atp edition Entwurf portabler eingebetteter Steuerung (Vorschau)

3 / 2011 

53. Jahrgang B3654 

Oldenbourg Industrieverlag 

Automatisierungstechnische Praxis 

Entwurf portabler eingebetteter 

Steuerungen | 24 

Maschinensicherheit und 

Zuverlässigkeit nach ISO 13849 | 30 

Neue Asset Management-Konzepte 

bei Stellventilen | 40 

Verlässlichkeitsanforderungen 

in der Prozess- und 

Ressourcenbeschreibung | 44 

Automatische Optimierung 

in der Profilextrusion | 54

editorial 

FDI – die gemeinsame Lösung 

für das Gerätemanagement 

Eine einheitliche Lösung für die Feldgeräteintegration – das ist das Ziel, 

auf das sich weltweit führende Hersteller ABB, Emerson, Endress + 

Hauser, Honeywell, Invensys, Siemens und Yokogawa sowie die fünf 

großen Interessenverbände OPC Foundation, Profibus & Profinet International, 

Fieldbus Foundation, Hart Communication Foundation und FDT 

Group bereits 2009 geeinigt haben. Der Anwendernutzen hat dabei oberste 

Priorität. Zudem muss die Technik zukunftssicher sein. Deshalb wurden 

große Anstrengungen unternommen, die Vorteile von FDT/DTM und 

EDDL-Technologien miteinander zu vereinen. 

Und dies ist mit der FDI-Architektur gelungen. Sie eröffnet Möglichkeiten, 

die heute weder EDDL noch FDT allein bieten können. Die Integration 

und Zusammenführung beider Technologien erfüllt erstmals 

weitestgehend die Forderungen der Anwenderorganisationen wie Namur 

und WIB, die beide das FDI-Projekt unterstützen und sich eindeutig für 

diese gemeinsame Lösung aussprechen. Ich erwarte, dass FDI auf dieser 

Basis eine breite Akzeptanz in der Automatisierungstechnik findet und 

ein großer Erfolg wird. 

Im letzten Jahr ist vieles bei FDI passiert. Ein breites Team von Fachexperten 

von Herstellern und Nutzergremien hat in den vergangenen Monaten 

mehrere wichtige Meilensteine erreicht. Im Januar 2011 wurde die 

FDI-Spezifikation für die Tool-Entwicklung freigegeben; im Februar 2011 

konnte die Harmonisierung der EDDL für FF, Hart und Profibus/Profinet 

abgeschlossen werden; ebenso liegt ein einheitliches Binärformat vor. 

Diese Vereinheitlichungen ermöglichen es, jetzt gemeinsame Werkzeuge 

zu erstellen. Der Aufwand bei Geräte- und Systemherstellern wird 

dadurch sinken. Der Endanwender profitiert durch eine optimale Interoperabilität 

zwischen den Leitsystemen. Darüber hinaus stellten die Experten 

die Kompatibilität der User-Interfaces zwischen FDT und FDI sicher. 

Das Ergebnis: Ein FDI-Package lässt sich problemlos auch in einem FDTbasierendem 

System ausführen. Dies bedeutet, dass Gerätehersteller in 

Zukunft nur noch ein FDI-Package bereitstellen und pflegen müssen. 

Dieser Fortschritt kann sich sehen lassen. Die FDI-Technologie hat die 

umfassendste Unterstützung aller Integrationstechnologien in der Prozessautomatisierung; 

eine außerordentlich hohe Akzeptanz, die bisherige 

Technologien bis heute nicht vorweisen können. 

FDI macht die Integration der Feldbustechnik einfacher und wird der 

digitalen Kommunikation endlich zum lange erwarteten Durchbruch 

auf breiter Front verhelfen. Die unternehmensübergreifende Zusammenarbeit, 

könnte auch die Basis sein, auf der Hersteller und Interessenverbände 

für weitere aktuelle Themen wie beispielsweise Wireless eine 

gemeinsame Lösung finden können. 

Hans-Georg 

Kumpfmüller, 

Leiter Sensors and 

Communication, 

Siemens, Industry Sector 

atp edition 

3 / 2011 

3

Inhalt 3 / 2011 

Forschung 

6 | Hervorragende Arbeiten zu Blitz- und Überspannungsschutz gesucht 

KIT-Forscher Leuthold erhält Hector-Preis 

Fraunhofer stellt Embedded-Systems-Allianz vor 

8 | Automatisierungskomponenten dezentral und kontaktlos 

mit Strom versorgen 

Verband 

10 | VDE-Mitgliederzahlen steigen an 

Namur lobt Preis für beste Abschlussarbeit aus 

Veränderungen im Dechema-Vorstand 

branche 

12 | Elektrische Automation glänzte 2010 mit einem Rekordumsatz – 

die Robotik schwächelte noch 

Elektroindustrie nähert sich dem Vorkrisen-Niveau 

13 | Ex-Schutz: Dekra zertifiziert für Japan 

Sichere Software – vom Gerät zur Anwendung 

14 | Manufacturing Execution Systems bringen neue Anforderungen 

an die Ingenieurausbildung 

16 | Konstante Prozessgrößen für hohe Regelgenauigkeit 

18 | Rechteck-Steckverbinder: Kostengünstige Alternative zu 

Klemmbrett und Klemmkasten 

20 | Richtig montierte Antennen sind die Basis für zuverlässige 

Wireless-Verbindungen 

4 


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Hauptbeiträge 

24 | Entwurf portabler eingebetteter Steuerungen 

A. Pretschner, J. Alder 

30 | Maschinensicherheit und Zuverlässigkeit 

nach ISO 13849 

A. Orth 

40 | Neue Asset-Management-Konzepte bei Stellventilen 

J. Kiesbauer, S. Erben, D.Hoffmann 

44 | Verlässlichkeitsanforderungen in der Prozessund 

Ressourcenbeschreibung 

B. Opgenoorth, J. H. Richter, T. Grosch, D. Wolff, A. Fay 

54 | Automatische Optimierung in der Profilextrusion 

W. Michaeli, C. Windeck, M. Behr, S. Elgeti, M. Probst, M. Nicolai 

Praxis 

62 | Virtuelle Inbetriebnahme senkt die Kosten und erhöht die Sicherheit 

64 | Drahtloses Überwachungsnetzwerk sorgt für optimierte 

Temperaturregelung im Stahlwerk 

rubriken 

3 | Editorial 

66 | Impressum, Vorschau 


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forschung 

Hervorragende Arbeiten zu Blitz- und 

Überspannungsschutz gesucht 

Sie kosten Millionen und sind mitunter lebensgefährlich: 

Blitze verursachen durch Überspannung 

hohe Schäden. Der VDE (Verband der Elektrotechnik 

Elektronik Informationstechnik) und der Ausschuss 

für Blitzschutz und Blitzforschung suchen anlässlich 

der Vergabe des „VDE/ABB-Nachwuchspreises 2011“ 

innovative Lösungen für den Blitz- und Überspannungsschutz. 

Besonders gefragt sind Studierende der Elektro- und 

Informationstechnik. Prämiert werden Arbeiten, die eine 

besondere Bedeutung für die praktische Blitzschutztechnik 

haben. Dazu gehören etwa Themengebiete wie Äußerer 

und Innerer Blitzschutz, Überspannungsschutz 

und Prüfeinrichtungen sowie Softwarelösungen zur 

Unterstützung der Blitzschutzplanung. 

Eingereicht werden können Bachelor-, Master-, oder 

Diplomarbeiten, die zwischen Juli 2009 und Juni 2011 

veröffentlicht wurden. Der Preis, der mit 1000 Euro dotiert 

ist, wird am 27. Oktober 2011 in Neu-Ulm verliehen. Einsendeschluss 

ist der 1. August 2011. Nähere Informationen 

zum Preis unter www.vde.com/abbnachwuchspreis. 

VDE-Ausschuss für Blitzschutz und 

Blitzforschung (ABB), 

Stresemannallee 15, D-60596 Frankfurt, 

Tel.+49 (0) 696 30 80, Internet: www.vde.com/blitzschutz 

KIT-Forscher Leuthold erhält Hector-Preis 

Preisträger Professor Jürg Leuthold (2. von links) mit 

Josefine und Dr. Hans-Werner Hector (re.) sowie dem 

baden-württembergischen Wissenschaftsminister 

Professor Peter Frankenberg. 

Bild: KIT 

Professor Jürg Leuthold, Physiker, vom Karlsruher 

Institut für Technologie (KIT), ist mit dem Hector- 

Forschungspreis ausgezeichnet worden. Leuthold entwickelte 

unlängst ein optisches Verfahren, mit welchem 

man die größte je auf einen Laserstrahl kodierte 

Datenmenge von 10 Terabit pro Sekunde in Echtzeit 

kodieren und dekodieren kann. Vor drei Jahren gelang 

es Leuthold, einen der schnellsten optischen Siliziumchips 

zu bauen, der viermal schneller und 50-mal kleiner 

als die Chips ist, die heute in Telekommunikationsgeräten 

eingesetzt werden. 

Der gebürtige Schweizer Leuthold arbeitet seit 2004 

am KIT. Er leitet dort das Institut für Photonik und Quantenelektronik 

(IPQ) sowie das Institut für Mikrostrukturtechnik 

(IMT). 

Mit seiner Auszeichnung gehört Leuthold nun zum 

Kreis der „Hector Fellows“. In diesem Jahr erhielten drei 

herausragende Wissenschaftler deutscher Exzellenz- 

Universitäten den mit jeweils 150 000 Euro dotierten 

Forscherpreis: neben Jürg Leuthold Professor Stephen 

Hashmi (Universität Heidelberg) und Professor Jens 

Timmer (Universität Freiburg). 

Der Preis, der von Josephine und Hans-Werner Hector 

gestiftet wird, verfolgt das Ziel einer Vernetzung der 

Naturwissenschaften: Zum Netzwerk gehören, neben 

den genannten drei Spitzenforschern, bereits Manfred 

Kappes (KIT), Franz Nestmann (KIT), Doris Wedlich 

(KIT), Peter Gumbsch (KIT) und Martin Wegener (KIT). 

Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 

Kaiserstraße 12, D-72131 Karlsruhe, 

Tel. +49 (0) 721 60 80, Internet: www.kit.edu 

Fraunhofer stellt Embedded-Systems-Allianz vor 

Die Fraunhofer-Gesellschaft hat eine Allianz Embedded 

Systems gegründet. Sprecher der Vereinigung 

wird Professor Peter Liggesmeyer, wissenschaftlicher 

Leiter des Fraunhofer-Instituts für experimentelles Software 

Engineering (IESE). Zu dem Zusammenschluss 

gehören die Fraunhofer-Einrichtungen ESK, FIRST, FIT, 

FKIE, Fokus), HHI, das IESE, IGD, IIS, IOSB und SIT. 

Bei der Entwicklung von Embedded Systems, die 

einen zentralen Bestandteil technischer Produkte, 

etwa in der Medizintechnik, der Automatisierung und 

der Unterhaltungstechnik, bilden, stoßen isolierte Ansätze 

schnell an ihre Grenzen. Für eine erfolgreiche 

Weiterentwicklung muss die Embedded-Systems-Forschung, 

laut Fraunhofer-Zentrale, jedoch disziplinübergreifend 

arbeiten. 

FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR EXPERIMENTELLES 

SOFTWARE ENGINEERING (IESE), 

Fraunhofer-Platz 1, D-67663 Kaiserslautern, 

Tel: +49 (0) 631 680 00, Internet: www.iese.fraunhofer.de 

6 


3 / 2011

Industrielle 

Modem-Lösungen 

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forschung 

Automatisierungskomponenten dezentral 

und kontaktlos mit Strom versorgen 

Team der Hochschule Amberg-Weiden entwickelt innovatives Versorgungssystem 

Um die Dämpfung von Wirbelströmen bei der kontaktlosen 

Energieübertragung zu bewerten, setzt ein Team der 

Hochschule Amberg-Weiden die Software Opera ein. 

Ein Team um Prof. Dr. Hans-Peter Schmidt an der 

Hochschule Amberg-Weiden nahe Nürnberg entwickelt 

derzeit ein innovatives kontaktloses System zur 

dezentralen Speisung anreihbarer Automatisierungskomponenten. 

Die Software Opera zur Berechnung elektromagnetischer 

Felder, leistet dabei wertvolle Dienste. 

Das System basiert auf induktiver Energie- und kapazitiver 

Datenübertragung zwischen einem Primärkoppelmodul 

und mehreren räumlich getrennten Sekundärmodulen 

auf einem „Backbone“. Als Haupteinsatzgebiet 

ist die kontaktlose Strom- und Datenanbindung von 

Remote-E/A-Sensoren und -Aktoren in der industriellen 

Steuer- und Messtechnik vorgesehen. Doch auch in allen 

übrigen Industrieumgebungen, die leicht erweiterbare, 

kostengünstige Energie- und Datenübertragung benötigen, 

dürfte das System seinen Wert beweisen. 

Das Entwicklungsprojekt der Fakultät Elektro- und Informationstechnik 

– Teil eines öffentlich geförderten Forschungsprogramms 

– steht kurz vor dem Übergang von der 

Konzeptions- zur Prototypenphase. Wesentliche Bestandteile 

des Systems sind ein Backbone aus Ferriten mit 

E-förmigem Profil, der die Primärwicklung trägt, ein Einspeisemodul 

sowie eine Reihe von Sekundärmodulen – alle 

mit E-förmigen Ferritkernen –, die beliebig am Backbone 

angeordnet sein können. Der Backbone findet mühelos in 

einer DIN-Hutschiene mit Standardabmessungen Platz. 

Der potenzielle Markt ist beachtlich, denn DIN-Schienen-standardisierte, 

35 mm breite Metallschienen mit 

U-Profil, auch Hutschienen genannt, ermöglichen in nahezu 

jedem Schaltschrank eine unkomplizierte Befestigung 

elektrischer Betriebsmittel. 

Bislang aber müssen Schaltschrankbauer die Stromund 

Datenanschlüsse jeweils einzeln fest verdrahten, 

und spätere Ergänzungen können sich aufgrund begrenzter 

E/A-Kapazitäten als schwierig erweisen. Das neue 

kontaktlose System mit integrierter Strom- und Datenanbindung 

dürfte den Zeitaufwand für den Bau industrieller 

Steuer- und Regelsysteme erheblich reduzieren – 

und zwar ohne Probleme bei künftigen Erweiterungen. 

Bei der Entwicklung des Systems spielt die Software 

Opera von Cobham Technical Services eine tragende 

Rolle. Das Team an der Hochschule Amberg-Weiden 

nutzt sie für die verschiedensten Aufgaben, beispielsweise 

den Vergleich des Kopplungsverhaltens zwischen 

unterschiedlichen Auslegungen, grundlegende Feldmessungen 

und die Simulation unterschiedlicher magnetischer 

Abschirmungen als Mittel gegen Wirbelströme. 

Prof. Schmidt, der an der Hochschule Anlagen- und 

Simulationstechnik lehrt, erläuterte: „Opera erweist sich 

als überaus praktisch und wirtschaftlich. Früher brauchten 

wir für einfache Modellierungen eine ganze Reihe 

von Softwarepaketen – heute geht es wesentlich einfacher.“ 

Die Software, so erläutert Prof. Schmidt, biete eine 

integrierte Benutzeroberfläche für nahezu alle Simulationsvorgänge, 

die für sein Team in Betracht kämen. Von 

Vorteil sei auch die leichte Erlernbarkeit, was für die 

Studierenden hilfreich sei. 

Momentan stellt das Team von Prof. Schmidt zwei Varianten 

der kontaktlosen Stromversorgung auf den Prüfstand: 

Bei der einen befinden sich die Ferritkerne in einer 

DIN-Schiene aus Aluminium, bei der anderen wird auf 

die Ferrite für den Backbone verzichtet und eine kabelähnliche 

Struktur untersucht. Bei den elektrischen Tests 

wird im Wesentlichen mit einem Arbiträrgenerator, einem 

Leistungsverstärker, einem Stromwandler, einem 

Oszilloskop und einem Leistungsmessgerät mit entsprechenden 

Bandbreiten gearbeitet. Im Fokus der theoretischen 

und experimentellen Untersuchungen stehen die 

Optimierung des Luftspalts, der Speisespannung und der 

Speisefrequenz sowie der Vergleich unterschiedlicher 

leitender Materialien für die Backplane (etwa Folie aus 

µ Metall), um einerseits Wirbelströme zu dämpfen und 

anderseits eine ausreichende Abschirmung zu erzielen. 

Derzeit erreicht das System bei der Energieübertragung 

Wirkungsgrade von bis zu 90 % – mit 10 Sekundärmodulen, 

die jeweils zwischen 1 und 2 Watt erfordern. Die 

maximale Datenübertragungsrate liegt bei 2 Mbit/s. Im 

Lauf des Jahres dürften diese Spezifikationen noch einmal 

um mindestens eine Größenordnung zulegen. 

Hochschule Amberg-Weiden, 

Fachgebiet Anlagen- und Simulationstechnik, 

Prof. Dr. Hans-Peter Schmidt, 

Kaiser-Wilhelm-Ring 23, D-92224 Amberg, 

Tel. +49 (0) 9621 482 36 81, E-Mail: h.schmidt@haw-aw.de, 

Internet: www.haw-aw.de 

Cobham Technical Services, 

24 Bankside, Kidlington, Oxford OX5 1JE, 

Tel. +44 (0) 1865 37 01 51, 

Internet: www.cobham.com/technicalservices 

8 


3 / 2011

SPS | iQ Platform | MMI | Frequenzumrichter | Servo / Motion | Roboter | Schütze/Schalter 

kaiserberg.com 

Sieben Wege. 

Nach Asien. 

Erfolgreich in den boomenden asiatischen Markt einsteigen: Das ist das 

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verband 

VDE-Mitgliederzahlen steigen an 

Rund 1000 mehr Mitglieder verzeichnete der VDE (Verband 

Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik) 

im vergangenen Jahr. Zu den Neu-Mitgliedern gehören 

vor allem Studierende und Berufseinsteiger. Dem Verband 

gehören nun insgesamt 36 000 Mitglieder an, davon 

1300 Unternehmen, 8000 Studierende und 4000 Young 

Professionals. VDE-Tätigkeitsfelder sind die Forschungs-, 

Wissenschafts- und Nachwuchsförderung in den Technologiegebieten 

Informationstechnik, Energietechnik, 

Medizintechnik, Mikroelektronik, Mikro- und Nanotechnik 

sowie Automation. Weitere Schwerpunkte bilden 

die Förderung von Querschnittstechnologien wie 

Smart Grid, Elektromobilität und Medizintechnik unter 

anderem mit Partnern wie dem Bundesministerium für 

Bildung und Forschung sowie Wirtschaft und Technologie. 

Die Erarbeitung von Standards und die Prüfung 

und Zertifizierung elektrischer Geräte, die mit dem VDE- 

Prüfsiegel ausgezeichnet werden, sind weitere Tätigkeitsfelder. 

Verband Elektrotechnik Elektronik 

Informationstechnik (VDE), 

Stresemannallee 15, D-60596 Frankfurt, 

Tel. +49 (0) 696 30 80, Internet: www.vde.com 

Namur lobt Preis für beste Abschlussarbeit aus 

NAMUR Award: Inga Wolf 

(links), Gustavo Quiros, beide 

von der RWTH Aachen, und 

Alexander Ulrich (Helmut- 

Schmidt-Universität Hamburg) 

erhielten im vergangenen Jahr 

den Namur-Award. Wolf und 

Quiros gleichermaßen für die 

beste Diplom-/Masterarbeit 

und Ulrich für die beste 

Dissertation. Foto: Namur 

Im weiten Feld der Automatisierungstechnik sind spannende 

Lösungen immer wieder gesucht. Besonders der 

Nachwuchs soll sensibilisiert werden. Die Industrie verlangt 

zunehmend vertiefte Kenntnisse in der Automatisierungstechnik 

und der Verfahrens- und Prozesstechnik. 

Um dieses interdisziplinäre Arbeitsgebiet für Nachwuchs-Ingenieure 

attraktiv zu machen, lobt die Namur 

auch 2011 wieder einen Award aus. Gesucht werden dabei 

hervorragende Abschlussarbeiten zum Thema „Intelligente 

Prozessführung“. Die Fachgebiete, die dafür in Frage 

kommen, sind neben Informatik und Elektrotechnik auch 

Automatisierungstechnik, Mess-, Regelungstechnik und 

Prozessleittechnik sowie Verfahrenstechnik. 

Junge Absolventen sollen ermutigt werden, sich in 

dieses Gebiet zu vertiefen. Die Namur prämiert daher 

die beste Diplom-/Masterarbeit oder Promotionsarbeit. 

Lehrstuhlinhaber entsprechender Fachgebiete sind aufgefordert, 

formlose Anträge für die beste Abschlussarbeit 

einzureichen. Zur Unterstützung der Bewerbung 

können zugehörige Veröffentlichungen ebenfalls 

beigelegt werden. Alle Unterlagen sollen per E-Mail an 

office@namur.de gesandt werden. 

Der Einsendeschluss für die Beiträge ist der 30. Juni. 

Die Teilnehmer erhalten bis zum 15. Oktober Bescheid. 

Am 11. November wird der Preis dann anlässlich der 

Namur-Hauptsitzung verliehen. Ausgewählte Diplom-/ 

Master-Arbeiten erhalten ein Preisgeld von 1000 Euro. 

Mit 2000 Euro wird die beste Promotionsarbeit ausgezeichnet. 

Namur Geschäftsstelle, 

c/o Bayer Technology Services, 

Gebäude K9, D-51638 Leverkusen, 

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

Veränderungen im Dechema-Vorstand 

Zum 1. Januar 2011 hat Almuth Poetz das Amt der 

Schatzmeisterin der Dechema Gesellschaft für Chemische 

Technik und Biotechnologie übernommen. Almuth 

Poetz ist Geschäftsführerin der Alessa Chemie GmbH in 

Frankfurt am Main und folgt Heinz-Joachim Wagner nach. 

Für eine Amtszeit von drei Jahren wurden neu in den 

Dechema-Vorstand gewählt: Prof. Dr. Walter Leitner, 

Inhaber des Lehrstuhls für Technische Chemie an der 

RWTH Aachen, Prof. Dr. Christine Lang, Geschäftsführerin 

der Organobalance GmbH in Berlin, und Dr. Oscar- 

Werner Reif, Mitglied des Vorstandes der Stedim Sartorius 

Biotech GmbH in Göttingen. 

DECHEMA e.V., 

D-60486 Frankfurt, Tel. +49 (0) 69 756 40, 

Internet: www.dechema.de 

10 


3 / 2011

NEU- 

ERSCHEINUNG 

ISO 26000 

in der Praxis 

DER RATGEBER ZUM LEITFADEN 

FÜR SOZIALE VERANTWORTUNG 

UND NACHHALTIGKEIT 

Eine Norm zur Verbesserung der Welt? 

Nein, die ISO 26000 ist ein Leitfaden – nicht mehr aber auch nicht weniger! 

Auch wenn die ISO 26000 keine zertifizierbare Managementsystem-Norm und 

die Anwendung freiwillig ist, wird ihre Tragweite für Unternehmen beträchtlich 

sein. Denn sie ist ein Leitfaden, der anhand von beispielhaften Verhaltensregeln 

(Best Practices) Orientierung gibt, wie sich Organisationen verhalten sollten, 

damit sie nach internationalem Verständnis als gesellschaftlich verantwortungsvoll 

angesehen werden. Er stimmt sowohl mit den Richtlinien der Vereinten 

Nationen UN als auch mit den Richtlinien der internationalen Arbeitsorganisation 

ILO überein. Im besonderen Fokus dieses höchst aktuellen Ratgebers 

steht das Wirtschaftsleben im Zeitalter der Globalisierung. 

Hrsg.: K.-C. Bay 

1. Auflage 2010, ca. 200 Seiten, Hardcover 

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mit einer Gutschrift von € 3,- auf die erste Rechnung belohnt. 

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Widerrufsrecht: Sie können Ihre Vertragserklärung innerhalb von zwei Wochen ohne Angabe von Gründen in 

Textform (z.B. Brief, Fax, E-Mail) oder durch Rücksendung der Sache widerrufen. Die Frist beginnt nach Erhalt 

dieser Belehrung in Textform. Zur Wahrung der Widerrufsfrist genügt die rechtzeitige Absendung des Widerrufs 

oder der Sache an die Vulkan-Verlag GmbH, Versandbuchhandlung, Huyssenallee 52-56, 45128 Essen. 

Bankleitzahl 

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Datum, Unterschrift 

Kontonummer 

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Nutzung personenbezogener Daten: Für die Auftragsabwicklung und zur Pflege der laufenden Kommunikation werden personenbezogene Daten erfasst und gespeichert. Mit dieser Anforderung erkläre ich mich damit einverstanden, dass ich vom 

Oldenbourg Industrieverlag oder vom Vulkan-Verlag per Post, per Telefon, per Telefax, per E-Mail, nicht über interessante, fachspezifische Medienund Informationsangebote informiert und beworben werde. Diese Erklärung kann 

ich mit Wirkung für die Zukunft jederzeit widerrufen.

Branche 

Elektrische Automation glänzte 2010 mit einem 

Rekordumsatz – die Robotik schwächelte noch 

Trotz einer Produktionssteigerung um 8,8 Prozent erreichte 

der deutsche Maschinen- und Anlagenbau im 

Jahr 2010 erst 81 Prozent des vor der Krise erzielten Spitzenumsatzes. 

Allerdings nahm der Auftragseingang zum 

Jahresende noch einmal deutlich zu, sodass der Verband 

Deutscher Maschinen- und Anlagenbau (VDMA) für 2011 

ein reales Wachstum seiner Branche um zehn Prozent 

erwartet. 

Die Unterschiede in den Teilbranchen sind allerdings 

enorm, wie der VDMA errechnet hat. Mit der elektrischen 

Automation wurden 2010 fünf Prozent mehr Umsatz erzielt 

als im bisherigen Rekordjahr 2008. Robotik und Automation 

hingegen erreichten 2010 erst 79 Prozent der 

Umsätze von 2008. 

Umsatzniveau 2010 im Vergleich zum Höchststand vor der Krise 

Hütten- und Walzwerkseinrichtungen 

Power Systems 

Elektrische Automation 

Bergbaumaschinen 

Aufzüge und Fahrtreppen 

... 

Maschinenbau gesamt 

Präzisionswerkzeuge 

Robotik und Automation 

... 

Druck- und Papiertechnik 

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 

Quelle: VDMA 

58 

GroSSe Spreizung innerhalb der Branche: Während beispielsweise 

die elektrische Automation schon wieder 5 Prozent über dem 

bisherigen Rekordniveau liegt, steht die Teilbranche Robotik und 

Automation erst wieder bei 79 Prozent. 

81 

80 

79 

95 

102 

105 

111 

122 

Bezogen auf die gesamte Branche zeigt sich eine noch 

größere Spreizung: Im Bereich Hütten- und Walzeinrichtungen 

wurden die alten Rekordwerte im vergangenen Jahr 

bereits um 22 Prozent übertroffen. Der Bereich Bau- und 

Baustoffmaschinen lag bei 62 Prozent des Vorkrisenniveaus, 

am Schluss mit 58 Prozent die Druck- und Papiertechnik, 

die allerdings schon deutlich vor 2009 in der Krise war. 

Mit der tatsächlich erreichten Produktionssteigerung 

um 8,8 Prozent wurde im Maschinen- und Anlagenbau 

die letzte Prognose vom September 2010 (6 Prozent) noch 

einmal deutlich übertroffen, betonte VDMA-Präsident 

Dr. Thomas Lindner bei der Vorstellung der Zahlen für 

2010. Für die Zukunft zeigt er sich zuversichtlich: „Seit 

Sommer 2009 sehen wir beim Auftragseingang eine beispiellose 

Aufholjagd, die bislang lediglich in den Monaten 

September und Oktober 2010 durch eine kurze Atempause 

unterbrochen wurde.“ Der Branchenumsatz stieg 

2010 auf 174 Milliarden Euro (2009: 161,1 Milliarden 

Euro). Die Kapazitätsauslastung lag 2010 im Schnitt bei 

79,8 Prozent (2009: 72,5 Prozent). 

Zum Jahresende beschleunigte das Geschäft noch einmal: 

Im Dezember 2010 lag der Auftragseingang mit real 

plus 44 Prozent deutlich über dem Ergebnis des Vorjahres. 

Das Inlandsgeschäft stieg um 38 Prozent. Bei der 

Auslandsnachfrage gab es ein Plus von 46 Prozent im 

Vergleich zum Vorjahresniveau. 

In dem von kurzfristigen Schwankungen weniger beeinflussten 

Dreimonatszeitraum Oktober bis Dezember 

2010 ergab sich insgesamt ein Plus von 40 Prozent im 

Vorjahresvergleich. Insgesamt haben die Maschinenbestellungen 

2010 um real 36 Prozent zugelegt (Inland plus 

29 Prozent, Ausland plus 39 Prozent). 

Verband Deutscher Maschinen- und 

Anlagenbau e.V., 

Lyoner Straße 18, D-60528 Frankfurt/Main, 

Tel. +49 (0) 69 660 30, 

Internet: www.vdma.org 

Elektroindustrie nähert sich dem Vorkrisen-Niveau 

Die deutsche Elektroindustrie setzt ihre Aufholjagd nach 

der Krise 2009 ungebremst fort. Die Auftragseingänge 

sind im Dezember des vergangenen Jahres um 26 Prozent 

gegenüber Vorjahr gestiegen. Aus dem Inland kamen im 

Dezember 14 Prozent mehr Bestellungen als ein Jahr zuvor. 

Die Auslandsorders legten mit plus 38 Prozent erneut deutlich 

stärker zu. „Damit bleibt das Ausland die Hauptstütze 

der Erholung“, sagte ZVEI-Chefvolkswirt Dr. Andreas Gontermann. 

„Im gesamten abgelaufenen Jahr 2010 haben die 

Auftragseingänge ihren Vorjahresstand um 24 Prozent 

übertroffen. Sie lagen damit nur noch zehn Prozent unter 

ihrem 2008er Boomwert.“ 

Der Umsatz in der Elektrobranche lag im Dezember 2010 

um 16 Prozent höher als vor einem Jahr. Die um Preiseffekte 

bereinigte Produktion stieg im Dezember um 18 Prozent. 

Im gesamten Jahr 2010 konnte der Umsatz um 14 

Prozent auf 165 Mrd. Euro zulegen (2008: 182 Mrd. Euro, 

2009: 145 Mrd. Euro). Der Output wuchs um 13 Prozent. 

„Damit hat die Elektroindustrie bei Umsatz und Produktion 

in nur einem Jahr die Hälfte der Verluste in der Krise 

2009 aufgeholt“, sagte Dr. Gontermann. „Für 2011 erwarten 

wir ein Produktionswachstum von sieben Prozent und 

einen Umsatzanstieg auf über 175 Mrd. Euro.“ 

Die guten Zahlen spiegeln sich im Geschäftsklima in der 

Elektroindustrie. Dieses ist nach der kurzen Verschnaufpause 

im Dezember des vergangenen Jahres im Januar 2011 erneut 

kräftig gestiegen und befindet sich jetzt auf einem – gesamtdeutschen 

– Allzeithoch. 58 Prozent der Elektrofirmen 

schätzen ihre Lage als gut beziehungsweise sehr gut ein. 

ZVEI – Zentralverband Elektrotechnik- und 

Elektronikindustrie e.V., 

Lyoner Straße 9, D-60528 Frankfurt am Main, 

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

12 


3 / 2011

Ex-Schutz: Dekra 

zertifiziert für Japan 

Die Dekra Cerification B.V. in Arnheim (früher Kema Quality) 

ist vom japanischen Arbeits- und Gesundheits- 

Ministerium als so genannte Designated Foreign Testing 

Agency (DFTA) anerkannt worden. Das Prüfunternehmen 

ermöglicht somit Herstellern von Ex-geschützten Produkten 

und Zulieferern der Prozessindustrie mit TIIS-Zertifikat 

einen schnelleren Eintritt in den japanischen Markt. 

Die japanische Technology Institution for Industrial Safety 

(TIIS) ist die staatliche Prüf- und Zertifizierungsstelle, 

die gemäß den japanischen Arbeitsschutz- und Gesundheitsvorschriften 

die Konformität von Produkten bestätigt, 

die in der Prozessindustrie eingesetzt werden sollen. 

