentlicher Grund 

dafür, weshalb sich der Einsatz von Prozessmodellen für 

den Steuerungscodetest bislang nicht durchsetzen konnte 

[9]. In den folgenden Abschnitten werden eine Methodik 

sowie das Werkzeug vorgestellt, mit dessen Hilfe sich 

der manuelle Aufwand signifikant, unter Beachtung der 

praktischen Umsetzbarkeit, reduzieren lässt. 

3. Eine MS Excel-basierte PLS-Testumgebung 

Im Zuge der Diskussion um die sinnvolle Integration von 

XML-basierten Datenaustauschformaten werden in den 

PLS-Engineering-Systemen zunehmend XML-Exportund 

Import-Möglichkeiten integriert. Ein Beispiel ist das 

proprietäre SimaticML-Format des SimaticManager von 

Siemens. Mit CAEX ist ein offenes Datenaustauschformat 

in das Engineering-System des Leitsystems 800xA (ABB) 

integriert worden. Beide Beispiele sind jedoch noch als 

Einzelfälle zu betrachten. 

Dagegen wird in [11] darauf hingewiesen, dass das Tabellenkalkulationswerkzeug 

Microsoft Excel (im Folgenden 

Excel genannt) als einziges Werkzeug durchgehend 

von den PLS-Engineering-Systemen unterstützt wird 

und somit quasi einem Standardwerkzeug im PLS-Engineering 

entspricht. Die verbreitete Anwendung von Excel 

wird durch die Arbeiten des Namur-Arbeitskreises 1.10 

bestätigt, in denen eine Vereinheitlichung von herstellerspezifischen 

Signallisten angestrebt wird. Diese werden 

bislang standardmäßig in Form einer Excel-Tabelle 

umgesetzt. Des Weiteren werden Excel-Tabellen unter 

anderem für die massenhafte Parametrisierung (Bulk- 

Data-Engineering) von Signalen oder die Einrichtung 

einer OPC-Kommunikation verwendet. Hierbei lassen 

sich die Kopier- und die Auto-Vervollständigungs-Funktionalitäten 

(DigitalInput_1; DigitalInput_2; Digital 

Input_x….) von Excel sinnvoll einsetzen. Einer der entscheidenden 

Gründe, Excel im PLS-Engineering zu verwenden, 

hängt damit zusammen, dass Excel auf nahezu 

jedem PC-Arbeitsplatz vorinstalliert und dadurch jedem 

Ingenieur zugänglich und geläufig ist. 

Auf dieser Argumentation basierend können lizenzrechtliche 

und schulungstechnische Nachteile im Zusammenhang 

mit dem Einsatz von kommerziellen Simulationsumgebungen 

durch den Einsatz von Excel als 

Simulationswerkzeug aufgehoben werden. Zusätzlich 

werden die bestehenden Ex- und Importschnittstellen 

mit PLS-Engineering-Werkzeugen sinnvoll verwendet. 

Wie in Abschnitt 1 erläutert, erfolgt die Generierung von 

Simulationsmodellen bislang überwiegend manuell. 

Eine mit mehreren Projektingenieuren aus unterschiedlichen 

Anwendungsbereichen der Prozessleittechnik 

(PLT) durchgeführte Analyse [10] ergab, dass die Verwendung 

von Simulationswerkzeugen zum Test des PLS 

in größerem Umfang primär am zusätzlichen, vor allem 

für die Modellerstellung notwendigen Zeitaufwand 

scheitert. Dementsprechend wird ein solches Werkzeug 

nur dann akzeptiert, wenn es möglich ist, den projektierten 

Steuerungscode sowie alle zugehörigen Bedienkomponenten 

unverändert und ohne zusätzliche Instrumentierung 

in einer virtuellen Umgebung zu testen und 

das Simulationsmodell, das die physikalische Anlage 

modelliert, weitestgehend automatisiert zu generieren. 

3.1 Modellierung der Anlagenobjekte in Excel 

Mit Hilfe von Excel werden zellbasierte Integratoren miteinander 

verknüpft. Dabei beinhaltet Excel das Programmierwerkzeug 

VBA (Visual Basic for Applications) als 

Zusatzmodul. Aus VBA heraus kann auf einzelne Zellwerte 

zugegriffen werden. Diese Werte lassen sich auf 


4 / 2012 

37

Hauptbeitrag 

dem VBA-Code basierend manipulieren und wieder zurück 

in die Ausgangszelle beziehungsweise beliebige weitere 

Zellen schreiben. Für die Anwendung von Excel als 

Simulationsumgebung ergeben sich zwei Anwendungsmöglichkeiten 

für VBA: 

1 | die Berechnung von Zellwerten und damit die direkte 

Umsetzung von Simulationsmodellen in VBA 

2 | die Manipulation von Zellwerten und -beziehungen, 

wodurch ein auf VBA basierender Modellgenerator 

implementiert werden kann 

Der Zugriff auf einen Zellwert aus VBA heraus gestaltet 

sich in Kombination mit dessen anschließender Verarbeitung 

vergleichsweise CPU-ressourcenintensiv. Deshalb 

werden die Formeln direkt als Zellbeziehungen implementiert 

und im Zuge der Modellgenerierung offline 

durch VBA manipuliert. Der Einsatz von VBA bietet sich 

jedoch an, wenn – zusätzlich zu den Grundfunktionen 

– komplexe, automatisch auszuführende Testszenarien 

zu implementieren sind. 

Bei der Implementierung von Modellen in Excel muss 

zwischen Parametern und Variablen unterschieden werden. 

Ein Beispiel: der Füllstand eines Behälters zu Beginn 

der Simulation. Dessen Startwert wird als Parameter und 

dessen Zeitwert als Variable festgelegt. Als Integrationsverfahren 

wurde das explizite Euler-Cauchy implementiert. 

Hierbei wird die Änderung (dV) des aktuellen Zeitwertes 

innerhalb eines definierten Zeitschrittes (dt) ermittelt. 

Diese Änderungen werden integriert und für jedes 

Zeitintervall einmal berechnet. Um den entstehenden 

Zirkularbeziehungen (Zellen referenzieren sich selbst 

V=V+dV) zu entgehen, muss die Anzahl der iterativen 

Berechnungsschritte vorab manuell festgelegt werden. 

Die Umsetzung der zellbasierten Integratoren in Excel 

wird anhand des in Bild 3 dargestellten Behältermodells 

erläutert. Im Fokus steht dabei die Berechnung der Masse 

im Behälter, die sich als zeitliches Integral der Differenz 

von Zulaufmassenstrom (dm_in) und Ablaufmassenstrom 

(dm_out) ergibt. Zur Erklärung ist in Bild 3 

(unten) die Berechnung des Zellwertes dm_out dargestellt. 

Dabei werden die Eingangsgrößen h (= aktueller 

Füllstand im Behälter) und p B (= Druck auf Flüssigkeit 

im Behälter) als Ergebnis der Wurzelrechnung („sqrt“) 

in die Strömungsgeschwindigkeit am Behälterausgang 

umgerechnet. Anschließend wird hieraus der Massenstrom 

dm_out durch die Multiplikation mit den Parametern 

Dichte und der Querschnittsfläche der Rohrleitung 

A berechnet. Dabei wird der in Form der signalflussbasierten 

Modellierung dargestellte Formelzusammenhang 

komplett in einer Zelle implementiert. 

3.2 Generierung der Simulationsmodelle 

Für den Aufbau von Test-Simulationsmodellen stehen 

den Ingenieuren dieselben Daten zur Verfügung, wie sie 

für die Konfiguration des PLS verwendet werden, nämlich 

CAE-Dokumente – insbesondere R&I-Fließbilder, Signallisten, 

Stellenpläne, Funktionspläne – sowie Spezifikationen 

des gewünschten und gegebenenfalls auch des unerwünschten 

Systemverhaltens. Letztere dienen als 

Grundlage, um Testfälle für den FAT abzuleiten. Der für 

ein Simulationsmodell notwendige Aufbau der Anlage 

lässt sich hieraus nicht ableiten. 

Als Basis für die Generierung der Simulationsmodelle 

stehen daher die genannten CAE-Planungsdokumente 

sowie die daraus entstehende Implementierung im Engineering-Werkzeug 

des Leitsystems zur Verfügung. Für 

eine semi-automatische Generierung des Simulationsmodells 

sind jedoch rechnerauswertbare Quelldaten nötig. 

Somit lassen sich Papier-Zeichnungen beziehungsweise 

in Textform vorhandene Spezifikationen nicht verwenden. 

Zwar werden, wie in Abschnitt 2 erläutert, erstmals 

Datenaustauschformate zur Übertragung von Planungsdaten 

aus CAE-Systemen implementiert, diese spiegeln 

jedoch noch nicht den Stand der Technik wider. In dieser 

Arbeit werden dahingehend die Möglichkeiten untersucht 

und ausgeschöpft, das PLS-Engineering-Werkzeug als Datenquelle 

für die Modellerstellung zu nutzen. In diesem 

sind die Automatisierungsfunktionen inklusive der Prozessankopplung 

bereits konfiguriert. Auf Basis dieser 

Informationen können diejenigen Anlagenobjekte identifiziert 

werden, deren Verhalten simuliert werden soll. 

Die Generierung wird anhand der in Bild 4 dargestellten, 

aus einem 3-Tank-Kreisprozess bestehenden, Anlage 

erläutert. 

Zur Implementierung einer semi-automatischen Modellgenerierung 

sowie einer Signalrangierung ist es erforderlich, 

zu wissen, welche Anlagenobjekte in Form von PLS- 

Funktionen vorhanden sind. Unterstützt das verwendete 

PLS-Engineering-System den direkten Datenaustausch mit 

Excel, so lassen sich, wie in Bild 5 am Beispiel 800xA gezeigt, 

die projektierten PLS-Funktionen auswählen und 

samt ihrer Attribute und Signalinformationen importieren. 

Bild 5 zeigt die in Bild 4 dargestellte Anlage aus Sicht 

des Prozessleitsystems. Hier sind ausschließlich die informationsgebenden 

und -empfangenden Objekte sichtbar. 

Diese sind in der Regel als Typicals im Engineering- 

System des PLS instanziiert. Am Beispiel der Funktion 

E001 entspricht dies einem Motorbaustein für eine Pumpe 

(EU_FC). Die Behälter (B001-B003) sind als automatisierungstechnisch 

passive Objekte nicht im PLS-Engineering-System 

instanziiert. Es ist jedoch möglich, diese 

passiven Objekte dennoch automatisch zu instanziieren, 

indem auf Basis von Sensorfunktionen (zum Beispiel Level 

– L001) oder aufgrund des sich ergebenden Materialflussnetzes 

auf deren Vorhandensein geschlossen wird. 

Jeder in der Bibliothek des PLS-Engineering-Werkzeuges 

enthaltenen Funktion wird ein entsprechendes Simulationsobjekt 

zugeordnet, beispielsweise der PLS-Funktion 

Flow Control (FC) das Simulationsobjekt regelbares 

Durchflussventil. Ein solches – in Excel in einer einzigen 

Zeile repräsentiertes – Simulationsobjekt verfügt über 

Informationen zur Simulation des dynamischen Verhaltens, 

zu den zu berücksichtigenden IO-Signalen, zu auftretenden 

Störeinflüssen und zum physikalischen Verhalten, 

welches für die Berechnung der über dieses Objekt 

abgewickelten Material- und Energieströme wichtig 

ist. Die Verknüpfung der PLC-IO-Variablen mit den Simulationsvariablen 

(beziehungsweise Spalten im Excel- 

Sheet) geschieht automatisch auf Basis einer Tabelle, 

welche zum Beispiel für das Signal E001_OUT der Pumpe 

E001 eine Verknüpfung mit der Spalte iON vorsieht. 

