atp edition Bus-ID: Orientierung für Blinde an der Haltestelle (Vorschau)

7-8 / 2013
55. Jahrgang B3654
DIV Deutscher Industrieverlag GmbH
Automatisierungstechnische Praxis
Bus-ID: Orientierung für
Blinde an der Haltestelle | 36
Simulationsmodule
methodisch identifizieren | 44
Automatische Fehlerdiagnose
SPS-gesteuerter Anlagen | 54
Benutzungsschnittstellen
durchgängig entwerfen | 62
Energieeffizienz in der
Fertigung bewerten | 70

atp edition – die Referenzklasse
der Automatisierungstechnik

atp edition wurde im Jahr 2012 als „Fachmagazin
des Jahres“ vom Verband Deutsche Fachpresse
ausgezeichnet. Das Fachmagazin erhielt den Preis in der
Kategorie „Industrie/Produktion/Design“.

Automatisierung
auf den Punkt
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EDITORIAL
Die Cloud kommt …
aber erst in etwa fünf Jahren. So lautet das Ergebnis der aktuellen repräsentativen
Umfrage unter Mitgliedern unserer Fachgesellschaft, der GMA
(siehe Berichterstattung zur Automation, S. 12-19). Es gibt einige Gründe dafür,
warum wir uns heute noch nicht recht vorstellen können, dass die Cloud in
die industrielle Automation Einzug halten wird. Dennoch sind die befragten
Mitglieder der GMA davon überzeugt, dass die Cloud in der Automation ankommen
und diese verändern wird. Wenn wir in zehn Jahren auf heute zurückblicken,
werden wir uns wahrscheinlich fragen, wie die Automation ohne
die Cloud überhaupt effizient funktionieren konnte.
Fakt ist, dass die Cloud in der Automation heute noch nicht nennenswert
genutzt wird – das spiegelt auch unsere Umfrage wider. Erfolgskritischer Faktor
ist die IT-Sicherheit: Fast 84 Prozent der Befragten bestätigen das, gefolgt
von der Unsicherheit, wie mit sensiblen Daten in der Cloud umgegangen wird.
Interessant ist, dass diejenigen, die die Cloud – hauptsächlich privat – schon
nutzen, überwiegend gute Erfahrungen damit gemacht haben. Das zeigt bereits
eine gewisse grundsätzliche Akzeptanz und macht Mut für den Einsatz der
Cloud in weiteren Bereichen.
Der größte Nutzen in der Automation durch Dienstleistungen über die Cloud
wird in folgenden Bereichen erwartet: Software Update Management, Auswertung
von Störungen, Diagnose sowie Dokumentation – danach folgen erst übergreifendes
Ressourcenmanagement und Inbetriebnahmeunterstützung. Eines
jedoch sollte uns nachdenklich machen: Wer wird die Dienstleistungen über
die Cloud anbieten und damit am Markt erfolgreich sein? Hier sehen nur etwa
33 Prozent der Befragten deutsche Unternehmen auf der Erfolgsspur. Wir müssen
tatsächlich auf der Hut sein und schnell sein. Andere Nationen haben die
Entwicklungen, die in Deutschland unter „Industrie 4.0“ laufen, ebenfalls
erkannt und verfolgen ähnliche Konzepte unter anderen Namen. Beispiele aus
anderen Industrien zeigen: Der Schnellere wird den Markt für sich gewinnen.
In der vorliegenden atp edition 55(7-8) finden Sie neben der Berichterstattung
ausgewählte Hauptbeiträge unseres Kongresses Automation 2013, der am
25. und 26. Juni 2013 unter dem Motto „Automation (in the) Cloud“ stattfand
– viele Anregungen und Ideen mögen Ihnen beim Lesen kommen.
Nach dem Kongress ist vor dem Kongress. Für die grundsätzlichen Überlegungen
in diesem Jahr müssen wir im kommenden Jahr vermehrt auf erste
Umsetzungen und Anwendungen in den verschiedenen Domänen schauen.
Darum heißt das Motto des nächsten Kongresses am 1. und 2. Juli 2014:
„Smart X – powered by automation“. Ich bin gespannt, welche Sichtweise wir
dann auf die Cloud und die Umsetzung von Industrie 4.0 haben werden.
KURT D.
BETTENHAUSEN,
Vorsitzender der VDI/VDE-
Gesellschaft Mess- und
Automatisierungstechnik (GMA)
atp edition
7-8 / 2013
3

INHALT 7-8 / 2013
4
VERBAND
6 | „Energiewende 180“: Wissen über Energieeffizienz
macht Schule und gewinnt den Wettbewerb
atp edition
7-8 / 2013
Dechema kooperiert mit amerikanischem Institut
7 | Temperaturmessung: Konzepte zur Datenanalyse werden immer genauer
FORSCHUNG
8 | AMA Innovationspreis: 3D-Mikroskop und
optisches Mikrofon überzeugen die Jury
Hochschule OWL erweitert Campus in Lemgo
9 | „Mantis“ bezwingt unwegsames Gelände
BRANCHE
10 | Fieldbus Foundation präsentiert Feldprojekt
mit Remote Operations Management bei Petrobras
Namur-Hauptsitzung am 7. und 8. November 2013
zum Thema „Integrated Engineering“
11 | Reach: Verstöße gegen Chemikalienverordnung sind schon
„fast vorprogrammiert“
Smart Systems als Schwerpunkt des
Mikrosystemtechnik-Kongresses in Aachen
Lanxess steuert seine Geschäfte aus Köln
Lenkungskreis definiert „Industrie 4.0“
20 | Cyber-Sicherheit zur Chefsache machen: Firmen
sind meist ungenügend vor IT-Attacken geschützt
22 | Smart Grids: Industrie ist auf die Sicherheitsrisiken
der zunehmenden Vernetzung schlecht vorbereitet
BRANCHE | AUTOMATION 2013
12 | Kongress Automation 2013: Überraschte Preisträger
und weniger Wirbel um die Cloud als erwartet
16 | atp award 2012 geht nach Wien und Pforzheim:
Auszeichnungen für Mike Barth und Thomas Moser
17 | GMA vergibt Preise an Harbach, Kuschnerus und Schulz
18 | GMA-Umfrage zur Cloudnutzung:
Jedes zweite Unternehmen ignoriert den virtuellen Speicher

PRAXIS
24 | Pneumatische Komplettlösung
bei Infusionshersteller verringert
Komplexität und spart Kosten
26 | Doppelstocktanks und ein Verteil-Igel
sorgen im Mars-Werk für Reinigungspower
auf engstem Raum
28 | Sensibel und stabil: Schwingender
Einstab misst Füllstand von PVC-Granulat
bei Recyclinganlage
30 | IT-Infrastruktur von Rittal schützt Datenbestände
der Vatikanischen Apostolischen Bibliothek
32 | Fräsmaschine aus den USA auf Sicherheitslevel
PL d nach EN ISO 13849-1 nachgerüstet
Produkte,
Systeme
und Service
für die
Prozessindustrie?
Natürlich.
HAUPTBEITRÄGE
36 | Bus-ID: Orientierung für Blinde
an der Haltestelle
R. MEISTER, A. FAY, D. CORY, UND C. EHRING
44 | Simulationsmodule methodisch
identifizieren
M. WEYRICH UND F. STEDEN
54 | Automatische Fehlerdiagnose
SPS-gesteuerter Anlagen
S. SCHNEIDER UND L. LITZ
62 | Benutzungsschnittstellen
durchgängig entwerfen
C. MARTIN, A. BRAUNE, R.-E. EBERT, M. PLESSOW,
S. SEVERIN UND O. STERN
70 | Energieeffizienz in der Fertigung bewerten
RUBRIKEN
L. CHRISTIANSEN, T. LINNENBERG, A. FAY, C. SEITZ UND A. W. MÜLLER
3 | Editorial: Die Cloud kommt ...
78 | Impressum, Vorschau
Der PostionMaster EDP300
überzeugt durch hohe Luftleistung
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VERBAND
„Energiewende 180“: Wissen über Energieeffizienz
macht Schule und gewinnt den Wettbewerb
Der Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik
(VDE) hat die Preisträger von „Energiewende
180“ vorgestellt. Eines der ausgezeichneten Projekte
ist das Forschungsprojekt „Ines“, das im Jahr 2011
durch die Bergische Universität Wuppertal, Bilfinger
Mauell GmbH, Mainova AG und SAG GmbH gestartet
wurde. Ines ist ein integriertes intelligentes Verteil-Management-System
und stellt laut VDE eine Alternative
zum konventionellen Netzausbau dar. Seit 2012 wird das
Ines-System in mehreren Testgebieten eingesetzt.
Im ersten Schritt werden dabei bestehende Ortsnetzstationen
mit einer Ines Sbox um die Funktion Netzmonitoring
erweitert, um Auslastungsgrad und Stationszustand
zu erfassen. Darauf aufbauend können an neuralgischen
Netzknoten Mess-Sensoren (Mbox) und Regeleinheiten
(Abox) platziert werden, um das Ortsnetz zu überwachen
und zu steuern. Maximal 10 bis 15 Prozent der Netzknoten
müssen ausgerüstet werden, um den Netzzustand und
potenzielle Änderungen der Netztopologie automatisch
registrieren zu können.
Anwender können das System mit dem Ines-Berechnungsalgorithmus
Intelligent Grid Control kombinieren
und eine Maßnahmenstrategie zur Spannungs-, Blindleistungs-
und Wirkleistungsregelung wählen, so ist eine
Netzführung in Echtzeit möglich. Ines bildet elektrische
Zustände in einem Ortsnetz ab, identifiziert Fehlentwicklungen
und wirkt ihnen dezentral entgegen.
Der VDE zeichnete außerdem Wissenschaftler des Forschungszentrums
Informatik und Entwickler der E.G.O.-
Gruppe für das FZI House of Living Labs aus. Forscher und
Entwickler arbeiten in dem Gebäude zusammen, um konventionelle
und hybride Haushaltsgeräte generisch in Energiemanagementsysteme
zu integrieren. Die Geräte sind
mit Hilfe von intelligenten Schnittstellen beispielsweise in
der Lage, auf die dezentrale Energieerzeugung unterschiedlicher
Energieträger im Gebäude automatisch zu reagieren.
Das FZI House of Living Labs ist eine Entwicklungsund
Evaluationsplattform für zukünftige Komponenten
eines integrierten Energiemanagementsystems, das elektrische
und thermische Energieströme gleichzeitig berücksichtigt.
Den Kern des Systems bildet das Software-
Framework Organic Smart Home, das über eine Hardware-Abstraktionsschicht
und Treiber eine Integration
der verschiedenen Anlagen und Systeme sowie externe
Signale ermöglicht.
In dem Gebäude kommen elektrische Energie und andere
Energieträger wie Erdgas und Fernwärme zum Einsatz.
Mit Hilfe von Hybrid-Haushaltsgeräten können die
Energieträger Gas und Strom parallel und koordiniert
genutzt werden. Des Weiteren erhielt Bosch Diesel Systems
den VDE-Preis für seine Bemühungen, Energie einzusparen.
Unter dem Motto „Clean. Efficient. Diesel!“ bedient
sich das Unternehmen dabei unterschiedlicher Mittel wie
Mitarbeiterschulungen, Investitionen in Gebäude und Produktionsanlagen
sowie Rückgewinnung und Eigenerzeugung
von Energie. So wurde der Energiebedarf von Bosch
Diesel Systems zwischen 2007 und 2012 jährlich um
23,7 Prozent, bei gesteigertem Umsatz. Das entspricht dem
Strombedarf von 118 300 Einfamilienhäusern.
Ein Kommunikationskonzept habe sich an mehreren
Standorten des Unternehmens durchgesetzt: die Energieschule.
Mitarbeitern und Angehörigen wird dabei anhand
von Exponaten Wissen über elektrische Energie und Energieeffizienz
praktisch vermittelt. Abstrakte Begriffe wie
Energieverbrauch und CO 2
werden durch Analogien greifbar
gemacht. Das Ergebnis sind Verbesserungsvorschläge
der Mitarbeiter, die zu Energieeinsparungen führen. aha
IM RAHMEN DER INITIATIVE „Energiewende 180“ prämierte der
VDE drei Projekte, die zur Energieeffizienz beitragen. Bild: VDE
VDE VERBAND DER ELEKTROTECHNIK ELEKTRONIK
INFORMATIONSTECHNIK E.V.,
Stresemannallee 15, D-60596 Frankfurt am Main,
Tel. +49 (0) 69 630 82 84,
Internet: www.energiewende180.de
Dechema kooperiert mit amerikanischem Institut
Die Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie
(Dechema) und das Center for Chemical Process
Safety (CCPS) des American Institute of Chemical
Engineers (AIChE) arbeiten zukünftig auf dem Gebiet der
chemischen Prozesssicherheit zusammen. Das europäische
Regionalbüro des CCPS in Frankfurt hat am 1. Juni
2013 seine Arbeit aufgenommen. Von Frankfurt aus vertreibt
CCPS sein Medienprogramm und betreut Mitglieder
in Europa. Außerdem organisiert das Büro unter der Leitung
von Dr. Horst Massong Workshops und Konferenzen.
Den Auftakt bildet der zweitägige Workshop „Recognizing
Catastrophic Incident Warning Signs“ am
30. und 31. Oktober 2013 in Frankfurt. aha
DECHEMA GESELLSCHAFT FÜR CHEMISCHE TECHNIK
UND BIOTECHNOLOGIE E.V.,
Theodor-Heuss-Allee 25, D-60486 Frankfurt am Main,
Tel. +49 (0) 69 756 40, Internet: www.dechema.de
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atp edition
7-8 / 2013

