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atp edition Instandhaltungsstrategien für PLT-Schutzeinrichtungen (Vorschau)

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11 / 2012<br />

54. Jahrgang B3654<br />

Oldenbourg Industrieverlag<br />

Automatisierungstechnische Praxis<br />

<strong>Instandhaltungsstrategien</strong> <strong>für</strong><br />

<strong>PLT</strong>-<strong>Schutzeinrichtungen</strong> | 28<br />

In Echtzeit: RFID-gestütztes<br />

Produktionsassistenzsystem | 36<br />

Effizientes Testen heterogener<br />

Leitsystemkonfigurationen | 46<br />

Geräteintegration<br />

mit FDI und OPC UA | 56


Print wirkt<br />

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

Qualitätsstufe und mit Nachhaltigkeit im<br />

Sinne wiederkehrender Nutzung. Der Titel<br />

erfüllt den selbstgestellten Anspruch eines<br />

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

Top-Entscheider zwischen Wissenschaft<br />

und Praxis konsequent.<br />

Entsprechend der journalistischen Konzeption<br />

ist Online hintenangestellt. Die Jury<br />

sah hier „die beispielhafte Umsetzung einer<br />

wissenschaftlich ausgerichteten Fachzeitschrift<br />

mit Magazincharakter“.


EDITORIAL<br />

„Von der Handdrossel<br />

zum smarten Stellgerät“<br />

Das ist das Motto der Namur-Hauptsitzung 2012. Stellgeräte-Aktorik ist heute<br />

nicht mehr rein mechanisch, sondern mechatronisch: Mechanik, Elektronik<br />

und Software bestimmen die Funktion. Aktoren sind komplexe Systeme, die<br />

modular aufgebaut sind. Ihre sorgfältige Auslegung ist entscheidend, ihre Bestellung<br />

aus dem Katalog oft unmöglich. Ein Beispiel behandelt der Beitrag<br />

„Maschinenschutz <strong>für</strong> Axialverdichter“.<br />

Sorgfältiges Engineering ist Grundvoraussetzung, um die Diagnosefunktionalitäten<br />

beim digitalen kommunikationsfähigen Stellungsregler am Stellgerät<br />

sinnvoll zu nutzen. Fehlerdiagnose und Condition Monitoring bieten viele Vorteile<br />

<strong>für</strong> das Plant Asset Management, ermöglichen sie doch die gezielte Wartung<br />

und im Idealfall längere Wartungsntervalle. Interessante Aspekte finden sich<br />

hierzu im Beitrag „<strong>Instandhaltungsstrategien</strong> <strong>für</strong> <strong>PLT</strong>-<strong>Schutzeinrichtungen</strong>“.<br />

Beschrieben wird der viel diskutierte Teilhubtest (PST) bei Sicherheitsarmaturen.<br />

Natürlich gibt es auch andere Diagnosefunktionen bei Stellgeräten. Einen<br />

Überblick über die wichtigsten erkennbaren Fehler und über Methoden zur<br />

Fehlerfindung gibt die Namur-Empfehlung NE 107. In der Praxis wird die Fehlerdetektion<br />

am Stellgerät jedoch noch nicht konsequent genutzt. Was sind die<br />

Gründe?<br />

Bei vielen digitalen kommunikationsfähigen Reglern sind die Namur-Forderungen<br />

umgesetzt und liegen ausgewertet als Statusparameter mit Namur-Ampelkodierung<br />

vor. Daran liegt es nicht. Aber Diagnosezuverlässigkeit und Diagnoseeindeutigkeit<br />

sind nicht synonym.<br />

Zwar wird das Symptom richtig erkannt, es können aber – vor allem bei komplexen<br />

Stellgeräten – unterschiedliche Ursachen vorliegen. Mit FDI (Field Device<br />

Integration) könnte die Geräteintegration einfacher werden, zumal sich an der<br />

Normung fast alle Leitsystem-Hersteller beteiligen. Darauf geht der Beitrag „Modellierung<br />

von Geräten mit OPC UA in FDI. Voraussetzung <strong>für</strong> interoperable<br />

Geräteintegration“ ein. Die Nutzung von FDI in der Prozessautomatisierung ermöglicht<br />

mit OPC UA eine standardisierte Zugriffsmöglichkeit, mit der die Gerätedaten<br />

– unabhängig vom Asset Management und Leitsystem – permanent<br />

erfasst und ausgewertet werden. Anders ist eine Optimierung der Anlagen-Performance<br />

nicht möglich.<br />

Neue Funktionen digitaler Stellungsregler, beispielsweise das Energie-Monitoring,<br />

zeigen, wie bedeutsam die Aktorik ist – gewiss auch ein Grund die<br />

Aktorik zum Thema der Namur-Hauptsitzung zu machen.<br />

DR.-ING. JÖRG KIESBAUER,<br />

Mitglied des Vorstandes<br />

Forschung und Entwicklung<br />

Samson AG<br />

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

11 / 2012<br />

3


INHALT 11 / 2012<br />

VERBAND<br />

8 | Die Automatisierungs-Anwender in Europa vereinbaren<br />

eine engere Zusammenarbeit<br />

Verband <strong>für</strong> Start Ups in Berlin gegründet<br />

9 | AMA: Innovationspreis 2013 ausgelobt<br />

Baumtrog führt VDMA Robotik + Automation an<br />

FORSCHUNG<br />

10 | Energieautarke und drahtlose Sensoren <strong>für</strong><br />

Fertigungs- und Prozessautomatisierung entwickelt<br />

TU München und TU Dresden als führende Hochschulen<br />

<strong>für</strong> Nanotechnologie ausgezeichnet<br />

11 | Expertinnen erforschen Mobilität der Zukunft<br />

BRANCHE<br />

12 | Neue Konzepte <strong>für</strong> das Anlagen-Monitoring<br />

SPS IPC Drives 2012: Trendsession und Keynotes kostenfrei besuchen<br />

13 | Sprechstunde: Fragen zu Explosionsschutz stellen<br />

Smart Grid: Automatisierung der neuen Netze beachten<br />

RUBRIKEN<br />

3 | Editorial<br />

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

4<br />

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

11 / 2012


TECHNOLOGIE<br />

SCHAFFT<br />

FORTSCHRITT<br />

DART FELDBUS<br />

PRAXIS<br />

14 | Tradition und Moderne:<br />

Klassische Whiskey-Brennerei profitiert von<br />

moderner Feldkommunikation<br />

18 | Biessenhofener Nestlé-Werk mit Ethernet/IP<br />

modernisiert: Bei Inbetriebnahme viel Zeit gespart<br />

20 | Maschinenschutz <strong>für</strong> Turboverdichter durch<br />

Ventile mit großen Nennweiten und exakten<br />

Regelgüten<br />

24 | Produktion von Sammelheftern:<br />

Kosteneffizienter Sensor lässt falschen Bögen<br />

keine Chance mehr<br />

HAUPTBEITRÄGE<br />

28 | <strong>Instandhaltungsstrategien</strong> <strong>für</strong><br />

<strong>PLT</strong>-<strong>Schutzeinrichtungen</strong><br />

K. MACHLEIDT, L. LITZ,<br />

36 | In Echtzeit: RFID-gestütztes<br />

Produktionsassistenzsystem<br />

R. LEPRATTI, G. HEINECKE, S. LAMPARTER,<br />

J. SCHARNAGL, R. HANSEN<br />

46 | Effizientes Testen heterogener<br />

Leitsystemkonfigurationen<br />

M. HOERNICKE, J. GREIFENEDER, M. BARTH<br />

56 | Geräteintegration mit FDI und OPC UA<br />

D. GROSSMANN, W. MAHNKE<br />

DART Feldbus<br />

Hohe Leistung + Eigensicherheit:<br />

der entscheidende Schritt voraus<br />

Eigensicheres High Power-Trunk<br />

Konzept mit DART Technologie<br />

<strong>für</strong> maximale Sicherheit<br />

ohne Leistungsbegrenzung<br />

Redundante Stromversorgung <strong>für</strong><br />

<br />

Einfache Handhabung mit nur einer<br />

Installationstechnik, minimalem<br />

Wartungsaufwand und leichter<br />

Bedienbarkeit<br />

Erfahren Sie mehr unter:<br />

www.dart-feldbus.de<br />

Halle 7A<br />

Stand 338<br />

Pepperl+Fuchs<br />

Vertrieb Deutschland GmbH<br />

Lilienthalstraße 200 · 68307 Mannheim<br />

Tel. +49 621 776-2222 · Fax +49 621 776-272222<br />

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

11 / 2012<br />

5


PRAXIS<br />

6<br />

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

10 / 2012


VigilantPlant:<br />

das Automatisierungskonzept von Yokogawa<br />

Im Sinne der klassischen Automatisierungspyramide<br />

stellen die vier Initiativen von VigilantPlant Ihren<br />

Weg zur Operational Excellence sicher.<br />

Yokogawa Deutschland GmbH · Broichhofstraße 7-11 · D-40880 Ratingen<br />

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

10 / 2012<br />

Telefon +49(0)2102- 4983-0 · Telefax +49(0)2102- 4983-22 · www.yokogawa.com/de · info@de.yokogawa.com 7


VERBAND<br />

Die Automatisierungs-Anwender in Europa<br />

vereinbaren eine engere Zusammenarbeit<br />

Die europäischen Verbände von Anwendern der Automatisierung<br />

in der Prozessindustrie wollen enger<br />

zusammenarbeiten. Als ersten Schritt vereinbarten die<br />

Verbände EI, Exera, WIB und Namur einen regelmäßigen<br />

Informationsaustausch und die Einrichtung von gemeinsamen<br />

Arbeitsgruppen <strong>für</strong> die Bereiche funktionale Sicherheit,<br />

Wireless Automation, IT-Security, Auswahl von<br />

Durchflussmessern und Alarm Management.<br />

Darauf einigten sich die Vorstände der europäischen<br />

Verbände bei einer ersten gemeinsamen Sitzung in<br />

Brüssel. Die beteiligten Verbände repräsentieren mehr<br />

als 200 der wichtigsten Anwenderfirmen der Automatisierungstechnik<br />

in Europa und sehen große Chancen<br />

im Erfahrungsaustausch und der Bündelung ihrer jeweiligen<br />

Stärken. Denn die meisten Mitgliedsunternehmen<br />

und auch die meisten Hersteller von Geräten und<br />

Systemen sind heutzutage global aufgestellt. Daher<br />

müssten auch die Verbände, die die Anwenderunternehmen<br />

in den verschiedenen Regionen vertreten, eng<br />

zusammenarbeiten.<br />

Die EEMUA („Engineering Equipment and Materials<br />

Users Association“), die internationale Organisation,<br />

die wesentliche Anwender von Ausrüstung (einschließlich<br />

Automatisierungstechnik) in der Prozessindustrie<br />

repräsentiert, diskutiert zurzeit ebenfalls die Ausdehnung<br />

der Zusammenarbeit mit den anderen Europäischen<br />

Verbänden.<br />

Der Termin <strong>für</strong> die Namur-Hauptsitzung im kommenden<br />

Jahr steht bereits fest: Das Treffen der Interessensgemeinschaft<br />

von Anwendern in der Automatisierungstechnik<br />

in der Prozessindustrie findet 2013 vom 6. bis 8.<br />

November 2013 in Bad Neuenahr statt. Im darauffolgenden<br />

Jahr tagt die Namur vom 5. bis 7. November 2014 in<br />

Bad Neuenahr.<br />

gz<br />

NAMUR-GESCHÄFTSSTELLE,<br />

c/o Bayer Technology Services GmbH,<br />

Gebäude K 9, D-51368 Leverkusen,<br />

Tel. +49 (0) 214 307 10 34,<br />

Internet: www.namur.de<br />

Verband <strong>für</strong> Start Ups in Berlin gegründet<br />

Der Bundesverband Deutsche Startups e.V. hat sich im<br />

September in Berlin gegründet. Die Gemeinschaft<br />

setzt sich <strong>für</strong> einen Dialog zwischen Entscheidungsträgern<br />

der Politik und Selbstständigen ein. Außerdem will<br />

die Initiative bürokratische Hürden bei der Gründung<br />

eines Unternehmens einreißen.<br />

In den Gründungsvorstand wurden die Start-up-<br />

Unternehmer Thomas Bachem, David Hanf, Erik Heinelt<br />

und Florian Nöll gewählt. Der Gründungsvorstand<br />

berief Tobias Kollmann, Lehrstuhlinhaber <strong>für</strong> E-Business<br />

und E-Entrepreneurship an der Universität Duisburg-Essen,<br />

und den Unternehmer Marcel ‘Otto’ Yon<br />

in den Beirat.<br />

ahü<br />

BUNDESVERBAND DEUTSCHE STARTUPS E.V.,<br />

Liebenwalder Straße 11, D-13347 Berlin,<br />

Tel. +49 (0) 30 609 89 59 10 ,<br />

Internet: www.deutschestartups.org<br />

Wandlungsfähigkeit industrieller AT-Systeme<br />

DIE AUSGABE 55(5) DER ATP EDITION<br />

im Mai 2013 verknüpft Methoden und<br />

Werkzeuge von Ingenieurtechnik und Informatik<br />

zur Konzeption und Implementierung<br />

wandlungsfähiger Automatisierungssysteme.<br />

Ein wandlungsfähiges System<br />

zeichnet sich dadurch aus, dass die Aufwände<br />

zur Anpassung an sich ändernde<br />

Produktionsziele oder Randbedingungen<br />

gegenüber dem Stand der Technik deutlich<br />

reduziert sind. Ihr Beitrag beschreibt beispielsweise<br />

eine Referenzimplementierung,<br />

praxistaugliche Entwurfsmethoden<br />

und Algorithmen oder betrachtet die theoretischen<br />

Grenzen und Möglichkeiten des<br />

Konzepts Wandlungsfähigkeit in verschiedenen<br />

Domänen der Automatisierung.<br />

Wir bitten Sie, bis zum 2. Januar 2013 zu<br />

diesem Themenschwerpunkt einen gemäß<br />

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

ausgearbeiteten Hauptbeitrag per E-Mail<br />

an urbas@oiv.de einzureichen.<br />

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

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

der Automatisierungsbranche. In<br />

den Hauptbeiträgen werden die Themen<br />

mit hohem wissenschaftlichem und technischem<br />

Anspruch und vergleichsweise<br />

abstrakt dargestellt. Im Journalteil schlägt<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong> die Brücke zur Praxis. Hier werden<br />

Erfahrungen von Anwendern mit neuen<br />

Technologien, Prozessen oder Produkten<br />

beschrieben. Alle Beiträge werden von<br />

einem Fachgremium begutachtet. Sollten<br />

Sie sich selbst aktiv an dem Begutachtungsprozess<br />

beteiligen wollen, bitten wir<br />

um kurze Rückmeldung. Für weitere Rückfragen<br />

stehen wir Ihnen selbstverständlich<br />

gerne zur Verfügung.<br />

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

Leon Urbas, Anne Hütter<br />

CALL FOR<br />

Aufruf zur Beitragseinreichung<br />

Thema: Wandlungsfähigkeit industrieller<br />

AT-Systeme<br />

Kontakt: urbas@oiv.de<br />

Termin: 2. Januar 2013<br />

8<br />

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

11 / 2 012


AMA: Innovationspreis 2013 ausgelobt<br />

Für den Innovationspreis 2013 des AMA Fachverbands<br />

<strong>für</strong> Sensorik können noch bis zum 21. Januar<br />

2013 Bewerbungen eingereicht werden. Den mit 10 000<br />

Euro dotierten Preis verleiht der Verband <strong>für</strong> Forschungs-<br />

und Entwicklungsleistungen mit erkennbarer<br />

Marktrelevanz aus den Bereichen Sensorik und Messtechnik.<br />

Bewerben können sich Einzelpersonen und<br />

Entwicklerteams mit besonderen Forschungs- und Entwicklungsleistungen.<br />

Im kommenden Jahr wird erstmals<br />

zusätzlich ein Sonderpreis „Junges Unternehmen“<br />

vergeben.<br />

Die Bewerbungen – im Jahr 2012 waren es mehr als 70<br />

Bewerbungen aus aller Welt – werden in einer Broschüre<br />

des Fachverbandes veröffentlicht. „Die Broschüre präsentiert<br />

alle Bewerbungen einer breiten Öffentlichkeit.<br />

Die Industrie erhält so einen Einblick in die aktuellen<br />

Entwicklungen der Sensorik und Messtechnik“, betont<br />

AMA Geschäftsführer Thomas Simmons.<br />

Die zusätzliche Auszeichnung <strong>für</strong> junge Unternehmen<br />

werde ausgelobt, da sich unter den Bewerbungen stets<br />

THOMAS SIMMONS, AMA Geschäftsführer,<br />

betont: In einer Broschüre<br />

werden alle Bewerbungen um den<br />

Innovationspreis einer breiten<br />

Öffentlichkeit präsentiert. Bild: AMA<br />

„viele interessante Entwicklungen gerade auch von jungen,<br />

innovativen Unternehmen finden, die manchmal<br />

jedoch nicht die Entwicklungstiefe etablierter Institutionen<br />

erreichen“, erläutert der Juryvorsitzende Professor<br />

Andreas Schütze von der Universität des Saarlandes. Der<br />

oder die Gewinner können ihre Entwicklung dann auf<br />

der Fachmesse Sensor+Test im Mai 2013 einem ausgewiesenen<br />

Fachpublikum präsentieren.<br />

gz<br />

AMA FACHVERBAND FÜR SENSORIK E.V.,<br />

Sophie-Charlotten-Straße 15, D-14059 Berlin,<br />

Tel. +49 (0) 30 221 90 36 20,<br />

Internet: www.ama-sensorik.de<br />

Baumtrog führt VDMA Robotik + Automation an<br />

Mit guten Nachrichten konnte sich Hans-Dieter Baumtrog<br />

als frisch gewählter Vorstandsvorsitzender<br />

des VDMA-Fachverbands Robotik + Automation in sein<br />

neues Amt einführen: „Unsere Branche befindet sich in<br />

einer ausgezeichneten Verfassung und die weltweite<br />

Nachfrage nach unseren Automatisierungsprodukten und<br />

-lösungen bewegt sich weiterhin auf hohem Niveau. Die<br />

Robotik und Automation wird auf Wachstumskurs bleiben:<br />

Wir rechnen 2013 mit einem Rekord-Branchenumsatz<br />

von 10,8 Milliarden Euro“, berichtete der Geschäftsführer<br />

der Sortimat Assembly Technology in Winnenden.<br />

Baumtrog wurde bei der Mitgliederversammlung des<br />

VDMA Robotik + Automation zum Nachfolger von Dr.<br />

Michael Wenzel, Geschäftsführer der Reis Group Holding,<br />

gewählt, der nach drei Jahren in diesem Ehrenamt turnusmäßig<br />

ausschied. Zum stellvertretenden<br />

Vorsitzenden des Fachverbands<br />

ist Dr. Norbert Stein, geschäftsführender<br />

Alleingesellschafter der<br />

Vitronic Dr.-Ing. Stein Bildverarbeitungssysteme,<br />

gewählt worden. gz<br />

VERBAND DEUTSCHER MASCHINEN-<br />

UND ANLAGENBAU E.V.,<br />

FACHVERBAND ROBOTIK+<br />

AUTOMATION,<br />

Lyoner Straße 18,<br />

D-60528 Frankfurt am Main,<br />

Tel. +49 (0) 69 660 30,<br />

Internet: www.vdma.org<br />

HANS-DIETER<br />

BAUMTROG,<br />

neuer Vorsitzender<br />

des VDMA<br />

Robotik + Auto<br />

mation. Bild: VDMA<br />

Durchflussmessung<br />

auf engstem<br />

Raum?<br />

Der neue CoriolisMaster von ABB ist einer<br />

der kompaktesten Coriolis Masse-Durchflussmesser.<br />

Er benötigt keine Ein- und<br />

Auslaufstrecken. Darum eignet er sich auch<br />

<strong>für</strong> Installationen mit wenig Platz. Erfahren<br />

Sie, warum der CoriolisMaster die bessere<br />

Alternative ist: www.abb.de/durchfluss<br />

Natürlich.<br />

ABB Automation Products GmbH<br />

Tel.: 0800 111 44 11<br />

Fax: 0800 111 44 22<br />

E-Mail: vertrieb.messtechnik-produkte@de.abb.com<br />

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

11 / 2 012<br />

9


FORSCHUNG<br />

Energieautarke und drahtlose Sensoren <strong>für</strong><br />

Fertigungs- und Prozessautomatisierung entwickelt<br />

ZUVERLÄSSIGE GESCHWINDIGKEIT: ein Funksystem mit<br />

Sensoren in einem industriellen Umfeld. Drahtlose Farbsensoren<br />

sortieren farbige Kugeln.<br />

Bild: Helmut-Schmidt-Universität/Universität der Bundeswehr Hamburg<br />

Energieautark betriebene Sensoren <strong>für</strong> die Fabrik- und<br />

Prozessautomatisierung wurden im Rahmen des<br />

Projektes „MIKOA“ entwickelt. „MIKOA“ steht <strong>für</strong> „Miniaturisierte<br />

energieautarke Komponenten mit verlässlicher<br />

drahtloser Kommunikation <strong>für</strong> die Automatisierungstechnik“.<br />

Es handelt sich um einen Zusammenschluss<br />

von Firmen und Forschungsinstituten und<br />

wird im Rahmen des Programms „Mikrosysteme“ vom<br />

Bundesministerium <strong>für</strong> Bildung und Forschung<br />

(BMBF) gefördert.<br />

„Ziel des Projekts war die Miniaturisierung der Funktionsbaugruppen<br />

sowie die Entwicklung einer störsicheren<br />

und zuverlässig arbeitenden drahtlosen Kommunikation<br />

auf Basis neuer Übertragungsverfahren“, sagt Bernd<br />

Kärcher, Projektkoordinator der teilnehmenden Firma<br />

Festo und Leiter Research Mechatronic Components. „Dabei<br />

war die optimale Abstimmung des Leistungsverbrauchs<br />

auf der einen Seite und der Energieversorgung<br />

mit geeig neten Energiewandlern auf der anderen Seite<br />

eine anspruchsvolle Entwicklungsarbeit“, betont Kärcher.<br />

Die wartungsfreien Sensoren können Verbrauchswerte<br />

an verschiedenen Stellen des Prozesses ermitteln. „Mit<br />

den Ergebnissen des Projektes wird es möglich sein, ein<br />

differenzierteres Bild des Energieverbrauches zu bekommen.<br />

Auf dieser Informationsbasis können dann Methoden<br />

zur Verbesserung der Energieeffizienz aufsetzen",<br />

erklärt Professor Gerd Scholl von der Bundeswehr-Universität<br />

Hamburg.<br />

ahü<br />

FESTO AG & CO. KG, ABTEILUNG CR-MC,<br />

Ruiter Straße 82, D-73734 Esslingen,<br />

Tel. +49 (0) 711 347 26 59, Internet: www.de.festo.com<br />

10<br />

TU München und TU Dresden als führende<br />

Hochschulen <strong>für</strong> Nanotechnologie ausgezeichnet<br />

Der deutsche Verband Nanotechnologie (DV Nano) hat<br />

die Technische Universität München und die Technische<br />

Universität Dresden als beste Hochschulen im<br />

DER „NANO-MAIS“ belegt den zweiten Platz im Fotowettbewerb<br />

„Nano-Momente“ 2012 und zeigt ein „Medikamententaxi“,<br />

das Arzneistoffe in Lungenzellen transportieren<br />

soll. Entwickelt wurde das System von Forschern der<br />

Universität des Saarlandes.<br />

Bild: Schneider et al./Deutscher Verband Nanotechnologie<br />

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

11 / 2012<br />

Bereich Nanotechnologie ausgezeichnet. Beide Universitäten<br />

sicherten sich in der Bewertungsskala 85 von<br />

100 Punkten.<br />

Außerdem zeichnete der Verband den besten Newcomer<br />

des Jahres 2012 im Bereich Nanotechnologie aus.<br />

Mit dem Unternehmenspreis wurde die Hannoveraner<br />

Particular GmbH geehrt. Im Journalistenwettbewerb<br />

„Gedankenstrich“, der vom DV Nano und dem NanoBio-<br />

Net ausgelobt wird, setzte sich das Autorenteam Dino<br />

Trescher, Aitziber Romero und Christian Meier mit ihrem<br />

Text „Was es bedeutet, nano zu sein“ (Die Zeit,<br />

43/2011) durch.<br />

Zudem wurden die drei Platzierten des Fotowettbewerbs<br />

ermittelt: Roy Goldberg (München), die Forschungsgruppe<br />

der Universität Saarland im Bereich<br />

„Nanotechnologie“ und Dr. Volker Presser (Leibniz-<br />

Institut <strong>für</strong> neue Materialien Saarbrücken) sicherten<br />

sich Preise. Die Ergebnisse wurden am 1. Deutschen<br />

Nanotag, am 10. Oktober 2012, in Saarbrücken bekannt<br />

gegeben.<br />

ahü<br />

DEUTSCHER VERBAND NANOTECHNOLOGIE E.V.,<br />

Science Park 1, D-66123 Saarbrücken,<br />

Tel. +49 (0) 681 685 73 64, Internet: www.dv-nano.de


Expertinnen erforschen<br />

Mobilität der Zukunft<br />

Explizit Forscherinnen sind gefragt, um neue Konzepte<br />

<strong>für</strong> die Mobilität des 21. Jahrhunderts zu entwickeln.<br />

Der VDE (Verband der Elektrotechnik Elektronik<br />

Informationstechnik e.V.) hat ein Pilotprojekt<br />

gestartet, das weibliches Fachkräftepotenzial nutzt, um<br />

„Mobilität der Zukunft“ zu erforschen. Es wurde im<br />

Rahmen der Hightech-Strategie der Bundesregierung<br />

sowie der Exzellenzinitiative, des Paktes <strong>für</strong> Forschung<br />

und Innovation und des Nationalen Paktes <strong>für</strong> Frauen<br />

in MINT (Mathematik, Informatik, Naturwissenschaft<br />

und Technik)-Berufen, ins Leben gerufen und vom<br />

Bundesministerium <strong>für</strong> Bildung und Forschung<br />

(BMBF) gefördert.<br />

JUNGE FRAUEN AUS DEN MINT-BEREICHEN forschen<br />

im Auftrag des VDE im Bereich „Mobilität der Zukunft“.<br />

Bild: VDE<br />

Halle 7,<br />

Stand 406<br />

Die VDE-MINT-Akademie verfolgt zwei Ziele: innovative<br />

und nachhaltige Ideen und Konzepte <strong>für</strong> die<br />

Mobilität der Zukunft zu entwickeln und den weiblichen<br />

wissenschaftlichen Nachwuchs zu fördern. Im<br />

Rahmen des Themas „Mobilität der Zukunft" wird der<br />

Frage nachgegangen, welche Mobilitätskonzepte sinnvoll<br />

sind, um die räumliche, familien- und berufsbedingte<br />

Mobilität zu ermöglichen und zu optimieren.<br />

Außerdem soll eine fachliche und interdisziplinäre<br />

Plattform geschaffen werden, auf der sich Expertinnen<br />

austauschen können.<br />

Das Projekt ist auf Teilnehmerinnen ausgerichtet, die<br />

sich im universitären oder im unternehmerischen Kontext<br />

mit dem Thema Mobilität und Technologie beschäftigen.<br />

Angesprochen werden Nachwuchswissenschaftlerinnen,<br />

die sich in ihrer Qualifizierungsphase befinden<br />

und bei denen andererseits familiäre Aspekte zunehmend<br />

in den Mittelpunkt rücken.<br />

ahü<br />

VERBAND DER ELEKTROTECHNIK ELEKTRONIK<br />

INFORMATIONSTECHNIK E.V.,<br />

Stresemannallee 15,<br />

D-60596 Frankfurt am Main,<br />

Tel. +49 (0) 69 630 80,<br />

Internet: www.vde-mint.de<br />

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

11 / 2012<br />

11


BRANCHE<br />

Neue Konzepte <strong>für</strong> das Anlagen-Monitoring<br />

Die sinkenden Emissionskonzentrationen werfen zahlreiche<br />

Fragen zur Ermittlung und Bewertung von<br />

Emissionen in Industrieanlagen auf: Was sind die optimalen<br />

Einsatzmöglichkeiten <strong>für</strong> verschiedene Messverfahren?<br />

Wie können die Messergebnisse interpretiert und<br />

bewertet werden? Diese und weitere Fragen beantwortet<br />

DIE BEWERTUNG VON EMISSIONEN in Industrieanlagen ist ein<br />

zentrales Thema bei der VDI-Fachtagung zum anlagenbezogenen<br />

Monitoring. Bild: VDI Wissensforum<br />

die 1. VDI-Fachtagung „Anlagenbezogenes Monitoring:<br />

Neue Anforderungen – neue Konzepte“ am 13. und 14.<br />

November 2012 in Nürtingen. Fachlich unterstützt wird<br />

die Tagung von der Kommission Reinhaltung der Luft<br />

im VDI und DIN – Normenausschuss KRdL.<br />

Neben den Auswirkungen der BREF-Novellierung<br />

diskutieren Experten aus Industrie, Behörden und Untersuchungsstellen<br />

die Umsetzung der IED-Richtlinie,<br />

die Anforderungen an Genehmigung und Überwachung<br />

von Anlagen regelt. Über innovative Ansätze zur<br />

Emissionsermittlung und -auswertung berichten Fachleute<br />

unter anderem vom Landesamt <strong>für</strong> Natur, Umwelt<br />

und Verbraucherschutz und Aneco Institut <strong>für</strong> Umweltschutz.<br />

Darüber hinaus präsentieren Experten aus renommierten<br />

Messinstituten Entwicklungen in der kontinuierlichen<br />

Messtechnik, wie beispielsweise bei der<br />

Quecksilbermessung. Thematisiert werden dabei die<br />

Funktionsprüfung, Kalibrierung, Eignungsprüfung und<br />

die Messung.<br />

gz<br />

VDI WISSENSFORUM GMBH,<br />

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

Tel. +49 (0) 211 621 42 01, Internet: www.vdi-wissensforum.de<br />

SPS IPC Drives 2012:<br />

Trendsession und Keynotes kostenfrei besuchen<br />

Erstmals kostenfrei zugänglich sind in diesem Jahr Trendsession<br />

und Keynotes des Kongresses <strong>für</strong> alle Messebesucher der SPS IPC<br />

Drives. Am Dienstag, den 27. November 2012, bieten Vorträge zu<br />

„Technologiewandel intelligent gestalten“ und „Vom Internet der Dinge<br />

zur Smart Factory – Auf dem Weg zur 4. industriellen Revolution“<br />

neue Ansätze. Die elektrische Automatisierungstechnik als Ursprung<br />

des stetigen Technologiewandels wird von Dr. Thomas Bürger dargestellt,<br />

sowie die Veränderungen der modernen Kommunikation durch<br />

die Industrie 4.0 von Prof. Dr.-Ing. Detlef Zühlke untersucht. Eine<br />

Cyber Physical Systems<br />

Trendsession am Mittwoch, den 28. November 2012,<br />

stellt nachhaltige Automatisierung vor. Unter Leitung<br />

von Prof. Walter Schumacher Braunschweig wird über<br />

die Analyse der Versorgung mit Rohstoffen, sowie deren<br />

Recycling diskutiert.<br />

sky<br />

MESAGO MESSEMANAGEMENT GMBH,<br />

Rotebühlstraße 83-85, D-70178 Stuttgart,<br />

Tel. +49 (0) 711 61 94 60, Internet: www.www.mesago.com<br />

DIE AUSGABE 55(4) DER ATP EDITION<br />

im April 2013 diskutiert das Thema Cyber<br />

Physical Systems (CPS). CPS sind Verbundsysteme,<br />

die aus der domänenübergreifenden<br />

Verknüpfung von vernetzungsfähigen<br />

eingebetteten Systemen mit<br />

webbasierten Diensten entstehen. Gesucht<br />

sind praxisorientierte Beiträge zur Beschreibung<br />

und Modellierung von CPS-<br />

Komponenten und -Architekturen, den<br />

Integrationsebenen sowie zum En gineering<br />

und zur Implementierung von CPS.<br />

Wir bitten Sie, bis zum 5. Dezember 2012<br />

zu diesem Themenschwerpunkt einen<br />

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

ausgearbeiteten Hauptbeitrag per<br />

E-Mail an urbas@oiv.de einzureichen.<br />

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

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

der Automatisierungsbranche. In<br />

den Hauptbeiträgen werden die Themen<br />

mit hohem wissenschaftlichem und technischem<br />

Anspruch und vergleichsweise<br />

abstrakt dargestellt. Im Journalteil<br />

schlägt <strong>atp</strong> <strong>edition</strong> die Brücke zur Praxis.<br />

Hier werden Erfahrungen von Anwendern<br />

mit neuen Technologien, Prozessen oder<br />

Produkten beschrieben.<br />

Alle Beiträge werden von einem Fachgremium<br />

begutachtet. Sollten Sie sich selbst<br />

aktiv an dem Begutachtungsprozess beteiligen<br />

wollen, bitten wir um kurze Rückmeldung.<br />

Für weitere Rückfragen stehen<br />

wir Ihnen selbstverständlich gerne zur<br />

Verfügung.<br />

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

Leon Urbas, Anne Hütter<br />

CALL FOR<br />

Aufruf zur Beitragseinreichung<br />

Thema: Cyber Physical Systems<br />

Kontakt: urbas@oiv.de<br />

Termin: 5. Dezember 2012<br />

12<br />

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

11 / 2012


Sprechstunde: Fragen zu<br />

Explosionsschutz stellen<br />

Die 3. Explosionsschutz-Sprechstunde, organisiert von<br />

Pepperl+Fuchs und dem Oldenbourg Industrieverlag,<br />

findet am 14. und 15. November 2012 in Mannheim statt.<br />

Bei Vorträgen wie „Typische Fehler bei unterschiedlichen<br />

Zündschutzarten“, „Der korrekte Nachweis der Eigensicherheit“,<br />

„Fachgerechte Reparatur und Prüfung<br />

von explosionsgeschützten Betriebsmitteln“ und „Anforderungen<br />

an die funktionale Sicherheit beim Explosionsschutz“<br />

können sich Anwender aus der Prozessautomatisierung<br />

über Feinheiten beim Explosionsschutz<br />

informieren.<br />

Bei der Sprechstunde haben Teilnehmer die einzigartige<br />

Möglichkeit, Ihre Fragen vorab unter www.explosionsschutz-sprechstunde.de<br />

einzureichen und so die<br />

Themen der Veranstaltung mitzubestimmen. Die zweitägige<br />

Veranstaltung beginnt mit Vorträgen zu dem Thema.<br />

Experten des Explosionsschutzes befassen sich am<br />

zweiten Tag ziel gerichtet mit indiduellen Fragen und<br />

Anliegen rund um die Automatisierungstechnik. Die<br />

Lösungen werden dann in den Workshops erarbeitet.<br />

Weitere Informationen sowie den Veranstaltungsflyer<br />

und die Anmeldung finden Sie auf der Internetseite<br />

www.explosionsschutz-sprechstunde.de. ahü<br />

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Temperaturmesstechnik.<br />