Dauerte früher die Zulassung eines Produktes bis zu 

zehn Monaten, ermöglichen es jetzt japanische Dekra- 

Experten, diesen Prozess wesentlich zu beschleunigen. 

Weitere Vorteile für die Exporteure nach Japan: Die TIIS- 

Zertifizierungs-Gebühren können um bis zu 3000 Euro 

(300 000 Yen) niedriger ausfallen. Einige Tests können 

zudem erlassen werden, häufig akzeptiert die TIIS die 

europäischen IECEEx-Prüfberichte. 

Dekra Certification B.V., 

Utrechtseweg 310, NL-6812 Arnhem, 

Tel. +31 (0) 26 3 56 20 00, 

Internet: www.dekra-certification.com 

Sichere Software – vom 

Gerät zur Anwendung 

Die funktionale Sicherheit mit dem Fokus Software steht 

am 4. und 5. Mai in Fulda im Mittelpunkt der VDE/ 

DKE-„Tagung zur funktionalen Sicherheit IEC 61508 (VDE 

0803), Sichere Software – vom Gerät zur Anwendung“. Der 

Hintergrund: Sicherheitsgerichtete Mikrorechnersteuerungen 

halten Einzug in immer mehr Produkte und müssen 

für die geforderten Sicherheitsfunktionen qualifiziert 

werden. Doch in der Praxis sei es sehr oft die Software, 

die „klemmt“, betonen die Veranstalter. Die Suche nach 

zielgerichteten Softwareprozessen sei dabei so alt wie die 

Software selbst und könne bis heute nicht als abgeschlossen 

betrachtet werden. Was bedeutet das für die funktionale 

Sicherheit? Wie ist insbesondere der für die Software 

zuständige Teil 3 der DIN EN 61508-3 (VDE 0803-2) konkret 

umzusetzen? Antworten darauf soll die Tagung liefern. 

Dabei werde neben Embedded Software und Tool-Ketten 

insbesondere die Anwendersoftware betrachtet, versprechen 

VDE und DKE. Informationen: 

www.vde.com/funktionalesicherheit 

DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik 

Elektronik Informationstechnik im DIN und VDE, 

Stresemannallee 15, 

D-60596 Frankfurt am Main, 

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

Feldbusunabhängig 

in den Ex-Bereich! 

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

explosionsgefährdeten als auch in explosionsgefährdeten Bereichen der 

Industrie und des Bergbaus ausgelegt. 

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

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

Verbindung zur Sensorik und Aktorik der Zone 0 / 20 und 1 / 21. 

Die hierfür entwickelten Ex i Busmodule bilden hierbei ein eigensicheres 

Segment, das integriert in einen Standardbusknoten dem Anwender 

sämtliche Vorzüge moderner Feldbustechnik bietet: Feldbusunabhängigkeit, 

Flexibilität, Modularität, IEG 61131-3 Programmierbarkeit, Zuverlässigkeit, 

Wirtschaftlichkeit, etc. 

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

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

Eingang RTD, Analog Eingang TC, Analog Ausgang 0-20mA und die Ex i 

Einspeisungen 0,5A/1,0A. 

www.wago.com

anche 

Manufacturing Execution Systems bringen neue 

Anforderungen an die Ingenieurausbildung 

Namur-Arbeitskreis startet Diskussion über die nötigen MES-Zusatzkenntnisse 

Auch ein MES- 

Ingenieur muss 

nach dem Studium 

die klassischen 

Themen der Automatisierungstechnik 

beherrschen. 

Darüber hinaus ist 

aber Zusatzwissen 

erforderlich. 

Auch für die Automatisierungstechnik bekommt die Einbindung 

in betriebliche Abläufe eine immer höhere 

Bedeutung – beispielsweise durch Manufacturing-Execution-Systeme 

(MES). Den meisten Jungingenieuren mangelt 

es allerdings am Verständnis dieser Zusammenhänge und 

an der Kenntnis der Systeme. Der Namur-Arbeitskreis 2.4 

„Manufacturing Execution Systems“ hat daher als Diskussionsgrundlage 

eine Liste mit Kenntnissen erstellt, die während 

des Studiums vermittelt werden sollten. 

Die Industrie wird von immer rascheren Geschäftsabläufen 

und Prozessabwicklungen dominiert, welche einen 

stetig steigenden Automatisierungsgrad fordern. Dabei 

geraten mehr und mehr jene Prozesse in den Fokus, die 

um die eigentlichen Produktionsprozesse herum ablaufen 

(betriebliche Abläufe), da hier noch erhebliche Optimierungspotenziale 

zu erwarten sind. 

Manufacturing Execution Systems (MES) [IEC 62264, 

ZVEI Leitfaden, VDI 5600, NA 94] unterstützen diese Optimierung 

der innerbetrieblichen Abläufe als produktionsnahe 

IT-Systeme. Sie können dabei, neben ihrer möglichen 

Funktion als Schnittstelle zu überlagerten Enterprise-Resource-Planning-Systemen 

(ERP), alle Funktionen, 

die zur Planung, Überwachung und Steuerung von 

Produktionsprozessen notwendig sind, umfassen. Sie sind 

damit mehr als eine reine IT-technische Verbindung zwischen 

Unternehmensleitebene und Prozessleitebene. Immer 

mehr betriebswirtschaftliche Intelligenz soll in ME- 

Systemen abgebildet werden, um somit eine Aggregation 

der Daten für die überlagerten Systeme durchzuführen. 

Diese zunehmende vertikale Integration und der Wunsch 

nach einer ganzheitlichen Betrachtung bei der Automatisierung 

und Optimierung der Geschäfts- und Produktionsprozesse 

führen dazu, dass die einst streng getrennten 

Wissenschaftsbereiche weiter zusammenrücken. 

Doch sind unsere jungen Absolventen auch für diese 

neue Art der Automatisierung gerüstet? Wie steht es um 

die Ausbildung in diesen interdisziplinären Fachgebieten? 

Bei der Einarbeitung von Absolventen – ganz gleich, ob 

von Universitäten oder Fachhochschulen – für die Bereiche 

MES und Produktion stehen die Unternehmen derzeit vor 

der Herausforderung, den Ingenieuren zunächst die typischen 

betrieblichen Abläufe näher zu bringen und ein Verständnis 

für die Einbindung des technischen Produktionsprozesses 

in den Geschäftsprozess als solchen zu schaffen. 

Den meisten Jungingenieuren fehlt dieses Verständnis; oft 

ist ihnen nicht einmal der Begriff MES bekannt. 

Der Arbeitskreis 2.4 „Manufacturing Execution Systems“ 

der Namur hat versucht, die Anforderungen an einen 

Automatisierungsingenieur zu definieren, der sich im 

MES-Umfeld bewegt und der, nach Meinung des Arbeitskreises, 

bereits im Studium auf die interdisziplinäre 

Arbeit vorbereitet – wenigstens jedoch hierfür sensibilisiert 

– werden sollte. 

Die für einen MES-Ingenieur wichtigen Themen können 

in fünf Obergruppen gegliedert werden: Neben den klassischen 

– und selbstverständlich wichtigen – Themen der 

Automatisierungstechnik und ihrer Grundlagen sind ausgewählte 

Inhalte der Informatik und Betriebswirtschaftslehre 

sowie MES- und ERP-spezifische Inhalte für eine 

optimale Vorbereitung auf die interdisziplinäre Arbeit 

eines MES-Ingenieurs essenziell. 

Schwerpunkt des Studiums des MES-Ingenieurs sind zum 

einen klassische Themen der Automatisierungstechnik (siehe 

Grafik). Aus dem Bereich der Informatik sollten die Absolventen 

Kenntnisse der Konzepte des objektorientierten 

Programmierens erworben und beispielhaft anhand einer 

Hochsprache wie C++, C# oder Java vertieft haben. Insbesondere 

sollten sie mit den Grundgedanken von Software- 

14 


3 / 2011

literatur 

International Electrotechnical Commission: IEC 62264: 

Enterprise-control system integration – Part 1-3. 

ZVEI - Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie 

e.V.: Manufacturing Execution Systems (MES): 

Branchenspezifische Anforderungen und herstellerneutrale 

Beschreibung von Lösungen, Frankfurt 2010. 

Verein Deutscher Ingenieure: Fertigungsmanagementsysteme 

- Manufacturing Execution Systems (MES), 

VDI 5600. 

Namur-Arbeitsblatt 94: MES: Funktionen und Lösungsbeispiele 

der Betriebsleitebene, 2003. 

Modellierungssprachen wie UML vertraut sein. Aufgrund 

der zunehmenden Kopplung zwischen der Steuerungs- und 

IT-Ebene, gewinnen darüber hinaus Themen wie IT-Security, 

Back-up- und Nutzerverwaltungskonzepte an Bedeutung. 

Die Absolventen sollten zudem Grundkenntnisse in ereignisorientierter 

Simulation oder Logistik-Simulation besitzen 

und über das für die Erstellung von Simulationsmodellen 

nötige Maß an Abstraktionsfähigkeit verfügen. Darüber 

hinaus sind Grundlagen zum Entwurf von relationalen 

Datenbanken sowie – allgemeiner formuliert – Kenntnisse 

zum Entwurf von Algorithmen und deren Beurteilung bezüglich 

Effizienz und Stabilität hilfreich, wobei auch hier 

entsprechendes Abstraktionsvermögen vorausgesetzt wird. 

Aus dem Gebiet der Betriebswirtschaft sollten ausgewählte 

Inhalte zum Produktionsmanagement insbesondere hinsichtlich 

der in der IEC 62264 definierten Funktionen eines 

MES und der Nutzung und Berechnung von Kennzahlen, 

sowie ausgewählte Inhalte der Statistik vermittelt werden. 

Um die der Produktion übergeordneten Abläufe analysieren 

zu können, sollten die Absolventen Kenntnisse über Modellierungssprachen 

für die Geschäftsprozessmodellierung 

(beispielsweise EPK-Darstellungen) und Analyse besitzen. 

Besonders wichtig bei der Vermittlung der betriebswirtschaftlichen 

Inhalte ist die Anpassung der Lehrveranstaltung 

an die Bedürfnisse und Vorkenntnisse der Studenten 

und die Einbindung der Inhalte in den Gesamtkontext. 

Zudem ist eine Sensibilisierung für die übergeordneten betrieblichen 

Abläufe wichtig, die unter anderem durch Praxisbeispiele 

und Exkursionen in Betriebe erreicht werden 

kann. Dabei könnte ein konkreter Produktionsablauf mit 

seinen interagierenden IT-Systemen betrachtet werden. 

Die angesprochenen Inhalte aus den Bereichen Automatisierungstechnik, 

Informatik und Betriebswirtschaftslehre 

werden bereits an vielen Hochschulen und 

Universitäten angeboten. Jedoch werden sie von den Studenten 

– sofern eine Kombination der technischen und 

betriebswirtschaftlichen Themen im Rahmen des Studiums 

überhaupt möglich ist – nur selten optimal belegt und 

kombiniert. Dies liegt unter anderem darin begründet, 

dass Studenten aufgrund der zumeist noch fehlenden Praxiserfahrung 

die sinnvollen Kombinationsmöglichkeiten 

nicht abschätzen können und eine interdisziplinäre Fächerwahl 

daher häufig das Ergebnis vereinzelter „Stichproben“ 

in verschiedenen Fächern aufgrund interessanter 

Lehrveranstaltungsbeschreibungen ist. 

Zudem werden betriebswirtschaftliche Themen derzeit 

meist ohne Anpassung für Ingenieure und inhaltliche Einbindung 

in den Gesamtkontext aus dem BWL-Studium 

übernommen und erzielen daher meist nicht das gewünschte 

Verständnis bei den Studenten, sondern führen eher zur 

Ablehnung betriebswirtschaftlicher Inhalte. 

Neben den oben genannten allgemeinen Inhalten der unterschiedlichen 

Fachbereiche sind für einen MES-Ingenieur 

natürlich auch MES-spezifische Inhalte von Bedeutung. 

Diese sind zu allererst Definitionen zu MES und deren 

Funktionsumfang. In den Grundlagen zu MES könnten die 

IEC 62264 beziehungsweise ihr Ursprungsdokument die 

ISA 95 genannt werden. Des Weiteren könnten verschiedene 

innerbetriebliche Managementsysteme behandelt werden, 

wie Process und Labor Information Management Systeme 

(LIMS), Produktionsplanung (Scheduling), Materialmanagement- 

und Qualitätsmanagement-Systeme. 

Ergänzend zu den MES-spezifischen Themen ist ein 

Grundlagenwissen zu Enterprise-Resource-Planning- 

Systemen (ERP) wichtig. Die Schnittstellen von MES zu 

Automatisierungssystemen (insbesondere über OPC) und 

zu ERP-Systemen stellen in der Praxis häufig ein Problem 

dar und sollten daher bei der Ausbildung besonders berücksichtigt 

werden. 

Dieser Beitrag ist aufgrund der Praxiserfahrungen der 

Mitglieder des Namur AK 2.4 entstanden und erhebt bezüglich 

der anzustrebenden Lehrinhalte keinen Anspruch auf 

Vollständigkeit. Er soll dazu anregen, aktuelle Trends in 

der Automatisierungstechnik wie MES, die in den letzten 

Jahren an Bedeutung gewonnen haben, in Wechselwirkung 

zu der Ausbildung an der Fachhochschule oder Universität 

zu sehen. Der Arbeitskreis erhofft sich auf Basis des Beitrags 

reges Feedback und eine angeregte Diskussion. 

Autoren 

Dipl.-ing. (BA) Nicolas 

Teska ist Mitarbeiter der 

Evonik Röhm GmbH und 

Mitglied des Arbeitskreises 

2.4 „MES“ der Namur. 

Evonik Röhm GmbH, 

S1-WS-TS-EMA, Im Pfaffenwinkel 6, D-67547 Worms, 

Tel. +49 (0) 6241 402 59 82, 

E-Mail: nicolas.teska@evonik.com 

Dipl. Oec. Maria Witsch 

ist wissenschaftliche 

Mitarbeiterin am Lehrstuhl 

für Informationstechnik im 

Maschinenwesen der TU 

München und Mitglied des 

Arbeitskreises 2.4 „MES“ 

der Namur. 

TU München, 

Lehrstuhl für Informationstechnik im Maschinenwesen, 

Boltzmannstr. 15, D-85748 Garching, 

Tel. +49 (0) 89 28 91 64 40, 

E-Mail: m.witsch@itm.tum.de. 


3 / 2011 

15

anche 

Konstante Prozessgrößen für hohe Regelgenauigkeit 

Schwankende Werte steigern den Energieverbrauch für die Regelung drastisch 

Die Grafiken zeigen die 

Regelgenauigkeit im Vergleich 

– während im linken Bild 

(ursprüngliche Installation) eine 

andauernde Schwingung des 

Durchflusses im Bereich 20 l/min. 

zu sehen ist, schwanken die 

Durchflussmesswerte mit dem 

OnC ValvePOS 500 (rechtes Bild) 

nur noch im Bereich 2 l/min. 

Die Farben stehen für Gelb = 

Messwert, Rot = Stellgröße, 

Blau = Sollwert. 

Ziel der Hersteller bei der Geräteentwicklung zur Steuerung 

und Regelung von Prozessen ist es, während 

des gesamten Produktionsablaufs eine konstante Prozessgröße 

zu ermöglichen. Schwankende Werte bedeuten 

eine schlechte Regelqualität, wodurch eine größere Menge 

an Energie zur Regelung benötigt wird, als bei konstanten 

Prozessgrößen. Geräte, die eine konstante Prozessgröße 

gewährleisten, erreichen damit automatisch einen 

höheren Grad an Energieeffizienz. 

Weil auch nachfolgende Regelkreise auf eine geänderte 

Prozessgröße reagieren, wirkt sich diese weiter auf das Gesamtsystem 

aus. Durch diese Abhängigkeit kann aufgrund 

einer einzelnen schwankenden Prozessgröße der gesamte 

Regelkreis in einen instabilen Zustand versetzt werden. 

Unter diesen Voraussetzungen ist es umso schwieriger, die 

festgelegte Menge und Qualität von Produkten sicherzustellen. 

Weiterhin erhöht sich der Einsatz von Verbrauchsmaterial 

durch die schwankende Qualität. Gegebenenfalls 

sind nachträglich teure Korrekturen erforderlich. 

Stellungsregler an sich haben einen vergleichsweise geringen 

Energieverbrauch. Verändert sich aber die Position 

des Stellungsreglers permanent, wird dauerhaft zusätzliche 

pneumatische Energie für den Ausgleich benötigt. 

Dazu wird Strom energieaufwendig in Druckluft gewandelt, 

wobei beachtet werden muss, dass pneumatische 

Energie im Vergleich zu elektrischer Energie ungefähr 

zehnmal teurer ist. Werden die beschriebenen Auswirkungen 

einer Schwankung auf das Gesamtsystem betrachtet, 

wird schnell klar, dass sich mit der Regelabweichung über 

den Prozess gesehen der Energieverbrauch multipliziert. 

Bei einer instabilen Position kommt es darüber hinaus 

zu unnötig hohem Verschleiß an Ventilen und Antrieben. 

Die daraus resultierenden vorzeitigen Störungen und Ausfälle 

führen schließlich zu erhöhten Wartungskosten. 

Unter Umständen muss die Anlage abgeschaltet werden, 

was zu Produktionsausfällen führt. Auch dieser Effekt 

kann sich auf den nachfolgenden Regelkreis auswirken. 

Als erstes Produkt von ABB hat Voith Paper Automation 

den Stellungsregler OnC ValvePos 500 in sein Produktportfolio 

aufgenommen. Der auf dem intelligenten 

Stellungsregler TZIDC basierende OnC ValvePos 500 ist 

ein elektronisch parametrierbares und kommunikationsfähiges 

Gerät zum Anbau an pneumatische Linear- und 

Schwenkantriebe. Exzellente Regelgenauigkeit, die kompakte 

Bauform und ein modularer Aufbau zeichnen ihn 

aus. Die Anpassung an das Stellgerät und die Ermittlung 

der Regelparameter erfolgen vollautomatisch, sodass 

eine größtmögliche Zeitersparnis und ein optimales Regelverhalten 

erzielt werden. Die Kommunikation erfolgt 

über 4/20-mA-Hart oder Profibus PA. 

Der Entscheidung für den ABB-Stellungsregler ging 

eine detaillierte Untersuchung im Voith Paper Technology 

Center (PTC) in Heidenheim (Baden-Württemberg) 

voran, in der sich die technischen Vorteile des OnC ValvePos 

500 gezeigt haben. Bei der Anwendung in der Stärkenachverdünnung 

konnte die Regelgenauigkeit und 

-güte deutlich verbessert werden. 

In der ursprünglichen Installation zeigte sich eine 

andauernde Schwingung des Durchflusses im Bereich 

20 l/min., wodurch ein ständiges Nachregeln erforderlich 

war. Dasselbe Ventil am gleichen Einbauort zeigte 

mit dem Voith Stellungsregler OnC ValvePos 500 hingegen 

ein deutlich ruhigeres Regelverhalten. Die Durchflussregelung 

blieb dabei unverändert. 

autoren 

Oliver Thiel, 

Leiter technischer Vertrieb und 

Center of Product Feldgeräte 

Voith Paper Automation GmbH & Co. KG, 

Escher-Wyss-Str. 25, D-88212 Ravensburg, 

Tel. +49 (0) 751 83 32 55, 

Internet: www.voithpaper.com 

16 


3 / 2011

| TS12-03G | 

Die hohe Präzision und feine Schrittweite von OnC 

ValvePos 500 begrenzten die Regeleingriffe sowohl im 

Stellweg als auch auf der Zeitachse auf ein Minimum. Die 

Durchflussmesswerte schwankten daher nur noch im Bereich 

2 l/min, das heißt, die Schwankungen konnten mit 

OnC ValvePos 500 um den Faktor 10 reduziert werden. 

Die Vorteile des OnC ValvePos 500 liegen bei dieser Applikation 

in der kontinuierlichen, stufenlosen Regelung in 

kleinsten Schritten, was eine extrem präzise Steuerung der 

Regelventile ermöglicht. Im Gegensatz dazu verfügt das zuvor 

verwendete Gerät nur über eine schrittweise Schaltung, 

die eine derart feine Regelung nicht erlaubt. Im Rahmen 

einer mehrstündigen Trendaufzeichnung wurde der konstante 

Sollwert von 50 l/min durch den ABB-Stellungsregler 

in einen quasi konstanten Prozesswert umgesetzt. Der resultierende 

Prozesswert des Vergleichsprodukts schwankte 

hingegen um plus/minus 20 Prozent zum Sollwert. 

Die Ventilposition des OnC ValvePos 500 zeigt nur wenig 

Veränderung. Derartige Adaptionen der Ventilstellung 

sind „natürlicher“ Bestandteil jeder Regelschleife, 

während die kontinuierlich oszillierende instabile Positionierung 

beim Vergleichsgerät schwankende Prozesswerte 

zur Folge hat. 

Die Umrüstung auf den Voith-Stellungsregler OnC 

ValvePos 500 erhöht somit die Stabilität und die Genauigkeit 

im Papierherstellungsprozess. Zusätzlich ist weniger 

Wartungsaufwand nötig, da sich die Standzeit der 

Regelarmaturen erheblich verlängert. Dadurch können 

über die Lebensdauer der Feldgeräte die Wartungskosten 

deutlich gesenkt werden. Darüber hinaus ermöglichen 

die Geräte ein wesentliches Potenzial zur Energieeinsparung, 

insbesondere im Dampfkreislauf. 

Neben den technologischen Vorteilen lassen sich Einsparungen 

auch durch die modular aufgebauten Armaturen 

und Sensoren erzielen. So werden beispielsweise 

für diverse Regel- und Absperrarmaturen (Vollkugel, 

hart- und weichdichtende Klappen, Kugelsegmentventile) 

identische Stellungsregler, Endlagenüberwachungen 

und Antriebe eingesetzt. Dadurch wird eine geringere 

Anzahl an Ersatzteilen benötigt und die Ersatzteilbeschaffung 

ist insgesamt kostengünstiger. 

Thomas Kleegrewe, 

Leiter Produktmanagement 

„Elektrische Antriebe & 

Stellungsregler“ ABB Automation 

Products GmbH 

Der einfachste Weg, 

Sicherheitstechnik zu 

integrieren: TwinSAFE. 

www.beckhoff.de/TwinSAFE 

TwinSAFE, das durchgängige Safety-System von den I/Os bis zu den 

Drives. Die TwinSAFE-I/Os für das EtherCAT-Klemmensystem nutzen 

die hohe Performance von EtherCAT optimal aus: 

Kompakt: Safety-PLC in 12-mm-Reihenklemme 

Leistungsfähig: bis zu 128 sicherheitsrelevante Teilnehmer 

pro Safety-PLC 

Variabel: integrierte Funktionsbausteine z. B. für Not-Aus, Schutztür 

Modular: Standard- und Safety-I/Os in einem System 

Flexibel: feldbusneutrale Kommunikation 

Zertifi ziert: Lösung bis SIL 3 nach IEC 61508, EN 954 Kat. 4 und 

DIN EN ISO 13849 PLe 

IPC 

Safety-Inputs 

Safety-PLC 

ABB Automation Products GmbH 

Messtechnik Produkte – Instrumentation, 

Borsigstraße 2, D-63755 Alzenau, Tel. +49 (0) 800 111 44 11, 

Internet: www.abb.de/instrumentation 

I/O 

Motion 

Automation 

Standard-PLC 

Safety-Outputs 

Safety-Drives

anche 

Rechteck-Steckverbinder: Kostengünstige 

Alternative zu Klemmbrett und Klemmkasten 

Einsparpotenziale bei elektrischen Antrieben durch deutliche Reduzierung der Arbeitszeit 

Bild 1: Ein Steck system für den Anschluss von 

Drehstrom motoren bietet gegenüber dem Klemmbrett 

Vorteile: Kosten ersparnis durch schnelle 

Montage und insgesamt ein einfacheres Handling. 

Bild 2: 

Steckverbindung als 

Klemmbrettersatz – 

der Motordeckel wird zum Motorstecker, 

ein zusätzlicher Kabelanschluss 

bietet weitere Funktionen. 

Steckbare Antriebe erleichtern dem Monteur im Feld 

die Montage und Handhabung. Doch die Alternative 

zum traditionellen Klemmbrett und Klemmkasten scheiterte 

an den hohen Kosten. Während die Ausgaben für 

Hardware-Anteile – etwa das Klemmbrett selbst – zurückgehen, 

steigen die für Zeitaufwendungen. Ein Blick 

in die Praxis verdeutlicht das Problem. 

Ausflug in die Betriebspraxis 

Für den Industrie-Elektriker ist das Auswechseln eines 

Drehstrom-Asynchronmotors kein Problem. Er löst die 

Deckelschrauben und legt den Klemmkasten frei. Danach 

löst er die Kabelschuhe und trennt sie vom 

Klemmbrett. Nach Austausch des defekten Motors erfolgt 

das gleiche Spiel in umgekehrter Reihenfolge. 

Zunächst aber muss der Elektriker prüfen, ob die gewünschte 

Betriebsart – Stern oder Dreieck – geschaltet 

ist. Gegebenenfalls sind zunächst weitere Muttern zu 

lösen. Im ungünstigsten Fall läuft der Motor zunächst 

einmal falsch herum. Und das heißt: Kabelschuhe wieder 

trennen, Phasen vertauschen, Muttern erneut ansetzen 

und festschrauben. 

Einfacher wäre es, wenn der Motor steckbar ist und 

wie ein Modul ausgetauscht wird. Der Motor wird von 

Kabel getrennt, ausgebaut und ersetzt, der Monteur muss 

nicht in das Motorinnere eingreifen. (Bild 2). 

Das Beispiel zeigt, wie der Arbeitsfluss durch das Konstrukt 

des Klemmbretts gestört wird. Ein Steckverbinder 

kann den Vorgang einfacher machen. Reparatur und 

Handling wären einfacher, das Einsparpotenzial groß. 

Anforderungen an eine praxisgerechte Lösung 

Wie muss ein Steckverbinder konzipiert sein, der die 

geforderten Einsparungen erfüllt? Zunächst wird die 

Klemmbrett-Funktion vollständig in den Kabelstecker 

verlegt. Dadurch erhöht sich zwar die Anzahl der Steckkontakte 

– denn alle sechs Enden der Motorwicklungen 

müssen in den Kabelstecker geführt werden, um dort 

über eine steckbare Kontaktbrücke verschaltet zu werden. 

Mit dieser Maßnahme muss der Monteur das Motorgehäuse 

aber auch nicht mehr öffnen, um Verdrahtungen 

vorzunehmen. 

Stattdessen gibt es eine Eingriffsmöglichkeit im Kabelstecker 

– zum Lösen des Steckers vom Motorflansch 

sowie zum Öffnen des Steckergehäuses und zum Trennen 

oder Verbinden der einzelnen Litzen ohne spezielle 

Werkzeuge. Dazu zählt die Ver- und Entriegelung 

von Flansch und Stecker mit Hilfe eines Bügels, der 

einfach mit der Hand bedient wird. Auch der Stecker 

selbst wird werkzeuglos geöffnet, um den Kabelstauraum 

freizulegen. Die Kontaktbuchsen sind mit der 

gängigen Federzugklemme ausgerüstet und deshalb 

bereits im Isolierkörper verbaut. Sie nehmen Litzenquerschnitte 

bis 2,5 mm 2 auf. Weitere Arbeitsschritte 

folgen: der Kabelanschlag, die Stern-Dreieck-Konfiguration 

und die Umkehrung der Drehrichtung des Motors. 

Auch diese Schritte sollten ohne spezielle Werkzeuge 

möglich sein. 

Zeitaufwändiges Crimpen, wie es bei gedrehten Kontakten 

erforderlich ist, entfällt bei der Federzug-Klemmentechnik. 

Die abisolierten Litzenenden werden – mit 

18 


3 / 2011

oder ohne Ader-Endhülse – einfach in die entsprechende 

Öffnung im Isolierkörper gesteckt, wo die Litze industrietauglich 

fest einklemmt sind. Wer bereits unter 

engen räumlichen Verhältnissen gecrimpt hat, wird die 

einfache Anschlagsart ohne Spezialwerkzeuge zu 

schätzen wissen. Außerdem fehlt bei der Feldmontage 

häufig die gerade benötigte Zange. Die Zeitersparnis ist 

hier offensichtlich. 

Gelöst werden kann die Litze mithilfe eines Fingernagels 

oder eines Schraubendrehers. Beispielsweise, 

wenn die Drehrichtung eines 3-Phasen-Asynchronmotors 

geändert werden muss. Hierzu müssen zwei Phasen 

– also zwei Litzen – miteinander vertauscht werden. 

Das geht im Kabelstecker deutlich schneller als im Motorklemmkasten, 

wo die Kabelschuhe erst abgeschraubt 

werden müssen. 

Die Stern-Dreieck-Umschaltung erfolgt ebenfalls bei 

geöffnetem Kabelstecker (siehe Bild 2). Die Brücke zur 

Konfiguration der Betriebsart wird einfach passend gesteckt 

und die Verbindung ist hergestellt. Eine Montageanleitung 

erübrigt sich, Verdrahtungsfehler sind ausgeschlossen. 

Die Kontaktbrücke ist nach dem Schließen 

des Steckers verriegelt und kann von außen nicht mehr 

verändert werden. Bei geöffnetem Stecker dauert die 

Konfiguration höchstens zehn Sekunden. 

Litzenanschlag im Motor wird einfacher 

Auch der Litzenanschlag im Motor wird einfacher. Die 

Wicklungsenden des Motors werden direkt oder über eine 

Zwischenstufe an die Kontaktstifte angecrimpt und im 

Isolierkörper verbaut. So sind die Motorwicklungen in 

einem frühen Fertigungsstadium steck- und damit auch 

prüfbar. Der Isolierkörper braucht beim fertig montierten 

Motor nur noch in den Motordeckel eingesetzt werden, 

wo er verrastet ist. Bei Bedarf wird der Isolierkörper wieder 

ausgebaut und die Kontakte freigelegt – und zwar 

ebenfalls werkzeuglos. 

Nach Aufschrauben des Deckels steht der Motor als Baugruppe 

zur Verfügung. In den Anwendungen wird der 

Motor mechanisch montiert und gegebenenfalls codiert. 

Elektrischer Anschluss und Festlegung der Betriebsart 

erfolgen ausschließlich über den Steckverbinder. 

Fazit 

Das Klemmbrett hat sich bis heute erfolgreich gegen eine 

Vertreibung aus dem Elektromotor gewehrt, weil es 

scheinbar kostengünstig ist. Durch Verlegen der Klemmbrettfunktion 

in den externen Steckverbinder wird der 

Motor zu einer Standard-Baugruppe, in die im Verlauf 

des Ein- oder Ausbaus nicht mehr eingegriffen werden 

muss. Ergebnis: Ein externer Steckverbinder spart auf 

diese Weise deutlich mehr als der Einsatz eines traditionellen 

Klemmbrettes. 

autor 

Dipl.-Ing. Eckhart Linneweh, 

Produktmanager Metallische Rundsteckverbinder, 

Coninvers GmbH, Herrenberg 

Coninvers Gmbh, 

Heisenbergstr. 1, D-71089 Herrenberg, 

Tel.: +49 (0) 7032 927 40 

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3 / 2011 

19

anche 

Richtig montierte Antennen sind die Basis für 

zuverlässige Wireless-Verbindungen 

Die Einhaltung einfacher Regeln sichert stets eine ausreichende Signalstärke 

Funksysteme erlauben aufgrund verschiedener Sicherungsmechanismen 

auch im Automatisierungsumfeld 

eine robuste und zuverlässige Kommunikation. So wird 

beispielsweise automatisch sichergestellt, dass keine Information 

verloren geht. 

Für ausreichende Signalstärke am Empfangsort muss 

der Automatisierer allerdings selbst sorgen. Wenn die 

Anwender nicht im Umgang mit Funktechnik geübt 

sind, stellt die Montage von Wireless-Komponenten 

eine Herausforderung dar. Um performante und zuverlässige 

Verbindungen aufzubauen, müssen beim Einbau 

der Funkmodule einige einfache Grundsätze berücksichtigt 

werden. 