Alle bisher beschriebenen Simulationsobjekte können 

automatisch instanziiert werden. Für eine vollstän- 

38 


4 / 2012

Ablauf Zulau Masse im Behälter 

dm_out dm_in M 

0,7 0,5 2100,67 

Bild 3: 

Umsetzung der Excel- 

Zellmodellierung [9] 

Zeitwertänderung 

ṁ out 

ṁ 

in 

- + 

Integrator 

1 

s 

Pb 

2 

9,81 

g [m/s²] 

+ + 

sqrt 

1000 

ρ [kg/m³] 

0,1 

A [m²] 

h 

1/1000 

1/ρ 

1/[kg/m³] 

Parameter 

Parameter 

Bild 4: 

Beispiel einer 

Umsetzungsanlage 

Bild 6: Materialflussdefinition 

Bild 5: Import der 

PLS-Funktionen in MS Excel 


4 / 2012 

39

Hauptbeitrag 

dige Modellgenerierung fehlt jedoch die Definition der 

Material- und Informationsverbindungen. Aufgrund 

dessen lässt sich die PLS-basierte Modellgenerierung 

nicht vollständig automatisieren. Je nachdem, in welchem 

Umfang die Objektverbindungen manuell nachgearbeitet 

wurden, können nun entweder einzelne Objekte 

simuliert oder das physikalische Prozessmodell 

generiert und simuliert werden. Dies wird in Bild 6 

dargestellt, in dem das Ventil Y003 als Nachfolgeobjekt 

von Behälter B003 definiert ist. 

Die Simulationsobjekte der Prozess-Sensorik und -Aktorik 

inklusive der Material- und Wärmeströme werden 

in einer benutzerdefinierbaren Bibliothek bereitgestellt 

und müssen im Wesentlichen folgende Aspekte berücksichtigen: 

Kalkulation der Prozesswerte, wie zum Beispiel 

Durchfluss oder Flüssigkeitsniveau 

Berechnung der Materialflüsse in einem verzweigten 

Flussnetzwerk sowie die Ermittlung der Energieflüsse 

im Falle von Temperaturregelungen 

Verarbeitung von Ausgangssignalen des Steuerungsprogramms, 

wie Ventilstellung oder das Einschalten 

einer Pumpe 

Generieren von Feedback-Signalen, zum Beispiel 

„Pumpe läuft“ oder die Stromaufnahme eines Motors 

Der Datenaustausch zwischen Simulationswerkzeug, 

Bedienoberfläche und Engineering-System funktioniert 

über einen OPC-Server, welcher es erlaubt, Zugriffsprioritäten 

zu setzen. Im Unterschied zur realen IO-Rangierung 

wird das Simulationsmodell also nicht über die 

Ein- und Ausgänge der IO-Module, sondern direkt mit 

den internen Variablen (Signalen) verbunden. Diese Art 

des Datenaustausches zwischen Simulationswerkzeug 

und Steuerung erleichtert zwar die Initialisierung der 

Kommunikation – lediglich die OPC-Variablen und OPC- 

Server müssen konfiguriert werden – allerdings können 

hierbei keine Fehler in der IO-Rangierung identifiziert 

werden. Gerade bei der automatischen Initialisierung der 

Kommunikation erweist sich das PLS-Engineering-System 

als wertvolle Datenquelle für die Modellgenerierung. 

Hierbei lässt sich automatisch ein direkter Bezug zwischen 

Simulationsobjekten und deren Ein- und Ausgangssignalen 

zu den PLS-Variablen herstellen. 

Der für den Einsatz des Excel-Simulators erforderliche 

Ressourcenbedarf wurde lediglich empirisch anhand 

von Pilotprojekten bestimmt. Demnach ist Echtzeitfähigkeit 

bei einer Zeitschrittweite von 100 Millisekunden 

erreichbar. Es wurden mittelgroße Systeme mit bis zu 

5000 I/Os getestet, wobei sich eine Abhängigkeit der 

Performance von der I/O-Anzahl nicht feststellen ließ. 

Ein RAM-Überlauf oder ähnliche Probleme von Stan- 

referenzen 

Autoren 

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Praxis – atp 44, Heft 1/2002, S. 40-44 

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domänenübergreifenden Integration heterogener Emulatoren, eingereicht 

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[5] Drath, R.; Weber, P.; Mauser, N.: Virtuelle Inbetriebnahme – ein evolutionäres 

Konzept für die praktische Einführung, Automation 2008, Baden Baden, S. 73-76 

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Tests in der Entwicklung automatisierungstechnischer Systeme. 

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Wiley-VCH Verlag Weinheim, 2008, S. 6 

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Anlagen für den Steuerungstest. Fortschritt-Berichte VDI Reihe 20 

Nr. 438: Rechnergestützte Verfahren. Düsseldorf: VDI Verlag 2011 

[10] Barth, M.; Weber, P.; Fay, A.; Greifeneder, J.: Modellbasierte Prozesssimulation 

für Steuerungstests auf Excel-Basis – Mechatronik 2009, 

VDI Fachkongress, Wiesloch, S. 171-178 

[11] Gutermuth, G.: Engineering. In: Hollender (Hrsg.): Collaborative Process 

Automation Systems, ISA-International Society of Automation, 2010, S.156-182 

[12] Barth, M; Fay, A.; Greifeneder, J.; Weber, P.: Simulationsbasierte Steuerungsfunktionstests: 

Automatische Generierung von Simulationsmodellen auf Basis 

von CAE-Planungsdaten, eingereicht atp-edition - Automatisierungstechnische 

Praxis, (54/5), 2012 

Dr.-Ing. Jürgen Greifeneder (geb. 1975) ist 

seit 2008 Wissenschaftler am ABB Forschungszentrum 

in Ladenburg. Er studierte Technische 

Kybernetik in Stuttgart und promovierte über 

formale Antwortzeitanalyse netzbasierter 

Automatisierungssysteme in Kaiserslautern. 

Seine wissenschaftlichen Schwerpunkte liegen 

auf Systemmodellierung einerseits und effizientem 

Engineering andererseits. 

ABB Forschungszentrum Deutschland, 

Wallstadter Str 59, D-68526 Ladenburg, 

Tel. +49 (0) 6203 71 62 22, 

E-Mail: juergen.greifeneder@de.abb.com 

Dipl.-Phys. Peter Weber (geb. 1956) ist 

Principal Scientist am ABB Forschungszentrum 

in Ladenburg. Seine Schwerpunkte liegen 

im Bereich Virtuelle Inbetriebnahme und 

Advanced Engineering Methods. 

ABB Foschungszentrum Deutschland, 

Wallstadter Str. 59, D-68526 Ladenburg, 

Tel. +49 (0) 6203 71 62 74, 

E-Mail: peter.weber@de.abb.com 

40 


4 / 2012

dard-Software konnten beim zweiwöchigen Dauertest 

(350 Stunden) nicht festgestellt werden. 

Zusammenfassung 

Mit der Entwicklung einer modellbasierten Simulationsumgebung 

zur Unterstützung des Steuerungstests von Prozessleitsystemen 

hat ABB in Kooperation mit der Helmut- 

Schmidt-Universität einen wichtigen Schritt unternommen, 

PLS-Applikations-Implementierungsfehler systematisch, 

effizient und frühzeitig zu erkennen. Die sich daraus 

ergebenden Vorteile in Bezug auf höhere Qualität, frühere 

Produktionsstarts und höhere Effektivität durch zielgenauere 

Implementierung bilden die Grundlage eines erfolgreichen 

Projektes des PLS-Systemintegrators. Durch den modularen 

Aufbau, den signifikanten Automatisierungsgrad 

sowie die Flexibilität in Bezug auf die Anbindung an bestehende 

Prozessleitsysteme hat sich der entwickelte Prototyp 

der Simulationsumgebung in Tests gut bewährt. Das positive 

Feedback der beteiligten Anwender bestätigt ebenfalls 

den gewählten Ansatz. 


15.07.2011 


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M. Sc. Mike Barth (geb. 1981) war von 2008 

bis 2011 wissenschaftlicher Mitarbeiter von 

Prof. Fay an der Helmut-Schmidt-Universität 

in Hamburg. Seit März 2011 ist er Mitarbeiter 

am ABB Forschungszentrum in Ladenburg. 

Seine Arbeitsgebiete umfassen das Engineering 

und die Kollaboration von Automatisierungssystemen. 

ABB AG Forschungszentrum Deutschland, 

Wallstadter Straße 59, D-68526 Ladenburg, 

Tel. +49 (0) 6203 71 64 61, 

E-Mail: mike.barth@de.abb.com 

Prof. Dr.-Ing. Alexander Fay (geb. 1970) ist 

Professor für Automatisierungstechnik in der 

Fakultät für Maschinenbau der Helmut-Schmidt- 

Universität Hamburg. Forschungsschwerpunkte: 

Beschreibungmittel, Methoden und Werkzeuge 

für einen effizienten Entwurf von Automatisierungssystemen. 

Institut für Automatisierungstechnik, 

Helmut-Schmidt-Universität / 

Universität der Bundeswehr Hamburg, 

Holstenhofweg 85, D-22043 Hamburg, 

Tel. +49 (0) 40 65 41 27 19, 

E-mail: alexander.fay@hsu-hh.de 

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Oldenbourg Industrieverlag 


atp edition erscheint in der Oldenbourg Industrieverlag GmbH, Rosenheimer Str. 145, 81671 München

hauptbeitrag 

Emulation dezentraler 

Steuerungslogik 

Dynamisches Testen von Field-Control-Systemen 

Die Emulation der Steuerungslogik ist ein wichtiger Bestandteil des dynamischen Tests 

einer Prozessanlage. Dezentrale Steuerungslogik kann jedoch nur selten emuliert werden, 

da hierfür die Technologie nur eingeschränkt verfügbar ist. Dies führt oft zu hohen Kosten, 

da Applikationsfehler erst während der Inbetriebsetzung erkannt und korrigiert werden. 

Dieser Beitrag schlägt einen modularen und objektorientierten Ansatz zur Emulation 

von Funktionsblöcken dezentraler Steuerungslogik vor. Der ganzheitliche dynamische 

Test der Steuerungslogik verspricht eine hohe Qualitätssteigerung der Automatisierungsfunktionen. 

SCHLAGWÖRTER Emulation / Werksabnahme / Foundation Fieldbus / Dezentrale 

Steuerungslogik 

Emulation of control-in-the-field – 

Testing field control system with Foundation Fieldbus 

The emulation of control logic is an important element of the dynamic tests of a process 

plant. However, decentralised control logic can rarely be emulated because of the limited 

availability of the necessary technology. This often leads to higher costs because application 

faults can only be recognised and corrected during the commissioning phase. This 

article presents a modular, object-oriented approach to the emulation of functional blocks 

of decentralised control logic. The holistic dynamic testing of the control logic may considerably 

improve the quality of the automation functions. 