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Rosenheimer Straße 145, D-81671 München,<br />

Tel. +49 (0) 89 45 05 14 18,<br />

Internet: www.explosionsschutz-sprechstunde.de<br />

Smart Grid: Automatisierung<br />

der neuen Netze beachten<br />

Der Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik<br />

(VDE) hat ein zweiteiliges Positionspapier<br />

zu „Energieinformationsnetzen und -systemen“ veröffentlicht.<br />

Ziel ist es, der Automatisierung von Verteilungsnetzen<br />

bei neuen Energien mehr Aufmerksamkeit<br />

zu schenken. Dem Verband geht es darum, standardisierte<br />

Schnittstellen zwischen den im Energieinformationsnetz<br />

verteilten Komponenten zu schaffen und diese<br />

in eine gemeinsame Plattform zu integrieren.<br />

Außerdem wird die strikte Begrenzung auf rein regulierte<br />

Aufgaben durch den Verband in Frage gestellt.<br />

Künftige Geschäftsmodelle sollten es dem Betreiber erlauben,<br />

auch Aufgaben im „hybriden“ Zwischenbereich<br />

und bei der Unterstützung des regionalen Marktumfelds<br />

zu übernehmen. Das Positionspapier soll als Rahmen<br />

dienen, um die Energiewirtschaft auf künftige Herausforderungen<br />

vorzubereiten. Zusammenfassend fordert<br />

der Verband jedoch, dass die Politik und Regulierungsbehörden<br />

neue "Leitplanken" <strong>für</strong> Verteilungsnetzbetreiber<br />

definieren.<br />

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

6 / 2012<br />

13


PRAXIS<br />

Tradition und Moderne: Klassische Whiskey-Brennerei<br />

profitiert von moderner Feldkommunikation<br />

Remote I/O Excom von Turck optimiert die Kommunikation bei Irish Distillers in der Ex-Zone 1<br />

MICK MCCARTHY überwacht die Whiskey-Herstellung<br />

mit aktuellen Anlagendaten, die über das Turck-Remote-I/O-System<br />

excom an das Leitsystem übermittelt<br />

werden.<br />

HOHE KANALDICHTE: Neben der redundanten<br />

Versorgung finden bis zu 128 binäre oder 64 analoge<br />

Ein-/Ausgänge auf dem excom-Modulträger Platz.<br />

Midleton gilt der Legende nach als Geburtsort des<br />

irischen Whiskeys. Noch heute schlägt in dem kleinen<br />

Ort im Süden von Cork das Herz der irischen Whiskey-Industrie.<br />

In unmittelbarer Nähe der historischen<br />

„Old Distillery“, die inzwischen als Museum fungiert,<br />

produziert die Brennereigruppe Irish Distillers Limited<br />

(IDL) die berühmtesten Destillate der Republik, darunter<br />

Jameson, Paddy und Powers. Der taditionelle Herstellungsprozess<br />

wird seit Kurzem von moderner I/O-<br />

Technik unterstützt: Zwölf Excom-Remote-I/O-Stationen<br />

von Turck sorgen <strong>für</strong> die sichere und transparente Kommunikation<br />

zwischen Leitsystem und Feldgeräten in<br />

Ex-Zone 1.<br />

800 JAHRE WHISKEY-DESTILLATION IN IRLAND<br />

Die Kunst der Whiskey-Destillation, sagt man, wurde von<br />

irischen Wandermönchen nach Europa gebracht. Die Herstellung<br />

von ‚Usice Beatha‘ (Gälisch <strong>für</strong> Wasser des Lebens)<br />

begann vor über 800 Jahren. Zunächst verbreitete<br />

sich die Kultur des Whiskey-Brennens innerhalb der Kirche.<br />

Zu Beginn war das Ergebnis eher zu medizinischen<br />

Zwecken bestimmt, bis das Wissen um die Herstellung<br />

des Getränks die Klostermauern überwand und Brennereien<br />

außerhalb von Klöstern entstanden. Die anregende<br />

Wirkung der Spirituose trat nunmehr in den Mittelpunkt<br />

und die Herstellungsverfahren des irischen Whiskeys<br />

verbesserten sich bis hin zum klassischen Patent-Still-<br />

Verfahren, einem Dreifach-Destillationsprozess, nach dem<br />

irischer Whiskey noch heute hergestellt wird.<br />

Der wohl wichtigste Brennerei-Standort Irlands ist<br />

Midleton. Das Städtchen liegt im Süden, 20 km entfernt<br />

von der Stadt Cork. Im frühen 19. Jahrhundert<br />

rüsteten die Brüder James und Jeremiah Murphy dort<br />

eine alte Wollspinnerei zur Whiskey-Brennerei um<br />

und gründeten damit die Old Midleton Distillery. Im<br />

Verlauf des Jahrhunderts erlebte der irische Whiskey<br />

einen Boom. Der Betrieb in Midleton sicherte damals<br />

schon mit einer Jahresproduktion von 1,5 Mio. Litern<br />

bald 200 Mitarbeitern den Lebensunterhalt. Aus dieser<br />

Zeit stammt auch der Stolz der Old Midleton Distillery:<br />

Die größte Brennblase der Welt. Der rund acht Meter<br />

hohe Kupferkessel fasst über 1211 Hektoliter (32 000<br />

Gallonen) und steht heute vor der eigentlichen neuen<br />

Brennerei in Midleton.<br />

Aufgrund einer Krise im frühen 20. Jahrhundert<br />

muss-ten sich die drei Brennereien Jameson Irish Whiskey,<br />

Powers und Cork Distilleries (zu der auch die Old<br />

Midleton Distillery gehörte) 1966 zur Irish Distillers<br />

Limited (IDL) zusammenschließen. 1975 errichtete die<br />

Gruppe neben der alten Brennerei die New Midleton<br />

Distillery, die einen Großteil der Gesamtproduktion<br />

bündelte. So stieg Midleton zu einem der wichtigsten<br />

irischen Brennerei-Standorte auf.<br />

1988 übernahm der französische Wein- und Spirituosenkonzern<br />

Pernod-Ricard die IDL-Gruppe, die sich unter<br />

neuer Führung schnell erholte. Die Produktionskapazität<br />

der Brennerei in Midleton sollte langfristig verdoppelt<br />

werden. Teil dieses Expansionsplans war, die<br />

14<br />

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

11 / 2012


komplette Automatisierungstechnik auf den neuesten<br />

Stand zu bringen. Vor kurzem wurde das neue System<br />

fertig gestellt.<br />

PROFIBUS FÜRS VAT HOUSE<br />

Das alte Automatisierungssystem im so genannten „Vat<br />

House“ bestand aus drei Leitsystemen mit klassischer<br />

Punkt-zu-Punkt-Verdrahtung bis in den Ex-Bereich. Da<br />

IDL bereits in anderen Bereichen der Brennerei gute Erfahrungen<br />

mit Profibus-Netzwerken gemacht hatte, entschieden<br />

sich die Verantwortlichen wieder <strong>für</strong> eine Feldbuslösung<br />

auf Basis von Profibus DP. Die Motorsteuerungen<br />

sollten mit Devicenet angesprochen werden. Insgesamt<br />

umfasst das neue System 800 I/Os, die an ein<br />

neues Allen-Bradley-Leitsystem angebunden werden<br />

mussten. Als Remote-I/O-Lösung zwischen Leitsystem<br />

und Feldgeräten wählte Irish Distillers Turcks Excom-<br />

System <strong>für</strong> Zone 1. Turcks irischer Vertriebspartner Tektron,<br />

mit Sitz in Cork, unterstützte und beriet IDL bei der<br />

Auswahl und Installation des I/O-Systems.<br />

Um die zahlreichen I/Os zu integrieren, lieferte Turck<br />

zwölf Excom-Remote-I/O-Stationen und vier Segmentkoppler<br />

SC12Ex. So konnten vier redundante, eigensichere<br />

Profibus-Segmente ins Feld geführt werden, die<br />

die maximale Übertragungsrate von 1,5 Megabaud nutzen.<br />

Die Ingenieure mussten dazu allerdings sicherstellen,<br />

dass keines der verwendeten Profibus-DP-Kabel länger<br />

als 200 m ist. Die Excom-Stationen mussten so im<br />

Feld positioniert werden, dass jede von ihnen gut erreichbar<br />

ist und trotzdem die Kabellänge zu den Feldgeräten<br />

möglichst kurz bleibt.<br />

HOHE KANALDICHTE UND HOT-SWAP<br />

Mick McCarthy, E&I-Manager bei IDL, entschied sich<br />

nach einem Vergleich mehrerer Wettbewerbsprodukte<br />

<strong>für</strong> den explosionsgeschützten Bereich <strong>für</strong> Turcks Excom-System,<br />

„unter anderem wegen der hohen Signaldichte<br />

des M18-Modulträgers. Weiterhin überzeugte uns<br />

die Hot-swap-Funktionalität. Dadurch können wir alle<br />

Module der Excom im laufenden Betrieb ziehen und<br />

stecken – ohne die Feldkommunikation zu stören“, so<br />

McCarthy. Ein weiterer Vorteil: Die digitalen Ausgangsmodule<br />

DO40-Ex stellen sich automatisch auf die richtige<br />

Leistung ein – ungeachtet der anliegenden Spannung<br />

und der Stromstärke. So konnte IDL mit einem<br />

einzigen I/O-Kartentyp alle digitalen Ausgänge bestücken.<br />

Das vereinfachte die Anlagenplanung und den<br />

-aufbau erheblich.<br />

Einfach zu realisieren war <strong>für</strong> McCarthy auch die redundante<br />

Kommunikations- und Leistungsversorgung:<br />

„Eine redundante Kommunikationsanbindung der Feldebene<br />

war <strong>für</strong> uns von vornherein eine Grundvoraussetzung.<br />

Allerdings hatten wir uns noch nicht auf Leistungs-Redundanz<br />

festgelegt. Die Leistungsversorgung ist<br />

zurzeit noch einfach ausgeführt. Um Versorgungsredundanz<br />

herzustellen, brauchen wir jetzt aber nur ein weiteres<br />

Netzgerät am Modulträger nachzurüsten. In dieser<br />

konsequenten modularen Bauweise und der resultierenden<br />

Flexibilität sehe ich den größten Vorteil der Excom.“<br />

Die Wartungsingenieure bei IDL schätzen besonders<br />

die LED-Anzeige an jedem einzelnen Modul. Durch das<br />

Sichtfenster in den mitgelieferten Schaltkästen können<br />

sie auf einen Blick den Status jeder Karte erkennen, ohne<br />

den Kasten zu öffnen. IDL hat zusätzlich eine Schaltplanmatrix<br />

außen am Kasten angebracht, die Karten und<br />

Kanäle den jeweiligen Feldgeräten zuordnet.<br />

Die Hochschule Ostwestfalen-Lippe ist mit mehr als 6.000 Studierenden<br />

und über 500 Beschäftigten an den drei Standorten Lemgo, Detmold,<br />

Höxter und dem neuen Studienort Warburg ein wichtiger Bestandteil der<br />

dynamischen Wissenschafts- und Wirtschaftsregion Ostwestfalen-Lippe.<br />

Unsere Markenzeichen sind exzellente Lehre und Forschung.<br />

Im Fachbereich Elektrotechnik und Technische Informatik am<br />

Standort Lemgo ist folgende Professur zum nächstmöglichen Zeitpunkt<br />

zu besetzen:<br />

W2-Stiftungsprofessur<br />

<strong>für</strong> das Lehrgebiet<br />

„Nutzergerechte Gestaltung<br />

von technischen Systemen<br />

mit Schwerpunkt Informatik“<br />

Kennziffer 5.4<br />

Die Professur wird in den ersten fünf Jahren von den Unternehmen<br />

PHOENIX CONTACT GmbH & Co. KG, WINCOR NIXDORF International<br />

GmbH sowie dem Fraunhofer-Anwendungszentrum Industrial<br />

Automation IOSB-INA und der Stiftung Standortsicherung Kreis Lippe<br />

unterstützt. In dem deutschlandweit einmaligen Science-to-Business-<br />

Center CENTRUM INDUSTRIAL IT (CIIT) forschen mit dem Institut <strong>für</strong><br />

Industrielle Informationstechnik (inIT) der Hochschule und dem Fraun hofer<br />

Anwendungszentrum Industrial Automation derzeit über 60 Wissenschaftler/innen<br />

zusammen mit Technologieunternehmen unter einem<br />

Dach an Themen der industriellen Kommunikation, dem Entwurf und der<br />

Simulation von Automatisierungssystemen sowie der Diagnose und dem<br />

<br />

CIIT sind wesentlicher Bestandteil des BMBF-Spitzenclusters „Intelligente<br />

Technische Systeme Ostwestfalen-Lippe (It‘s OWL)“. Die beteiligten<br />

Unternehmen und Einrichtungen sind insbesondere an einer Ausweitung<br />

der Forschungsaktivitäten auf das Gebiet der Mensch-Maschine-Schnittstelle<br />

und der Usability intelligenter technischer Systeme interessiert. Zur<br />

Durchführung dieser Forschungs- und Entwicklungsaufgaben ist daher die<br />

.<br />

Von der Stelleninhaberin/dem Stelleninhaber wird weiterhin die Übernahme<br />

von Grundlagenveranstaltungen in dem Bachelor-Studiengang<br />

„Technische Informatik“ erwartet. Zusätzlich sollen im internationalen<br />

<br />

<br />

Erfahrungen aus den Bereichen moderner Mensch-Maschine-Interaktionstechnologien<br />

und Kognition im Kontext der industriellen Auto mation werden<br />

vorausgesetzt. Hilfreich sind vertiefende Kenntnisse in den Bereichen<br />

Wahrnehmungspsychologie oder Arbeitswissenschaften.<br />

Die Bereitschaft zur teilweisen Durchführung der Lehrveranstaltungen<br />

auch in englischer Sprache und die aktive Beteiligung am Ausbau internationaler<br />

Studiengänge und der Kooperationsbeziehungen zu ausländischen<br />

Hochschulen werden erwartet.<br />

Die Hochschule Ostwestfalen-Lippe vertritt ein Betreuungskonzept,<br />

bei dem eine hohe Präsenz der Lehrenden am Hochschulort und die<br />

Bereitschaft zur Übernahme von Aufgaben in der Selbstverwaltung der<br />

Hochschule vorausgesetzt werden. Die Verlegung des Wohnsitzes<br />

als Lebensmittelpunkt an den Hochschulstandort oder in die nähere Umgebung<br />

ist deshalb erforderlich.<br />

Einstellungsvoraussetzungen:<br />

Bewerber/innen müssen die Voraussetzungen des § 36 Hochschulgesetz<br />

<br />

Auszug aus dem Hochschulgesetz NRW“ auf der Homepage unter<br />

www.hs-owl.de/karriere. Telefonische Auskünfte erhalten Sie unter<br />

05261 702-4068. Weitere Informationen erhalten Sie darüber hinaus<br />

unter www.init-owl.de/stiftungsprofessur.<br />

Die Hochschule Ostwestfalen-Lippe ist im Sinne einer<br />

<br />

beim wissenschaftlichen Personal zu erhöhen, und begrüßt<br />

es deshalb besonders, wenn sich Frauen bewerben.<br />

Schwerbehinderte Bewerber/innen werden bei gleicher<br />

Eignung vorrangig eingestellt.<br />

Ihre Bewerbung richten Sie bitte mit den üblichen Unterlagen bis zum<br />

26. November 2012 unter Angabe der Kennziffer 5.4 an den Präsidenten der<br />

Hochschule Ostwestfalen-Lippe, Dezernat III, Liebigstraße 87, 32657 Lemgo.<br />

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

11 / 2012<br />

15


PRAXIS<br />

IDL HAT ALLE ZWÖLF EXCOM-SCHRÄNKE mit einem<br />

Belegungsplan bestückt, der jeden Ausgang einem<br />

Feldgerät zuordnet.<br />

MICK MCCARTHY (links) zeigt sich mit der Unterstützung<br />

durch Tektron-Vertriebsspezialist Adrian<br />

O’Mahony (rechts) hoch zufrieden.<br />

Im Vat House läuft der zentrale Teil der Whiskey-Destillation<br />

ab. Da der Prozess nicht ohne weiteres einfach<br />

<strong>für</strong> ein paar Stunden gestoppt werden kann, war es <strong>für</strong><br />

IDL von zentraler Bedeutung, dass der Großteil der Installation<br />

und Tests vor der eigentlichen Inbetriebnahme<br />

ausgeführt werden konnte. Das bestehende System musste<br />

solange in Betrieb bleiben, bis ein schneller Wechsel<br />

zum neuen System möglich war. Mit Excom stellte das<br />

kein Problem dar, da die Modulträger und die Verkabelung<br />

installiert werden konnten, ohne die Produktion zu<br />

beeinträchtigen.<br />

Heute profitiert Irish Distillers von den Diagnose-<br />

Tools der Excom. Über das Profibus-DP-Netzwerk können<br />

<strong>für</strong> jeden einzelnen Kanal, die Module oder den<br />

gesamten M18-Modulträger Diagnosen ausgeführt werden,<br />

die per Allen-Bradley-Master im neuen Leitsystem<br />

visualisiert werden.<br />

FAZIT<br />

Irish Distillers hat heute am historischen Whiskey-<br />

Standort Midleton eine neue effiziente Prozessteuerung,<br />

mittels derer die Ingenieure die Anlage und die verschiedenen<br />

Destillationsstufen besser im Blick haben<br />

als je zuvor. Vorhersagende Wartungsroutinen unterstützen<br />

die IDL-Mitarbeiter dabei, die Effizienz der<br />

Anlage zu erhöhen und die Qualität schon vor der Endkontrolle<br />

zu sichern.<br />

Nachdem das Projekt abgeschlossen war und das Kesselhaus<br />

wieder in vollem Betrieb lief, entfernte IDL alte<br />

überflüssige Kabelkanäle, Kabel und die Schalttafeln des<br />

alten Systems. Allein die alten Kabel füllten vier große<br />

Container. Bereiche, die vorher von riesigen Kabelsträngen<br />

versperrt wurden, lassen sich nun betreten. So hat<br />

man nicht nur die Kommunikation optimiert, sondern als<br />

Nebeneffekt gleichzeitig die Gebäudenutzung verbessert.<br />

Das Projekt zeigt, dass traditionelle Herstellungsverfahren<br />

und moderne Automatisierungstechnik sich keineswegs<br />

ausschließen. Irish Distillers und andere Traditionsunternehmen<br />

zeigen, dass sie nur deshalb eine so<br />

lange Tradition besitzen, weil sie im Verlauf ihrer Geschichte<br />

immer wieder bereit waren, ihr Geschäft und<br />

ihre Produktion dem Stand der Zeit anzupassen. Immer<br />

gleich blieb allein die Qualität der irischen Whiskeys.<br />

AUTOR<br />

Tektron,<br />

Tramore House, Tramore Road,<br />

Cork, Ireland,<br />

Tel. 00353 21 4313331,<br />

E-Mail: webenquiry@tektron.ie<br />

FRANK URELL ist Geschäftsführer<br />

der irischen Turck-<br />

Vertretung Tektron.<br />

16<br />

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

11 / 2012


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11 / 2012<br />

<strong>atp</strong>!info-Team | Oldenbourg Industrieverlag GmbH | Rosenheimer Straße 145 | 81671 München<br />

17


PRAXIS<br />

Biessenhofener Nestlé-Werk mit Ethernet/IP<br />

mo der nisiert: Bei Inbetriebnahme viel Zeit gespart<br />

Standort mit Automatisierungslösung von Rockwell Automation und Endress+Hauser ausgerüstet<br />

CORIOLIS S-M MESSGERÄTE an der Molke-<br />

Annahmestation<br />

NESTLÉ-WERK IM ALLGÄU: Verfügbarkeit erhöht.<br />

Bilder: Endress+Hauser<br />

Mit 650 Mitarbeitern zählt das Nestlé-Werk in Biessenhofen<br />

zu den größeren Standorten des Nestlé-<br />

Konzerns in Deutschland. Das Werk produziert hypoallergene<br />

Säuglingsnahrung. Zudem werden Zerealien-<br />

Breis der Marke Alete und Beba sowie klinische Trinknahrung<br />

hergestellt. Weitere Produkte sind Kaffeedrinks<br />

der Marke Nescafé Xpress und Thomy-Saucen.<br />

Um die Produktionskapazitäten zu erweitern, sollte<br />

eine ganzheitliche Lösung konzipiert, ein neuer Werksteil<br />

gebaut und von Grund auf automatisiert werden.<br />

Sowohl der Prozessbereich als auch Abfüllung und<br />

Verpackung waren in das Projekt involviert. Die Automatisierungslösung<br />

von Rockwell Automation und<br />

Endress+Hauser erhöht nun zeiteffektiv die Verfügbarkeit<br />

der Anlage.<br />

HOHE LEISTUNGSSTANDARDS DER SYSTEME<br />

Rockwell Automation und Nestlé blicken auf eine lange,<br />

strategische Partnerschaft zurück. „Die Vorteile von<br />

Rock well Automation liegen in dem hohen Leistungsstandard<br />

der Automatisierungssysteme und der globalen<br />

Verfügbarkeit der Systeme und Komponenten“, erklärt<br />

Florian Schreyer, Automation Engineer bei Nestlé<br />

in Biessenhofen. „Rockwell Automation liefert damit<br />

die Basistechnologie, mit der Nestlé eigenes Prozess-<br />

Know-how automatisierungstechnisch standardisieren<br />

kann, ein wesentlicher Schritt, um die Produktsicherheit<br />

zu verbessern und Ingenieurleistungen effizienter<br />

zu nutzen.“<br />

Um dem Anspruch an eine ganzheitliche Lösung zur<br />

Prozessautomatisierung zu genügen, ermöglicht die<br />

strategische Allianz von Endress+Hauser und Rockwell<br />

Automation die Integration intelligenter Geräte<br />

und Ins trumente in die Lösung, sodass die vollständige<br />

Nutzung präziser Daten und Interoperabilität<br />

sichergestellt sind.<br />

KOMPLETTE ÜBERWACHUNG UND DOKUMENTATION<br />

Schnelle Reaktionen auf neue Situationen, Kostenbewusstsein<br />

und der Erhalt von Transparenz bei der<br />

ständig steigenden Komplexität im Produktionsgeschehen<br />

sind zentrale Anforderungen in der Nahrungsmittelindustrie.<br />

Es gibt strenge Hygienevorschriften,<br />

vor allem bei der Produktion von Pulverprodukten<br />

<strong>für</strong> Frühgeborene und Säuglinge. Der komplexe<br />

Herstellungs prozess <strong>für</strong> hypoallergene Babynahrung<br />

ist ohne die rechnergestützte Prozessführung in sehr<br />

engen Toleranzen sehr schwierig. Es müssen komplette<br />

Prozessabläufe geführt, überwacht und dokumentiert<br />

werden.<br />

Rockwell Automation erhielt den Auftrag zur Lieferung<br />

von Schaltschränken mit zirka 50 programmierbaren<br />

Steuerungen Allen-Bradley Control Logix<br />

(PACs), dazugehörigen Schaltern und etwa 150 PowerFlex<br />

Frequenzumrichtern (0,75 KW–315 KW). Die<br />

Automatisierungstechnik basiert auf der ControlLogix<br />

und beinhaltet das Plant Asset Management Tool<br />

FieldCare von Endress+Hauser, PowerFlex mit Safe-<br />

18<br />

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

11 / 2012


Torque-off, Flex/Point I/O, Ethernet TCIP, Stratix sowie<br />

integrierte Schaltungen.<br />

Ein strategisches beziehungsweise technologisches<br />

Ziel bei der Automatisierung des Werks Biessenhofen<br />

war die Optimierung von Toleranzen und der Re pro duzier<br />

barkeit. Des Weiteren ging es darum, Qualitätssicherung,<br />

Nachweisführung und Chargenverfolgung<br />

zu verbessern. Nicht zuletzt sollten auch Maschinenund<br />

Prozessfunktionen flexibilisiert werden.<br />

Auf operativer Ebene sollten Verluste und Nachtarbeit<br />

vermieden werden. Auch Durchlaufzeiten und Arbeitskosten<br />

wollten die Biessenhofener reduzieren sowie zudem<br />

ihre Bestände, ihren Flächenbedarf sowie die Überwachungskosten<br />

im Allgemeinen optimieren.<br />

Bei der sicheren Herstellung von Lebensmitteln sind<br />

Mess-Systeme zur Erfassung von Prozess- und Produkteigenschaften<br />

der Dreh- und Angelpunkt im Automatisierungskonzept.<br />

Durch Energiespar- und präventive<br />

Instandhaltungsinitiativen entstehen neue Messaufgaben,<br />

die kostengünstig integriert werden müssen.<br />

Hierzu gehört die Erfassung und Zuordnung von Energieverbräuchen,<br />

Betriebsstunden und Maschinenzuständen.<br />

NESTLÉ ENTSCHIED INSTALLATION VON ETHERNET/IP<br />

Für Nestlé war die standardisierte Physik ausschlaggebend<br />

<strong>für</strong> die Installation von EtherNet/IP. Dies hat<br />

viele Vorteile bei der Planung und Installation der<br />

gesamten Prozessvisualisierung. Die Überwachung des<br />

gesamten Netzwerks durch den Einsatz zentral verwalteter<br />

Switches ist auch im I/O-Netz von Vorteil, um die<br />

Verfügbarkeit des Systems besser gewährleisten zu können.<br />

Probleme werden so erkannt, bevor sie zu einem<br />

Ausfall führen. Die Performance und Flexibilität bei<br />

der Anbindung der Feldgeräte von Rockwell Automation<br />

war nicht zuletzt auch eine Entscheidungshilfe <strong>für</strong><br />

die Projektbeteiligten bei Nestlé.<br />

„Rockwell Automation und Endress+Hauser haben<br />

ihre Produkte und Systeme auf die besonderen Anforderungen<br />

der Nahrungsmittelindustrie ausgerichtet<br />

und gewährleisten so die globale Verfügbarkeit zur Unterstützung<br />

der Systeme und Anwendungen im Lebenszyklus“,<br />

so Schreyer.<br />

Geht es um neue Fertigungseinrichtungen, ist man<br />

sich in Biessenhofen sicher, wird der Einsatz von Ether-<br />

Net/IP bei unmittelbaren Erweiterungen der H.A.-Anlage<br />

fortgesetzt. „Die konsequente Anwendung richtet<br />

sich natürlich auch nach der breiten Verfügbarkeit<br />

von Automatisierungskomponenten mit EtherNet/IP-<br />

Schnittstelle.“<br />

EtherNet/IP ermöglicht Durchgängigkeit im Prozessbereich<br />

und auch die einfache Anbindung sämtlicher<br />

Netz- und Feldgeräte in die Rockwell-Automation-Welt.<br />

„Als das Thema EtherNet/IP bei Nestlé aufkam, ist man<br />

ganz schnell auf Endress+Hauser aufmerksam geworden“,<br />

erinnert sich Manfred Rothen, Sales Manager<br />

Germany bei Rockwell Automation.<br />

Da Endress+Hauser, ein Encompass und Alliance Partner<br />

von Rockwell Automation, zum Projektstart mit der<br />

Produktlinie Promass Coriolis neu die EtherNet/IP-Technologie<br />

eingeführt hatte, passte auch von dieser Seite die<br />

Zusammenarbeit mit Rockwell Automation hervorragend.<br />

Mit dem Level 3 Add-on Profile (AOP) war schließlich<br />

auch zertifiziert, dass die Endress+Hauser Durchfluss-<br />

Messgeräte bestens in das Leitsystem von Rockwell<br />

Automation integriert sind. Beide Partner können eine<br />

ganzheitliche Lösung anbieten, die fast wie ein USB-Stick<br />

plug-and-play-bereit geliefert wird.<br />

„Der Anwender“, so erläutert Dion Bouwer, Product<br />

Manager Fieldbus Systems von Endress+Hauser, „hat auf<br />

diese Weise Daten aus der Anlage in Echtzeit in höher<br />

gelegenen Auswertungssystemen verfügbar und kann so<br />

seine Anlageneffizienz verbessern – das ist Transparenz,<br />

die bares Geld wert ist.“<br />

ERGEBNISSE UND AUSBLICK<br />

Projektstart war im Sommer 2009, die Produktion läuft<br />

seit Sommer 2011 – das Automatisierungsprojekt Biessenhofen<br />

ist <strong>für</strong> beide Seiten ein Erfolg. Marc Scheremet,<br />

Account Manager bei Rockwell Automation bestätigt aus<br />

eigener Erfahrung: „Für ein Projekt dieser Größenordnung<br />

verlief die Umsetzung verhältnismäßig problemlos.“<br />

Rockwell Automation hat nicht nur die Hardware<br />

geliefert, sondern mit seiner SSB-Systemgruppe (Solutions<br />

und Services Business) das Ganze nach höchsten<br />

Standards konzipiert und die Schaltschränke komplett<br />

fertiggestellt übergeben. Insbesondere bei der Inbetriebnahme<br />

der Hardware konnten hohe Zeitersparnisse<br />

erreicht werden.<br />

Die Verwendung von Industrie-Standards vereinfacht<br />

Instandhaltungsmaßnahmen erheblich und das in Biessenhofen<br />

implementierte Asset Management erhöht die Verfügbarkeit<br />

der Anlagen und beschleunigt die Dynamik bei<br />

jeder Veränderung der Fertigungsanlagen.<br />

„Darüber hinaus“, ist Florian Schreyer zuversichtlich,<br />

„erwarten wir eine zukunftssichere Verfügbarkeit der<br />

EtherNet/IP-Technologie. Der Aufwand, die Geräte möglichst<br />

effektiv einzubinden, hat den riesigen Vorteil,<br />

möglichst viele Informationen von zentraler Stelle aus<br />

abfragen zu können.“<br />

AUTOR<br />

Endress+Hauser Messtechnik GmbH+Co. KG,<br />

Colmarer Straße 6,<br />

79576 Weil am Rhein,<br />

Tel.: +49 (0) 7621 975 410,<br />

E-Mail: www.de.endress.com<br />

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

11 / 2012<br />

19


PRAXIS<br />

Maschinenschutz <strong>für</strong> Turboverdichter durch Ventile<br />

mit großen Nennweiten und exakten Regelgüten<br />

Stahlwerk im indischem Rourkela mit Anti-Surge-Ventilen von Samson ausgerüstet<br />