So lässt sich sicherstellen, dass das Funksystem die 

maximale Signalstärke erreicht und dadurch mit einer 

geringeren Anzahl von Datenpaket-Wiederholungen aus- 

kommt. Das wiederum hat einen positiven Effekt auf die 

Latenzzeit und den Datendurchsatz. 

Funkkomponenten leiten Informationen aller Art – 

beispielsweise Ethernet-Daten oder I/O-Signale – über 

die Luft weiter. Sie bilden dabei die Datenschnittstelle 

zwischen Kabel und Übertragungsmedium, wobei die 

Antenne das entscheidende Element für diesen Übergang 

ist. Ihre Position hat einen großen Einfluss darauf, wie 

gut sie das Signal auf die Umgebung übertragen kann. 

Die Antenne befindet sich oft direkt an der Funkbaugruppe, 

die gerne im Schaltschrank montiert wird. 

Funkwellen können Metall jedoch nicht durchdringen 

und werden reflektiert. Die Installation der Antenne außerhalb 

von Schaltschränken und vergleichbaren Abschirmungen 

führt daher bereits zu einer erheblichen 

Verbesserung der Signalqualität. 

horizontal 

vertikal 

BILD 1: Das Antennendiagramm einer Rundstrahlantenne: 

links die horizontale und rechts die vertikale Ebene 

horizontal 

vertikal 

BILD 2: Antennendiagramm einer Richtantenne mit horizontaler 

(links) und vertikaler Ebene (rechts) 

BILD 3: Industrieller WLAN Access Point mit Antenna 

Diversity: Er nutzt zwei Antennen in unterschiedlicher 

Polarisationsebene sowie räumlich getrennt. Stets wird 

automatisch die Antenne mit dem aktuell besseren Signal 

ausgewählt. 

20 


3 / 2011

Die Funkübertragung basiert auf der elektromagnetischen 

Welle. Daher gelten vom Antennenanschluss auf 

das Antennenkabel und die Antenne die physikalischen 

Gesetze der Hochfrequenztechnik. Um ihnen gerecht zu 

werden, müssen lediglich geeignete Kabel und Antennen 

ausgewählt werden und es muss ein sachgemäßer Umgang 

gegeben sein. 

MAXIMAL FÜNF METER LANGE ANTENNENKABEL 

Die Weiterleitung des Funksignals über ein Antennenkabel 

ist am ehesten mit der des Lichts über einen Lichtwellenleiter 

zu vergleichen. Beim Anschluss des Lichtwellenleiters 

müssen einige Punkte beachtet werden, 

damit eine reflexionsfreie Übertragung stattfinden kann. 

So darf das Kabel nicht hart abgeknickt werden und es 

sind spezielle Verbinder für den Übergang oder die Verlängerung 

erforderlich. Die gleichen Bedingungen bestehen 

für Antennenkabel. 

Wichtig ist, dass der Anlagenplaner das Koaxial-Kabel 

in der richtigen Länge einplant. Muss es verlängert werden, 

kann dies nur mit geeigneten Hochfrequenz-Steckverbindern 

erfolgen. Bei den gängigen Automatisierungslösungen 

beträgt der sogenannte Wellenwiderstand 

50 Ohm. Alle eingesetzten Elemente müssen den gleichen 

Wellenwiderstand besitzen, sonst kommt es aufgrund einer 

Fehlanpassung an den betreffenden Stellen zu Reflexionen. 

Dabei würde ein Teil der Leistung auf ihren Ursprungsort, 

also das Funkmodul, zurücklaufen, was in 

unerwünschten Verlusten resultiert. Ähnliche Reflexionen 

treten beim scharfen Abknicken des Kabels oder einer mechanischen 

Beschädigung, zum Beispiel der äußeren Isolierung, 

auf. Ein so beschädigtes Kabel ist auszutauschen, 

um es als Quelle von Signalverlusten zu eliminieren. 

Antennenkabel, die unter Berücksichtigung dieser 

Grundsätze montiert wurden, liefern ein gutes Ergebnis. 

Sie sollten allerdings möglichst kurz gehalten werden, 

weil sie stets eine Signaldämpfung mit sich bringen. Je 

nach Kabelart und Anwendung ist eine Länge von maximal 

drei bis fünf Metern empfehlenswert. Ein gängiges 

Antennenkabel von 3 m Länge hat eine Dämpfung von 

etwa 3 dB. Ein Verlust von 6 dB bedeutet eine Reduzierung 

der Reichweite auf die Hälfte. 

Sind größere Kabellängen unumgänglich, damit eine 

Antenne an der Stelle angebracht werden kann, von der 

aus sie die gewünschte Gegenstation erreicht, bieten sich 

dämpfungsarme Spezialkabel an. Hier hilft die überschlägige 

Berechnung der Dämpfung oder eine einfache Simulations-Software 

wie das Wireless Simulation Tool von 

Phoenix Contact, um die optimale Position noch vor der 

Montage zu ermitteln. Wird das Funkmodul – beispielsweise 

durch die Verlängerung des Ethernet-Datenkabels 

– dicht an der Antenne installiert, verringern sich die 

Verluste auf der Antennenleitung. Phoenix Contact stellt 

Wireless-Komponenten zur Verfügung, in die bereits eine 

auf die industriellen Belange optimierte Antenne integriert 

ist. So entfällt das Antennenkabel und es müssen nur 

die für die Spannungsversorgung und Datenschnittstelle 

üblichen Leitungen verlegt werden. 

RUNDSTRAHL- UND RICHTANTENNEN 

Viele Anwendungen lassen sich mit den Standard-Antennen 

umsetzen, die mit den Funkmodulen ausgeliefert 

werden. Einige Applikationen erfordern allerdings spezielle 

Antennentypen. Eine Antenne zeichnet sich im 

Wesentlichen durch die Richtung ihrer Abstrahlung aus. 

Hier wird grundsätzlich zwischen Rundstrahl- und 

Richtantennen unterschieden. Rundstrahlantennen, 

auch als omnidirektionale Antennen bezeichnet, decken 

den gesamten Raum in der horizontalen Ebene ab, sie 

senden und empfangen Signale in alle und aus allen (horizontalen) 

Richtungen. In der Automatisierung eignen 

sich Rundstrahler somit besonders für die Kommunikation 

mit beweglichen Einheiten. Richtantennen decken 

mit Abstrahlung und Empfang vorzugsweise einen bestimmten 

Raumwinkel ab, der typisch zwischen 75° und 

15° in horizontaler Ebene liegt. Dies ist vergleichbar mit 

der klassischen TV-Antenne sowie der Parabolantenne 

für den Satellitenempfang. 

Ein Antennendiagramm, das die horizontale und vertikale 

Ebene darstellt, visualisiert die Abstrahlcharakteristik 

beider Antennenarten (Bild 1 und Bild 2). Das 

vertikale Diagramm verdeutlicht dabei die starke Einschränkung 

der Abstrahlung einer Rundstrahlantenne 

nach oben und unten (Bild 1 rechts). Im Diagramm der 

Richtantenne ist ihre Vorzugsrichtung gut erkennbar 

(Bild 2). Der Öffnungswinkel (3 dB) der Antenne, der in 

ihrem Datenblatt ausgewiesen wird, gibt die Richtung 

an, in der sie die meiste Leistung abstrahlt. Beim Aufbau 

von Richtfunkstrecken sollte sich die Gegenstation in 

diesem Bereich befinden, damit sie den vollen Gewinn 

der Antenne ausnutzen kann. 

Aus dem Diagramm wird ebenfalls ersichtlich, dass die 

Richtantenne Leistung zu den Seiten und nach hinten 

abgibt. Diese ist lediglich um etwa 20 dB geringer, sodass 

auf kurze Entfernungen eine gute Verbindung möglich ist. 

Im Zusammenhang mit dem reflektiven Umfeld einer Industriehalle 

können Richtantennen somit auch in der 

Automatisierungstechnik eingesetzt werden. Sie bieten 

sich für linear verfahrende Systeme in Regaltrassen an, 

die eine Gegenstelle in größerer Entfernung haben, aber 

trotzdem in der Lage sein sollen, außerhalb dieser Vorzugsrichtung 

eine Verbindung aufzubauen. 

ANTENNENGEWINN ERHÖHT DIE REICHWEITE 

Neben der Richtcharakteristik ist der Antennengewinn 

der für den Anwender wichtigste Parameter. Er bezeichnet 

den Gewinn, der in dB zur Ausgangsleistung des 

Funkmoduls hinzuaddiert werden kann. Im Richtdiagramm 

bezieht sich der im Datenblatt der Antenne aufgeführte 

Gewinn immer auf den 0 dB-Kreis am äußeren 

Rand des Richtdiagramms. Weist eine Richtantenne 

beispielsweise 8 dBi Gewinn im Datenblatt aus, so hat 

sie auf dem -3 dB-Kreis im Diagramm und dem zugeordneten 

Raumwinkel noch einen Gewinn von 5 dBi. 

Der Antennengewinn kann den Signalverlust auf den 

Antennenzuleitungen ausgleichen oder für eine größere 

Reichweite sorgen. In einem idealen Freifeld werden für 


3 / 2011 

21

anche 

1 2 

BILD 4: Wird eine 

Rundstrahlantenne 

an einer metallischen 

Oberfläche 

montiert, kann das 

Richtdiagramm 

verformt werden. 

Die Deformation 

hängt ab vom 

Abstand zur Metallfläche. 

A 

B 

10 

3 

0 

dB 

C 

A 

B 

10 

3 

0 

dB 

C 

A 

Antenne 

A 

Antenne 

B 

Metallfläche / Mast 

B 

Metallfläche / Mast 

C 

Antennenabstand 

λ/4 = 3cm (2,4 GHz) 

C 

Antennenabstand 

λ/2 = 6cm (2,4 GHz) 

eine Verdopplung der Entfernung 6 dB benötigt. Jeder zusätzliche 

Antennengewinn in eine Richtung wird durch 

die Abschwächung des Gewinns in eine andere Richtung 

ermöglicht. Dies ist mit einer Taschenlampe vergleichbar, 

die ihr Licht durch einen Spiegel fokussiert. Rundstrahlantennen, 

die in der horizontalen Ebene 360° abdecken 

müssen, haben deshalb einen Gewinn von typisch 2 dBi 

bis 6 dBi. Richtantennen erreichen Werte zwischen 8 dBi 

und mehr als 20 dBi, was jedoch zu einem schmaleren 

Öffnungswinkel von 70° bis 10° und weniger führt. In der 

industriellen Umgebung ist die Größe des Antennenwinkels 

nicht entscheidend, da hier die Reflexion gewinnbringend 

genutzt werden kann. 

EINBUSSEN BEI LINEAR POLARISIERTEN ANTENNEN 

Im industriellen Umfeld kommt es häufig zu mehrfachen 

Reflexionen an Metalloberflächen, während die 

Funkwelle im typischen Bürobereich eher absorbiert 

wird. Aus Antennensicht wirkt sich die Reflexion einer 

Funkwelle durchaus positiv aus, denn das Signal kann 

um eine Ecke herum abgelenkt werden. Auf diese Weise 

lassen sich Bereiche, die außerhalb der direkten 

Sichtverbindung liegen, ausleuchten. 

Die meist verwendete Rundstrahlantenne sendet eine 

linear polarisierte Welle aus. Dies ist mit einer Sinuswelle 

vergleichbar, die den Rundstrahler über seine 

Länge verlässt. Steht die Antenne also senkrecht, ist 

ihre Ausrichtung vertikal polarisiert. Bei horizontal 

abgewinkelten Antennen würde die Aussendung horizontal 

polarisiert erfolgen. Gleiches gilt für die von der 

Antenne empfangenen Funkwellen. 

Die Polarisationsebene kann sich allerdings durch die 

Reflexion der abgestrahlten Wellen drehen. Das führt 

dazu, dass die Funkwelle an der Empfangsantenne in 

einer beliebigen räumlichen Lage ankommt, welche 

nicht genau ihrer Ausrichtung entspricht. Folglich wird 

nur die vektorielle Komponente des Signals aufgenommen, 

die in der Ausrichtung der Empfangsantenne liegt. 

Die daraus resultierenden Signalstärkeeinbrüche können 

in der Praxis schnell 20 dB ausmachen. Dieser Zustand 

trifft allerdings nur auf einen bestimmten Ort und eine 

bestimmte räumliche Lage der Antenne zu. Wenige Wellenlängen 

entfernt ergibt sich eine andere Konstellation 

und das Signal wird möglicherweise empfangen. 

Der WLAN Access Point FL WLAN 24 AP von Phoenix 

Contact vermeidet die beschriebene Situation, indem 

er zwei Antennen in unterschiedlicher Polarisationsebene 

sowie räumlich getrennt nutzt (Bild 3). Bei 

jeder Datenübertragung wird automatisch die Antenne 

mit dem aktuell besseren Signal ausgewählt. 

Da sich neben den auf mobilen Teilnehmern installierten 

Funkmodulen häufig auch die reflektierenden 

Hindernisse bewegen, wirkt sich die Verwendung linear 

polarisierter Antennen in vielen Applikationen negativ 

auf die Performance aus. Um dies zu umgehen, können 

zirkular polarisierte Antennen eingesetzt werden. 

ZIRKULARE POLARISIERUNG ALS ALTERNATIVE 

Diese Antennen senden einen rotierenden Signalvektor 

aus, der durch Reflexion in seiner Polarisationsebene 

nicht negativ beeinflusst wird. Ist die Antenne der Gegenseite 

ebenfalls zirkular polarisiert, kann sie den Sig- 

22 


3 / 2011

Zwei in Einem 

nalvektor in jeder räumlichen Lage ohne Polarisationsverluste 

empfangen. Zirkular polarisierte Antennen 

lassen sich aus physikalischen Gründen nur als 

Richtantennen ausführen. Das bedeutet jedoch nicht, 

dass die Antennen gar nicht in die anderen Richtungen 

abstrahlen. Wie bei linear polarisierten Richtantennen 

ist das Signal hier lediglich gedämpft, sodass 

sich eine Kommunikation über kürzere Entfernungen 

trotzdem umsetzen lässt. Bei stationären Einheiten 

oder linear verfahrenden Anlagenteilen erweisen 

sich daher zwei zirkular polarisierte Antennen als 

besonders geeignet. 

Zirkular und linear polarisierte Antennen können 

ebenfalls Daten miteinander austauschen. Allerdings 

ist die Übertragung immer mit 3 dB Verlust verbunden, 

da die linear polarisierte Antenne nur die eine 

Polarisationsebene aufnehmen kann. Im Vergleich 

mit den Polarisationsverlusten ausschließlich linear 

polarisierter Antennen von bis zu 20 dB ist dieser 

Verlust jedoch gering. Deshalb stellt die Nutzung zirkular 

polarisierter Antennen auch in Verbindung mit 

linear polarisierten Rundstrahlern auf mobilen Einheiten 

eine gute Lösung für eine zuverlässige Funkkommunikation 

dar. 

NICHT AN SCHALTSCHRÄNKEN MONTIEREN 

In der Praxis sind viele Rundstrahlantennen an 

Schaltschränken oder Metallpfeilern montiert. Unter 

Berücksichtigung des Richtdiagramms eines Rundstrahlers 

wird deutlich, dass ein größeres Metallstück 

in unmittelbarer Nähe der Antenne nicht ohne Einfluss 

bleiben kann. In vielen Fällen kommt es hier zu 

einer Abschirmung der einen Hälfte des Raums. Die 

Funkwelle breitet sich also nur in der anderen Raumhälfte 

aus. Abhängig vom Abstand zur Metallfläche 

kann das Richtdiagramm zudem erheblich verformt 

sein (Bild 4). Abhilfe schafft eine Antennenmontage, 

die den Strahler von vornherein oberhalb der Schaltschrankkante 

positioniert. Richtantennen verhalten 

sich in Bezug auf die Oberfläche, auf der sie installiert 

werden, weitgehend rückwirkungsfrei. 

autor 

Dipl.-Ing. Sebastian Hube 

ist im Produktmarketing 

Wireless Network Technology 

des Geschäftsbereichs 

Automation der Phoenix 

Contact Electronics GmbH, 

Bad Pyrmont tätig. 

Phoenix Contact Electronics GmbH, 

Dringenauerstr. 30, D-31812 Bad Pyrmont, 

Tel.: +49 (0) 5281 94 60, 

E-Mail: shube@phoenixcontact.com 

A01095DE 

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Regelkreise, die der neue Industrieregler 

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strukturierten Klartextmenüs bis in detaillierteste 

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E-Mail: samson@samson.de • www.samson.de

hauptbeitrag 

Entwurf portabler 

eingebetteter Steuerungen 

Modellgestützte automatische Steuerungscodegenerierung 

In den letzten Jahren wurden mehrere modellgestützte Entwurfsmethoden für die automatische 

Codegenerierung vorgestellt. Dieser Beitrag behandelt die Nutzung der PLCopen 

XML-Spezifikation (TC6 XML). Die Portabilität solcher Softwarekonstrukte auf diverse 

Hardwaresysteme verschiedener Hersteller ist von außerordentlicher Bedeutung für die 

Nutzbarkeit und Verbreitung der entsprechenden Modellierungs- und Entwurfssysteme. 

SCHLAGWÖRTER Modellierung / Steuerungen / verteilte Systeme / Entwurfswerkzeuge 

Design of Portable Embedded Control Systems – 

Model-based Automatic Control Software Code Generation 

Different model-based design methods for automatic code generation have been introduced 

during the last years. This contribution describes the use of the PLCopen XML specification 

(TC6 XML). The portability of such software constructs on various hardware 

systems of different manufacturers is of extraordinary meaning for the applicability and 

dissemination of suitable modeling and design systems. 

KEYWORDS xModeling / Control / Distributed Systems / Design Tools 

24 


3 / 2011

Andreas Pretschner, Jochen Alder, 

HTWK Leipzig, Institut für Prozess Automation und Eingebettete Systeme 

Die Entwicklung der Softwareprojektierungswerkzeuge 

zeigt, dass die in der 

Norm IEC61131-3 (TC1 Standards) spezifizierten 

Programmierungs- und Projektrichtlinien 

mit sehr differenzierten Ergebnissen 

eingesetzt werden. Jeder Steuerungshersteller 

beruft sich auf die Norm und implementiert in 

unterschiedlichster Weise deren Funktionalität 

(PLCopen Conformity Level). In der Regel wird das 

Zertifikat Base-Level (Certified IEC 61131-3 Environments) 

entweder für Structured Text (ST) oder Instruction 

List (IL) vergeben. Diese Konformität sagt 

aber in der Regel nichts über die Wiederverwendbarkeit 

und den Austausch des Codes auf verschiedenen 

Systemen aus. Auch aus diesem Grund 

hat die PLCopen Wiederverwendbarkeitsstufen 

(PLCopen Reusability Level) für die Bestandteile der 

Norm erstellt. Aus praktikablen Gründen wurde 

Structured Text (ST) auf der Ebene Funktionsblock 

als die geeignetste Form des Austausches bewertet. 

Grafische Beschreibungsmittel werden als schlecht 

portabel bezeichnet, da die Hersteller in der Regel 

für diese Modelle proprietäre Werkzeuge und softwaretechnische 

Implementierungen nutzen. 

1. Motivation 

Auf der einen Seite sind sich die Anwender von Steuerungssystemen 

einig, dass die mit Codezeilen-basierten 

Editoren programmierte Steuerungsfunktionalität 

sich dem Anwender oft nicht erschließt. Auf der anderen 

Seite entwickeln sich die Projektierer von Steuerungssystemen 

immer mehr zu reinen Softwareingenieuren, 

die ihre Fertigkeiten insbesondere durch starke 

Quellcode-basierte Programmierung effektiv umsetzen 

können. In der Softwaretechnik wird versucht, dieses 

Problem durch die Nutzung der UML (Unified Modeling 

Language) zu lösen. Seit einigen Jahren werden 

Anstrengungen unternommen, die UML auch in der 

Steuerungsprogrammierung anzuwenden [9]. 

Mit der stärkeren Zuwendung der Forschungsinstitute 

auf die Umsetzung der IEC61499 [10] ist auch der 

Druck auf die Austauschbarkeit von Steuerungssoftware 

auf verteilten Systemen gewachsen. Durch die 

prinzipielle Umstellung der Projektierung von zentralen 

Steuerungssystemen auf verteilte Systeme erhöht 

sich die Flexibilität der projektierten Anwendungen 

deutlich. Es werden aber auch die höheren 

Anforderungen an die Projektierer der Steuerungssoftware 

erkennbar, die oft nicht die geeigneten 

Werkzeuge besitzen, um tatsächliche verteilte Systeme 

ganzheitlich zu projektieren und zu programmieren. 

Der derzeitig beschrittene Weg aus der Sicht der 

industriellen Praxis ist die Nutzung verfügbarer Entwurfswerkzeuge 

(zum Beispiel [1]) aus der Welt der 

IEC61131. Neue „reine norm-basierte“ kommerzielle 

Werkzeuge kommen erst langsam auf den Markt [2]. 

Schaut man sich die Funktionsblockdarstellung 

(FBD) der IEC614499 in ihrer codebasierten Syntax 

und Semantik an, wird deutlich, dass eine weitere 

„unbekannte“ Sprache dem Anwender vorgestellt 

wird. Das erwähnte kommerzielle Tool der Firma 

NXTcontrol GmbH aus Österreich umgeht dieses Problem, 

indem direkt ausführbarer Softwarecode für 

die verschiedenen Targets ausgegeben wird. 

Es kann festgestellt werden, dass der Einzug moderner 

Steuerungsentwurfsmethoden in die praktische 

industrielle Realisierung ein langwieriger 

und komplexer Vorgang ist, der nicht kurzfristig zu 

Ergebnissen führen wird. Aus Sicht der Industrie 

werden die bereits bekannten und bewährten Mittel 

und Methoden nicht sofort freizügig aufgegeben, 

auch wenn die neuen Entwurfsmethoden methodisch 

und konzeptionell mehr zu bieten haben. Für 

die Überführung der wissenschaftlichen Erkenntnisse 

bei der Modellierung verteilter Steuerungssysteme 

in die Praxis müssen Sichten und Migrationsrichtlinien 

erschaffen werden, die einen möglichst 

problemlosen Umstieg in die Projektierung 

und Programmierung verteilter Steuerungssysteme 

gewährleisten. 


3 / 2011 

25

Hauptbeitrag 

Domänenspezifisches Modell 1 

Domänenspezifisches Modell n 

Plattformunabhängiges 

Modellierungstool 

Plattformspezifische Implementierung 1 

Plattformspezifische Implementierung n 

BILD 1: 

Modellierung 

Spezifikation 

Laufzeit- 

Bibliothek 

Cross- 

Compiler 

Implementierung 

Plattformspezifische Werkzeuge 

Automationdevice 

Domainspezifisches 

Modell 

Plattformspezifische 

Implementierung 

CPU ILC 150 ETH (Phoenix 

Contact GmbH) 

SPaS-Projekt 

PC Works Editor/ 

Compiler 

Embedded Linux Controller 

(Addi-Data GmbH) 

SPaS-Projekt 

Eclipse – CDT (Galileo)/ 

MIPS-Linux Cross Compiler 

Tabelle 1: 

Projektbeispiel 

2. Vorgehensweise 

Aus der Sicht der Autoren sollte ein effektiver Weg des 

Steuerungssoftwareentwurfes gefunden werden, der 

die Welten der IEC61131 und der IEC 61499 mit den 

Anforderungen der Anwender an verständliche und 

erkennbare Beschreibungsmittel in Einklang bringt. Die 

Überforderung der Anwender mit immer spezielleren 

und komplexeren Softwareentwurfssystemen ist kritisch 

zu bewerten und führt zur Nichtakzeptanz durch 

den Anwender. Ebenfalls darf aber nicht der Wunsch 

des Anwenders nach offenem, frei zugänglichem Steuerungs-Code 

unterschätzt werden, mit dem der Anwender 

glaubt, seine Abhängigkeit vom Hardware-Lieferanten 

zu verringern. 

Die sehr tief gehende Diversifikation und Komplexität 

der eingesetzten Hardware führt zunehmend zu 

Problemen bei den Herstellern, die auf direkte binäre, 

ausführbare Codegenerierung Wert legen. Modifizierungen 

der Hardwaredetails führen zu immer umfangreicheren 

Konfigurationsskripten und begrenzen den 

Einsatz des Entwurfswerkzeuges auf einige wenige 

Zielplattformen. Im Bild 1 wird schematisch gezeigt, 

dass unabhängige Modellierungswerkzeuge sich auf 

den methodisch korrekten Entwurf des Steuerungssystems 

konzentrieren sollten. 

Die plattformspezifischen Implementierungsdetails 

werden nach Entscheidung für die konkrete Hardware 

entweder mit den Werkzeugen der Hersteller durchgeführt, 

oder aber es können die offenen Cross-Compiler 

der Open Source Community genutzt werden. In 

jedem Falle werden durch diese Vorgehensweise die 

Ressourcen der Hardware optimal ausgenutzt und 

eine korrekte Steuerungsmodellierung durchgeführt. 

In einem konkreten Beispiel (siehe Bild 2) wurde 

der Entwurf eines verteilten Steuerungssystems, 

bestehend aus einer Phoenix-Contact-Steuerung 

(ILC 350 PN) und einem eingebetteten System der Firma 

Addi-Data GmbH durchgeführt. Die Spezifikation 

der Domänenmodelle (Devices) Phoenix-Contact-Steuerung 

und des Addi-Data-Controller (Linux-basiertes 

Echtzeitsystem) erfolgte mit dem Entwurfswerkzeug 

SPaS [5],[6], die Implementierung mit den Werkzeugen 

Eclipse (CDT) als Cross Compiler und PC-Worx der 

Firma Phoenix Contact. 

Der Schwerpunkt des Steuerungsentwurfes mit SPaS 

liegt auf der Erzeugung korrekter Softwareprogramme 

in verschiedenen Sprachdialekten, die mit geeigneten 

Compilern auf den Zielplattformen zu lauffähigen Applikationen 

übersetzt werden können. Die Projektierung 

des Systemverhaltens lässt sich ohne Mühe auch 

zum Beispiel mit IEC61499-Editoren wie dem Funktionsblock-Editor 

von Holoblock [4] darstellen. Der Execution 

Control Chart (ECC) wird dabei mit dem Zustandsautomaten 

(Prozessablaufplan) des Funktionsbausteins 

verschmolzen. Die Ausgabesprachen von 

26 


3 / 2011

Listing 1: XML-Exportdatei 

BILD 2: Projektaufbau – Entwurf eines 

verteilten Steuerungssystems 

SPaS sind C, C++, ST und IL. Eine Ausgabe in Java wäre 

prinzipiell auch möglich, wurde aber aufgrund des 

dann notwendigen Java-fähigen Echtzeitbetriebssystems 

noch nicht implementiert. Untersuchungen in 

dieser Richtung sind in [7] beschrieben. 

Im Gegensatz zu den Projekten [8] der Profactor GmbH 

und der TU Wien wird der erzeugte Steuerungscode als 

externes Eclipse CDT-Projekt (siehe Bild 3) generiert, indem 

beispielsweise die Treiber für das analoge I/O-Interface 

durch generische Templates mit den konkreten Hardware-Bibliotheken 

ergänzt werden. Das Teil-Steuerungsprojekt 

für die CPU ILC 350 PN der Firma Phoenix Contact 

wurde als portables XML File nach den Richtlinien der 

PLCopen (TC6 XML) und den Extensions (XSD) der Firma 

Phoenix Contact erstellt (siehe Listing 1). Für den Anwender 

erfolgt dieser Vorgang völlig transparent. Die Software-SPS 

wird durch automatisch generierten Code aus 

dem Entwurfswerkzeug heraus erstellt. Mithilfe des grafischen 

Editors des Systems werden die Prozessablaufpläne 

aufgebaut, die syntaktisch einem Funktionsbaustein 

entsprechen. Nach Wahl der Zielsprache im Teilprojekt 

werden die erforderlichen Output-Files, in dem Falle als 

Eclipse CDT-C-Quellen oder eben als ST-Quellen im 

PLCopen XML-Projektfile erstellt. Für die Inbetriebnahme 

der Steuerung ist eine Onlinedarstellung des Graphen 

möglich (siehe rot markierte aktive Prozesssituation in 

Bild 4), sodass zur Laufzeit der Steuerung der aktuelle 

Automatenzustand grafisch hervorgehoben werden kann. 

In Änderung der Normimplementierung des ECC 

(Execution Control Chart) wird im beschriebenen Entwurfsansatz 

prinzipiell ein Zustandsautomat (Prozessablaufplan) 

erzeugt, dessen Steuerung von außen 

sowohl über den Event Flow also auch den Data Flow 

erfolgt. Jedes einzelne Device (Microcontroller Addi- 

Data, Phoenix-Steuerung) verarbeitet seine ablaufenden 

Programme sequenziell und verfügt über eigene 

Mechanismen zur Initialisierung. Dieser Ansatz gewährleistet 

ein hohes Maß an Übereinstimmung mit 

der klassischen Programmverarbeitung von Steuerungssystemen. 

Die Kommunikation zwischen den Funktionsbausteininstanzen 

innerhalb eines Controllers oder auch 

über das Netz wird durch die Wirkung der gekoppelten 

Zustandsmaschinen erreicht. Dieser Weg der Steuerungsprogrammausführung 

wird oft von den Vertretern 

einer ereignisorientierten, objektorientierten Programmausführung 

missverstanden. Durch die Realisierung 

verschiedener Tasks und die Ausführung gekoppelter 

Zustandsmaschinen in Form von 

Funktionsbausteininstanzen wird das gleiche Verhalten 

wie in ereignisorientierten Systemen erreicht. Es 

sollte nur darauf geachtet werden, dass eine strikte 

objektorientierte Behandlung des Steuerungsprojektes 

erfolgt. Der oft geführte Vorwurf, dass IEC61131-Projekte 

nur über globale Variable kommunizieren, entspricht 

nicht den Möglichkeiten sauberer objektorien- 


3 / 2011 

27

Hauptbeitrag 

tierter Programmierung, sondern rührt oft daher, dass 

namhafte industrielle Hersteller leider diesen Weg der 

Programmerstellung gehen. 

3. Methodik – Modellgestützter Entwurf 

BILD 3: CDT-Projekt Fahrstuhl 

BILD 4: PRAP im Eclipse-Plugin-Editor 

BILD 5: PRAP 

– Ecore Modell 

Der vorhergehende Abschnitt hat die Vorgehensweise des 

domänenspezifischen Entwurfes (Zustandsautomat), die 

Nutzung plattformunabhängiger Modellierungstools 

(Eclipse, SPaS) und die daraus resultierenden plattformspezifischen 

Implementierungen gezeigt. 

Die Einbindung der IEC 61499 erfolgt dadurch, dass 

der Event Flow zur Ablaufsteuerung des Funktionsbausteines 

in Form von Koppelvariablen erfolgt. 

Der Austausch von Steuerungsprogrammen via XML- 

Spezifikation stellt einen ersten Ansatz zur Portierbarkeit 

von Steuerungsprogrammen dar, die durch unterschiedliche 

und hardwareunabhängige Modellierung generiert 

wurden. Die Verifikation des generierten Softwarecodes, 

der Abgleich zu den projektierten IO-Signalen und vieles 

mehr wird durch diese Methode nicht unterstützt. Der 

Grund hierfür liegt darin, dass der Steuerungscode als 

ungeparster CDATA-Abschnitt im XML-Projektfile enthalten 

ist. Nach Ansicht der PLCopen sind die Hersteller 

für die Korrektheit des Softwarecodes verantwortlich. 