Temperaturmessung: Konzepte zur
Datenanalyse werden immer genauer
Orts- und zeitaufgelöste Temperaturmessung wird von VDI/VDE-Fachausschuss standardisiert
Temperaturmessung ist immer noch ein spannendes
Thema. Drei Veranstaltungen im Juni 2013 stellten
den Bezug zur Praxis her: Bei der PTB fand zunächst die
zweitägige Tagung Temperatur 2013 statt. Anschließend
kam der GMA-Fachausschuss 8.16 „Temperaturmessung
mit Wärmebildkameras“ zusammen. Den Abschluss der
Veranstaltungsreihe bildete die erste konstituierende
Sitzung in den Räumen der PTB am 7. Juni 2013.
Die PTB, 1887 als Physikalisch Technische Reichsanstalt
PTR gegründet, veranstaltete am 5. und 6. Juni 2013,
die Tagung Temperatur mit rund 170 Teilnehmern. Die
PTB widmet sich seit ihrer Gründung der Temperaturmessung.
Die Tagung ergab, dass die Temperaturmessung
auch heute, 126 Jahre später, immer noch eine Herausforderung
ist. Die Konzepte zur Temperaturmessung
in der Nähe des absoluten Nullpunkts, bei hohen Temperaturen
oder in den oberen Schichten der Atmosphäre
werden jedoch weiter verfeinert.
In diesem Sinne blickt die PTB auf eine erfolgreiche
Geschichte zurück: Die Messungen der Wärmestrahlung
bei der PTR im Jahr 1900 wurden von Max Planck theoretisch
erklärt. Das führte zur Entwicklung der heute
noch gültigen Quantenphysik.
Am Tag nach der Tagung war der VDI Gast bei der PTB,
wo die konstituierende Sitzung des Fachausschusses 8.16
„Temperaturmessung mit Wärmebildkameras“ der VDI/
VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik
(GMA) stattfand. Die Sitzungsteilnehmer waren sich einig,
dass die Temperaturmessung auch bei Raumtemperatur,
normalem Luftdruck und mit festem Boden unter
den Füßen eine Herausforderung bleibt. Es reicht, wenn
die Temperatur berührungslos mit einer Wärmebildkamera
ortsaufgelöst gemessen werden soll. Es war der
Fachausschuss FA 202.1 „Thermografie in der Instandhaltung“
der VDI-Gesellschaft Produktion und Logistik
(GPL), der den entscheidenden Impuls gab zur Gründung
des Fachausschusses Temperaturmessung mit Wärmebildkameras:
In der im Juni 2013 als Entwurf erschienenen
Richtlinie VDI 2878 Blatt 4 „Anwendung der Thermografie
zur Diagnose in der Instandhaltung – Gerätetechnik“
stellt der VDI zum Thema Kalibrierung der
Thermografiegeräte fest, dass es dafür gegenwärtig noch
keine allgemein anerkannten Regeln der Technik gibt. Die
Richtlinie VDI/VDE 3511 Blatt 4.4 „Technische Temperaturmessung
– Strahlungsthermometrie – Kalibrierung von
Strahlungsthermometern“ könne zwar wichtige Anregungen
liefern, jedoch blieben Fragen nach der zeitlichen
Stabilität, den geometrischen Eigenschaften, der Ortsauflösung,
den Beugungseffekten an den Pixeln und das
Übersprechen dazwischen naturgemäß unbeantwortet.
Im Fachausschuss „Temperaturmessung mit Wärmebildkameras“
arbeiten nun Mitglieder des GPL FA 202.1
mit den Autoren der Richtlinienreihe VDI/VDE 3511
Blatt 4, dem FA 2.51 „Angewandte Strahlungsthermometrie“
der GMA und anderen Thermografie-Experten zusammen.
Bereits gewonnene Erkenntnisse auf dem Gebiet
der Strahlungsthermometer wird das (neu geschaffene)
Gremium auf die Wärmebildkameras übertragen
und anpassen. Die Experten des Fachausschusses erkannten
bereits auf ihrer ersten Sitzung, dass für alle
Fragestellungen zur zeit- und ortsaufgelösten Temperaturmessung
komplett neue Ansätze erarbeitet werden
müssen. Die Temperaturmessung bleibt also auch in den
kommenden Jahren ein spannendes Thema, ohne den
Bezug zu Praxis zu verlieren.
Weitere Informationen zu den aktuellen PTB-Entwicklungen
im Bereich der Temperaturmessung sind zu finden
in Maßstäbe, Heft 12, Braunschweig: Physikalisch-Technische
Bundesanstalt Braunschweig und Berlin, Juni 2013,
ISSN 1618-1999 (www.ptb.de/cms/fileadmin/internet/
publikationen/masstaebe/Hefte_Komplett_PDF/mst12.pdf).
AUTOR
Verein Deutscher Ingenieure e.V.,
VDI-Platz 1, D-40468 Düsseldorf,
Tel. +49 (0) 211 621 43 73,
E-Mail: marquardt@vdi.de
Dr.-Ing. ERIK MARQUARDT
ist verantwortlicher Referent
im Bereich Technik
und Wissenschaft des VDI.
DIE AUFNAHME
einer Wärmebildkamera
zeigt lokale
Überhitzung an
Isolatoren an.
Bild: VDI
atp edition
7-8 / 2013
7