Die Samson AG, ein Anbieter <strong>für</strong> Stellgeräte, hat die<br />

MAN Turbo AG <strong>für</strong> ein indisches Stahlwerk mit einem<br />

aufwendigen Anti-Surge-Ventil ausgerüstet. Anti-<br />

Surge-Ventile werden eingesetzt, um Turboverdichter vor<br />

einer Zerstörung zu bewahren und damit den unversehrten<br />

Zustand der gesamten Anlage zu sichern.<br />

ANTI-SURGE-VENTIL SICHERT DEN VERDICHTER<br />

Axial- und Radialverdichter sind Strömungsmaschinen,<br />

die in der Industrie eingesetzt werden, um den<br />

Druck bei großen Mengen von Luft- oder Prozessgas<br />

zu erhöhen. Eingesetzt werden sie beispielsweise zur<br />

Druckerhöhung in Gas-Pipelines, als Hochofen- und<br />

Stahlwerksgebläse, in petrochemischen Anlagen und<br />

Raffinerien oder in Anlagen zur Luft- beziehungsweise<br />

Gasverflüssigung. Ihre Funktionsweise sichert<br />

ein Anti-Surge-Ventil.<br />

Samson ist seit vielen Jahren im Bereich der Anti-Surge-Ventile<br />

erfolgreich aktiv. Eine Anfrage der MAN Turbo<br />

AG (heute MAN Diesel & Turbo SE) im Jahr 2009 veranlasste<br />

den Frankfurter Stellgeräteanbieter, die Angebotspalette<br />

im Bereich sehr großer Nennweiten auszubauen.<br />

In einem konkreten Fall, nämlich in dem von<br />

MAN Turbo ausgerüsteten Stahlwerk in Rourkela (Indien),<br />

sollten <strong>für</strong> die genaue Dosierung der Luftzufuhr<br />

Axialverdichter eingesetzt werden, um die Hochöfen mit<br />

der geforderten Luftmenge bei einem Druck von 3 bis 6<br />

bar zu versorgen.<br />

Kommt es anlagenbedingt zu einer plötzlichen ungewollten<br />

Verringerung des benötigten Volumenstroms,<br />

zum Beispiel durch eine (Teil-)Notabschaltung, erfolgt<br />

ein schlagartiger Druckanstieg auf der Ausgangsseite des<br />

Verdichters. Durch diese Erhöhung des Nachdrucks<br />

kann es sein, dass der Verdichter in einem instabilen<br />

Betriebszustand arbeitet. Dieser Zustand wird bei Verdichtern<br />

als Pumpen (engl. surge) bezeichnet. Aufgrund<br />

der geänderten Druckdifferenz zwischen Ein- und Ausgangseite<br />

kehrt sich die Strömungsrichtung am Verdichter<br />

um. Sinkt nun der Druck auf der Ausgangseite durch<br />

die Strömungsumkehr ab, erfolgt abermals eine Umkehr<br />

der Fluidförderung, was zu einem erneuten Anstieg des<br />

Drucks auf der Ausgangsseite führt. Ist danach die ursprüngliche<br />

Ursache anlagenseits nicht beseitigt, ergibt<br />

sich ein zyklischer Prozess.<br />

ANTI-SURGE-VENTIL VON SAMSON, NPS 24, CLASS 150.<br />

MASSIVE GEFAHR DES VERDICHTER-VERSAGENS<br />

Da der Zustand der Strömungsumkehr aufgrund der geänderten<br />

Schaufelumströmung zu einer Änderung der<br />

Kräfte auf die Schaufeln führt und, bedingt durch den<br />

zyklischen Ablauf, eine Schwingungsbelastung auftritt,<br />

liegt eine massive Gefahr des Versagens der Verdichterschaufeln<br />

vor. Hinzu kommt, dass durch die Unterbrechung<br />

einer dauerhaften Fluidförderung nunmehr immer<br />

das gleiche Volumen durch den Verdichter bewegt<br />

wird. Die eingebrachte Leistung (häufig im Megawatt-<br />

Bereich) bewirkt zudem eine schnelle Aufheizung des<br />

Mediums. Fluid und Verdichter können sich in deutlich<br />

weniger als einer Minute um mehrere hundert Grad Cel-<br />

20<br />

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

11 / 2012


sius erwärmen. Die damit einhergehende Herabsetzung<br />

der mechanischen Belastbarkeit beschleunigt die Schaufelzerstörung<br />

zusätzlich. So kann das Pumpen des Verdichters<br />

zu seiner vollständigen Zerstörung und einem<br />

langfristigen Ausfall der Anlage führen.<br />

Aufgrund der hohen Investitionskosten eines Turboverdichters,<br />

die häufig im sechsstelligen Bereich liegen,<br />

ist eine Zerstörung des Verdichters unter allen Umständen<br />

zu vermeiden. Aus diesem Grund werden sogenannte<br />

Anti-Surge-Ventile (ASV) eingesetzt, die den Druck<br />

auf der Ausgangsseite schnellstmöglich senken. Je nach<br />

Arbeitsweise werden ASVs in zwei verschiedene Typen<br />

unterteilt: Zum einen wird der Druck der Ausgangsseite<br />

abgebaut, indem durch eine Bypassleitung zum Verdichter<br />

das Volumen von der Ausgangsseite auf die Eingangsseite<br />

transportiert wird. Diese Ventile werden als (Re-)<br />

Cycle- oder Umblaseventile bezeichnet. Bei der zweiten<br />

Bauart wird das Volumen auf der Ausgangsseite in die<br />

Umgebung abgelassen. Diese Ventile werden als Blowoff-<br />

oder Abblaseventile bezeichnet.<br />

EXAKTE REGELUNG UND HOHE REGELGÜTE NÖTIG<br />

Nicht nur ein außerplanmäßiges Ereignis kann zum beschriebenen<br />

Pumpen des Verdichters führen. Vielmehr<br />

besteht ganz allgemein die Gefahr, dass der Verdichter<br />

ins Pumpen gerät, sobald eine definierte minimale Fördermenge<br />

unterschritten wird. Durch den Einsatz modernster<br />

Prozessleitsysteme (PLS) und Strömungsmesstechnik<br />

ist man heute in der Lage, eine Annäherung an<br />

die sogenannte Pumpgrenze, den Beginn des instabilen<br />

Zustands, vorzeitig zu erkennen und durch ein geregeltes<br />

Öffnen des ASV den Betriebspunkt des Verdichters zu<br />

stabilisieren. Dabei sind eine exakte Regelung und eine<br />

hohe Regelgüte (etwa Einstellen eines Betriebspunktes<br />

ohne Überschwinger) zwingend erforderlich, um den<br />

nachfolgenden Prozess nicht negativ zu beeinflussen.<br />

Sollte es durch die Regelung des Ventils nicht zu einer<br />

Stabilisierung des Betriebspunktes kommen, wird durch<br />

das PLS ein Signal an das Ventil gegeben, dass daraufhin<br />

sofort vollständig öffnet. So ist der sichere Betrieb auch<br />

im Grenzbetrieb gewährleistet.<br />

Anti-Surge-Ventile sind charakterisiert durch ihre<br />

robuste Bauart, die kurzen Stellzeiten in die Sicherheitsstellung<br />

(1 bis 2 Sekunden) und eine hohe Regelgüte.<br />

Während die genannten Eigenschaften <strong>für</strong> kleinere<br />

Ventile schon eine anspruchsvolle Aufgabe darstellen,<br />

wird diese bei großen Nennweiten durch das<br />

hohe Kegelgewicht von mehreren hundert Kilogramm<br />

in Verbindung mit einem Hub von 200 mm oder mehr<br />

zusätzlich erschwert. Die <strong>für</strong> das indische Stahlwerk<br />

hergestellten Anti-Surge-Ventile mussten einen Durchsatz<br />

von 290 000 kg/h Luft ermöglichen (das entspricht<br />

einem angesaugten Volumen, das in zirka 90 Olympia-<br />

Schwimmbecken passt). Um diese großen Volumenströme<br />

beherrschen zu können, wurden Ventile mit einer<br />

Nennweite von NPS 24 (entspricht DN 600) entwickelt.<br />

LEO RECORD<br />

Digitales Manometer mit Speicherfunktion<br />

Hohe Messgenauigkeit, Auflösung und Robustheit<br />

Anzeige des aktuellen Druckes und des<br />

Record-Status im Display<br />

Aufzeichnung des Druckes und der Temperatur<br />

Einfache Konfigurations- und Auslese-<br />

Software <strong>für</strong> PC oder PDA<br />

Messrate und Druckeinheiten einstellbar<br />

Speicher: ca. 57’000 Messwerte<br />

Bereiche: 30 mbar…1000 bar<br />

Gesamtfehlerband: ±0,1 %FS<br />

Auch Ex-geschützte Versionen<br />

in unserem E-Shop erhältlich<br />

www.keller-druck.com<br />

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

11 / 2012<br />

21


PRAXIS<br />

UMBLASEVENTIL<br />

ABBLASEVENTIL<br />

Sie mussten neben extrem kurzen Reaktionszeiten (kleiner<br />

1 Sekunde) zugleich eine sehr hohe Regelgüte gewährleisten.<br />

Dem Kundenwunsch entsprechend wurde<br />

ein hydraulischer Kolbenantrieb eingesetzt.<br />

PNEUMATISCHE ANTRIEBE FÜR GROSSE VENTILE<br />

Aufgrund der umfangreichen Fachkenntnisse im<br />

Bereich pneumatischer Antriebe sind mittlerweile<br />

auch die ganz großen Ventile in der kostengünstigeren<br />

Ausführung mit pneumatischen Kolbenantrieben<br />

als Standard verfügbar. Hierbei kommt dem Traditionsunternehmen<br />

Samson seine jahrelange Erfahrung<br />

zugute. Durch die optimale Auswahl und Komposition<br />

wird ein reibungsloses Zusammenspiel aller benötigten<br />

Komponenten, wie etwa Stellungsregler, Booster und<br />

Zuluftstation, erreicht. Die von dem Kunden geforderten<br />

Eigenschaften der Anti-Surge-Ventile können so<br />

zuverlässig gewährleistet werden. Außerdem bietet<br />

Samson <strong>für</strong> sicherheits kritische Anlagenteile auch eine<br />

SIL-Zertifizierung an.<br />

„Wir schätzen Samson als kompetenten Partner, der<br />

uns beim Finden der richtigen technischen Lösung mit<br />

seinem umfassenden Know-how unterstützt“, erklärt<br />

Dr. Oliver Wöll, Projektverantwortlicher bei der MAN<br />

Turbo AG. „Außerdem wissen wir, dass wir uns auf die<br />

Geräte verlassen können, was bei den Axialverdichtern<br />

von entscheidender Bedeutung ist – eine zweite Chance<br />

gibt es in diesem Prozess nicht.“<br />

Inzwischen geht die Tendenz bei den Anwendern zu<br />

noch größeren Ventilen. Die Samson AG hat deshalb<br />

das Portfolio um weitere zahlreiche Ventilnennweiten<br />

ergänzt. Die gleiche Stückzahl an Großventilen, die<br />

früher in einem Jahr produziert wurde, verlässt heute<br />

monatlich das Werk.<br />

AUTOR<br />

DR.-ING. MICHAEL HESS ist<br />

Entwicklungsingenieur im<br />

Bereich Stellventile bei<br />

Samson.<br />

Samson AG,<br />

Mess-und Regeltechnik,<br />

Weismüllerstraße 3, D-60314 Frankfurt am Main,<br />

Tel. +49 (0) 69 40 09 22 49,<br />

E-Mail: mhess@samson.de<br />

DIPL.-ING. MARC-CHRISTIAN<br />

CRAMM ist Produktmanager<br />

Stellventile bei Samson.<br />

Samson AG,<br />

Mess-und Regeltechnik,<br />

Weismüllerstraße 3, D-60314 Frankfurt am Main,<br />

Tel. +49 (0) 69 40 09 21 75,<br />

E-Mail: mcramm@samson.de<br />

22<br />

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

11 / 2012


BUS<br />

Sprechstunde<br />

BUS<br />

2. Feldbus-Sprechstunde<br />

Feldbus in der Prozessindustrie<br />

22. + 23.01.2013, Mannheim, Pepperl+Fuchs GmbH<br />

www.feldbus-sprechstunde.de<br />

Programm<br />

Moderation: Jürgen George,<br />

Pepperl+Fuchs GmbH<br />

Wann und Wo?<br />

+ + NEUER TERMIN! + +<br />

22. + 23.01.2013<br />

Systemplanung: Auswahl der Geräte und Komponenten<br />

Systemplanung: Feldbusinfrastruktur<br />

Systemplanung: Einsatz von Planungstools<br />

Systemplanung: Explosionsschutz und<br />

funktionale Sicherheit<br />

Inbetriebnahme: Hardware-Installation und<br />

-Inbetriebnahme<br />

Inbetriebnahme: Implementierung<br />

Inbetriebnahme: Systematische Fehlersuche<br />

Referenten<br />

Ronny Becker, Prüflabor MSR u. Analysentechnik,<br />

BIS Prozesstechnik GmbH<br />

Dr. Andreas Hildebrandt, Thomas Klatt,<br />

Thomas Westers, Pepperl+Fuchs GmbH<br />

Dr. Niels Kiupel, Degussa GmbH<br />

Sven Seintsch, Prüflabor MSR u. Analysentechnik,<br />

BIS Prozesstechnik GmbH<br />

Termin<br />

Dienstag, 22.01.2013<br />

Veranstaltung (11:30 – 17:30 Uhr)<br />

„Get-Together“ mit Abendessen (ab 18:30 Uhr)<br />

Mittwoch, 23.01.2013<br />

Veranstaltung (9:00 – 15:00 Uhr)<br />

Ort<br />

Mannheim, Pepperl+Fuchs GmbH<br />

Thema<br />

Antworten zur Planung und<br />

Inbetriebnahme von Feldbussen<br />

Teilnahmegebühr<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong>-Abonnenten<br />

Firmenempfehlung<br />

540 € zzgl. MwSt<br />

590 € zzgl. MwSt<br />

reguläre Teilnahmegebühr 690 € zzgl. MwSt<br />

Studenten<br />

kostenlos<br />

(Universität, Fachhoch-/Duale Hochschule – Vorlage des<br />

Studentenausweises bei der Anmeldung erforderlich)<br />

Im Preis enthalten sind die Tagungsunterlagen<br />

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

„Get-Together“ mit Abendessen).<br />

Veranstalter<br />

100 Euro<br />

Frühbucherrabatt<br />

bei Buchung bis zum<br />

14.12.2012<br />

Fragen Sie!<br />

Die Feldbus-Sprechstunde gibt Ihnen ausreichend Gelegenheit, Ihre<br />

individuellen Fragen zu stellen und offen mit den praxiserfahrenen<br />

Referenten zu diskutieren.<br />

Stellen Sie Ihre Fragen rechtzeitig unter<br />

www.feldbus-sprechstunde.de<br />

Weitere Informationen und Online-Anmeldung unter<br />

www.feldbus-sprechstunde.de<br />

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

Ich habe die <strong>atp</strong> <strong>edition</strong> abonniert<br />

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

Vorname Nachname<br />

Telefon<br />

Telefax<br />

Firma/Institution<br />

E-Mail<br />

Straße/Postfach<br />

Land, PLZ, Ort<br />

Hausnummer<br />

<br />

Ort, Datum, Unterschrift<br />

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

ausgewählten Unternehmen verarbeitet und genutzt, um Sie über Produkte und Dienstleistungen zu informieren.<br />

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

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

11 / 2012<br />

23


PRAXIS<br />

Produktion von Sammelheftern: Kosteneffizienter<br />

Sensor lässt falschen Bögen keine Chance mehr<br />

Integrierte Falschbogenerkennung macht Herstellung effizienter und spart Kosten<br />

SAMMELHEFTER MIT FALSCHBOGENERKENNUNG DER VOS412-BIS REIHE<br />

Steigende Kundenanforderungen und sinkende Margen<br />

zwingen auch die Industriebereiche rund um die<br />

Druckmedien zu immer mehr Effizienz und Wettbewerbsfähigkeit.<br />

Die Firma Hohner bietet <strong>für</strong> ihre Sammelhefter<br />

aus diesem Grund spezielle Falschbogenerkennungen<br />

an, die an den Anlegern die Druckbögen vor der<br />

Verarbeitung überprüfen. Diese Spezialsensoren nutzen<br />

moderne Bildverarbeitungstechnologien und bringen die<br />

Sammelhefter einen Schritt näher heran an die Null-<br />

Fehler-Produktion.<br />

MASCHINEN ZUR BROSCHÜRENHEFTUNG<br />

Die Hohner Maschinenbau GmbH ist ein Spezialist <strong>für</strong><br />

die Herstellung von Maschinen zur Broschürenheftung<br />

und Druckweiterverarbeitung in der industriellen Buchbinderei.<br />

Zur Produktpalette gehören Schmalheftköpfe,<br />

Drahtheftmaschinen und Sammelhefter vom unteren bis<br />

zum mittleren Leistungsbereich. Mit seiner Heftkopf-<br />

Technologie hat sich das Unternehmen bezüglich Qualität<br />

und Zuverlässigkeit weltweit etabliert. Neben der<br />

konventionellen Drahtheftung spielen auch die DIGI-<br />

Finisher-Lösungen <strong>für</strong> die digitale Weiterverarbeitung<br />

seit Jahren eine zunehmende Rolle. Sowohl die Verarbeitung<br />

einzelner Digitaldruckbögen als auch die Inline-<br />

Produktion von Digitaldruckrollen ist mit der entsprechenden<br />

Hybrid-Anlage möglich, die sich zwischen dem<br />

klassischen Sammelhefter und der Digitaldruck-Weiterverarbeitung<br />

positioniert.<br />

Zum Produktbereich der Sammelhefter gehören die<br />

Maschinen mit der Bezeichnung HSB 8000 und HSB<br />

13.000. Letztere stellt das derzeitige Flagschiff des Tuttlinger<br />

Herstellers dar und zeichnet sich durch einen sehr<br />

hohen Automatisierungsgrad und große Bedienerfreundlichkeit<br />

aus. Ein modularer Aufbau der neuen HSB-Gernerationen<br />

erlaubt die Ausrichtung auf die jeweiligen<br />

Kundenwünsche und ermöglicht Konfigurationen bis<br />

zur vollautomatisierten Sammelhefterlösung. Zu den<br />

Besonderheiten zählen unter anderem ein topaktuelles<br />

Motion-Control-Antriebskonzept sowie eine Steuerung<br />

mit integrierter Betriebsdatenerfassung und Fernwartungsmöglichkeiten<br />

über Videokonferenz.<br />

SENSOREN ERKENNEN FALSCHBÖGEN<br />

Die Systemkomponenten sind über motorische Verstellungen<br />

umfassend in das Automatisierungskonzept integriert,<br />

sodass beispielsweise sämtliche Parameter einmal<br />

ausgeführter Aufträge jederzeit auf Knopfdruck<br />

wiederherstellbar sind. Formatumstellungen bis DIN A3<br />

24<br />

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

11 / 2012


Unser<br />

Know-how <strong>für</strong> Sie<br />

27. bis 29. November 2012<br />

Düsseldorf<br />

Halle 03 · Stand D53<br />

SICHERE FALSCHBOGENERKENNUNG mit den Vision-Sensoren<br />

Vos412-Bis und Bis510. Bilder: Pepperl+Fuchs<br />

weltweit<br />

SAMSON GROUP SAMSON GROUP SAMSON<br />

Übergröße lassen sich bei kleinen Auflagen mit geringem<br />

Personaleinsatz rationell und zügig bewältigen. Für den<br />

kleineren Bereich kleinerer Leistungen ist der Sammelhefter<br />

vom Typ HSB 8.000 prädestiniert.<br />

Damit die Hohner-Maschinen ihre Vorteile in der Praxis<br />

ausspielen können, müssen die Druckbögen fehlerfrei<br />

und korrekt sortiert zugeführt werden. Geschehen dabei<br />

Fehler, kommt es zu Ausschussproduktion wenn Seiten<br />

fehlen, doppelt vorkommen, leer sind oder vertauscht<br />

geheftet sind. Ebenso unangenehm ist es <strong>für</strong> das verantwortliche<br />

Unternehmen, wenn Seiten auf dem Kopf stehen,<br />

weil ein Papierstapel versehentlich verkehrt herum<br />

eingelegt worden ist.<br />

Hohner bietet <strong>für</strong> seine Sammelhefter daher als Option<br />

leistungsfähige Falschbogenerkennungssensoren auf der<br />

Basis moderner Bildverarbeitungstechnologie an. Bei<br />

den von Pepperl+Fuchs entwickelten Sensoren VOS412-<br />

BIS und BIS510 handelt es sich um Vision-Sensoren, die<br />

speziell <strong>für</strong> die Aufgabe der Falschbogenerkennung optimiert<br />

sind. Die Geräte erfassen das Zielobjekt mit hochauflösenden<br />

752 x 480 Pixeln und detektieren somit<br />

kleinste Unterschiede im Druckbild.<br />

Zur Identifikation der Druckbögen gibt es verschiedene<br />

Möglichkeiten, entweder unmittelbar über das Druck-<br />

GROUP SAMSON GROUP<br />

GROUP<br />

A01128DE<br />

SAMSON AG · MESS- UND REGELTECHNIK<br />

Weismüllerstraße 3<br />

60314 Frankfurt am Main<br />

Telefon: 069 4009-0 · Telefax: 069 4009-1507<br />

E-Mail: samson@samson.de · www.samson.de<br />

SAMSON GROUP · www.samsongroup.net<br />

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

11 / 2012<br />

25<br />

SAMSON<br />

SAMSON GROUP SAMSON<br />

GROUP SAMSON GROUP SAMSON GROUP SAMSON<br />

GROUP SAMSON GROUP GROUP<br />

SAMSON GROUP SAMSON GROUP SAMSON<br />

GROUP<br />

GROUP SAMSON GROUP<br />

GROUP<br />

SAMSON GROUP SAMSON<br />

SAMSON<br />

SAMSON GROUP SAMSON GROUP


PRAXIS<br />

bild oder anhand von Barcodes, die am Rand beziehungsweise<br />

oben oder unten auf dem Bogen aufgedruckt sind.<br />

Da alle notwendigen Komponenten wie Kamera, LED-<br />

Beleuchtung und Auswerteeinheit im selben Gehäuse<br />

platzsparend untergebracht sind, verhalten sich die<br />

Falschbogenerkennungen, trotz komplexen Innenlebens,<br />

nach außen hin wie herkömmliche Sensoren. So gestaltet<br />

sich einerseits die Bedienung und Handhabung der<br />

Vision-Sensoren einfach, und andererseits sind die Systeme<br />

über ihren Triggereingang sowie Schaltausgang gut<br />

in das Steuerungs- und Automatisierungskonzept der<br />

Heftanlagen integrierbar. Die kompakten Abmessungen<br />

sorgen <strong>für</strong> eine gute mechanische Anpassung.<br />

QUALITÄTSSICHERUNG BEI KURZEN UMRÜSTZEITEN<br />

Die Falschbogenkontrolle ist nun in der Lage, die Bogenfolge<br />

anhand des Druckbildes zu überwachen. Hierzu lernt<br />

das System den ersten Bogen automatisch ein und vergleicht<br />

ihn anschließend mit den nachfolgenden Seiten.<br />

Beim Teach-Vorgang ermittelt die Auswerteeinheit selbstständig<br />

die <strong>für</strong> die bestmögliche Bildqualität optimalen<br />

Aufnahmeparameter. Das aufgenommene Referenzbild<br />

wird im nichtflüchtigen Speicher des Sensors abgelegt, sodass<br />

es auch im stromlosen Zustand nicht verloren geht.<br />

Von dieser automatischen und unkomplizierten Einlern-<br />

Methode profitieren die genannten Maschinenfunktionen<br />

zum schnellen Wechseln von Druckformaten. Insbesondere<br />

wird dazu kein besonderes Know-how des Bedienpersonals<br />

verlangt, das heißt, auch angelernte Mitarbeiter können<br />

diese Arbeiten übernehmen.<br />

Für den Einsatz in seinen Sammelheftern hat sich der<br />

Tuttlinger Maschinenspezialist <strong>für</strong> den VOS412-BIS entschieden.<br />

Diese Ausführung zeichnet sich durch ein robustes<br />

Zink-Druckguss-Gehäuse aus. Während des Produktivbetriebs<br />

erhält der Sensor von einem separaten<br />

optischen Taster ein Triggersignal, erfasst den Druckbogen<br />

und vergleicht die Informationen mit der eingelernten Referenz.<br />

Der Schaltausgang stellt das Ergebnis anschließend<br />

als eindeutige Gut-Schlecht-Information der Maschinensteuerung<br />

zur Verfügung. Der gesamte Vorgang läuft blitzschnell<br />

im Arbeitstakt des Sammelhefters ab, wobei die<br />

Vision-Sensoren Geschwindigkeiten von 4 m/s beziehungsweise<br />

10 Bögen/s unterstützen. Damit besteht auch<br />

noch genügend Reserve <strong>für</strong> zukünftige Anwendungen,<br />

etwa wenn Hohner leistungsstärkere Anlagen anbieten<br />

wird.<br />

Im Barcode-Lesemodus verarbeiten die Sensoren zur<br />

Falschbogenerkennung alle in der grafischen Industrie<br />

benutzten Codes wie etwa 2/5 interleaved, Code 39 und<br />

Code 128 A, B, C sowie Pharmacode. Außerdem spielt es<br />

keine Rolle ob die Codes horizontal oder vertikal ausgerichtet<br />

sind.<br />

Neu bei den Falschbogensensoren von Pepperl+Fuchs<br />

sind die Erkennung von Bogensequenzen und die Lesung<br />

von sehr langen Barcodes. Bogensequenzen können automatisch<br />

eingelernt und verglichen werden. Diese Funktion<br />

ermöglicht den Einsatz der Falschbogensensoren in Maschinen,<br />

in denen unterschiedliche Bögen an einer Stelle<br />

verglichen werden sollen wie etwa in vertikalen Zusam-<br />

mentragmaschinen. Sollte es sich einmal um besonders<br />

umfangreiche Codes handeln, die größer sind als der Erfassungsbereich<br />

eines Bildes, kommt die Multiaufnahmefunktion<br />

zum Einsatz, die das Zusammensetzen mehrerer<br />

Code-Fragmente erlaubt. Den zu erkennenden Code lernt<br />

man entweder ein oder parametriert ihn manuell.<br />

VISUALISIERUNG AUF EINEM NETBOOK ERMÖGLICHT<br />

Zur Bedienung und Parametrierung der Sensoren dient<br />

derzeit die Software „BIS-Visualizer“ auf einem Netbook.<br />

Auf dem Bildschirm werden die in den jeweiligen Stationen<br />

eingelernten Bilder angezeigt und ebenso die erkannten<br />

Falschbögen. Durch Vergleich mit dem Referenzbild<br />

kann der Anwender mögliche Fehlerursachen schnell<br />

identifizieren. Die Entwickler arbeiten daran, die Bedienung<br />

der Falschbogenerkennung und die Anzeige der Bilder<br />

auch vom zentralen Touchscreen aus zu realisieren.<br />

Über Letzteren lassen sich nahezu alle Maschinenkomponenten<br />

vollgrafisch und in Farbe bedienen. Die Ausrüstung<br />

der Sammelhefter mit den Falschbogenerkennungen<br />

von Pepperl+Fuchs liefert dem Anwender somit ein derzeit<br />

maximal erhältliches Maß an Prozesssicherheit.<br />

AUTOREN<br />

Hohner Maschinenbau GmbH,<br />

Gänsäcker 19,<br />

D-78532 Tuttlingen,<br />

Tel. +49 (0) 7462 946 80,<br />

E-Mail: info@hohner-postpress.com<br />

Dipl.-Ing. (FH) RICHARD<br />

BÜRK ist Leiter Technik bei<br />

der Hohner Maschinenbau<br />

GmbH.<br />

Dr.-Ing. TIM WEIS ist<br />

Produktmanager Indus trial<br />

Vision Components<br />

im Geschäftsbereich<br />

Fabrikautomation der<br />

Pepperl+Fuchs GmbH.<br />

Pepperl+Fuchs GmbH,<br />

Lilienthalstraße 200,<br />

D-68307 Mannheim,<br />

Tel. +49 (0) 621 776 42 76,<br />

E-Mail: tweis@de.pepperl-fuchs.com<br />

26<br />

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

11 / 2012


Sprechstunde<br />

3. Explosionsschutz-Sprechstunde<br />

Explosionsschutz<br />

14. + 15.11.2012, Mannheim, Pepperl+Fuchs GmbH<br />

www.explosionsschutz-sprechstunde.de<br />

§ 12<br />

BetrSichV<br />

Programm<br />

Moderation: Dr. Andreas Hildebrandt,<br />

Pepperl+Fuchs GmbH<br />

Wann und Wo?<br />

Typische Fehler bei unterschiedlichen<br />

Zündschutzarten<br />

Der korrekte Nachweis der Eigensicherheit<br />

Fachgerechte Reparatur und Prüfung von<br />

explosionsgeschützten Betriebsmitteln<br />

Anforderungen an die funktionale Sicherheit<br />

beim Explosionsschutz<br />

Referenten<br />

Wolfgang Gohm<br />

Extronic Gohm Consulting<br />

Dr. Andreas Hildebrandt, Gerhard Jung,<br />

Michael Wenglorz, Thomas Westers<br />

Pepperl+Fuchs GmbH<br />

Stefanie Klein<br />

DSM Nutritional Products, Grenzach-Wyhlen<br />

Arnold Staedel<br />

TÜV SÜD Industrie Service GmbH – Niederlassung Nürnberg<br />

Reinhard Wilkens<br />

PTB<br />

Dr. Michael Wittler<br />

Dekra Exam<br />

Fragen Sie!<br />

Die Explosionsschutz-Sprechstunde gibt Ihnen ausreichend<br />

Gelegenheit, Ihre individuellen Fragen zu stellen und offen<br />

mit den praxiserfahrenen Referenten zu diskutieren.<br />

Stellen Sie Ihre Fragen rechtzeitig unter<br />

www.explosionsschutz-sprechstunde.de.<br />

Termin<br />

Mittwoch, 14.11.2012<br />

Veranstaltung (11:30 – 17:30 Uhr)<br />

„Get-Together“ mit Abendessen (ab 18:30 Uhr)<br />

Donnerstag, 15.11.2012<br />

Veranstaltung (9:00 – 15:00 Uhr)<br />

Ort<br />

Mannheim, Pepperl+Fuchs GmbH<br />

Thema<br />

Installation und Betrieb<br />

explosionsgeschützter Anlagen<br />

Teilnahmegebühr<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong>-Abonnenten<br />

Firmenempfehlung<br />

540 € zzgl. MwSt<br />

590 € zzgl. MwSt<br />

reguläre Teilnahmegebühr 690 € zzgl. MwSt<br />

Frühbucherrabatt 100 €<br />

auf alle Tarife bei Anmeldung bis 28.10.2012<br />

Studenten (Universität, Fachhoch-/Duale Hochschule)<br />

nehmen gratis teil<br />

(Vorlage des Studentenausweises bei der Anmeldung)<br />

Im Preis enthalten sind die Tagungsunterlagen<br />

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

„Get-Together“ mit Abendessen).<br />

Veranstalter<br />

Weitere Informationen und Online-Anmeldung unter<br />

www.explosionsschutz-sprechstunde.de<br />

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

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ausgewählten Unternehmen verarbeitet und genutzt, um Sie über Produkte und Dienstleistungen zu informieren.<br />

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

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

11 / 2012<br />

27


HAUPTBEITRAG<br />

<strong>Instandhaltungsstrategien</strong> <strong>für</strong><br />

<strong>PLT</strong>-<strong>Schutzeinrichtungen</strong><br />

Rechnergestützt optimale Prüfstrategien ermitteln<br />

Eine Methode zur Bestimmung von kostenoptimalen <strong>Instandhaltungsstrategien</strong> <strong>für</strong> einkanalige<br />

<strong>PLT</strong>-<strong>Schutzeinrichtungen</strong> wird in diesem Beitrag vorgestellt. Mit ihr lassen sich<br />

<strong>Instandhaltungsstrategien</strong> <strong>für</strong> vorgegebene Unverfügbarkeitsanforderungen ermitteln. Die<br />

<strong>Instandhaltungsstrategien</strong> setzen sich aus Haupt- und Teilwiederholungsprüfungen mit<br />

unvollständiger Prüfabdeckung, wie dem Teilhubtest bei Aktoren, zusammen. Eine praktische<br />

Fallstudie demonstriert die Wirksamkeit der Methode.<br />

SCHLAGWÖRTER Funktionale Sicherheit / <strong>PLT</strong>-<strong>Schutzeinrichtungen</strong> / Instandhaltung /<br />

Wiederholungsprüfungen<br />

Determining optimal prooftest strategies for Safety Instrumented Systems<br />

A procedure to determine cost-optimal maintenance strategies for single channel Safety<br />

Instrumented Systems’ (SIS) is presented in this work. Maintenance strategies are derived<br />

for predefined unavailability requirements. The maintenance strategies are composed of<br />

main prooftest and partial prooftest (e.g. partial stroke test of final elements) with incomplete<br />

prooftest coverage. The presented procedure is demonstrated in a practical case<br />

study.<br />

KEYWORDS Functional safety / safety instrumented systems / maintenance / prooftests<br />

28<br />

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

11 / 2012


KONSTANTIN MACHLEIDT, LOTHAR LITZ, TU Kaiserslautern<br />

<strong>PLT</strong>-<strong>Schutzeinrichtungen</strong> (Safety Instrumented<br />

Systems – SIS) werden in der chemischen Industrie<br />

und in der Prozessindustrie eingesetzt,<br />

um potenziell unsichere Produktionsprozesse<br />

sicher zu machen. Bei Fehlern von SIS können<br />

gefährliche Prozesszustände nicht sicher beherrscht<br />

werden. Die internationalen Normen [1] und [2] definieren<br />

sicherheitstechnische Anforderungen an SIS. Die<br />

hohe Verfügbarkeit von SIS reduziert das Risiko gefährlicher<br />

Prozesszustände. Dabei spielt die Instandhaltung<br />

eine wichtige Rolle, um die hohe Verfügbarkeit zu<br />

gewährleisten.<br />

Die sicherheitstechnischen Anforderungen an SIS werden<br />

unter Verwendung unterschiedlicher Konfigurationen<br />

(zum Beispiel Hardware-Fehlertoleranz, Instrumentierung)<br />

und unterschiedlicher <strong>Instandhaltungsstrategien</strong><br />

erfüllt. Betriebstechnische Anforderungen (beispielsweise<br />

niedrige Lebenszykluskosten von SIS, hohe betriebstechnische<br />

Verfügbarkeit, niedrige Instand haltungskosten)<br />

lassen sich durch die Nutzung vorhandener Freiheitsgrade<br />

berücksichtigen. In [3] werden Konfigurationen von SIS<br />

mit minimalen Lebenszykluskosten <strong>für</strong> spezifizierte sicherheitstechnische<br />