KEYWORDS Emulation / Foundation Fieldbus / Factory Acceptance Test / Foundation 

Fieldbus / control-in-the-Field 

42 


4 / 2012

Mario Hoernicke, ABB Forschungszentrum 

Philipp Bauer, Technische Universität Kaiserslautern 

Motivation – „The adoption of Foundation 

Fieldbus has skyrocketed over the past several 

years. ARC estimates that the total market 

for fieldbus products and services is rapidly 

approaching a billion dollars [1].“ Fortgeschrittene 

Diagnose, neue und verbesserte Redundanzkonzepte, 

weniger Verkabelungsaufwand – dies sind nur 

einige Argumente für den Einsatz von Feldbussen. Ebenso 

ist Foundation Fieldbus nur ein Beispiel für die rapide 

Verbreitung intelligenter Feldgeräte. 

Kostendruck bei den Anbietern verteilter Steuerungen 

führt dazu, dass diese zunehmend intelligente Feldgeräte 

und Technologien erforschen und entwickeln, 

um Kosten zu sparen und die Komplexität zu verringern 

[2]. Intelligenz wird weg von zentralen Steuerungen, 

hin zu den Feldgeräten verlagert. Foundation Fieldbus 

bietet zusätzlich zu den üblichen Diagnosefunktionen 

die Möglichkeit, Steuerungs- und Regelungsfunktionen 

in die Feldgeräte einzubinden. Die dadurch realisierte 

dezentrale Steuerung bietet weitere Vorteile [3]: beispielsweise 

höhere Flexibilität verglichen mit konventionellen 

Feldbussen, geringerer Einfluss eines einzelnen 

Fehlers oder dergleichen. 

Die Automatisierungsfunktion ist damit auf dem Weg 

ins Feld. Diese Architektur eines Feldbus-basierten, dezentralen 

Steuerungssystems wird nach [4] mit dem Begriff 

Field-Control-System (FCS) beschrieben. 

Trotz aller Vorteile von FCS ergeben sich durch den 

steigenden Kosten- und Zeitdruck auch neue Herausforderungen 

für das Engineering. Das FCS und das umgebende 

Leitsystem müssen effizient konfigurierbar 

sein, ebenso wie eine zentrale Steuerung. Dies betrifft 

die dezentrale Steuerungslogik und die Bus-Topologie. 

Aktuell ist noch schwer abzusehen, wie ein effizientes 

Engineering, zum Beispiel auf Basis von Massendaten, 

aussehen könnte [5]. 

In [4] wird ersichtlich, dass die Planung der Bus-Topologie 

in direkter Abhängigkeit zur verteilten Steuerungslogik 

zu betrachten ist. So kann sich eine Änderung der 

Logik auf die Buslast auswirken, eine Änderung der Visualisierung 

nach sich ziehen, oder generell zu Nacharbeiten 

in früheren Engineeringphasen führen. Integrierte 

Planungswerkzeuge, wie in [6] beschrieben, müssen 

daher sicherstellen, dass ein durchgängiges Engineering 

des FCS ermöglicht wird und effizient handhabbar ist. 

Die Qualität darf hierbei nicht vernachlässigt werden 

und macht eine Werksabnahme (Factory-Acceptance- 

Test, FAT) zur Fehlerfindung unabdingbar. Üblicherweise 

werden etablierte, simulationsgestützte Methoden 

der virtuellen Inbetriebnahme zum FAT von Automatisierungssystemen 

eingesetzt. Die Automatisierungstechnik 

wird emuliert, zum Beispiel durch 

SoftSPSen (SPS: Speicherprogrammierbare Steuerungen), 

und der Prozess wird mittels geeigneter Methoden 

(oft vereinfacht) simuliert [7]. Deren Kombination ergibt 

die virtuelle Anlage, welche zum dynamischen Testen 

verwendet wird. Damit lässt sich ein Fehlverhalten des 

Automatisierungssystems schon während des FAT feststellen 

und korrigieren. 

Für die dezentrale Steuerlogik eines FCS existieren 

nur sehr eingeschränkt Emulatoren. Feldbus-Emulatoren 

fokussieren üblicherweise auf das korrekte Versenden 

von Telegrammen oder auf Performanceanalysen 

[8], jedoch nicht auf die Emulation der Logik. Deshalb 

wird der FAT eines FCS oft nur anhand eines Beispielsegments 

durchgeführt, (vergleiche [5]), da die Feldgeräte 

meistens nicht zur Verfügung stehen. Vielfach geht 

damit ein Qualitätsverlust einher, der anschließend 

während der finalen Tests in der Inbetriebnahme kompensiert 

werden muss. Deshalb verlängert sich die Inbetriebnahmezeit, 

und es erhöhen sich die Kosten (siehe 

„Faktor 10“ Regel [9]). 

Eine Emulation, ähnlich der einer SoftSPS, einsetzbar 

bereits während des FAT, würde die Qualität der dezentralen 

Applikation verbessern, damit die Inbetriebnahmezeiten 

senken und Kosten sparen [10]. Deshalb 

schlägt dieser Beitrag einen modularen, objektorientierten 

Ansatz zur Emulation von Foundation Fieldbus vor. 

Foundation Fieldbus wird als Beispiel verwendet, wobei 

der beschriebene Ansatz mit nur wenigen Änderungen 

auf ein anderes FCS, wie zum Beispiel IEC 61850, 

übertragbar ist. 


4 / 2012 

43

Hauptbeitrag 

1. Anforderung an das Design 

Field-Control-Systems sind Automatisierungssysteme, die 

die Möglichkeit bieten, Logik auf Feldgeräte auszulagern. 

Im Gegensatz zur SPS oder DCS (Distributed-Control- 

System/Verteilte Steuerung) wird die Logik nicht auf einem 

dedizierten Gerät ausgeführt, sondern auf verschiedene 

Feldgeräte verteilt. Jedes Feldgerät stellt eine diskrete 

Anzahl Funktionsblöcke eines oder mehrerer Typen 

bereit, welche in einer Instanz des Geräts ausgeführt werden 

können. Diese Art der Logikparametrierung führt im 

Wesentlichen zu drei Anforderungen, welche bei der Entwicklung 

des Emulationskonzepts zu beachten sind. Diese 

betreffen die Bereiche Konfiguration, Bereitstellen der 

Funktionsbausteine und Kommunikation. 

1.1 Konfiguration 

Foundation Fieldbus verwendet verschiedene, vollständig 

spezifizierte Funktionsbausteine (FB). Diese reichen 

von einfachen Auswahlblöcken, Filtern, Ein- und 

Ausgabeblöcken bis hin zu komplexen Reglern. Die 

Funktionsweise der Bausteine ist in der FF-Spezifikation 

festgeschrieben, genau wie deren Ein- und Ausgabeparameter, 

parameterabhängiges Verhalten und diverse 

Grundprinzipien, wie Modusumschaltung oder 

Signalskalierung. 

Analog zum Funktionsblockdiagram der IEC61131-3 

[11] werden die Funktionsbausteine miteinander verbunden. 

Eine Applikation besteht aus mehreren 

Funktionsblöcken, üblicherweise verteilt auf mehrere 

Feldgeräte. Jedes Feldgerät stellt eine festgelegte 

Anzahl Funktionsblöcke bereit, wodurch der Funktionsumfang 

zwar eingeschränkt, jedoch sehr mächtig 

sein kann. 

Eine typische Applikation in der Prozessindustrie ist 

die PID-Regelung. Diese besteht aus drei FF-Funktionsblöcken: 

einem Analogen Eingangsblock (AI), einem PID- 

Regler (PID) und einem Analogen Ausgabeblock (AO). 

Der AI wird auf einem Sensor ausgeführt, der PID üblicherweise 

auf dem Aktuator und der AO ebenfalls auf 

dem Aktuator. Darüber hinaus werden Transducer-Blöcke 

eingesetzt, um die physikalischen Prozesswerte des 

Sensors in logische Werte zu wandeln und analog die 

logischen AO-Werte in physikalische zu transformieren, 

siehe Bild 1. 

Zu Beginn der Emulation muss der Emulator die Konfiguration 

der FF-Applikation und des FF-Subnetzes kennen. 

Ein einfacher Download ist schwer realisierbar, da 

mehrere Feldgeräte emuliert werden und der Emulator 

die projektierte Topologie nicht automatisch erkennen 

kann. Er benötigt demnach zunächst die entsprechende 

Bekanntgabe der Konfiguration zu emulierender FF-Applikationen 

und des FF-Subnetzes. Hinzu kommt die 

Hardwareabhängigkeit der Transducer-Blöcke. Die Emulation 

sollte die Hardwareabhängigkeiten auflösen und 

durch entsprechend simulierte Werte ersetzen. Hierfür 

wird eine separate, möglichst automatische Konfiguration 

benötigt. 

Bild 1 

Trancducer-Block 

Sensor 

Sensor 

AI 

PID 

Aktuator 

AO 


Aktuator 

Bild 1: 

Typische FF-Applikation 

Bild 2: 

Innerer Aufbau des 

PID-Funktionsbausteins 

– nach [12] 

Bild 3 

HMI 

Leitsystem 

Engineering- 

Werkzeug 

OPC 

OPC 

busspezifisch 

Controller 

Feldbus-Koppler 

FCS 

Bild 3: Typische Kommunikation eines FCS 

44 


4 / 2012

1.2 Bereitstellen der Funktionsbausteine 

Das Applikationsdesign von Foundation-Fieldbus-Komponenten 

beruht auf einem Standard [12]. Hersteller können 

die standardisierten Blöcke in ihre Feldgeräte einbetten 

und damit dem Nutzer zur Verfügung stellen. Da 

Foundation Fieldbus grundsätzliche Funktionen zur Interoperabilität 

bereitstellt, lassen sich verschiedenste FBs 

aus unterschiedlichen Feldgeräten herstellerunabhängig 

zu Applikationen verknüpfen. Durch die genaue Spezifikation 

der Bausteine sollen diese gegen Bausteine anderer 

Hersteller ausgetauscht werden können. Doch es gibt Interpretationsspielraum; 

die Funktionalität der Bausteine 

wird üblicherweise herstellerspezifisch erweitert. Die FBs 

sind dann zwar gemäß Spezifikation entwickelt, werden 

jedoch durch zusätzliche Funktionalität angereichert. 

Diese herstellerabhängigen Parameter und das entsprechende 

Verhalten stellen eine Herausforderung für die 

Emulation dar. Die erweiterten Blöcke können nicht 

ohne Weiteres in eine Emulationsumgebung im vollen 

Umfang eingebettet werden – ein Konzept zur Identifikation 

des zugrundeliegenden Standardbausteins ist 

erforderlich. Die Implementierung der erweiterten Funktionalität 

ist häufig nicht ersichtlich und kann deshalb 

schwer nachgebildet werden. 

Obwohl die verschiedenen Standard-Funktionsbausteine 

oft sehr komplex sind, basieren sie auf ähnlichen 

Teilbausteinen, siehe innerer Aufbau des PID in Bild 2. 

Hier gilt es, ein Konzept zur Wiederverwendung bereits 

implementierter Teile zu entwickeln. Zusätzlich muss 

es möglich sein, nachträglich FBs in die Emulationsumgebung 

einzubringen, ohne die Umgebung zu verändern. 

So könnten, neben den Standardbausteinen, später auch 

herstellerspezifische Bausteine, falls Nachbauten vorhanden 

sind, emuliert werden. 

1.3 Kommunikation 

Bild 4 

Middleware zum 

Erzeugen der 

Konfiguration 

Steuerungsemulation 

Konfigurationsdatei 

HMI + 

Leitsystem 

Engineering 

Tool 

Emulator 

Spezifische 

Kommunikation 

Generalisierte 

FCS Emulation 

Zur Emulation eines Feldbusses gehört auch die Kommunikation. 