Java basierte grafische Entwurfswerkzeuge werden sehr 

häufig mit dem Graphical Modeling Framework GMF [3] 

entworfen. Dieses Framework verzeichnet eine starke Dynamik 

in der Entwicklung offener grafischer Entwurfssysteme 

und ist eng an das Graphical Editor Framework GEF 

gebunden. Dieses Eclipse Modeling Framework EMF bietet 

die geeignete Basis für die Entwicklung XML-basierter grafischer 

Steuerungssysteme. Durch das geschickte Nutzen 

der implementierten Techniken, wie der Object Constraint 

Language OCL, wird es möglich, das Steuerungsverhalten 

eher zu projektieren als zu programmieren. Für die Nutzung 

dieser Techniken in der Steuerungswelt sind vor allem 

die Transformationstechniken wie das schon genannte 

GMF, die Model-to-Model-Transformation M2M und die 

Query/View-/Transformation QVT von Interesse. Im Projekt 

fDIAC09 [6] wird dieser Entwurfsansatz für die Programmierung 

des IEC61499 Editors ebenso verwendet, wie 

auch schon von verschiedenen Autoren die Nutzung des 

Model-View-Controller-Ansatzes in der Automatisierungstechnik 

aufgezeigt wurde. Der im Bild 5 gezeigte PRAP- 

Editor ist mit dem genannten GMF entworfen worden. 

Selbstverständlich kommen für den Java-basierten Editor 

die nativen XML-Möglichkeiten voll zur Geltung und bieten 

die beste Unterstützung für den oben genannten XML- 

Datenaustausch. Ziel der weiteren Arbeiten ist es, das SPaS- 

Tool (derzeit nur als Delphiprogramm auf Windows verfügbar 

[5]) als vollständige Rich Client Plattform (RCP) zu 

entwerfen beziehungsweise die Teile wie PRAP-Editor, 

PRAP-Compiler und so weiter als Eclipse-Plugins der Open 

Source Community zur Verfügung zu stellen. 

4. Zusammenfassung 

Im Beitrag wird der Entwurf verteilter dezentraler Systeme 

am Beispiel des Softwareprojektierungswerkzeuges 

28 


3 / 2011

SPaS vorgestellt. Dieser Entwurfsprozess erlaubt den automatischen 

Entwurf von Steuerungssystemen in den 

ausgewählten Zielsprachen C, C++ aus der PC-Welt und 

Instruction List sowie Structured Text aus der Welt der 

Industriesteuerungen (IEC 61131-3). Ausgehend von der 

zugrunde liegenden Modellphilosophie wird es durch 

eine klare, arbeitsteilige Trennung des Systementwurfes 

(Prozessablaufnetz, Prozesszerlegungsgraph Prozessablaufplan) 

vom Realisierungsentwurf (Variablenlisten, 

Erstellung der Anweisungsliste oder der Hochsprachen 

C++ / C) möglich, den technologischen Prozess steuerungstechnisch 

zu beschreiben, ohne im Rahmen des 

Systementwurfes die Soft- und Hardwaredetails näher zu 

bestimmen. Der automatisch generierte Steuerungscode 

kann problemlos in das Softwareprojekt eines Controllers 

oder PCs eingebunden werden. 

Der Einsatzbereich des Entwurfswerkzeuges ist sehr 

weit angelegt. Insbesondere eignet es sich für Aufgaben, 

bei denen erst relativ spät die notwendige Hardware festgelegt 

werden soll, die Steuerungsprogrammierung aber 

softwareseitig (zum Beispiel für Tests) schon frühzeitig 

fertiggestellt werden muss. 

Als Ausblick der weiteren Arbeiten am Institut für 

Prozess Automation und Eingebettete Systeme der 

HTWK Leipzig sollen die Untersuchungen zur Echtzeitfähigkeit 

durch native Nutzung des 2.6.xx Linux 

Kernel und die Sprachgenerierung von Java zur Erstellung 

eines echtzeitfähigen JAMAICA Sourcecode genannt 

werden. 

Manuskripteingang 

22.02.2010 

Im Peer-Review-Verfahren begutachtet 

Referenzen 

Autoren 

[1] CoDeSys the standard in iec 61131-3 controller and 

PLC programming. http://www.3s-software.com/, 

2009 

[2] nxt - Control. http://www.nxtcontrol.com/, 2009 

[3] Richard C. Gronback. Eclipse Modeling Project, a 

domain-specific Language (DSL) Toolkit. Pearson 

Education, Inc., 2009 

[4] Inc. HOLOBLOC. FBDK - The Function Block Development 

Kit. http://www.holobloc.com/doc/fbdk/index.htm 

[5] J.Alder and A. Pretschner. Prozess-Steuerungen 

(Process Control Systems a practical Guide). 

Springer-Verlag Berlin Heidelberg, ISBN 978-3-540- 

71083-7, 2007 

[6] A. Pretschner, J. Alder, and Ch. Meissner. Ein Beitrag 

zum Entwurf verteilter eingebetteter Steuerungssysteme. 

In Entwurf komplexer Automatisierungssysteme 

EKA 2008, volume ISBN 978-3-940961-01-3, pages 

149–162, 2008 

[7] A. Pretschner, M. Schütz, and Th. Neumuth. Echtzeitfähige 

Identifikation von Operationsinstrumenten mit 

Hilfe von Java auf eingebetteten Systemen. In 

Design & Electronic, editor, Embedded goes Medical 

2009, number ISBN 978-3-7723-5519-6, 2009 

[8] Thomas Strasser and Alois Zoitl. Framework for 

Distributed Industrial Automation and control. 

Technical report, Vienna University of Technology, 

PROFACTOR GmbH, 2009 

[9] Kleanthis C. ThramBoulidis. Using UML in Control and 

Automation: A Model Driven Approach. In 2nd IEEE 

Conference on Industrial Informatics INDIN’04, 2004 

[10] Valeriy Vyatkin. IEC 61499 Function Blocks for 

Embedded and Distributed Control Systems Design. 

ISBN 978-0-9792343-0-9. ISA - Instrumentation, 

Systems and Automation Society, 2007.[1] Nagl, M., 

Marquardt, W., eds.: Collaborative and Distributed 

Chemical Engineering: From Understanding to 

Substantial Design Process Support. Springer, 

Berlin 2008 

HTWK Leipzig, 

Wächterstr. 13, D-04107 Leipzig, 

Tel. +49 (0) 3076 11 35, 

E-Mail: andreas@pretschner.com 

HTWK Leipzig, 

Wächterstr. 13, D-04107 Leipzig, 

Tel. +49 (0) 3076 11 83, 

E-Mail: ealder@mail.htwk-leipzig.de 

Prof. Dr.-Ing. Andreas 

Pretschner (geb. 1959) ist 

Leiter des Institutes für 

Prozess Automation und 

Eingebettete Systeme der 

HTWK Leipzig. Hauptarbeitsgebiete 

sind: Steuerungsentwurf, 

Codegeneratoren, 

verteilte Systeme, 

Prozessinformatik. 

Dr.-Ing. Jochen Alder 

(geb. 1930) ist wissenschaftlicher 

Mitarbeiter am 

Institut für Prozess Automation 

und Eingebettete 

Systeme der HTWK Leipzig. 

Hauptarbeitsgebiete sind: 

Steuerungsentwurf und 

Projektierung von Steuerungssystemen. 


3 / 2011 

29

hauptbeitrag 

Maschinensicherheit 

und Zuverlässigkeit 

nach ISO 13849 

Korrekte Ermittlung und Anwendung der Kennwerte 

Mit der europäischen Maschinenrichtlinie 2006/42/EG und der Norm ISO 13849 begann 

eine neue Ära in der Gestaltung von Maschinen, in der die Sicherheit der Steuerung gemäß 

ihrer Zuverlässigkeit bezüglich der Ausführung der Sicherheitsfunktion beurteilt wird. 

Um die Sicherheit einer Maschine nachzuweisen, benötigt der Konstrukteur jetzt verschiedene 

Kennwerte, zum Beispiel MTTF d oder B 10d . Aber was genau bedeuten diese 

Kennwerte? Wie werden diese für die unterschiedlichen Steuerungstechnologien ermittelt? 

Der Beitrag erläutert die wesentlichen Methoden zur Ermittlung der Zuverlässigkeitskennwerte 

für die funktionale Sicherheit. 

SCHLAGWÖRTER Maschinensteuerung / Funktionale Sicherheit / ISO 13849 / 

Methoden zur Ermittlung der Zuverlässigkeit 

Machine Safety and Reliability According to ISO 13849 – 

Correct Determination and Application of the Parameters 

With the European Machinery Directive 2006/42/EC and the standard ISO 13849, a new era 

in the design of machines began, in which the safety of the control system is evaluated 

according to its reliability. In order to prove the safety of a machine, the designer needs now 

different parameters, e.g. MTTF d or B 10d . But what do these parameters exactly mean? How 

can these parameters be determined for different control technologies? This article explains 

the main methods for determination of the reliability parameters for functional safety. 

KEYWORDS Machine Control Systems / Functional Safety / ISO 13849 / 

Methods for Reliability 

30 


3 / 2011

Alexandre Orth, Bosch Rexroth AG 

Zuverlässigkeit ist gemäß der Laprie-Systematik 

[10] ein Aspekt des Themenkomplexes Verlässlichkeit. 

Unter Verlässlichkeit (Dependability) 

versteht man die Vertrauenswürdigkeit eines 

Systems, die man gerechtfertigterweise in seine 

Dienste setzen kann. Diese umfasst neben der Zuverlässigkeit 

(Reliability) noch die Aspekte Verfügbarkeit (Availability), 

Sicherheit (Safety) sowie Vertraulichkeit (Security) 

und Integrität (Integrity). Eine weitere verbreitete 

Abkürzung für diese Thematik ist RAMS (Reliability, 

Availability, Maintainability und Safety) oder nur R&M. 

Obwohl die Zuverlässigkeit oft mit statistischen Kennwerten 

verwechselt wird, ist sie eine systematisch zu 

gestaltende Produkteigenschaft gemäß der Definition 

nach EN 13306 [1]: „Fähigkeit einer Einheit, eine geforderte 

Funktion (mit festgelegten Grenzwerten) unter gegebenen 

Bedingungen (Belastungen) für ein gegebenes 

Zeitintervall (Gebrauchsdauer) zu erfüllen. Der Begriff 

‚Zuverlässigkeit’ wird auch als Messgröße für den Grad 

der Zuverlässigkeit verwendet und kann auch als Wahrscheinlichkeit 

(etwa Anzahl von Ausfällen während der 

Gebrauchsdauer) definiert werden.“ 

1. Grundlagen 

1.1 Badewannenkurve 

Die Badewannenkurve (Bild 1) beschreibt das typische 

Ausfallverhalten eines Produktes während seiner Gebrauchsdauer, 

weshalb diese als grundlegendes Modell 

der Zuverlässigkeit angewendet wird. 

Die erste Phase der Kurve zeigt die Frühausfälle. Das 

heißt, wenn ein Produkt zum Beispiel falsch montiert 

wurde, dann wird es von Anfang an entweder gar nicht 

funktionieren oder nach kurzer Zeit ausfallen. Um Frühausfälle 

zu vermeiden, dient ein hochwertiges Qualitätsmanagementsystem 

als Grundvoraussetzung für die 

Zuverlässigkeit. Von Produkten, die in den ersten Arbeitsstunden 

fehlerfrei funktionieren, erwartet man, 

dass diese für eine gewisse Zeit stabil bleiben. Im Modell 

wird dies durch die Phase der Zufallsausfälle beschrieben, 

in der die Ausfallrate der Produkte während der 

vorgesehenen Gebrauchsdauer konstant bleibt. Am Ende 

der Gebrauchsdauer machen sich Alterungsmechanismen 

bemerkbar und die Ausfallrate der Produkte steigt 

exponentiell, im Modell als Phase der Verschleißausfälle 

bezeichnet. Das Modell der Badewannenkurve ist allgemeingültig, 

jedoch nicht jedes Produkt durchläuft jede 

Phase. Einige Produkte gehen direkt von der Frühausfallphase 

zu einer leicht steigenden Phase der Verschleißausfälle 

(beispielsweise Autoreifen). Deshalb kann eine 

pauschale Betrachtung der Zuverlässigkeit aller Produkte 

mit konstanter Ausfallrate erhebliche Abweichungen 

zwischen Theorie und Praxis verursachen. 

1.2 Kennwerte der Zuverlässigkeit 

Der bekannteste Kennwert der Zuverlässigkeit ist der 

MTTF, oder Mean Time to Failure. Dieser beschreibt die 

mittlere Zeit bis zum Ausfall eines Produkts (Bild 2). 

Wenn man zum Beispiel 1000 Einheiten eines Produkts 

bis zum Ausfall anwenden würde, müsste man die Ausfallzeit 

jeder Einheit kennen, um daraus den Mittelwert 

(MTTF) exakt berechnen zu können. Bei konstanter Ausfallrate 

(der mittlere Teil der Badewannenkurve) entspricht 

der MTTF-Wert der Zeit, in der erwartet wird, 

dass etwa 63 % 1 der Einheiten ausgefallen sind. MTTF 

entspricht einem statistischen Erwartungswert und 

nicht einer „garantiert ausfallfreien Zeit“. Das bedeutet, 

dass ein Ausfall zu jeder Zeit mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit 

möglich ist, weshalb die Sicherheitsmethoden 

ab einem definierten Risikoniveau redundante 

Systeme vorschreiben. 

Die Ausfallrate (λ) beschreibt den Anteil von ausgefallenen 

Einheiten der gelieferten Einheiten nach einer betrachteten 

Zeit. Der MTTF steht somit im umgekehrten 

Verhältnis zur Ausfallrate. Manche Hersteller verwenden 

den MTTF in Jahren oder Betriebsstunden als Kennzahl 

der Zuverlässigkeit, andere bevorzugen die Ausfallrate 

als Anzahl von Ausfällen pro Betriebsstunden. 

1 

MTTF = 63% aufgrund der Exponentiell-Verteilung (Konstante Ausfallrate) atp edition 

3 / 2011 31

Hauptbeitrag 

2. Statistisch basierte Sicherheitstechnik 

bei konstanter Ausfallrate 

Wenn beispielsweise innerhalb von einem Jahr mit 

4000 Betriebsstunden 7 von 500 Bauelementen ausfallen, 

so ist MTTF = 71 Jahre oder die Ausfallrate λ 

= 3500 FIT. FIT (Failures In Time) ist eine typische 

Maßeinheit zur Angabe von Ausfallraten elektronischer 

Bauteile (1 FIT = 1x10 -9 /h). Eine weitere Maßeinheit 

ist die FPMH (Failures per Million Hours), 

in der die Ausfallrate als die Anzahl von Ausfällen 

pro eine Million Betriebsstunden beschrieben wird 

(1 FPMH = 1x10 -6 /h) 

Bei reparierbaren Produkten kann man neben der Zeit 

bis zum ersten Ausfall (MTTF) auch die mittlere Zeit 

zwischen mehreren Ausfällen berechnen, die Mean 

Time Between Failures (MTBF, (Bild 2)). 

Ein wichtiger Kennwert für die Instandsetzung ist 

die Mean Time to Repair (MTTR); er erlaubt zusammen 

mit der MTBF eine Aussage über die Verfügbarkeit 

(Availability, (Bild 2) einer Anlage. Ein weit verbreiteter 

Kennwert der Zuverlässigkeit ist der B 10 . Dieser beschreibt 

die Zeit (zum Beispiel in Anzahl von Zyklen 

oder Betriebsstunden), für die man erwartet, dass maximal 

10 % aller Einheiten ausgefallen sind. In der Fluidtechnik 

wurde B 10 so definiert: ein statistischer Erwartungswert 

der Anzahl von Zyklen, bei dem 10 % der 

Bauteile die festgelegten Grenzwerte (Schaltzeit, Leckage, 

Schaltdruck, …) unter definierten Bedingungen 

überschritten haben [15]. 

Elektronische Systeme weisen häufig ein stochastisches 

Ausfallverhalten auf. Durch den zunehmenden Einsatz von 

komplexen elektronischen Systemen mussten neue Ansätze 

angewendet werden, um die Sicherheit der Maschinen unter 

Berücksichtigung dieses Verhalten zu gewährleisten. 

2.1 Zustandsgraphen 

Grundlage der statistisch basierten Methoden für die Sicherheitstechnik 

ist eine Modellierung der Zustände jeder 

Komponente eines Systems (Bild 3). Am Anfang geht das 

Modell davon aus, dass die Komponente fehlerfrei ist. 

Ausfälle der Komponenten, die die Sicherheit der Maschinen 

nicht gefährden, werden als sichere Ausfälle betrachtet. 

Die Maschine wird dann nach Instandsetzung wieder 

in Betrieb genommen. Die zweite Sorte von Ausfällen sind 

die gefahrbringenden Ausfälle, bei denen die Maschinensicherheit 

verschlechtert wird. Einen Teil der gefahrbringenden 

Ausfälle kann man erkennen und so das System 

in einen sicheren Zustand bringen. Voraussetzung dafür 

ist ein geeignetes Überwachungssystem mit einer hohen 

Test-Rate (Frequenz). Kritische Ausfälle sind gefahrbringende 

Ausfälle, die das System nicht erkennen kann. In 

solchen Fällen würde die Maschine weiterlaufen, ohne 

das erhöhte Unfallrisiko zu berücksichtigen. 

Ein Beispiel zur Erläuterung dieser Prinzipien: Bei einem 

typischen Druckbegrenzungsventil würde ein Riss 

im Gehäuse das Ventil zu einem sicheren Ausfall bringen 

(Druck wird abgebaut). Die Maschine würde dadurch 

nicht mehr funktionieren, aber die Sicherheit wäre noch 

beibehalten. Wenn aber das Ventil klemmt, dann könnte 

der Druck im System über den zulässigen Bereich steigen 

und die Sicherheit wäre nicht mehr gegeben. Dies wäre 

dann ein gefahrbringender Ausfall, den man durch eine 

Überwachung des Drucks im System beherrschen muss. 

glossar 

PL (Performance Level): 

Diskreter Level, der die Fähigkeit von 

sicherheitsbezogenen Teilen einer Steuerung 

spezifiziert, eine Sicherheitsfunktion unter 

vorhersehbaren Bedingungen auszuführen 

PLr (Required Performance Level): Erforderlicher 

Performance Level 

SIL (Safety Integrity Level): 

Sicherheits-Integritätslevel (geeignet nur für 

elektronische Steuerungen, siehe PL und IEC 

62061) 

MTTF (Mean Time To Failure): 

Statistischer Erwartungswert der mittleren 

Zeit bis zum Ausfall 

MTTFd (Mean Time To dangerous Failure): 

Statistischer Erwartungswert der mittleren 

Zeit bis zum gefahrbringenden Ausfall 

MTTR (Mean Time to Repair/Recovery): 

mittlere Dauer bis zur Wiederherstellung 

MTBF (Mean operating Time 

Between Failures): 

mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen 

FIT (Failure In Time): 

Maßeinheit zur Angabe von Ausfall raten 

elektronischer Bauteile (1 FIT=1x10-9/h) 

FPMH (Failures per Million Hours): 

Maßeinheit zur Angabe von Ausfallraten als die 

Anzahl von Ausfällen pro eine Million 

Betriebsstunden 

PFHd (Probability of dangerous Failure per 

Hour): 

Wahrscheinlichkeit eines gefahrbringenden Ausfalls 

pro Stunde (Bezugswert für PL und SIL) 

B 10 : Statistischer Erwartungswert der Anzahl 

von Zyklen, bei dem 10 % der Bauteile die 

festgelegten Grenzwerte (wie Schaltzeit, 

Leckage, Schaltdruck) unter definierten Bedingungen 

überschritten haben 

B 10d : Erwartete Anzahl von Zyklen, bei der 10 % 

der Bauteile gefahrbringend ausgefallen sind 

T 10d : Erwartungswert der mittleren Zeit, bis 

10 % der Komponenten gefahrbringend 

ausgefallen sind (maximale Gebrauchsdauer 

eines Bauteils) 

T M (Mission Time): 

Gebrauchsdauer 

DC (Diagnostic Coverage): 

Diagnosedeckungsgrad 

CCF (Common Cause Failure): 

Ausfall infolge gemeinsamer Ursache 

SRP/CS (Safety-Related Parts 

of a Control System): 

Sicherheitsbezogenes Teil einer Steuerung 

Gefahrbringender Ausfall: 

Ausfall, der das Potenzial hat, das SRP/CS in 

einen gefährlichen Zustand oder eine 

Fehlfunktion zu bringen 

32 


3 / 2011

2.2 Kennwerte 

Nach diesen Prinzipien betrachten die Normen zur funktionalen 

Sicherheit (zum Beispiel ISO 13849) nur die Ausfallrate 

von gefahrbringenden Ausfällen, die MTTF d 

(Mean Time To dangerous Failure). Der Anteil der gefahrbringenden 

Ausfälle, die das System erkennen kann, wird 

als Diagnosedeckungsgrad (DC) beschrieben. Grundlage 

für eine genauere Ermittlung dieser beiden Kenngrößen 

ist eine systematische Analyse aller Fehlermöglichkeiten 

(beispielsweise anhand der Methoden FMEA: Failure 

mode and effects analysis oder FTA: Fault tree analysis). 

Für Komponenten ohne eine detaillierte Fehleranalyse 

arbeitet die ISO 13849 mit der Annahme, dass 50 % der 

Ausfälle gefahrbringend sind, das heißt: 

Kinderkrankheit 

(Frühausfälle) 

Ausfälle (Ausfallrate) 

durch Testen zu 

vernachlässigen 

Gebrauchsdauer 

(Zufallsausfälle) 

konstante 

Ausfallrate 

Altersschwäche 

(Verschleißausfälle) 

Zeit 

exponentieller 

Anstieg 

BILD 1: 

Modell der 

Zuverlässigkeit 

– die Badewannenkurve 

nach ISO 13849-1 

Auch für die DC gibt es ähnliche pauschale Betrachtungen 

(siehe ISO 13849-1). 

In den Zuverlässigkeitsmodellen R(t) bedeuten MTTF 

und B 10 aber nur zwei Punkte der gleichen Kurve bei 

unterschiedlichem Zeitpunkt t. Wenn man diese Zuverlässigkeitsmodelle 

(zum Beispiel Parameter einer Weibull-Verteilung) 

kennt, kann man diese Kennwerte einfach 

umrechnen. Die ISO 13849 bietet eine vereinfachte 

Umrechungsmethode (unter der Prämisse einer konstanten 

Ausfallrate) von B 10 -Werten in MTTF d (Bild 4). Hier 

braucht der Anwender neben dem B 10 -Wert auch die 

durchschnittliche Schalthäufigkeit pro Jahr (n OP ) der 

Komponente. 

Mit dieser Berechnung wird nicht nur MTTF d ermittelt, 

sondern auch T 10d . 

T 10d entspricht der Zeit, bis zu der 10 % der Komponenten 

gefahrbringend ausgefallen sind; von der ISO 13849 wird 

das als die maximale Gebrauchsdauer einer Komponente 

betrachtet. Die ISO 13849 geht von einer Gebrauchsdauer 

der Maschine (T M ) von 20 Jahren aus. Komponenten, die 

einen T 10d -Wert kleiner als T M = 20 Jahren haben, müssen 

innerhalb des T 10d -Zeitintervalls ausgetauscht werden. 

Mit dem statistischen Modell jeder Komponente (MTTF d , 

DC) wird die Wahrscheinlichkeit eines gefahrbringenden 

Ausfalls pro Betriebsstunde (PFH d : Probability of 

dangerous Failure per Hour) für jede Sicherheitsfunktion 

ermittelt. Man kann mittels Zuverlässigkeitsblockdiagramm 

oder Mithilfe des Markov-Modells für jede beliebige 

Systemstruktur den PFH d berechnen. Mit der Vorgabe 

von bestimmten Architekturen (Kategorien von 

Steuerungen) gibt ISO 13849 eine vereinfachte Methode 

zur Ermittlung des PFH d -Wertes vor. 

2.3 Risikobeurteilung, Sicherheitsfunktion, 

Performance Level (PL) 

Gemäß der Maschinenrichtlinie muss für jede Maschine 

eine Risikobeurteilung (ISO 14121/12100) durchgeführt 

werden. Wurden relevante Risiken erkannt, sind Maßnahmen 

zur Risikominderung zu ergreifen. Dafür gilt 

die Reihenfolge: 1. Eigensichere Konstruktion, 2. Schutzeinrichtungen 

und 3. Benutzerinformationen. Hängt eine 

Maßnahme von einer Steuerung ab, so führt diese Steuerung 

eine Sicherheitsfunktion aus, die nach ISO 13849 

ausgelegt werden soll. Diese Norm betrachtet die Gestaltung 

und Integration sicherheitsbezogener Teile einer 

(C OK 

) 

MTTF 

λ u 

OK 

λ s 

λ d,u 

MTBF 

λ d,d 

safe 

Failure 

(C SAFE 

) 

MTTF 

u. d. 

Failure 

d. d. 

Failure 

1 

1 λd 

, d 

λd 

, d 

λ = λ 

λ 

d 

= 

d 

+ λs 

= 

DC = = 

MTTF MTTF d λd 

λd 

, d 

+ λd 

, u 

λ : Ausfallrate 

DC: Diagnosedeckungsgrad/Anteil der gefahrbringenden Fehler, 

die entdeckt werden können 

Zustände 

W Fehlerfrei: COK 

W Sicherer Ausfall: CSAFE 

Steuerung ist fehlerhaft aber in sicherer Stellung (keine Gefahr!) 

W Erkennbarer gefährlicher Ausfall: CDD 

W Unerkennbarer gefährlicher Ausfall: CDU 

Ereignisse 

λs Komponente ist ungefährlich ausgefallen 

λu Komponente wurde ausgetauscht 

λd,d Komponente ist gefährlich ausgefallen und gefährlicher Ausfall 

ist erkennbar 

λt: Test-Rate (DC: Ausfall ist erkannt) 

λd,u Komponente ist gefährlich ausgefallen und gefährlicher Ausfall 

ist nicht erkennbar 

λ t 

MTBF 

MTTF+MTTR 

Start Ausfall Neustart Ausfall Zeit 

MTTR 

Availability (A) = 

R&M Parameter 

MTTF Mean Time To Failure (ca. 63 %) 

MTBF Mean Time Between Failures 

MTTR Mean Time To Repair 

B 10 Anzahl von Zyklen (oder Betriebsstunden), 

bei der 10 % der Bauteile ausgefallen sind. 

Hinweis: Diese R&M Parameter sind jeweils Mittelwerte aus 

mehreren solcher Zeitintervalle! Sie sind statistische Erwartungswerte 

und somit „keine garantiert ausfallfreien Zeiten“! 

(C DU 

) 

(C DD 

) 

BILD 2: 

Kenngrößen bei 

instandsetzbaren 

Einheiten 

(Maschinenverfügbarkeit) 

BILD 3: 

Zustände einer 

Komponente 

der Steuerung 


3 / 2011 

33

Hauptbeitrag 

Steuerung (SRP/CS = Safety Related Parts of a Control 

System), in Abgrenzung zur IEC 62061 unabhängig von 

der verwendeten Technologie. 

Für jede identifizierte Sicherheitsfunktion wird die 

sicherheitstechnische Anforderung festgelegt, die 

durch den erforderlichen Performance Level (PL r 

) beschrieben 

wird: auf einer Skala von „a“ (zur Minderung 

eines geringen Risikos) bis „e“ (zur Minderung eines 

hohen Risikos). 

Der erreichte Performance Level (PL) ist der Kennwert 

für die sicherheitstechnische Auslegung und Beurteilung 

von Steuerungen nach ISO 13849. Er beschreibt den 

Beitrag der Risikominderung durch das Steuerungssystem 

und wird durch die durchschnittliche Wahrscheinlichkeit 

eines gefährlichen Ausfalls je Stunde (PFH d ) 

abgebildet. IEC 62061 verwendet anstelle von PL den 

Safety Integrity Level (SIL), der ebenfalls vom PFH d -Wert 

direkt abhängt. Somit wird die Sicherheit der Steuerung 

aufgrund ihrer Ausfallwahrscheinlichkeit bewertet. 

3. Anwendbarkeit einer Komponente für die 

funktionale Sicherheit 

Um die Eignung einer Komponente für eine Sicherheitsfunktion 

sicherzustellen und die sicherheitstechnischen 

Kennwerte (MTTF d ) zu ermitteln, sieht die ISO 13849 folgende 

Vorgehensweise vor (siehe Bild 5): 

1 | Voraussetzungen: Um eine Komponente in einer Sicherheitsfunktion 

anzuwenden, setzt die ISO 13849 

die Erfüllung der Sicherheitsprinzipien sowie anderer 

relevanter Normen (zum Beispiel EN 982 oder EN 983) 

voraus. Danach muss zum Beispiel jede Komponente 

nach dem Ruhestromprinzip bei einem Energieausfall 

den sicheren Zustand selbstständig annehmen und 

bei den zugelassenen Betriebsbedingungen (wie Vibration, 

Temperatur) beibehalten. Das ist für manche 

Komponenten nicht der Fall, weshalb diese für Sicherheitsfunktionen 

nicht geeignet sind. Eine weitere Voraussetzung 

ist die Einhaltung der vom Komponentenhersteller 

vorgegebenen Betriebsbedingungen. 

2 | Bestimmung der Lebensdauer: Dafür gibt es verschiedene 

Ansätze, die im nächsten Abschnitt dargestellt 

werden. Für Komponenten mit unbekannter 

Lebensdauer rechnet die Norm mit einem MTTF d 

von 10 Jahren. 

3 | Anteil der gefährlichen Ausfälle: Für Standard-Bauteile 

arbeitet man hier häufig mit dem pauschalen 

Ansatz der Norm ISO 13849 (die Hälfte der Ausfälle 

sind als gefahrbringende Ausfälle zu betrachten). 

Für spezielle Produkte (zum Beispiel Antriebe mit 

integrierten Sicherheitsfunktionen wie Rexroth IndraDrive 

mit Safety on Board) wird eine detaillierte 

Betrachtung aller Fehlermöglichkeiten mit FMEA 

oder FTA eingesetzt. 

4 | Berechnung des MTTF d für die gesamte Sicherheitsfunktion: 

Der MTTF d für die gesamte Sicherheitsfunktion 

wird gemäß ISO 13849 anhand des Parts- 

Count-Verfahrens berechnet. 

Diese Vorgehensweise wird für jede Sicherheitsfunktion 

wiederholt. 

Komponenten, die die Sicherheitsprinzipien nicht einhalten, 

werden trotz hoher Qualität und Zuverlässigkeit für eine 

Eingangsgröße: 

B 10 

h OP 

d OP 

T Zyklus 

Zyklenanzahl, bis 10 % der Ausfälle 

Mittlere Betriebszeit (Stunden/Tag) 

Mittlere Betriebszeit (Tagen/Jahr) 

Mittlere Zykluszeit (Sekunden) 

Ausgangsgröße: 

n OP 

B 10d 

T 10d 

Mittlere Anzahl jährlicher Betätigungen 

Zyklenanzahl bis 10 % der gefährlichen Ausfälle 

Mittlere Zeit bis 10 % der gefährlichen Ausfälle (a) 

MTTF d 

Mean Time To dangerous Failure (a) 

λ d 

gefährliche Ausfallrate 

Typische Vorgehensweise: 

B10 d 

= 2× 

B 

1. B 10d 

10 

2. n OP 

dOP 

× hOP 

×3600[] 

s 

h 

nOP 

= 

tZyklus 

3. MTTF d 

B 

d 

MTTFd 

= 

1 = 

10 

λd 

0,1× 

nOP 

Weitere Möglichkeit: 

4. T 

B10d 

10d T10 d 

= 

nOP 

5. λ d 

1 T10d 

B10d 

MTTFd 

= = = 

λd 

0,1 0,1× 

nOP 

BILD 4: Berechnung von MTTFd aus 

B10-Werten nach ISO 13849-1 

Anwendung in Sicherheitsfunktionen nicht zugelassen. Solche 

Komponenten besitzen Eigenschaften, die für normale 

Funktionen einer Steuerung notwendig sein können, aber 

die Sicherheit negativ beeinflussen (zum Beispiel Ventile mit 

negativer Überdeckung für die Regelungstechnik). Deswegen 

ist eine sorgfältige Bewertung der grundlegenden und 

bewährten Sicherheitsprinzipien unerlässlich. 