Anforderungen bestimmt. In [4] und<br />

[5] wird eine formelle Methode zum automatischen optimierten<br />

Entwurf von SIS beschrieben. In [6] wird gezeigt,<br />

dass Wiederholungsprüfungen mit unvollständiger Prüfabdeckung<br />

die Verfügbarkeit von SIS beeinflussen und<br />

berücksichtigt werden müssen. Dies lässt sich mit den<br />

Methoden aus [7] und [8] mit der Vorarbeit aus [9] realisieren.<br />

Die SIS-Unverfügbarkeit <strong>für</strong> beliebige <strong>Instandhaltungsstrategien</strong><br />

und Wiederholungsprüfungen mit unvollständiger<br />

Prüfabdeckung kann so bestimmt werden. Die<br />

Aufgabenstellung der anfor derungsgerechten Ermittlung<br />

von <strong>Instandhaltungsstrategien</strong> lässt sich mit diesen Methoden<br />

nur iterativ lösen. In [10] und [12] wird <strong>für</strong> dieses<br />

Problem eine alternative Lösung präsentiert. Diese Lösung<br />

ist das Thema des Artikels.<br />

Es geht dabei um Strategien von Wiederholungsprüfungen.<br />

Diese setzen sich aus Haupt (HP)- und Teilwiederholungsprüfungen<br />

(TP) zusammen. Die HP bieten<br />

höhere Prüfabdeckung, erfordern aber da<strong>für</strong> mehr Aufwand<br />

und beeinträchtigen meist den Produktionsprozess.<br />

Zur Durchführung der HP muss der Produktionsbetrieb<br />

in der Regel unterbrochen werden. Die TP erfordern<br />

dagegen keine Unterbrechungen der Produktion<br />

und benötigen weniger Aufwand bei kleinerer Prüfabdeckung.<br />

Es lässt sich nur eine Teilmenge der Fehler<br />

erkennen, die bei einer HP erkannt werden können.<br />

Durch die Anwendung der TP wird die benötigte Anzahl<br />

der HP und damit der Produktionsstillstände bei gleicher<br />

Unverfügbarkeit des SIS reduziert.<br />

In der Industrie finden Teilprüfungen in SIS bereits Anwendung<br />

in Eingangs- und Ausgangsteilsystemen. Der<br />

Teilhubtest (Partial Stroke Test) wird bei Aktoren angewandt,<br />

und bei Sensoren werden ebenfalls Teilprüfungen<br />

durchgeführt. Teilhubtests von Aktoren werden in [11]<br />

behandelt. Dieser Beitrag beschreibt eine Methode, um<br />

kostenoptimale <strong>Instandhaltungsstrategien</strong>, zusammengesetzt<br />

aus Haupt- und Teilwiederholungsprüfungen, zu<br />

bestimmen.<br />

1. MODELLIERUNG VON <strong>PLT</strong>-SCHUTZEINRICHTUNGEN<br />

1.1 PFD-Modell<br />

Die sicherheitstechnische Güte von SIS wird durch Unverfügbarkeit<br />

(Probability of Failure on Demand – PFD)<br />

bewertet. Die zeitabhängige PFD ist definiert als<br />

PFD() t = P( System ist zur Zeit t nicht funktionsfähig ) (1)<br />

Die <strong>für</strong> den Sicherheits-Integritätslevel (SIL) relevante<br />

Größe PFD avg<br />

wird als Mittelwert der zeitabhängigen<br />

PFD(t) über dem Zeitintervall [0,T L<br />

] von Inbetriebnahme<br />

bis zur Stilllegung des SIS ermittelt<br />

T L<br />

1<br />

PFDavg<br />

= PFD t dt<br />

T<br />

∫ ()<br />

L 0<br />

Die Unverfügbarkeitsfunktion PFD(t) quantifiziert den<br />

Einfluss der Ausfallprozesse bedingt durch stochas-<br />

(2)<br />

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

11/ 2012<br />

29


HAUPTBEITRAG<br />

tische gefährliche Fehler sowie den Einfluss zugehöriger<br />

Reparaturprozesse. Die gefährlichen Fehler teilen sich<br />

auf in erkannte passive (Dangerous Detected), unerkannte<br />

passive (Dangerous Undetected) und nicht-detektierbare<br />

Fehler (Dangerous Non-detectable). Diese Fehlerarten<br />

führen zu unterschiedlichen Reparaturprozessen.<br />

Die erkannten passiven Fehler werden durch einen zeitlich<br />

unmittelbar anschließenden, stochastischen Reparaturprozess<br />

behoben. Die unerkannten Fehler werden<br />

bei deterministisch durchgeführten Wiederholungsprüfungen<br />

entdeckt und repariert. Die nicht-detektierbaren<br />

Fehler bleiben über die komplette Lebensdauer des SIS<br />

unentdeckt und können nicht repariert werden. Die Zeiten<br />

bis zum Auftreten der Fehler sowie die Reparaturzeit<br />

der stochastischen Reparaturprozesse sind exponentialverteilt.<br />

Die PFD(t) berechnet sich mittels Überlagerung<br />

der Einflüsse stochastisch unabhängiger, gefährlicher<br />

Fehler. Der Einfluss von Wiederholungsprüfungen wird<br />

zunächst nicht berücksichtigt, die Unverfügbarkeitsfunktion<br />

ergibt sich da<strong>für</strong> als<br />

PFD () t ≈ PFD () t + PFD () t + PFD () t (3)<br />

UNM DU DD DN<br />

In Gleichung (3) quantifiziert PFD DU<br />

(t) den Einfluss der<br />

unerkannten passiven Fehler mit Reparaturen bei Wiederholungsprüfungen,<br />

PFD DD<br />

(t) den Einfluss der erkannten<br />

passiven Fehler mit sofort erfolgender Reparatur und<br />

PFD DN<br />

(t) bezeichnet den Beitrag der nicht-detektierbaren<br />

Fehler. Die Summanden in Gleichung (3) berechnen sich<br />

<strong>für</strong> linear approximierte Exponentialfunktionen und<br />

einkanalige SIS nach<br />

λ<br />

PFDDU () t ≈λdut, PFDDD<br />

() t ≈ dd , PFDDN<br />

() t ≈ λ dn<br />

λ<br />

t. (4)<br />

+ μ<br />

Die Parameter der Gleichungen (4) umfassen die Rate der<br />

unerkannten passiven Fehler λ du<br />

, die Rate der erkannten<br />

passiven Fehler λ dd<br />

, die Reparaturrate der erkannten passiven<br />

Fehler μ dd<br />

und die Rate der nicht-detektierbaren<br />

Fehler λ dn<br />

. Damit ergibt sich die mittlere Unverfügbarkeit<br />

PFD avgUNM eines einkanaligen SIS-Teilsystems ohne Wiederholungsprüfungen<br />

zu<br />

dd<br />

1 λ<br />

PFD T dd 1<br />

T . (5)<br />

avgUNM = λdu L + + λdn L<br />

2 λdd<br />

+ μdd<br />

2<br />

Die einzelnen Anteile der PFD(t) eines SIS-Teilsystems<br />

ohne Wiederholungsprüfungen zeigt Bild 1. Die erkannten<br />

passiven Fehler sowie deren Reparaturen liefern einen<br />

konstanten Beitrag. Der Einfluss von den unerkannten<br />

passiven und nicht-detektierbaren Fehlern steigt in<br />

Abhängigkeit der Zeit t linear an. Dabei berechnet sich<br />

PFD avgUNM aus der Fläche unter dem PFD UNM<br />

(t)-Graphen<br />

gemittelt über die Einsatzzeit T L<br />

.<br />

1.2 Prüfstrategie und Wiederholungsprüfung<br />

dd<br />

Die Wiederholungsprüfungen von SIS stellen deterministische<br />

Ereignisse dar und verursachen Unstetigkeiten<br />

in der PFD(t). Im Beitrag werden mehrere unterschiedliche<br />

Wiederholungsprüfungen eines SIS-Teilsystems<br />

betrachtet. Eine Prüfstrategie ST umfasst j verschiedene<br />

Wiederholungsprüfungen PT j<br />

als<br />

ST : PT1 ,..., PT j<br />

(6)<br />

= { }<br />

Eine Wiederholungsprüfung PT j<br />

wird formalisiert als<br />

PT : T ,..., T ,..., T , T , T<br />

= { } ∈[ ]<br />

j j1 ji jk ji 0 L<br />

mit T ji<br />

als Zeitpunkt der i-ten Durchführung der Wiederholungsprüfung<br />

j.<br />

Unter Berücksichtigung der Wiederholungsprüfungen<br />

ergibt sich die mittlere Unverfügbarkeit PFD avgMAINT<br />

als<br />

PFD<br />

avgMAINT<br />

IPFD<br />

= PFDavgUNM<br />

−<br />

T<br />

ST<br />

L<br />

PFD avgUNM ist die mittlere Unverfügbarkeit ohne Wiederholungsprüfungen.<br />

Nach Gleichung (8) wird PFD avgUNM<br />

durch den von der Prüfstrategie abhängigen Term<br />

IPFD ST<br />

/T L<br />

reduziert. Die Anforderung aus dem Sicherheits-Integritätslevel<br />

(SIL) an die mittlere Unverfügbarkeit<br />

des SIS-Teilsystems liefert die Ungleichung<br />

PFD PFD , (9)<br />

avgMAINT avgSET<br />

mit dem Grenzwert PFD avgSET .<br />

Unter Verwendung dieser Formalismen lässt sich der<br />

Einfluss von Wiederholungsprüfungen auf die Unverfügbarkeit<br />

von SIS quantitativ erfassen.<br />

1.3 Einfluss einer Wiederholungsprüfung<br />

Im Rahmen der betrachteten Wiederholungsprüfung PT j<br />

werden die unerkannten passiven Fehler mit der Rate<br />

λ du detektiert und repariert. Dabei werden die Zeiten der<br />

Unverfügbarkeit von SIS wegen Reparaturen der unerkannten<br />

passiven Fehler im Folgenden vernachlässigt.<br />

Für Wiederholungsprüfungen mit einer beliebigen<br />

Anzahl der Prüfzeitpunkte Tji<br />

, i ! " 1,..., nj,, ergibt sich<br />

IPFD ST<br />

aus Gleichung (8) zu<br />

n j<br />

IPFDST = λ du∑( Tji −Tji−1)( TL − Tji<br />

),<br />

Tj0 = 0 . (10)<br />

i=<br />

1<br />

1.4 Einschränkung auf äquidistante Prüfzeiten<br />

Die Einschränkung der Wiederholungsprüfungen auf<br />

äquidistante Prüfzeiten wird durch die Forderung nach<br />

effizienten Prüfstrategien gerechtfertigt. Der Einfluss<br />

von Prüfungen auf mittlere PFD wird durch IPFD ST<br />

in<br />

Gleichung (8) quantifiziert. Für eine Wiederholungsprüfung<br />

PT j mit der Anzahl n j der Prüfzeitpunkte<br />

Tji<br />

, i ! " 1,..., nj,, ist IPFD ST<br />

dann maximal, wenn die<br />

T ji<br />

äquidistant über das Intervall [0,T L<br />

] vorgegeben sind.<br />

(7)<br />

(8)<br />

30<br />

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

11 / 2012


PF<br />

D<br />

PF<br />

DUN<br />

M ( t)<br />

PF<br />

Davg<br />

UN<br />

M<br />

PF<br />

DDD<br />

( t) PF<br />

DDN<br />

( t)<br />

PF<br />

DDD<br />

( t)<br />

T L t<br />

BILD 1: PFD(t) eines SIS-Teilsystems ohne Wiederholungsprüfungen<br />

PF<br />

D<br />

PF<br />

Davg<br />

UN<br />

M<br />

PF<br />

Davg<br />

MAIN<br />

T<br />

T21<br />

IP<br />

FD S<br />

T 11<br />

T22<br />

T L<br />

PF<br />

D( t)<br />

PF<br />

DDD<br />

( t) PF<br />

DDN<br />

( t)<br />

PF<br />

DDD ( t )<br />

t<br />

BILD 2: PFD(t) eines SIS-Teilsystems mit HP und TP<br />

Dabei gilt<br />

Tji − Tji−1 = TI j , Tji <strong>für</strong> alle i∈{ 1,..., nj} , Tj0<br />

= 0 (11)<br />

Der resultierende Verlauf von PFD(t) enthält Unstetigkeiten<br />

zu den Prüfzeitpunkten und lässt sich mit PFD UMD<br />

(t)<br />

aus Gleichung (3) formulieren als<br />

⎧⎪<br />

PFDUNM<br />

() t <strong>für</strong> 0 ≤t ≤Tj1<br />

PFD()<br />

t = ⎨<br />

⎩⎪ PFDUNM<br />

() t −i ⋅TI<br />

j ⋅ λ du <strong>für</strong> T ji ≤ t ≤ T ji + 1<br />

(12)<br />

IPFD ST<br />

lässt sich in geschlossener Form berechnen<br />

nach<br />

IPFD<br />

ST<br />

= λ<br />

2<br />

duTL<br />

n j<br />

2( n + 1)<br />

j<br />

(13)<br />

mit n j<br />

=(T L<br />

-TI j<br />

)/TI j<br />

als Anzahl der Prüfzeitpunkte der<br />

Wiederholungsprüfung PT j<br />

während der Einsatzzeit T L<br />

.<br />

Unter Berücksichtigung der Anforderung aus Ungleichung<br />

(9) ergibt sich die Ungleichung <strong>für</strong> n j<br />

zu<br />

n<br />

j<br />

2 ⋅( PFDavgUNM<br />

−PFDavgSET<br />

)<br />

≥<br />

λ T −2<br />

⋅( PFD −PFD<br />

) (14)<br />

du L avgUNM avgSET<br />

1.5 Haupt- und Teilwiederholungsprüfung<br />

Die bisher verwendeten Modelle zur Bestimmung von<br />

anforderungsgerechten Prüfstrategien werden erweitert,<br />

um Haupt (HP)- und Teilwiederholungsprüfungen (TP)<br />

zu berücksichtigen. Die HP wird als Wiederholungsprüfung<br />

PT 1<br />

und die TP als PT 2<br />

bezeichnet. Bei einer HP<br />

werden alle unerkannten passiven Fehler, die mit der<br />

Rate λ du<br />

auftreten, repariert. Während der TP wird lediglich<br />

die Teilmenge der unerkannten passiven Fehler mit<br />

λ 1 ( 2 ˂ λ du repariert. Wie zuvor, werden die Zeiten der<br />

Unverfügbarkeit von SIS wegen Reparaturen der unerkannten<br />

passiven Fehler im Folgenden vernachlässigt.<br />

Die Anzahl der Prüfzeitpunkte der TP n 2<br />

steht in einem<br />

festen Verhältnis zu der Anzahl der Prüfzeitpunkte der<br />

HP n 1<br />

, es gilt<br />

n = m⋅ n + m mit m∈N (15)<br />

2 1 0<br />

Damit berücksichtigt das resultierende mathematische<br />

Modell äquidistante Prüfzeitpunkte der HP in dem Intervall<br />

der Einsatzzeit [0,T L<br />

] und äquidistante Prüfzeitpunkte<br />

der TP über die Intervalle der HP [T 1j -1 ,T 1j ], mit<br />

j!#1,...,n 1<br />

-, T jo<br />

= 0. Diese Einschränkung stellt sicher, dass<br />

die Wiederholungsprüfungen maximal effektiv sind und<br />

die größtmögliche Reduktion der mittleren PFD bewirken.<br />

Gleichzeitig wird es damit möglich, <strong>für</strong> eine geforderte<br />

PFD-Reduktion die anforderungs gerechten Prüfstrategien<br />

zu berechnen.<br />

Der Verlauf von PFD(t) ergibt sich zu<br />

⎧ PFDUNM<br />

() t<br />

⎪<br />

⎪ <strong>für</strong> 0 ≤ t ≤ T21<br />

⎪ PFDUNM<br />

() t −i ⋅TI2⋅λ<br />

1∩<br />

2<br />

PFD()<br />

t = ⎨<br />

⎪ <strong>für</strong> T2i<br />

≤t ≤T2i<br />

+ 1 und t ≤ T11<br />

⎪PFD UNM () t − j ⋅TI1⋅λdu<br />

-i ⋅TI2⋅<br />

λ1∩2<br />

⎪<br />

⎩⎪ <strong>für</strong> T2i ≤t ≤T2i+ 1 und T1j ≤t ≤T1j+ 1 (16)<br />

mit TI 1 =T 1i –T 1i–1 und TI 2 =T 21 . Die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden<br />

Durchführungen der TP beträgt bei<br />

zeitlicher Überschneidung mit der Durchführung der<br />

HP die doppelte Intervalldauer TI 2<br />

.<br />

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

11/ 2012<br />

31


HAUPTBEITRAG<br />

IPFD ST<br />

aus Gleichung (8) wird berechnet nach<br />

⎛<br />

⎞<br />

⎜<br />

⎟<br />

2 n<br />

n<br />

IPFDST = T ⎜<br />

L λ 1<br />

du + λ<br />

2 ⎟<br />

1∩2<br />

. (17)<br />

⎜ 2( n1<br />

+ 1) 2( n1<br />

+ 1)<br />

( n n )<br />

<br />

<br />

2 + 1+<br />

1 ⎟<br />

⎜<br />

<br />

<br />

⎟<br />

⎝ Beitrag von PT1<br />

Beitrag von PT2<br />

⎠<br />

IPFD<br />

T<br />

ST<br />

L<br />

≥ PFD − PFD =0,<br />

029<br />

avgUNM<br />

avgSET<br />

(22)<br />

Es wird T L<br />

=12 Jahre als die betrachtete Einsatzzeit des<br />

SIS angesetzt.<br />

In dieser Gleichung sind die Beiträge von PT 1<br />

und PT 2<br />

zur Reduktion der mittleren PFD gekennzeichnet.<br />

Damit ergibt sich n 2<br />

, die Anzahl der Prüfzeitpunkte<br />

der TP während der Einsatzzeit T L<br />

, in Abhängigkeit von<br />

n 1<br />

, der Anzahl der Prüfzeitpunkte der HP, als<br />

n1 2 2<br />

( + n1) λduTL − 2( n1+ 1) ( PFDavgUNM −PFDavgSET<br />

)<br />

n2<br />

≥<br />

2( n1<br />

+ 1)(<br />

PFDavgUNM −PFDavgSET ) − ( λdun1+ λ1 ∩ 2 ) TL<br />

(18)<br />

Die resultierenden Prüfstrategien ST = {PT 1<br />

,PT 2<br />

} mit HP<br />

und TP, welche die PFD Anforderung nach Gleichung (9)<br />

erfüllen, sind<br />

{ }<br />

PT1 = TI1,..., n1⋅TI<br />

1<br />

(19)<br />

{ } { ⋅ ⋅ = ⋅ ∈N}<br />

PT2 = TI2,...,( n2 + n1) ⋅TI2 \ i TI2 | i TI2 k TI1,<br />

k<br />

<strong>für</strong> n2 ≥ 0<br />

(20)<br />

Der resultierende Verlauf der PFD(t) eines einkanaligen<br />

SIS-Teilsystems mit HP und TP <strong>für</strong> n 1<br />

=1, n 2<br />

= 2 ist in Bild<br />

2 wiedergegeben.<br />

2. BEWERTUNG DER PRÜFSTRATEGIEN<br />

Die Kosten einer Prüfstrategie bestehend aus der<br />

HP mit n 1<br />

Prüfzeitpunkten und der TP mit n 2<br />

Prüfzeitpunkten<br />

werden durch die Kostenfunktion C(n 1<br />

,n 2<br />

)<br />

quantifiziert<br />

Cn ( , n)<br />

= C⋅ n+ C ⋅ n<br />

(21)<br />

1 2 1 1 2 2<br />

Dabei bezeichnet C 1<br />

die Kosten einer Durchführung der<br />

HP und C 2<br />

die Kosten einer Durchführung der TP.<br />

3. FALLSTUDIE<br />

3.1 SIS-Parameter und Vorgaben<br />

Es wird ein einkanaliges SIS-Teilsystem mit den Parametern<br />

in Tabelle 1 betrachtet. Da<strong>für</strong> werden Prüfstrategien<br />

bestimmt, welche die Unverfügbarkeitsanforderung<br />

PFD avgSET =0,01 nach Gleichung (9) erfüllen. Die<br />

in vorherigen Abschnitten definierten Arten von Wiederholungsprüfungen,<br />

HP und TP, werden angewandt.<br />

Die HP und TP <strong>für</strong> das betrachtete Teilsystem werden<br />

als PT 1 und PT 2 bezeichnet. Durch die Prüfstrategie<br />

muss die mittlere Unverfügbarkeit des SIS, PFD avgMAINT<br />

,<br />

auf einen Wert kleiner als PFD avgSET<br />

reduziert werden.<br />

Demnach müssen die gesuchten anfor derungsgerechten<br />

Prüfstrategien die folgende Ungleichung erfüllen<br />

3.2 Bestimmung der Prüfstrategien<br />

Es werden Prüfstrategien bestehend aus HP und TP <strong>für</strong><br />

die gegebenen Vorgaben und SIS-Parameter bestimmt. In<br />

Bild 3 sind unterschiedliche Prüfstategien als Dreiecke<br />

in Abhängigkeit von n 1<br />

und n 2<br />

, der Anzahl der Prüfzeitpunkte<br />

der HP und der TP, gegeben. Zulässige Prüfstrategien<br />

werden anhand der Ungleichung (18) in Abschnitt<br />

1.5 bestimmt. Die Ungleichung (18) definiert die Fläche<br />

über der roten Linie in Bild 3 und legt damit die zulässigen<br />

Prüfstrategien fest. Die zulässigen Prüfstrategien in<br />

Bild 3 erfüllen damit die vorgegebene Anforderung an<br />

die mittlere Unverfügbarkeit aus Gleichung (9). Zusätzlich<br />

muss das Verhältnis zwischen n 1<br />

und n 2<br />

einer Prüfstrategie<br />

der Bedingung aus Gleichung (15) genügen.<br />

Zu der Pareto-Front gehören diejenigen zulässige Prüfstrategien,<br />

welche die kleinsten zulässigen Werte von n 2<br />

<strong>für</strong> unterschiedliche n 1<br />

aufweisen und somit direkt über<br />

der roten Linie liegen. Die Pareto-optimalen Prüfstrategien<br />

sind als Tupel (n 1<br />

, n 2<br />

) in Tabelle 2 gegeben. Aus<br />

Bild 3 geht hervor, dass die Reduktion von n 1<br />

in der<br />

Regel einhergeht mit einer Erhöhung von n 2<br />

. Die Bedingung<br />

aus Gleichung (15) kann zu Abweichungen von<br />

dieser Regel führen, siehe die Pareto-optimalen Prüfstrategien<br />

ST 2<br />

und ST 3<br />

in Tabelle 2 und Bild 3. Es zeigt<br />

sich, dass <strong>für</strong> zunehmende Werte von n 1<br />

die n 2<br />

Werte<br />

der Pareto-optimalen Prüfstrategien bis auf Null abnehmen.<br />

Ab dann wird die definierte Unverfügbarkeitsanforderung<br />

allein durch die HP erreicht.<br />

Die Auswahl der betriebstechnisch vorteilhaftesten<br />

Prüfstrategie erfolgt gemäß der Kostenbewertung nach<br />

Gleichung (21). Die jeweils kostengünstigste Prüfstrategie<br />

hängt von dem Verhältniss der Kosten einer<br />

Durchführung der TP zu den Kosten einer Durchführung<br />

der HP, C 2<br />

/C 1<br />

, ab. Dieser Zusammenhang ist in Bild<br />

4 visualisiert. Für die Pareto-optimalen Prüfstrategien<br />

sind die resultierenden Kosten, C/C 1<br />

(normiert auf C 1<br />

),<br />

über C 2<br />

/C 1<br />

aufgetragen. Für jede Prüfstrategie ergibt<br />

sich eine Gerade. Aufgrund der unterschied lichen Werte<br />

von n 2<br />

ergeben sich unterschiedliche Steigungen der<br />

Geraden. Die Zunahme der Kosten der Prüfstrategie bei<br />

einer Erhöhung der Kosten C 2<br />

/C 1<br />

hängt ab von n 2<br />

, der<br />

Anzahl der Durchführungen der TP. Der Schnittpunkt<br />

mit der y-Achse hängt von dem Wert n 1<br />

, der Anzahl der<br />

Durchführungen der HP der jeweiligen Prüfstrategie<br />

ab. Kostenoptimal <strong>für</strong> einen Anwendungsfall ist die<br />

Prüfstrategie, welche <strong>für</strong> einen vorgegebenen Wert von<br />

C 2<br />

/C 1<br />

die niedrigsten Kosten C liefert.<br />

Aus Bild 4 geht hervor, dass sich <strong>für</strong> die hier behandelte<br />

Fallstudie drei unterschiedliche kostenoptimale<br />

Prüfstrategien ergeben: <strong>für</strong> niedrige, <strong>für</strong> mittlere und <strong>für</strong><br />

hohe Werte von C 2 /C 1 . Die Ergebnisse werden nachfolgend<br />

beschrieben.<br />

32<br />

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

11 / 2012


Parameter λ du<br />

λ 1 (2<br />

λ dd<br />

λ dn<br />

μ dd<br />

1/T L<br />

Wert [h -1 ] 7,2·10 -7 5·10 -7 10·10 -7 0,15·10 -7 0,125 0,951·10 -7<br />

TABELLE 1: Parameter des analysierten SIS-Teilsystems<br />

ST 1<br />

ST 2<br />

ST 3<br />

ST 4<br />

n 1<br />

1 2 3 4<br />

n 2<br />

8 3 4 0<br />

TABELLE 2: Pareto-optimale Prüfstrategien<br />

BILD 3: Bestimmung der<br />

zulässigen Prüfstrategien und der<br />

Pareto-optimalen Prüfstrategien<br />

BILD 4: Kosten der Pareto-optimalen<br />

Prüfstrategien in Abhängigkeit von<br />

C 2<br />

/C 1<br />

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

11/ 2012<br />

33


HAUPTBEITRAG<br />

C<br />

Niedrige Kosten der TP: 0 #<br />

2<br />

C<br />

1 0,2<br />

1<br />

Für den Fall von niedrigen Kosten der TP werden Prüfstrategien<br />

mit einer großen Anzahl an Durchführungen<br />

der TP und möglichst kleiner Anzahl an Durchführungen<br />

der HP bevorzugt. In diesem Fall ist (n 1 ,n 2 ) = (1,8). Die kostengünstigste<br />

Prüfstrategie ergibt sich als ST 1 ={PT 1 , PT 2 }<br />

mit PT 1 ={TI 1 } und<br />

PT 2 ={TI 2 ,2·TI 2 ,3·TI 2 ,4·TI 2 ,6·TI 2 ,7·TI 2 ,8·TI 2 ,9·TI 2 ,} <strong>für</strong><br />

TI = 52560 h, TI 1 2 = 10512 h.<br />

C<br />

Mittlere Kosten der TP: 0,2 #<br />

C<br />

2<br />

1<br />

Liegen die Kosten der TP in dem angegebenen mittleren<br />

Bereich, dann ergibt sich als kostengünstigste Prüfstrategie<br />

(n 1<br />

,n 2 ) = (2,3). Das bedeutet ST 2 ={PT 1 , PT 2 } mit<br />

PT 1 ={TI 1 ,2· TI 1 }, PT 2={TI 2 ,3· TI 2 ,5· TI 2 } und mit den Intervallen<br />

TI = 35040 h, TI 1 2 = 17520 h.<br />

2 C2<br />

Hohe Kosten der TP: 3<br />

#<br />

C1<br />

Für den Fall von hohen Kosten der TP werden Prüfstrategien<br />

ohne TP bevorzugt. Als kostengünstigste Prüfstrategie<br />

ergibt sich da<strong>für</strong> ST 4 ={PT 1 , PT 2 } und (n 1 ,n 2 ) = (4,0). Das<br />

re sultierende Prüfintervall beträgt TI 1 = 21024 h <strong>für</strong> die<br />

zuge hörigen Prüfungen PT 1 ={PT 2 ={TI 1 ,2· TI 1 ,3 · TI 1 ,4},<br />

PT 2<br />

={ }.<br />

1<br />

2<br />

3<br />

FAZIT<br />

Mit der beschriebenen Methode zur Bestimmung von<br />

kostenoptimalen Prüfstrategien <strong>für</strong> einkanalige SIS<br />

werden <strong>für</strong> vorgegebene Parameter von SIS kostenoptimale<br />

Prüfstrategien bestehend aus zwei Typen von Wiederholungsprüfungen<br />

ermittelt. Die Hauptprüfungen<br />

zeichnen sich durch höhere Prüfabdeckung und höheren<br />

Prüfaufwand aus, die Teilprüfungen haben niedrigere<br />

Prüfabdeckung und benötigen geringeren Prüfaufwand.<br />

Die Auswirkungen von nicht-entdeckbaren Fehlern<br />

werden berücksichtigt. Es wurde gezeigt, dass die<br />

kostenoptimale Prüfstrategie von dem Verhältnis der<br />

Kosten der Hauptprüfung zu den Kosten der Teilprüfung<br />

abhängt. Deshalb werden durch Teilprüfungen die<br />

Prüfintervalle der Hauptprüfungen verlängert und die<br />

Anzahl der damit verbundenen Produktionsstillstände<br />

bei gleicher Unverfügbarkeit reduziert.<br />

Angewandt auf eine Fallstudie zeigte sich, dass das<br />

Intervall der Hauptprüfung durch die Teilprüfung mehr<br />

als verdoppelt werden kann. Damit können in der Praxis<br />

Teilhubtests bei Aktoren und Teilprüfungen bei Sensoren<br />

eingesetzt werden, um kostenoptimale <strong>Instandhaltungsstrategien</strong><br />

zu erhalten.<br />

MANUSKRIPTEINGANG<br />

04.06.2012<br />

Im Peer-Review-Verfahren begutachtet<br />

AUTOREN<br />

Dipl.-Ing. KONSTANTIN<br />

MACHLEIDT<br />

(geb. 1980) ist wissenschaftlicher<br />

Mitarbeiter am Lehrstuhl<br />

<strong>für</strong> Automatisierungstechnik<br />

der TU Kaiserslautern.<br />

Sein Forschungsschwerpunkt<br />

liegt im Bereich der Bestimmung<br />

effizienter <strong>Instandhaltungsstrategien</strong><br />

<strong>für</strong> <strong>PLT</strong>-<strong>Schutzeinrichtungen</strong>.<br />

TU Kaiserslautern,<br />

Lehrstuhl <strong>für</strong> Automatisierungstechnik,<br />

Erwin-Schrödinger-Straße 12,<br />

D-67653 Kaiserslautern,<br />

Tel. +49 (0) 631 205 44 54,<br />

E-Mail: machleidt@eit.uni-kl.de<br />

Prof. Dr.-Ing. habil. LOTHAR LITZ<br />

(geb. 1949) leitet den Lehrstuhl<br />

<strong>für</strong> Automatisierungstechnik<br />

und bekleidet das Amt des<br />

Vizepräsidenten der TU Kaiserslautern.<br />

Hauptarbeitsgebiete:<br />

Process Safety, Networked<br />

Control Systems, Design and<br />

Analysis of Discrete Event<br />

Systems, Ambient Assisted<br />

Living.<br />

TU Kaiserslautern,<br />

Lehrstuhl <strong>für</strong> Automatisierungstechnik,<br />

Erwin-Schrödinger-Straße 12,<br />

D-67653 Kaiserslautern,<br />

Tel. +49 (0) 631 205 44 51,<br />

E-Mail: litz@eit.uni-kl.de<br />

34<br />

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

11 / 2012


REFERENZEN<br />

[1] IEC 61511, Teil 1 – 3: Functional safety – Safety<br />

Instrumented Systems for the Process Industry Sector.<br />

International Electrotechnical Commission. 2004<br />

[2] IEC 61508, Teil 1 – 6: Funktionale Sicherheit sicherheitsbezogener<br />

elektrischer/elektronischer/programmierbarer<br />

elektronischer Systeme. International<br />

Electrotechnical Commission. 2010<br />

[3] Machleidt, K. und Litz, L.:<br />

An Optimization Approach for Safety Instrumented<br />

System Design. In: Proc. Ann. Reliability & Maintainability<br />

Symp. (RAMS 2011), S. 409 – 414, 2011<br />

[4] Machleidt, K. und Litz, L.:<br />

Kosteneinsparungen bei <strong>PLT</strong>-<strong>Schutzeinrichtungen</strong><br />

durch automatischen optimierten Entwurf.<br />

In: Tagungsband Automation 2011, S. 169 – 172.<br />

VDI, 2011<br />

[5] Machleidt, K., Litz, L., Gabriel, T.:<br />

SIS-design automation by use of Abstract Safety<br />

Markup Language. In: Advances in Safety, Reliability<br />

and Risk Management (ESREL 2011), S. 970 – 976, 2011<br />

[6] Bukowski, J.: Impact of proof test effectiveness on<br />

safety instrumented system performance. In: Proc.<br />

Ann. Reliability & Maintainability Symp. (RAMS 2009),<br />

S. 157 – 163, 2009<br />

[7] Gabriel, T., Litz, L., Schrörs, B.:<br />

Generische Erzeugung von Markov-Modellen zur<br />

Berechnung sicherheitstechnischer Kenngrößen in<br />

<strong>PLT</strong>-<strong>Schutzeinrichtungen</strong>.<br />

<strong>atp</strong> – Automatisierungstechnische Praxis 50 (7),<br />

S. 53 – 60, 2008<br />

[8] Felgner, F., Frey, G.: Multi-Phase Markov Models for<br />

Functional Safety Prediction. In: Proceedings of the 3 rd<br />

International Workshop on Dependable Control of<br />

Discrete Systems, S. 133 – 140, 2011<br />

[9] Bukowski, J.: Modeling and analyzing the effects of<br />

periodic inspection on the performance of safety-critical<br />

systems. In: IEEE Transactions on Reliability 50,<br />

321 – 329, 2001<br />

[10] Machleidt, K. und Litz, L.:<br />

Optimal prooftests for Safety Instrumented Systems<br />

based on maintenance models.<br />

In: 11 th International Probabilistic Safety Assessment<br />

and Management Conference & The Annual European<br />

Safety and Reliability Conference (PSAM11 & ESREL<br />

2012), [im Druck]<br />

[11] Börcsök, J., Schrörs, B., Holub, P.:<br />

Reduzierung der Ausfallwahrscheinlichkeit und<br />

Verlängerung des Proof-Test-Intervalls durch Einsatz<br />

von Partial-Stroke-Tests am Beispiel von Stellgeräten.<br />

<strong>atp</strong> – Automatisierungstechnische Praxis 50 (11),<br />

S. 48 – 56, 2008<br />

[12] Machleidt, K. und Litz, L.:<br />

Rechnergestützte Ermittlung optimaler <strong>Instandhaltungsstrategien</strong><br />

<strong>für</strong> <strong>PLT</strong>-<strong>Schutzeinrichtungen</strong>.<br />

In: Tagungsband Automation 2012, S. 191-194,<br />

VDI, 2012<br />

Die Referenzklasse <strong>für</strong> die<br />

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

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong> erscheint in der Oldenbourg Industrieverlag GmbH, Rosenheimer Str. 145,<br />

11/<br />

81671<br />

2012<br />

München<br />

35


HAUPTBEITRAG<br />

In Echtzeit: RFID-gestütztes<br />

Produktionsassistenzsystem<br />

Robuste Produktion durch bessere Lieferkettentransparenz<br />

Moderne Produktionsnetzwerke nutzen vermehrt exakt aufeinander abgestimmte Prozesse,<br />

die durch geringe Zeit- und Bestandspuffer gekennzeichnet sind. Die Durchführung<br />

von geplanten Produktionssequenzen ist damit anfällig <strong>für</strong> kostspielige Störungen von<br />

Zulieferprozessen geworden. Assistenzsysteme können mit Hilfe von Echtzeit-Objektverfolgungsdaten<br />

derartige Störungen frühzeitig identifizieren und effektive Gegenmaßnahmen<br />

ausführen. Im Beitrag wird ein Produktionsassistenzsystem (PAS) auf Basis der<br />

Siemens MES-Lösung Simatic IT vorgestellt, welches im Rahmen des BMWi-Forschungsprojekts<br />

RAN (RFID-based Automotive Network) erarbeitet wurde. Die vorgestellten Arbeiten<br />

gewährleisten eine weitestgehend stabile Produktionsdurchführung in hoch effizienten<br />

aber volatilen Lieferketten.<br />

SCHLAGWÖRTER Manufacturing Execution System / Radio-Frequency Identification /<br />

Produktionsassistenzsystem<br />

RFID-based assistant systems on MES level:<br />

Robust production systems through supply chain transparency<br />

Modern production networks are characterized by a synchronization of material supply<br />

and demand with largely reduced time and stock. Consequently, production sequences<br />

are extremely exposed to disturbances that result in costly rework activities. Through the<br />

utilization of real-time monitoring systems (e.g. RFID-based), assistant systems can identify<br />

disturbances early and use the resulting timeframe prior to the delivery for mitigating<br />

their effects through preventive measures. The following paper describes such a Production<br />

Assistant System (PAS). The PAS has been developed based on the Siemens MES<br />

solution SIMATIC IT as part of the RAN (RFID-based Automotive Network) research<br />

project. Two main topics are addressed: i) the integration of standardized RFID data from<br />

objects tracked along the supply chain into the MES level and ii) the utilization of this<br />

data in conjunction with plan data from MES and ERP systems to generate an optimized<br />

sequence of production orders. The goal is to ensure a stable production execution in<br />

highly efficient but volatile supply networks.<br />

KEYWORDS Manufacturing Execution System / Radio-frequency identification /<br />

production assistant system<br />

36<br />

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

11 / 2012


RAFFAELLO LEPRATTI, Siemens<br />

GEORG HEINECKE, ETH Zürich / Siemens<br />

STEFFEN LAMPARTER, JOACHIM SCHARNAGL, RALF HANSEN, Siemens<br />

Sequenzgenaue Anlieferungen (Just-In-Sequence,<br />

JIS) von Komponenten haben speziell in der<br />

Automobilindustrie die Lagerbestände weitestgehend<br />

beseitigt. Die Durchführung der geplanten<br />

Produktionssequenzen ist damit gleichzeitig<br />

anfällig <strong>für</strong> Störungen in den Zulieferprozessen<br />

geworden. Derartige Störungen werden erst festgestellt,<br />

wenn die Komponenten nicht zur geplanten Zeit zur Verfügung<br />

stehen. Dies führt zu möglichen Vertragsstrafen<br />

<strong>für</strong> Zulieferer und kostenintensiven Nachbearbeitungen<br />

sowie aufwendigen Umplanungen beim Fahrzeughersteller.<br />

Ein wesentlicher Grund <strong>für</strong> die Verzerrung zwischen<br />

dem Auftreten der Störung in der Lieferkette und<br />

der Erkennung ihrer Auswirkungen auf ein nachgelagertes<br />

Unternehmen liegt in der mangelhaften Ausprägung<br />

der unternehmensübergreifenden Informationsflüsse<br />

und der hierdurch verursachten Prozessintransparenz.<br />

Das vom BMWi geförderte Forschungsprojekt RAN<br />

(RFID-based Automotive Network, www.autoran.de)<br />

greift diese Schwachstelle auf. Es stellt den Teilnehmern<br />

einer Lieferkette in der Automobilindustrie Objektverfolgungsdaten<br />

mit Hilfe von Auto-ID-Technologien <strong>für</strong><br />

eine weitergehende Auswertung durch Assistenzsysteme<br />

zur Verfügung. Wie Bild 1 zeigt, kommen hier<strong>für</strong> RFIDbasierte<br />