Diese spielt zwar für die Logikemulation eine 

untergeordnete Rolle, jedoch sollte es möglich sein, die 

emulierten Werte mit den Engineering-Werkzeugen und 

dem HMI (Human-Machine-Interface/Mensch-Maschine- 

Schnittstelle) zu beobachten. Die Kommunikation findet 

üblicherweise über ein busspezifisches Protokoll, bei 

Foundation Fieldbus über High Speed Ethernet (HSE) oder 

Foundation Fieldbus H1, statt. Es gibt mit OPC aber auch 

feldbusunabhängige Protokolle, welche in der Prozessautomation 

verwendet werden. 

Zur Simulation der spezifischen Protokolle gibt es häufig 

entsprechende Software. Diese beinhaltet oft die benötigten 

Zugriffsprotokolle und ist in der Lage, die Nachrichten 

des Feldbusses zu simulieren. Da diese jedoch 

sehr feldbusspezifisch sind, muss in der Emulation der 

Logik, beziehungsweise im Konzept, eine Abstraktion 

stattfinden, sodass sich das Kommunikationsprotokoll 

(konzeptionell) leicht austauschen lässt. 

Hinzu kommen die Kommunikation mit der Engineeringumgebung 

des Feldbusses, sowie die Kommunikati- 

Konfigurationsdaten 

Logikgenerator 

OPC Schnittstelle 

Logik-Engine 

Abstrakte 

Kommunikationsschnittstelle 

Funktionsbausteinrepository 

Funktionsbaustein Schnittstelle 

Bild 4: Modulares Konzept zur FCS-Emulation 


4 / 2012 

45

Hauptbeitrag 

on zum Leitsystem. Diese ist normalerweise direkt über 

das spezifische Protokoll möglich oder via OPC. Dementsprechend 

muss auch diese Schicht abstrahiert werden, 

um einfach austauschbar zu sein. 

Zuletzt gilt es, eine Kommunikation zwischen den 

Feldgeräten und SPSen beziehungsweise DCS mit Feldbuskopplern 

herzustellen. Da viele SoftSPSen und Controller 

nicht in der Lage sind, die Koppler selbst nachzubilden, 

muss dafür gesorgt werden, dass der Foundation- 

Fieldbus-Emulator die ausgetauschten Signale zum 

Controller versendet. Dies ist oftmals nicht über das 

normale Feldbusprotokoll machbar, weshalb auch hier 

eine Lösung über eine andere Schnittstelle gefunden 

werden muss. Bild 3 stellt die Kommunikationspfade 

eines typischen FCS grafisch dar. 

2. Konzept und Architektur 

Die Anforderungen sind für die Konzeption der Emulation 

von großer Bedeutung. Das Konzept fokussiert sich, da 

es sich im Wesentlichen um eine Logikemulation handelt, 

auf die Konfiguration und die Bereitstellung der Funktionsbausteine. 

Die Kommunikation wird jedoch nicht vernachlässigt, 

da diese als Modul eingebettet werden soll. 

2.1 Der modulare Kern der FCS Emulation 

Im Zentrum des Emulators steht ein modulares Konzept, 

welches zur Konfiguration und Ausführung der 

Funktionsbausteine verwendet wird, aber auch Schnittstellen 

zur Engineering-Umgebung und dem Leitsystem, 

sowie zur Steuerung, bereitstellt. Das Konzept 

besteht aus mehreren Teilen, welche zum einen abhängig 

vom zu emulierenden System, zum anderen generisch 

aufgebaut sind und sich somit für verschiedene 

Systeme wiederverwenden lassen. Das Gesamtkonzept 

ist in Bild 4 dargestellt. 

Wie Bild 4 zeigt, beginnt die Emulation mit der Konfiguration 

des Emulators. Zur Konfiguration wird hier eine 

XML-basierte Datei vorgeschlagen, welche direkt aus 

dem Engineering-Werkzeug erzeugt werden kann oder 

über eine Middleware die Konfiguration in das entsprechende 

Format konvertiert. XML wurde gewählt, da es 

sich im Feldbusbereich üblicherweise um eine hierarchische 

Topologie handelt, welche in XML gut dargestellt 

werden kann. Ein Auszug einer XML-Konfigurationsdatei 

für Foundation Fieldbus ist in Bild 5 dargestellt. 

Es zeigt die Konfiguration für die Standardapplikation 

AI-PID-AO, wie in 1.1 beschrieben. 

Die Konfigurationsdaten können anschließend über 

eine generische Schnittstelle in den Emulator eingelesen 

werden und mittels eines Moduls „Konfigurationsdaten“ 

der Emulation bereitgestellt werden. Ausgehend von den 

Konfigurationsdaten kann ein Logikgenerator, welcher 

Zugriff auf die zu verwendenden Bausteine hat, die Applikationen 

(die Funktionsbausteine und deren Verknüpfungen) 

nachbilden. 

Die Funktionsbausteine werden über eine spezifizierte 

und damit eindeutige Software-Schnittstelle bereitgestellt, 

sodass diese erkannt und für die Emulation verwendet 

werden können. Hierfür wird eine Plug-in-Architektur 

gewählt, da diese eine spätere Erweiterung der 

Bausteinbibliothek erlaubt. 

Die zuvor generierte Applikation wird anschließend 

auf einer Logik-Engine ausgeführt. Diese stellt ihrerseits 

die benötigten Kommunikationsschnittstellen bereit. 

Eine generische Schnittstelle, die üblicherweise zur 

Kopplung zum Leitsystem und zur Anbindung des HMI 

verwendet wird, ist OPC. Da OPC standardisiert ist, kann 

diese generisch implementiert werden und ist damit 

mehr oder minder unabhängig vom angebundenen Leitsystem 

oder OPC-Server. 

Eine Abstraktion der busspezifischen Schnittstelle, 

welche zur Anbindung an das Engineering-Werkzeug 

verwendet wird, sorgt für einfachen Austausch des Busprotokolls, 

ohne dass der Emulator dafür verändert werden 

muss. Die abstrakte Schnittstelle kann von nahezu 

beliebigen Systemen implementiert werden und somit 

lässt sich der Emulator anpassen und einfach verändern. 

Im Falle des Foundation-Fieldbus-Emulators wird als 

Kommunikationsprotokoll Foundation-Fieldbus-HSE 

verwendet, da dieses auf normaler Rechner-Hardware 

mit Ethernetschnittstelle verwendet werden kann. 

Während des Betriebs ist letztlich die Logik-Engine 

dafür zuständig, die Eingangswerte zu lesen und die Ausgangswerte 

zu schreiben. Dazwischen werden die Applikationen 

ausgeführt, welche die Änderungen der Ausgänge 

hervorrufen. Dies kann zyklisch und asynchron 

geschehen, je nach Implementierung des Bussystems und 

dessen Anforderungen. Für Foundation Fieldbus ist eine 

zyklische Ausführung vorgesehen, welche entsprechend 

der Applikationen und deren Zykluszeiten abläuft. 

Die Anbindung an die Steuerungsemulation wird 

mittels OPC realisiert. Oft sind Softcontroller in der 

Lage, einen OPC-Server mit Werten zu versorgen. Des 

Weiteren werden die ausgetauschten Signale als OPC- 

Werte bereitgestellt, sowohl auf Steuerungsseite, als 

auch auf Feldbusseite. Ein Mapping, gewöhnlich in den 

Engineering Werkzeugen durchgeführt, wird verwendet, 

um eine Konfiguration bereitzustellen. Hierdurch 

müssen nur geänderte OPC-Signale bei der Gegenstelle 

aktualisiert werden, welches durch einen OPC-Client 

einfach zu realisieren ist. Ein Beispiel wird in Bild 6 

dargestellt. Wenn sich der Wert des Signals „Signal 2 

FF“ verändert, wird bei der Gegenstelle „Signal 2“ mit 

aktualisiertem Wert geschrieben. 

2.2 Entwicklung der Funktionsbausteine 

Als Herz des Emulators ist die Logik selbst anzusehen. 

Die Funktionsbausteine müssen dem Emulator bekannt 

gegeben werden. Des Weiteren muss ein Konzept zur maximalen 

Wiederverwendung bereits implementierter 

Funktionalität entworfen werden. Grundsätzlich können 

zwei Ansätze betrachtet werden: 

1 | Portierung von Bausteinen echter Geräte – das 

Portieren der Bausteine eines oder mehrerer echter 

Geräte ist eine Variante, um die Logik bereitzustellen. 

Die Bausteine müssen vom Feldgerät auf 

einen Standard-PC portiert werden. Hierbei ergibt 

46 


4 / 2012

Bild 5: Konfigurationsdaten 

für eine FF-Applikation 

FB 

Block 

Alarm 

Mode 

Optional Invert 

Output Track 

Setpoint 

Simulate 

Simulate_D 

Convert 

Cutoff 

Filter 

Output 

BG X X X X X X X 

CS X X X X X X 

PD X X X X X 

PID X X X X 

AI X X 

DI X X X X X X 

ML X X X X X X 

Bild 6 

Bild 7: Mehrfach verwendete interne FB-Funktionalität (Ausschnitt) 

Bild 6: 

Konfigurationsdaten für 

eine FF-Applikation 

OPC Server Steuerung 

Signal 1 

OPC Client 

Mapping 

Signal 1 à Signal 1 FF 

OPC Server FF 

Signal 1 FF 

Signal 2 

Signal 2 ß 

Signal 2 FF 

Signal 2 FF 

sich der Vorteil, dass die Logik bereits ausgiebig 

getestet und im Einsatz ist – es wird auf bewährte 

Funktionalität zurückgegriffen. Ein Nachteil ist 

die Hardwareabhängigkeit. Die Bausteine lassen 

sich schwer aus ihrer nativen Umgebung auf einen 

Standard-PC portieren, da die Implementierung 

stark an die Hardware gebunden ist. Hierdurch 

entsteht ein hoher Aufwand. 

2 | Nachbauen der Funktionalität in speziellen Klassen 

– die spezifizierte Funktionalität der Bausteine 

lässt sich nachbauen. Hierbei kann der Entwickler 

von vorneherein auf Hardwareabhängigkeit achten, 

was eine einfachere Entwicklung und Einbettung 

in den Emulator zur Folge hat. Der Nachteil liegt 

darin, dass die neuen Bausteine nicht im realen 

Einsatz sind und deshalb nicht sicher ist, dass diese 

entsprechend der FF-Spezifikation implementiert 

wurden. Um dies sicherzustellen, sind umfangreiche 

Tests nötig. 

Prinzipiell können beide Verfahren verwendet werden, 

weshalb auch das Integrationskonzept beide Verfahren 

unterstützt. Für die Neuentwicklung der Bausteine werden 

jedoch entsprechende vereinfachende Maßnahmen 

mit einbezogen, da große Teile in mehreren Bausteinen 

Verwendung finden, siehe Bild 7. 

Da sich beide Verfahren auch in Kombination anwenden 

lassen, wird im Folgenden ein objektorientiertes 

Konzept vorgestellt, welches offen für Integration ist und 

Templates für mehrfach verwendete Funktionalität bereitstellt. 

Implementierung und Integration der Bausteine 

Nachbauten von Bausteinen können unter Verwendung 

der mehrfach genutzten internen Bausteine, vergleiche 

Bild 7, verhältnismäßig einfach entwickelt werden. 