Hauptverantwortlich für die Einhaltung der grundlegenden 

und bewährten Sicherheitsprinzipien ist der Hersteller 

der Maschine. Jedoch müssen einige Prinzipien 

durch Komponentenhersteller bestätigt werden (wie Anwendung 

einer bewährten Feder). Andere Prinzipien müssen 

durch den Maschinenbetreiber beachtet werden (beispielsweise 

Vermeidung der Verunreinigung des Druckmediums), 

worüber er durch die Betriebsanleitung der 

Maschine informiert werden muss. Die Einhaltung der 

vom Komponentenhersteller vorgegebenen Betriebsbedingungen 

(Umgebungstemperatur, Fluidqualität, Wartungsempfehlungen 

wie zum Beispiel für Filter) ist eine Voraussetzung 

für die Gültigkeit der ermittelten Kennwerte 

(MTTF d , B 10 ), und sorgt auch für die maximale Ausnutzung 

der Komponente (optimale Verfügbarkeit). 

4. Ermittlung der Zuverlässigkeitskennwerte 

Je nach Technologie werden verschiedene Lebensdauerkennwerte 

(wie MTTF d oder B 10 ) durch den Komponentenhersteller 

bereitgestellt. Dabei handelt es sich um sta- 

34 


3 / 2011

1. Voraussetzungen 

• grundlegende und bewährte Sicherheitsprinzipien (ISO 13849-2) 

• andere Normen (z. B. EN 982) 

• geeignete Betriebsbedingungen 

Parts-Count 

Elektronik-Komponente 

Bauteil 1 

MTTF 

2. Bestimmung der Lebensdauer 

• MTTFd aus Datenbasis 

Belastung (T): A 

gefährlich: 50 % 

λ FIT = x 

Datenbank 

ISO 13849 

(Anhang) 

Telecordia SN 29500 

(Siemens) 

• B10 aus Dauerversuchen 

• MTTF aus Felddaten 

HDBK 217 

(MIL USA) 

bei fehlender Angabe: MTTFd = 10 Jahre 

3. Anteil der gefährlichen Ausfälle 

• Pauschale Betrachtung 

MTTF d= 2 x MTTF 

B10d = B10 

ISO 13849-1: 

50 % Ausfälle sind gefährlich 

• Bestimmung mithilfe einer FMEA/FTA: z. B. für Elektronik 

Bauteil 2 

Belastung (T): A gefährlich: 50 % 

Bauteil 3 

Belastung (T): A gefährlich: 50 % 

Parts-Stress 

Elektronik-Komponente 

Bauteil 1 

λ FIT = y 

λ FIT = z 

MTTF d 

DC 

Telecordia 

SN 29500 

(Siemens) 

ISO 13849 

(Anhang) 

4. Berechnung des Gesamt-MTTFd 

• Parts-Count-Methode 

N 

1 1 

= 

Bezeichnung 

niedrig 

∑ 

MTTF d i= 

1 MTTF d, i 

Bereich 

3 Jahre ≤ MTTFd < 10 Jahre 

Belastung (T): A 

Belastung (T): B 


Bauteil 2 


λ FIT = x 

λ FIT = y 

HDBK 217 

(MIL USA) 

Eigene 

Felddaten 

mittel 


Bauteil 3 

hoch 


Belastung (T): C 


λ FIT = z 

BILD 5: Vorgehensweise zur Ermittlung 

sicherheitstechnischer Kennwerte (MTTFd) 

BILD 6: MTTF-Berechnung mit Parts-Countoder 

Parts-Stress-Verfahren 

tistische Erwartungswerte, die stark von der Methode und 

von den Einsatzbedingungen abhängen. Grundsätzlich 

kann man die Methoden zur Ermittlung der Zuverlässigkeitskennwerte 

für die Funktionale Sicherheit nach drei 

Prinzipien einteilen [14]: Berechnung, Erprobung und 

Auswertung von Felddaten. 

4.1 Berechnungen der Lebensdauer 

elektronischer Bauteile 

Hierbei wird anhand der Lebensdauerkennwerte (MTTF 

oder FIT) von einzelnen Bauteilen die Zuverlässigkeit 

insbesondere von elektronischen Komponenten berechnet. 

Man unterscheidet hier zwei wesentliche Methoden 

(Bild 6): 

Parts-Count-Verfahren: Alle Bauteile werden auf der 

Grundlage gleicher allgemeiner Belastungen in der 

Berechnung berücksichtigt. MTTF d wird dann durch 

die pauschale Betrachtung, 50 % der Ausfälle sind 

gefahrbringend, ermittelt. 

Parts-Stress-Verfahren: Jedes einzelne Bauteil wird 

mit seiner lokalen Belastung (zum Beispiel Berücksichtigung 

der lokalen Verteilung der Temperatur und 

elektrischen Spannung) betrachtet. Mit Hilfe einer 

systematischen Fehleranalyse (wie FMEA) werden 

die potenziellen gefährlichen Ausfälle identifiziert 

und so der MTTF d und DC-Wert genauer ermittelt. 

Die Umgebungsbedingungen spielen hierbei eine wesentliche 

Rolle, wie Bauteiltemperatur, Vibration und Feuchtigkeit, 

weshalb man für kritische Anwendungen mit Korrekturfaktoren 

arbeitet. Für Sicherheitssteuerungen wird beispielsweise 

mit einer zusätzlichen Belastung von 15 °C über der Temperatur 

von Standard-Bauteilen gerechnet. Durch Simulationen 

und Vermessungen werden diese Faktoren präziser 

eingeschätzt. Eine weitere wichtige Einflussgröße ist die eingesetzte 

Datenbasis (zum Beispiel SN 29500, Telecordia oder 

MIL). Je nach eingesetzter Datenbasis können die berechneten 

Werte um mehr als 200 % variieren. Deshalb ist eine 

Validierung mit eigener Datenbasis aus Felddaten wichtig. 

Die ISO 13849 bietet auch pauschale MTTF d -Werte für Komponenten 

(wie 150 Jahre für hydraulische Ventile), wenn die 

Sicherheitsprinzipien sowie Produktnormen erfüllt sind. 

4.2 Erprobungen der Lebensdauer 

Durch Langzeitversuche kann man den Zuverlässigkeitskennwert 

B 10 bestimmen. Hier unterscheidet man zwei 

wesentliche Prüfstrategien: 

Prüfung bis zum Ausfall (End-Of-Life-Test): Die Prüflinge 

werden mit zyklischer Belastung so lange erprobt, 

bis die Mehrheit (zirka 70 %) der Prüflinge 

ausgefallen ist. Daraus wird eine Aussage über das 

Zuverlässigkeitsmaß unter festgelegter Betriebsbelastung 

abgeleitet. 


3 / 2011 

35

Hauptbeitrag 

Mindest-Zuverlässigkeitstest (Success-Run-Test): Die 

Prüflinge werden so lange erprobt, bis die Zuverlässigkeitsanforderungen 

erreicht wurden (ohne oder mit 

wenigen Ausfällen). Obwohl das tatsächliche Zuverlässigkeitsmaß 

nicht bestimmt wird, kann man einen 

Mindestwert (höher als der geforderte Wert) ableiten. 

In der Pneumatik arbeitet man häufig mit Prüfung bis 

zum Ausfall, wobei Prüfmethoden mit Versagenskriterien 

(wie Schaltzeit, Leckage, Schaltdruck) in der Norm 

ISO 19973-1 [8] beschrieben sind. Diese statistische Aussage 

hängt stark von Prüfbedingungen und -umfang ab. 

Wird ein Produkt mit dem maximal zugelassenen Betriebsdruck 

(zum Beispiel 10 Bar) erprobt, würde dieses 

bei einer Anwendung mit niedrigerem Druck (beispielsweise 

6 Bar) einen deutlich höheren B 10 -Wert im Feld aufweisen. 

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Berücksichtigung 

der Unsicherheiten durch die begrenzte Anzahl 

von Prüflingen. Dies geschieht durch die Berücksichtigung 

eines Vertrauensbereichs von 90 % (beziehungsweise. 

eines einseitigen Vertrauensbereichs von 95 %), wie es 

im VDMA-Einheitsblatt 24578 [15] festgelegt wurde. Der 

Vertrauensbereich steht für die statistische Aussagekraft 

der Auswertung sowie die Messunsicherheit für die Messtechnik. 

Bild 8 zeigt die Auswertung von Lebensdauerversuchen 

an pneumatischen Ventilen anhand einer 

Weibull-Verteilung. 

Hydraulische Systeme sind durch ihre hohe Zuverlässigkeit 

bekannt. Diese positive Eigenschaft hat einen 

Nebeneffekt: Die Erprobung würde zu lange dauern, 

wenn man diese bis zum Ausfall der Mehrheit der Prüflinge 

durchführen würde. Deshalb unterbricht man die 

Erprobung, wenn die Zuverlässigkeitsanforderungen erreicht 

wurden (Success-Run-Test) [9]. Um einen Mindestwert 

für die Zuverlässigkeit zu ermitteln, verwendet man 

Zuverlässigkeitsmodelle aus der Literatur (zum Beispiel 

Weibull-Kurven mit technologiespezifischen Parametern 

[14]). Hier wird ebenfalls ein Vertrauensbereich von 90 % 

berücksichtigt. Dadurch wird ein Mindestwert für die 

B 10 -Kenngröße (Bild 8) ermittelt, die im Feld übertroffen 

werden kann, wenn die zulässigen Einsatzbedingungen 

eingehalten werden. Deswegen spielen Prüfbedingungen 

und -umfang auch hier eine wichtige Rolle. Methoden 

zur Verkürzung der Erprobungsdauer mit verbesserten 

Aussagen über die Zuverlässigkeit von hydraulischen 

Komponenten sind aktuelle Forschungsthemen. 

4.3 Lebensdauerauswertungen von Felddaten 

Wenn eine ausreichend große Datenbasis über den Einsatz 

der Produkte im Feld vorhanden ist, lässt sich daraus der 

MTTF ableiten. Dieser Kennwert stellt eine Mittelung 

über alle Anwendungen im Feld dar. Die sorgfältige Er- 

Lebensdauerversuche einer pneumatischen Ventilfamilie 

• 14 Proben bei maximalen Belastungen (z. B. Druck = 10 bar) 

• bei Anwendungen mit niedrigen Belastungen: hohe Lebensdauer 

Lebensdauerversuche einer hydraulischen Ventilfamilie 

• 24 Proben bei maximalen Belastungen (z. B. Druck, Hub) 

• bei Anwendungen mit niedrigen Belastungen: hohe Lebensdauer 

99,00 

β 

6,0 

3,0 

2,0 

1,6 

1,4 

1,2 

1,0 

0,9 

99,90 

β 

6,0 

4,0 

3,0 

2,0 

1,6 

1,4 

1,2 

1,0 

0,9 

0,8 

0,7 

0,6 

0,5 

90,00 

90,00 

Ausfallwahrscheinlichkeit, F(t) 

50,00 

10,00 

 

 

 

 

 

 

 

 

η 


50,00 

10,00 

 

 

 

 

 

η 

5,00 

5,00 

 

1,00 

24 

Laufleistung in Mio. Zyklen 

Ausfallwahrscheinlichkeit 10 % 

Ziel B10 ≥ 20 Mio. Zyklen 

Ausgefallene Probe (1: 40 Mio.) 



 

 

Überlebende Probe 

(9–14 > 90 Mio.) 

Vertrauensbereich (90%) 

Ergebnis B10 ≅ 24 Mio. Zyklen im 

Vertrauensbereich 

MTTF im Vertrauensbereich 

10,00 100,00 

Anzahl von Zyklen [in Millionen] 

1,00 

1,00 10,00 

100,00 

Anzahl von Zyklen [in Millionen] 

 

β = 2,00 

Laufleistung in Mio. Zyklen 

Ausfallwahrscheinlichkeit 10% 

Ziel B10 ≥ 10 Mio. Zyklen 

Überlebende Probe (24 > 10 Mio.) 

Annahme (VDA Band 3, Teil 2): 

Weibull-Formparameter β = 2 

 

 

Ermittelte Weibull-Kurve mit 

Vertrauensbereich (90 %) 

Ergebnis B10 ≅ 10 Mio. Zyklen im 



BILD 7: Auswertung von Lebensdauerversuchen 

einer pneumatischen Ventilfamilie 

BILD 8: Auswertung von Lebensdauerversuchen 

einer hydraulischen Ventilfamilie 

36 


3 / 2011

fassung und Auswertung der Daten sind entscheidend für 

eine signifikante statistische Aussage. Für eine genauere 

Auswertung muss man die Betriebsdauer und die aufgetretenen 

Belastungen (Anzahl von Betätigungen, Umgebungsbedingungen 

und so weiter) für die ausgefallenen 

und überlebenden Einheiten berücksichtigen. Diese Messdaten 

sind selten vorhanden, weshalb man diese Einflussgröße 

so gut wie möglich abschätzen muss (beispielsweise 

durchschnittliche Betriebsdauer für industrielle Anlage 

von 4000 Stunden pro Jahr mit 16 Stunden pro Tag, 

5 Tagen pro Woche und 50 Wochen pro Jahr). Als Voraussetzung 

hierfür gilt eine gute Zusammenarbeit mit Kunden, 

um Informationen über Ausfälle möglichst auch 

außerhalb des Gewährleistungszeitraums zu bekommen, 

sowie eine detaillierte Untersuchung, um die Ausfallursache 

zu bewerten. 

Ausfälle, die durch Anwenderfehler verursacht werden 

(zum Beispiel Kollision bei einer Werkzeugmaschine), 

sagen nichts über die Zuverlässigkeit der Komponente 

bei den vorgesehenen Einsatzbedingungen aus. Andererseits 

würde eine unzureichende Erfassung von Felddaten 

eine zu optimistische Bewertung der 

Zuverlässigkeit verursachen. Wichtig für eine hochwertige 

Aufbereitung und Auswertung der Daten ist die Methodenkompetenz, 

um die Unsicherheit des Modells 

beispielsweise durch den Vertrauensbereich zu berücksichtigen 

(Bild 9). 

Auswertung von Felddaten einer hydraulischen Komponente 

• Beobachtung von ca. 25 000 Komponenten von 2004 bis 2009 bei 

verschiedenen Belastungen 

• Anwendungen mit extrem hohen Belastungen: niedrige Lebensdauer 


99,00 

90,00 

50,00 

10,00 

5,00 

1,00 

0,50 

0,10 

0,05 

0,01 

5,00E-3 

1,00E-3 

 

β 

6,0 

3,0 

2,0 

1,6 

1,2 

1,0 

0,8 

0,7 

0,6 

 

0,5 

 

 

 

 

1,00 10,00 100,00 1000,00 10000,00 

0,10 100000,00 

Betriebsstunden [h] 

 

 

 

 

η 

 

5. Ausfallwahrscheinlichkeit einer 

Sicherheitsfunktion 

5.1 Zuverlässigkeitsmodell: Block-Diagramm 

Um die Ausfallwahrscheinlichkeit einer Sicherheitsfunktion 

zu berechnen, muss ein Modell der Zuverlässigkeit 

mittels Block-Diagramm (Bild 10) erstellt werden [11]. Diese 

Modellierung unterscheidet sich von den klassischen 

Zuverlässigkeitsmethoden in zwei Aspekten: 

Betrachtet wird nicht die Auswirkung eines Ausfalls 

auf die normale Funktion, sondern auf die Sicherheitsfunktion 

(sicherer Zustand). 

Nur sicherheitsbezogene Teile der Steuerung (SRP/ 

CS) werden berücksichtigt. Mit SRP/CS sind die aktiven 

Teilen der Steuerung gemeint, das heißt Komponenten 

der Steuerungen, die eine gefährliche Situation 

erkennen (Eingang), daraus die geeigneten 

Reaktionen ableiten (Logik) und diese Maßnahmen 

zuverlässig umsetzen (Ausgang). 

Im Blockdiagramm der Zuverlässigkeit werden zwei Elemente 

miteinander in Serien verbunden, wenn der Ausfall von 

einem bereits zum Verlust der Funktion führt (Elemente sind 

voneinander abhängig). Häufig wird eine mechatronische 

Komponente in mehreren Elementen modelliert, um die Zuverlässigkeit 

besser zu ermitteln. Ein vorgesteuertes Ventil 

mit Onboard-Elektronik wird zum Beispiel in drei Elementen 

modelliert (Elektronik, Vorsteuer-Ventil und Haupt-Ventil). 

Wenn jedes dieser Elemente einen MTTF d von 150 Jahren 

aufwiese, dann würde man nach der ISO 13849 mit einem 

MTTF d von 50 Jahren für diese Komponente rechnen. 

Diese Methode basiert auf dem Parts-Count-Verfahren, in 

dem die Ausfallwahrscheinlichkeiten von mehreren Komponenten 

in einer Reihenschaltung (unter Annahme einer 

konstanten Ausfallrate) zusammen addiert werden: 

Prinzip des Parts-Count-Verfahren 

Im Blockdiagramm der Zuverlässigkeit werden zwei 

Elemente miteinander parallel verbunden, wenn nur der 

Ausfall von beiden zum Verlust der Funktion führt (Elemente 

sind zueinander redundant). 

Ein Beispiel dafür ist der unerwartete Anlauf einer horizontalen 

Linearachse, der durch das Antriebssystem sowie 

durch ein Bremssystem vermieden wird. Im Fall einer 

Parallelschaltung spricht die ISO 13849 von einer „Symmetrisierung 

der MTTF d für jeden Kanal“. Dabei werden 

unterschiedliche MTTF d -Werte aus zwei Kanälen in einen 

Wert umgerechnet, der für beide Kanäle gleich ist. Wenn 

beispielsweise ein Kanal die MTTF d,C1 = 3 Jahre hat und 

der andere Kanal eine MTTF d,C2 = 100 Jahre, dann ist das 

Ergebnis MTTF d = 66 Jahre für jeden Kanal. 

Laufleistung in Betriebstunden 

Ausfallwahrscheinlichkeit 10 % 

Ausgefallene Probe (1: 250 h) 

Ausfall mit Zeitverschiebung 

Ausgefallene Probe (2: 450 h) 

Ausgefallene Probe (n: 15 075 h) 

Überlebende Probe 

(9–14 > 90 Mio.) 

Vertrauensbereich (90%) 

Ergebnis B10 ≅ 15 500 h im 



BILD 9: Beispiel einer Auswertung von Felddaten 

hydraulischer Komponenten 

5.2 Bedeutung der MTTF d für die Sicherheitsfunktion 

Anhand der Beispiele im Bild 11 wird die Bedeutung der 

MTTF d für die Sicherheitsfunktion näher erläutert. Eine 


3 / 2011 

37

Hauptbeitrag 

100% 

90% 

BILD 10: Zuverlässigkeitsblockdiagramme 

für die funktionale Sicherheit 

Sicherheitsblockdiagramm 

Sicherheitstechnische 

Analyse der Schaltung 

Sicherheitstechnische 

Modellierung der 

Schaltung 

im Blockdiagramm 

F1 

K1 

1V3 

1V5 

1S3 

1V4 

Ausfallwahrscheinlichkeit [%] 

80% 

70% 

63% 

60% 

50% 

40% 

30% 

20% 

18% 

10% 

0% 

MTTF d 

T M 

0 5 10 15 20 25 30 

Gebrauchsdauer der Maschine [Jahre] 

MTTF d = 3 Jahre MTTF d = 10 Jahre MTTF d = 30 Jahre MTTF d = 100 Jahre 

MTTFd = ca. 63 % gefährliche Ausfälle 

MTTFd = 10 Jahre 

Sicherheitsfunktion ist bei 63 % der Maschinen nach 

10 Jahren ausgefallen! 

Quelle: BIA-Report 02/2008 

Was muss betrachtet werden? 

Wie gehen diese Elemente 

im Modell ein? 

Leitfaden: 

10 Schritte zum PL! 

Gebrauchsdauer der Maschine (TM): 20 Jahre (ISO 13849) 

MTTFd = 100 JahreÞ 

Sicherheitsfunktion ist bei 18 % der Maschinen nach 

20 Jahren ausgefallen! 

BILD 11: Bedeutung der MTTF d für die 

Verfügbarkeit der Sicherheitsfunktion 

Die richtigen Kennwerte für unterschiedliche Technologien 

Hydraulische 

Komponenten 

Pneumatische 

Komponenten 

Hydraulische 

Subsysteme 

Elektronische 

Subsysteme 

BILD 12: 

Kennwerte der 

funktionalen 

Sicherheit für 

mehrere 

Technologien 

Lieferant: 

• MTTF d 

Maschinenhersteller: 

• Kategorie 

• DC 

• CCF 

• PL des Systems 

Lieferant: 

• B 10 


• Kategorie 

• DC 

• CCF 


Lieferant: 

• PL Kategorie 

• (Ventil: MTTF d 

) 


• DC 

• CCF 


Lieferant: 

(zertifiziertes Produkt) 

• PL (PFH d 

) 

• Kategorie 



(durch Addition der 

PFH d 

-Werte) 

MTTF d = 10 Jahren für eine einkanalige Sicherheitsfunktion 

(das heißt ohne redundante Komponente) bedeutet, 

dass mindestens eine Komponente dieser Funktion in etwa 

63 % der Maschinen bereits nach einer Nutzung von 

10 Jahren gefährlich ausfallen kann. In der ISO 13849 wird 

aber eine Gebrauchsdauer (T M ) der Maschine von 20 Jahren 

vorausgesetzt. Wenn diese Sicherheitsfunktion verbessert 

wird, so dass ein MTTF d von 100 Jahren erreicht wird, 

dann würde sie immer noch in 18 % der Maschinen nach 

dieser Gebrauchsdauer von 20 Jahren nicht mehr verfügbar 

sein (gefährlich ausfallen). Aus diesem Grund verlangt die 

ISO 13849 den Einsatz redundanter Systeme für Sicherheitsfunktionen 

mit hohem Risiko (PL r = „d“ oder „e“). 

5.3 Berechnung der gefahrbringenden 

Ausfallwahrscheinlichkeit (PFH d ) 

Mit dem MTTF d pro Kanal der Sicherheitsfunktion muss 

man noch den Grad der Diagnose (DC) bestimmen und 

weitere Anforderungen der Kategorien erfüllen (zum Beispiel 

Common Cause Failure, CCF), um die Wahrschein- 

38 


3 / 2011

lichkeit eines gefährlichen Ausfalls pro Betriebstunden 

(PFH d ) nach ISO 13849 zu bestimmen. Der Zusammenhang 

zwischen diesen Faktoren und die PHFd mit dazugehörigem 

PL-Wert der Sicherheitsfunktion ist im 

Anhang K der ISO 13849-1 dargestellt. Für diese Berechnungen 

wird die Software Sistema [13] vom IFA (Institut 

für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung) 

durch den VDMA (Verband Deutscher Maschinen- 

und Anlagenbau e.V.) empfohlen. 

6. Beispiel von sicherheitstechnischen 

Kennwerten 

Je nach Technologie werden verschiedene Lebensdauerkennwerte 

durch den Lieferanten bereitgestellt wie etwa 

MTTF d für hydraulische oder B 10 für pneumatische Komponenten 

sowie PL beziehungsweise PFH d für elektronische 

Subsysteme. Für einfache Komponenten werden 

meisten nur MTTF d oder B 10 genannt. 

Für Subsysteme mit integrierten Sicherheitsfunktionen 

können die PFH d (PL oder SIL) im Voraus ermittelt 

werden. In diesem Fall müssen lediglich die PFH d aller 

Subsysteme miteinander addiert werden, um die PL der 

Sicherheitsfunktion zu bestimmen. Aus diesem Grund 

werden zertifizierte Steuerungssysteme für die funktionale 

Sicherheit bevorzugt, da sie die Umsetzung und 

Validierung von Sicherheitsfunktionen für die Hersteller 

von Maschinen und Anlagen erleichtern. Bild 12 zeigt 

einen Überblick der Kennwerte für verschiedene Technologien. 

7. Fazit 

Die ISO 13849 führt eine wichtige Vorgehensweise zur 

Gestaltung von sicherheitsrelevanten Steuerungen ein. 

Die statistischen Ansätze fordern eine völlig neue Denkweise 

des Maschinenkonstrukteurs: Das Zusammen- 

spiel von verschiedenen Komponenten einer Steuerung 

wird unter den Gesichtspunkten der Sicherheit und der 

Zuverlässigkeit betrachtet. Die Berechnungsmethoden 

der ISO 13849 setzen allerdings voraus, dass die 

Komponenten der Steuerungen die Konstruktionsprinzipien 

erfüllen und dass ihre Zuverlässigkeitskennwerte 

(MTTF d , B 10 ) sorgfältig ermittelt werden. Diese statistischen 

Kennwerte hängen stark von der Methode und 

Einsatzbedingungen ab. Alle Berechnungen sind wertlos, 

wenn diese Bedingungen (zum Beispiel Fluidqualität) 

nicht eingehalten werden. Nur für pneumatische 

Steuerungen gibt es eine Vereinbarung der Komponentenhersteller 

über die Ermittlung dieser Werte. Dadurch 

bleibt für die Anwender der Norm noch die sorgfältige 

Auswahl der Komponenten, damit nicht „Äpfel mit Birnen“ 

verglichen werden. 


27.08.2010 

Autor 

Bosch Rexroth AG, 

Bahnhofplatz 2, D-97070 Würzburg, 

Tel. +49 (0) 93 52 18 16 97, 

E-Mail: Alexandre.Orth@boschrexroth.de 


Dr.-Ing. Alexandre Orth (geb. 1978) 

leitet bei der Bosch Rexroth AG, Lohr, die 

Gruppe Produktsicherheit, -haftung und 

-zuverlässigkeit in der Zentralabteilung 

Qualitätsmanagement und -methoden. 

Er ist Mitglied mehrerer Arbeitskreise beim 

VDMA und ZVEI zum Thema funktionale 

Sicherheit und Zuverlässigkeit. 

Referenzen 

[1] DIN EN 13306:2001: Begriffe der Instandhaltung 

- Maintenance Terminology 

[2] DIN EN IEC 62061:2005: Sicherheit von 

Maschinen - Funktionale Sicherheit sicherheitsbezogener 

elektrischer, elektronischer 

und programmierbarer elektronischer 

Steuerungssysteme (IEC 62061:2005) 

[3] DIN EN ISO 12100:2009 „Sicherheit von 

Maschinen – Allgemeine Gestaltungsleitsätze, 

Risikobeurteilung und Risikominderung“ 

(ISO/DIS 12100:2009) 

[4] DIN EN ISO 13849-1:2008: Sicherheit von 

Maschinen – Sicherheitsbezogene Teile von 

Steuerungen – Teil 1: Allgemeine Gestaltungsleitsätze 

[5] DIN EN ISO 14121-1:2007: Sicherheit von 

Maschinen – Risikobeurteilung – Teil 1: 

Leitsätze 

[6] DIN EN ISO 4413:2008: Fluidtechnik 

- Allgemeine Regeln und sicherheitstechnische 

Anforderungen an Hydraulikanlagen 

und deren Bauteile (Nachfolger der EN 982) 

[7] DIN EN ISO 4414:2008: Fluidtechnik 

- Allgemeine Regeln und sicherheitstechnische 

Anforderungen an Pneumatikanlagen 

und deren Bauteile (Nachfolger der EN 983) 

[8] ISO/FDIS 19973-1:2007: Pneumatic fluid 

power - Assessment of component 

reliability by testing - Part 1: General 

procedures 

[9] ISO/TR 19972-1:2007: Hydraulic fluid power 

- Methods to assess the reliability of 

hydraulic components - Part 1: General 

procedures and calculation method 

[10] Laprie, J.-C.: Dependable Computing 

and Fault Tolerance: Concepts and 

Terminology. In: Fault-Tolerant 

Computing, pp. 2-11 

[11] Leitfaden „10 Schritte zum Performance 

Level“, Bosch Rexroth AG, at: www. 

boschrexroth.com/MASCHINENSICHERHEIT 

[12] Orth, A.; Barg, J.: „Zuverlässigkeit 

gefordert - Neue Norm zur Sicherheit von 

Maschinensteuerungen“. In: Qualität und 

Zuverlässigkeit (QZ), Carl Hanser Verlag, 

München, Jahrgang 54, 11, 2009, S. 36-38 

[13] Software SISTEMA, at: 

http://www.dguv.de/ifa/13849 

[14] VDA Band 3 Teil 2: Zuverlässigkeits- 

Methoden und –Hilfsmittel 

[15] VDMA-Einheitsblatt 24578:2009: „Fluidtechnik 

- Umsetzung der DIN EN ISO 13849 

- Anforderungen an Pneumatikhersteller 

und –anwender“, VDMA 


3 / 2011 

39

hauptbeitrag 

Neue Asset-Management- 

Konzepte bei Stellventilen 

Diagnose von intelligenten Stellgeräten 

Stellgeräte wie Stellventile sind komplexe Feldgeräte in prozessautomatisierten, verfahrenstechnischen 

Anlagen. Neben ihrer Hauptaufgabe, dem Verändern von Stoffströmen, 

erfüllen sie zunehmend Diagnose- und Asset-Management-Funktionen. Voraussetzung 

dafür ist, dass alle Komponenten des Stellgeräts sorgfältig aufeinander abgestimmt und 

hinsichtlich des Einsatzbereichs optimal ausgewählt sind. Sie bilden so einen entscheidenden 

Baustein zum übergeordneten Plant Asset Management (PAM). Im Beitrag werden 

Verbesserungsmöglichkeiten am Beispiel von Stellventilen aufgezeigt. 

SCHLAGWÖRTER Stellgeräte / Main Valve Vendor / Digitale Stellungsregler / Diagnose / 

Asset Management / Effizienz 

New Asset Management Concepts for Control Valves – 

Diagnosis of smart control actuators 

Final controlling devices like control valves are complex field devices in process plants. 

Apart form their main task, controlling of material flow, they are more and more involved 

in diagnosis and Asset Management tasks. All components have to be optimaly tuned and 

selected to fullfill the requirements of the application. In this way, they build an important 

block of the superior Plant Asset Management (PAM). In the paper, improvements are 

demonstrated using the example of control valves. 

KEYWORDS Control valves / Main Valve Vendor / Digital positioners / Diagnosis / 

Asset Management / Efficiency 

40 


3 / 2011

Jörg Kiesbauer, Stefan Erben, Dirk Hoffmann, Samson AG 

Neben der Hauptaufgabe eines Stellungsreglers, 

der schnellen und genauen Regelung eines Stellgeräts, 

werden immer mehr die Asset-Management-Funktionen 

für den Anwender wichtig. 

Bisher stand dabei hauptsächlich die Diagnose 

des Stellungsreglers selbst und der grundsätzlichen Funktion 

des Ventils im Vordergrund, wie zum Beispiel die Überwachung 

des Nullpunktes oder des internen Regelkreises. 

Zunehmend wird die Beobachtung aller Komponenten des 

kompletten Stellgerätes und seiner direkten Umgebung bedeutend. 

Diese Anforderungen sind unter anderem in der 

Namur-Empfehlung NE 107 [2] festgelegt (Bild 1). 

Asset Management-Funktionen moderner Stellgeräte 

gehen über die Erfassung des Zustandes des Stellungsreglers, 

des Ventils und des Antriebs hinaus. Genauso 

wichtig sind die Dokumentation des Aufbaus und die 

Erfassung der Performance des gesamten Stellgeräts. So 

können Informationen aus der Auslegung des Stellgeräts 

oder über spezielle Gegebenheiten – wie zusätzliche Anbauteile 

oder Verrohrungen – bereits bei der Auslieferung 

des kompletten Stellgeräts im Stellungsregler abgelegt 

werden. Sie stehen dann für spätere Serviceaktivitäten 

zur Verfügung. Zur Erfassung der Performance des 

gesamten Stellgeräts kann der Stellungsregler diese Informationen 

mit internen Signalen und Prozesswerten 

verknüpfen und so eine detaillierte Zustandserkennung 

des gesamten Stellgeräts ermöglichen. 

1. Erweiterte Diagnose und Überwachung 

Seit einiger Zeit werden auch Drucksensoren eingesetzt, 

um eine ausreichende Versorgung des Antriebs oder die 

Funktion des Stellungsreglers und des Antriebs zu überwachen. 

Mit den heute verfügbaren Drucksensoren bei 

entsprechender Auflösung und Langzeitstabilität (auch 

im harten Anlagenumfeld) ist eine so feine on-board-Erfassung 

des Versorgungs- und des Stelldruckes möglich, 

dass sich Aussagen über die Verfügbarkeit und Performance 

des Stellgeräts treffen lassen, die weit über einfache 

Aussagen über die Druck-Signale hinausgehen. 