Erfassungssysteme zum Einsatz, deren Daten in<br />

ein standardisiertes Beschreibungsformat (Electronic<br />

Product Code Information System, EPCIS) übersetzt werden<br />

[1] und über eine verteilte Datenbank (InfoBroker)<br />

unternehmensübergreifend und zeitnah bereitgestellt<br />

werden können.<br />

Dieser Beitrag thematisiert die Verwendung dieser<br />

logistischen Daten durch unternehmensinterne Manufacturing<br />

Execution Systeme (MES), wie sie in IEC 62264<br />

definiert werden [2]. MES-Lösungen umfassen standardmäßig<br />

Komponenten <strong>für</strong> die Prozessüberwachung,<br />

Produktionsplanung sowie -durchführung und lassen<br />

sich daher zur Störungsidentifikation sowie -behandlung<br />

einsetzen. Zur Bündelung und Umsetzung dieser<br />

Assistenzfunktionalitäten wird ein Produktionsassistenzsystem<br />

(PAS) auf Basis der Siemens MES-Lösung<br />

Simatic IT vorgestellt (vergleiche Bild 1). Dadurch wird<br />

das MES befähigt, kontinuierlich die realen Prozessabläufe<br />

den Produktionsplänen gegenüberzustellen und<br />

bei kritischen Abweichungen zeitnah mittels intelligenter<br />

Umstellung von Produktionsaufträgen zu reagieren.<br />

1. STAND DER TECHNIK<br />

Störungen der Lieferkette lassen sich präventiv vermeiden<br />

oder reaktiv behandeln. Ersteres ist der Fokus von<br />

Risikomanagement, welches in der Wissenschaft bereits<br />

ausführlich thematisiert wird [3] und in der Praxis<br />

bereits breitere Anwendung findet als reaktive Maßnahmen<br />

[4]. Allerdings lassen sich Störungen in der Praxis<br />

weder komplett vermeiden noch in jedem Fall ökonomisch<br />

sinnvoll durch Risikomanagement und präventive<br />

Maßnahmen adressieren [5]. Aus diesem Grund<br />

dient das Supply Chain Event Management (SCEM)<br />

dazu, Störungen frühzeitig zu erkennen und reaktive<br />

Maßnahmen schnell auszulösen, die den Material- und<br />

Informationsfluss so anpassen, dass Auswirkungen<br />

minimiert werden [6].<br />

Bei dem in diesem Beitrag vorgestellten PAS handelt<br />

es sich um ein SCEM-System. In diesem Markt waren<br />

unter anderem i2 und Manugistics mit eigenständigen<br />

Lösungen vertreten, bevor beide Unternehmen in der JDS<br />

Software Group aufgegangen sind. Auch SAP bietet im<br />

Rahmen von mySAP Supply Chain Management ein<br />

SCEM-Modul an, welches ein Teil der Funktionalitäten<br />

abdeckt [7]. Diese Systeme sind eng an die ERP-Ebene<br />

gekoppelt und beschränken sich in ihren Handlungen<br />

weitestgehend auf Alarmierungsfunktionalitäten [7]. Um<br />

Handlungsspielräume in der Zulieferkette und in der<br />

eigenen Produktion zu nutzen, wird im Artikel eine Integration<br />

des PAS mit der MES-Ebene vorgeschlagen, was<br />

sehr kurzfristige Eingriffe in das Produktionsprogramm<br />

ermöglicht. Durch vorhandene Plandaten und Schnittstellen<br />

im MES ergibt sich <strong>für</strong> das PAS damit die Möglichkeit,<br />

die gängigen Meldefunktionen einerseits in<br />

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

11 / 2012<br />

37


HAUPTBEITRAG<br />

Hinsicht auf eine Bewertung der Auswirkungen auf das<br />

geplante Produktionsprogramm und andererseits um<br />

Nutzung von Handlungsspielräumen durch Umplanungen<br />

zu erweitern.<br />

Trotz klarer Vorteile sind derartige Funktionalitäten<br />

kaum realisierbar. Das ist im Wesentlichen durch einen<br />

mangelhaften, unternehmensübergreifenden Informationsaustausch<br />

(zum Beispiel Objektverfolgungsdaten) zu erklären,<br />

der <strong>für</strong> derartige Systeme zwingend notwendig ist [8].<br />

Um dieses Problem zu adressieren, fokussieren sich eine<br />

Vielzahl von national geförderten Forschungsprojekten auf<br />

den unternehmensübergreifenden Datenaustausch von<br />

Echtzeit-Objektverfolgungsdaten. Beispielsweise werden<br />

im Forschungsprojekt smaRTI Informationen wie Zustand,<br />

Position und Ladung von Ladungsträgern in Echtzeit über<br />

standardisierte Schnittstellen verteilt und ermöglichen<br />

BILD 1: Überbetriebliche RAN-Architektur zur<br />

Verbesserung der Prozesstransparenz<br />

BILD 2: Erforderliche Schritte zur Anreicherung von<br />

RFID-Rohdaten<br />

einen Echtzeitblick auf die gesamte Supply-Chain (www.<br />

smart-rti.de). RAN hebt sich davon unter anderem durch<br />

die zusätzliche Datenerhebung entlang von Produktionsprozessen<br />

sowie die objektbezogene Datenerfassung ab. In<br />

einem weiteren BMWi Forschungsprojekt, Kollaboration<br />

und RFID (KO-RFID www.ko-rfid.hu-berlin.de), wurde<br />

ebenfalls eine lieferkettenweite Objektüberwachung mit<br />

Hilfe eines EPCIS-basierten Assistenzsystems verfolgt [9].<br />

Das in diesem Beitrag vorgestellte PAS führt die in<br />

KO-RIFD begonnenen Entwicklungen in Richtung von<br />

EPCIS-basierten SCEM-Systemen fort und beschreibt<br />

konkret, wie die vorgeschlagenen Assistenzfunktionen<br />

als Erweiterung zu existierenden MES-Lösungen realisiert<br />

werden können. Da der EPCIS-Standard <strong>für</strong> die<br />

Identifikation von Objekten neben dem Electronic Product<br />

Code-Format (EPC-Format) auch <strong>für</strong> andere in der<br />

Automobilindustrie verwendete, ISO/IEC 15459-konforme<br />

Objektindentifizierungsschemata (zum Beispiel gemäß<br />

Odette beziehungsweise DUNS) anwendbar ist, ergeben<br />

sich hierdurch keinerlei Einschränkungen in der<br />

Anwendbarkeit des PAS.<br />

Um aus den großen Mengen an RFID-Rohdaten die<br />

störungsrelevanten Informationen zu identifizieren,<br />

gibt es in der Literatur eine Vielzahl von Ansätzen, die<br />

mit Hilfe explizit definierter oder automatisiert gelernter<br />

Modelle die Ereignisströme analysieren. Die Modelle<br />

reichen von relativ einfachen regelbasierten Ansätzen<br />

[10] über Petri-Netze [11] bis hin zu probabilistischen<br />

Modellierungsansätzen, beispielsweise auf Basis von<br />

Markov-Ketten [12]. Ähnlich wie schon in [10] wird im<br />

hier vorgestellten PAS Complex Event Processing (CEP)<br />

verwendet, um mit Hilfe vorgegebener Muster komplexe<br />

Situationen aus den EPCIS-Ereignissen abzuleiten [13].<br />

Durch den komponentenbasierten Aufbau der vorgestellten<br />

Lösung lassen sich weitergehende Analysefunktionen<br />

leicht integrieren.<br />

2. RFID-DATENERFASSUNG UND EPCIS-STANDARD<br />

Um Störungen zu erkennen, ist ein hohes Maß an Prozesstransparenz<br />

erforderlich, die durch eine möglichst<br />

lückenlose Objektverfolgung gewährleistet werden<br />

kann; das heißt <strong>für</strong> jedes Produkt in der Lieferkette<br />

soll zu jedem Zeitpunkt dessen Ort und Zustand<br />

bekannt sein. Eine derartige automatisierte Verfolgung<br />

wird durch die Kennzeichnung der Objekte mit einer<br />

Identifikationsnummer in Verbindung mit moderner<br />

Erfassungstechnologie ermöglicht. Hierbei erlaubt insbesondere<br />

RFID-Technologie eine kontaktlose Echtzeit-Datenerfassung<br />

bei einer geringen Anzahl an Fehllesungen.<br />

Zudem ermöglichen in Zukunft steigende<br />

Speichermengen bei sinkenden Transponderpreisen<br />

eine dezentrale Ablage von produktspezifischen Daten<br />

direkt am Produkt. Um die RFID-Einführung zu<br />

erleichtern, wurden Erfassungsklassen (EFKs) definiert.<br />

Sie beschreiben und klassifizieren die Grundanforderungen<br />

von wiederkehrenden Anwendungsszenarien,<br />

wie beispielsweise die Multitaglesefähigkeit,<br />

den Bedarf an Lese- und/oder Schreibfähigkeit sowie<br />

die Anforderung an die Zeitsynchronisation. Bei der<br />

38<br />

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

11 / 2012


Definition der Erfassungsklassen wurden der Einsatzzweck<br />

und mögliche Lösungswege <strong>für</strong> die beschriebene<br />

Erfassungsaufgabe unter Beachtung der Hardware-<br />

und Softwareanforderungen beschrieben.<br />

Beispiele aus der Automobilindustrie sind das RFID-<br />

Gate und die Handerfassung. Ein RFID-Gate ist eine<br />

Anordnung mehrerer RFID-Antennen, das auf einem<br />

Förderfahrzeug geladene Güter bei Durchfahrt durch ein<br />

Verladetor erfasst. Im Gegensatz zu solchen stationären<br />

Einrichtungen definiert die Erfassungsklasse Handerfassung<br />

RFID-Schreib-/Lesegeräte, welche mobil eingesetzt<br />

werden können und meist zur (Nach-)Erfassung einzelner<br />

Objekte genutzt werden (zum Beispiel bei Ausfall<br />

anderer Erfassungsklassen). Die Einbindung der Erfassungsklassen<br />

unter Verwendung von standardisierten<br />

Protokollen und Datenformaten ist schematisch in Bild<br />

2 dargestellt.<br />

Jede EFK verfügt über eine meist individuelle Erfassungssoftware,<br />

mit deren Hilfe die im Feld befindlichen<br />

RFID-Transponder ausgelesen und an eine Filtersoftware<br />

weitergegeben werden. Die meisten der<br />

heutigen RFID-Lösungen setzten hierbei proprietäre<br />

Datenformate <strong>für</strong> die Schreib-/Lese-Telegramme ein.<br />

EPCIS beschreibt zwar ein Standardprotokoll, das sog.<br />

Low Level Reader Protocol [14], dieses spielt aber bei<br />

den meisten Herstellern und Anwendern eine eher<br />

untergeordnete Rolle.<br />

Um eine robuste Objekterfassung zu realisieren, werden<br />

die von RFID-Readern aufgenommenen Schreib-/<br />

Lese-Telegramme durch eine nachgelagerte Filtersoftware<br />

bearbeitet (siehe Bild 2). Sie entfernt fehlerhafte<br />

oder doppelte Lesungen, wandelt Rohdatenformate – wie<br />

sie direkt auf dem Transponder abgelegt sind – in <strong>für</strong><br />

nachgelagerte Systeme verständliche Formate um und<br />

fügt Konfigurationsdaten, wie beispielsweise eine Reader-Identifikationsnummer,<br />

dem Datensatz hinzu. Für<br />

die Weitergabe der Daten von der Erfassungsklasse an<br />

die übergeordnete Architektur (zum Beispiel an das<br />

MES) wird meist der von EPCGlobal definierte Standard<br />

ALE (Application Level Events) verwendet [15].<br />

Um <strong>für</strong> weitere verbundene IT-Systeme relevante<br />

Informationen hinzuzufügen, ist der EFK eine Capture<br />

Application nachgelagert. Ihre Funktionalität ist im<br />

EPCIS-Standard beschrieben [1] und in Bild 2 beispielhaft<br />

skizziert. Sie empfängt ALE-Reports, reichert diese<br />

je nach Anwendungsfall mit weiteren Informationen<br />

aus anderen IT-Systemen und/oder Konfigurationsdaten<br />

an und generiert EPCIS-Events. Ein EPCIS-Event kodiert<br />

eine Objektbeobachtung und spezifiziert somit, welches<br />

Objekt (was?), zu welcher Zeit (wann?), an welcher Lokation<br />

(wo?), in welchem Geschäftskontext (warum?)<br />

erfasst wurde. Objekte werden hierbei unter Verwendung<br />

des Electronic Product Code (EPC) oder eines<br />

anderen ISO/IEC 15459-konformen Nummernschemas<br />

weltweit eindeutig identifiziert. Unter anderem können<br />

Lokationen je nach Anwendungsfall über den Geschäftsprozess<br />

(bizStep), den Ort (bizLocation) und/oder die<br />

Nummer des Lesegeräts (readPoint) beschrieben werden.<br />

Entsprechend standardisierte Kennzeichnungen<br />

werden im Common Business Vocabulary [16] definiert<br />

und lassen sich von verschiedensten Anwendungen –<br />

auch in einem unternehmensübergreifenden Anwendungsfall<br />

wie dem einer komplexen Lieferkette – eindeutig<br />

auswerten.<br />

3. INTEGRATION VON RFID-DATEN IN DIE MES-EBENE<br />

Ein MES umfasst gemäß des IEC 62264-Standards [2]<br />

bereits wesentliche produktionsbezogene Daten (Auftrags-,<br />

Betriebs- und Maschinendaten), Schnittstellen<br />

(Anbindung an die ERP und Steuerungsebene) und Komponenten<br />

(Prozessüberwachung, Produktionsplanung<br />

und -durchführung) <strong>für</strong> die Umsetzung eines Produktionsassistenzsystems<br />

(PAS). Hauptaugenmerk der<br />

Schnittstellen-Standardisierung im IEC 62264-Standard<br />

ist der Datenaustausch zwischen MES und ERP-Systemen.<br />

Im Kontext der Betriebsdatenerfassung wird im<br />

Standard die RFID-basierte Bereitstellung von Echtzeit-<br />

Prozessdaten nicht explizit betrachtet. Daher sehen<br />

MES-Lösungen standardisierte Konnektoren <strong>für</strong> RFID-<br />

Daten in ihrer Datenintegrationsschicht typischerweise<br />

nicht vor. Um die Datenbereitstellung von Echtzeit-<br />

Prozessdaten zu ermöglichen, werden im Folgenden<br />

zwei standardisierte Konnektoren beschrieben, die die<br />

Anbindung eines MES an den unternehmensübergreifenden<br />

InfoBroker und an die darunter liegende RF-<br />

Middleware ermöglichen.<br />

Der EPCIS-Konnektor realisiert die Anbindung des<br />

MES an den InfoBroker, um die durch RFID-Technologie<br />

aufgenommenen und im EPCIS-Format beschriebenen<br />

Objektverfolgungsdaten der Lieferkette (vergleiche<br />

Abschnitt 1) im PAS auszuwerten. Für die Anbindung<br />

an den InfoBroker wurden die im EPCIS-Standard definierten<br />

EPCIS Query Interface und EPCIS Capture Interface<br />

implementiert. Sobald ein EPCIS-Event empfangen<br />

wurde, wird dies vom EPCIS-Konnektor in eine MESinterne<br />

Datenstruktur umgewandelt und dem MES <strong>für</strong><br />

weitere Verarbeitungsschritte übergeben. Zusätzlich<br />

implementiert der EPCIS-Konnektor das EPCIS Capture<br />

Interface, wodurch Informationen aus der Produktion<br />

(zum Beispiel Produktionsstart beziehungsweise -ende)<br />

an den InfoBroker übermittelt werden.<br />

Der EPCIS-Konnektor zielt hauptsächlich auf Objekterfassungen<br />

in der Logistik oder bei externen Produktionsstätten<br />

ab. Werden RFID-Daten aus der eigenen Produktion<br />

erfasst, so ist der Umweg über den InfoBroker nicht<br />

notwendig. Verfügbare MES-Systeme bieten eine direkte<br />

Datenanbindung an die RF-Middleware. Diese sind jedoch<br />

meist individuell realisiert, zum Beispiel über die vorhandene<br />

OPC-Schnittstelle. Dies hat den Nachteil, dass jede<br />

Änderung der Erfassungsinfrastruktur aufwendige<br />

Anpassungen der Software bedingt. Da die in Abschnitt<br />

2 beschriebenen Erfassungsklassen Daten standardmäßig<br />

in ALE bereitstellen, kann mit Hilfe eines ALE-Konnektors<br />

die RF-Middleware verschiedener Hersteller integriert<br />

werden, ohne dass manuelle Anpassungen notwendig<br />

sind (vergleiche Bild 3). Dabei übernimmt der<br />

ALE-Konnektor alle Kommunikationsaufgaben, die <strong>für</strong><br />

einen Datenaustausch mit der RF-Middleware notwendig<br />

sind. Insbesondere konvertiert er die ALE-Reports in ein<br />

MES-internes Format vor und stellt die Daten mit einem<br />

einheitlichen Mechanismus zur Verfügung.<br />

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

11 / 2012<br />

39


HAUPTBEITRAG<br />

4. DAS PRODUKTIONSASSISTENZSYSTEM<br />

Das von Siemens entwickelte Produktionsassistenzsystem<br />

(PAS) dient dazu, die Überwachungs- und Planungsfunktionalität<br />

auf MES-Ebene umfangreich zu<br />

erweitern. Das PAS verwendet die zusätzlichen Objektverfolgungsdaten<br />

(siehe Abschnitt 3) in Verbindung mit<br />

den bereits vorhandenen Plandaten zur frühzeitigen<br />

Erkennung und Behandlung von Störungen. Hierzu<br />

muss es zwei Aufgaben erfüllen: Zum einen verwertet<br />

das PAS Objektverfolgungsdaten durch einen Abgleich<br />

mit den Plandaten, um daraus <strong>für</strong> das Unternehmen<br />

kritische Störungen des Materialflusses frühzeitig<br />

abzuleiten. Zum anderen konzipiert das PAS im Rahmen<br />

des vorhandenen Handlungsspielraums neue Produktionsauftragsequenzen,<br />

sobald eine kritische Störung<br />

identifiziert wurde. Die Sequenz, welche die<br />

hinterlegten Optimierungskriterien am Besten erfüllt,<br />

wird dem Benutzer als empfohlene Handlungsmaßnahme<br />

vorgeschlagen. Somit dient das PAS der Generierung<br />

von robusten Produktionssequenzen in volatilen<br />

Lieferketten – und dies, ohne auf teure Notfalllogistik-Lösungen<br />

zurückgreifen zu müssen.<br />

Basierend auf der im Abschnitt 3 beschriebenen Datenintegration<br />

können im PAS Abweichungen gegenüber<br />

den bereits bekannten Plan-Daten abgeleitet werden. Das<br />

Vorgehen ist in Bild 4 erläutert. So lassen sich zeitliche<br />

Abweichungen an einem Erfassungspunkt beispielsweise<br />

entweder aufgrund einer verspäteten Erfassung<br />

des Objekts oder des Ausbleibens eines Events erkennen.<br />

Für Letzteres muss aus historischen Durchlaufzeiten<br />

(zum Beispiel Transportdauern) zwischen zwei sequenziellen<br />

Erfassungspunkten, im Folgenden mit A und B<br />

bezeichnet, ein Erwartungswert e AB gebildet werden. Zur<br />

Prognose von Transportdauern auf Basis historischer<br />

Werte gibt es verschiedene statistische Verfahren; das<br />

diesem Ansatz zugrunde liegende Verfahren wird in [8]<br />

näher beschrieben. Des Weiteren ist ein Zähler e AB notwendig,<br />

der die Zeit seit der letzten Erfassung des Objekts<br />

i am Punkt A wiedergibt. Mit Hilfe der entsprechenden<br />

Zeitstempel e A und gegebenenfalls e B (e B = e A + e AB) der<br />

erfassten EPCIS-Events lässt sich dann beim Auftreten<br />

und Ausbleiben eines Events eine Abweichung der<br />

Durchlaufzeit einer Lieferung von Objekt i folgendermaßen<br />

berechnen:<br />

e e e , e e e<br />

B A AB B A AB<br />

e e , e e e e<br />

i AB AB A AB A AB<br />

(1)<br />

0, sonst<br />

Nachdem eine Abweichung Δ i <strong>für</strong> eine Zulieferung des<br />

Objekts i festgestellt ist, werden unter Zuhilfenahme<br />

der im MES vorliegenden Stücklisten die von der Verspätung<br />

betroffenen Produktionsaufträge identifiziert<br />

(vergleiche [18]).<br />

Ein betroffener Auftrag 1 wird mit Hilfe seines geplanten<br />

Produktionsstarttermins g 1 aus dem Produktionsauftragsmanagementsystem<br />

dahingehend überprüft, ob und wie<br />

stark die momentane Abweichung Δ i den Produktionsstart<br />

gefährdet. Da<strong>für</strong> muss die Entwicklung der erkannten Verspätung<br />

Δ i (mit Δ i > 0) über die dem Erfassungspunkt B<br />

nachfolgenden Prozesse abgeschätzt werden, um die wahrscheinliche<br />

Ankunftszeit i i der Lieferung von Objekt i zu<br />

quantifizieren. Im PAS erfolgt dies derzeit über die vereinfachende<br />

Annahme von gut beherrschten Folgeprozessen,<br />

das heißt Prozessen mit deterministischen Durchlaufzeiten,<br />

sodass eine am Erfassungspunkt B erkannte Verspätung<br />

Δ i den geplanten Liefertermin i 0 am Wareneingang in<br />

gleichem Maße beeinflusst (d. h. i i = i0 + D i).<br />

Ergibt sich i i > g 1, so liegt eine kritische Störung <strong>für</strong> Auftrag<br />

1 vor, da der geplante Produktionsstarttermin nicht<br />

gehalten werden kann. Im nächsten Schritt berechnet das<br />

PAS den Auftragsschlupf zwischen Produktionsendtermin<br />

und Versandtermin, wobei die Informationen bezüglich der<br />

Auftragsfristen aus dem MES übernommen werden. Daraus<br />

leitet sich ab, wie weit ein Auftrag von seiner gegenwärtigen<br />

Position in der Sequenz zurückgeschoben werden kann, um<br />

den avisierten Versandtermin dennoch zu halten. Daran<br />

anschließend werden die vorhergehenden Schritte <strong>für</strong> alle<br />

weiteren – von der Abweichung Δ i betroffenen – Aufträge<br />

durchgeführt, damit die anschließende Maßnahmenplanung<br />

deren Verspätungen ebenfalls berücksichtigen kann.<br />

Durch diesen Schritt stehen alle Aufträge fest, bei denen<br />

der Produktionsstarttermin gefährdet ist. Basierend darauf<br />

werden unter Berücksichtigung von Randbedingungen<br />

und Optimierungskriterien mögliche Umplanungen<br />

konzipiert. Dazu muss der Auftragsschlupf aller sequenzierten<br />

Aufträge bestimmt werden, um in der Optimierung<br />

eine Minimierung der summierten Verspätung des<br />

gesamten Produktionsplans bei minimalen Sequenzänderungen<br />

zu bestimmen. Das derzeit <strong>für</strong> diese reaktive<br />

Produktionsumplanung eingesetzte Optimierungsverfahren<br />

wird in [18] beschrieben und mit anderen Ansätzen<br />

verglichen. Die vom System als optimal eingestufte Produktionssequenz<br />

wird dem Produktionsplaner als Gegenmaßnahme<br />

<strong>für</strong> eine Störung vorgeschlagen.<br />

5. PROTOTYPISCHE UMSETZUNG AUF BASIS<br />

VON SIMATIC IT<br />

Der Ausgangspunkt der im Beitrag vorgestellten Umsetzung<br />

eines PAS ist das MES Simatic IT, das den größten Teil der<br />

von IEC 62264 geforderten Funktionalitäten bereits aufweist.<br />

Es verfolgt dabei einen komponentenbasierten<br />

Ansatz, in dem alle vom Produktionssystem benötigten<br />

Funktionen von unabhängigen Komponenten bereitgestellt<br />

werden. Die Komponente Simatic IT Production Suite bündelt<br />

dabei Komponenten <strong>für</strong> Design, Betrieb und Wartung<br />

einer MES-Lösung und beinhaltet den Data Integration Service<br />

als flexible Datenintegrationsschicht (vergleiche mit<br />

Abschnitt 2). Dadurch kann Simatic IT um die in Kapitel 3,<br />

4 und 5 beschriebenen Komponenten erweitert werden.<br />

Zur Verifikation der beschriebenen Konzepte innerhalb<br />

einer realen Produktionsumgebung wurden diese prototypisch<br />

auf Basis der SmartAutomation-Forschungsanlagen<br />

der Siemens Standorte Karlsruhe und Nürnberg<br />

umgesetzt. Bild 5 zeigt die im Zuge der Umsetzung realisierten<br />

Erweiterungen der Forschungsanlage in Nürnberg.<br />

In der SmartAutomation-Anlage wurde eine direkte<br />

Anbindung zweier Erfassungsklassen (RFID-Gate und<br />

Handerfassung) an den InfoBroker sowie einer dritten<br />

40<br />

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

11 / 2012


Erfassungsklasse (Single Readpoint) mittels ALE-Konnektor<br />

an Simatic IT als Capturing Application realisiert. Die<br />

Anbindung erfolgte in beiden Fällen unter Verwendung<br />

des Simatic RF-Manager. Hierbei handelt es sich um eine<br />

Softwareumgebung, mit der die angebundene RFID-Hardware<br />

konfiguriert, überwacht und Daten von erfassten<br />

RFID-Transpondern per ALE-Report zur Verfügung<br />

gestellt werden können. Der Datenaustausch zwischen<br />

RFID-Gate, Handerfassung und Simatic IT wurde mit<br />

einem InfoBroker realisiert (Für den Prototyp wird als<br />

InfoBroker eine erweiterte Version des Infosphere Traceability<br />

Servers von IBM verwendet.). Durch die RFID-<br />

Hardware werden EPCIS-Events zur Dokumentation der<br />

Vereinnahmung, Vereinzelung sowie dem Produktionsstart<br />

und -ende erzeugt. Des Weiteren werden noch EPCIS-<br />

Events vom Warenausgang in Karlsruhe sowie dem Fortschritt<br />

des Zuliefertransports ins System eingespeist. Die<br />

Anbindung des InfoBrokers an Simatic IT wurde mittels<br />

des in Abschnitt 3 beschriebenen EPCIS-Konnektors<br />

durchgeführt. Durch den Konnektor können EPCIS-<br />

Events aus Simatic IT an den InfoBroker und auch vom<br />

InfoBroker an Simatic IT übermittelt werden.<br />

Die so erhaltenen EPCIS-Events werden dem in<br />

Abschnitt 4 beschriebenen Produktionsassistenzsystem<br />

zur Verfügung gestellt. Bild 6 zeigt die Aufbereitung der<br />

daraus resultierenden, relevanten Informationen durch<br />

die Benutzeroberfläche des PAS. Im oberen Drittel werden<br />

die an der Lieferkette teilnehmenden Akteure dargestellt.<br />

Durch die Anwahl einer dieser Akteure wird im<br />

unteren linken Bereich dessen detailierte Prozesskette<br />

angezeigt. Für die Bezeichnungen der Prozessschritte<br />

und der Erfassungsklassen kommt das im RAN-Projekt<br />

definierte Vokabular zum Einsatz. Durch die Anwahl<br />

einer Erfassungsklasse wird in der Mitte des Bildes die<br />

Liste der kürzlich an diesem Erfassungspunkt aufgezeichneten<br />

und über den InfoBroker übermittelten<br />

EPCIS-Events sowie gegebenenfalls die daraus abgeleiteten<br />

Störungen angezeigt. Nachdem eine Störung festgestellt<br />

wurde, lassen sich mittels der Registerkarte<br />

Überwachung detaillierte Informationen über die erwarteten<br />

Auswirkungen der Störung auf Leistungskennzahlen<br />

wie Bestand oder Auslastung abrufen. Eventuelle<br />

Umplanungen der Produktionsaufträge werden auf der<br />

rechten Seite der Oberfläche dargestellt.<br />

Die Identifikation einer Störung, wie sie die Systemmeldung<br />

an den PAS-Benutzer in Bild 6 anzeigt, basiert auf<br />

einer definierten, statischen Regelbasis, die kontinuierlich<br />

Datenströme unter Verwendung der Complex-Event-Processing-Komponente<br />

namens Drools Fusion auf Muster<br />

untersucht (vergleiche [18]). Im Bild 7 sind zwei Beispiele<br />

<strong>für</strong> solche Störungserkennungsregeln beschrieben: Ein<br />

ChangeInSequence-Ereignis wird erkannt, wenn zwei<br />

Objekte an aufeinanderfolgenden Lokationen der Lieferkette<br />

in einer unterschiedlichen Reihenfolge beobachtet<br />

werden. Unter Verwendung zusätzlicher Plandaten können<br />

auf Basis des ChangeInSequence-Ereignis wiederum spe-<br />

BILD 3: Vorhandene und neu entwickelte Konnektoren zur<br />

Datenintegration.<br />

BILD 4: Datenbedarf nach Ablaufplan des PAS<br />

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

11 / 2012<br />

41


HAUPTBEITRAG<br />

zifischere Ereignisse wie MaterialOutOfSequence-Ereignisse<br />

oder OrderOutOfSequence-Ereignisse erkannt werden.<br />

Um die Pflege der Regelbasis zu erleichtern und eine<br />

einfachere Anpassung des PAS an firmenspezifische Gegebenheiten<br />

zu unterstützen, sind die jeweiligen Regeln in<br />

anwendungsspezifischen Modulen beispielsweise <strong>für</strong> Auftrags-<br />

oder Materialmanagement angeordnet (siehe Bild 7).<br />

Aufgrund der frühzeitigen Identifikation von Störungen<br />

sind die betroffenen Produktionsaufträge vom MES noch<br />

nicht freigegeben und es ist trotz einzuhaltender Maschinenrüstzeiten<br />

gegebenenfalls Schlupf <strong>für</strong> Umplanungen<br />

vorhanden. Die anschließende Bestimmung der Gegenmaßnahmen<br />

im PAS wird durch eine Analyse der Performanz<br />

der Produktionsanlage unterstützt (Registerkarte<br />

Überwachung in Bild 6).<br />

Die Effektivität des PAS wurde anhand von Simulationen<br />

<strong>für</strong> verschiedene Szenarien untersucht. Es wurden<br />

Verbesserungspotenziale durch ein PAS <strong>für</strong> die lokale<br />

Produktion [18] und <strong>für</strong> die gesamte Lieferkette [19]<br />

ermittelt.<br />

ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK<br />

Im Beitrag wurde beschrieben, wie sich ein Produktionsassistenzsystem<br />

realisieren lässt, um Produktionspro-<br />

BILD 5: Prototypischer Aufbau in der SmartAutomation-Anlage Nürnberg<br />

42<br />

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

11 / 2012


zesse gegen Zulieferstörungen abzusichern. Die Verwendung<br />

von Echtzeit-Objektverfolgungsdaten auf MES-Ebene<br />

ermöglicht die Durchführung kurzfristiger Gegenmaßnahmen<br />

in der Produktion und somit eine effektive<br />

Behandlung von logistischen Störungen ohne auf eine<br />

teure Notfalllogistik zurückgreifen zu müssen. Das Produktionsassistenzsystem<br />

wurde auf Basis des MES<br />

Simatic IT prototypisch umgesetzt und unter Verwendung<br />

der SmartAutomation-Forschungsanlage in Nürnberg<br />

evaluiert. Dazu wurde diese mit drei zusätzlichen<br />

RFID-Erfassungsklassen sowie einem InfoBroker erweitert.<br />

Erste Ergebnisse zeigen, dass das eingesetzte PAS<br />

erfolgreich zur Absicherung einer Produktion gegen<br />

Lieferverspätungen und falsche Anliefersequenzen eingesetzt<br />

werden kann.<br />

Die zukünftigen Arbeiten zielen darauf ab, die Assistenzfunktionalität<br />

des PAS zu erweitern. So sollen zum<br />

Beispiel neben Verspätungen und Sequenzverletzungen<br />

weitere Störungsarten adressiert werden. Zudem sollen<br />

Prognoseunsicherheiten durch einen wahrscheinlichkeitsbasierten<br />

Ansatz sowie komplexere Zuliefernetzwerke<br />

mit einer Vielzahl paralleler JIS-Anlieferungen<br />

berücksichtig werden.<br />

MANUSKRIPTEINGANG<br />

30.04.2012<br />

Im Peer-Review-Verfahren begutachtet<br />

BILD 6: Benutzeroberfläche des prototypischen Assistenzsystems<br />

BILD 7: Modularer Aufbau<br />

der PAS Regelbasis<br />

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

11 / 2012<br />

43


HAUPTBEITRAG<br />

REFERENZEN<br />

[1] EPCGlobal: EPC Information Services<br />

(EPCIS).<br />

September 2007<br />

[2] IEC 62264: Enterprise-Control System<br />

Integration.<br />

März 2003<br />

[3] Tang, C. S.: Perspectives in supply chain<br />

risk management. International Journal of<br />

Production Economics 103(2) ,<br />

451 488, 2006<br />

[4] Thun, J.-H., und Hoenig, D.: An empirical<br />

analysis of supply chain risk management<br />

in the German automotive industry.<br />

International Journal of Production<br />

Economics 131(1),<br />

242 249, 2011<br />

[5] Gaonkar, R., und Viswanadham, N.:<br />

Analytical Framework for the Management<br />

of Risk in Supply Chains. IEEE Transactions<br />

on Automation Science and<br />

Engineering 4(2), 265 273, 2007<br />

[6] Fernández, E., Salomone, E., Chiotti, O.:<br />

A model driven development approach<br />

based on a reference model for<br />

predicting disruptive events in a supply<br />

process. Computers in Industry 63(1), 482<br />

499, 2012<br />

[7] Bretzke, W.-R., Stölzle, W., Karrer, M.,<br />

Ploenes, P.: Vom Tracking&Tracing zum<br />

Supply Chain Event Management:<br />

Aktueller Stand und Trends. Studie der<br />

KPMG Consulting AG, Düsseldorf 2002<br />

[8] Günthner, W., Meißner, S., Conze, M.,<br />

Fischer, R.: Stand und Entwicklung des<br />

RFID-Einsatzes in der Automobillogistik:<br />

Ergebnisse einer empirischen Studie.<br />

Lehrstuhl <strong>für</strong> Fördertechnik, Materialfluss,<br />

Logistik, Technische Universität<br />

München, München 2010<br />

[9] Goebel, C., Evdokimov, S., Tribowski, C.,<br />

Günther, O.: EPCIS-based Supply Chain<br />

Event Management. In: Xhafa, F., Barolli,<br />

L., Papajorgji, P. J. (Hrsg.) Complex<br />

Intelligent Systems and Their Applications,<br />

S. 43 – 68, Springer 2010<br />

[10] Zang, C., Fan, Y., Liu, R.: Architecture,<br />

implementation and application of complex<br />

event processing in enterprise information<br />

systems based on RFID. Information<br />

Systems Frontiers 10(5), 543 553, 2008<br />

[11] Liu, R., Kumar, A., van der Aalst, W.:<br />

A formal modeling approach for supply<br />

chain event management. Decision<br />

Support Systems 43(3), 761 778, 2007<br />

[12] Huang, Y., Williams, B. C., Zheng, L.:<br />

Reactive, model-based monitoring in<br />

RFID-enabled manufacturing. Computers<br />

in Industry 62(8-9), 811 819, 2011<br />

[13] Luckham, D.: The Power of Events: An<br />

Introduction to Complex Event Processing<br />

in Distributed Enterprise Systems.<br />

Addision Wesley, Boston 2002<br />

[14] EPCGlobal: Low Level Reader Protocol<br />

(LLRP) Standard. Oktober 2010<br />

[15] EPCGlobal: Application Level Events (ALE)<br />

Standard. September 2005<br />

[16] EPCGlobal: Common Business Vocabulary<br />

(CBV) Standard. Oktober 2010<br />

[17] Heinecke, G., Lepratti, R., Lamparter, S.,<br />

Wegener, K.: Produktionsbasiertes<br />

Management von Störereignissen der<br />

Lieferkette. In: Tagungband Automation<br />

2011, S. 87 91. VDI, 2011<br />

[18] Lamparter, S., Legat, C., Lepratti, R.,<br />

Scharnagl, J., Jordan, L.:<br />

Event-based reactive production<br />

order scheduling for manufacturing<br />

execution systems.<br />

In: Proceedings IFAC World Congress<br />

2011, S. 2722 – 2730. IFAC, 2011<br />

[19] Reinhart, G., Genc, E., Hauptvogel, A.,<br />

Heinecke, G., Lamparter, S., Ostgathe, M.:<br />

Absicherung von Produktions- und<br />

Logistikprozessen in komplexen automobilen<br />

Wertschöpfungsnethwerken.<br />

zwf – Zeitschrift <strong>für</strong> wirtschaftlichen<br />

Fabrikbetrieb 12/2011, S. 963 – 968, 2011<br />

AUTOREN<br />

Dr.-Ing. RAFFAELLO LEPRATTI (geb.<br />

1976) ist Leiter Account Management<br />

Automotive <strong>für</strong> die Überseeländer und<br />

Projektleiter RAN bei der Siemens AG,<br />

Sektor Industry.<br />

Siemens AG, Industry Automation,<br />

Gleiwitzer Straße 555, D-90475 Nürnberg,<br />

Tel. +49 (0) 911 8 95 38 89,<br />

E-Mail: raffaello.lepratti@siemens.com<br />

Dr. STEFFEN LAMPARTER (geb. 1977)<br />

ist Research Scientist und Projektleiter<br />

bei der Siemens AG im Technologiefeld<br />

Business Analytics & Monitoring<br />

der zentralen Forschungsabteilung<br />

Corporate Technology.<br />

Siemens AG, Corporate Technology,<br />

Otto-Hahn-Ring 6, D-81739 München,<br />

Tel. +49 (0) 89 63 64 03 83,<br />

E-Mail: steffen.lamparter@siemens.com<br />

Dipl.-Wirtsch.-Ing. GEORG HEINECKE,<br />

M.Sc. (geb. 1984) ist Doktorand bei der<br />

Corporate Technology der Siemens AG<br />

und dem Institut <strong>für</strong> Werkzeugmaschinen<br />

und Fertigung der ETH Zürich.<br />

Sein Forschungsinteresse gilt dem<br />

Supply Chain Event Management<br />

Konzept im Rahmen von Produktionsassistenzsystemen.<br />

Siemens AG, Corporate Technology,<br />

Otto-Hahn-Ring 6, D-81739 München,<br />

Tel. +49 (0) 911 8 95 22 75,<br />

E-Mail: georg.heinecke.ext@siemens.com<br />

Dipl.-Ing. (FH) JOACHIM SCHARNAGL<br />

(geb. 1970) ist Entwicklungsingenieur<br />

und Projektleiter in der Vorfeldentwicklung<br />

des Sektors Industry der<br />

Siemens AG. Hauptthemengebiete sind<br />

hochverfügbare (Leit-)Systeme und<br />

Intrinsic Identity (unter anderem RFID).<br />

Siemens AG, Industry Automation,<br />

Gleiwitzer Straße 555, D-90475 Nürnberg,<br />

Tel. +49 (0) 911 8 95 48 70,<br />

E-Mail: joachim.scharnagl@siemens.com<br />

Dipl.-Ing. Elektrotechnik (TH) RALF<br />

HANSEN, (geb. 1955) Projektleiter <strong>für</strong><br />

Manufacturing Execution Systeme<br />

(MES) der Siemens AG im Industriebereich.<br />

Sein Forschungsinteresse liegt<br />

in der Betrachtung der Wechselwirkung<br />

der Lieferkette <strong>für</strong> die Optimierung<br />

der Produktionssteuerung im<br />

Shopfloor-Bereich.<br />

Siemens AG, Industry Automation,<br />

Gleiwitzer Straße 555, D-90475 Nürnberg,<br />

Tel. +49 (0) 911 8 95 35 04,<br />

E-Mail: ralf.hansen@siemens.com<br />

44<br />

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Nutzung personenbezogener Daten: Für die Auftragsabwicklung und zur Pfl ege der laufenden Kommunikation werden personenbezogene Daten erfasst, gespeichert und verarbeitet. Mit dieser Anforderung er kläre ich mich 11 damit / 2012 einverstanden,<br />