Hierfür wird zunächst eine Templatebibliothek implementiert, 

welche mehrfachgenutzte interne Bausteine, 

wie Filter, Alarm Handling oder Skalierung, bereitstellt. 

In dieser Bibliothek müssen auch die FF-spezifischen 

Datentypen (Strukturen) implementiert werden, 

um diese den Bausteinen bekanntzugeben. Ein neuer 

Baustein kann von dieser Klasse erben und erwirbt damit 

die gesamte Grundfunktionalität, die er mit anderen 

Bausteinen gemeinsam hat. 

Der Baustein kann anschließend wie ein Puzzle zusammengesetzt 

werden und um die spezifische Funktionalität, 

siehe Bild 8, zum Beispiel den Steueralgorithmus, 


4 / 2012 

47

Hauptbeitrag 

erweitert werden. Auf diese Art und Weise lassen sich 

sehr effizient weitere Bausteine nachbauen. Bild 9 zeigt, 

wie die implementierten oder portierten Bausteine dem 

Emulator bekanntgegeben werden. Die Schablone reicht 

die Plug-in-Schnittstelle zum Baustein weiter und dieser 

implementiert die spezifizierte Funktionalität. Die Funktionalität, 

die der Funktionsbaustein implementiert, ist 

im Wesentlichen der Ablauf der einzelnen internen Blöcke 

in einer vorgegebenen Funktion. Des Weiteren stellt 

der Funktionsbaustein Managementfunktionalität, wie 

zum Beispiel den Namen des implementierten Bausteintyps 

sowie eine typspezifische Identifikation, bereit. 

Wie aus Bild 9 ersichtlich, lassen sich auch herstellerspezifische 

Bausteine sehr einfach integrieren. Sie können 

von bereits implementierten Standardbausteinen 

abgeleitet und um die zusätzliche Funktionalität erweitert 

werden. Hierdurch sind auch diese, wenn die erweiterte 

Funktionalität bekannt ist, sehr einfach in den 

Emulator einzubetten. 

Auflösen der Hardwareabhängigkeit 

Die Hardwareabhängigkeit, beziehungsweise die Abhängigkeit 

von den Transducer-Blöcken, ist in der Emulation 

aufzulösen. Die Transducer-Bausteine sind 

schwer nachzubauen, da diese direkt auf die Hardware 

zugreifen und die physikalischen Werte direkt schreiben 

oder lesen. 

Deshalb werden die Transducer-Bausteine zunächst 

von den Funktionsbausteinen gelöst. Die Emulation enthält 

lediglich die Logikbausteine, siehe Bild 10, da nur 

diese für den Logiktest relevant sind. 

Eingangs- und Ausgangsbausteine bieten bereits spezifizierte 

Simulationsparameter. Deshalb liegt es nahe, 

diese zur Simulation der physikalischen Werte zu benutzen. 

Für die Ausführung des FAT ohne ein Prozessmodell 

(Handsimulation) ist dies die zu bevorzugende Lösung. 

Wenn allerdings ein Prozessmodell angebunden 

wird, sind die Kanäle, die normalerweise vom Transducer-Baustein 

beschrieben werden, vom Prozessmodell zu 

Bild 9 

Bild 8 

Funktionsbausteinschablone 

Logikgenerator 

Logik-Engine 

Filter 

Skalie 

rung 

PID Baustein 

Plug-In Schnittstelle 

FB Schablone 

Output 

Setpoint 

IN 

CAS_IN 

Spezifischer 

Algorithmus 

Setpoint 

Skalie 

rung 

Output 

OUT 

Zusammengesetzt 

aus Schablone und 

durch spezifische 

Funktionalität 

erweitert 

PID 

Portiert von einem 

echten Baustein + 

Schnittstelle 

Implementiert 

PID – 

ABB1 

Vererbung der 

Standardfunktionalität 

und mit Spezifika 

erweitert 

AI 

AI – 

Metso 

AO 

AO – 

ABB 

Bild 8: Schablonenkonzept zur Implementierung 

neuer Bausteine 

Bild 10 

Bild 9: Bereitstellen der implementierten Bausteine 


Sensor 

AI 

PID 

Bild 11 

AO 


Aktuator 

Bild 10: Auflösen der 

Hardwareabhängigkeit 

Simulation 

AI 

Prozess- 

Prozessmodellein/ausganmodel- 

ng 

AO 

Transducer 

Simulate 

Out 

Handsimulation 

Transducer 

Simulate 

Out 

BKCAL_OUT 

Bild 11: Anbindung 

an Prozessmodell 

oder Handsimulation 

48 


4 / 2012

eschreiben. Auch hierfür gibt es in der FF-Spezifikation 

beschriebene Parameter, die zur Anbindung zu nutzen 

sind, siehe Bild 11. Das heißt, jeder simulierte E/A-Baustein 

bietet intern einen Kanal, der zur Anbindung an 

das Prozessmodell verwendet wird. 

Fazit 

Prozesssimulation verknüpft mit einer SoftSPS ist nicht 

mehr ausreichend zum dynamischen Test einer Anlage. 

Je leistungsfähiger die Feldbusse werden, desto wichtiger 

werden Logikemulatoren. Der beschriebene Ansatz 

zur Emulation von Foundation-Fieldbus-Control-in-the- 

Field-Logik zeigt ein modulares Konzept, das zur Emulation 

von FCS benutzt werden kann. Die Foundation- 

Fieldbus-spezifischen Module sind dabei so gehalten, 

dass diese einfach ausgetauscht werden können, wo- 

durch das Konzept sehr flexibel ist. Zusätzlich werden 

objektorientierte Methoden zur einfachen Implementierung 

von und Erweiterbarkeit durch neue Logikbausteine 

vorgestellt. 

Die Emulation des Gesamtsystems verspricht eine 

Qualitätssteigerung im Engineering. Gesamtsysteme 

können Mithilfe von Prozesssimulation, Softcontrollern 

und FCS-Logikemulatoren ganzheitlich getestet 

werden, wodurch sich die Fehlerfindung im FAT erheblich 

vereinfacht. Fehler können bereits in frühen Engineering-Phasen 

erkannt und behoben werden, sodass 

die Inbetriebnahme verkürzt und damit die Kosten 

gesenkt werden. 


30.11.2011 


Autoren 

Referenzen 

Dipl.-Ing. (FH) 

Mario Hoernicke 

(geb. 1984) ist wissenschaftlicher 

Mitarbeiter des 

ABB Forschungszentrums 

Deutschland. Sein Hauptinteresse 

gilt der Entwicklung 

neuer und innovativer 

Engineering konzepte, 

unter anderem im Bereich Emulation von 

Leitsystemfunktionen und Subsystemen, sowie 

der Automation des Engineerings. 

ABB AG Forschungszentrum, 

Wallstadterstr. 59, D-68526 Ladenburg, 

Tel. +49 (0) 6203 71 62 66, 

E-Mail: mario.hoernicke@de.abb.com 

Dipl.-Ing. Philipp Bauer 

(geb. 1984) ist wissenschaftlicher 

Mitarbeiter am 

Lehrstuhl für Automatisierungstechnik 

der TU 

Kaiserslautern. Im Rahmen 

seiner Forschungstätigkeit 

beschäftigt er sich mit 

Effizienzsteigerung mittels 

Gebäudeautomation und der generischen 

Erzeugung von Steuerungsalgorithmen für 

Energiesysteme in kleineren Gebäudeeinheiten. 

TU Kaiserslautern, 

Erwin-Schrödinger-Straße 12, 

D-67663 Kaiserslautern, 

Tel. +49 0) 631 2 05 43 10, E-Mail: bauer@eit.uni-kl.de 

[1] O’Brien, L.: The Business Value Proposition of Control in the Field. 

ARC Advisory Group, White Paper, 2009 

[2] Young, B., Hill, D., Miller, P.: Distributed Control Systems Worldwide 

Outlook – Market Analysis and Forecast through 2015. ARC Advisory 

Group, ARC Report, 2011 

[3] Georgiev, B.: Field Control Systems. Proceedings of Process Control, 

2004 – The sixth international scientific, technical conference, 

S. 244-256 (http://www.kar.elf.stuba.sk/~georgiev/) 

[4] Berge, J.: Fieldbus for Process Control: Engineering, Operation and 

Maintenance. ISA, North Carolina, 2004 

[5] Sato, H: The Recent Movement of Foundation Fieldbus Engineering. 

SICE Annual Conference in Fukui, 2003, S. 1134-1137 

[6] ABB Fieldbus Builder Foundation Fieldbus: 

(http://www.abb.de/product/seitp334/0cbf7a688713e846c12571bc0050 

20c0.aspx?productLanguage=ge&country=DE&tabKey=4) 

[7] Barth, M.: Automatisch generierte Simulationsmodelle verfahrenstechnischer 

Anlagen für den Steuerungstest. Dissertation an der 

Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr Hamburg, 

Institut für Automatisierungstechnik, Fortschritt-Berichte VDI, 

Reihe 20, 2011 

[8] Brandao, D., da Cunha, M.J., Pinotti Jr., M.: Fieldbus Control System 

Project Support Tool based on Experimental Analysis and Modeling 

of Communication Bus. IEEE International Conference on Industrial 

Technology (ICIT), 2004, Volume 2, S. 787-792 

[9] Heimberg, R.: Die Digitale Fabrik erhält Einzug in die Prozessindustrie 

– visuelle Entscheidungssysteme im Anlagenbau. Digital Plant 

Kongress, Oktober 2011 

[10] Hoernicke, M., Weemes, P., Hanking, H.: The fieldbus outside the field 

– Reducing commissioning effort by simulating Foundation Fieldbus 

with SoftFF. ABB Review, Volume 1, 2012, Zürich, S. 55-60 

(http://www.abb.com/cawp/abbzh254/699bd5d4cb7e7706c1256dab 

003085da.aspx) 

[11] IEC61131-3: Programmable Controllers – Part 3: Programming 

Languages. Edition 2.0, 2003 

[12] Foundation Fieldbus: Foundation Specification – Function Block 

Application Process. Part 2, FF-891, FS1.8, 2008 


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49

hauptbeitrag 

Anbau von Stellungsreglern 

an pneumatische Antriebe 

Eine vergleichende Bewertung aus Herstellersicht 

Im Zusammenspiel der Feldgeräte in der Prozesstechnik spielt der Anbau der Stellungsregler 

an pneumatische Antriebe eine wichtige Rolle. Der Stand der Technik wird durch die 

Fortschreibung der VDI/VDE 3847 dokumentiert, aber ebenso durch proprietäre Entwicklungen 

mit neuen Konzepten. Ein Anbau ohne Verrohrung zwischen Stellungsregler und 

Antrieb sowie die Verwendung von berührungslosen Sensoren kennzeichnen Entwicklungsschritte 

auf dem Weg, die Verfügbarkeit zu verbessern. Dieser Beitrag beschreibt den 

Stand der Technik und bewertet verschiedene Lösungen anhand ihrer Lebenszykluskosten. 

SCHLAGWÖRTER Stellgeräte / Automatisierung / Stellungsregleranbau / Integrierter 

Anbau / VDI/VDE 3847 

Positioner attachment to pneumatic actuators – 

A comparative study from a manufacturer's point of view 

In process engineering, the attachment of positioners to pneumatic actuators is of great 

importance. Progress in this field is evident in the revision of VDI/VDE 3847 as well as in 

proprietary developments based on new approaches. Attachment without piping between 

positioner and actuator and the use of non-contact sensors mark the development towards 

improved reliability. In this article, we describe the state of the art and assess various 

solutions based on their life cycle costs. 