Möglich ist die Ableitung umfassender KPI (Key Performance 

Indicator) bezüglich Wartung und Service, 

statischer und dynamischer Performance bezogen auf 

die Regelung sowie die Performance der einzelnen Komponenten 

des Stellgeräts (Bild 2). 

Darüber hinaus ermöglicht der Einsatz zusätzlicher 

Sensorik, wie Sensoren zum Erfassen des Körperschalls, 

die Erkennung von inneren Leckagen in Stellventilen. 

Ein weiteres Feld ist die Anwendung für Auf-/Zu-Armaturen. 

Durch für diese Anwendungsart angepasste 

Diagnosefunktionen können auch hier detaillierte Informationen 

über den Zustand der Armaturen ermittelt werden. 

Als Beispiel genannt seien die Überwachung von 

Losbrech- und Laufzeiten zur Erkennung von Reibung 

und Verschleiß sowie statistische Auswertungen (Bild 3). 

Stand der Technik ist inzwischen auch, Stellungsregler 

in einem besonderen Segment der Auf-/Zu-Armaturen 

einzusetzen. Armaturen in sicherheitsgerichteten Kreisen 

können mit dem Partial Stroke-Verfahren im laufenden 

Betrieb getestet werden (Bild 3). VDI 2180, Beiblatt 5 [3], 

gibt hierzu erstmals einen normativen Hintergrund. Der 

übergeordnete Aspekt ist die Unterstützung des gesamten 

„Safety Lifecycle“ durch intelligente Automatisierung. 

Mit Hilfe von Applikationen wie zum Beispiel dem PST 

Scheduler (Bild 4) kann für alle relevanten Stellgeräte, 

die mit einem entsprechenden Stellungsregler ausgerüstet 

sind, anlagenweit der Partial-Stroke-Test verwaltet, 

gesteuert und die Testergebnisse archiviert werden. 

2. Übergreifende Auswertung 

Aus der anlagenweiten Auswertung der Zustandsinformationen 

der Stellgeräte ergeben sich weitere Möglichkeiten, wenn 

sie mit Auslegungs- und Serviceinformationen sowie Prozessdaten 

aus der Umgebung der Stellgeräte, wie zum Beispiel 

Drücken oder Temperaturen, verknüpft werden. Wenn diese 

Daten in einer anlagenweiten Datenbank den Messstellen zugeordnet 

gesammelt werden, ergeben sich über geeignete Analyse- 

und Reporting-Funktionen noch weitergehende Aussagen 

über den Zustand und die Performance der Stellgeräte und 


3 / 2011 

41

Hauptbeitrag 

damit auch über die Anlage selbst (Bild 5). Voraussetzung 

dafür ist das Zusammenspiel von Prozesswissen des Betreibers 

und Stellgeräte-Know-how des Lieferanten. 

Als Ergebnis dieser Auswertung ist es möglich, die Stellgeräte 

noch besser auf ihre Einsatzfälle zu optimieren. Der 

Betreiber erhält zudem Informationen, die es ihm erlauben, 

die Regelungskonzepte seiner Anlage zu verbessern und 

somit die Gesamteffizienz zu steigern. Darüber hinaus ergibt 

sich eine belastbare Grundlage für die optimierte Planung 

von Serviceplänen für die Stellgeräte. Somit wird neben der 

Gesamteffizienz auch die Verfügbarkeit der Anlage weiter 

erhöht. Dies ergibt einen weiteren entscheidenden Baustein 

zum übergeordneten Plant Asset Management. 

Voraussetzung für die Nutzung dieser Möglichkeiten ist 

jedoch die nahtlose Integration der Stellgeräte in das Leit- und 

Plant-Asset-Management-System des Betreibers. Mit Methoden 

wie EDDL und FDT/DTM ist das weitgehend möglich [4]. 

Handlungsbedarf besteht hier allerdings noch seitens der 

Systeme. Benötigt wird eine Möglichkeit, Daten einer größeren 

Anzahl von Messstellen automatisiert zeitgesteuert 

auszulesen und in einer standardisierten Form (zum Beispiel 

xml, csv, xls) zur Verfügung zu stellen. Dies ist zurzeit nur 

mit manuellem Aufwand durch den Anwender möglich. 

Eine Verbesserung ist hier erst mittelfristig zu erwarten. 

3. Neue Möglichkeiten 

Weitere Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus der 

Verknüpfung von Ventildaten und der integrierten Druck- 

BILD 1: 

Status des Stellgeräts 

gemäß NE 107 

BILD 2: Stellgeräte KPI 

BILD 3: Auf-/Zu-Diagnose, Partial Stroke-Test 

BILD 4: PST Scheduler 

BILD 5: Datenbankbasierte 

Analyseund 

Reporting- 

Funktionen 

42 


3 / 2011

messung des Stelldrucks zum Antrieb. Auf Basis eines patentierten 

Verfahrens ist es mit der Kenntnis der Verhältnisse 

um das Ventil mit Hilfe moderner Stellungsregler 

ohne weitere externe Sensorik möglich, den Differenzdruck 

am Ventil und dadurch den Durchfluss durch das 

Ventil abzuschätzen und dem Leitsystem beispielsweise 

mittels einer digitalen Kommunikationsanbindung zur Verfügung 

zu stellen. In einem weiteren Schritt können durch 

ein On-Board Monitoring KPI zur Energieeffizienz des Stellgeräts 

ermittelt werden. Diese bewerten zum einen das 

pneumatische System durch Überwachung der pneumatischen 

Leckage. In Verbindung mit der Erfassung der Zahl 

der Ventilbewegungen und der Größe der Bewegungszyklen 

wird die Bewertung und Optimierung des Luftverbrauchs 

sowie des überlagerten Prozessregelkreises ermöglicht. 

Durch die integrierte Erfassung des mittleren Arbeitsbereichs 

des Ventils und durch die oben erwähnte Abschätzung 

von Volumenstrom und Druckdifferenz kann ein 

mögliches Energieeinsparungspotenzial ermittelt werden. 

Zusammenfassung 

Durch die Dokumentation im Stellungsregler sind alle Informationen 

des Stellgerätes jederzeit verfügbar im Asset- 

Management-System und stehen somit für spätere Serviceaktivitäten 

zur Verfügung. Der Stellungsregler als die 

Schnittstelle und das Gehirn des Stellgeräts beobachtet alle 

Komponenten des kompletten Stellgerätes und seiner direkten 

Umgebung. Er erfasst dadurch die Performance des 

Stellgeräts und ermittelt KPI für die einzelnen Komponenten 

und die Gesamtperformance. Basierend auf diesen Indikatoren 

sind neben einer besseren Planung von Serviceaktivitäten 

eine bessere Optimierung der Stellgeräte auf 

ihren Einsatzfall sowie Informationen zur Optimierung 

der Regelungskonzepte der Anlage möglich. Zudem ist 

künftig die Ermittlung von KPI zur Energieeffizienz möglich. 

Dadurch werden mögliche Energieeinsparungspotenziale 

gefunden. Stellungsregler mit neuen Asset-Management-Funktionen 

stellen somit einen wichtigen Beitrag zur 

Steigerung der Gesamteffizienz der Anlage dar. 

Referenzen 


28.06.2010 


[1] VDI/VDE 2651: Plant Asset Management 

[2] Namur Empfehlung NE 107: Selbstüberwachung und 

Diagnose von Feldgeräten 

[3] VDI/VDE 2180, Blatt 5: Sicherung von Anlagen der 

Verfahrenstechnik mit Mitteln der Prozessleittechnik (PLT) 

– Empfehlungen zur Umsetzung in die Praxis 

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

Stellgeräte in Leitsysteme Vortrag Automation 2008, 

atp – Automatisierungstechnische Praxis, Heft 8, 2008 

[5] Kiesbauer, J.: Neues integriertes Diagnosekonzept bei 

digitalen Stellungsreglern 

atp – Automatisierungstechnische Praxis, Heft 4, 2004 

[6] Namur Empfehlung NE 91: Anforderungen an Systeme für 

anlagennahes Asset Management 

Autoren 

Dr.-Ing. Jörg Kiesbauer 

(geb. 1960) ist Mitglied des 

Vorstandes Forschung und 

Entwicklung der Samson 

AG, Mess- und Regeltechnik, 

Frankfurt/Main. 

Samson AG, 

Abt. E8, Weismüllerstraße 3, 


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

E-Mail: drjkiesbauer@samson-ag.com 

Dipl.-Ing. Stefan Erben 

(geb. 1964) leitet die Entwicklung 

Elektronik 

Industrie der Samson AG, 

Mess- und Regeltechnik, 

Frankfurt/Main. Seine 

Hauptarbeitsfelder umfassen 

die Forschung und 

Entwicklung auf dem Gebiet 

der intelligenten Feldgeräte sowie der elektronischen 

Prozessregler für den industriellen 

Einsatz, die Integration dieser Geräte in offene 

Systeme sowie die Mitarbeit in Gremien 

verschiedener herstellerunabhängiger Organisationen 

(Profibus Nutzerorganisation, 

Fieldbus Foundation, Hart Communication 

Foundation, FDT-Group). 

Samson AG, 



Tel. +49 (0) 69 40 09 11 20, 

E-Mail: serben@samson.de 

Dipl.-Phys. Dirk Hoffmann 

(geb. 1962) startete 

1989 seine berufliche 

Karriere als Entwicklungsingenieur 

in der Abteilung 

Grundlagenentwicklung bei 

der Samson AG Frankfurt/ 

Main. Nach einem Aufenthalt 

in Südamerika von 

2001 bis 2007 im Technischen Support arbeitet 

er seit 2007 wieder in Frankfurt in der Entwicklungs-Abteilung 

Anwendungstechnik. Er 

ist Mitarbeiter des VDI/VDE-GMA-Gremiums 

„Plant Asset Management“. 

Samson AG, 



Tel. +49 (0) 69 40 09 21 77, 

E-Mail: dhoffmann@samson.de 


3 / 2011 

43

hauptbeitrag 

Verlässlichkeitsanforderungen 

in der Prozess- und 


Kombination von VDI/VDE 3682 und IEC 62424 (CAEX) 

Die Verlässlichkeit von Fertigungsprozessen lässt sich schnell, effizient und entwurfsbegleitend 

unter Verwendung geeigneter Modelle für Produkte, Fertigungsprozesse und 

Anlagenressourcen analysieren. Das objektorientierte und hierarchische Datenaustauschformat 

CAEX (entsprechend IEC 62424) und formale Prozessbeschreibungen (nach VDI/ 

VDE-Richtlinie 3682) sind die Kernelemente des Verfahrens. Der Beitrag erläutert das 

Konzept durchgehend an den Größen Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit und demonstriert 

es an einer Versuchsanlage. 

SCHLAGWÖRTER Nicht-funktionale Anforderungen / Durchgängiges Engineering / 

Verlässlichkeit / Verfügbarkeit / Zuverlässigkeit 

Dependability Requirements Based on Process and Resource Descriptions – 

Combination of VDI/VDE 3682 and IEC 62424 (CAEX) 

The dependability of manufacturing processes by means of suitable models for products, 

production processes, and manufacturing resources can be analyzed quickly, efficiently 

and parallel to the design process. The complete description is based on the object-oriented 

and hierarchical engineering exchange language CAEX (according to IEC 62424) on 

the one hand, and on formal process descriptions (according to VDI/VDE guideline 3682) 

on the other hand. The concept is explained based on the parameters reliability and availability 

and demonstrated using a test facility as an example. 

KEYWORDS Non-functional requirements / integrated engineering / dependability / 

availability / reliability 

44 


3 / 2011

Bernd Opgenoorth, Jan H. Richter, Thomas Grosch, Siemens AG; 

David Wolff, Alexander Fay, Helmut-Schmidt-Universität, Hamburg 

Ausgangspunkt für den Entwurf von automatisierungstechnischen 

Systemen sind die funktionalen 

Anforderungen an das automatisierte 

System. Im Entwurf sind darüber hinaus 

nicht-funktionale Anforderungen zu berücksichtigen. 

Zu diesen nicht-funktionalen Anforderungen 

zählen unter anderem die Anforderungen hinsichtlich 

Zuverlässigkeit (reliability), Wartbarkeit (maintainability), 

und Verfügbarkeit (availability), die unter dem 

Begriff dependability zusammengefasst werden [1], [2], 

der hier – wie meist üblich – mit Verlässlichkeit übersetzt 

wird. Weiter gefasst beinhaltet die Verlässlichkeit 

auch funktionale Sicherheit (safety) und Datensicherheit 

(security) [1]. Oftmals wird im Engineering-Ablauf 

ein Entwurf erstellt, der sich primär an den funktionalen 

Anforderungen orientiert, und dieser Entwurf wird 

anschließend dahingehend überprüft, ob auch die 

nicht-funktionalen Anforderungen erfüllt werden. Die 

dann erforderlichen iterativen Korrekturen führen zu 

erhöhtem Zeit- und Ressourcenaufwand und zu einer 

nicht optimalen (Unter- oder Über-)Erfüllung der nichtfunktionalen 

Anforderungen. 

Für einen effektiven und effizienten Engineering- 

Ablauf müssen auch die nicht-funktionalen Anforderungen 

bereits entwurfsbegleitend systematisch berücksichtigt 

werden, damit der Ingenieur jederzeit die Auswirkungen 

seiner Entwurfsentscheidungen auf die nichtfunktionalen 

Anforderungen erkennen kann [6]. 

Dafür sind Modelle erforderlich, die es ermöglichen, 

sowohl Anforderungen an die Funktion als auch Zusicherungen 

hinsichtlich der Verlässlichkeit zusammen 

mit anderen Engineering-Informationen abzubilden. Diese 

Modelle müssen hinreichend ausdrucksstark und 

umfassend sein und Produkte, Fertigungsprozesse und 

Fertigungsressourcen gleichermaßen einschließen. Die 

derartige Modellierung von Verlässlichkeits-Anforderungen 

an den Beispielen der Verfügbarkeit für reparable 

Systeme und anhand der Zuverlässigkeit ist Gegenstand 

dieses Beitrags, siehe Bild 1. Erweiterungen zur 

reinen Wartbarkeitsanalyse sind leicht möglich, weil die 

Wartbarkeit ein Bestandteil der Verfügbarkeit ist. 

1. Modellierung der Verfügbarkeit: 

Anforderungen 

1.1 Zuverlässigkeit, Wartbarkeit und Verfügbarkeit 

In diesem Abschnitt werden die Zusammenhänge zwischen 

den Begriffen Zuverlässigkeit, Wartbarkeit und 

Verlässlichkeit für reparable Systeme zusammengefasst 

[3]. Diese Begriffe sind sämtlich statistisch zu verstehen 

und beziehen sich auf ein gegebenes System, das 

im Kontext dieses Beitrags eine Anlagenressource, eine 

komplexe Anlage oder auch ein Fertigungsprozess oder 

Teilprozess sein kann. 

Grundlage aller Begriffe ist die Überlebenswahrscheinlichkeit 

R(t), eine zeitabhängige Funktion, die 

ausgehend von Zeitpunkt Null zum Zeitpunkt t die 

Wahrscheinlichkeit dafür angibt, dass das System noch 

intakt ist und seine Funktion erfüllen kann: 

cc 

(1), 

wobei λ(t) die im Allgemeinen zeitabhängige Ausfallrate 

des Systems ist. Im speziellen Fall konstanter Ausfallrate 

λ(t) = λ für alle t (auch exponentielles Ausfallverhalten genannt) 

ergibt sich der einfachere Ausdruck R(t) = e – λ·t . Die 

Annahme konstanter Ausfallraten ist aus folgender Überlegung 

heraus häufig realistisch. Zwischen einer frühen 

Betriebsphase mit einer größeren Zahl von Frühausfällen 

und einer späten Betriebsphase mit verschleißbedingt zunehmenden 

Spätausfällen liegt eine lange Betriebsphase 

mit sporadisch auftretenden zufälligen Ausfällen. Diese 

Mechanismen führen auf einen zeitlichen Verlauf der Ausfallrate 

gemäß einer „Badewannenkurve“. 

Die Zuverlässigkeit des Systems lässt sich für eine gegebene 

Zeitspanne T (zum Beispiel T = 1000 h) als Wahrscheinlichkeit 

R(T) angeben, dass das System nach Ablauf 

der Zeitspanne T noch funktionsfähig ist: 

(2). 


3 / 2011 

45

Hauptbeitrag 


(IEC 62424 ) 

BILD 1: 

Die umfassende 

Modellierung von 

Fertigungsvorgängen 

mittels CAEX 

ermöglicht eine 

entwurfsbegleitende 

Verlässlichkeitsanalyse. 

Prozessbeschreibung 

(VDI 3682 ) 

Erweitertes 

CAEX-Modell 

Verlässlichkeits analyse 

(Boole-Markov-Modell) 

Produktbeschreibung 

(VDI 3682 ) 

Anlagendaten 

Ressource 

Anlagenstruktur 

Anlage1/ Arbeitsstation1 

Komponente1 

Steuerungsstruktur 

Busstruktur 

Prozess 

Prozess1 

Transport 

Bearbeitung 

Transport 

BILD 2: Darstellung von Produkten, 

Prozessen und Ressourcen in einem 

gemeinsamen CAEX-Modell 

Produkt 

Produkt P0 

Produkt P0 

Für konstante Ausfallrate ist R(T) = e – λ·T . 

Die mittlere Lebensdauer eines Systems ist gegeben 

durch den mittleren Zeitraum (gemittelt über eine große 

Anzahl gleichartiger Systeme) 

(3) 

über den das System ununterbrochen seine Funktion erfüllt. 

Diese mittlere Zeit bis zum Ausfall des Systems wird 

englisch als mean time to failure (MTTF) bezeichnet; in 

diesem Beitrag wird stets die englische Abkürzung verwendet. 

Im Spezialfall konstanter Ausfallrate gilt die Beziehung 

MTTF = 1/ λ. 

Die Systemreparatur wird in Analogie zum Ausfallverhalten 

statistisch als Wartbarkeit betrachtet und anhand 

einer mittleren Reparaturdauer, mean time to repair 

(MTTR), beschrieben, der eine Reparaturrate μ(t) 

zugrunde liegt. Für konstante Reparaturrate μ(t) = μ für 

alle t gilt der Zusammenhang MTTR = 1/ μ. 

Zuverlässigkeit und Wartbarkeit sind von einander 

unabhängige Begriffe, weil die Zuverlässigkeit nur den 

ununterbrochenen Betrieb eines Systems beschreibt, 

während die Wartbarkeit nur dessen Reparaturphase 

erfasst. Ununterbrochener Betrieb (mittlere Dauer 

MTTF), Ausfall und Reparatur (mittlere Dauer MTTR) 

bilden jedoch zusammen einen Zyklus der mittleren Länge 

mean time between failures (MTBF) mit dem Zusammenhang 

(4) 

der für den Systembetrieb insgesamt bedeutsam ist. Dies 

wird im Begriff der Verfügbarkeit (availability) A ausgedrückt. 

Die Verfügbarkeit ist definiert als das Verhältnis 

zwischen der mittleren Dauer des ununterbrochenen 

Betriebs (MTTF) und der Summe aus MTTF und der 

mittleren Reparaturdauer MTTR im Zyklus (MTBF): 

.(5) 

Die Verfügbarkeit hängt also von der Zuverlässigkeit 

und von der Wartbarkeit ab. Für nicht reparable Systeme 

ist der Begriff nicht aussagekräftig (wegen MTTR = ∞ ist 

dann A = 0), weshalb solche Systeme stattdessen anhand 

der Zuverlässigkeit bewertet werden. 

1.2 Darstellung von Fertigungsressourcen 

und -prozessen 

Die vollständige und korrekte Ausführung eines Fertigungsprozesses 

erfordert gleichzeitig 

intakte Anlagenressourcen, 

Spezifikation entsprechender Rohstoffe, und 

korrekte Prozessschritte. 

Zwischen diesen Elementen bestehen enge Beziehungen 

und komplexe Abhängigkeiten. Jeder Prozessschritt 

(zum Beispiel Abfüllen, Verdeckeln) erfordert eine Reihe 

von Anlagenressourcen (wie Transportband, Deckelzuführung, 

Verdeckeler) sowie Rohstoffe (beispielsweise 

zu verdeckelnde Flasche, Deckel). Diese Beziehungen 

sind keinesfalls eins zu eins, denn eine Anlagenressource 

kann in mehr als einem Prozessschritt eine jeweils 

46 


3 / 2011

andere Rolle spielen. Um folglich von Verfügbarkeitsdaten 

der Anlagenressourcen auf die Verfügbarkeit von 

Prozessschritten zu schließen, sind formale Beschreibungen 

dieser Abhängigkeiten erforderlich. Diese Beschreibungen 

müssen in die Form von Zuverlässigkeitsblockdiagrammen 

überführbar sein, damit die Gesamtverlässlichkeit 

anhand der bekannten Formeln für Serienschaltung 

(kritischer Pfad), Parallelschaltungen 

(Redundanz) und deren Verknüpfungen bestimmt werden 

kann. Die relevanten Zusammenhänge werden hier 

kurz beschrieben. Diese Modellform wird auch als 

Boole-Markov-Modell bezeichnet. 

Allgemein gilt bei einer Serienschaltung von N Systemen, 

für deren Gesamtfunktion alle N Komponenten 

gleichzeitig funktionieren müssen (das Gesamtsystem 

fällt aus, wenn mindestens eine der Komponenten ausfällt), 

der Zusammenhang 

.(6) 

Haben alle Teilsysteme konstante Ausfallrate λ i , so gilt 

bei Serienschaltung der Zusammenhang 

bzw. 

.(7) 

Ähnliche Betrachtungen gelten für die Verfügbarkeit 

von Seriensystemen. Es gilt in einem Seriensystem allgemein 

.(8) 

Für die Parallelschaltung in Redundanz von N Teilsystemen, 

von denen ein einziges Teilsystem für die 

Funktion des Gesamtsystems hinreichend ist, gilt bekannterweise 

der Zusammenhang 

(9) 

und für die Verfügbarkeit gilt der Zusammenhang 

.(10) 

Den Formeln (9) und (10) liegt die Annahme zu Grunde, 

dass zur Nutzung der redundanten Komponenten 

kein aktives Eingreifen erforderlich ist (wie zum Beispiel 

bei Mehrfach-Seilen eines Fahrstuhls), oder dass 

perfekte Fehlerdiagnose und perfekte Umschaltung realisiert 

sind. 

1.3 Elementare Kennwerte eines 

Verfügbarkeitsmodells 

Aus dem vorigen Abschnitt lässt sich ersehen, dass ein 

Verfügbarkeitsmodell jedes Teilsystems quantitative Verfügbarkeitsdaten 

enthalten muss. Im einfachsten Fall 

konstanter Ausfall- und Reparaturraten sind mindestens 

die mittleren Kenngrößen 

MTTF und 

MTTR 

für jede Anlagenkomponente zu hinterlegen (die Verfügbarkeit 

von Anlagenkomponenten geht in die Verfügbarkeit 

der Prozessschritte ein), bei Bedarf auch die Überlebenswahrscheinlichkeit 

nach Ablauf einer gegebenen 

Zeitspanne T. Wahlweise kann zusätzliche Information 

zur detaillierten Beschreibung des statistischen Ausfallverhaltens 

hinterlegt werden, wie Varianzen oder detaillierte 

zeitliche Verläufe von Ausfall- und Reparaturraten 

λ(t) und μ(t), sofern derart detaillierte Daten vorliegen und 

verarbeitet werden können. 

Dieser Abschnitt hat in die Verfügbarkeitsanalytik eingeführt 

und die Mindestanforderungen an Prozessmodelle 

für eine automatisierte Verfügbarkeitsanalyse zusammengestellt. 

Der folgende Abschnitt beschreibt ein 

Datenmodell, das diesen Anforderungen enstpricht. 

2. Modellierung der Verfügbarkeit in CAEX 

2.1 Gewerkeübergreifende Metamodellierung: 

CAEX und VDI 3682 

Weil zur Lösung des Problems eine gewerkeübergreifende 

Beschreibung von Anlagenressourcen, Produkten, 

und Fertigungsprozessen erforderlich ist, wurde zu 

deren integrierter Darstellung die Meta-Modellsprache 

„Computer Aided Engineering Exchange“ (CAEX) ausgewählt. 

Diese Sprache hat folgende vorteilhafte Eigenschaften. 

Sie ist objektorientiert, flexibel und anpassbar, 

und sie unterstützt Hierarchie und Strukturierung. 

Damit eignet sie sich zur Beschreibung komplexer Gebilde, 

wie sie in der Fertigungsautomatisierung auftreten. 

Darüber hinaus ist CAEX international (IEC 62424) 

standardisiert [4], [5]. CAEX wurde ursprünglich zur 

Modellierung verfahrenstechnischer Anlagen konzipiert, 

ist jedoch auch für fertigungstechnische Anlagen 

geeignet [7]. 

Zur Darstellung von Prozessen wird auf die formalisierte 

Prozessbeschreibung nach VDI/VDE-Richtlinie 

3682 [8] zurückgegriffen. Diese Darstellung erlaubt 

die Repräsentation funktionaler Zusammenhänge zwischen 

Prozess und Fertigungsressourcen. Auch diese 

Richtlinie wurde primär motiviert durch die Notwendigkeit, 

verfahrenstechnische Prozesse allgemeinverständlich 

zu beschreiben, die Universalität dieser Beschreibungsform 

ermöglicht aber auch die anschauliche 

Darstellung fertigungstechnischer Prozesse [9]. 

Um die Handhabung zu vereinfachen, wird in der 

vorliegenden Arbeit CAEX als einheitliches Datenformat 

zur Darstellung von Produkten, Fertigungsprozessen 

und Anlagenressourcen verwendet. Damit können alle 

drei wesentlichen Aspekte der Anlagenmodellierung 

(Produkt, Prozess, Anlage) in einem einzigen Modell repräsentiert 

werden. Dies bedeutet, dass die formalisierten 

Prozessbeschreibungen der Fertigungsprozesse nach 

VDI-Richtlinie 3682 zunächst in CAEX überführt werden. 

Über Objektverweise von Fertigungsprozessen zu 

Anlagenressourcen werden Querbezüge hergestellt, die 

anhand des Modells jederzeit nachverfolgt werden können, 

siehe Bild 2. 


3 / 2011 

47

Hauptbeitrag 

2.2 Verfügbarkeitsrelevante Attribute 

für Anlagenressourcen 

Alle in CAEX modellierten Ressourcen (Anlagenressourcen) 

werden mit folgenden Attributen ausgestattet, die 

eine schrittweise Berechnung der Verfügbarkeit aggregierter 

Teilsysteme erlauben: 

mittlere Lebensdauer MTTF, Datentyp double 

mittlere Reparaturdauer MTTR, Datentyp double 

Verfügbarkeit A, Datentyp double 

Diese Attribute gelten für alle Anlagenressourcen auf 

beliebigen Hierarchieebenen. Dabei sind Zahlenwerte der 

Attribute für elementare Ressourcen der untersten Hierarchiebenen 

beispielsweise aus Datenblättern oder Erfahrungswerten 

vorgegeben. Der ressourcenbezogene Anteil 

des Datenmodells für die Verarbeitung von Verfügbarkeitsdaten 

ist somit vorbereitet. 

2.3 Anreicherung der Prozessbeschreibung um 

verfügbarkeitsrelevante Attribute 

Zusätzlich zu Anlagenressourcen müssen – wie bereits 

angedeutet – die Produktionsprozesse gemäß VDI-Richtlinie 

3682 und die Produkte in das CAEX-Modell einbezogen 

werden. Als Ergebnis entsteht eine funktionale 

Gesamtbeschreibung von Produkt, Prozess, und Fertigungsressourcen. 

Allen Prozessen werden zusätzlich zu 

den zuvor genannten drei Attributen noch die Attribute 

geforderte Verfügbarkeit A soll , Datentyp double 

geforderte mittlere Lebensdauer MTTF soll , 

Datentyp double 

hinzugefügt. Die Produkte sind in CAEX mit den zu ihrer 

Herstellung erforderlichen Prozessen verknüpft. Somit 

wird ein durchgängiges Datenmodell von Produkten über 

Prozesse bis hin zu den technischen Ressourcen, welche 

von den Prozessen genutzt werden, beschrieben. Wie im 

vorigen Abschnitt angedeutet, sind Zahlenwerte für 

MTTF und MTTR für elementare Ressourcen bekannt. 

Des Weiteren sind Anforderungen an die zu erreichenden 

Verfügbarkeiten beziehungsweise an geforderte mittlere 

Lebensdauern für die Produktionsprozesse gegeben. In 

dieser Phase sind die tatsächlichen Verfügbarkeiten oder 

die tatsächlichen mittleren Lebensdauern der produktbezogenen 

Fertigungsprozesse noch nicht bekannt. 

3. Verfügbarkeitsanalyse auf Basis des 

CAEX-Modells 

3.1 Verknüpfung von Produkt, Prozess und Ressourcen 

Dieser Abschnitt beschreibt die Auswertung der gegebenen 

Verfügbarkeitsdaten der Ressourcen, um die Verfügbarkeit 

von produktspezifischen Fertigungsprozessen 

zu ermitteln. Grundlage ist das im vorangegangenen 

Kapitel beschriebene übergreifende, um Produkt- und 

Prozessbeschreibungen erweiterte CAEX-Modell. 

Bild 3 zeigt eine Abhängigkeitskette beginnend mit ei- 

Produktbeschreibung 

z. B. Abfüllung; Menge 

BILD 3: Abhängigkeitskette vom Produkt 

zu den technischen Ressourcen 

Suche nach Endprodukten 

Kriterium„Endprodukt = true“ 

Produkt mit Endprodukt vergleichen 

Attribut auswerten 

zugehörigen Prozess suchen 

anhand CAEX -Links 

Produkt 

betrachtetes 

Endprodukt 

Prozess 

Operationen zur 

Herstellung 

Technische 

Ressource 

Anlagenteil zur 

Durchführung der 

Prozessoperation 

Technische 

Ressource 

Steuerung 

zur Steuerung des 

Anlagenteils 

Prozess zerlegen 

Prozesshierarchie auswerten 

Prozessoperationen suchen 

unterste Hierarchieebene 

zugeordnete Ressourcen suchen 

anhand CAEX -Links 

Kennwerte einlesen (z. B. MTTF, MTTR) 

Prozessbeschreibung 

Anlagenbeschreibung 

zugeordnete Steuerungskomponenten suchen 

Kennwerte einlesen (z. B. MTTF, MTTR) 

BILD 4: Schrittweise Vorgehensweise zur 

Ermittlung der Verlässlichkeitskennzahlen 

48 


3 / 2011

nem zu betrachtenden Endprodukt (zum Beispiel befüllte 

Flasche), daran gebundene Fertigungsprozesse 

(wie Befüllen), technischen Ressourcen (beispielsweise 

Pneumatikzylinder) und Steuerungen als Spezialfall 

technischer Ressourcen. Gegeben sind die Attribute der 

technischen Ressourcen und Steuerungen am Ende der 

Kette (rechts). Gesucht sind entsprechende Attribute 

am Anfang der Kette, es wird also eine Antwort auf die 

Frage erwartet, mit welcher Zuverlässigkeit sich ein 

gewünschtes Produkt auf einer gegebenen Fertigungsanlage 

herstellen lässt. 

3.2 Produktsuche 

Zur Lösung des Problems wird die Durchsuchbarkeit der 

Objektstruktur in CAEX ausgenutzt. Ausgehend vom 

gewünschten Produkt werden zunächst alle erforderlichen 

Prozessschritte gesucht, die zur Fertigung des Produkts 

notwendig sind. Die Prozessschritte erfordern 

ihrerseits jeweils eine Reihe von funktionierenden technischen 

Ressourcen wie Aktoren und Sensoren, aber 

auch Steuerungen und Kommunikationssysteme (zum 

Beispiel Feldbussysteme). Diese Vorgehensweise zeigt 

Bild 4 schematisch. 