45<br />

dass ich vom<br />

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

die Zukunft jederzeit widerrufen.<br />

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HAUPTBEITRAG<br />

Effizientes Testen heterogener<br />

Leitsystemkonfigurationen<br />

Integration gewerkeübergreifender Hardware-Emulatoren<br />

Die Simulation als Mittel zum Testen der Leitsystem-Konfiguration hat sich über die<br />

letzten Jahre etabliert. Aufgrund des hohen manuellen Aufwands fokussieren simulationsbasierte<br />

Testmethoden meist auf den funktionalen Bereich, wobei ausschließlich die<br />

Steuerungslogik, nicht aber die Konfiguration der Subsysteme getestet wird. Der Beitrag<br />

stellt eine Methode vor, mit der die Vorteile simulationsbasierter Tests um die Möglichkeiten<br />

aktueller Hardware-Emulatoren erweitert werden. Hierzu wird ein Framework<br />

präsentiert, welches die <strong>für</strong> einen Subsystemtest notwendigen Emulatoren integriert und<br />

automatisch konfiguriert.<br />

SCHLAGWÖRTER Emulation / Subsystemtest / Virtuelles Framework<br />

Virtual Emulator Framework –<br />

Domain independent Integration of Emulators<br />

During the past several years, simulation has been established for testing process control<br />

system configuration. Because of the high manual effort for the development of simulation<br />

models, those usually focus on the functional area, whereas only the correctness of the<br />

central control logic, but not the configuration of the subsystems is tested. This contribution<br />

presents a method that extends the advantages of simulation by the possibility to use<br />

modern hardware emulation, as well. Thus, a framework is presented that integrates and<br />

automatically configures control system- and subsystem emulators in order to be able to<br />

perform comprehensive tests of automation systems.<br />

KEYWORDS Emulation / subsystem test / virtual framework<br />

46<br />

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

11 / 2012


MARIO HOERNICKE, JÜRGEN GREIFENEDER, MIKE BARTH, ABB Forschungszentrum<br />

Die Phase des Testens gewinnt im Engineering<br />

von Automatisierungssystemen (AT-System)<br />

<strong>für</strong> Anlagen der Prozessindustrie zunehmend<br />

an Bedeutung. Je komplexer die Anlagen werden,<br />

desto umfangreichere Tests sind nötig, um<br />

die korrekte Funktion des AT-Systems im Sinne der Kundenspezifikation<br />

zu über prüfen. Angelehnt an die Testprozeduren<br />

von Software-Applikationen beinhaltet das<br />

Engineering eines Prozessleitsystems (PLS) mehrere<br />

Prüfschritte. Je nach Implementierungsfortschritt werden<br />

Verriegelungen, Schrittketten, Grenzwerte (<strong>für</strong><br />

Schaltungen, Alarme und Meldungen), sowie Wirkrichtungen<br />

von Reglern daraufhin überprüft, ob sie den Spezifikationen<br />

entsprechen. Die Ingenieure stehen vor der<br />

Herausforderung, dass die <strong>für</strong> den Factory Acceptance<br />

Test (FAT) zur Verfügung stehende Zeit immer kürzer<br />

wird [1], wohingegen die Anzahl und Komplexität der<br />

durchzuführenden Tests aufgrund des zunehmenden<br />

Funktionsumfangs der Prozessanlage und damit auch<br />

des AT-Systems stetig zunehmen. Des Weiteren erhöht<br />

die geografische Ver teilung der am Engineering beteiligten<br />

Ingenieure die Signifikanz des FAT als finale Integration<br />

und Qualitätssicherung des AT-Systems.<br />

Der FAT wird jedoch durch das Fehlen von realen AT-<br />

Komponenten (zum Beispiel Feldbuskomponenten) im<br />

Prüffeld erschwert. Insbesondere Peripherie-Komponenten<br />

werden aus logistischen Gründen oftmals direkt zur<br />

Anlage versandt. Das Prüffeld besteht daher in der Regel<br />

aus Beispiel-Hardware-Komponenten, welche nur den<br />

Test von Teilsystemen erlauben [2]. Um das AT-System<br />

während des FAT dennoch so weit als möglich testen zu<br />

können, werden zunehmend Methoden der virtuellen<br />

Inbetriebnahme [3] eingesetzt. Dazu wird der zu automatisierende<br />

Prozess mittels geeigneter Werkzeuge<br />

simuliert. Die Steuerungsprogramme laufen dabei<br />

entweder auf der realen Hardware oder auf emulierten<br />

Steuerungen (Soft-SPS). Mit einer Soft-SPS lässt sich die<br />

Steuerungslogik auch ohne das Vorhandensein realer<br />

Hardware testen [4].<br />

Um bei simulationsbasierten Tests nicht ausschließlich<br />

auf den funktionalen Bereich zu fokussieren, werden<br />

Emulatoren <strong>für</strong> die projektierten Subsysteme sowie<br />

deren Peripherie eingesetzt. Oft ist es die Peripherie des<br />

AT-Systems, welche den größten Aufwand im Rahmen<br />

der Testphasen – insbesondere während des FAT –<br />

erzeugt. Wie in Bild 1 dargestellt, existieren Emulatoren<br />

<strong>für</strong> einfachere E/A-Applikationen (E/A-Emulator) bis<br />

hin zu komplexen Emulatoren <strong>für</strong> Feldbussysteme. Beispiele<br />

sind Emulatoren <strong>für</strong> elektrische Verteilsysteme [5]<br />

auf Basis des IEC 61850-Standards [6] beziehungsweise<br />

Emulatoren <strong>für</strong> eine auf Foundation Fieldbus (FF)<br />

basierende dezentrale Steuerungslogik [7].<br />

Da die Steuerungslogik zunehmend auf intelligente<br />

Feldgeräte verteilt wird [8], bedeutet der Einsatz von<br />

Hardware-Emulatoren <strong>für</strong> den Test des AT-Systems einen<br />

wichtigen Schritt in Richtung einer höheren Testabdeckung.<br />

In Anlehnung an [9] unterscheiden die Autoren<br />

dabei zwischen dem Einsatz von Emulation und Simulation.<br />

Emulation beschreibt die Abarbeitung einer Software<br />

auf einem Fremdsystem. Dabei muss sichergestellt<br />

sein, dass das Verhalten nach außen dem des Originalsystems<br />

entspricht. Auf ein AT-System übertragen<br />

bedeutet dies, dass ein Steuerungsprogramm beispielsweise<br />

nicht auf der realen SPS abgearbeitet wird, sondern<br />

auf einer Soft-SPS, welche die reale SPS emuliert. Diese<br />

Form wird dahingehend auch als Hardware-Emulation<br />

bezeichnet.<br />

Simulation beschreibt hingegen nach [10] „ein Verfahren<br />

zur Nachbildung eines Systems mit seinen dynamischen<br />

Prozessen in einem experimentellen Modell …“.<br />

Wiederum auf den Bereich der Automatisierungstechnik<br />

übertragen, wird Simulation überwiegend <strong>für</strong> die Nachbildung<br />

der zu steuernden/regelnden Anlage eingesetzt.<br />

Wie in Bild 1 dargestellt, berücksichtigt der in diesem<br />

Beitrag vorgestellte Ansatz nicht ausschließlich Soft-<br />

SPS-Emulatoren sondern darüber hinaus den Einsatz<br />

von komplexeren Hardware-Emulatoren <strong>für</strong> unterschiedliche<br />

Bussysteme. Die darüber hinausgehende Notwendigkeit<br />

der Prozesssimulation wird in [11] und [12]<br />

beschrieben.<br />

Trotz der erhöhten Testabdeckung werden HW-Emulatoren<br />

bislang nur in begrenztem Umfang verwendet.<br />

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

11 / 2012<br />

47


HAUPTBEITRAG<br />

<br />

Koppler-<br />

Emulation<br />

Steuerungs Netzwerk<br />

BILD 1: Virtuelle Hardware-in-the-Loop-Testumgebung<br />

In Erweiterung der zuvor getroffenen Definitionen umfasst<br />

die Emulationstechnologie nach [9] die Nachbildung<br />

des Verhaltens eines Geräts mittels eines anderen<br />

Geräts oder einer Software. Dieser Ansatz wird in unterschiedlichen<br />

Gewerken verwendet, um Systemtests (zum<br />

Beispiel Funktions- und Integrations tests) durchführen<br />

zu können, bevor die realen Hardwarekomponenten zur<br />

Verfügung stehen. Zusätzlich werden Emulatoren <strong>für</strong><br />

Feldbus-Systeme eingesetzt, um die Logik [7] sowie das<br />

zeitliche Verhalten des Busses [14] realitätsnah zu testen.<br />

Die wachsende Vielfalt an Emulatoren erschwert<br />

jedoch deren effizienten Einsatz, da jeder Emulator individuell<br />

konfiguriert, parametriert und initialisiert<br />

werden muss. Bei großen Systemen mit verschiedenen<br />

Subsystemen und komplexer Peripherie müssen die<br />

Emulatoren exakt aufeinander ab ge stimmt sein. Oftmals<br />

entsteht durch die Konfiguration und Verknüpfung der<br />

Emulatoren ein Netzwerk, welches dem Komplexitätsniveau<br />

des realen AT-Systems nahekommt und in<br />

einem deutlichen Mehr aufwand, im Vergleich zum<br />

Teilsystemtest, <strong>für</strong> den FAT resultiert.<br />

Dabei ist der <strong>für</strong> die Ausführung der Emulation notwendige<br />

Aufwand zur Konfiguration der IT-Infra struktur<br />

noch nicht berücksichtigt: Die meisten Emulatoren benötigen<br />

eine separate Ether net-Schnitt stelle mit einer auf<br />

den Emulator abgestimmten IP-Adresse. Einige Emulato<br />

ren sind zudem nicht multiinstanzfähig, weshalb mehrere<br />

Instanzen des gleichen Typs auf verschiedenen<br />

Rechnern verteilt emuliert werden müssen. Der hier<strong>für</strong><br />

notwendige manuelle Aufwand ist beträchtlich.<br />

BILD 2: Funktionsweise eines Emulators<br />

z.B.:<br />

• SoftSPS<br />

• FF-Emulation<br />

• E/A-Emulation<br />

Begründet wird dies durch den hohen manuellen Aufwand<br />

zur Parametrierung und Konfiguration der Emulatoren.<br />

Des Weiteren wird ein beträchtlicher Aufwand<br />

<strong>für</strong> Bereitstellung, Administration und Konfiguration<br />

der benötigten IT-Infrastruktur notwendig. Um eine einheitliche<br />

und automatisierte Konfiguration – bestehend<br />

aus Emulatoren und umgebender IT-Infrastruktur – zu ermöglichen,<br />

wird das Konzept eines virtuellen Emulator<br />

Frameworks (VEF) vorgestellt.<br />

1. EMULATOREN IN DER AUTOMATISIERUNGSTECHNIK<br />

1.1 Konfiguration am Beispiel von FF<br />

Die Funktionsweise von Emulatoren <strong>für</strong> AT-Komponenten<br />

basiert auf immer gleichen Prinzipien. Zunächst<br />

muss der Emulator die Konfi guration der zu emulierenden<br />

realen Komponente kennen. Dazu wird eine<br />

Konfi guration benötigt, welche auf eine der beiden nachfolgend<br />

beschriebenen Möglichkeiten aufgesetzt werden<br />

kann.<br />

1 | Die Konfiguration eines einzelnen Geräts, zum Beispiel<br />

einer SPS, kann mittels eines Downloads der<br />

Applikation auf die Soft-SPS durchgeführt werden.<br />

Diese Variante wird dann eingesetzt, wenn ein<br />

separates Gerät durch eine Instanz des Emula tors<br />

emuliert wird. Die Konfiguration basiert dabei auf<br />

den gleichen Kommunikationsprotokollen wie beim<br />

realen System.<br />

2 | Eine Datei wird auf Basis von Daten des Engineering-Werkzeuges<br />

erzeugt und zur Konfiguration<br />

des Emulators verwendet. Diese Möglichkeit wird<br />

zur Konfiguration von Subsys temen verwendet,<br />

deren Topologie dem Emulator vor der Konfiguration<br />

nicht bekannt ist.<br />

Ein Beispiel <strong>für</strong> einen Emulator mit dateibasierter<br />

Konfiguration ist der FF-Emulator nach [7]. Da eine<br />

FF-Lösung üblicher weise aus mehreren voneinander<br />

ge trennten Subnetzen besteht, muss zunächst der Emulationsrahmen<br />

festgelegt werden. Der hier<strong>für</strong> referenzierte<br />

Emulator ist in der Lage, in einer Instanz ein<br />

Subnetz zu emulieren. Dies bedeutet, dass der Nutzer<br />

zunächst das zu emulierende Subnetz auswählen muss.<br />

48<br />

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

11 / 2012


Als nächstes wird die Konfiguration des ausgewählten<br />

Subnetzes benötigt. Hier<strong>für</strong> wird eine Schnittstelle verwendet,<br />

wel che auf die Daten des Engi neering -Werkzeugs<br />

zugreift und diese in ein dateibasiertes Zwischenformat<br />

expor tiert, welches sich problemlos auf andere Rechner<br />

übertragen lässt.<br />

Da FF ein ethernetbasierter Feldbus ist, muss <strong>für</strong> jedes<br />

zu emulie rende Subnetz eine Ethernet-Schnitt stelle am<br />

Emulations-PC verfügbar sein oder gegebenenfalls nachgerüstet<br />

werden. Damit eine Verbindung zum umgebenden<br />

Leitsystem hergestellt werden kann, muss diese Ethernet-<br />

Schnittstelle konfi gu riert werden (IP-Adresse, Subnetz-<br />

Maske und eventuell Gateway). Nun kann der Emulator<br />

gestartet und die zuvor erzeugte Konfigurationsdatei geladen<br />

werden. Die Konfiguration von weiteren Emulatoren<br />

wird analog zu der beschriebenen Vorge hensweise durchgeführt.<br />

Für die Emulation des gesam ten AT-Systems müs sen<br />

die Emulator-Instanzen auf ent sprechend unterschiedliche<br />

Rechner verteilt, die benö tigte Hardware ge -<br />

gebenen falls nach ge rüstet sowie die Hardware und der<br />

Emulator selbst konfiguriert werden. Das in diesem<br />

Beitrag vorgestellte VEF verfolgt die Automa ti sie rung<br />

des beschriebenen Vorgehens.<br />

1.2 Orchestrierung<br />

Nachdem die Emulation initialisiert wurde, liest der<br />

Emulator, wie in Bild 2 gezeigt, die an sein Sub system<br />

gesendeten Eingangswerte ein, führt die Logik der zu<br />

emulierenden Komponente aus und schreibt die berechneten<br />

Ausgangswerte zurück an die übergeordnete AT-<br />

Komponente. Zur Kom muni ka tion der Ein- und Ausgangswerte<br />

werden die spezifischen Protokolle (zum<br />

Beispiel Profibus) der zu emulierenden Komponente<br />

verwendet.<br />

Einige Emulatoren stellen zusätzliche Steuerungsfunktionen<br />

zur Verfü gung. Neben den Basisfunktionen<br />

Start und Stopp, kann der Nutzer aktuelle Zustände<br />

einfrieren, spei chern und diese zu einem späteren<br />

Zeitpunkt wieder her stellen. In diesem Zusammenhang<br />

umfasst ein weiteres Ziel des VEF die Vereinheitlichung<br />

der notwendigen (Fern-) Orchestrierung der Emulatoren<br />

durch ein einheitliches Bedienkonzept. Da die Struktur<br />

verschiedener Emula toren auf ähnlichen Prinzipien<br />

beruht, liegt es nahe, ein Konzept zur Abstrak tion<br />

der beschriebenen Funktionalität zu entwerfen. Diese<br />

Abstraktion kann als Schnittstelle dienen und die<br />

Konfiguration und die zeitgleiche Steuerung mehrerer<br />

Emulator-Instanzen ermöglichen.<br />

1.3 Anforderungen an das VEF<br />

Das VEF soll die Administration der Rechnerinfrastruktur<br />

sowie den Entwurf der Emulation vereinfachen und<br />

automatisieren. Basie rend auf dem zu er zielenden Nutzen,<br />

lassen sich vier grund legende Anforderungen an das<br />

VEF bezüglich dessen Nutzung und Admini s tration<br />

formulieren.<br />

1 | Automatische Konfiguration der Emulatoren<br />

Jeder Emulator benötigt die Konfiguration der zu<br />

emulierenden Komponente. Das VEF muss in der<br />

Lage sein, diese Konfi gu ration – mithilfe des integrierten<br />

Emulators – auto ma tisch zu erzeugen und<br />

dem Emu lator bekannt zu geben.<br />

2 | Automatische Konfiguration der IT-Infrastruktur<br />

Die IT-Infrastruktur muss auf die auszuführenden<br />

Emulatoren abgestimmt und entsprechend skalierbar<br />

sein, damit die benötigten Ressourcen automatisch<br />

bereitgestellt und die notwendige Konfiguration<br />

automatisiert durchgeführt werden kann.<br />

3 | Einheitliches Bedienkonzept<br />

Die Bedienoberfläche soll unabhängig von den<br />

inte grier ten Emu la toren sein. Ein einheitliches<br />

Bedienkonzept muss angestrebt werden.<br />

4 | Keine Änderungen der Onlinekommunikation der<br />

Emulatoren<br />

Für die Gültigkeit des FAT ist es von entscheidender<br />

Bedeutung, dass die Kommunikations proto kolle<br />

der Emulatoren nicht beeinflusst oder verändert<br />

werden, da diese spezifisch auf die verwendeten<br />

Engineering-Werkzeuge und das zu emulierende<br />

System abge stimmt sind. Eine Vereinheitlichung<br />

der Kommunikation zur Laufzeit ist unzuläs sig.<br />

2. GENERIERUNG EINER EMULATION<br />

Wie in Abschnitt 1 erläutert, besteht die Grundidee des<br />

VEF darin, unterschiedliche Emula to ren in einer virtuellen<br />

Umgebung zu integrieren. Als Basis werden<br />

bestehende Virtualisierungstechnologien eingesetzt, da<br />

diese eine frei konfigurierbare Zusammen stellung des<br />

virtualisierten Hardware-Systems (wie Ethernet-Karte,<br />

Speicher) erlauben. Auf sich ändernde Hardware-<br />

Anforderungen kann flexibel reagiert werden, ohne<br />

neue reale Komponenten integrieren zu müssen. Die<br />

Umgebung ist flexibel skalierbar und weitgehend unabhängig<br />

von den Emulationsrechnern.<br />

2.1 Parametrierung des VEF<br />

Das VEF-Konzept sieht die automatische Generierung<br />

von virtuellen Maschinen (VM) und darin die automatische<br />

Instanziierung von Emulatoren vor. Die VM<br />

können im Anschluss an deren Generierung auf unterschiedliche<br />

real vorhan de ne PCs verteilt und ausgeführt<br />

werden. Ein im Rahmen des VEF ent wickeltes Werkzeug<br />

übernimmt die Verteilung und die Steuerung der VM<br />

beziehungsweise der Emulator-Instanzen. Damit eine<br />

automatische Generierung der Emulation erfolgen kann,<br />

wird einmalig, wie in Bild 3 dargestellt, ein Muster einer<br />

VM aufgesetzt, auf welchem die unter schied lichen<br />

Emulatoren installiert sind. Die Installation ist dabei<br />

genauso auszuführen wie auf einem realen PC.<br />

Das vorbereitete Muster bietet den Vorteil, dass es beliebig<br />

vervielfältigt werden kann. Dadurch lässt sich die<br />

virtuelle Hardware automatisch verändern und auf die<br />

Bedürf nisse der jeweiligen Emulator-Instanz anpassen.<br />

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

11 / 2012<br />

49


HAUPTBEITRAG<br />

E/A<br />

Emulator<br />

Export der<br />

Topologie<br />

Auswahl der zu<br />

emulierenden Objekte und<br />

Export der Konfiguration<br />

BILD 3: Template einer VM mit Emulatoren<br />

BILD 4: Export der AT-Topologie und Auswahl der zu<br />

emulie ren den Objekte<br />

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BILD 5: Software-Struktur des VEF<br />

BILD 6: Topologie des AT-Systems<br />

Eine Anpassung der externen Schnittstellen des realen<br />

PCs ist üblicherweise nicht nötig. Zusätzlich zur Installation<br />

auf dem Muster muss der Emulator die nachfolgend<br />

beschriebenen, von der spezifischen Konfiguration des<br />

Emulators unabhängigen Konfi gu ra tions parameter bereitstellen.<br />

1 | Anzahl der Ethernet-Schnittstellen: Nahezu jeder<br />

Emulator benötigt mindestens eine Ethernet-<br />

Schnittstelle. Mehrere Schnittstellen werden dann<br />

benötigt, wenn der Emulator mit einem Client-<br />

Server-Netz werk des Leitsystems und einem FF-<br />

Netz werk verbunden ist.<br />

2 | Da Emulatoren instanziiert werden, welche lediglich<br />

in einer begrenzten Anzahl auf einem Rechner<br />

ausführbar sind, ist die Angabe dieser Begren zung<br />

notwendig.<br />

3 | Einige Emulatoren können mehrere Instanzen eines<br />

Subsystems ausführen. Diese Anzahl muss dem<br />

VEF bekannt sein.<br />

4 | Hinzu kommt ein Parameter <strong>für</strong> den benötigten<br />

Arbeitsspeicher. Wie bei jeder MS-Windows-Applikation<br />

ist es <strong>für</strong> den Emulator wichtig, zu wissen,<br />

wie viel Arbeitsspeicher pro Instanz benötigt wird.<br />

5 | Zur Identifikation eines emulierbaren Subsystems<br />

wird der zugehörige Objekttyp (zum Beispiel HSE-<br />

Subnetz <strong>für</strong> FF) benötigt. Auf Basis des Typs können<br />

die emulierbaren Systeme bestimmt werden.<br />

Insbesondere bei der Emulation von Feldbussen werden<br />

die Anzahl der benötigten IP-Adressen pro Instanz sowie<br />

deren Adresswerte benötigt, da diese automatisch konfiguriert<br />

werden sollen. Letztere variieren mit der zu<br />

emulierenden Instanz und müssen dement sprech end aus<br />

den Konfigurationsdaten des Subsystems bezogen werden.<br />

Die Werte der erläuterten Konfigurationsparameter sind<br />

<strong>für</strong> jeden Emulator unterschiedlich und müssen daher<br />

bei der Integration des Emulators einmalig (mit Ausnahme<br />

der IP-Adresse) konfiguriert und bekannt gegeben<br />

werden.<br />

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

11 / 2012


2.2 Algorithmus zur Generierung der Emulation<br />

Um die benötigten VM zu generieren und die Emulatoren<br />

darin zu instanzi ieren wurde ein mehrstufiger Algorithmus<br />

entwickelt. Jede Stufe benötigt dabei Informationen<br />

des jeweils vorangehenden Schrittes. So können die VM<br />

beispielsweise erst dann erzeugt werden, wenn deren<br />

benötigte Anzahl berechnet wurde.<br />

Zunächst muss die Topologie des AT-Systems aus dem<br />

Engineering-System des Leitsystems expor tiert werden.<br />

Die im Leitsystem modellierte Topologie enthält die AT-<br />

Komponen ten, zum Beispiel die verwendeten Steuerungen.<br />

Da die emulierbaren Objekte aufgrund des Objekttyps der<br />

Emulatoren identifiziert werden, kann diese Information<br />

dem VEF bereits hier bekannt gegeben werden.<br />

Während des FAT werden in der Regel Teilsysteme<br />

emuliert und getestet. Die Auswahl, welcher Teil getestet<br />

werden soll, kann der Nutzer mit dem in Bild 4 dargestellten<br />

Auswahldialog treffen. Dieser Auswahl entsprechend<br />

werden die Konfigurationsdateien <strong>für</strong> alle<br />

ausgewählten Objekte automatisch erzeugt. Die Dateien<br />

werden später benötigt, um die Emulator-Instanzen automatisch<br />

zu konfigu rieren.<br />

Auf Basis der ausgewählten Objekte lässt sich die Anzahl<br />

der benötigten VM unter Berücksichtigung folgender<br />

Regeln errechnen:<br />

Die maximale Anzahl ausführbarer Instanzen eines<br />

Emulators pro PC darf <strong>für</strong> keine der VM überschritten<br />

werden.<br />

Die VM haben abhängig von der verwendeten<br />

Virtualisierungsumge bung nur eine eingeschränkte<br />

Anzahl Ethernet-Schnittstellen zur Verfügung, die<br />

nicht überschritten werden darf.<br />

Die Anzahl gleichzeitig emulierbarer Objekte pro<br />

Instanz eines Emulators darf <strong>für</strong> keine Instanz überschritten<br />

werden.<br />

Der maximal verfügbare reale Arbeitsspeicher darf <strong>für</strong><br />

keinen Emulationsrechner über schritten werden. Dies<br />

bedeutet, dass die Summe des <strong>für</strong> die VM eines PCs<br />

allokierten Speichers kleiner sein muss als der reale<br />

Speicher des PCs.<br />

Da mit jeder zusätzlichen VM der Overhead <strong>für</strong> das<br />

Betriebs system und die Virtualisie rungs software steigt<br />

und <strong>für</strong> jede Betriebssystem-Instanz separate Lizenzen<br />

benötigt werden, wird empfohlen, stets die minimal notwendige<br />

Anzahl zu verwen den.<br />

Nachdem die benötigte Anzahl an VM festgelegt und auf<br />

Basis des Musters erstellt wurde, muss die virtuelle Hardware<br />

entsprechend der Emulatoren, die in den VM ausgeführt<br />

werden sollen, konfiguriert werden. Die spezifischen<br />

VM enthalten anschließend die benötigte Hardware-Konfiguration<br />

sowie die emulatorspezifischen IP-Adressen.<br />

Hierdurch verhalten sie sich nach ihrem Start wie ein<br />

Emulations-Rechner, welcher auf die Emulatoren abgestimmt<br />

wurde. Im Anschluss an die Generie rung der VM<br />

werden diese auf die Emulations-Rechner verteilt und dort<br />

gestartet. Die Konfiguration der Hardware ist damit beendet,<br />

worauf aufbauend die Da teien <strong>für</strong> die Konfiguration<br />

der generierten Emulator-Instanzen geladen werden.<br />

2.3 Technische Umsetzung<br />

Der beschriebene Algorithmus wird anhand einer<br />

Implementierung <strong>für</strong> das PLS-Engineering-Werkzeug<br />

System800xA erläutert. Als Emulatoren werden eine<br />

AC800M Soft-SPS sowie ein ABB SoftFF (FF-Emulator)<br />

in das VEF integriert.<br />

Da System800xA eine verteilte Architektur aufweist<br />

und eine Realisierung des VEF mit Fokus auf komplexe<br />

ressourcenintensive Emulationen das Ziel ist, wird <strong>für</strong><br />

das VEF ebenfalls eine verteilte Architektur gewählt. Als<br />

Basis <strong>für</strong> die Kommunikationsschnittstelle wird TCP/IP<br />

(beziehungsweise Ethernet) verwendet und auf der Windows<br />

Communication Foundation (WCF) [15] aufgebaut.<br />

Grundsätzlich müssen <strong>für</strong> die Realisierung des VEF<br />

verschiedene PCs (im Folgenden als Knoten bezeichnet)<br />

betrachtet werden. Die Knoten stellen Funktionalitäten<br />

<strong>für</strong> die Konfigu ration und Ausführung der VM und der<br />

Emulatoren bereit.<br />

In System800xA werden dedizierte Engineering-<br />

Knoten verwendet, um das Engineering von der Laufzeit<br />

des PLS zu entkoppeln. Diese Knoten stellen die Informationen<br />

über die Topologie des AT-Systems bereit. Alle<br />

Informationen über die Engineering-Daten eines jeden<br />

Knotens werden zentral in einer Datenbank zur Verfügung<br />

gestellt. Es wird dementsprechend eine Software<br />

benötigt, welche Zugriff auf diese Datenbasis hat und<br />

mittels WCF mit dem Rest des VEF kommunizieren<br />

kann. In Bild 5 wird diese Software mit Engineering-<br />

System-Zugriff beschrieben.<br />

Da aufwendige Emulationen üblicherweise hohe<br />

Anforderungen an die Hardware stellen, werden <strong>für</strong><br />

diese ebenfalls dedizierte und separate Knoten eingesetzt.<br />

Diese werden in der technischen Umsetzung<br />

nicht in Form von Standard-PCs realisiert, sondern als<br />

private VMware ESXi Cloud [16]. Die Administration<br />

und Steuerung der virtuellen Maschinen innerhalb der<br />

privaten Cloud wird mit VMware vSphere erreicht [16].<br />

vSphere bietet mit der VIX API (VIX Application Programming<br />

Interface, www.vmware.com) und vSphere<br />

CLI (vSphere Command Line Interface) Schnittstellen<br />

<strong>für</strong> die Administration und Steuerung der VM. Diese<br />

sind jedoch nur lokal zugreifbar und müssen deshalb<br />

durch eine Software auf diesem Knoten netzwerkfähig<br />

gemacht werden. In Bild 5 wird diese als Steuerung der<br />

virtuellen Maschinen beschrieben.<br />

Innerhalb der VM sollen die Emulator-Instanzen erzeugt,<br />

konfiguriert und gestartet werden, weshalb die in<br />

Bild 5 als Emulator-Manager bezeichnete Software notwendig<br />

ist. Zudem wird eine in Bild 5 als „Nutzer Front-<br />

End und Orchestrierung“ bezeichnete Nutzerschnitt stelle<br />

benötigt, welche sich auf einem beliebigen, sich innerhalb<br />

des PLS-Netzwerks befindlichen Knoten befinden kann<br />

und die einzige Stelle darstellt, an der ein manueller Zugriff<br />

auf die Konfiguration der Emulation erfolgen muss.<br />

Die beschriebene Architektur besteht aus drei Servern mit<br />

unterschiedlicher Funktionalität und einem Client, der<br />

die Server mittels WCF steuert. Der Steuerfluss ist immer<br />

in Richtung der Server, siehe Bild 5.<br />

Zusätzlich zum Steuerfluss wird ein Datenfluss zwischen<br />

dem Engineering-Knoten und den VM be nötigt.<br />

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

11 / 2012<br />

51


HAUPTBEITRAG<br />

Die auf dem Engineering-Knoten erzeugten Konfigurationsdateien<br />

werden in den VM benötigt um die Emulatoren<br />

gemäß des in Abschnitt 2.1 beschriebenen Algorithmus<br />

zu konfigurieren. Um <strong>für</strong> einen späteren Einsatz des VEF<br />

in realen Anwendungen einen sicheren Datentransfer<br />

zwischen Engineering-PC und VM zu gewährleisten, wird<br />

empfohlen, den Datenaustausch über sichere Protokolle,<br />

wie zum Beispiel SSH (Secure Shell), durchzuführen.<br />

2.4 Anwendungsbeispiel<br />

Für die Ausführung des Algorithmus wird ein Beispiel<br />

verwendet, welches zwei verschiedene Emulatoren (Soft-<br />

FF [8] und Steuerungs-Emulation) benötigt. In Bild 6 sind<br />

die <strong>für</strong> dieses Beispiel verwendeten realen AT-Komponenten<br />

hervorgehoben und die <strong>für</strong> diese Anwendung<br />

benötigten Emulatoren dargestellt. Das AT-System besteht<br />

aus einer AC800M-Steuerung sowie einem FF-Subnetz.<br />

Zur Kommunikation wird ein FF-Koppler verwendet.<br />

Die hier<strong>für</strong> im FAT vorgesehenen Testfälle sind beispielsweise:<br />