KEYWORDS Control valves / automation / inegral positioner attachment / positioner 

attachment / VDI/VDE 3847 

50 


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Thomas Karte, Jörg Kiesbauer, Karl-Bernd Schärtner, 

Frank Valentin-Rumpel, Samson 

Stellgeräte in Prozessanlagen mit Regel- und Absperrkreisen 

beeinflussen die Stoffströmung 

entsprechend den Sollwerten, die im Leitsystem 

oder dem übergeordneten Regler gebildet 

werden. Neben der Armatur, die in die Medienströmung 

eingreift, ist der – meist pneumatisch ausgeführte 

– Antrieb von Bedeutung sowie der Stellungsregler. 

Ein elektrisches Signal dient als Führungsgröße des 

Regelkreises, Stellgröße ist der Antriebsdruck, Regelgröße 

die Ventilstellung. 

Pneumatischer Antrieb und Stellungsregler sind nach 

heutigem Stand der Technik separate Geräte. Entsprechend 

der beschriebenen Funktion muss der Anbau eines 

Stellungsreglers an einen Antrieb neben der mechanischen 

Fixierung auch die Übermittlung der aktuellen 

Position des Antriebs gewährleisten sowie die Stellgröße 

Antriebsdruck übertragen. 

1. Anbau an Hubventile 

Geeignete Montagebedingungen werden durch die 

IEC 60534-6 [1] gewährleistet. Dieser von der Namur 

unter NE 04 [2] erarbeitete Standard sorgt für mechanische 

Kompatibilität zwischen Fabrikaten verschiedener 

Hersteller. In diesem Standard sind Geometrien für die 

Befestigung des Stellungsreglers am Ventiljoch sowie 

Befestigungspunkte an der Ventilstange für den Wegabgriff 

festgelegt. Leider wird diese Definition in mehreren 

Ländern unterschiedlich beachtet. Speziell in 

Ländern des angelsächsischen Sprachraums, sind viele 

Beispiele proprietärer – herstellerspezifischer – Anbauten 

zu finden. 

Im Bestreben nach höherer Anlagenverfügbarkeit und 

insbesondere, um die Gefahr von Unfällen zu mindern, 

wurde aufgrund spezieller Anfragen aus der Chemie 

Ende der 1980er-Jahre nach einer neuen Lösung gesucht. 

Als Schwachpunkte des etablierten Anbaus nach 

IEC waren Verletzungsgefahr durch offen liegende Hebel 

sowie Verschleiß und Beschädigung eben dieser 

Hebel identifiziert worden. Daneben spielte die komplexe 

Montage eine Rolle, die speziell unter schwierigen 

Bedingungen geschultes Personal erfordert. Als Antwort 

auf dieses Anliegen hat sich der integrierte Anbau 

seit etwa 1990 durchgesetzt und ist inzwischen in hohen 

Stückzahlen im Feld verbreitet. Bild 1 zeigt die 

ehemals patentierte Lösung von Samson. Dieser Anbau 

wird geschätzt, technische Schwachpunkte sind nicht 

bekannt. In der Praxis existieren Anbauten an diese 

Ausführungsform des Ventiljochs beziehungsweise Antriebs 

von namhaften Fabrikanten von Stellungsreglern 

Nachbauten von Joch oder Antrieb durch Ventilhersteller 

sind nicht bekannt. 

Der „Anbau Samson integriert“ realisiert einen aufeinander 

abgestimmten Entwurf der Mechanik von Antrieb 

und Stellungsregler. Die wesentlichen Merkmale: 

Montage des Stellungsreglers mit nur zwei Schrauben 

nahe an der Antriebsstange: Dies ergibt eine stabile, 

vibrationsfeste Verbindung. Die Notwendigkeit zur 

Justage durch genaue Positionierung des Stellungsreglers 

entfällt, weil die Geometrien entsprechend 

ausgelegt sind. 

Integrierte Luftführung von Stellungsregler zu Antrieb 

ohne Verrohrung: Dies geschieht durch einen 

Block, der gleichzeitig zur Aufnahme eines Magnetventils 

vorbereitet ist. Die als Hilfsenergie zugeführte 

Druckluft wird auf diesen Anschlussblock aufgelegt; 

dadurch kann der Stellungsregler einfach gewechselt 

werden, ohne Arbeiten an der Verrohrung 

durchführen zu müssen. Die Wahl der Wirkrichtung 

ist ebenfalls über den Block konfigurierbar und führt 

dadurch zu einer Standardisierung der benötigten 

Komponenten. Ein Druckminderer/Filter lässt sich 

einfach anflanschen. 

Kopplung des Wegabgriffs über einen an der Antriebsstange 

befestigten Mitnehmer, dessen Position 

durch einen federbelasteten Hebel erfasst wird: Diese 

montagefreundliche Verbindung (kein Stecken) 

hat sich als vibrations- und verschleißresistent erwiesen. 

Standardisierte Geometrien vereinfachen 

eine Einstellung von Nullpunkt und Spanne. 


4 / 2012 

51

Hauptbeitrag 

Bild 1: 

Anbau Samson 

integriert 

Bild 3: Vorgaben der VDI/VDE 3847 

für den Anbau an Drehstellventile 

Bild 2: Anbau Samson integriert (oben) 

und Anbau nach VDI/VDE 3847 (unten) 

Bild 4: Anbau des 

intelligenten Grenzsignalgebers 

von Samson 

Vollständige Kapselung des Abgriffraums verhindert 

jegliche Beschädigung von außen und eliminiert die 

Verletzungsgefahr, wie von der Maschinenrichtlinie 

gefordert. Die Spülung des Abgriffraums und der die 

Federn enthaltenden Antriebskammer mit Instrumentenluft 

(Beschleierung) soll Korrosion vermeiden. 

Nicht nur die Mechanik der Schnittstelle ist von Bedeutung. 

In Verbindung mit einem intelligenten Stellungsregler 

ergibt sich eine einfache Montage und Inbetriebnahme: 

Stellungsregler verschrauben, Luft und elektrische 

Verbindung auflegen, Selbstabgleich per Knopfdruck 

durchführen – auch Personal ohne spezielle Einweisung 

kann bei dieser Prozedur mit schnellen, reproduzierbaren 

und zuverlässigen Einstellungen aufwarten. 

Im Gegenzug profitiert der Stellungsregler von der 

genauen, spielfreien Übermittlung der Wegposition. 

Der Drosselkörper im Stellgerät kann auf wenige 

0,1-%-Genauigkeit positioniert werden. Eine Wegmessung 

dieser Güte ist für die Dynamik der Regelung 

und insbesondere für die Diagnose bedeutend. 

Die VDI/VDE 3847 [3], [4], seit 2003 in Kraft, versucht den 

Normungsstand diesem Stand der Technik anzupassen 

[5], [6]. Es wurde eine Anbaufläche mit Punkten zur mechanischen 

Befestigung und zur Realisierung der pneumatischen 

Verbindungen an einfach- und doppeltwirkende 

Stellungsregler definiert. Bezüglich Wegmessung wurden 

für Hubantriebe die Befestigungspunkte an der Ven- 

52 


4 / 2012

tilstange gemäß IEC 60534-6 übernommen, für 

Schwenkantriebe ist die Geometrie nach VDI/VDE 3845 

vorgesehen. Damit ist eine genaue Definition der Ankoppelung 

der Wegrückmeldung ausgespart, die realisierten 

Lösungen sind jeweils herstellerspezifisch. Dies zieht einen 

entsprechenden Montageaufwand nach sich, wenn 

beim Wechsel des Stellungsreglers ein anderes Fabrikat 

eingesetzt wird. Seit Januar 2011 existiert ein Vorschlag 

des VDI/VDE-GMA FA 4.14, der als zusätzliche Option 

einen pneumatischen Absperrhahn für den Wechsel im 

laufenden Betrieb vorsieht. Bild 2 zeigt schematisch eine 

Gegenüberstellung der beiden Varianten Anbau Samson 

integriert und Anbau nach VDI/VDE 3847 für Hubventile. 

1.1 Anbau an Drehstellventile 

Die Vorgaben der VDI/VDE 3847 für den Anbau an Drehstellventile 

zeigt Bild 3. Es sind Befestigungsflächen, Verschraubungspunkte 

sowie die relative Lage der Drehachse genormt. 

Eine integrierte Luftführung ist möglich. Durch diese Vorgaben 

wird wiederum ein Wechsel verschiedener Stellungsreglerfabrikate 

bezüglich Montage des Gehäuses problemlos 

ermöglicht. Der spezielle Anbau der Wegrückmeldung an 

die Drehachse muss aber – wie im Falle der Hubventile dargelegt 

– herstellerspezifisch vorgenommen werden. 

Seit 2009 ist speziell für Drehstellventile mit Schwenkantrieben 

eine weitere, wiederum proprietäre Lösung 

verfügbar [7]. Bild 4 zeigt einen intelligenten Grenzsignalgeber, 

der Magnetventil, Endlagenschalter (beziehungsweise 

deren elektronische Nachbildung) sowie 

Wegsensorik beinhaltet. Der Wegabgriff erfolgt nun berührungslos, 

ein am Antriebsschaft befestigter Magnet 

wirkt auf einen im vollständig gekapselten Gehäuse 

befindlichen Sensor. Die Luftführung geschieht durch 

die Oberseite des speziell gebohrten Antriebes direkt in 

den Grenzsignalgeber. Damit ist die Montage nun nochmals 

vereinfacht: Adapterplatte ohne jegliche Ausrichtung 

oder Montage aufschrauben, Magnet in beliebiger 

Stellung an die Antriebswelle schrauben, Grenzsignalgeber 

aufsetzen, automatischen Abgleich starten, fertig. 

1.2 Vergleich der Varianten 

Tabelle 1 stellt diese fünf Anbauvarianten gegenüber. Hiermit 

soll summarisch ein Vergleich der verschiedenen Möglichkeiten 

gezogen werden. Die Bewertung ist exemplarisch 

zu sehen, sie kann durchaus in einer gegebenen Anlage 

oder Anwendung oder auch für ein spezielles Fabrikat 

ein unterschiedliches Resultat ergeben. So wird zum Beispiel 

unter Standardanbau nach IEC 60534-6 das Merkmal 

„berührungsloser Abgriff“ als nicht verfügbar gewertet, da 

die Norm über ein Lochbild hinaus die Ausführung des 

Anbaus nicht festlegt. Sehr wohl kann ein spezielles Fabrikat 

eines Stellungsreglers aber einen berührungslosen 

Abgriff aufweisen. Als wesentlich wird die Auflistung der 

Kriterien für eine mögliche Bewertung gesehen. 