3.3 Transformation der Prozessbeschreibung in 

Boole-Markov-Modell 

Zusätzlich zum reinen Aufdecken von Abhängigkeiten 

spielt die Architektur der Prozesse und Ressourcen, also 

ihre Anordnung in logischer Reihenschaltung oder Parallelschaltung 

zur Anwendung des Boole-Markov-Modells 

eine wesentliche Rolle. Hierbei kann ausgenutzt 

werden, dass die Prozessbeschreibung gemäß VDI/VDE- 

Richtlinie 3682 bereits serielle Prozessschrittketten von 

parallelen Abläufen unterscheidet. Folglich ist eine Überführung 

formaler Prozessbeschreibungen in Zuverlässigkeitsblockdiagramme 

unmittelbar möglich. Bild 5 zeigt 

ein Beispiel für einen Prozess, der aus drei aufeinanderfolgenden 

Schritten Transport, Bearbeitung und Transport 

besteht. Prozessschritte sind durch grüne Kästen 

dargestellt, rote Kreise markieren Zwischenprodukte. 

Bild 6 bringt ein entsprechendes Beispiel komplexerer 

Struktur, das auch eine Parallelschaltung beinhaltet. 

BILD 5: Überführung einer Schrittkette in Prozessbeschreibung 

nach VDI/VDE-Richtlinie 3682 (oben) 

in ein äquivalentes Zuverlässigkeits-Blockdiagramm 

(unten, Serienschaltung) 

3.4 Berechnung der Verfügbarkeiten 

Die eigentliche Berechnung der Verfügbarkeiten beziehungsweise 

mittleren Lebensdauern ist nach Aufbau der 

Zuverlässigkeitsblockdiagramme einfach durchzuführen, 

denn zu einem Zuverlässigkeitsblockdiagramm, das sich 

in Serien-/Parallel-Strukturen zerlegen lässt, lässt sich 

automatisch eine Formel für Verfügbarkeit oder mittlere 

Lebensdauer angeben, die durch schrittweise Lösung von 

Gleichungen der Art (7)-(10) auszuwerten ist. 

Bild 7 zeigt den schematischen Ablauf einer Zuverlässigkeitsanalyse. 

Es ist deutlich zu erkennen, dass 

die Analyse auf der untersten Hierarchieebene beginnt 

und sich sukzessive in der Hierarchie nach oben vorarbeitet. 

BILD 6: Überführung eines 

doppelt redundanten Prozesses 

in Prozessbeschreibung nach 

VDI/VDE-Richtlinie 3682 (oben) 

in ein äquivalentes Zuverlässigkeits-Blockdiagramm 

(unten, Parallelschaltung) 


3 / 2011 

49

Hauptbeitrag 

3.5 Schwachstellenanalyse des 

Produktionsprozesses 

Die Analyse der Prozessverfügbarkeit anhand des Anlagen-, 

Produkt- und Prozessmodells ermöglicht die Durchführung 

einer Schwachstellenanalyse für den Produktionsprozess bereits 

in sehr frühen Phasen der Produktionsplanung. Die Vorgehensweise 

ist wie folgt beschrieben (siehe auch Bild 8). 

Als Voraussetzung müssen zunächst gemäß Abschnitt 

3.3 allen (Teil-)Prozessen der Produktion Sollwerte 

für die Verfügbarkeit beziehungsweise Zuverlässigkeit 

vorgegeben werden. Nach Berechnung der tatsächlichen 

Verfügbarkeits-/Zuverlässigkeitskennwerte 

findet ein Vergleich zwischen Soll- und Istwerten statt. 

Unterschreiten die Istwerte die Sollwerte, so sind Änderungen 

im Prozessentwurf erforderlich, wie der Einsatz 

verlässlicherer Komponenten oder das Vorsehen von Redundanz 

an besonders kritischen Punkten des Prozesses. 

Überschreiten die Istwerte die Sollwerte, so sind die Ziele 

erfüllt. Ist die Überschreitung erheblich, so können 

verknüpft 

elementare Teilressourcen 

zugehörige Steuerung 

verfügbar 

ja 

nein 

Komponente 

defekt 

Zuverlässigkeitsanalyse 

Attribut 

MTTF 

Zuverlässigkeiten R i (T) aller einzelnen Komponenten i berechnen 

nächsthöhere 

Ebene der 

Hierarchie 

Attribut 

R i (T) 

Zuverlässigkeit R k(t) des k-ten Teilprozesses berechnen 

Attribut 

R k(T) 

BILD 8: Eine Schwachstellenanalyse eines Produktionsprozesses 

kann durch Vergleich von Soll-Verfügbarkeit und 

berechneter Verfügbarkeit (Entsprechendes gilt für die 

Zuverlässigkeit) durchgeführt werden. 

nein 

oberste Ebene 

erreicht 

ja 

Ende 

Fertigungsprozess 

BILD 7: Flussdiagramm einer Zuverlässigkeitsanalyse, 

die in der untersten Hierarchieebene beginnt und sich 

sukzessive nach oben arbeitet 

Förderung 

Transport 

TbS18 

Transport 

NLK-NAF 

Transport 

TbS6 

Abfüllung 

Identifikation 

I440 

Transport 

NAF-NFP 

Vereinzelung 

I440 

Picken 

... 

... 

... 

... 

... 

BILD 10: 

Transportprozess 

(NLK-NAF) 

vom Lager zur 

Abfüllstation 

Ultraschallempfänger 

Erkennung 

A440 Ventilinsel 

CPU 317F- 

2DP 

Identifikation 

BILD 9: Beispiel Smart-Automation-Anlage 

... 

Barcode- 

Scanner 

50 


3 / 2011

unter Umständen durch das Streichen von Redundanzen 

oder durch Einsatz einfacherer Komponenten Kosten 

eingespart werden. 

Verfügbarkeit/Zuverlässigkeit von Schritt 1, dem Transport 

einer Flasche vom Lager zur Abfüllstation, geschlossen 

werden kann. 

4. Beispiel 

4.1 Die Smart-Automation-Anlage 

Die Smart-Automation-Anlage ist Technologieträger 

und Versuchsanlage des Vorfeldbereichs des Sektors 

Industry der Siemens AG für den Bereich der Fertigungsautomatisierung 

(Bild 9). Sie besteht aus einem 

verzweigten Materialflusssystem für Flaschen, Bearbeitungsstationen 

für Befüllung und Verdeckelung, Stationen 

zur Qualitätskontrolle und Stationen zur Verpackung 

und Auslieferung der fertigen Flaschen. Die 

Flaschen tragen individuelle Erkennungsmerkmale in 

Form von Barcodes beziehungsweise RFID-Tags, die an 

zahlreichen Stellen in der Anlage ausgelesen und verwertet 

werden können. Die Automatisierung der Anlage 

umfasst alle Ebenen von der Achsregelung über die 

Stationsautomatisierung mittels Industriesteuerungen 

bis zur Auftragsverwaltung (Manufacturing Execution 

System, MES). Die in vorangegangenen Abschnitten 

beschriebenen Methoden zur Verlässlichkeitsanalyse 

werden in diesem Abschnitt anhand eines Abfüllprozesses 

erläutert. 

4.2 Abfüllstation und Abfüllprozess 

Die Abfüllstation befüllt Flaschen mit Feststoffen, wobei 

mehrere verschiedene Füllgüter zur Verfügung stehen, 

die einzeln oder als Gemisch verfüllt werden können. 

Exemplarisch wird hier folgender Abfüllprozess betrachtet, 

bei dem eine Flasche nach ihrer Identifikation nacheinander 

mit zwei Gütern befüllt wird. Das gewünschte 

Produkt besteht also aus einer verdeckelten Flasche, die 

definierte Mengen zweier Güter enthält. Vor und nach 

dem Befüllen wird die Flasche gewogen. Der Abfüllprozess 

besteht aus folgenden Schritten: 

1 | Transport einer Flasche vom Lager 

zur Abfüllstation 

2 | Erkennung einer Flasche 

3 | Drehen des Rundtellers 

4 | Identifikation der Flasche 

5 | Drehen des Rundtellers 

6 | Wiegen der Flasche 

7 | Befüllen mit Gut 2 

8 | Befüllen mit Gut 1 

9 | Wiegen der Flasche 

10 | Verdeckeln der Flasche 

11 | Überprüfen der Verdeckelung. 

Zur Durchführung dieses Prozesses sind eine Reihe von 

Ressourcen erforderlich, wie zum Beispiel der zugehörige 

mechanische Aufbau, die zugehörigen Industriesteuerungen 

und Feldbussysteme zur Kommunikation. 

Der folgende Abschnitt erklärt, wie mittels der oben beschriebenen 

Methoden aus den Verfügbarkeiten beziehungsweise 

Zuverlässigkeiten der Ressourcen auf die 

4.3 Verlässlichkeitsanalyse des Transportes 

zur Abfüllstation 

Bild 10 zeigt anhand eines Baumes einen Ausschnitt aus 

der hierarchischen Abhängigkeit des Transportprozesses 

„NLK-NAF“ (rot umrandet) von weiteren Teilprozessen 

(zum Beispiel „Transport TbS6“, „Identifikation I440“) 

und von Anlagenressourcen (beispielsweise „CPU317F- 

2DP“, rot eingekreist). 

Um beispielsweise den Prozess Erkennung durchführen 

zu können, sind die Hardware-Ressourcen „Ultraschallempfänger“, 

„A440 Ventilinsel“ und „CPU317F-2DP“, erforderlich. 

Der benachbarte Prozess Identifikation benötigt 

die Ressourcen „CPU317F-2DP“ und „Barcode-Scanner“. 

Es ist erkennbar, dass die Industriesteuerung „CPU317F- 

2DP“ eine gemeinsame Ressource dieser beiden Prozesse 

ist. Beim automatisierten Aufbau des Zuverlässigkeitsblockdiagramms 

für den Prozess „Identifikation I440“ tritt 

diese Komponente zunächst zweimal auf. Bei der Interpretation 

der resultierenden Serienschaltung der Komponente 

„CPU317F-2DP“ mit sich selbst als logische UND-Verknüpfung 

tritt jedoch eine Absorption auf, sodass die Komponente 

semantisch korrekt nur einmal berücksichtigt 

wird (andernfalls würden die Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit 

des Prozesses „Identifikation I440“ konservativ zu 

klein berechnet). 

Es ist klar, dass die Verlässlichkeit eines Prozesses 

mit zunehmender Anzahl erforderlicher Ressourcen abnimmt. 

Folglich sollte jeder Teilprozess eine kleinstmögliche 

Anzahl verschiedener Ressourcen nutzen. Insbesondere 

ist es vorteilhaft, den Steuerungscode eines 

Teilprozesses auf einer einzigen Industriesteuerung zu 

konzentrieren, anstatt ihn auf mehrere Steuerungen zu 

verteilen. Andernfalls treten alle erforderlichen Steuerungen 

und Feldbusverbindungen in Serienschaltung im 

Zuverlässigkeitsblockdiagramm des Prozesses auf. 

Für den Transportprozess „NLK-NAF“ werden nun 

Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit dem in Bild 7 dargestellten 

Algorithmus folgend berechnet, indem diese 

Kennzahlen für die einzelnen Teilprozesse aus den dafür 

jeweils benötigten Ressourcen bestimmt und dann entsprechend 

den Regeln für Reihen- und Parallelschaltung 

kombiniert werden. 

Für den Transportprozess „NLK-NAF“ ergeben sich 

eine Verfügbarkeit von 99,7 % und bei einer geforderten 

ununterbrochenen Betriebsdauer von 1000 h eine Zuverlässigkeit 

von 78,34 %. Die vollständigen und recht umfangreichen 

Ausgangsdaten für diesen Prozess, die den 

Ergebnissen zu Grunde liegen, sind im Bericht [10] festgehalten. 

Fazit 

Die Verwendung geigneter Datenmodelle auf Basis einer 

um Produkte und Prozesse erweiterten CAEX-Darstellung 

einer Fertigungsanlage zur durchgängigen Berechnung 

verlässlichkeitsbezogener nicht-funktionaler Anforde- 


3 / 2011 

51

Hauptbeitrag 

Referenzen 

[1] Avizienis, A.; Laprie, J.-C. und Randell, B.: Fundamental Concepts of 

Dependability. Research Report No 1145, LAAS-CNRS, April 2001 

[2] Laprie, J.-C.: Dependable Computing and Fault Tolerance: Concepts and 

Terminology. In: Proc. 15th IEEE Int. Symp. on Fault-Tolerant Computing, 1985 

[3] Birolini, A..: Reliability Engineering: Theory and Practice. Springer Verlag, 

5. Auflage (2007), ISBN 3540493883 

[4] DIN V 44366: Festlegung für die Darstellung von Aufgaben der Prozessleittechnik 

in Fliessbildern und für den Datenaustausch zwischen EDV-Werkzeugen 

zur Fliessbild-Erstellung und CAE-Systemen. Beuth Verlag, Berlin (2004) 

[5] IEC 62424: Specification for Representation of process control engineering 

requests in P&I Diagrams and for data exchange between P&ID tools and 

PCE-CAE tools, VDE-Verlag GmbH, Berlin 

[6] Schnieder, E.; Slovák, R.: PROFUND: Ein integrativer Ansatz zum Entwurf 

verlässlicher Automatisierungssysteme. atp – Automatisierungstechnische 

Praxis 49 (2007) H. 7, S. 40–44 

[7] Güttel, K.; Fay, A.: Beschreibung von fertigungstechnischen Anlagen mittels 

CAEX. atp – Automatisierungstechnische Praxis 50 (2008) H. 5, S. 34-39 

[8] VDI/VDE-Richtlinie 3682: Formalisierte Prozessbeschreibungen. 

Beuth Verlag, Berlin, 2005 

[9] Ulrich, A.; Güttel, K.; Fay, A.: Durchgängige Prozesssicht in unterschiedlichen 

Domänen – Methoden und Werkzeug zum Einsatz der formalisierten 

Prozessbeschreibung. at – Automatisierungstechnik 57 (2009) H. 2, S. 80-93 

[10] Wolff, D; Fay, A.; Richter, J. H.; Grosch, T.; Opgenoorth, B.: Anlage zur 

Modellierung und Analyse von Verlässlichkeits-Anforderungen mittels 

Prozess- und Ressourcen-Beschreibung, Technischer Bericht, 

URL: http://aut.hsu-hh.de/dependability/ 

rungen wurde in diesem Beitrag beschrieben und ihre 

Anwendbarkeit an einem komplexen Beispiel belegt. Der 

Nutzen für den Anwender liegt in umfassender Werkzeugunterstützung 

bei der entwurfsbegleitenden Bewertung 

der Verlässlichkeit bereits in frühen Phasen des 

Produkt- und Produktions-Lebenszyklus. Die Engineering-Phase 

einer Produktionsanlage wird durch die vorgestellte 

Vorgehensweise verkürzt und das Ergebnis des 

Engineering-Prozesses verbessert. Lösungsalternativen 

können vom Projektingenieur frühzeitig auf Modellbasis 

untersucht und bewertet werden. Die Wahrscheinlichkeit, 

am Ende des Engineering-Prozesses die geforderten 

Kundenanforderungen zu erfüllen, erhöht sich damit 

deutlich gegenüber der klassischen Vorgehensweise. 

Eine weitere Erhöhung der Aussagekraft solcher Berechnungen 

ist von der Einführung detaillierterer Rechenmethoden 

zu erwarten. Aktuell wird angenommen, 

dass alle Komponenten konstante Ausfallraten aufweisen. 

Zudem sagen die Ergebnisse nichts über die Streuung der 

Ausfallzeitpunkte aus. Eine zentrale Herausforderung 

besteht in der Aufhebung dieser Einschränkungen unter 

Beibehaltung kurzer Rechenzeiten, sodass eine Echtzeit- 

Integration in Engineering-Software möglich ist. 

Das vorgestellte Konzept kann auch jenseits von Zuverlässigkeit, 

Wartbarkeit und Verfügbarkeit für die Bewertung 

funktionaler Sicherheit nach der Norm 

IEC 61508 kombiniert mit beliebigen Sektornormen Anwendung 

finden. 


06.10.2010 


Autoren 

Dipl.-Inf. Bernd Opgenoorth 

(geb. 1951) ist Gruppenleiter bei der Siemens AG 

Nürnberg im Bereich der Vorfeldentwicklung im 

Umfeld Verlässlichkeit, Instandhaltung, und 

Einsatz der RFID-Technologie im Automatisierungsumfeld. 

Siemens AG, 

Industry Sector, I IA IA&DT ATS 4, 

Gleiwitzer Str. 555, D-90475 Nürnberg, 

Tel. +49 (0) 91 18 95 29 22, 

E-Mail: bernd.opgenoorth@siemens.com. 

Dr.-Ing. Jan Richter (geb. 1978) ist Entwicklungsingenieur im Vorfeld 

bei der Siemens AG Nürnberg und befasst sich dort mit der Konzeption 

und Entwicklung von Methoden in den Gebieten der verlässlichen Fertigungsautomatisierung, 

der Verlässlichkeitsanalyse, und der funktionalen 

Sicherheit. Er promovierte von 2004 bis 2009 am Lehrstuhl für Automatisierungstechnik 

und Prozessinformatik (Prof. Lunze) der Ruhr-Universität 

Bochum auf dem Gebiet der fehlertoleranten Regelungsmethoden. 

Siemens AG, 



Tel. +49 (0) 91 18 95 47 12, E-Mail: janrichter@siemens.com. 

Dipl.-Ing. (FH) Thomas Grosch 

(geb. 1975) ist Entwicklungsingenieur 

im Vorfeld bei der Siemens AG 

Nürnberg und befasst sich dort vor 

allem mit fehlersicheren und 

hochverfügbaren Automatisierungssystemen. 

Dipl.-Ing. David Wolff (geb. 1982) 

studierte von 2005 bis 2009 

Maschinenbau an der Helmut- 

Schmidt-Universität/Universität der 

Bundeswehr Hamburg mit Schwerpunkt 

Automatisierungstechnik. 

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

Professor für Automatisierungstechnik im 

Fachbereich Maschinenbau der Helmut-Schmidt- 

Universität/Universität der Bundeswehr Hamburg. 

Sein Hauptinteresse gilt Beschreibungsmitteln, 

Methoden und Werkzeugen für ein effizientes 

Engineering von Automatisierungssystemen. 

Siemens AG, 



Tel. +49 (0) 91 18 95 31 76, 

E-Mail:thomas.grosch@siemens.com. 

Helmut-Schmidt-Universität/ 

Universität der Bundeswehr Hamburg, 

Institut für Automatisierungstechnik, 

Holstenhofweg 85, D-22043 Hamburg, 

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

Helmut-Schmidt-Universität/ 

Universität der Bundeswehr Hamburg, Institut für 

Automatisierungstechnik, Holstenhofweg 85, 

D-22043 Hamburg, Tel. +49 (0) 40 65 41 27 19, 

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

52 


3 / 2011

Mehr Diagnose 

für intelligente 

Sensoren und Aktoren 

IO-Link 

Intelligente Geräte brauchen 

einfache Schnittstellen 

Diese Neuerscheinung ist didaktisch so aufgebaut, dass es je 

nach Qualifikation, verschiedene Einstiegs-Levels (Einsteiger, 

Fortgeschrittene, Experten) gibt. 

Das umfassende Kompendium beschreibt die neue, herstellerunabhängige 

IO-Link-Schnittstelle. Diese kann über Sensoren und Aktuatoren 

auf einfache Weise Daten mit der überlagerten Steuerung austauschen. 

Anstatt vieler proprietärer Systeme muss der Anwender in 

Zukunft also nur noch ein System kennen. Parametrierungen können 

automatisch in die Geräte geladen und umgekehrt Diagnose- und 

Wartungsinformationen an die Leitwarte gemeldet werden. Was sich 

zunächst komplex anhört, funktioniert mit IO-Link ganz einfach. 

Ergänzend zu den detaillierten, theoretischen Beschreibung und ihrer 

Vorteile finden Ingenieure und Praktiker aus dem Maschinen- und 

Anlagenbau, Betreiber, Instandhalter, Planer und Systemintegratoren 

auch vertiefende Übungen und praktische Beispiele. 

Autoren: P. Wienzek, J. R. Uffelmann 

1. Auflage 2010, 310 Seiten, Broschur 

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mit einer Gutschrift von € 3,- auf die erste Rechnung belohnt. 


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Widerrufsfrist genügt die rechtzeitige Absendung des Widerrufs oder der Sache an die Vulkan-Verlag GmbH, Versandbuchhandlung, 

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hauptbeitrag 

Automatische Optimierung 

in der Profilextrusion 

Strömungslöser XNS verringert manuelle Nacharbeit 

Die rheologische Auslegung von Werkzeugen für die Profilextrusion ist ein iteratives 

Vorgehen mit aufwendiger manueller Nacharbeit. Strömungssimulationen können immer 

öfter eingesetzt werden, allerdings fehlt meist eine leistungsfähige Software, welche die 

Fließkanalgeometrie bereits in der Konstruktionsphase optimiert. Die Kombination des 

vorgestellten Strömungslösers XNS mit einem Geometrieoptimierungsalgorithmus verbessert 

die Strömungsqualität für einfache Geometrien und hat das Potenzial zur Übertragung 

auf komplexere Fließkanäle. 

SCHLAGWÖRTER Automatische Geometrieoptimierung / Profilextrusion / 

rheologische Werkzeugauslegung 

Automated Optimization in Profile Extrusion – 

Computational Fluid Dynamics Software XNS Reduces Manual Rework 

The rheological design of profile extrusion dies is an iterative process with extensive 

manual rework. Flow simulations have gained some acceptance, but there are only limited 

options with respect to software to optimize the flow channel geometry during the design 

phase. By means of the combination of the introduced computational fluid dynamics (CFD) 

software XNS and an optimization algorithm a reasonable channel geometry can be computed 

for simple die geometries. It has the potential of being applied to more complex flow 

channels. 

KEYWORDS Automated Geometry Optimization / Profile Extrusion / 

Rheological Die Design 

54 


3 / 2011

Walter Michaeli, Christian Windeck, Marek Behr, Stefanie Elgeti, 

Markus Probst, Mike Nicolai, RWTH Aachen 

Die maßgenaue und wirtschaftliche Fertigung 

von Kunststoffprofilen gilt als besonders 

schwierig. Zum einen gibt es eine nahezu 

grenzenlose Vielfalt an Querschnittsformen 

der Profile und damit der Fließkanäle der 

Werkzeuge, zum anderen ist die mathematische Beschreibung 

der Strömung in vielen Geometrien – wenn 

überhaupt – nur mit viel Aufwand lösbar [1]. Daher 

beruht die rheologische Auslegung eines neuen Fließkanals 

in der industriellen Praxis meist auf praktischen 

Versuchen und auf dem Erfahrungswissen des 

Werkzeugmachers [2]. 

Das allgemeine Vorgehen bei der rheologischen Auslegung 

(Bild 1) sieht bislang so aus, dass aus dem Kundenwunsch 

nach einem bestimmten Profil ein Profilwerkzeug 

konstruiert und gefertigt wird. Dabei werden Eigenheiten 

des zu verarbeitenden Materials bereits berücksichtigt. 

Nachdem die erste Version des Werkzeugs 

erstellt wurde, wird diese mit einem Extruder verbunden 

und testweise das Profil produziert. Anhand der Schmelzeverteilung 

bei dem Testprofil kann der Werkzeugmacher 

abschätzen, wo und wie stark der Fließkanal geändert 

werden muss, damit die Austragung des Profils 

gleichmäßiger wird. Meist reicht ein einmaliges Testfahren 

des Werkzeugs nicht aus, damit das Profil einheitlich 

ausgetragen wird. Üblich sind, abhängig von der Komplexität 

der Geometrie, fünf bis zehn Iterationen [1]. Bei 

jedem Iterationsschritt entstehen Kosten durch die Nachbearbeitung 

des Werkzeugs, durch das verbrauchte Material 

und die Maschinenbelegung, sodass die Einfahrkosten 

einen großen Anteil an den Werkzeugkosten ausmachen. 

Durch weniger Einfahrversuche kann der Unternehmer 

aufgrund des Zeitgewinns flexibler auf 

Kundenwünsche reagieren; Flexibilität in der Produktion 

ist einer der wichtigsten Faktoren für eine wirtschaftliche 

Profilextrusion. 

Daher wird schon lange angestrebt, die rheologische 

Fließkanalauslegung am Computer durchzuführen. Der 

Computer bietet die Möglichkeit, auf der Grundlage von 

numerischen Lösungsansätzen die Strömung im Fließkanal 

zu berechnen, bevor das eigentliche Werkzeug 

gefertigt wird. Schematisch ist dies in Bild 1 durch die 

Erweiterung des Auslegungsplans um eine Iterationsschleife 

bei der Werkzeugauslegung gezeigt. Diese wird 

softwarebasiert am Computer durchgeführt. So kann 

vorab bereits die Güte der Schmelzeverteilung erkannt 

und die Werkzeugkonstruktion entsprechend angepasst 

werden. Ein einleuchtendes Beispiel hierzu ist eine filigrane 

Struktur, die in einem bestimmten Bereich die 

dort voreilende Schmelze bremsen soll. Das Aufschweißen 

der Struktur als Fließwiderstand am realen Werkzeug 

ist sehr aufwendig, das Hinzufügen bei der Konstruktion 

am Computer hingegen nicht. So kann in Strömungssimulationen 

bereits vorher die geeignete Lage 

und Gestalt der Bremse ermittelt werden. 

Bei der Formoptimierung des Fließkanals in der Software 

kann zwischen verschiedenen Arten unterschieden 

werden. Die einfachste Art der Geometrieänderung besteht 

darin, dass der Anwender aufgrund der Ergebnisse 

der vorherigen Berechnung die Geometrie basierend auf 

seinen Erfahrungswerten neu erzeugt. Nachteilig hierbei 

ist, dass die Optimierung durch die Neuerstellung der 

Geometrie in jedem Optimierungsschritt sehr arbeitsintensiv 

ist und stark vom Benutzer abhängt. 

Automatisiert ablaufende Optimierungsmethoden 

basieren auf einer Extremwertsuche. Dabei werden 

freigegebene Parameter im System solange verändert, 

bis ein Zielfunktional, auch Qualitätsfunktion genannt, 

minimal oder maximal wird. Eine Übersicht 

dieser Algorithmen bietet [3, 4]. Bei gradientenbasierten 

Optimierungsalgorithmen führt jeder Rechenschritt 

näher zur Bergspitze, also dem Extremum. 

Durch die Berücksichtigung des Gradienten bei der 

Auswertung des Zielfunktionals lässt sich die Extremwertsuche 

beschleunigen. Die Berechnung des 

Gradienten kann sehr rechenintensiv sein, bei einer 

Approximation durch Finite Differenzen steigt allerdings 

auch der Rechenaufwand durch viele, nah beieinander 

liegende Funktionsauswertungen. Aufgrund 

dessen ist die Optimierung über den analytisch ausgewerteten 

Gradienten zu bevorzugen. Vorteile dabei 

sind die geringe Anzahl an Funktionsauswertungen 


3 / 2011 

55

Hauptbeitrag 

und damit Simulationen und die Konvergenz zu einem 

lokalen Extremum. 

Generell können durch die Verwendung von Optimierungsverfahren 

nicht intuitive Lösungen berücksichtigt 

werden. Für die Fließkanaloptimierung bedeutet dies, 

dass sich auch Lösungen finden lassen, die über das Erfahrungswissen 

des Werkzeugmachers hinausgehen. 

Derzeit wird es noch sehr selten umgesetzt, die Strömung 

in einem Fließkanal aus Strömungssimulation und 

Optimierung in einem geschlossenen Programm zu berechnen 

und den Fließkanal automatisch so lange zu 

variieren, bis eine optimale Profilaustragung erreicht 

wird. Meist ist nach jedem Simulationsschritt eine Interaktion 

nötig, bei der eine veränderte Geometrie ausgewählt 

wird. Eine mögliche Erleichterung der Auslegung 

von Fließkanälen in der Profilextrusion soll daher 

im Weiteren präsentiert werden. 

1. Auslegungsziele bei der Profilextrusion 

Die Qualität eines Profils ist dann hoch, wenn die Anforderungen 

an die Genauigkeit der Abformung und die 

Oberflächengüte sowie die Funktionseigenschaften erfüllt 

sind. Im Folgenden werden allerdings einige Effekte, die 

auch Einfluss auf die Profilqualität haben, nicht berücksichtigt, 

da diese Effekte erst nach dem Verlassen der 

Schmelze aus dem Werkzeug am Profil angreifen. Beispielsweise 

sei das Aufschwellen des Profils nach dem 

Wegfall des Formzwangs nach dem Werkzeug angeführt. 

Bei der rheologischen Auslegung der Fließkanals bis 

zum Werkzeugende gelten folgende Ziele mit unterschiedlichen 

Prioritäten [1]: 

Die Geschwindigkeitsverteilung der Schmelze am 

Austritt soll möglichst gleichmäßig sein, damit sich 

die Profilgeometrie möglichst wenig durch Umlagerung 

des Geschwindigkeitsprofils ändert. 

Ein möglichst geringer Druckverlust soll zwischen 

Werkzeugeintritt und -austritt auftreten, damit auf 

leistungsfähigere, aber sehr teure Extruder verzichtet 

werden kann. 

Geringe mittlere Verweilzeiten sind vor allem bei 

thermisch empfindlichen Materialien gewünscht. 

Daher gilt es auch, Totwassergebiete im Fließkanal 

zu vermeiden. 

Ein geringes Verweilzeitspektrum ermöglicht ein 

schnelles Wechseln des Materials. 

Die Schmelze sollte entlang des Fließweges stetig 

beschleunigt werden. 

Die Wandschubspannungen sollen weder so klein 

sein, dass sich Ablagerungen an den Wänden bilden 

können, noch so groß sein, dass das Material zu sehr 

geschädigt wird. 

BILD 1: 

schematisches 

Vorgehen bei der 

Auslegung von 

Profilextrusionswerkzeugen 

BILD 2: 

mathematische 

Beschreibung der 

Auslegungsziele 

56 


3 / 2011

2. Mathematische Beschreibung der 

Auslegungsziele 

Um bestimmte Auslegungsziele bei der Optimierung 

zu berücksichtigen, ist es nötig, diese in dem Zielfunktional 

zu beschreiben. Das Zielfunktional J 

stellt dabei eine Summe aus Einzelzielen dar, deren 

Priorität im Zielfunktional gewichtet werden kann: 

(1) 

Die Aufgabe besteht darin, die Inhalte der verschiedenen 

Auslegungsziele in mathematische Beschreibungen zu 

fassen. Exemplarisch wird in Bild 2 die mathematische 

Beschreibung einer gleichmäßigen Geschwindigkeitsverteilung 

am Werkzeugaustritt und eines geringen 

Druckverlusts an einem Fließkanal mit L-förmigem Austrittsquerschnitt 

gezeigt. Dabei wird das Zielfunktional 

so aufgebaut, dass es bei der Optimierung minimiert 

wird. Analog müssen zur Berücksichtigung weiterer 

Auslegungskriterien mathematische Zusammenhänge 

dafür ermittelt werden. 

Bei der Beschreibung einer gleichmäßigen Austrittsgeschwindigkeit 

bieten sich zwei Alternativen 

an: In der ersten wird der Geschwindigkeitsgradient 

in tangentialer Richtung über einer reduzierten Austrittsfläche 

integriert. Diese Reduzierung um die Au- 

ßenkontur ist notwendig, da an der Außenkontur 

Wandhaftung angenommen wird. Dies bedeutet, dass 

dort auch im optimierten Profil große Gradienten auftreten. 

Die zweite Möglichkeit sieht vor, dass man die 

Austrittsfläche in Teilflächen unterteilt. Die Fehlerquadrate 

der mittleren Geschwindigkeit der Teilflächen 

zur mittleren Geschwindigkeit der Gesamtfläche 

sollen bei der Optimierung minimiert werden. 

Ein geringer Druckverlust im Werkzeug lässt sich mathematisch 

als Differenz der integrierten Drücke über 

der Ein- beziehungsweise Austrittsfläche beschreiben. 

3. Das FEM-Programm XNS und die Optimierung 

Da die Lösung der Strömungsgleichungen bei komplizierten 

Geometrien in der Profilextrusion analytisch 

nicht möglich ist, wird auf die Hilfe numerischer Lösungsansätze 

wie der Finiten-Elemente-Methode (FEM) 

zurückgegriffen. Dabei wird die durchströmte Geometrie 

durch diskrete Punkte in einem Netz beschrieben. 