FORSCHUNG
AMA Innovationspreis: 3D-Mikroskop und
optisches Mikrofon überzeugen die Jury
Entwickler der Firma Polytec und ein Team aus Österreich
sind die diesjährigen Gewinner des AMA Innovationspreises.
Der AMA Fachverband für Sensorik vergab
den mit 10 000 Euro dotierten Preis bereits am
14. Mai auf der Fachmesse Sensor+Test in Nürnberg. Das
österreichische Team erhielt die Auszeichnung für ein
optisches Mikrofon ohne Membran. Mitarbeiter von Polytec
punkteten mit einem 3D-Raster-Laservibrometer-
Mikroskop, das mit einem Messstrahl arbeitet. Beide
Innovationen überzeugten die Jury gleichermaßen, sowohl
im Hinblick auf die jeweilige Entwicklungstiefe als
auch auf deren Marktrelevanz.
Das 3D-Raster-Laservibrometer-Mikroskop mit einem
Messstrahl ist eine Gemeinschaftsentwicklung von Dr. Marcus
Winter, Robert Kowarsch, Wanja Ochs, Alexander
Collet, Moritz Giesen, Lars Heller und Dr. Christian Rembe
(Polytec) und ermöglicht das Messen von dreidimensionalen
Schwingungsparametern mikroskopischer Objekte
in Echtzeit. Das Modell MSA-100-3D besteht statt aus drei
Vibrometern aus einem einzelnen integrierten Messkopf,
der den vom Messobjekt in drei Raumrichtungen gestreuten
einzelnen Laserstrahl analysiert und daraus die dreidimensionale
Objektbewegung bestimmt. Diese Methode liefert
ein störungsfreies Ergebnis und eine verbesserte örtliche
Auflösung um etwa eine Größenordnung auf unter 4 µm.
Die zweite prämierte Erfindung ist ein Gewinner in
doppelter Ausführung: Das optische Mikrofon ohne
Membran von Dr. Balthasar Fischer (Xarion), Friedrich
Reining (Knowles Electronics Austria) und Prof. Dr.
Ernst Wintner (TU Wien) gewinnt den AMA Innovationspreis
2013 und erhielt bereits im Februar 2013 den
AMA Sonderpreis „Junges Unternehmen“.
Das erste Mikrofon ohne bewegliche Teile ermöglicht
laut Angaben der Erfinder eine völlig lineare Klangaufnahme,
echte Impulstreue, eine sehr geringe Störanfälligkeit
für Windgeräusche und Körperschall sowie ein
ausgeprägtes Richtungshören. Bei diesem optischen Mikrofon
kommen weder eine Membran noch ein anderes
mechanisches Bauteil zur Verwendung. Das Gerät misst
den Schalldruck „berührungslos“ über die Änderung
des Brechungsindex der Luft durch die Schallwellen.
Der AMA Fachverband für Sensorik vergibt den Innovationspreis
jedes Jahr. Die wichtigsten Beurteilungskriterien
für die Jury, die sich aus Vertretern von Hochschulen,
Forschungseinrichtungen und Firmen zusammensetzt,
sind der Grad der Innovation und der erkennbare
Nutzen für die Praxis. Das Preisgeld von 10 000 erhalten
nicht die beteiligten Unternehmen oder Institute, sondern
die Entwickler selbst.
Bewerbungen für den AMA Innovationspreis 2014 sind
ab Oktober 2013 möglich. Sowohl Einzelpersonen als
auch Entwicklerteams aus Firmen und Instituten können
sich bewerben. Weitere Informationen gibt es unter
www.ama-sensorik.de
aha
AMA FACHVERBAND FÜR SENSORIK E.V.,
Sophie-Charlotten-Str. 15, D-14059 Berlin,
Tel. +49 (0) 30 221 90 36 20, Internet: www.ama-sensorik.de
DIE ENTWICKLER eines
3D-Mikroskops und eines
optischen Mikrofons sind die
diesjährigen Gewinner des
AMA Innovationspreises.
Bild: AMA Fachverband Sensorik
Hochschule OWL erweitert Campus in Lemgo
Die Hochschule Ostwestfalen-Lippe (OWL) hat den Kaufvertrag
für ein Grundstück der Stadt Lemgo unterschrieben,
die Fläche beträgt über 7 000 m 2 . Rund 650 000
Euro hat die Hochschule investiert, um das Grundstück
in Campusnähe zu erwerben. „Der Kauf des Grundstückes
ist für uns strategisch von großer Bedeutung. Die Erweiterung
des Campus Richtung Stadt wird die Planungen der
Hochschule für die kommenden Jahre weiter voranbringen“,
sagt Hochschulpräsident Dr. Oliver Herrmann. Erst
im Juni dieses Jahres wurde der Grundstein gelegt für einen
Neubau für den Fachbereich Life Science Technolo-
gies. Vor dem Hintergrund steigender Studentenzahlen ist
der Ausbau für die Hochschule OWL nach eigenen Angaben
dringend erforderlich: Im Wintersemester 2000/2001
studierten in Lemgo etwas über 1600 Studenten, im Wintersemester
2012/2013 waren es dagegen über 3600. Für
dieses Jahr stellt sich die Hochschule aufgrund des doppelten
Abiturjahrgangs auf weiteren Zuwachs ein. aha
HOCHSCHULE OSTWESTFALEN-LIPPE,
Liebigstraße 87, D-32657 Lemgo,
Tel. +49 (0) 5261 70 20, Internet: www.hs-owl.de
8
atp edition
7-8 / 2013

„Mantis“ bezwingt
unwegsames Gelände
DER SECHSBEINIGE ROBOTER MANTIS
kann in der Filmindustrie oder in der unbemannten
Unterwasserforschung eingesetzt werden.
Bild: Matt Denton/Micromagic Systems
Der „Mantis“ ist der nach Angaben der Bosch Rexroth
AG der weltweit größte Hexapod-Geländeroboter.
Im Frühjahr 2013 wurde er nach vier Jahren
Entwicklung vorgestellt. Der fast drei Meter hohe Roboter
bietet Platz für eine Person. Er kann fern- und
manuell über das Cockpit gesteuert werden. Der Mantis
besticht mit Rundum-Beweglichkeit: Er kann vorwärts,
rückwärts, seitlich nach beiden Seiten gehen
und über unebenes Gelände klettern. Außerdem ist die
Maschine beliebig zu senken oder zu heben.
Die Kontrolle der hydraulischen Zylinder zur Steuerung
der sechs Beine des Mantis erfolgt über 18 Rexroth-
4-wree6-Ventile. Jedes Bein besteht aus drei unabhängigen
Regelachsen, eine am Knie- und zwei am Hüftgelenk. Das
Feedback wird dabei über Sensoren übermittelt, die an der
Beinaußenseite montiert sind.
Chefkonstrukteur des Roboters ist Matt Denton, Geschäftsführer
von Micromagic Systems, der Konzept und
Computersteuerung entwickelte. „Ich hatte kleinere
Hexapod-Roboter für die Film- und TV-Branche sowie
für private Sammler gebaut. Ich dachte, es müsste möglich
sein, die Maschine so zu vergrößern, dass eine Person
darin Platz findet“, erklärt Denton. Als Partner für
die Ausführung wählte er Bosch Rexroth. Neben den
Ventilen stammt die Pumpe von Bosch, die üblicherweise
in Auslegern und Kranen zum Einsatz kommt. Die
Pumpe stellt die hydraulische Leistung des Roboters
bereit. Dank des integrierten Load-Sensing liefert sie nur
den benötigten Volumenstrom und Druck.
Laut Hersteller eignet sich der Hexapod-Roboter für
den Einsatz in der Filmindustrie, in der unbemannten
Unterwasserforschung sowie für die Arbeit in empfindlichem
oder unwegsamem Terrain.
aha
BOSCH REXROTH AG,
Marktplatz 3, D-97816 Lohr am Main,
Tel. +49 (0) 9352 18 41 45,
Internet: www.mantisrobot.com

BRANCHE
Fieldbus Foundation präsentiert Feldprojekt mit
Remote Operations Management bei Petrobras
BEI DER LIVE-
PRÄSENTATION
der ROM-
Technologie
demonstrierten
Techniker die
Videointegration.
Bild: Fieldbus
Foundation
Die Fieldbus Foundation präsentierte die Remote-
Operations-Management (ROM)-Technologie in der
Forschungs- und Entwicklungseinrichtung von Petrobras
(Cenpes) im brasilianischen Rio de Janeiro erstmals
live.
Laut Hersteller ist Foundation for ROM das erste Produkt,
das Ferneingabe/-ausgabe (E/A), ISA 100, 11a
[100.11a], WirelessHart, verdrahtete Hart-Technologie
sowie Foundation-H1-Feldbusprotokolle in eine einzelne
standardmäßige Datenmanagement-Umgebung integriert.
Damit erweitert sich der Funktionsumfang des
Feldbusses der Foundation auf verdrahtete und drahtlose
Geräte, die in unwirtlichen und entlegenen Standorten
installiert sind.
Petrobras ist an der Foundation for ROM-Technologie
für sein Projekt in der vor- und nachgelagerten Kohlenwasserstoffindustrie
interessiert. Das Unternehmen
plant bis Ende 2015 in der Pre-Salz-Region des Santos-
Beckens zu investieren.
Während der Live-Präsentation im Zentrum für kollaborative
Visualisierung riefen Techniker von Petrobras
Gerätediagnosen für drahtlose Geräte auf, zum Beispiel
den Gerätestatus. Um die Videointegration zu demonstrieren,
beobachteten die Techniker den Öffnungszustand
eines Steuerventils. Außerdem wurde anhand
eines Temperatursensors für einen Hart-Temperaturgeber
gezeigt, wie der Diagnosealarm im selben Zusammenhang
sichtbar wird wie für ein Foundation-H1-Feldbusgerät.
Anwender der Automatisierungstechnik können
die Lösung in drahtgebundenen und in drahtlosen HSE-
Backhaul-Netzwerken einsetzen, um Gerätedaten in die
Foundation-Fieldbus-Infrastruktur einzuspeisen.
Im selben Zug kündigte die Fieldbus Foundation eine
neue Initiative an: Mit dem Projekt „Gemstone“ soll die
digitale Feldbusautomatisierung benutzerfreundlicher
gestaltet werden als herkömmliche analoge Steuersysteme,
von der Geräteeinrichtung über den Geräteaustausch
bis hin zu täglichen Wartungsroutinen.
Das Projekt „Gemstone“ soll Strategien vorantreiben,
die es Anlagenbesitzern ermöglichen, sich auf die Vorteile
und nicht auf die Verwaltung der Technologie zu
konzentrieren. Der Schwerpunkt der Aktivität liegt auf
standardbasierten Lösungen.
aha
FIELDBUS FOUNDATION,
9005 Mountain Ridge Drive, Bowie Bldg – Suite 200,
USA-Austin, Texas 78759, Tel. +1 512 794 88 90,
Internet: www.fieldbus.org
10
Namur-Hauptsitzung am 7. und 8. November 2013
zum Thema „Integrated Engineering“
Die Interessengemeinschaft Automatisierungstechnik
der Prozessindustrie (Namur) hat das Thema „Integrated
Engineering“ zum Schwerpunkt ihrer 76. Hauptsitzung
am 7. und 8. November 2013 in Bad Neuenahr
gewählt. Partner der Veranstaltung ist die Siemens AG.
Das Unternehmen arbeitet an der vollständigen Datendurchgängigkeit
und Datenharmonisierung zwischen
„shop floor“ und „top floor“. Dieser Ansatz hilft, die Vision
Industrie 4.0 zu erreichen. Welche Möglichkeiten
Integrated Engineering heute bietet und wie durchgängige
Kommunikation künftig aussieht, werden Eckard
Eberle, CEO Industrial Automation Systems, und Hans-
Georg Kumpfmüller, CEO Sensors and Communication
(Siemens), im Plenarvortrag vorstellen.
Integrated Engineering ist das Zusammenspiel aller notwendigen
Werkzeuge wie Anlagenmanagement, Prozessleitsystem,
Geräteplanung und –konfiguration. Dem Hauptbeitrag
der Siemens-Mitarbeiter stehen am Donnerstagvormittag
im Plenarsaal drei Beiträge der Namur gegenüber, die
atp edition
7-8 / 2013
Gesichtspunkte des Vortrags aufgreifen und aus Anwendersicht
darstellen. Dabei werden Fragen zum Datenaustausch,
zu einheitlichen Schnittstellen und Vorteile eines aktuellen
Datenmodells während der Betriebsphase behandelt.
Verschiedene Workshop-Beiträge zu Namur-Arbeitsfeldern
sowie weitere Vorträge des diesjährigen Partners zum
Schwerpunktthema stehen ebenfalls auf dem Programm.
Am Freitagvormittag werden die Gewinner des Namur
Award 2013 bekanntgegeben. Der Verband vergibt den
Preis an die beste wissenschaftliche Examensarbeit (Diplom/Master
und Promotion) auf dem Gebiet Automatisierungstechnik
für verfahrenstechnische Anlagen. Im
Anschluss erwarten die Teilnehmer weitere Vorträge zu
aktuellen Themen.
aha
NAMUR GESCHÄFTSSTELLE
C/O BAYER TECHNOLOGY SERVICES,
Gebäude K9, D-51368 Leverkusen,
Tel. +49 (0) 214 307 10 34, Internet: www.namur.de