Stichwortartig sollen im Folgenden einige Hinweise zu 

den Beurteilungskriterien gegeben werden: 

Verschleißarm: Kann der Positionsstift der Wegrückmeldung 

im Gegenlager einschleifen, Schutz des 

Anbauraumes vor Umgebungsatmosphäre 

Montagefreundlich/Montagefehler: muß der Stellungsregler 

bei Montage positioniert werden, Einführung Positionsstift 

der Wegrückmeldung in Langloch notwendig, 

Montage einer Feder um Spielfreiheit zu erreichen 

Luftleitung falsch montiert: Verrohrungsfehler, der zum 

Beispiel Leckage verursacht, mechanische Verspannung 

durch fehlerhafte Einpassung Verbindungsrohr 

Empfindlichkeit gegen Vibrationen: Kraftführung der 

Verschraubung, Spiel in der Anlenkung des Positionsstiftes 

der Wegrückmeldung 

Verschmutzte/Korrosive Umgebung/Feuchte: Grad 

der Kapselung, Schutz vor mechanischen Einflüssen, 

Schutz vor Umgebungsatmosphäre durch Spülluft 

Temperatureinfluss: Vereisungsgefahr 

2. Lebenszykluskosten 

Um die Attraktivität einer der Lösungen zu beurteilen, ist 

eine Analyse der Kosten im gesamten Lebenszyklus [7] 

einer Anlage unerlässlich. Die wichtigsten Kriterien für 

die einzelnen Phasen sind in Tabelle 2 dargestellt. 

Im Einzelfall müssen diese Kriterien weiter differenziert 

werden. Insbesondere ist für den Reparaturfall die 

Vorgabe wichtig, ob bei Gerätetausch das gleiche Modell 

eingesetzt werden oder die Option für ein anderes Fabrikat 

offen gehalten werden soll. Diese Fragestellung 

wiederum muss im Kontext bewertet werden: 

Anzahl eingesetzter Ventiltypen: Besteht die freie 

Auswahl oder existiert eine Einschränkung auf wenige 

Modelle zum Beispiel durch Standardgerätelisten? 

Anzahl eingesetzter Stellungsreglerfabrikate: Gestattet 

das Leitsystem den Einsatz eines anderen Fabrikates 

beziehungsweise wie hoch ist der Änderungsaufwand? 

Als Szenarien sind Neuanlagen von Altanlagen zu unterscheiden. 

2.1 Neuanlagen 

Unter dem Gesichtspunkt der Investitionskosten und 

unter dem Aspekt der Zuverlässigkeit ist es vorteilhaft, 

das komplette Stellgerät mit Antrieb, Stellungsregler und 

gegebenenfalls anderen Anbauteilen als vormontierte 

und geprüfte Einheit von einem Hersteller zu beschaffen. 

Für den Stellungsregler ist davon auszugehen, dass für 

eine Anlage durchgängig eine Bauart eingesetzt wird. 

Bei der Auswahl eines Stellgerätes sind auch die späteren 

Phasen des Lebenszyklus – Betrieb und Reparaturfall – 

zu berücksichtigen, das Augenmerk muss auf höchster 

Verfügbarkeit liegen. Dadurch dürfte das Ereignis Reparaturfall 

selten auftreten. Falls aber doch mal ein Stellungsregler 

ausgewechselt werden muss, ist anzunehmen, 

dass als Ersatzgerät wieder die schon verbaute 

Bauart gewählt wird. 

2.2 Altanlagen 

Bei einer Altanlage ist es denkbar, dass unterschiedliche 

Typen von Stellungsreglern und Armaturen im Einsatz 

sind. Generell bestehen folgende Handlungsoptionen: 


4 / 2012 

53

Hauptbeitrag 

Legende 

nv Merkmal nicht verfügbar 

X Merkmal vorhanden 

0 Neutral 

+ positiv 

+ + sehr positiv 

*1 Abhängig vom Stellungsreglerfabrikat 

Anbaugerät 

Stellungsregler Stellungsregler Stellungsregler Grenzsignalgeber 

IEC 60534-6 VDI 3847 Samson 

Integriert 

Konzept 

Intelligenter 

Grenzsignalgeber 

Luftführung 

Luftführung Antrieb - Stellungsregler 

verrohrungsfrei durch Anflanschen 

nv X X X 

Antriebsbeschleierung *1 optional optional X 

Beschleierung Hubabgriff nv nv X nicht relevant 

Verblockung möglich nv optional nv nv 

Ventilstellungsabgriff 

Berührungslos nv nv nv X 

Montagefreundlich 0 + + + + + 

integriertes Magnetventil *1 *1 optional X 

externes Magnetventil ohne Verrohrung 

anflanschbar 

nv X X X 

Druckminderer ohne Verrohrung 

anflanschbar 

nv nv X nv 

Filter ohne Verrohrung anflanschbar nv nv X nv 

Manometeranschluss *1 *1 optional nv 

Fehlersicherheit 

Montagefehler mechanischer Anbau 0 + + + + + 

Luftleitung Antrieb zu Stellungsregler 

falsch montiert 

0 0 + + + + 

Empfindlichkeit gegen Vibrationen 0 + + + + + 

Verschmutzte Umgebung 0 0 + + + + 

Korrosive Umgebung 0 0 + + + + 

Umgebungstemperatur 0 0 + + + 

Feuchte 0 0 + + + + 

Verschleißarm 0 0 + + + 

Tabelle 1: Vergleich der Anbauvarianten 

Phase des Lebenszyklus 

Beschaffung 

Montage 

Inbetriebnahme 

Betrieb 

Wartung 

Reparaturfall 

Geräteeigenschaft 

Investitionskosten 

Einfache, selbsterklärende Montage 

Selbstabgleich, Bedienerfreundlichkeit, Parametrierungsaufwand 

Verfügbarkeit, Robustheit, Zuverlässigkeit 

Robustheit, notwendige Wartung, Wartungsumfang 

Montageaufwand bei Wechsel, Aufwand für Parametrierung 

Tabelle 2: Kostenrelevante Geräteeigenschaften im Lebenszyklus 

54 


4 / 2012

Umrüstung auf IEC 60534-6, falls dieser Standard 

noch nicht eingehalten wird 

Umrüstung auf VDI/VDE 3847 

Umrüstung auf Schnittstelle Samson integriert 

Eine Nachrüstung aller Stellgeräte auf einen Standard erscheint 

wegen der hohen Investitionskosten unwahrscheinlich. 

Für den Reparaturfall gibt es zwei Möglichkeiten: 

Sind die Antriebe bereits nach IEC 60534-6 oder einem 

anderen Standard ausgerüstet, so ist ein Ersatz 

in gleicher Technologie zu erwägen. 

Bei spezieller, keinem Standard entsprechender Montage 

des Stellungsreglers (zum Beispiel bei Altgeräten) 

ist es vorteilhaft, auf eine Montageart gemäß 

einem der Standards überzugehen. 

Idealerweise lässt sich ein Stellungsreglerfabrikat mit 

Hilfe verschiedener Anbausätze für alle Optionen einsetzen 

(Bild 8). 

Bei der Bewertung der Variante Anbau Samson integriert 

helfen folgende Aspekte: 

Bild 5: Stellungsregler-Bauart 3730 von Samson 

Bild 6: 

Integration von 

Stellungsregler 

und Antrieb für 

kleine Antriebe 

Bild 7: Anbau mehrerer Zusatzkomponenten 

an große Antriebe 

Im wichtigsten Kriterium Verfügbarkeit bietet der 

vollständig gekapselte und mit Instrumentenluft beschleierte 

Anbauraum wesentliche Vorteile. Wegen 

der hohen Kosten eines Anlagenstillstandes ist dieses 

Kriterium für Regelkreise ausschlaggebend. Noch 

wichtiger wird dieser Aspekt in sicherheitsgerichteten 

Kreisen. Die Einstufung dieser Kreise nach 

DIN EN 61511 (SIL) erfordert eine quantitative Bewertung 

der Ausfallwahrscheinlichkeit (PFD – Probability 

of failure on demand). 

Bezüglich der Investitionskosten ist diese Lösung, 

insbesondere bei Lieferung aus einer Hand, etwa 

gleichauf mit einem Anbau nach IEC 60534-6, aber 

vorteilhaft gegenüber VDI/VDE 3847. Bei der letztgenannten 

Variante fällt insbesondere der hohe Materialaufwand 

ins Gewicht. 

Wird ein Stellungsregler ausgetauscht, aber nicht das 

Fabrikat gewechselt, so bietet der Anbau Samson integriert 

einfachste Voraussetzungen. Auch bei einem 

Anbau nach IEC 60534-6 ist durch den speziellen 

Montagesatz die Luftzufuhr am Anbausatz aufgelegt, 

und damit fallen keine Verrohrungsarbeiten an. Wird 

beim Austausch das Fabrikat des Stellungsreglers 

gewechselt, so ist eine Montage nach VDI/VDE 3847 

als herstellerübergreifende Norm vorteilhafter. 

3. Diagnose durch Stellungsregler 

Neben den direkten Kosten von Stellungsreglern und dem 

Anbau sind auch weitere Gesichtspunkte zu berücksichtigen. 

In einer hierarchisch gestaffelten Betrachtung der 

Lebenszykluskosten wären als nächstes die Kosten des 

Stellgerätes in der Anlage zu bewerten. Entsprechend [8] 

bietet die Stellungsreglerdiagnose einen Werkzeugkasten, 

um hier entscheidend einzugreifen. Dieses mächtige 

Werkzeug entfaltet seine volle Wirksamkeit dann, wenn 

Stellungsregler und Stellgerät von einem Hersteller kommen. 

Es geht dabei beispielsweise um die komplexen Möglichkeiten 

und Verfahren unter den Stichworten „Durchflussmessung 

durch das Stellgerät“, „Leckageüberwa- 


4 / 2012 

55

Hauptbeitrag 

Referenzen 

[1] IEC 60534-6 

[2] Namur-Empfehlung NE 04: Anbau von Stellungsreglern 

an Stellantrieben. September 2006 

[3] VDI/VDE 3847 Blatt 1: Stellgeräte für strömende Stoffe 

– Schnittstelle zwischen Stellgerät und Stellungsregler 

– Stellgeräte mit Hubantrieb. Juli 2003 

[4] VDI/VDE 3847 Blatt 2: Stellgeräte für strömende 

Stoffe – Schnittstelle zwischen Stellgerät und 

Stellungsregler – Stellgeräte mit Schwenkantrieb. 

September 2004 

[5] Bachmann, S.: Verbindungsfreudig und unkompliziert. 

P&A 7/2010 

[6] ARCA: „Herstellerneutraler rohrloser Stellungsregleranbau 

nach VDI/VDE 3847“, ARCA-ristics Nr. 63 

(12/2005) 

[7] Karte, T., Kiesbauer, J., Schärtner, K.-B.: Intelligenter 

Grenzsignalgeber für Auf/Zu-Armaturen in der 

Prozesstechnik. atp – Automatisierungstechnische 

Praxis 5/2009 

[8] Kiesbauer, J., Vnucec, D.: Lebenszykluskosten von 

Stellventilen – Neuer Ansatz zur Berechnung von 

Ventilauslegungen. atp – Automatisierungstechnische 

Praxis 11/2010 

[9] Kiesbauer, J., König, G.: Ganzheitliches Asset Management 

bei Stellgeräten. Industriearmaturen 4/2005 

[10] Kiesbauer, J., Erben, S.: Integration kommunikationsfähiger 

Stellgeräte in Leitsysteme, atp – Automatisierungstechnische 

Praxis 8/2008 

chung durch Körperschallsensor“, „Verschleißermittlung“, 

ausführliche Darstellungen finden sich in [9]. 

Erstaunlicherweise spielt diese Stimmigkeit zwischen 

Stellgerät und Stellungsregler bei Diskussionen über Neuanlagen 

nicht immer die entscheidende Rolle. Vielmehr 

überwiegt die Furcht, die Anbindung des Stellungsreglers 

an das übergeordnete Leitsystem könne bei Fabrikaten 

verschiedener Hersteller zu Inkompatibilitäten führen. 