Auf diesem Netz werden die Navier-Stokes-Gleichungen 

numerisch gelöst und Strömungsparameter wie Druck 

und Geschwindigkeiten können in jedem Knoten ausgewertet 

werden. 

Am Lehrstuhl für Computergestützte Analyse Technischer 

Systeme (CATS) an der RWTH Aachen wird 

Optimierungsalgorithmus 

Geometrieparameter 

Zielfunktional 

und Gradient 

Optimierungsziele 

Geometriekernel 

Startgeometrie 

x, y, z u, ∆p 

XNS 

BILD 3: 

Kopplung des 

FEM-Programms 

XNS mit einem 

Optimierungsalgorithmus 

BILD 4: 

Geometriebeschreibung 

über Kontrollpunkte 

[7] 


3 / 2011 

57

Hauptbeitrag 

ein solches FEM-Programm namens XNS entwickelt 

und dazu ein Formoptimierungsalgorithmus integriert 

[5, 6, 7]. Die integrative Zusammenarbeit zwischen 

dem Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) 

und CATS ergibt einige Vorteile für die Anwendung 

eines Strömungslösers im Vergleich zu den Arbeiten 

mit kommerziell erhältlichen Programmen. Erweiterungen, 

wie neue Materialmodelle, können schnell in 

das Programm aufgenommen werden. Ein weiterer 

Vorteil: das Programm eignet sich aufgrund der Programmarchitektur 

für hochparalleles Rechnen auf 

Großrechnern. Diese Aufteilung der Berechnungsarbeit 

auf viele Prozessoren stellt einen wichtigen Aspekt 

bei der Verringerung der Rechenzeit dar. In Bild 3 

wird der Zusammenhang zwischen dem Strömungslöser 

XNS und dem Optimierungsalgorithmus gezeigt. 

Eine erste Startgeometrie mit einem Netz bildet die 

Ausgangslage. XNS berechnet für diese Geometrie die 

Strömung. Aus den ermittelten Strömungsgrößen ergibt 

sich ein Wert des Zielfunktionals, in dem die Optimierungsziele 

mathematisch hinterlegt sind. Neben 

dem Wert des Zielfunktionals erhält man auch dessen 

Gradienten. Diese Werte werden an den Optimierungsalgorithmus 

weitergeleitet. Der Optimierungsalgorithmus 

bestimmt daraus die Geometrieparameter für eine 

Geometrievariation, wobei mit Hilfe des Gradienten 

eine günstige Aufstiegs-/Abstiegsrichtung der Optimierung 

ermittelt werden kann. Die Geometrieparameter 

beschreiben bestimmte Kontrollpunkte, welche 

die zur Optimierung freigegebene Fläche aufspannen. 

Diese werden umpositioniert, und es ergibt sich eine 

neue Geometrie. Die Gestalt der Oberfläche zwischen 

den Kontrollpunkten wird durch mathematisch definierte 

Kurven (zweidimensional) oder Flächen (dreidimensional) 

modelliert, auch Splines beziehungsweise 

Spline-Patches genannt. Die Gestalt der Oberfläche 

wird durch die Anzahl, Position und Gewichtung der 

Kontrollpunkte gesteuert. Schematisch ist dies in Bild 4 

dargestellt. 

Anschließend wird das alte FEM-Netz so verschoben, 

dass das Netz die neue Geometrie beschreibt. Dadurch, 

dass das Netz nur verschoben, aber nicht neu erstellt 

wird, verringert sich der Aufwand massiv. Dieser Zyklus 

wiederholt sich nun solange, bis ein Minimum des 

Zielfunktionals gefunden wird. 

4. Verwendetes Materialmodell 

Um mit dem Strömungslöser XNS die Strömung einer 

Kunststoffschmelze in einem Werkzeug berechnen zu 

können, muss ein geeignetes Materialmodell zur Beschreibung 

des spezifischen Verhaltens von Kunststoffen 

in der Software implementiert sein. Ein verbreitetes 

Modell zur Berücksichtigung des strukturviskosen Verhaltens 

von Thermoplastschmelzen ist das Carreau- 

Modell (Gleichung (2)) [8]. Dieses Modell wurde in XNS 

implementiert und anschließend validiert [9]. Im Carreau-Modell 

wird der Zusammenhang zwischen der 

Viskosität und der Scherrate über die Parameter A 

(Nullviskosität), B (reziproke Scherrate beim Übergang 

zum strukturviskosen Verhalten) und C (Steigung im 

strukturviskosen Bereich) beschrieben. 

(2) 

Überprüft wird die Erweiterung durch den Vergleich 

der Simulationsergebnisse mit praktischen Untersuchungen 

bei einer Werkzeuggeometrie mit einem U-förmigen 

Austrittsquerschnitt. Als Material werden ein 

Acryl-Butadien-Styrol (ABS) des Typs Novodur P2HE der 

Firma Lanxess AG, Leverkusen, und ein Polypropylen 

(PP) des Typs Moplen HP 501H der Firma Basell Polyolefine 

GmbH, Wesseling, ausgewählt. Zusätzlich wird 

jeweils zwischen 3 Massetemperaturen und Volumenströmen 

variiert. Die genauen Prozessparameter sind in 

Tabelle 1 aufgelistet. 

Exemplarisch wird die Validierung anhand der Geschwindigkeitsverteilung 

am Austritt des U-Kanals 

für den Betriebspunkt ABS, 220 °C Massetemperatur 

und 3,5 dm 3 /h gezeigt (Bild 5). Die U-förmige Austrittsfläche 

wird in 16 Teilflächen unterteilt, um lokale mittlere 

Geschwindigkeiten zu erhalten. In der Darstellung 

in Bild 5 sind die Schenkel des U zu Gunsten der besseren 

Lesbarkeit umgeklappt. Beim Vergleich zeigt sich 

eine gute Übereinstimmung zwischen Simulation und 

Praxis für den Brückenteil und den rechten Schenkel. 

Im linken Schenkel ist ein Unterschied zu erkennen, 

der dadurch zu erklären ist, dass der reale Spalt im 

Werkzeug fälschlicherweise größer ausfiel als in der 

Simulationsgeometrie. So stand kein identisches Modell 

der verfälschten realen Geometrie für die Simulation 

zur Verfügung. 

5. Ergebnisse der Geometrieoptimierungen 

Nach der Implementierung eines geeigneten Materialmodells 

werden erste Rechnungen mit XNS mit einer 

Ankopplung des automatischen Geometrieoptimieres 

durchgeführt. Die ersten Untersuchungen werden an 

zweidimensionalen Geometrien durchgeführt [7]. 

In Bild 6 ist der Ausgangsfließkanal eines Doppelspalts 

dargestellt. Eine Strömungsberechnung der Originalgeometrie 

zeigt ein deutlich ungleichmäßiges 

Geschwindigkeitsprofil am Austritt, das durch den 

unterschiedlich hohen Fließwiderstand in den zwei 

Schlitzen entsteht. Für die Optimierung wird die halbkreisförmige 

Berandung und die innere Wand des unteren 

Spaltes bis kurz vor dem Austritt freigegeben. 

Nach einigen Optimierungsschritten ergibt sich automatisch 

die im Bild 6 rechts dargestellte Fließkanalgeometrie 

mit entsprechender Geschwindigkeitsverteilung 

am Austritt. In diesem Fall wird im Zielfunktional 

allein eine gleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung 

als optimales Auslegungsziel hinterlegt. Dieses 

Ziel kann durch die Geometrieanpassung erreicht 

werden. Am Ende der Optimierung liegt der Wert für 

das Zielfunktional nahezu bei Null. Dies bedeutet, dass 

ein globales Minimum gefunden wurde. Im Bild zeigt 

es sich dadurch, dass beide Spalte nun am Austritt eine 

einheitliche Geschwindigkeitsverteilung aufweisen. 

Je mehr Bereiche zur Optimierung freigegeben werden 

und je mehr Kontrollpunkte in diesen Bereichen 

die Kontur beschreiben, desto aufwendiger werden 

die Rechnungen. 

58 


3 / 2011

ABS 

PP 

Massetemperatur 

[°C] 

Volumenstrom 

[dm 3 /h] 

Massetemperatur 

[°C] 

Volumenstrom 

[dm 3 /h] 

220 

240 

260 

1 

1 

2 200 

2 

3,5 3,5 

1 

1 

2 220 

2 

3,5 3,5 

1 

1 

2 240 

2 

3,5 3,5 

TABELLE 1: 

Prozessparameter 

bei der Überprüfung 

des 

implementierten 

Carreau-Modells 

in XNS 

BILD 5: Vergleich der 

mittleren Austrittsgeschwindigkeit 

beim 

U-Profilfließkanal (ABS, 

220 °C, 3,5 dm 3 /h) [9] 

BILD 6: Geometrieoptimierung 

am 

zweidimensionalen 

Doppelspalt [7] 

BILD 7: 

Erste Ergeb nisse einer 

dreidimensionalen 

Geometrieoptimierung 

[7] 


3 / 2011 

59

Hauptbeitrag 

Nach der erfolgreichen Optimierung der zweidimensionalen 

Geometrien wurde das Programm auf die Anwendbarkeit 

bei dreidimensionalen Geometrien erweitert. 

Bei dreidimensionalen Geometrien reicht die Beschreibung 

der zur Optimierung freigegebenen Flächen 

durch Splines, die durch die einzelnen Kontrollpunkte 

definiert sind, nicht mehr aus. Die Splines werden zu 

Spline-Patches, also Flächen erweitert, die ebenfalls 

durch die Lage der dreidimensional verteilten Kontrollpunkte 

beschrieben werden. 

Eine erste dreidimensionale Geometrieoptimierung 

ist in Bild 7 dargestellt. Allerdings werden von den 

16 Kontrollpunkten zunächst nur zwei freigegeben. Daher 

ist die Auswirkung dieser Geometrieänderung nur 

marginal. Jedoch kann eine erste erfolgreiche Veränderung 

der Strömung beobachtet werden. Diese Optimierungsrechnung 

wurde auf 128 Prozessoren parallel 

berechnet und benötigte 8 Stunden, bis ein lokales Minimum 

des Zielfunktionals (gleiche mittlere Austrittsgeschwindigkeit) 

gefunden wurde. 

6. Fazit und Ausblick 

Die automatische Gestaltung eines idealen Fließkanals 

nur unter Vorgabe der Eintritts- und der Austrittsgeometrie 

ist das Ziel der Forschungsarbeiten. Schon jetzt 

können Erfolge bei der Entwicklung einer Methodik 

zum automatischen Optimieren vorhandener Fließkanäle 

gezeigt werden. Die Strömungssoftware XNS kann 

das strukturviskose Fließverhalten von Kunststoffschmelzen 

darstellen. Durch die Kopplung mit einer 

gradientenbasierten Optimierungsmethode kann die 

Variation von Fließkanälen automatisiert ablaufen. Die 

Autoren 

Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Walter Michaeli 

(geb. 1946) ist Inhaber des Lehrstuhls für Kunststoffverarbeitung 

an der RWTH Aachen und Leiter 

des Instituts für Kunststoffverarbeitung (IKV). 

RWTH Aachen, 

Institut für Kunststoffverarbeitung, 

Pontstr. 49, D-52062 Aachen, 

Tel. +49 (0) 241 809 38 06, 

E-Mail: zentrale@ikv.rwth-aachen.de 

Dipl.-Ing. Stefanie Elgeti (geb. 1981) ist seit 

2006 wissenschaftliche Mitarbeiterin am CATS 

und arbeitet auf dem Gebiet der numerischen 

Opti mierung von Extrusionswerkzeugen. 

RWTH Aachen, 

Lehrstuhl für Computergestützte Analyse 

Technischer Systeme, Schinkelstr. 2, D-52062 Aachen, 

Tel. +49 (0) 241 809 99 22, 

E-Mail: elgeti@cats.rwth-aachen.de 

Dipl.-Ing. Christian Windeck (geb. 1982) 

ist seit 2008 wissenschaftlicher Mitarbeiter 

am IKV und arbeitet auf dem Gebiet der 

Auslegung von Extrusionswerkzeugen 

und CAE. 

RWTH Aachen, 

Institut für Kunststoffverarbeitung, 

Pontstr. 49, D-52062 Aachen, 

Tel. +49 (0) 241 802 72 71, 

E-Mail: windeck@ikv.rwth-aachen.de 

Dipl.-Math. Markus Probst (1979) ist seit 

2006 wissenschaftlicher Mitarbeiter am CATS 

und arbeitet auf dem Gebiet der Formoptimierung 

für Fluidströmungen und der mathematischen 

Modellierung von Blutschädigung. 

RWTH Aachen, 


technischer Systeme, Schinkelstr. 2, D-52062 Aachen, 

Tel. +49 (0) 241 809 99 21, 

E-Mail: probst@cats.rwth-aachen.de 

Prof. Marek Behr, PhD, (geb. 1965) ist 

Inhaber des Lehrstuhls für Computergestützte Analyse 

Tech nischer Systeme (CATS) an 

der RWTH Aachen. 

RWTH Aachen, 


Technischer Systeme, 

Schinkelstr. 2, D-52062 Aachen, 

Tel. +49 (0) 241 809 99 00, 

E-Mail: behr@cats.rwth-aachen.de 

Dipl.-Ing. Mike Nicolai (1975) ist seit 2005 

wissenschaftlicher Mitarbeiter am CATS und 

arbeitet auf dem Gebiet der Formoptimierung 

angewendet auf Fluide. 

RWTH Aachen, 


technischer Systeme, 

Schinkelstr. 2, D-52062 Aachen, 

Tel. +49 (0) 241 8 09 99 20, 

E-Mail: nicolai@cats.rwth-aachen.de 

60 


3 / 2011

Ziele einer rheologischen Werkzeugauslegung können 

mathematisch beschrieben und in die Berechnung eingebracht 

werden. Testrechnungen zeigen die Anwendbarkeit 

des Optimierungskonzepts. Die ersten Schritte 

zur Übertragung des Vorgehens auf dreidimensionale 

Fließkanalgeometrien sind abgeschlossen. Jetzt geht es 

darum, eine geeignete Anzahl und Lage der Kontrollpunkte 

zu finden, damit die gesamte Rechenzeit einer 

Optimierung sinkt. 


02.06.2010 

Danksagung 


Die vorgestellten Arbeiten wurden von der 

Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im 

Rahmen des Exzellenzclusters „Integrative 

Produktionstechnik für Hochlohnländer“ finanziell 

gefördert. Ihr gilt unser ausdrücklicher Dank! 

Außerdem danken wir der Graduiertenschule AICES 

für die Nutzungsmöglichkeit ihres Rechenclusters. 

Referenzen 

[1] Michaeli, W.: Extrusion Dies for Plastics and Rubber. München: Carl Hanser 

Verlag 2009 

[2] Szarvasi, I.; Sienz, J.; Pitman, J.; Hinton, E.: Computer aided Optimisation of 

profile extrusion dies: Definition and assessment of the objective function. 

International Polymer Processing (2000) 1, S. 28-39 

[3] Nocedal, J.; Wright, S.J.: Numerical Optimization, New York: Springer 

Verlag, 1999 

[4] Kaul, S.: Rechnergestützte Optimierungsstrategien für Profil-Extrusionswerkzeuge. 

Aachen, Institut für Kunststoffverarbeitung an der RWTH 

Aachen, Dissertation, 2004 - ISBN: 3-86130-492-9 

[5] Nicolai, M; Behr, M.: Portable optimization framework for serial and parallel 

machines. In: Second European Conference on Computational Optimization, 

Montpellier, 3. April 2007 

[6] Wylie, B.J.N.; Geimer, M.; Nicolai, M.; et al.: Performance analysis and tuning of 

the XNS CFD solver on BlueGene/L, Lecture Notes in Computer Science 4757 Proc. 

14th EuroPVM/MPI Conf. (Paris, France), Springer-Verlag, Sep. 2007, S. 107-116 

[7] Michaeli, W.; Behr, M.; Nicolai, M.; Probst, M.; Elgeti, S.; Fink, B.; Windeck, 

C.: Towards Shape Optimization of Extrusion Dies Using Finite Elements. 

Zeitschrift Kunststofftechnik 5 (2009) 6, S. 411-427. 

[8] Carreau, P. J.: Rheological equations from Molecular Network Theories. 

Ph.D. Thesis, Unversity of Wiscosin 1968 

[9] Michaeli, W.; Behr, M.; Nicolai, M.; Probst, M.; Elgeti, S.; Fink, B.; Windeck, C.: 

Profilwerkzeuge automatisch optimieren. Kunststoffe 7 (2009) 99, S. 45-48. 

Automatisierungstechnische Praxis 

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✘ 


PAATPE0810

Praxis 

Virtuelle Inbetriebnahme senkt die Kosten 

und erhöht die Sicherheit 

Holländischer Wasserversorger simuliert Automatisierungstechnik schon in der Planungsphase 

Durch den Test 

von Automatisierungstechnik 

bereits in der 

Planungsphase 

spart der Wasserversorger 

PWN 

Kosten und Zeit. 

Er setzt dafür die 

„Simit“-Emulationsplattform 

ein, 

im Bild die 

zugehörige 

Bedienstation. 

Bild: Siemens 

Während Industrieanlagen immer individueller werden, 

wachsen gleichzeitig die Erwartungen an eine 

hohe Verfügbarkeit und Effizienz. Änderungen und Erweiterungen 

erstrecken sich heute bis weit in die Betriebsphase. 

Die Folge sind komplexere Projekte, engere 

Zeitrahmen und mehr Arbeiten. Mit der Siemens-Testplattform 

„Simit“ können Leittechnik- und Simatic-Anwendersoftware 

noch vor einer Anlagenerneuerung simuliert 

werden. 

Der holländische Wasserversorger PWN (Provinciale 

Waterleidingbedrijf Noord-Holland) testet Automatisierungstechnik 

bereits während der Planungs- und Umsetzungsphase 

durch Simulationen. So kann im Vorfeld 

einer Modernisierung oder Erweiterung das wesentliche 

Anlagenverhalten geklärt und mit Anlagenbetreibern, 

Maschinenbau- und Elektroausrüstern abgestimmt werden. 

Dadurch lässt sich die korrekte Funktion der Automatisierung 

in jeder Projektphase einfach und nachvollziehbar 

überprüfen. Fehler können frühzeitig erkannt 

und korrigiert sowie Kosten und Zeitaufwand 

reduziert werden. Für diese virtuellen Tests nutzt PWN 

die „Simit“-Emulationsplattform von Siemens. 

EMULATIONSPLATTFORM AHMT PLC-SYSTEM NACH 

Um aber auch die Anlagensteuerung nachbilden zu 

können, kann eine zusätzliche Emulationsplattform 

eingesetzt werden. Sie ersetzt die Simatic-S5- und -S7- 

Steuerungen (PLCs: Programmable Logic Controller) 

während der Prozesssimulation. Die Simit-Emulations- 

plattform beinhaltet eine Engineering-Grundstruktur, 

um die Ressourcenbelegung festzulegen, eine Laufzeitumgebung, 

um die verschiedenen PLC-Emulationen zu 

koordinieren, sowie die eigentlichen SoftPLCs. Diese 

laufen als individuelle Prozesse ab und führen den ursprünglichen 

S7/S5-Code aus. 

Auf einem normalen Windows-PC imitieren sie reelle 

S7/S5-PLCs. So kann die Emulationsplattform das eigentliche 

PLC-System nachahmen und sogar zusätzliche 

Funktionalitäten wie Screenshots oder eine Rückverfolgung 

bereitstellen. Darüber hinaus besitzt die Emulationsplattform 

Schnittstellen zum Engineering-, zum 

HMI- sowie zum Prozess-Modell-System. Aber auch die 

Anbindung an andere Systeme ist möglich. Wird die 

Emulationsplattform als Engineering-Werkzeug genutzt, 

erleichtert sie Tests und Überprüfungen von Automatisierungssystemen 

– beispielsweise mit der Simit-Simulationsplattform. 

Mit ihr können alle steuerungs- und 

regelungstechnischen Funktionen der Anlage wie Abläufe, 

Bedienhandlungen sowie die Reaktion auf Störungen 

und Fehlbedienungen abgebildet werden. 

DETAILLIERTE TESTS VOR SOFTWAREÄNDERUNG 

PWN setzt die Simit-Emulationsplattform seit Herbst 

2009 ein. Das Unternehmen versorgt in Nordholland 

750 000 Haushalte mit 106 Millionen Kubikmeter Trinkwasser. 

Für die Automatisierung aller Produktions- und 

Verteilungsanlagen kommt das Prozessleitsystem Simatic-PCS7 

zum Einsatz, sodass ein vollautomatischer 

62 


3 / 2011

SIMULATION AUCH OHNE TESTHARDWARE MÖGLICH 

Die Simit-Emulationsplattform ist unabhängig vom Vorhandensein 

geeigneter Testhardware und kann einfach 

aktuell und betriebsbereit gehalten werden. Darüber 

hinaus muss die Software nicht an die Simulationsumgebung 

angepasst werden. Die SoftPLCs können direkt 

vom Engineering-Arbeitsplatz aus programmiert werden. 

Zehn SoftPLCs werden auf zwei PCs verteilt, auf 

einem dritten PC läuft Simit. Zur Testumgebung gehören 

auch eine Engineering-Station sowie diverse Bedienstationen. 

Simit kann direkt an die Emulationsplattform angeschlossen 

werden und versorgt diese mit originalgetreuen 

Prozessdaten. Damit lässt sich die Automatisierung 

sogar direkt im Büro auf ihre korrekte Funktion 

überprüfen. Die Inbetriebsetzung der Automatisierungssoftware 

findet also ohne die „echte“ Anlage statt 

– und damit auch ohne unnötige Belastungen der mechanischen 

Komponenten. Sogar Störfälle, die aufgrund 

ihres hohen Gefährdungspotenzials für Mensch, 

Maschine und Umwelt nicht real in der Anlage getestet 

werden können, lassen sich auf diese Weise beliebig oft 

reproduzieren. 

Betrieb möglich ist. Früher wurde die Steuerungssoftware 

mithilfe von Ein-/Ausgabe-Schalttafeln, Simba- 

Pro/WinIPES und WinCC-Scripts getestet. Doch seit 

2009 übernimmt Simit mithilfe der zugehörigen Emulationsplattform 

diese Aufgabe. 

Derzeit werden an der Steuerungssoftware einige größere 

Änderungen vorgenommen. Für eine unterbrechungsfreie 

Versorgung ist die Qualität der Software 

aber äußerst wichtig. Deshalb werden in Zusammenarbeit 

mit dem Anlagenbetreiber detaillierte Softwaretests 

durchgeführt. Um Schäden an den installierten Systemen 

vorzubeugen, werden Normalbetrieb sowie ungewöhnliche 

Szenarien gründlich durchgetestet. 

Für jede Hardware, die in den Anlagen von PWN typischerweise 

eingesetzt wird (wie Ventile, Pumpen, Sensoren), 

wird eine Simit-Modellvorlage erstellt. Das eigentliche 

Modell kann dann aus der entsprechenden 

Vorlage und den PCS7-Projektdaten automatisch generiert 

werden. 

AUSDEHNUNG AUF HYDRAULIK UND WASSERQUALITÄT 

Durch die hohe Testfallabdeckung werden Qualität, 

Verfügbarkeit und Anlagensicherheit erhöht. Simit erlaubt 

es zudem, Softwareänderungen unabhängig von 

der realen Anlage durchzuführen und zu testen. Die 

ausgereifte Software-Lösung lässt sich so während der 

geplanten Stillstandszeiten reibungslos installieren – 

ohne negative Auswirkungen auf den laufenden Betrieb. 

Die Inbetriebnahme der Anlage bei PWN verlief 

problemlos, nachdem alle Funktionen vorab am Simit- 

Modell überprüft wurden. 

Mit Simit stand dem Betriebspersonal eine gemeinsame 

Plattform zur Verfügung, um die Umsetzung der automatisierungstechnischen 

Aufgabenstellung objektiv 

zu verifizieren. „Wir wollen im Rahmen eines Pilotprojektes 

auch die Vorteile evaluieren, die eine Kopplung 

des bestehenden Systems mit hydraulischer Simulation 

und Modellen für die Wasserqualität bringt“ ergänzt 

Gerrit Veerman vom PWN-Management. Aufbauend auf 

den Ergebnissen dieser Studie erwägt PWN, Simit zusätzlich 

für prozesstechnologische Untersuchungen und 

Operator-Training-Systeme zu nutzen. 

autor 

Jürgen Raab ist Teamleiter 

Simulation Based 

Test&Training im Siemens 

Simulation Center 

Siemens Industry Solutions, 

Werner-von-Siemens-Straße 60, D- 91050 Erlangen, 

Tel. +49 (0) 9131 74 33 26, 

E-Mail: juergen.raab@siemens.com, 

Internet: www.siemens.com 


3 / 2011 

63

Praxis 

Drahtloses Überwachungsnetzwerk sorgt für 

optimierte Temperaturregelung im Stahlwerk 

Bluescope Steel steuert den Ofen nun wesentlich zuverlässiger und produziert mehr 

Das fest verdrahtete Überwachungsnetzwerk mit Hunderten 

von Kabelverbindungen war letztlich den Anforderungen 

der rauen Umgebung nicht gewachsen: Starke 

elektromagnetische Felder, herumfliegende Schlacke, 

Vibrationen, Feuchtigkeit und Temperaturen bis zu 

1650 °C setzten dem System in einem Mini-Stahlwerk 

von Northstar Bluescope Steel in Delta, Ohio (USA), so 

stark zu, dass es immer wieder zu Störungen in der Ofenregelung 

kam. Die Anlage musste heruntergefahren werden, 

teilweise teure Reparaturen wurden erforderlich. 

Seit das Unternehmen statt dessen ein Smart-Wireless- 

Netzwerk von Emerson Process Management einsetzt, 

konnte die Produktion deutlich gesteigert werden. 

JEDEN TAG EINE CHARGE ZUSÄTZLICH 

„Dank der verbesserten Temperaturregelung durch die 

Wireless-Lösung konnten wir eine weitere Charge pro 

Tag hinzufügen“, sagte Rob Kearney, Wartungsleiter bei 

Northstar Bluescope Steel. „Das ist ein bedeutender Vorteil, 

da jede Charge fast 145 000 Euro wert ist.“ 

Kearney beschreibt die Probleme mit der alten, kabelgebundenen 

Technik so: „Durch die hohen Temperaturen 

oder Schäden an Sensoren, Kabeln oder Kabelschutzrohren 

schlugen zwischen neun und zwölf Messungen pro 

Woche fehl. Und wenn ein Fehler an einer Messposition 

auftritt, muss der Ofen heruntergefahren werden. Durch 

die neue Wireless-Lösung entfallen nahezu 100 Prozent 

aller Kabel und Kabelschutzrohre, was die Wartungskosten 

um 145 000 Euro pro Jahr senkte.“ 

SCHWERE SCHÄDEN DURCH STEUERUNGSFEHLER 

Das in dem Stahlwerk eingesetzte selbstorganisierende 

Netzwerk von Emerson basiert auf dem IEC 62591 (Wireless 

Hart)-Standard und erfasst Daten zur Temperaturregelung 

von Kühlflächen und wassergekühlten Brennern 

am Lichtbogenofen des Stahlwerks. Diese Daten 

sind unerlässlich für den sicheren Betrieb des Ofens. 

Überhitzte Kühlflächen können schwere Schäden am 

Ofen verursachen, wobei die Reparatur einer durchgebrannten 

Kühlfläche bis zu 14 500 Euro kosten kann. 

Dazu kommt noch der Produktionsausfall, wenn der 

Ofen während Wartungs- oder Reparaturarbeiten heruntergefahren 

werden muss. 

MITARBEITER SELTENER DER HITZE AUSGESETZT 

Das Wireless-Netzwerk umfasst 32 Wireless-Rosemount- 

Temperaturmessumformer von Emerson, von denen 28 

für die Regelung und vier für die Überwachung verwendet 

werden. Die Messumformer senden die Daten zum 

Smart Wireless Gateway, das mit dem System zur Transformatorregelung 

und Brennersteuerung des Stahlwerks 

verbunden ist. 

„Auch die Sicherheit hat sich verbessert“, betont Wartungsleiter 

Kearney. „Die Kühlflächen des Ofens arbeiten 

kontinuierlich mit einer sicheren Temperatur. Und nahe 

der heißen Außenfläche des Ofens, wo eine Umgebungstemperatur 

von 60 °C herrschen kann, müssen weniger 

Wartungsarbeiten durchgeführt werden.“ 

Aufgrund des Erfolgs mit den Smart-Wireless-Lösungen 

von Emerson plant Northstar Bluescope, bei einem 

weiteren Lichtbogenofen eine ähnliche Wireless-Lösung 

zu implementieren. 

Emerson Process Management GmbH & Co. OHG, 

Industriestraße 1, D-63594 Hasselroth, 

Tel. +49 (0) 6055 88 40, Internet: www.emersonprocess.de 

Northstar 

Bluescope 

Steel verwendet 

die Smart-Wireless-Technologie 

von Emerson 

zur Temperaturüberwachung 

und -regelung bei 

einem Lichtbogenofen 

im 

Werk in Delta, 

Ohio, USA. 

Bild: Emerson 

64 


3 / 2011

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Verlag: 

Oldenbourg Industrieverlag GmbH 

Rosenheimer Straße 145 

D-81671 München 

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Geschäftsführer: 

Carsten Augsburger 

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Publisher: 

Wolfgang Mönning 

Herausgeber: 

Dr. V. Huck 

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Dipl.-Ing. H. Kumpfmüller 

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Dr.-Ing. K. D. Bettenhausen 

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Organschaft: 

Organ der GMA (VDI/VDE-Gesellschaft 

Mess- und Automatisierungstechnik) 

und der NAMUR (Interessengemeinschaft 

Automatisierungstechnik 

der Prozessindustrie). 

Redaktion: 

Gerd Scholz 

(verantwortlich) 

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E-Mail: scholz@oiv.de 

Anne Hütter 

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Einreichung von Hauptbeiträgen: 

Prof. Dr.-Ing. Frank Schiller 

(Chefredakteur, verantwortlich für 

die Hauptbeiträge) 

Technische Universität München 

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in Maschinenwesen 

GF Automatisierungstechnik 

Boltzmannstraße 15 

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Fachredaktion: 

M. Blum 

Prof. Dr. J. Jasperneite 

Dr. B. Kausler 

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Die atp wurde 1959 als „Regelungstechnische 

Praxis – rtp“ gegründet. 

© 2011 Oldenbourg Industrieverlag 

GmbH München 

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ISSN 2190-4111 

Die Ausgabe 4 / 2011 der 

erscheint am 28.3.2011 

Mit folgenden Beiträgen: 

Predictive Functional Control: 

Algorithmus und Testbetrieb 

Praxisrelevante Tests von Feldgeräten 

mit Profibus PA-3.02 

Plug-and-Play-Maschinenvisualisierungen 

für flexible 

Automatisierungssysteme 

Optimierung der Bewegung 

elastischer Stoffbahnen 

in der Industrie 

System-Engineering mit 

Web Services 

...und vielen weiteren Themen. 

Aus aktuellem Anlass können sich die Themen 

kurzfristig verändern. 

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3 / 2011

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der Automatisierungstechnik. 

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und Fragen zu Ihrer Planung. 

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atp kompakt 

Methoden Verfahren Konzepte 

Sonderpreise 

für 

Abonnenten 

der atp edition 

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

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

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

ein wissenschaftliches Gutachterverfahren durchlaufen. 

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

TU München das Fachgebiet Automatisierungstechnik. 

atp kompakt Band 1 

Erfolgreiches Engineering – Die wichtigsten Methoden 

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

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

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

1. Auflage 2010, 138 Seiten mit CD-ROM, Broschur, € 79,- • ISBN: 978-3-8356-3210-3 

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Effiziente Kommunikation – Die bedeutendsten Verfahren 

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

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

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



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Praktische Messtechnik – Die besten Konzepte 

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

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

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atp kompakt Kollektion (Bände 1-3) 

Erfolgreiches Engineering Effiziente Kommunikation Praktische Messtechnik 

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

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

für Ihre tägliche und zukünftige Arbeit. 

1. Auflage 2010, ca. 282 Seiten mit CD-ROM, Broschur • € 179,- • ISBN: 978-3-8356-3221-9 


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