Reach: Verstöße gegen Chemikalienverordnung
sind schon „fast vorprogrammiert“
Missachtungen der europäischen Chemikalienverordnung
„Reach“ werden in Zukunft härter bestraft –
eine entsprechende Regelung ist in Deutschland vor
kurzem in Kraft getreten. Reach sieht vor, dass Hersteller,
Importeure und nachgeschaltete Anwender fast alle Chemikalien
in drei Phasen registrieren lassen müssen. Im
Mai 2013 endete die zweite Registrierungsfrist. Mit Ablauf
der dritten Frist wird auch die Registrierung von
kleineren Stoffmengen Pflicht.
Davon sind vor allem kleine und mittlere Unternehmen
(KMU) betroffen, meint TÜV Süd. „Bei der Komplexität
der europäischen Chemikaliengesetzgebung
und vor allem der Reach-Verordnung sind Verstöße
gegen Einzelvorschriften schon fast vorprogrammiert“,
meint Dr. Dieter Reiml, Reach-Experte bei der TÜV Süd
Industrie Service GmbH. Zudem ist eine neue Verordnung
in Kraft getreten, die höhere Strafen bei Verstößen
gegen die Chemikaliensicherheit vorsieht. Im schlimmsten
Fall drohen zwei Jahre Haft oder Geldbußen bis
50 000 Euro. aha
TÜV SÜD AG,
Westendstraße 199,
D-80686 München,
Tel. +49 (0) 89 57 91 23 72,
Internet: www.tuev-sued.de
Smart Systems als Schwerpunkt des
Mikrosystemtechnik-Kongresses in Aachen
Das Bundesministerium für Bildung und Forschung
(BMBF) und der Verband der Elektrotechnik Elektronik
Informationstechnik (VDE) veranstalten vom 14. bis
16. Oktober 2013 in Aachen den fünften Mikrosystemtechnik-Kongress.
Unter dem Motto „Von Bauelementen
zu Systemen“ erwartet die Teilnehmer aus Industrie, Forschung
und Politik ein umfangreiches fachlich-wissenschaftliches
Programm mit 96 Vorträgen sowie einer Industrie-
und Forschungsausstellung zu aktuellen Themen
der Mikrosystemtechnik und Elektronik.
Die Mikrosystemtechnik und die Elektronik mit ihren
Teilgebieten Mikroelektronik und Leistungselektronik
haben sich in den vergangenen Jahren zunehmend von
der Realisierung reiner Komponenten hin zur Realisierung
vernetzter intelligenter Systeme entwickelt. Um das
Potenzial der „Smart Systems“ sichtbar zu machen, stellen
die Veranstalter des Kongresses neben den bisherigen
Themengebieten neue Schwerpunktfelder zu intelligenten
Systemlösungen in den Vordergrund, in diesem
Jahr sind dies die Elektroniksysteme für Energieversorgung
und Energieeffizienz sowie die Produktionsautomatisierung.
Weitere Programmpunkte der Veranstaltung sind die
Youngnet Convention des studentischen Nachwuchses,
die Preisverleihung im VDE/BMBF-Schülerwettbewerb
Invent a Chip und die Endausscheidung im BMBF/VDE-
Studentenwettbewerb Cosima. In der begleitenden Ausstellung
präsentiert die deutsche Mikrosystemtechnikund
Elektronikszene ihre aktuellen Entwicklungen.
Veranstaltungsort des diesjährigen Mikrosystemtechnik-Kongresses
ist der Eurogress Aachen. Die Organisatoren
rechnen mit etwa 900 Teilnehmern. aha
VDE VERBAND DER ELEKTROTECHNIK ELEKTRONIK
INFORMATIONSTECHNIK E.V.,
Stresemannallee 15, D-60596 Frankfurt am Main,
Tel. +49 (0) 69 630 84 61,
Internet: www.mikrosystemtechnik-kongress.de
Lanxess steuert seine
Geschäfte aus Köln
Der Spezial-Chemiekonzern Lanxess steuert seine Geschäfte
ab dem 1. August 2013 von Köln aus. Der Konzern
verlegt seinen Hauptsitz von Leverkusen in die Domstadt.
Neuer Unternehmenssitz ist der Lanxess Tower im
Stadtteil Deutz. Wie die Firma Mitte Juli mitteilte, ist die
Produktion von dem Umzug nicht betroffen und verbleibt
an den bisherigen Standorten.
aha
LANXESS DEUTSCHLAND GMBH ,
Kennedyplatz 1, D-50569 Köln,
Tel. +49 (0) 221 888 50,
Internet: www.lanxess.com
Lenkungskreis
definiert „Industrie 4.0“
Der Begriff Industrie 4.0 steht für die vierte industrielle
Revolution, einer neuen Stufe der Organisation und
Steuerung der gesamten Wertschöpfungskette über den
Lebenszyklus von Produkten”, so definiert der Lenkungskreis
Plattform Industrie 4.0 nun offiziell den Begriff. Der
genannte Zyklus orientiere sich dabei an individuellen
Kundenwünschen. Er beginnt bereits bei der Idee, geht über
die Entwicklung und Fertigung bis zur Auslieferung des
Produktes und endet schließlich bei dem Recycling. aha
BITKOM,
Albrechtstraße 10 A, D-10117 Berlin,
Tel. +49 (0) 30 27 57 60, Internet: www.plattform-i40.de
atp edition
7-8 / 2013
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anche | Automation 2013
Zog die Cloud? Über 500
Teilnehmer waren nach Baden-
Baden gereist, ein neuer
Höchststand bei den Besucherzahlen.
Bild: VDI
Die besten Autoren
des Jahrgangs 54 der
atp edition genossen
ihren Erfolg: atp-Chefredakteur
Leon Urbas
(3. v. li.) überreichte
Richard Mordinyi (li.),
Thomas Moser
(2. v. li.), Mike Barth
(3. v. re.), Alexander
Fay (2. v. re.) und
Jürgen Greifender (re.)
den atp award. Bild: VDI
BegrüSSte das Publikum:
Kurt Dirk Bettenhausen,
GMA-Vorsitzender. Bild: VDI
Kongress Automation 2013: Überraschte Preisträger
und weniger Wirbel um die Cloud als erwartet
Expertentreff der GMA lockte in diesem Jahr mehr als 500 Teilnehmer nach Baden-Baden
Vielleicht lag es an dem allgegenwärtigen Thema der
Digitalisierung, dass es knapp 510 Teilnehmer zum
Kongress Automation nach Baden-Baden zog. Unter der
Leitung von Dr. Peter Adolphs, Prof. Ulrich Jumar und
Dr. Wilhelm Otten veranstaltete die VDI/VDE-Gesellschaft
Mess- und Automatisierungstechnik (GMA) erneut
den Expertentreff.
In diesem Jahr hatte sich der Kongress das Thema
„Automation (in the) Cloud?“ auf die Fahnen geschrieben.
Neben zahlreichen Ehrungen, darunter die
Verleihung der VDI-Ehrenplakette an Dr. Norbert
Kuschnerus und die Vergabe der atp-awards 2012 an
Thomas Moser und Prof. Mike Barth, veröffentlichte
die GMA ihre Umfrage zur Nutzung der Cloud in der
Industrie.
Vortragende boten außergewöhnliche Blicke über den
Tellerrand, wie etwa der Beitrag über den Robotereinsatz
in der Film- und Werbeindustrie oder eine RFID-basierte
Wahrnehmbarkeitserhöhung für Blinde bei Bussen.
Die Podiumsdiskussion „CPS – Hype oder Zukunft für
die Automation“ mobilisierte zahlreiche Zuhörer am
Dienstagabend. Der große Disput blieb dabei aber aus.
Für Gesprächsstoff sorgte im Anschluss eher der forsche
Vortrag von Prof. Gunter Dueck: „Cloud Computing und
das Leben danach“.
510 TEILNEHMER WOLLTEN IN DIE CLOUD
Vor lauter Digitalisierung und dem bevorstehenden Einsatz
von künstlicher Intelligenz in der Automation solle
man doch den Faktor Mensch nicht vergessen. So laute-
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atp edition
7-8 / 2013