Test der Reglerparameter<br />

Test der Signalankopplungen<br />

Test des Alarm- und Event-Verhaltens<br />

Test der Ein- und Ausgangsfilter von FF<br />

Test der Verriegelungen<br />

Test der Grenzwerte<br />

Für die Generierung der Emulation wird zunächst die<br />

Topologie des AT-Systems aus dem PLS-Engineering-<br />

Werkzeug exportiert. Hier<strong>für</strong> greift das Konfigurationswerkzeug<br />

auf den Engineering-System-Knoten zu und<br />

benutzt dessen Server-Software, um einen Export zu<br />

initialisieren. Das Konfigurationswerkzeug stellt die<br />

erhaltene Struktur dar (siehe Bild 7).<br />

Wie in Bild 7 dargestellt, wurden die Objekte „Controller_1“<br />

(AC800M) und „21_FFCIUseCase“ (FF-Subnetz)<br />

bereits ausgewählt und basierend auf der Typinformation<br />

automatisch den Emulator-Typen zugeordnet.<br />

Da <strong>für</strong> die technische Realisierung des Algorithmus<br />

eine EXSi Cloud als Laufzeitumgebung <strong>für</strong> die VM verwendet<br />

wurde, muss der Nutzer den Zugriff auf diese<br />

mittels Eingabe der URL einmalig konfigurieren. Anschließend<br />

wird die <strong>für</strong> das Anwendungsbeispiel benötigte<br />

VM aus dem Muster generiert, in die ESXi Cloud<br />

verschoben und dort konfiguriert.<br />

Für das Beispiel werden zwei Ethernet-Schnittstellen,<br />

64 MB Arbeitsspeicher <strong>für</strong> den Soft Controller und 96 MB<br />

Arbeitsspeicher <strong>für</strong> SoftFF benötigt. Die Schnittstellen und<br />

der Arbeitsspeicher werden mithilfe der VIX API automatisch<br />

hinzugefügt. Der Nutzer kann nun das Konfigurationswerkzeug<br />

anwenden, um die Emulation zu starten.<br />

Im Vergleich zur herkömmlichen Vorbereitung und<br />

Konfiguration einer Emulation werden lediglich zwei<br />

Nutzerinteraktionen benötigt: 1) die Auswahl der zu<br />

emulierenden Komponenten und 2) die Konfiguration<br />

des Zugriffs auf die ESXi Cloud. Hinzu kommt, dass<br />

beide Instanzen – obwohl diese von unterschiedlichen<br />

Emulator-Typen gebildet wurden – auf die gleiche Art<br />

und Weise konfiguriert werden, wodurch keine weiteren<br />

Software-Werkzeuge verwendet werden müssen. Auch<br />

die virtuelle Hardware wird, basierend auf den Parametern<br />

der Emulatoren, automatisch angepasst.<br />

2.5 Ressourcenbedarf und Anwendbarkeit des VEF<br />

Im beschriebenen Beispiel wird lediglich eine VM benötigt.<br />

Jedoch erlaubt es bereits diese Konfiguration, Aussagen zu<br />

den benötigten realen sowie virtuellen IT-Ressourcen zu<br />

treffen. Um diese Angaben auf eine fundierte Basis zu<br />

stellen, wurden Benchmarks durchgeführt, mithilfe derer<br />

der Ressourcenbedarf während der Laufzeit <strong>für</strong> unterschiedliche<br />

Konfigurationen ermittelt werden kann.<br />

Eine Konfiguration mit einer VM besteht nicht nur aus<br />

der VM, sondern aus der generierten VM und dem Muster.<br />

Das Muster wird <strong>für</strong> die Generierung nicht einfach kopiert;<br />

es werden Referenzen auf dieses gebildet, sodass die<br />

generierte VM ausschließlich den ergänzenden Speicherbedarf<br />

<strong>für</strong> die Konfigurationsdaten benötigt. Das Referenzieren<br />

auf das Muster stellt kein Problem <strong>für</strong> die Emulation<br />

dar, da diese im Arbeitsspeicher ausgeführt wird und<br />

während der Laufzeit keine Festplattenzugriffe benötigt.<br />

Bild 8 zeigt den Ressourcenbedarf <strong>für</strong> die generierte<br />

VM. Das Muster ist mit 8 GB erwartungsgemäß groß. Die<br />

generierte VM ist im Ursprungszustand jedoch nur<br />

59 MB groß. Erst nachdem weitere Zustände der VM<br />

eingefroren wurden, wächst der Speicherbedarf auf<br />

etwa 500 MB an.<br />

Außerdem verdeutlicht Bild 8, dass <strong>für</strong> die Emulation<br />

416 MB Arbeitsspeicher benötigt werden. Dies errechnet<br />

sich aus dem benötigten Speicher <strong>für</strong> die Emulator-<br />

Instanzen und den 256 MB <strong>für</strong> das Betriebssystem. Als<br />

virtuelle Schnittstellen werden zwei virtuelle Ethernet-<br />

Karten gebraucht, je eine <strong>für</strong> die Soft-SPS und <strong>für</strong> SoftFF.<br />

Um die Rechenzeit zu ermitteln, wurde eine Testkonfiguration<br />

gemäß dem PassMark Performance Test 7.0<br />

(www.passmark.com) auf einem Standard PC vorbereitet.<br />

Als Virtualisierungssoftware wurde VMware Workstation<br />

eingesetzt. Die Ergebnisse des Performance-<br />

Tests weisen lediglich einen kritischen Zustand auf: das<br />

Starten einer VM.<br />

Die vielen Zugriffe auf die Festplatte, die während des<br />

Startens nötig sind, führen dazu, dass die Zugriffsgeschwindigkeit<br />

auf die Festplatte innerhalb der VM um<br />

etwa 30 % einbricht. Auch die Zugriffsgeschwindigkeit<br />

auf den Arbeitsspeicher wird um zirka 20 % langsamer.<br />

Es gilt daher, darauf zu achten, dass alle Startvorgänge<br />

von parallel laufenden VM vollständig abgeschlossen<br />

sind, bevor die Emulation gestartet wird.<br />

3. DISKUSSION DES ANSATZES<br />

3.1 Grenzen<br />

Das VEF macht sich die Skalierbarkeit einer virtuellen<br />

IT-Infrastruktur zunutze. Hierdurch ergeben sich jedoch<br />

einige Ausschluss kri terien:<br />

52<br />

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

11 / 2012


BILD 7: Screenshot: Auswahl der zu emulierenden Objekte<br />

BILD 8: Benötigte Ressourcen <strong>für</strong> das Beispiel<br />

Das VEF ist ungeeignet <strong>für</strong> hardwarebasierte<br />

Emulatoren.<br />

Emulatoren, die als Basis eine Hardware-Plattform<br />

benutzen, können nicht in das VEF integriert werden.<br />

Der Emulator muss auf einer Virtuellen Maschine<br />

lauffähig sein.<br />

Generell müssen alle Emulatoren – auch softwarebasierte<br />

– die nicht in einer VM betrieben werden können,<br />

von einer Verwendung im VEF ausgeschlossen werden.<br />

Ethernet als Kommunikationsbasis<br />

Der Emulator sollte zur Laufzeit eine Ethernet-<br />

Kommunikation auf weisen. Emulatoren, die zum<br />

Beispiel über Profibus kommunizieren, benötigen<br />

spezielle Hardware, die nicht von der Virtualisierungsumgebung<br />

unterstützt wird.<br />

Aktuelle Feldbusse basieren zunehmend auf Ethernet,<br />

weshalb davon auszugehen ist, dass Ethernet in Zukunft<br />

eine wichtige Rolle spielen wird [17] und hauptsächlich<br />

ältere Emulatoren betroffen sind. Emulatoren auf Basis<br />

von Hardware sind zwar nicht integrierbar, diese lassen<br />

sich jedoch über die konventionellen Kommunikationswege<br />

(beispielsweise Profibus PCI-Karte) im Verbund mit<br />

dem VEF verwenden.<br />

3.2 Forschungsbedarf<br />

Der Beitrag behandelt vor allem die Konfiguration der<br />

VM und der Emulatoren, die darin ausgeführt werden.<br />

Aus wissenschaftlicher Sicht bleiben bezüglich der<br />

Generierung einer vollständigen Emulation folgende<br />

Fragestellungen offen:<br />

Inwiefern wird das Laufzeitverhalten der Emulatoren<br />

durch die virtuelle Umge bung beeinflusst?<br />

Um eine belastbare Emulation der Komponenten zu<br />

erhalten, müssen die Emulatoren ein mit der realen<br />

Komponente identisches Laufzeitverhalten aufweisen.<br />

Hier<strong>für</strong> müssen Benchmarks entwickelt, angewandt<br />

und ausgewertet werden, welche die Emulatoren auf<br />

ihre Geschwindigkeit/Echtzeitverhalten untersuchen<br />

(zum Beispiel PLCopen Benchmark).<br />

Wie können Emulationen geeignet gespeichert<br />

werden?<br />

FAZIT<br />

In der Regel wird eine Emulation <strong>für</strong> einen begrenzten<br />

Zeitraum benötigt und danach nicht weiter benutzt.<br />

Durch Persistieren könnte die Emulation zu<br />

einem späteren Zeit punkt weiterverwendet werden<br />

(z.B. <strong>für</strong> Brown-Field Projekte).<br />

Welche Schnittstellen zur Simulation werden benötigt?<br />

Um eine vollständige virtuelle Inbetriebnahme zu<br />

ermöglichen, werden Schnittstellen <strong>für</strong> die Orchestrierung<br />

und den Austausch der Ein- und Ausgangssignale<br />

[3] zwischen Simulation und Emulation benötigt.<br />

Neben den bekannten Vorteilen des Einsatzes von Virtualisierung<br />

– wie effizientere Hardware-Auslastung,<br />

ge ringere Betriebskosten, geringerer Stromverbrauch,<br />

geringerer administrativer Aufwand [16] im Vergleich zu<br />

konventionellen Rechnersystemen – bietet das VEF weitere<br />

Vorteile. Das VEF wurde im Hinblick auf eine effiziente<br />

Vorbereitung des FAT <strong>für</strong> AT-Komponenten und Subsysteme<br />

entwickelt. Der manuelle Aufwand zur Parametrierung,<br />

Konfiguration und Administration <strong>für</strong> die<br />

Emulator-Instanzen wird durch den Einsatz des VEF gering<br />

gehalten. Es werden lediglich zwei Nutzerinter aktionen<br />

benötigt: die Auswahl der zu emulierenden Objekte und<br />

zur Konfiguration des Zugriffs auf den ESXi-Server.<br />

Durch den Einsatz des VEF erübrigt sich die Beschaffung,<br />

Montage und Parametrierung externer<br />

Rechnerschnitt stellen. Die virtualisierte Hardware wird<br />

automatisch konfiguriert und parametriert, wodurch sich<br />

der Aufwand <strong>für</strong> die Bereitstellung der Emulation weiter<br />

verringert. Durch die Nutzung von Virtualisierung wird<br />

eine Lösung geschaffen, welche durch einen niedrigen<br />

Entwicklungsaufwand schnell zu einsetzbaren Werkzeugen<br />

führt. Auch die technische Realisierung zeigt, dass<br />

es möglich ist, eine Umsetzung <strong>für</strong> ein komplexes Leitsystem<br />

zu entwickeln. Das VEF ist damit eine skalierbare<br />

Umgebung, mit der Emulationen effizient <strong>für</strong> gewerkübergreifende,<br />

heterogene Leitsystemkonfigurationen<br />

erstellt und angewendet werden können.<br />

MANUSKRIPTEINGANG<br />

14.05.2012<br />

Im Peer-Review-Verfahren begutachtet<br />

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

11 / 2012<br />

53


HAUPTBEITRAG<br />

REFERENZEN<br />

AUTOREN<br />

[1] Rodies, H.-J.: Planungswerkzeuge aus Sicht des<br />

Anlagenbaus. <strong>atp</strong> – Automatisierungstechnische Praxis<br />

44(1), S. 40-44, 2002<br />

[2] Sato, H: The Recent Movement of Foundation Fieldbus<br />

Engineering. In: SICE Annual Conference, S. 1134 –1137,<br />

2003<br />

[3] Barth, M.: Automatisch generierte Simulationsmodelle<br />

verfahrenstechnischer Anlagen <strong>für</strong> den Steuerungstest.<br />

VDI, 2011<br />

[4] Greifeneder, J., Weber, P., Barth, M., Fay, A.:<br />

Generierung von Simulationsmodellen auf Basis von<br />

PLS-Engineering-Systemen.<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong> – Auto matisierungstechnische Praxis 54(4),<br />

S. 34 – 41, 2012<br />

[5] Maeda, T.: A testing environment.<br />

ABB’s comprehen sive suite of software testing and<br />

commis sioning tools for substation automation<br />

systems. ABB Review Special Report IEC 61850,<br />

S. 29 – 32, 2010<br />

[6] IEC61850: Communication networks and systems in<br />

substations, 2003<br />

[7] Hoernicke, M. und Bauer, P.:<br />

Emulation dezentraler Steuerungslogik.<br />

Dynamisches Testen von Field- Control-Systemen.<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong> – Automatisierungs technische Praxis 54(4),<br />

S. 42 – 49, 2012<br />

[8] Hoernicke, M., Weemes, P., Hanking, H.: The fieldbus<br />

outside the field. Reducing commis sioning effort<br />

by simulating FF with SoftFF. ABB Review 1/2012,<br />

S. 47-52, 2012.<br />

[9] Günthner, W. und Ten Hompel, M.: Internet der Dinge in<br />

der Intralogistik. Springer, 2010<br />

[10] VDI 3633: Simulation von Logistik-, Materialfluss und<br />

Produktionssystemen – Grundlagen, März 2000<br />

[11] Wünsch, G.: Methoden <strong>für</strong> die virtuelle Inbetriebnahme<br />

automatisierter Produktionssysteme. Herbert Utz,<br />

2008<br />

[12] Barth, M., Fay, A., Wagner, F., Frey, G.: Effizienter<br />

Einsatz Simulations-basierter Tests in der Entwicklung<br />

automatisierungstechnischer Systeme.<br />

In: Tagungsband Automation 2010, S. 47 – 50. VDI, 2010<br />

[13] IEC61131-3-Part 3: Programming Languages.<br />

Edition 2.0, 2003<br />

[14] Brandao, D., da Cunha, M.J., Pinotti Jr., M.:<br />

Fieldbus Control System Project Support Tool<br />

based on Experimental Analysis and Modeling of<br />

Communication Bus.<br />

In: IEEE International Conference on Industrial<br />

Technology (ICIT’04), Vol. 2, S. 787 – 792, 2004<br />

[15] Lowy, J.: Programming WCF Services.<br />

O’Reilly Media, 2008<br />

[16] Runge, R., Sturm, C., Wisskirchen, S., Ebel, N.,<br />

Groh, J., Höller, O., Mewes, C.: VMware Infrastructure<br />

3 im Business-Umfeld. Addison-Wesley, 2009<br />

[17] Morse, J.: Ethernet Steams Ahead in Asia Pacific.<br />

IMS Research, Januar 2012<br />

Dipl.-Ing. (FH) MARIO<br />

HOERNICKE (geb. 1984)<br />

ist Wissenschaftler am<br />

ABB Forschungszentrum<br />

in Ladenburg. Sein<br />

Forschungsschwerpunkt<br />

umfasst die Entwicklung<br />

neuer und innovativer<br />

Engineering-Konzepte im<br />

Bereich Emulation von Leitsystemfunktionen<br />

und Subsystemen sowie der Automation des<br />

Engineerings.<br />

ABB AG Forschungszentrum,<br />

Wallstadter Straße 59,<br />

D-68526 Ladenburg,<br />

Tel. +49 (0) 6203 71 62 66,<br />

E-Mail: mario.hoernicke@de.abb.com<br />

Dr.-Ing.<br />

JÜRGEN GREIFENEDER<br />

(geb. 1975) ist seit 2008<br />

Wissenschaftler am ABB<br />

Forschungszentrum in<br />

Ladenburg. Er studierte<br />

Technische Kybernetik in<br />

Stuttgart und promovierte<br />

über formale Antwortzeitanalyse<br />

netzbasierter Automatisierungssysteme<br />

in Kaiserslautern. Seine wissenschaftlichen<br />

Schwerpunkte sind Systemmodellierung und<br />

effizientes Engineering.<br />

ABB AG Forschungszentrum,<br />

Wallstadter Straße 59,<br />

D-68526 Ladenburg,<br />

Tel. +49 (0) 6203 71 62 22,<br />

E-Mail: juergen.greifeneder@de.abb.com<br />

ABB AG Forschungszentrum,<br />

Wallstadter Straße 59,<br />

D-68526 Ladenburg,<br />

Tel. +49 (0) 6203 71 64 61,<br />

E-Mail: mike.barth@de.abb.com<br />

Dr.-Ing. MIKE BARTH<br />

(geb. 1981) ist Wissenschaftler<br />

am ABB Forschungszentrum<br />

in Ladenburg. Seine<br />

Forschungsschwerpunkte<br />

umfassen Methoden und<br />

Werkzeuge <strong>für</strong> ein effizientes<br />

Engineering von Automatisierungssystemen.<br />

54<br />

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

11 / 2012


KNOWLEDGE<br />

for the FUTURE<br />

<br />

<br />

<br />

Process Control Systems Engineering<br />

Process Control Systems (PCS) are distributed control systems<br />

<br />

process industries.<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

application areas which are dominated by locally standardized<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

Editor: L. Urbas<br />

1 st <br />

<br />

OLDENBOURG INDUSTRIEVERLAG GMBH<br />

www.oldenbourg-industrieverlag.de<br />

<br />

Order now by fax: +49 201 / 8 20 02 34 or detach and send in a letter<br />

<br />

<br />

1 st <br />

<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

Reply / Antwort<br />

<br />

Vulkan-Verlag GmbH<br />

Versandbuchhandlung<br />

Postfach 10 39 62<br />

45039 Essen<br />

GERMANY<br />

Phone<br />

<br />

<br />

Fax<br />

<br />

PAPCSE2012<br />

Please note:<br />

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

11 / 2012 55<br />

none. This approval may be withdrawn at any time.


HAUPTBEITRAG<br />

Geräteintegration mit FDI und<br />

OPC UA<br />

Mit standardisiertem Informationsmodell Geräte integrieren<br />

Aktuelle Middleware in der Automatisierung bietet umfangreiche Möglichkeiten zur<br />

Informationsmodellierung. Standards wie OPC UA oder IEC 61850 erlauben es, neben den<br />

Daten auch Beschreibungen der Daten auszutauschen und damit die Semantik der Daten<br />

festzulegen. Standardisierte Informationsmodelle vereinheitlichen diese Semantik und<br />

ermöglichen es, die Daten zu interpretieren und reduzieren so den Konfigurationsaufwand.<br />

Die nächste Generation der Geräteintegration – FDI (Field Device Integration) – baut auf<br />

diese Konzepte, in dem es ein standardisiertes Informationsmodell auf Basis von OPC UA<br />

definiert. In diesem Beitrag werden OPC UA und seine Modellierungskonzepte vorgestellt<br />

und die Anwendung in FDI <strong>für</strong> eine interoperable Geräteintegration beschrieben.<br />

SCHLAGWÖRTER OPC UA / Informationsmodellierung / FDI / Geräteintegration /<br />

Middleware<br />

Device Integration with standardized Information Model –<br />

Integration of Devices with FDI and OPC UA<br />

Nowadays middleware in automation provides comprehensive means for information<br />

modelling. Standards like OPC UA or IEC 61850 allow to not only provide data but to<br />

provide semantics of data at the same time. The next generation of device integration FDI<br />

builds upon such concepts and defines an open and standardized information model based<br />

on OPC UA. In this paper OPC UA and its modeling concepts are explained as well as its<br />

application in FDI.<br />

KEYWORDS OPC UA / information modelling / FDI / device integration / middleware<br />

56<br />

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

11 / 2012


DANIEL GROSSMANN, WOLFGANG MAHNKE, ABB<br />

Oft ist es in der Automatisierung notwendig,<br />

eine Anlage nicht nur mit Produkten eines<br />

Herstellers zu automatisieren, sondern Produkte<br />

verschiedener Hersteller zu integrieren.<br />

Dazu ist es erforderlich, die Kommunikation<br />

zu vereinheitlichen, um eine aufwendige Punkt-zu-<br />

Punkt-Integration mit proprie tären herstellerspezifischen<br />

Schnittstellen und Protokollen zu vermeiden.<br />

Standardisierte Protokolle wie Hart, Profibus/Profinet<br />

oder Foundation Fieldbus <strong>für</strong> die Echtzeitkommunikation<br />

oder klassisches OPC auf der PC-Ebene bieten diese<br />

vereinheitlichte Kommunikation zwischen Produkten<br />

verschiedener Hersteller. Damit lassen sich Daten standardisiert<br />

in der Automatisierung aus tauschen.<br />

Inzwischen gibt es einen Trend in der Automatisierung,<br />

auch die Semantik der Daten zu standardisieren.<br />

Standards wie ISA 88 (auch IEC 61512, Chargenverarbeitung),<br />

ISA 95 (auch IEC 62264, MES-Ebene), oder das<br />

Common Information Model (CIM) mit der IEC 61970<br />

<strong>für</strong> Energiemanagement sowie IEC 61968 <strong>für</strong> Energieverteilung<br />

definieren die Semantik der Daten in den von<br />

ihnen adressierten Domänen. Dies geschieht zunächst<br />

unabhängig von der Spezifikation, wie die Daten übertragen<br />

werden.<br />

Standards wie OPC UA (IEC 62541) und IEC 61850 definieren<br />

die Kommunikation der Daten sowie den Austausch<br />

von Daten zur Beschreibung der Daten (Metadaten),<br />

die damit auch die Semantik festlegen. Damit wird<br />

eine Schnittstelle <strong>für</strong> eine Middleware in der Automatisierung<br />

festgelegt, die herstellerunabhängig die Integration<br />

von Daten in der Automatisierung ermöglicht und<br />

dabei auch die Semantik der Daten berücksichtigt. Die<br />

Middleware ist in der Lage, Anlagenteile miteinander zu<br />

verbinden und dabei Daten von Produkten verschiedener<br />

Hersteller zu integrieren. Durch standardisierte Abbildungen<br />

der Informationsstandards auf die Middleware-<br />

Technologien ist damit auch eine Interoperabilität auf<br />

semantischer Ebene möglich.<br />

1. EINFÜHRUNG OPC UA<br />

OPC UA (OPC Unified Architecture) [1] wurde von der<br />

OPC Foundation als Nachfolger der klassischen OPC-<br />

Spezifikationen entwickelt und ist inzwischen als IEC<br />

62541 [2] standardisiert. Dabei wurden verschiedene<br />

Ziele adressiert:<br />

Unterstützung der Funktionalität der klassischen<br />

OPC-Spezifikationen.<br />

Technologiewechsel von Microsoft’s COM/DCOM<br />

zu herstellerunabhängigen Technologien basierend<br />

auf Serviceorientierter Achitektur.<br />

Erfüllung von IT-Sicherheitsanforderungen und<br />

somit einem Secure by Design. In Zeiten von<br />

Stuxnet und Co. [3] erscheint diese Anforderung<br />

besonders wichtig.<br />

Zusammenführung der unabhängig voneinander<br />

existierenden Standards des klassischen OPC.<br />

OPC Data Access (Zugriff auf aktuelle Messwerte<br />

und Stellwerte), OPC Alarms & Events (Zugriff auf<br />

Ereignisse und Alarme) sowie OPC Historical Data<br />

Access (Zugriff auf die Historie von Messwerten<br />

und Stellwerten) sollen in einem gemeinsamen<br />

Adressraum vereint werden, um die Zusammenhänge<br />

zwischen diesen Datenklassen ausdrücken<br />

zu können.<br />

Unterstützung zusätzlicher Eigenschaften, wie die<br />

Möglichkeit, Methoden aufzurufen, die Struktur<br />

des Adressraums zu ändern oder auf die Historie<br />

von Ereignissen zugreifen zu können.<br />

Bereitstellung von Mechanismen zur Beschreibung<br />

der Daten und damit die Möglichkeit,<br />

Metadaten zu spezifizieren. Dabei sollen lediglich<br />

die Mechanismen definiert werden, um verschiedene,<br />

standardisierte Informationsmodelle zu<br />

verwalten. Die Semantik soll durch begleitende<br />

Spezifikationen festgelegt werden.<br />

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

11 / 2012<br />

57


HAUPTBEITRAG<br />

Zum Erfüllen dieser Ziele definiert OPC UA zunächst<br />

technologieunabhängige Services wie Lesen (Read) und<br />

Schreiben (Write) von Werten oder Navigieren im Adressraum<br />

(Browse). Diese sind bereits serviceorientiert entworfen,<br />

indem der Zugriff nicht auf einen Wert sondern<br />

mengenorientiert auf mehreren Werten erfolgt und somit<br />

die Anzahl der Aufrufe minimiert. Diese Services werden<br />

auf Technologien abgebildet, wie SOAP-basierte Web<br />

Services oder ein besonders performantes TCP -basiertes<br />

Protokoll. Die Daten können dabei in XML oder binär<br />

kodiert werden. Damit weicht OPC UA vom Konzept der<br />

klassischen OPC-Spezifikationen ab, lediglich eine<br />

Schnittstelle <strong>für</strong> eine existierende Kommunikationsinfrastruktur<br />

(COM/DCOM) zu definieren, sondern definiert,<br />

basierend auf existierender Technologie, ein eigenes<br />

Kommunikationsprotokoll. Damit werden die besonderen<br />

Anforderungen der Automatisierung bezüglich Verlässlichkeit<br />

und Verfügbarkeit sowie Performanz und IT-<br />

Sicherheit besser berücksichtigt.<br />

Neben der Kommunikation definiert OPC UA Mechanismen<br />

zur Informationsmodellierung. Dabei werden<br />

Messwerte und Stellwerte zusammen mit Ereignissen<br />

und Alarmen verwaltet und ein Zugriff auf die Historie<br />

beider Datenarten ermöglicht. Zusätzlich können Metadaten<br />

bereitgestellt und Methoden aufgerufen werden.<br />

Mit diesen Mechanismen skaliert OPC UA <strong>für</strong> eine<br />

Anwendung in vielen Bereichen der Automatisierung.<br />

OPC UA kann auf kleinen intelligenten Geräten mit<br />

limitierten Ressourcen über Controller und PC-Systeme<br />

bis zu großen Mainframe-Systemen oder der Cloud eingesetzt<br />

werden. Die herstellerunabhängigen Technologien<br />

ermöglichen den Einsatz auf beliebigen Betriebssystemen.<br />

Über Profile können OPC-UA-Produkte<br />

definieren, welche Eigenschaften von OPC UA sie unterstützen.<br />

Einfache Produkte könnten beispielweise keine<br />

Historie und lediglich eine kleine Anzahl von Clients<br />

unterstützen, wohingegen andere Produkte die Historie<br />

über Dekaden und Tausende von Clients unterstützen.<br />

Gleiches gilt <strong>für</strong> Clients, die lediglich von einfachen<br />

Funktionen, wie das Lesen eines Wertes, Gebrauch<br />

machen bis hin zu Konfigurations anwendungen, die die<br />

Struktur des Adressraums eines Servers verändern.<br />

Diese Skalierung gilt auch <strong>für</strong> die Informationsmodellierungseigenschaften.<br />

Ein einfacher Server könnte beispielsweise lediglich<br />

die Information eines klassischen OPC-DA-Servers<br />

anbieten und damit ein sehr einfaches Informationsmodell<br />

ohne semantische Informationen bis hin zu sehr<br />

komplexen Informationsmodellen, die etwa die Konfiguration<br />

eines Leitsystems repräsentieren. Einfache Clients<br />

können ohne Hilfe des Informationsmodells auf vorkonfigurierte<br />

Werte zugreifen oder mithilfe des Informationsmodells<br />

konfiguriert werden.<br />

1.1 Informationsmodellierung<br />

Die OPC-UA-Informationsmodellierung basiert auf<br />

einem kleinen Satz von Basiskonzepten, die <strong>für</strong> die Automatisierungsdomäne<br />

optimiert wurden und auf die mit<br />

den Services zugegriffen werden kann.<br />

Objekte dienen der Strukturierung des Adressraums.<br />

Daneben dienen sie dem Zugriff auf<br />

aktuelle Ereignisse und Alarme sowie deren<br />

Historie. Objekte sind getypt durch Objekttypen.<br />

Mit Objekttypen werden die Semantik von<br />

Objekten und die Struktur von komplexen Objekten<br />

fest gelegt. Objekttypen werden in einer<br />

Typhierarchie verwaltet, die objektorientierte<br />

Konzepte, wie Vererbung oder das Überschreiben,<br />

erlauben. Mit dem Wissen über einen Objekttyp<br />

kann beispielsweise ein Faceplate definiert werden<br />

und später auf allen Objekten dieses Typs oder von<br />

Subtypen angewandt werden. Die Semantik eines<br />

Objekttyps wird durch dessen Namen und<br />

Beschreibung bekannt gegeben. Einfache Objekttypen,<br />

wie der Basisobjekttyp, beinhalten noch keine<br />

Semantik. Diese wird durch Subtypen beschrieben.<br />

Ob ein Objekt ein Gerät repräsentiert oder ein<br />

Gerät einer bestimmten Klasse oder eines<br />

bestimmten Her stellers wird durch Subtypen<br />

bestimmt. Durch Vererbung lässt sich also noch<br />

zusätzliche Semantik definieren.<br />

Variablen repräsentieren Werte – dies können<br />

Mess- oder Stellwerte und andere beschreibende<br />

Werte sein, wie beispielsweise die verwendete<br />

Messeinheit. Variablen sind direkt oder indirekt<br />

Objekten zugewiesen und repräsentieren somit<br />

Werte von Objekten. Variablen sind getypt durch<br />

Variablentypen. Beim Zugriff auf einen Wert wird<br />

auf die besonderen Eigenschaften der Automatisierung<br />

Rücksicht genommen und ein Wert mit<br />

Zeitstempel und Qualität angeboten. Neben dem<br />

Zugriff auf aktuelle Werte kann auch auf deren<br />

Historie zugegriffen werden. Hierbei werden<br />

verschiedene Aggregatsfunktionen angeboten, die<br />

auch auf die Qualität der Werte achten (falls ein<br />

Messgerät eine Zeitlang nicht verfügbar war).<br />

Variablentypen definieren die Semantik von<br />

Variablen sowie deren komplexe Struktur. Typischerweise<br />

wird damit eher eine strukturelle<br />

Semantik festgelegt – beispielsweise ein analoger<br />

Messwert mit Messeinheit. Die Semantik der<br />

Variable wird im Kontext der Verwendung, also<br />

beispielsweise über den Objekttyp, festgelegt (zum<br />

Beispiel der primäre Messwert eines Gerätes).<br />

Methoden sind Objekten oder zur Definition<br />

Objekttypen zugeordnet und definieren eine<br />

Aufrufschnittstelle mit Eingabe- und Ausgabeparametern.<br />

Beispielsweise kann eine Methode ein<br />

Gerät zur Konfiguration <strong>für</strong> den Zugriff anderer<br />

Benutzer (oder Clients) sperren.<br />

Referenzen definieren die Beziehungen zwischen<br />

beliebigen Knoten (wie Objekte, Objekttypen,<br />

Variablen) im Adressraum. Im Gegensatz zu klassischem<br />

OPC wird nicht mehr lediglich eine<br />

einfache Hierarchie unterstützt, sondern es<br />

können beliebige Beziehungen modelliert werden.<br />

58<br />

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

11 / 2012


Referenztypen dienen der Definition der Semantik<br />

einer Referenz. Daneben können auch Regeln zur<br />

Benutzung angewandt werden. Es gibt eine Reihe<br />

vorgegebener Referenztypen, die durch benutzerdefinierte<br />

Referenztypen erweitert werden kann.<br />

Das Metamodell von OPC UA bedient sich der<br />

Referenztypen, um beispielsweise Vererbung zu<br />

modellieren oder die Verbindung zwischen Objekt<br />

und Objekttyp. Als Regel gilt beispielsweise, dass<br />

jedes Objekt genau einem Objekttyp zugewiesen<br />

sein muss. Referenztypen sind ebenfalls in einer<br />

Vererbungshierarchie angeordnet und können als<br />

Filter bei der Navigation eingesetzt werden, indem<br />

lediglich Referenzen von bestimmten Typen<br />

gefolgt wird.<br />

Datentypen definieren den Typ eines Messwerts,<br />

also zum Beispiel Boolean oder Int16. Neben den<br />

einfachen Datentypen werden auch Enumerations<br />

und strukturierte Datentypen unterstützt. Diese<br />

können auch benutzerdefiniert erweitert werden.<br />

Über Information im Adressraum kann ein Client<br />

zur Laufzeit die Struktur dieser Datentypen<br />

auslesen und die Werte so interpretieren.<br />

Sichten ermöglichen es, einen großen komplexen<br />

Adressraum (mehrere hunderttausend Knoten) zu<br />

organisieren und lediglich einen Ausschnitt des<br />

Adressraums anzuzeigen, der beispielsweise <strong>für</strong><br />

eine bestimmte Aufgabe zugeschnitten ist.<br />

Mit diesen Konzepten können einfache und auch komplexe<br />

Informationsmodelle erstellt werden. Zur einfacheren<br />

Darstellung definiert OPC UA eine standardisierte<br />

Darstellung von OPC-UA-basierten Informationsmodellen.<br />

Ein Beispiel zeigt Bild 1. Auf der rechten<br />

Seite ist eine einfache Objekttyphierarchie gegeben, in<br />

der ein Analysegerätetyp dargestellt wird. Auf der linken<br />

Seite ist eine Instanz eines solchen Typs abgebildet.<br />

Die Struktur entspricht der Struktur des Objekttyps.<br />

zu bestimmten Informationen im Server. OPC UA bedient<br />

sich dieser Funktionalität bereits, um diagnostische<br />

Information über den OPC-UA-Server bereitzustellen.<br />

Eine bestimmte Variable mit einem wohldefinierten<br />

Identifikator enthält beispielsweise Statusinformation<br />

über den Server.<br />

OPC UA wurde so entworfen, dass ein Server mehrere<br />

Informationsmodelle unterstützen kann. Dies ermöglicht<br />

es, Informationsmodelle abhängig voneinander zu definieren.<br />

So wurde beispielsweise ein allgemeines Informationsmodell<br />

entwickelt zur Repräsentation beliebiger<br />

Geräte in OPC UA [6]. Dieses DI (Device Integration)<br />

BILD 1: Beispiel eines OPC-UA-Objekttyps sowie eines Objekts,<br />

welches ein Gerät repräsentiert<br />

OPC-UA-Basis-Informationsmodell<br />

1.2 Standardisierte Informationsmodelle<br />

Nachdem zuvor die Modellierungskonzepte beschrieben<br />

wurden, kann nun auf standardisierte Informationsmodelle,<br />

basierend auf OPC UA, eingegangen werden. Die<br />

Idee ist dabei, die Kommunikation und Modellierungskonzepte<br />

von OPC UA zu verwenden und basierend darauf<br />

die Semantik einer bestimmten Domäne zu definieren.<br />

Die Abbildung kann dabei von einem existierenden<br />

Modell erfolgen, wie beispielswiese bei der Abbildung<br />

des IEC 61131-3-Programmiermodells auf OPC UA [4].<br />

Oder es kann ein neues Informationsmodell basierend<br />

auf OPC UA entworfen werden, wie bei der neuen Definition<br />

eines Informationsmodells <strong>für</strong> bestimmte Analysegeräte<br />

(ADI – Analyzer Device Integration) [5]. Zur<br />

Erstellung eines standardisierten Informationsmodells<br />

können Objekt-, Variablen-, Daten, und Referenztypen<br />

und auch bestimmte Objekte oder Variablen definiert<br />

werden. Diese dienen beispielsweise dem Einstiegpunkt<br />

IEC 61131-3<br />

Informationsmodell<br />

Informationsmodell<br />

Informationsmodell<br />

(DI)<br />

ADI Informationsmodell<br />

Informationsmodell<br />

BILD 2: Abhängigkeiten zwischen verschiedenen Informationsmodellen<br />

bei OPC UA<br />

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

11 / 2012<br />

59


HAUPTBEITRAG<br />

genannte Modell bietet auch die Basis <strong>für</strong> ADI und das<br />

IEC 61131-3-Modell. In beiden Fällen werden ebenfalls<br />

Geräte verwaltet. In Bild 2 werden diese Abhängigkeiten<br />

dargestellt. Die Basisspezifikation (Part 5) bietet bereits<br />

Basisobjekttypen. Diese werden von DI verfeinert. Von<br />

diesen erben wiederum ADI und das IEC 61131-3 Modell.<br />

Als Variablen werden Variablen mit in Part 8 definierten<br />

Zusätzen verwendet, die beispielsweise die Messeinheiten<br />

beinhalten. Ein Client, der darauf ausgerichtet ist,<br />

Geräteinformation darzustellen, kann damit Automatisierungskomponenten,<br />

die das IEC 61131-3-Modell unterstützen,<br />

und Analysegeräte verwalten.<br />

2. DAS FDI-INFORMATIONSMODELL<br />

2.1 Einführung in FDI<br />

Intelligente Feldgeräte übernehmen immer mehr Aufgaben<br />

im Automatisierungssystem. Dazu besitzen sie<br />

eine Vielzahl an Parametern, Daten und Funktionen,<br />

über die sie sich flexibel an die Anforderungen der<br />

Messstelle anpassen lassen (zum Beispiel Hüllkurve).<br />

Darüber hinaus liefern moderne Feldgeräte detaillierte<br />

Informationen zu ihrem aktuellen Zustand und bilden<br />

somit die Basis <strong>für</strong> vorausschauende <strong>Instandhaltungsstrategien</strong><br />