Diese Schnittstelle zwischen Leitsystem und Feldgerät 

ist aber sehr detailliert genormt; es gilt die Vorgaben 

der einschlägigen Standards konsequent zu beachten. 

Hierfür betreiben einige namhafte Feldgerätehersteller, 

wie Samson oder Endress+Hauser, spezielle Laboratorien. 

Dort wird die Integration der Feldgeräte in verschiedene 

Leitsysteme getestet. Im Smart Valve Integration Center 

von Samson befassen sich die Ingenieure über Fragen der 

Kompatibilität hinaus intensiv mit der Anwendungstechnik, 

die Stichworte sind hier vor allem „Intelligentes 

Ventil“ und „Asset Management“ [10]. 

4. Technische Abgrenzung 

Was lässt sich aus den bisherigen Ausführungen folgern? 

Ein mögliches Fazit könnte folgendermaßen gezogen 

werden: Bietet eine herstellerspezifische Lösung 

Vorteile bezüglich Verfügbarkeit, so hat dieses Argument 

übergeordnete Bedeutung gegenüber der Verwendung 

einer standardisierten Schnittstelle. Für alle nicht 

durch eine solche Lösung abgedeckten Einsatzfälle, wie 

zum Beispiel den Anbau an große Antriebe, stellt die 

VDI/VDE 3847 eine sinnvolle Ergänzung der IEC 60534- 6 

Autoren 

Dr. rer. nat. Thomas Karte (geb. 1955) beschäftigt 

sich bei der Samson AG mit der Anwendungstechnik 

elektropneumatischer Geräte. Er ist Mitglied im 

FA 6.13 der GMA-VDI/VDE und im DKE GK 914. 

Samson AG, 

Mess- und Regeltechnik, 

Weismüllerstr. 3, D-60314 Frankfurt am Main, 

Tel. +49 (0) 69 40 09 20 86, 

E-Mail: tkarte@samson.de 

Dipl.-Ing. (FH) Karl-Bernd Schärtner 

(geb. 1950) ist Leiter der Entwicklung 

Pneumatik der Samson AG. 

Samson AG, 



Tel. +49 (0) 69 40 09 13 20, 

E-Mail: kschaertner@samson.de 

Dr.-Ing. Jörg Kiesbauer (geb. 1960) ist Mitglied 

des Vorstandes für Forschung und Entwicklung der 

Samson AG. Normungsaktivitäten: Working 

Group 9 Final Control Elements des IEC SC 65B, 

DKE K 963 Stellgeräte für strömende Stoffe sowie 

ISA SP 75 Control Valve Standards. 

Samson AG, 



Tel. +49 (0) 69 40 09 13 00, 

E-Mail: drjkiesbauer@samson-ag.com 

Dipl.-Ing. (FH) Frank Valentin-Rumpel 

(geb. 1968) ist Mitarbeiter der Entwicklungsabteilung 

Pneumatik der Samson AG und 

beschäftigt sich als Projektleiter mit der 

Entwicklung pneumatischer und elektropneumatischer 

Geräte. 

Samson AG, 



Tel. +49 (0) 69 40 09 17 25, 

E-Mail: fvalentin@samson.de 

56 


4 / 2012

dar. Wird das Verbesserungspotenzial für Antriebe und 

Anbaugeräte grundsätzlich betrachtet, gilt es, folgende 

Überlegungen zu berücksichtigen: 

Für kleine Anlagen, zum Beispiel im Technikumsmaßstab, 

sind die äußeren Abmessungen entscheidend. 

In äußerster Konsequenz verlangt dies die Integration 

von Stellungsregler und Antrieb (Bild 9). Das Stellgerät 

wird als Unit betrachtet, die Schnittstellen zur Außenwelt 

sind das 4–20-mA-Signal zur Einspeisung des Sollwertes 

(beziehungsweise ein entsprechendes Bussignal) 

und der Anschluss der Druckluft als Hilfsenergie. Bei 

zuverlässiger Konstruktion und hoher Verfügbarkeit 

stellt dies die optimale Lösung dar. Anders die Situation 

bei großen Antrieben: Hier kommen zusätzlich zum 

Stellungsregler Zusatzkomponenten wie Booster, Magnetventile, 

Schnellentlüfter und andere Anbaugeräte 

zum Einsatz. Einen solchen Aufbau zeigt Bild 10. Die 

Kosten für den Aufbau dieser Komponenten, die spezielle 

Verrohrung und die einzelnen Fittings übersteigen 

die Kosten eines Stellungsreglers bei weitem. Optimierungsmöglichkeiten 

ergeben sich unter anderem, wenn 

abgestimmte Komponenten verwendet werden, die beispielsweise 

durch Flanschverbindungen montiert werden 

könnten. Das Regelungskonzept müsste alle Komponenten 

berücksichtigen. Die Diagnose von Stellungsregler 

und Ventil als wichtigstes Handlungsfeld zur 

Erhöhung von Verfügbarkeit und Senkung der Wartungskosten 

wurde bereits erwähnt. Auch dieses Potenzial 

erschließt sich nur bei optimaler Anpassung aller 

Komponenten aufeinander. 

Zusammenfassung 

Der Standard VDI/VDE 3847 schließt teilweise zum Stand 

der Technik auf, wie er durch bereits verfügbare integrierte 

Antriebe vorgegeben ist. Er ergänzt vorhandene 

Lösungen sinnvoll. Aus der spezifischen Situation – wie 

zum Beispiel Altanlage, Neuanlage, Antriebsgröße, Ausfallverhalten 

der eingesetzten Feldgeräte, Logistiksituation 

– lässt sich durch Analyse der Lebenszykluskosten 

aus den vorhandenen Möglichkeiten die spezifisch beste 

Lösung auswählen. Demgegenüber erscheint eine flächendeckende 

Anwendung der VDI/VDE 3847 nicht optimal. 

Weitere Entwicklungen werden in Richtung Integration 

hin zu kompakten Stellgeräten und zur Minimierung 

von Schnittstellen gehen. Dabei gilt es, trotz verbesserter 

Technik und damit erhöhter Verfügbarkeit, die 

Kosten zu senken. Insbesondere bei sehr großen und sehr 

kleinen Antrieben existiert noch Optimierungspotenzial. 

Eine sinnvolle Normung ist hier schwer abzusehen. Es 

wird erwartet, dass herstellerspezifische Lösungen am 

ehesten der gestellten Aufgabe gerecht werden. Neben 

den mechanischen Schnittstellen bietet die Stellungsreglerdiagnose 

das entscheidende und oft gewichtigere 

Werkzeug zur Kostensenkung und Erhöhung der Verfügbarkeit. 

Insgesamt ergibt sich aus der Abstimmung von 

Antrieb und Zusatzkomponenten ein höheres technisches 

und ökonomisches Potenzial als aus Standardisierung 

und Austauschbarkeit. 


08.11.2011 


Herausforderung 


Mit dem atp-award werden zwei Autoren der atp edition für 

hervorragende Beiträge ausgezeichnet. Ziel dieser Initiative 

ist es, Wissenschaftler und Praktiker der Automatisierungstechnik 

anzuregen, ihre Ergebnisse und Erfahrungen in Veröffentlichungen 

zu fassen und die Wissenstransparenz in der 

Automatisierungstechnik zu fördern. Teilnehmen kann jeder 

Autor der zum Zeitpunkt der Veröffentlichung nicht älter als 

35 Jahre ist. Nach Veröffentlichung eines Beitrags ist der Autor, 

wenn er die Bedingung erfüllt, automatisch im Pool. Die 

Auswahl des Gewinners übernimmt die atp-Fachredaktion. 

Derjenige Autor, der im Autorenteam der jüngste ist, erhält 

stellvertretend für alle Autoren die Auszeichnung. Der Preis 

wird in zwei Kategorien ausgelobt: Industrie und Hochschule. 

Die Kategorien ermittlung ergibt sich aus der in dem Beitrag 

angegebenen Adresse des jüngsten Autors. 

Veröffentlichungen – Beitrag zum Wissenspool im 

Fachgebiet Automatisierungstechnik 

Die Entwicklung eines Wissensgebietes erfolgt durch einen 

kooperativen Prozess zwischen wissenschaftlicher Grundlagenforschung, 

Konzept- und Lösungsentwicklung und Anwendung 

in der Praxis. Ein solcher Prozess bedarf einer gemeinsamen 

Informationsplattform. Veröffentlichungen 

sind die essentielle Basis eines solchen Informationspools. 

Der atp-award fördert den wissenschaftlichen Austausch 

im dynamischen Feld der Automationstechnik. Nachwuchsinge 

nieure sollen gezielt ihre Forschungen präsentieren 

können und so leichter den Zugang zur Community erhalten. 

Der Preis ist mit einer Prämie von jeweils 2000€ dotiert. 

Die Auswahl erfolgt in zwei Stufen: 

Voraussetzung für die Teilnahme ist die Veröffentlichung 

des Beitrags in der atp edition. Jeder Aufsatz, der als Hauptbeitrag 

für die atp edition eingereicht wird, durchläuft das 

Peer-Review-Verfahren. Die letzte Entscheidung zur Veröffentlichung 

liegt beim Chefredakteur. Wird ein Beitrag veröffentlicht, 

kommt er automatisch in den Pool der atp-award- 

Bewerber, vorausgesetzt einer der Autoren ist zum Zeitpunkt 

der Veröffentlichung nicht älter als 35 Jahre. Ausgezeichnet 

wird der jüngste Autor stellvertretend für alle Autoren der 

Gruppe. Eine Jury aus Vertretern der atp-Fachredaktion 

und des -Beirats ermittelt schließlich den Gewinner in den 

jeweiligen Kategorien Hochschule und Industrie. 

Der Rechtsweg ist ausgeschlossen. 

Beiträge richten Sie bitte an: 

Oldenbourg Industrieverlag GmbH 

Herrn Prof. Leon Urbas 

Chefredakteur atp edition / automatisieren! by atp 

Rosenheimer Straße 145 • 81761 München 

Tel. +49 (0) 89 45051 418 • E-Mail: urbas@oiv.de 

Beachten Sie die Autorenhinweise der atp edition 

für Hauptbeiträge unter folgendem Link: 

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Automatisierungs technik) 

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Einreichung von Hauptbeiträgen: 

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„atp edition – Automatisierungstechnische 

Praxis“ erscheint 

monatlich mit Doppelausgaben im 

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Bezugspreise: 

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

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Gedruckt auf chlor- und 

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Die atp wurde 1959 als „Regelungstechnische 

Praxis – rtp“ gegründet. 

© 2012 Oldenbourg Industrieverlag 

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Beiträge und Abbildungen sind urheberrechtlich 

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Alleiniger Gesellschafter des Verlages 

ist die ACM-Unternehmensgruppe, 

Ostring 13, 

65205 Wiesbaden-Nordenstadt. 

ISSN 2190-4111 

Die Ausgabe 5 / 2012 der 

erscheint am 07.05.2012 

Mit folgenden Beiträgen: 

Anforderungsanalyse für 

das integrierte Engineering 

Datenkonsistenz mit 

AutomationML herstellen 

Automatisiertes 

Kommunikationsengineering 



2. Teil 

Temperaturmessstellen 

in der Anlage planen 

...und vielen weiteren Themen. 

Aus aktuellem Anlass können sich die Themen 

kurzfristig verändern. 

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e-Mail: 

leserservice@oiv.de 

Telefon: 

+ 49 (0) 931 4170-1615 

58 


4 / 2012

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der Automatisierungstechnik. 

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