Überrascht
nahm Norbert
Kuschnerus (Mitte)
die VDI-Ehrenplakette
von Dieter
Westerkamp (links)
und Kurt Dirk
Bettenhausen
(rechts) entgegen.
Bild: VDI
Friedrich Harbach
(Mitte) freute sich
über die Otto-Winkler-
Ehrenmedaille, die er
von Dieter Westerkamp
(links) und Kurt Dirk
Bettenhausen (rechts)
empfing. Bild: VDI
Bevor es an das Büfett
ging, wurden die Lachmuskeln
angestrengt. Das
Publikum amüsierte sich
teilweise beim Festvortrag
von Gunter Dueck. Bild: VDI
te der Tenor des umfassenden Eröffnungsvortrages von
Prof. Schahram Dustdar. Der Wissenschaftler von der
Technischen Universität Wien hatte die Ehre, mit seinem
Vortrag „Von Cloud Computing zu Elastic Computing –
Integration von Software Services, Dingen und Menschen
in der Cloud“ den Automationskongress in Baden-
Baden am Dienstag, 25. Juni 2013, zu eröffnen. Dustdar
brachte auch die Dynamik von sozialen Netzwerken in
die Betrachtung der cyber-physischen Systeme mit ein.
Zuvor hatte Dr. Kurt Dirk Bettenhausen, Vorsitzender
der GMA, das gut gefüllte Plenum begrüßt. Er warf provokant
die These in den Raum, dass die Nutzung cloudbasierter
Dienstleistung in 35 Jahren selbstverständlich
sein werde. Wie weit der Fortschritt tatsächlich bereits
in der Industrie greift, versuchte die GMA in einer Umfrage
zu ermitteln. Die Studie unter 300 Teilnehmern
ergab, dass bislang 50 Prozent der Befragten die Cloud
nutzen – und dies meist für den privaten Gebrauch.
Kongressleiter Peter Adolphs schloss sich der Begrüßung
von Kurt D. Bettenhausen an und betonte, wie
wichtig es nach wie vor sei, junge Automatisierer einzubinden.
Immerhin 50 Studenten lockt die GMA mit ihren
Vorträgen nach Baden-Baden.
VORTRÄGE AUS BREITEM AUTOMATIONSSPEKTRUM
Selbst auf dem Kongress Automation vortragen zu können,
ist für Referenten bereits eine Auszeichnung. Der
Programmausschuss wählt die Beiträge für die einzelnen
Kategorien nach wissenschaftlichen Grundätzen
aus. Jede Kategorie wurde noch einmal unterteilt, etwa
in Grundlagen & Methoden: Architektur I und II, Regelungstechnik
I und II, Cloudbasierte Architekturen,
Fertigungsautomation: Mensch-Roboter-Kooperation,
Validierung und Visualisierung, Simulation und Digital
Factory, Industrielle Robotik, Diagnose und Wartung,
Effizienter Betrieb, Prozessautomation: Advanced
Process Control, Engineering Workflow, Diagnose
und Wartung, Feldgeräte im Lebenszyklus, Standardisierung
und Engineering und letztendlich Automation
im Alltag: HMI und mobile Anwendungen, Infrastruktur
und Logistik.
Das Programm griff die zentralen Kongressthemen Industrielle
Robotik und Wireless gesondert auf. Zum Themenbereich
Industrieller Robotik gab es Referate zu
Technologischen Trends aus Sicht von Anwendern, Herstellern
und Wissenschaftlern, Virtuelle Absicherung
und Condition Monitoring und Mess- und Prüfaugaben,
atp edition
7-8 / 2013
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anche | Automation 2013
Experte aus der
Praxis und für
die Praxis: Gunter
Dueck zeigte mit
gewisser Ironie
der Diskussion um
cyber-physische
Systeme ihre
Schwachstellen auf.
Bild: VDI
Im Foyer luden
einige Stände ein,
sich Forschungsprojekte
in der
Praxis anzuschauen.
Die RWTH
Aachen erlebte
besonders starken
Zulauf.
Bild: Anne Hütter
Hype, ja, aber – die Podiumsdiskussion
mit Ulrich Epple,
Stefan Kowalewski, Detlef Zühlke,
Gunther Kegel und Christian
Prehofer (von links) sowie Kurt
Dirk Bettenhausen (nicht im Bild)
verlief diplomatisch. Bild: Anne Hütter
Ortsflexible Robotik, Robotergestütztes Fügeverfahren
sowie Robotik in der Film- und Werbeindustrie. Wireless
Automation bot Sessions wie Was bedeutet Funk für den
Lebenszyklus der Automatisierungsanlage?, Wireless in
der Fertigungsautomation und Funkanwendungen in der
Intralogistik, Entwurf neuer Funksysteme unter Berücksichtigung
der bisherigen Erfahrungen, Wireless in Extrembereichen
der Prozessautomation sowie Wireless
ohne Grenzen – Datenübertragung zwischen weit entfernten
Anlagen.
PROGRAMMAUSSCHUSS SICHERTE
WISSENSCHAFTLICHE QUALITÄT
Damit die Vorträge den hohen wissenschaftlichen Ansprüchen
des Fachpublikums genügten, zeichneten
zahlreiche Experten verantwortlich. Zum Programmausschuss
gehörten in diesem Jahr Prof. Dirk Abel, Dr.
Thomas Albers, Wolfgang Bay, Dr. Joachim Birk, Matthias
Brinkmann, Prof. Christian Diedrich, Prof. Ulrich
Epple, Prof. Alexander Fay, Prof. Georg Frey, Dr.
Stefan Gehlen, Jürgen George, Dr. Martin Gerlach,
Prof. Peter Göhner, Tim Henrichs, Hartmut Hensel, Dr.
Reinhard Hüppe, Dr. Ulrich Kaiser, Dr. Jörg Kiesbauer,
Dr. Niels Kiupel, Prof. Bernd Kuhlenkötter, Dr. Wolfgang
Morr, Dipl.-Ing. Martin Müller, Dr. Manfred Oesterle,
Dr. Thorsten Pötter, Dr. Lutz Rauchhaupt, Dr.
Eckhard Roos, Dr. Karsten Schulze, Dipl.-Kfm. Felix
Seibl, Prof. Olaf Simanski, Dr. Gerd-Ulrich Spohr, Prof.
Leon Urbas, Dipl.-Ing. Dieter Westerkamp und Dr.
Christian Zeidler.
Ulrich Epple, Kurt Dirk Bettenhausen und Gunther
Kegel konnten die Zuhörer der mit Spannung erwarteten
Podiumsdiskussion dann am Dienstagabend
noch mit ihren Statements zum Thema „Cyber physische
Systeme – Hype oder Zukunft für die Automation?“
erleben. Der angekündigte Prof. Manfred Broy
wurde durch Dr. Christian Prehofer ersetzt. Außerdem
stellten sich Prof. Stefan Kowalewski und Prof. Detlef
Zühlke der Debatte. Doch die Diskussion blieb mehr
oder minder aus.
Gunther Kegel konnte bei den Zuhörern mit der Frage
punkten, ob es in Kürze Produkte mit dem Siegel „CPSapproved“
geben würde. Viele würden den Hype um
die cyber-physischen Systeme zu Marketingzwecken
nutzen. Die Umsetzung aber dauere wohl noch 20 Jahre.
Ulrich Epple betonte außerdem, dass man es mit
Normen und Richtlinien zu tun habe, für die besondere
Maßstäbe gelten.
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atp edition
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CPS? – HABEN MANCHE SCHON ZUHAUSE
Traditionell lädt die GMA am Dienstagabend zum Festdinner
im Casino von Baden-Baden. Auf ironische Art
untersuchte vor Büffeteröffnung Gunter Dueck, ehemaliger
Chief Technology Officer von IBM und damit definitiv
aus der Software-Praxis den Hype um die „Cloud“.
Dabei unterteilte er die Menschen in verschiedene Gruppen
der Innovationsbereitschaft. Er erntete dafür zahlreiche
Lacher. Er versicherte den Kongressteilnehmern
jedoch, dass sie grundsätzlich zukunftsorientiert seien.
Während die Industrie jedoch über Komponenten-Vernetzung
noch grübele, steige Samsung im privaten Bereich
schon voll ein. Dueck präsentierte dem erstaunten
Publikum Samsung-Produkte, die sich bei privater Nutzung
über das Smartphone steuern lassen.
ATP-AWARD UND VDI-PLAKETTE VERGEBEN
Einige Gäste freuten sich in Baden-Baden über besondere
Auszeichnungen. Thomas Moser erhielt für den atp-
Hauptbeitrag „Anforderungsanalyse für das integrierte
Engineering (atp edition 55(5), S. 28-35, 2012) den atpaward
in der Kategorie Hochschule. Der Wiener Wissenschaftler
hatte den Beitrag im vergangenen Jahr gemeinsam
mit seinen Kollegen Stefan Biffl und Richard Mordinyi
eingereicht. atp-Chefredakteur Leon Urbas verlieh
den Preis in der Kategorie Industrie an Mike Barth. Den
Aufsatz „Simulationsbasierte Steuerungsfunktionstests“
hatten die Co-Autoren Jürgen Greifeneder, Peter
Weber und Alexander Fay mit verfasst. Der Preis geht
an alle Autoren. Der jüngste Autor erhält stellvertretend
für das Team das Preisgeld von 2000 Euro. Er darf nicht
älter als 35 Jahre sein.
Auch der Veranstalter selbst vergab Auszeichnungen.
Dipl.-Ing. Volker Schultz freute sich über den Eugen-
Hartmann-Preis der GMA. Überrascht war auch Norbert
Kuschnerus. Er wurde von Kurt Dirk Bettenhausen mit
der VDI-Ehrenplakette ausgezeichnet. Die höchste Ehrung,
die die GMA vergeben kann, die Otto-Winkler-
Ehrenmedaille, wurde Dr. Friedrich Harbach verliehen.
Mit seinem ehrenamtlichen Engagement hatte Harbach
die GMA über ein Jahrzehnt lang unterstützt.
Autorin
anne hütter ist verantwortlich
für die Redaktion
und das Programmmanagement
der atp im
Deutschen Industrieverlag.
DIV Deutscher Industrieverlag GmbH,
Arnulfstraße 124, D-80636 München,
Tel. +49 (0) 89 203 53 66 58,
E-Mail: huetter@di-verlag.de,
Internet: www.di-verlag.de
Die Hochschule Ostwestfalen-Lippe gehört zu den forschungsstärksten
Fachhochschulen in Deutschland. Mit knapp 6.500
Studierenden und 650 Beschäftigten an den Standorten
Lemgo, Detmold, Höxter und dem Studienort Warburg ist sie
wichtiger Bestandteil der dynamischen Wissenschafts- und
Wirtschaftsregion Ostwestfalen-Lippe. Mit ihren zum Teil einzigartigen
Studien- und Forschungsrichtungen ist sie ein attraktiver
Forschungs partner und Studienort höchster Güte.
Exzellent in der Lehre, stark in der Forschung
W2-Stiftungsprofessur
„Nutzergerechte Gestaltung
von technischen Systemen
mit Schwerpunkt Informatik“
Kennziffer: 5.4
Fachbereich: Elektrotechnik und Technische Informatik
Standort: Lemgo
Beginn: zum nächstmöglichen Zeitpunkt
Die Professur wird in den ersten fünf Jahren von den Unternehmen
PHOENIX CONTACT GmbH & Co. KG, WINCOR
NIXDORF International GmbH sowie dem Fraunhofer-Anwendungszentrum
Industrial Automation IOSB-INA und der Stiftung
Standortsicherung Kreis Lippe unterstützt.
Von der Stelleninhaberin/dem Stelleninhaber wird die Übernahme
von Grundlagenveranstaltungen in dem Bachelor-
Studiengang „Technische Informatik“ erwartet. Zusätzlich sollen
im internationalen Master-Studiengang „Information Technology“
ein geeignetes Pflichtfach und ein neues Wahlpflichtfach
angeboten werden.
In dem Institut für Industrielle Informationstechnik (inIT) der
Hochschule und dem Fraunhofer-Anwendungszentrum IOSB-
INA wird im Bereich der intelligenten Automation geforscht.
Beide Forschungseinrichtungen sind wesentlicher Bestandteil
des BMBF-Spitzenclusters „Intelligente Technische Systeme
Ostwestfalen-Lippe (It’s OWL)“.
Von der Stelleninhaberin/dem Stelleninhaber wird der Aufbau
von Arbeitsgruppen auf dem Gebiet der Mensch-Maschine-
Schnittstelle und der Usability intelligenter technischer Systeme
erwartet. Zur Durchführung dieser Forschungs- und Entwicklungsaufgaben
ist daher die signifikante Reduzierung des Lehrdeputats
beabsichtigt.
Erfahrungen aus den Bereichen moderner Mensch-Maschine-
Interaktionstechnologien und Kognition werden vorausgesetzt.
Hilfreich sind vertiefende Kenntnisse in der Wahrnehmungspsychologie
oder den Arbeitswissenschaften.
Den vollständigen Ausschreibungstext und weitere Einzelheiten
zu den Einstellungsvoraussetzungen finden Sie auf der
Homepage der Hochschule unter www.hs-owl.de/
karriere. Für Rückfragen steht Ihnen Frau Henning
unter 05261 702-4068 gern zur Verfügung. Wei tere
Informationen erhalten Sie darüber hinaus unter
www.init-owl.de/stiftungsprofessur.
Wir haben Ihr Interesse geweckt? Dann freuen wir uns auf Ihre
Bewerbung mit den üblichen Unterlagen bis zum 30. August
2013 unter Angabe der Kennziffer 5.4 an den Präsidenten
der Hochschule Ostwestfalen-Lippe, Dezernat III, Liebigstraße 87,
32657 Lemgo.
atp edition
7-8 / 2013
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anche | Automation 2013
atp award 2012 geht nach Wien und Pforzheim:
Auszeichnungen für Mike Barth und Thomas Moser
Chefredakteur Leon Urbas würdigte die besten Aufsätze junger Autoren in atp edition
Mike Barth und Thomas Moser können stolz sein. Die
jungen Autoren nahmen im Rahmen der Eröffnungsfeier
des GMA-Kongresses Automation 21013 ihre Auszeichnungen
für die besten atp-edition-Hauptbeiträge
entgegen. Vor mehr als 500 Teilnehmern vergab atp-edition-Chefredakteur
Leon Urbas Glaspyramide und Urkunde
an die Autorenteams.
Thomas Moser aus Wien hatte in Zusammenarbeit mit
Richard Mordinyi und Stefan Biffl den Beitrag „Anforderungsanalyse
für das integrierte Engineering“ zur Veröffentlichung
in atp edition 54(5) (S. 28-35, 2011) eingereicht.
Er sicherte sich gemäß den Kriterien Wissenschaftlichkeit,
Interesse, Verständlichkeit und Praxisrelevanz
den Vorsprung. In dieser Kategorie war die
Entscheidung unter den atp-Experten sehr knapp. Innerhalb
der Gruppe „Hochschule“ kamen insgesamt 14 Veröffentlichungen
aus atp edition 54 infrage.
Mike Barth, der inzwischen Professor an der Hochschule
Pforzheim ist, wurde in der Kategorie „Industrie“
gekürt. Er gilt als einer der fleißigsten Autoren bei der
atp edition. Gemeinsam mit Jürgen Greifeneder, Peter
Weber und Alexander Fay reichte er zur Veröffentlichung
in atp edition 54(4) den Beitrag „Simulationsbasierte
Steuerungsfunktionstests“ ein (S. 34-41). Barth
hatte bei der Auswertung aller Ergebnisse unter den
18 Einreichungen mit weiteren Beiträgen außerdem
Platz 2, 5 und 6 belegt.
Barth und Moser nahmen den Preis stellvertretend für
ihre Gruppen entgegen, weil sie die jüngsten Autoren des
Teams waren. Klassischerweise wird der atp award an
diejenigen Autoren vergeben, die bei Veröffentlichung
nicht älter als 35 Jahre sind. Die Auszeichnung geht als
ideller Wert an die gesamte Autorengruppe. Das Preisgeld
in Höhe von 2000 Euro erhält jeweils der jüngste
Autor zur Unterstützung seiner Forschungstätigkeit.
Der atp award 2013 wird wieder auf dem Kongress Automation
der GMA am 1. und 2. Juli 2014 vergeben. Es qualifizieren
sich alle Beiträge aus dem Jahrgang 55 der atp edition.
Ein beteiligter Autor, der bei Veröffentlichung nicht
älter als 35 Jahre ist, ist allerdings Voraussetzung. ahü
atp-Preisträger
Thomas Moser
(rechts) war sichtlich stolz
auf seinen atp-award.
Gemeinsam mit Richard
Mordinyi (Mitte) hatte der
Wiener den Beitrag im
Jahr 2012 für die atp
edition eingereicht.
Leon Urbas (links)
gratulierte. Bild: VDI
Strahlende Gesichter
auch in der Kategorie
„Industrie“. Mike Barth,
einer der fleißigsten
atp-Autoren, nahm den
Preis stellvertretend für
sein Team von Leon Urbas
entgegen. Jürgen Greifeneder
(links) und Alexander
Fay (zweiter von rechts)
waren Co-Autoren. Bild: VDI
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atp edition
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GMA vergibt Preise an Harbach,
Kuschnerus und Schulz
Alles im Blick?
Auch Ihre Produktionsprozesse?
Otto-Winkler-Medaille, VDI-Ehrenplakete und Eugen-Hartmann-Preis
Friedrich Harbach, Norbert Kuschnerus und Volker Schulz erhielten
von der GMA für ihre außergewöhnlichen Arbeiten besondere
Ehrungen auf dem Kongress Automation in Baden-Baden.
Friedrich Harbach wurde in Anerkennung seiner ehrenamtlichen
Leistungen und seines Einsatzes bei dem Thesenpapier „Automation
2020“ die Otto-Winkler-Ehrenmedaille zugesprochen,
die höchste GMA-Auszeichnung. Mehr als ein Jahrzehnt lang
hatte sich Harbach engagiert. Sowohl als Mitglied des Fachausschusses,
als Vertreter in anderen Fachgesellschaften oder als
Tagungs- und Fachbereichsleiter wirkte Harbach im Sinne der
Gesellschaft. Besonders für die Entwicklung von Stellungnahmen
und regionale Arbeit setzte sich Harbach zwischen 2007 und 2012
als stellvertretender GMA-Vorsitzender ein.
Besonders überrascht von seiner Ehrung zeigte sich Norbert
Kuschnerus. Mit strahlendem Gesicht nahm der in den Ruhestand
wechselnde Automatisierungsexperte und ehemalige Namur-Vorsitzende
die VDI-Ehrenplakette von GMA-Geschäftsführer Dieter
Westerkamp und dem GMA-Vorsitzenden Kurt Dirk Bettenhausen
entgegen. Seine Bemühungen um Kooperation zwischen GMA und
Namur sowie der Einsatz in der fachlichen Arbeit sollten im Rahmen
des Automationskongresses 2013 noch einmal besondere Wirkung
finden. Kuschnerus, der sich während der Veranstaltung
wenige Tage vor dem Ruhestand befand, hatte Richtlinienprojekte
mit GMA und Namur initiiert. Er setzte sich auch für die GMA-
Namur-Roadmap Prozesssensoren ein, die 2005 und 2009 in weiterentwickelten
Fassungen veröffentlicht wurde. Auch an der Kongressreihe
Automation trägt Kuschnerus seinen Anteil. Unter Beteiligung
der Namur gelang hier die fachliche Weiterentwicklung.
Mit dem Eugen-Hartmann-Preis wurde Volker Schulz ausgezeichnet.
Der junge Forscher hatte die Arbeit „Compensation method in
sensor technology: a sensor-based description“ im Journal of Sensors
and Sensor Systems (JSS) veröffentlicht. Darin beschreibt und vergleicht
er die Ausschlag- und Kompensationsmethode aus Sicht der
Regelungstechnik. Kurt Dirk Bettenhausen begründete die Entscheidung
der Jury mit den hervorragenden eigenen Entwicklungen des
Autors. Neben zahlreichen neuen Erkenntnissen zeichnet sich der
Aufsatz von Schulz durch Verständlichkeit aus und wird daher effektiv
durch die Fachwelt für die eigene Arbeit genutzt. ahü
Norbert
Kuschnerus,
Kurt Dirk
Bettenhausen,
Friedrich
Harbach und
Volker Schulz
(von links)
strahlten bei der
Eröffnung des
Kongresses
Automation.
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anche | Automation 2013
GMA-Umfrage zur Cloudnutzung: Jedes zweite
Unternehmen ignoriert den virtuellen Speicher
Online-Befragung unter 275 Mitgliedern ermittelte Potenzial aber auch Zurückhaltung
VDI-Pressesprecher
Marco Dadomo,
GMA-Vorsitzender Kurt Dirk
Bettenhausen und Detlef
Zühlke, wissenschaftlicher
Direktor Innovative Fabriksysteme
am DFKI Kaiserslautern,
präsentierten auf
dem Kongress Automation
Umfrage ergebnisse.
Bild: Anne Hütter
Cloud? Was verstehen die Mitglieder der GMA eigentlich
darunter? Geht es nach der aktuellen Online-
Befragung sehen 60,5 Prozent der Teilnehmer die Cloud
als zentralen Datenspeicher. Doch nur die Hälfte aller
deutschen Unternehmen nutzt die virtuelle Datenhaltung.
GMA-Vorsitzender Dr. Kurt Dirk Bettenhausen und
Prof. Detlef Zühlke, wissenschaftlicher Direktor Innovative
Fabriksysteme am DFKI Kaiserslautern und Mitglied
des Beirats der GMA, stellten anlässlich des Kongresses
Automation den Praxistest zur Cloud-Nutzung vor.
MEHR BERUFSERFAHRENE MITGLIEDER BEFRAGT
Rund 40 Prozent der Probanden blicken auf mehr als 20
Jahre Berufserfahrung zurück. Nur etwa acht Prozent
waren Studierende, neun Prozent der Befragten betrachteten
sich als Young Professionals. Mit unter 20 Jahren
Berufserfahrung gingen 20 Prozent ins Rennen. Der
Großteil der Befragten (19,3 Prozent) arbeitet dabei im
Bereich Wartung und Service. Der zweitgrößte Teilnehmerkreis
(13,4 Prozent) forscht in seinem Unternehmen.
Außerdem nahmen Mitarbeiter der Bereiche Entwicklung
(12,6 Prozent), Projektierung/Applikation (10,4 Prozent),
Betrieb und Produktion (7,1 Prozent), Management
(2,2 Prozent), Projektleitung (8,2 Prozent) oder Vertrieb
(10,4 Prozent) sowie Lehre (5,6 Prozent) und Studium
(2,6 Prozent) teil.
WIE SICHER IST DIE WOLKE?
Immerhin glauben 53 Prozent der Befragten, dass sich
die Cloud in der industriellen Automation durchsetzen
wird. Neben der effizienten Nutzung von Rechner- und
Speicherkapazitäten belegt die einfachere Wartung von
Software den Platz drei der Nutzfaktoren.
Allerdings taucht immer wieder die Frage nach der Sicherheit
auf. Kurt Dirk Bettenhausen, der in Baden-Baden
gemeinsam mit Detlef Zühlke die Umfrageergebnisse präsentierte,
steuerte gegen und verwies auf die von der GMA
mit erarbeitete VDI/VDE-Richtlinie 2182 „Informationssicherheit
in der industriellen Automation. Sechs Blätter
schildern das grundsätzliche Vorgehen zwischen Betreiber,
Integrator und Komponentenherstellern.
Doch bei den Befragten tauchen an zweiter und dritter
Stelle auch Fragen nach Zuverlässigkeit der virtuellen
Datenhaltung bei Verbindungsausfall oder rechtlichen
Unwägbarkeiten auf.
HÄLFTE DER PROBANDEN IGNORIERT DIE CLOUD
Software Update Management (61,3 Prozent) und die
Störungsauswertung (53,9 Prozent) sind Spitzenreiter,
befragt man die GMA-Mitglieder nach zusätzlicher
Dienstleistung, die die Cloud ermöglicht. Diagnose (52,8
Prozent) und Dokumentation (52,0 Prozent) folgen auf
den Rängen drei und vier.
Doch der Praxisabgleich ist ernüchternd: 48,3 Prozent
der Befragten ignorieren die Cloudnutzung im Unternehmen
bislang. Rund 25 Prozent lassen die virtuelle
Wolke das Software Update Management vornehmen,
24 Prozent die Diagnose. Die Mehrheit der Befragten
glaubt, dass die „Selbstverständlichkeit“ der Cloud-
Nutzung in fünf bis zehn Jahren erreicht ist. Und dabei
18
atp edition
7-8 / 2013