[7]. Diese Daten und Funktionen intelligenter<br />

Feldgeräte <strong>für</strong> die Aufgaben im Lebenszyklus eines<br />

Automatisierungssystems verfügbar zu machen, ist<br />

Zweck der Geräteintegration.<br />

Mit FDI (Field Device Integration) entsteht die zukünftige<br />

Geräteintegrationstechnologie. Dazu haben sich die<br />

Feldbusorganisationen Profibus Nutzerorganisation,<br />

Hart Communication Foundation, Fieldbus Foundation,<br />

OPC Foundation sowie die FDT Group zur FDI Cooperation<br />

zusammengeschlossen. Getragen von Firmen wie<br />

ABB, Siemens, Emerson, Endress+Hauser, Honeywell,<br />

Invensys und Yokogawa findet die FDI Cooperation breite<br />

Unterstützung in der Industrie. Zur Entwicklung von<br />

FDI wurden EDDL und FDT als Basistechnologien<br />

gewählt. Dieser Weg wurde bevorzugt, um die Migration<br />

existierender FDT- und EDDL-Lösungen zu erleichtern<br />

und vor allem bekannte Stärken beider Basistechnologien<br />

gewinnbringend in FDI einzubringen.<br />

2.1.1 Device Package – Repräsentant eines Gerätes<br />

In FDI wird ein Gerät mittels eines FDI Device Packages<br />

repräsentiert. Das FDI Device Package besteht aus<br />

mehreren standardisierten Komponenten, stellt sich<br />

dem Benutzer aber als lediglich eine Datei dar. Das<br />

vereinfacht den Umgang mit dem FDI Device Package<br />

erheblich.<br />

FDI Packages werden vom Gerätehersteller geliefert<br />

und enthalten alle Informationen, die <strong>für</strong> eine Geräteintegration<br />

notwendig sind. Das FDI Device Package<br />

besteht aus den logischen Blöcken Device Definition,<br />

Business Logic, User Interface Description und User<br />

Interface Plugin (Bild 3). Die Device Definition beschreibt<br />

dabei die Daten des Feldgerätes sowie dessen interne<br />

Struktur (zum Beispiel Blöcke). Die Business Logic stellt<br />

vor allem sicher, dass die Konsistenz des Gerätemodells<br />

gewahrt bleibt. Hier spielen insbesondere die dynamischen<br />

Abhängigkeiten zwischen den Daten eine Rolle.<br />

Beispielsweise können sich die möglichen Werte eines<br />

Parameters abhängig vom Gerätezustand verändern.<br />

Bedienoberflächen können deskriptiv (User Interface<br />

Descriptions) oder als programmierte Komponenten<br />

(User Interface Plugins) in dem FDI Package enthalten<br />

sein. Device Definition, Business Logic und User Interface<br />

Description werden mit der harmonisierten Electronic<br />

Device Description Language (EDDL) implementiert;<br />

User Interface Plugins nutzen Windows Presentation<br />

Foundation (WPF) als Implementierungstechnologie.<br />

Darüber hinaus enthält das FDI Device Package weitere<br />

Dateien wie zum Beispiel Handbücher oder Protokollspezifische<br />

Dateien wie etwa eine GSD.<br />

2.1.2 Die FDI-Basisarchitektur<br />

Die FDI-Basisarchitektur folgt dem Client-Server-Architekturmuster.<br />

In einer solchen Architektur stellt ein Server<br />

Dienste bereit, auf die verschiedene, meist verteilte,<br />

Clients zugreifen. Technologische Basis hier<strong>für</strong> ist die<br />

OPC Unified Architecture (OPC UA) [2]. In der Client-<br />

Server-Architektur von FDI bietet ein FDI-Server den<br />

Zugriff auf das OPC-UA-Informationsmodell. Das Informationsmodell<br />

repräsentiert die gesamte Kommunikationsinfrastruktur<br />

sowie die Feldgeräte des Automatisierungssystems<br />

als Objekte (Bild 4).<br />

FDI-Clients greifen dann über den FDI-Server auf das<br />

Informationsmodell zu, um beispielsweise die<br />

Bedienoberfläche des Feldgerätes zu laden und Clientseitig<br />

zur Anzeige zu bringen. Verändert der Bediener<br />

nun über die Bedienoberfläche Parameter des Feldgerätes,<br />

so werden diese vom Client zurück in das Informationsmodell<br />

übertragen. Daneben können FDI-Clients<br />

auch ohne gerätespezifische Bedienoberfläche auf die<br />

Geräteparameter im Informationsmodell zugreifen (zum<br />

Beispiel <strong>für</strong> Condition Monitoring).<br />

Welche Daten, Funktionen und Bedienoberflächen der<br />

FDI-Server im Informationsmodell repräsentieren muss,<br />

definiert der Gerätehersteller über das FDI Device<br />

Package. Der FDI-Server importiert FDI Device Packages<br />

in seinen internen Gerätekatalog. Da FDI Device Packages<br />

keine Registrierung im Sinne einer Software-Installation<br />

benötigen, gibt es auch keine unangenehmen Seiteneffekte,<br />

die die Robustheit des Systems beeinflussen könnten.<br />

Wird eine Instanz eines Gerätes im FDI-Server angelegt,<br />

nutzt der FDI-Server die Device Definition zum<br />

Aufbau eines Informationsmodells. FDI-Clients greifen<br />

über das Informationsmodell auf Gerätedaten, -funktionen<br />

und -bedienoberflächen zu. Wie die Device Definition<br />

wird auch die des FDI Device Packages über die EDD<br />

Engine ausgeführt. Die Business Logic stellt die Konsistenz<br />

des Gerätemodells sicher. Zusätzlich regelt diese<br />

60<br />

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

11 / 2012


■ Geräteparameter<br />

(z.B. Einheit,<br />

Messbereich,<br />

Diagnosedaten, etc.)<br />

■ Gerätestruktur<br />

(z.B. Blöcke<br />

■ Konsistenzregeln/<br />

Abhängigkeiten<br />

zwischen<br />

Geräteparametern<br />

■ Gerätefunktionen<br />

(z.B. Kalibrieren<br />

■ Bedienoberfl äche<br />

(beschrieben)<br />

■ Bedienoberfl äche<br />

(programmiert)<br />

■ Bedienungsanleitung<br />

■ Protokollspezifi sche<br />

Dateien (z.B. GSD<br />

(ML), etc.)<br />

BILD 3: Struktur des FDI Device Packages<br />

BILD 4: FDI-Basisarchitektur<br />

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

11 / 2012<br />

61


HAUPTBEITRAG<br />

Logik auch die ordnungsgemäße Kommunikation zum<br />

Gerät. Die User Interface Descriptions werden vom FDI-<br />

Server vorverarbeitet, die eigentliche Anzeige geschieht<br />

auf den Clients. Die programmierten User Interface Plugins<br />

werden vom Server nur verwaltet, aber nicht ausgeführt.<br />

Sie werden auf Anfrage von Clients zu diesen<br />

transferiert. Dies vereinfacht das Versionsmanagement<br />

von FDI Device Packages enorm, da die Verwaltung zentral<br />

im FDI-Server erfolgt.<br />

FDI-Clients sind die Schnittstelle zum Anwender. Das<br />

Client-Server-Konzept erlaubt dabei sowohl die Verteilung<br />

der Clients als auch den koordinierten und autorisierten<br />

Zugriff mehrerer Clients auf das gemeinsame<br />

Informationsmodell. Clients stellen User Interface<br />

Descriptions sowie User Interface Plugins über die UI<br />

Engine dar. Dabei interagieren Clients nicht direkt mit<br />

dem Gerät, sondern über das Informationsmodell des<br />

FDI-Servers.<br />

EDD Engine und UI Engine werden von der FDI<br />

Cooperation als Host-Components entwickelt. Dies<br />

stellt sicher, dass sowohl Verhalten als auch Darstellung<br />

über Herstellergrenzen hinweg einheitlich sind, da<br />

diese in den FDI Host-Components spezifikationskonform<br />

implementiert sind.<br />

2.2 Elemente des FDI-Informationsmodells<br />

FDI nutzt die umfangreichen Möglichkeiten von OPC-<br />

UA-Informationsmodellen zur Abbildung der Kommunikationsstruktur<br />

und der darin enthaltenen Feldgeräte<br />

des Automatisierungssystems. Dabei erweitert FDI die<br />

OPC UA Devices (DI) Companion Specification [6], die<br />

im Wesentlichen aus der FDI-Standardisierung hervorgegangen<br />

ist.<br />

BILD 5: Struktur des FDI-Informationsmodells<br />

BILD 6: Abbildung modularer Geräte im Informationsmodell<br />

2.2.1 Kommunikationsstruktur des<br />

Automatisierungssystems<br />

FDI definiert drei Einstiegspunkte in das Informationsmodell<br />

(Bild 5). Device Topology bietet den Einstieg in die<br />

Kommunikationstopologie des Automatisierungssystems.<br />

Das Device Set beinhaltet direkt die Feldgeräte, während<br />

das Network Set die Kommunikationsnetzwerke listet.<br />

Network Objects beschreiben im Informationsmodell<br />

einzelne Kommunikationsnetze, wie beispielsweise ein<br />

Profibus-Netzwerk. Da die Teilnehmer in einem Kommunikationsnetz<br />

in der Regel über eine Adresse verfügen,<br />

definiert FDI den Connection Point. Dieser enthält die<br />

Adressinformation eines einzelnen Teilnehmers. Je nach<br />

Protokoll umfasst dies beispielsweise die Profibus-Adresse.<br />

Unterhalb des Connection Point folgt jeweils das<br />

entsprechende Feldgeräte-Objekt vom Typ DeviceType,<br />

und zwar in der Offline-Repräsentation. Diese erlaubt es,<br />

Feldgeräte offline zu konfigurieren. Das heißt, die Konfigurationsdaten<br />

werden persistent abgelegt, meist in<br />

einer Datenbank. Über die IsOnline-Referenz erfolgt der<br />

Sprung in die Online-Repräsentation. Die dort enthaltenen<br />

Daten werden über die Kommunikationsinfrastruktur<br />

aus dem Feldgerät gelesen beziehungsweise in das<br />

Feldgerät geschrieben. Handelt es sich bei dem Feldgerät<br />

um ein modulares Gerät, wie etwa eine Remote IO, so<br />

werden die Module unterhalb des SubDevices-Knotens<br />

wiederum als Objekte vom Typ DeviceType abgebildet<br />

62<br />

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

11 / 2012


(Bild 6). Die konfigurierbaren Module können über SupportedTypes<br />

abgefragt werden.<br />

Fungiert ein Feldgerät als Gateway zwischen zwei Netzwerken<br />

(zum Beispiel Profinet/Profibus Proxy), dann<br />

besitzt das entsprechende Device-Objekt einen Connection<br />

Point in das unterlagerte Netzwerk. Die im Device<br />

Package des Gateway-Gerätes enthaltene Business Logic<br />

stellt sicher, dass Kommunikationsaufträge zwischen den<br />

Netzwerken übersetzt werden. Auf die nähere Beschreibung<br />

von Gateways wird an dieser Stelle verzichtet.<br />

selt sind (Bild 10). Dazu zählen zunächst die Locking Services<br />

InitLock, ExitLock, RenewLock und BreakLock.<br />

Clients, die schreibend auf ein Gerät zugreifen möchten,<br />

müssen über InitLock die Geräteinstanz reservieren und<br />

am Ende per ExitLock wieder freigeben. Für länger anhaltende<br />

Sessions muss das Lock mittels RenewLock erneu-<br />

2.2.2 Abbildung von Feldgeräten<br />

Instanzen des Typs DeviceType bilden die im Automatisierungssystem<br />

enthaltenen Feldgeräte ab (Bild 7). Die<br />

Eigenschaften des Objektes liefern weitere Informationen<br />

zur Feldgeräteinstanz, wie etwa Hersteller oder Gerätetyp,<br />

aber auch Informationen über den aktuellen Gerätezustand<br />

nach NE 107 [9]. Daneben besitzt das<br />

Geräte-Objekt die Methoden TransferToDevice und<br />

TransferFromDevice, um die Geräteparameter in das<br />

Gerät zu schreiben beziehungsweise vom Gerät zu lesen.<br />

Die Geräteparameter wiederum sind Inhalt des Parameter<br />

Sets. Es stellt die Parameter des Feldgeräts, basierend<br />

auf der Device Definition des FDI Device Packages, zur<br />

Verfügung. Jeder Parameter besitzt neben seinem Wert<br />

weitere Eigenschaften. Diese zeigen zum Beispiel an, ob<br />

ein Parameter im aktuellen Kontext les- und/oder<br />

schreibbar ist. Möchte ein Client einen Geräte parameter<br />

verändern, so greift er schreibend auf den entsprechenden<br />

Parameter-Knoten im Informations modell zu.<br />

Das Action Set enthält die Gerätefunktionen (zum Beispiel<br />

Factory Reset), die am Feldgerät ausgeführt werden<br />

können (Bild 8). Basis hier<strong>für</strong> ist die in EDDL beschriebene<br />

Business Logic im FDI Device Package. Gesteuert wird die<br />

Ausführung der Gerätefunktionen über die Methoden<br />

InvokeAction, RespondAction und AbortAction. Darüber<br />

hinaus können auch der aktuelle Ausführungsstatus<br />

ermittelt sowie Rückgaben an den Aufrufer gegeben werden,<br />

um beispielweise eine Rückmeldung des Benutzers<br />

zu bekommen (zum Beispiel Acknowledge).<br />

Functional Groups definieren die Bedienung des Feldgerätes<br />

(Bild 9). Ausgehend von der User Interface Description<br />

des FDI Device Packages bildet die Hierarchie von<br />

Functional Groups die Hierarchie von Bedienmenüs ab.<br />

Der Unterknoten UIDescription vom Typ UIDescriptionType<br />

enthält dabei die XML-Beschreibung des jeweiligen<br />

Bedienmenüs. So wie ein Webbrowser Web-Seiten von<br />

einem Web-Server liest und dann darstellt, können FDI-<br />

Clients diese Beschreibung von einem FDI-Server lesen<br />

und dann über die UI Engine einheitlich darstellen. Ist<br />

das jeweilige Bedienmenü über ein User Interface Plugin<br />

(UIP) realisiert, so liest der Client das UIP aus dem Server<br />

und bringt es Client-seitig zur Ausführung.<br />

Die beschriebene Abbildung des Feldgerätes über das<br />

Device-Objekt basiert im Wesentlichen auf den Inhalten<br />

des FDI Device Package. Daneben gibt es noch eine Reihe<br />

zusätzlicher Funktionen, die in Service-Objekten gekap-<br />

BILD 7: Device Object Type<br />

BILD 8: Action Set<br />

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

11 / 2012<br />

63


HAUPTBEITRAG<br />

BILD 9:<br />

Functional Group<br />

BILD 10: Locking Services<br />

ert werden, sodass der FDI-Server nach Ablauf der Renew-<br />

Dauer die Instanz freigeben kann. Eigenschaften wie<br />

LockedStatus oder LockingUser geben Auskunft über<br />

bestehende Locks.<br />

Sollen Änderungen an den Geräteparametern zunächst<br />

in einer Sandbox ausgeführt werden, so geschieht dies<br />

über die EditMode Services Enter, Exit und AbortEdit-<br />

Mode (Bild 11). Über EnterEditMode wird dabei ein serverinternes,<br />

temporäres Abbild der Geräteparameter<br />

erzeugt. Alle weiteren Änderungen erfolgen auf diesem<br />

Abbild. ExitEditMode veranlasst, dass die Änderungen<br />

zum Gerät kommuniziert werden. Danach werden die<br />

Änderungen des temporären Abbildes in das Informationsmodell<br />

übernommen und sind auch <strong>für</strong> andere<br />

Clients sichtbar. Mittels AbortEditMode können die<br />

Änderungen verworfen werden. In diesem Fall wird das<br />

temporäre Abbild gelöscht.<br />

Die DirectDeviceAccess-Services ermöglichen die<br />

direkte Kommunikation mit dem Gerät (Bild 12). Über<br />

InitDeviceAccess wird eine Kommunikationsverbindung<br />

zum Feldgerät aufgebaut. Über den Transfer-<br />

Service können Datenpakete mit dem Gerät ausgetauscht<br />

werden. Mittels EndDirectAccess wird eine bestehende<br />

Kommunikationsverbindung beendet.<br />

FAZIT<br />

Mit der OPC Unified Architecture steht eine flexible und<br />

vielseitige Middleware-Technologie zur Verfügung.<br />

Durch ihre Skalierbarkeit, Plattformunabhängigkeit und<br />

die enthaltenen IT-Security-Konzepte, wie Authentifizierung<br />

und Verschlüsselung, ist OPC UA hervorragend<br />

<strong>für</strong> die Automatisierungsdomäne geeignet. Mit FDI<br />

entsteht aktuell eine einheitliche Geräteintegrationstechnologie,<br />

die die Anforderungen der Endanwender<br />

[8] aufgreift und dementsprechend auf breiter Basis<br />

Unter stützung findet.<br />

Besonders hervorzuheben sind die Anwendung von<br />

OPC UA und die Definition eines offenen Informationsmodells<br />

<strong>für</strong> die Geräteintegration. Ermöglicht wird dies<br />

REFERENZEN<br />

[1] Mahnke, W., Leitner, S.-H., Damm, M.: OPC Unified<br />

Architecture, Springer, 2009<br />

[2] IEC 62541-1 OPC Unified Architecture – Part 1:<br />

Overview and Concepts, February 2010<br />

[3] Ginter, A.: The Stuxnet Worm and Options for<br />

Remediation, Industrial Defender, Inc., 2010<br />

[4] PLCopen and OPC Foundation: OPC UA Information<br />

Model for IEC 61131-3, Version 1.00, March 2010<br />

[5] OPC Foundation: OPC Unified Architecture Companion<br />

Specification for Analyser Devices, Version 1.00,<br />

October 2009<br />

[6] OPC Foundation: OPC Unified Architecture for Devices<br />

(DI), Version 1.00, December 2009)<br />

[7] Großmann, D.: Offene Integrationsplattform <strong>für</strong> das<br />

Feldgeräte-Management. Sierke Verlag, Göttingen 2008.<br />

[8] NE 105: Anforderungen an die Integration von<br />

Feldbus-Geräten in Engineering-Tools <strong>für</strong> Feldgeräte,<br />

NAMUR. September 2008<br />

[9] NE 107: Selbstüberwachung und Diagnose von<br />

Feldgeräten, NAMUR. Juni 2006<br />

64<br />

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

11 / 2012


BILD 11: Edit Mode Services<br />

BILD 12: Direct Access Services<br />

durch die OPC-UA-Technologie, die die Basis <strong>für</strong> die<br />

Informationsmodellierung schafft, und über die im FDI<br />

Device Package genutzten Beschreibungstechnologien,<br />

die es dem FDI-Server erlauben, das Informationsmodell<br />

mit Inhalten zu füllen.<br />

Durch die Nutzung von OPC UA in FDI wird es in<br />

Zukunft möglich sein, spezifische Clients zu entwickeln,<br />

AUTOREN<br />

Dr.-Ing. DANIEL GROSSMANN<br />

(geb. 1977) arbeitet im ABB<br />

Forschungszentrum auf dem<br />

Gebiet der intelligenten Feldgeräte<br />

und industriellen<br />

Kommunikation. Er leitet das<br />

FDI Tools & Components<br />

Architecture Team. Er studierte<br />

Maschinenbau an der Technischen<br />

Universität München und promovierte an der<br />

Technischen Universität München am Lehrstuhl<br />

<strong>für</strong> Informationstechnik im Maschinenwesen<br />

(Prof. Bender) im Bereich Geräteintegration.<br />

ABB AG, Automation Device Technologies,<br />

Wallstadter Straße 59, D-68526 Ladenburg,<br />

Tel. +49 (0) 6203 71 62 55,<br />

E-Mail: daniel.grossmann@de.abb.com<br />

die über den FDI Server und das darin enthaltene offene<br />

Informationsmodell auf Gerätedaten und Funktionen<br />

zugreifen. Diese Offenheit ist der Schlüssel <strong>für</strong> die verbreitete<br />

Nutzung der umfangreichen Gerätedaten und<br />

-funktionen – ein Potenzial, das derzeit noch weitgehend<br />

ungenutzt ist.<br />

MANUSKRIPTEINGANG<br />

21.05.2012<br />

Dr.-Ing. WOLFGANG MAHNKE (geb. 1971)<br />

arbeitet als Software-Architekt bei der<br />

ABB Automation GmbH im Bereich der<br />

Geräteintegration. Davor arbeitete er im<br />

ABB Forschungszentrum auf dem Gebiet<br />

der Industriellen Softwaresysteme.<br />

Er ist Editor von Teil 3 (Adressraummodel)<br />

und Teil 5 (Informationsmodell) der<br />

OPC-UA-Spezifikation und Autor des<br />

ersten Buchs über OPC UA. Mahnke ist Mitglied des Technical<br />

Advisory Council der OPC Foundation und des OPC<br />

Europe Advisory Board. Er studierte Informatik an der<br />

Universität von Stuttgart und promovierte an der Technischen<br />

Universität Kaiserslautern im Bereich Datenbanken<br />

und Informationssysteme.<br />

ABB AG, Industrial Software Systems,<br />

Kallstadter Straße 1, D-68309 Mannheim<br />

Tel. +49 (0) 6203 71 62 55,<br />

E-Mail: wolfgang.mahnke@de.abb.com<br />

Im Peer-Review-Verfahren begutachtet<br />

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

11 / 2012<br />

65


IMPRESSUM / VORSCHAU<br />

IMPRESSUM<br />

VORSCHAU<br />

Verlag:<br />

Oldenbourg Industrieverlag GmbH<br />

Rosenheimer Straße 145<br />

D-81671 München<br />

Telefon + 49 (0) 89 4 50 51-0<br />

Telefax + 49 (0) 89 4 50 51-3 23<br />

www.oldenbourg-industrieverlag.de<br />

Geschäftsführer:<br />

Carsten Augsburger, Jürgen Franke<br />

Spartenleiter:<br />

Jürgen Franke<br />

Herausgeber:<br />

Dr. T. Albers<br />

Dr. G. Kegel<br />

Dipl.-Ing. G. Kumpfmüller<br />

Dr. N. Kuschnerus<br />

Beirat:<br />

Dr.-Ing. K. D. Bettenhausen<br />

Prof. Dr.-Ing. Ch. Diedrich<br />

Prof. Dr.-Ing. U. Epple<br />

Prof. Dr.-Ing. A. Fay<br />

Prof. Dr.-Ing. M. Felleisen<br />

Prof. Dr.-Ing. G. Frey<br />

Prof. Dr.-Ing. P. Göhner<br />

Dipl.-Ing. Th. Grein<br />

Prof. Dr.-Ing. H. Haehnel<br />

Dr.-Ing. J. Kiesbauer<br />

Dipl.-Ing. R. Marten<br />

Dipl.-Ing. G. Mayr<br />

Dr. J. Nothdurft<br />

Dr.-Ing. J. Papenfort<br />

Dr. A. Wernsdörfer<br />

Dipl.-Ing. D. Westerkamp<br />

Dr. Ch. Zeidler<br />

Organschaft:<br />

Organ der GMA<br />

(VDI/VDE-Gesellschaft Messund<br />

Automatisierungstechnik)<br />

und der NAMUR<br />

(Interessen gemeinschaft<br />

Automatisierungstechnik der<br />

Prozessindustrie).<br />

Redaktion:<br />

Anne Hütter (verantwortlich)<br />

Telefon + 49 (0) 89 4 50 51-4 18<br />

Telefax + 49 (0) 89 4 50 51-2 07<br />

E-Mail: huetter@oiv.de (ahü)<br />

Gerd Scholz (gz)<br />

Dr. Maria Kuwilsky (sky)<br />

Einreichung von Hauptbeiträgen:<br />

Prof. Dr.-Ing. Leon Urbas<br />

(Chefredakteur, verantwortlich<br />

<strong>für</strong> die Hauptbeiträge)<br />

Technische Universität Dresden<br />

Fakultät Elektrotechnik<br />

und Informationstechnik<br />

Professur <strong>für</strong> Prozessleittechnik<br />

D-01062 Dresden<br />

Telefon +49 (0) 351 46 33 96 14<br />

E-Mail: urbas@oiv.de<br />

Fachredaktion:<br />

Dr.-Ing. M. Blum<br />

Prof. Dr.-Ing. J. Jasperneite<br />

Dr.-Ing. B. Kausler<br />

Dr.-Ing. N. Kiupel<br />

Dr. rer. nat. W. Morr<br />

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Dipl.-Ing. I. Rolle<br />

Dr.-Ing. S. Runde<br />

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Bezugsbedingungen:<br />

„<strong>atp</strong> <strong>edition</strong> – Automatisierungstechnische<br />

Praxis“ erscheint<br />

monatlich mit Doppelausgaben im<br />

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in EU-Staaten die Mehrwertsteuer,<br />

<strong>für</strong> alle übrigen Länder sind es<br />

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Ermäßigung auf den Heftbezugspreis.<br />

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Gedruckt auf chlor- und<br />

säurefreiem Papier.<br />

Die <strong>atp</strong> wurde 1959 als „Regelungstechnische<br />

Praxis – rtp“ gegründet.<br />

© 2012 Oldenbourg Industrieverlag<br />

GmbH München<br />

Die Zeitschrift und alle in ihr enthaltenen<br />

Beiträge und Abbildungen sind urheberrechtlich<br />

geschützt. Mit Ausnahme der<br />

gesetzlich zugelassenen Fälle ist eine<br />

Verwertung ohne Ein willigung des Verlages<br />

strafbar.<br />

Gemäß unserer Verpflichtung nach § 8<br />

Abs. 3 PresseG i. V. m. Art. 2 Abs. 1c DVO<br />

zum BayPresseG geben wir die Inhaber<br />

und Beteiligungsverhältnisse am Verlag<br />

wie folgt an:<br />

Oldenbourg Industrieverlag GmbH,<br />

Rosenheimer Straße 145, 81671 München.<br />

Alleiniger Gesellschafter des Verlages<br />

ist die ACM-Unternehmensgruppe,<br />

Ostring 13,<br />

65205 Wiesbaden-Nordenstadt.<br />

ISSN 2190-4111<br />

DIE AUSGABE 12 / 2012 DER<br />

ERSCHEINT AM 17.12. 2012<br />

MIT FOLGENDEN BEITRÄGEN:<br />

Wechsel des<br />

Anforderungsprofils von<br />

Software<br />

Beherrschung von Semantikvielfalt<br />

mit AutomationML<br />

OPC UA and ISA 95.<br />

Interoperability for MES by<br />

implementing ISA 95 with<br />

OPC UA<br />

Integriertes Engineering mit<br />

dem Automation Service Bus<br />

Automatisierung mit FASA<br />

...und vielen weiteren Themen.<br />

Aus aktuellem Anlass können sich die Themen<br />

kurzfristig verändern.<br />

LESERSERVICE<br />

E-MAIL:<br />

leserservice@oiv.de<br />

TELEFON:<br />

+ 49 (0) 931 4170-1615<br />

66<br />

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

11 / 2012


In der Chemie und Petrochemie werden<br />

an das technische Equipment höchste<br />

Anforderungen gestellt: Klimafestigkeit <strong>für</strong><br />

den Einsatz im On- und Offshore-Betrieb,<br />

hohe Kontakt- und Vibrationsfestigkeit<br />

sowie schnelle Montage und Handhabung<br />

zur Verkürzung von Installationsund<br />

Wartungszeiten sind nur einige<br />

Herausforderungen. Die Zuverlässigkeit,<br />

Qualität und das einfache Handling der<br />

eingesetzten Produkte spielt deshalb eine<br />

entscheidende Rolle.<br />

Reihenklemmenprogramm<br />

von 0,08 -95 mm 2<br />

WAGO-I/O-IPC<br />

Zuverlässige Lösungen - approbierte Produkte<br />

WAGO-Process-Automation<br />

WAGO-I/O-SYSTEM<br />

Explosive Umgebung –<br />

Gelassenheit mit CAGE CLAMP ®<br />

WAGO-Komponenten, mit der universellen<br />

CAGE CLAMP ® -Anschlusstechnik, bewähren<br />

sich im täglichen Einsatz auch unter<br />

Extrembedingungen. Aktuelle Zulassungen<br />

<strong>für</strong> den Einsatz in explosionsgefährdeten<br />

Bereichen, ausgewählte Kunststoffe und<br />

Materialien <strong>für</strong> den Einsatz in aggressiven<br />

Umgebungsmedien sowie sichere und<br />

wartungsfreie Anschlusstechnik sind<br />

Anforderungen, denen sich WAGO seit<br />

Jahren stellt – mit Sicherheit!<br />

WAGO-SPEEDWAY,<br />

modulares I/O-System IP67<br />

TO-PASS ® -Fernwirkmodul<br />

und GPRS-Modem<br />

Stromversorgungen<br />

JUMPFLEX ®<br />

Messumformer/Relais- und<br />

Optokopplerbausteine


Die Serie 857 bringt<br />

jedes Signal in Form!<br />

Feldbusunabhängig<br />

in den Ex-Bereich!<br />

Messumformer und Relaisbausteine -<br />

Eine komplette Produktfamilie!<br />

Kompromisslos kompakt:<br />

Platzgewinn durch „echte“ 6,0mm-Baubreite<br />

Brücken statt einzeln verdrahten:<br />

Brückbarkeit durch Konturengleichheit auf allen<br />

Anschlussebenen<br />

Für extreme Anwendungen:<br />

Neue Einsatzgebiete durch erweiterten Temperaturbereich<br />

von -25° C bis + 70° C<br />

Höchste Sicherheit:<br />

„Sichere 3-Wege-Trennung“ mit 2,5kV-Prüfspannung<br />

Flexibilität pur:<br />

Konfiguration per DIP-Schalter Eine Vielzahl der<br />

Messumformer sind zusätzlich per Software einstellbar<br />

Das WAGO-I/O-SYSTEM 750 - Your intelligent link<br />

between field and control system<br />

…adapts best<br />

Kompakt, Flexibel & Modular:<br />

Kleinste, feldbusunabhängige Steuerung (SPS)<br />

Programmierbar gemäß IEC 61131-3<br />

Über 400 verschiedene I/O-Module<br />

Standard-I/O- und Ex i-Module kombinierbar<br />

Einspeisungen verschiedener Potentiale in einem Knoten<br />

Unterstützung der Fernwirkprotokolle IEC 60870 und IEC 61850<br />

Ausgelegt <strong>für</strong> den Ex-Bereich:<br />

Zugelassen <strong>für</strong> den Einsatz in Zone 2/22<br />

Ex i I/O-Module zum Anschluss eigensicherer Sensorik/Aktorik<br />

Zertifiziert gemäß ATEX, IECEx, UL ANSI/ISA 12.12.01, UL508,<br />

Schiffbau, GOST-R, etc.<br />

CAGE CLAMP ® -Technologie:<br />

Gasdichte Federklemmverbindung<br />

Vibrationsfest und wartungsfrei<br />

Hohe Anlagenverfügbarkeit und -zuverlässigkeit<br />

www.wago.com<br />

www.wago.com/ex

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