Gut lachen:
Peter Adolphs, Wilhelm
Otten, Ulrich Jumar,
Schahram Dustdar,
Kurt Dirk Bettenhausen
und Dieter Westerkamp
sitzen gut gelaunt in der
ersten Reihe bei der
Eröffnung des Kongresses
Automation. Bild: VDI
haben deutsche Anbieter wohl das Nachsehen. Eine
Mehrheit von 45,4 Prozent der befragten GMA-Mitglieder
geht davon aus, dass deutsche Produkte bei der Anwendung
in der Automation eine wenig bedeutende
Rolle spielen werden.
CLOUD: WAS DENKEN SIE, IST DAS?
Es mag an der Altersstruktur der Befragten gelegen haben,
denn auch 42,4 Prozent der Befragten nutzen die
Cloud nicht privat. Die „private Cloud“ kennen 63,1
Prozent, die „Public Cloud“ immerhin 21,6 Prozent.
Eine Definition lieferte VDI/VDE-Gesellschaft von
Cloud schließlich doch noch. „Die Cloud stellt Technologien
und Infrastruktur bereit“, so GMA-Vorsitzender
Bettenhausen auf Nachfrage.
MOBILE INFORMATIONEN SIND DA, ABGERUFEN
WERDEN SIE ÜBER PC UND LAPTOP
Eine kleiner Lichtblick ergab sich dann doch noch für
die Optimisten der virtuellen Daten- und Dienstleistungshaltung:
Nur sechs Prozent der Cloudnutzer haben
schlechte Erlebnisse damit gehabt. Etwa 71,8 Prozent
gaben an, dass sie teils gute, teils schlechte Erfahrungen
hatten und sich nicht alle Erwartungen erfüllt
haben. Zufrieden waren die meisten (68,4 Prozent)
damit, dass sie Informationen zu jeder Zeit und an jedem
Ort abrufen konnten. Das Teilen von Informationen
erfreute 60,5 Prozent.
Hauptsächlich wird der virtuelle Speicher, der es ja
eben erleichtert Daten mobil abzurufen, über Laptop und
PC (79,6 Prozent) konsultiert. Immerhin, schließt die
GMA, gaben 11 Prozent der Befragten an, dass sie die
Cloud über ihr Leit- oder Automatisierungssystem nutzen.
KMU MÜSSEN BESSER BERATEN WERDEN
Die GMA geht davon aus, dass die Cloud kommt. Es versteht
sie nur noch keiner. „Ein großes Potenzial ist hier
zu heben“, schließt die Gesellschaft aus den Zahlen der
zufriedenen Wolken-User.
Der Beratungsbedarf ist besonders bei kleinen und
mittelständischen Unternehmen (KMU) groß, so Detlef
Zühlke, wissenschaftlicher DFKI-Direktor. Er fordert
regionale Beratungsstellen, die Unternehmen im individuellen
Fall beraten. Zwar seien öffentlichkeitswirksame
Großprojekte, „Leuchttürme“ genannt, in der Forschung
wichtig, jedoch müsse auch die „Straßenbeleuchtung“
gesichert sein. Modellanlagen, die
Kommunikation und Architektur der digitalen Fabrik
transparent machen, sind dazu ein erster Schritt. Die
Smart FactoryKL, die gemeinsam mit dem DFKI betrieben
wird und einer GMA-Arbeitsgruppe vor 13 Jahren
entstammt, sei dafür ein gutes Beispiel.
Eine Mitgliederbefragung im Herbst des vergangenen
Jahres ergab, dass als zweitwichtigste Herausforderung
bei der Umsetzung der Digitalisierungsstrategie die
Einbindung des Menschen gesehen wird. Neben Energie-
und Ressourceneffizienz ist nach Einschätzung der
Befragten die Mensch-Maschine-Kommunikation ein
Erfolgsfaktor, um komplexere Anlagen besser bedienen
zu können.
ahü
atp edition
7-8 / 2013
19

BRANCHE
Cyber-Sicherheit zur Chefsache machen: Firmen
sind meist ungenügend vor IT-Attacken geschützt
Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) fordert Kooperation von Forschung und Praxis
UNGEBETENE GÄSTE: Rund 70 Prozent der Unternehmen
weltweit erlitten bereits einen Cyber-Angriff. Bild: pixelio.de /fellex
GEFÄHRLICHER KLICK: Die „Hacker“ haben es bislang nur auf
den Diebstahl von Know-how abgesehen. Bild: pixelio.de/Rauner Sturm
Umfragen wie der Allensbach-Studie 2011 oder dem
Symantec State of Security Survey 2011 zufolge, erlebten
bereits 70 Prozent der deutschen Unternehmen
einen Cyber-Angriff. Trotz Stuxnet ist die Bedrohung
über Industrial IT noch nicht in allen Unternehmen zur
Chefsache gemacht worden. Das BSI und die Allianz für
Cybersicherheit rufen daher zur Kooperation von Betreibern,
Herstellern und Industrieunternehmen auf.
Die zunehmende Vernetzung industrieller Anlagen
sowie der Trend Standard-Informationstechnik (IT) industriell
zu nutzen, prägten den Begriff von Industrial
IT. Gleichzeitig wurde das Thema Cyber-Security zur
Herausforderung für sämtliche Industriezweige. Cyber-
Security findet auch nach Stuxnet noch kaum hinreichende
Beachtung. Ergebnis ist ein Spannungsverhältnis
zwischen den Chancen von Industrial IT und den Risiken
für Security.
Stuxnet, der in eine iranische Atomanlage eingeschleuste
Virus, galt allgemein als Weckruf. Nachdem
dieser Vorfall über Gebühr strapaziert wurde, bleiben
jedoch unter sicherheitsspezifischen Gesichtspunkten
zwei Fragen offen: War Stuxnet repräsentativ für Sicherheitsvorfälle
in der Industrie und hat sich seit dem Angriff
etwas geändert?
KNOW-HOW-DIEBSTAHL IST MEISTENS
ZIEL DER ATTACKE
Viele Geschäftsprozesse hängen heute von verlässlicher
und fehlerfreier Informations- und Kommunikationstechnik
ab. Cyber-Angriffe beeinträchtigen einerseits
die Verfügbarkeit von Diensten oder Geschäftsprozessen.
Andererseits können sie Produktionsprozesse stören,
vertraulichen Entwicklungsdaten gewinnen oder
Kommunikationsnetze destabilisieren.
Hinter Cyber-Angriffen verbergen sich unterschiedliche
Interessengruppen: Organisierte Kriminalität, Mitbewerber
oder von Mitbewerbern beauftragte Unternehmen,
ausländische Nachrichtendienste, politisch motivierte
„Hacktivisten“ oder auch terroristische Vereinigungen.
Die aktuellen Sicherheitsvorfälle haben in der Mehrheit
den Diebstahl von Know-how und Information zum
Ziel. Die Sabotage von Anlagen steht dabei kaum im
Mittelpunkt. Ausfälle in der Produktion ergeben sich
aus Kollateralschäden durch allgemeine, nicht-zielgerichtete
Malware.
Die tatsächlichen Bedrohungen, ebenso wie die Schadenshöhe
erfolgreicher Cyber-Angriffe, sind selten offensichtlich.
Konsequenzen eines Know-how-Diebstahls
lassen sich möglicherweise erst sehr viel später erkennen.
Das Risiko für Produktionsanlagen wird vom Bundesamt
für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI)
als hoch eingeschätzt. Kaum eine Branche oder ein Unternehmen
ist vor Cyber-Angriffen sicher, wie Vorfälle
der jüngeren Vergangenheit gezeigt haben. Umfragen
zufolge erlitten bereits über 70 Prozent der größeren in
Deutschland einen Cyber-Angriff.
Das BSI kooperiert sowohl mit Betreibern als auch
mit Herstellern und Integratoren auf unterschiedliche
Weise. So lässt das Bundesamt beispielsweise derzeit
ein Testleitfaden für industrielle Steuerungskomponen-
20
atp edition
7-8 / 2013

ten erstellen. Er soll Anbieter dabei unterstützen, die
Sicherheit der Industriekomponenten auf ein hinreichendes
Mindestniveau zu heben. Künftig soll der Leitfaden
die Grundlage bieten, um Acceptance-Tests
durchzuführen.
SICHERHEIT LIEGT AUCH BEIM MASCHINENBAUER
Mit Stuxnet konzentrierte sich die öffentliche Wahrnehmung
auf die Sicherheit einzelner Industriekomponenten
wie Speicherprogrammierbaren Steuerungen. In der
Tat wurden in einem Großteil dieser Komponenten
Schwachstellen gefunden, die mit Entwicklungspraktiken
der konventionellen IT hätten vermieden werden
können.
Mittlerweile reagierten viele Hersteller und verbessern
sukzessive die Entwicklungsprozesse der Komponenten.
Zudem werden Sicherheitseigenschaften und -funktionen
der Komponenten bewusst als integraler Bestandteil
der jeweiligen Produkte beworben. Allerdings liegt die
Verantwortung nicht ausschließlich beim Hersteller.
Maschinenbauer und Integratoren bilden ein wichtiges
Bindeglied zwischen Komponentenhersteller und Betreiben.
Maschinenbauer argumentieren allerdings mitunter,
dass sie von den Herstellern sichere Komponenten erwarten.
Daraus resultiere automatisch eine sichere Anlage.
Dies ist ein Trugschluss. Vielmehr müssen auch Maschinenbauer
und Integratoren der Cyber-Sicherheit des eigenen
Produkts einen höheren Stellenwert beimessen.
Viele Betreiber finden sich noch nicht damit ab, selbst
für die Sicherheit der eigenen Anlage verantwortlich zu
sein. Die Vorstellung einer ab Errichtung sicheren Anlage
ist genauso eine Illusion wie ein PC, der ab Kauf über
die gesamte Lebensdauer ohne weiteres Zutun sicher
betrieben werden kann. Schlüssel zum Erfolg ist die Etablierung
eines Informationssicherheits-Management-
Systems (ISMS) wie IT-Grundschutz oder VDI/VDE 2182.
Dieses bietet den umfassenden Ansatz hin zu einem
ausreichenden Sicherheitsniveau.
IM NOVEMBER ERSCHEINT „ICS SECURITY KOMPENDIUM“
Speziell für die Wirtschaft veröffentlichte das BSI in den
vergangenen Monaten zahlreiche Dokumente mit Analysen,
Einschätzungen und Handlungsempfehlungen zu
verschiedenen Bereichen der Cyber-Security. Hierzu
gehört neben Übersichtsdokument „Industrial Control
System (ICS) Top 10 Bedrohungen“ die wachsende Zahl
von allgemeinen und auch ICS-spezifischen „Empfehlungen
zur Cyber-Sicherheit“.
Im November 2013 zur Messe SPS/IPC/DRIVES erscheint
das „ICS Security Kompendium“. Es soll dem
Austausch von IT- und Cyber-Sicherheitsexperten auf
der einen und Industriespezialisten auf der anderen Seite
dienen.
WIRTSCHAFT, WISSENSCHAFT UND VERWALTUNG
GEGEN CYBER-ATTACKEN
Um Angriffen wirksam zu begegnen, ist eine intensive
Kooperation von Staat und Wirtschaft erforderlich. Es
gilt, vorhandenes Wissen zu bündeln, um angesichts
neuer Angriffsszenarien vorbereitet zu sein.
Die Allianz für Cyber-Sicherheit will insbesondere
Unternehmen außerhalb Kritischer Infrastrukturen zur
Mitwirkung für mehr Security in Deutschland gewinnen.
Im Rahmen der Allianz entwickelt das BSI mit Partnern
aus Wirtschaft, Wissenschaft und Verwaltung zielgruppengerechte
Informationen und Lösungsangebote
und stellt diese der Wissenschaft zur Verfügung. Das BSI
nimmt dabei eine koordinierende Rolle ein und bringt
praxisorientierte Empfehlungen, Warnungen, Analysen
sowie Hintergrundinformationen in die Zusammenarbeit
mit den Unternehmen ein. Wichtige Grundlage dafür
ist die Beobachtung und kontinuierliche Fortschreibung
der aktuellen Lage. Darüber informiert die Homepage
www.allianz-fuer-cybersicherheit.de.
FAZIT: CYBERSICHERHEIT ZUR CHEFSACHE MACHEN
Anzahl, Komplexität und Professionalität von Cyber-
Angriffen nehmen stetig zu. Die trotzdem in vielen Unternehmen
weiterhin verbreitete Einstellung „Bisher ist
ja auch nichts passiert“ führt schnell zu ernsthaften
Problemen, wenn bestehende Sicherheitskonzepte nicht
kontinuierlich und angemessen aktualisiert werden.
Security muss daher zur Chefsache werden. Sie erfordert
den Einsatz bestimmter Ressourcen und sollte
fester Bestandteil des unternehmerischen Risikomanagements
sein.
AUTOR
HOLGER JUNKER leitet im
Bundesamt für Sicherheit
in der Informationstechnik
(BSI) das Referat „Cyber-
Sicherheit in kritischen
IT-Systemen, Anwendungen
und Architekturen“, welches
sich mit der Sicherheit im
Bereich Fabrikautomation
und Prozesssteuerungen befasst.
Bundesamt für Sicherheit in der
Informationstechnik (BSI),
Godesberger Allee 185-189, D-53175 Bonn,
Tel. +49 (0) 228 99 95 82 55 99,
E-Mail: holger.junker@bsi.bund.de
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21

BRANCHE
Smart Grids: Industrie ist auf die Sicherheitsrisiken
der zunehmenden Vernetzung schlecht vorbereitet
Bei jedem zweiten Unternehmen mangelt es an Informationssicherheit und Schutz gegen Netzstörungen
MANGELWARE SICHERHEIT:
Weder gegen Netzstörungen noch gegen
Schadsoftware und Hacker haben sich
die Unternehmen im produzierenden
Gewerbe bislang ausreichend abgesichert.
Quelle: TÜV Süd/Technomar
SENSIBILITÄT UND SCHUTZMASSNAHMEN IM PRODUZIERENDEN GEWERBE
Wie bewerten Sie die Sicherheit Ihres Unternehmens bei Störungen der Energieversorgung?
Weiß nicht 0,0%
Eher unsicher, mit deutlichem Nachholbedarf 5,9%
Mittlere Sicherheit, Verbesserungen sind notwendig
43,5%
Sicher, mit gewissem Verbesserungspotenzial
32,9%
Sehr sicher, keine zusätzlichen Maßnahmen notwendig
17,6%
Wie bewerten Sie die Sicherheit Ihres Unternehmens gegenüber Schadsoftware?
Weiß nicht 5,9%
Eher unsicher, mit deutlichem Nachholbedarf 5,9%
Mittlere Sicherheit, Verbesserungen sind notwendig
40,0%
Sicher, mit gewissem Verbesserungspotential
35,3%
Sehr sicher, keine zusätzlichen Maßnahmen notwendig
12,9%
Planen Sie in Zukunft Maßnahmen
gegen Störfälle?
Haben Sie bereits Maßnahmen gegen
Netzstörungen ergriffen?
weiß nicht
9%
69%
nein
22%
ja
ja,
organisatorischer
Art
52%
nein
32% ja,
tech nischer
Art
16%
DER UMBAU DER ENERGIEVERSORGUNG wird
auch die Netz strukturen erheblich verändern –
Smart Grids übernehmen nicht nur Versorgungs-,
sondern auch Steuerungsauf gaben. Die mit diesen
Änderungen einher gehenden Risiken werden in
der Industrie weithin noch unterschätzt. Bild: RWE
Erwarten Sie merkliche Veränderungen durch die Einführung intelligenter Stromnetze?
Weiß nicht
28,2%
Nein, keine Veränderungen
Ja, eher langfristig 3,5%
Ja, in 5 – 10 Jahren 4,7%
Ja, in den kommenden 5 Jahren
12,9%
50,6%
Die Energiewirtschaft und das produzierende Gewerbe
unterschätzen das Risikopotenzial, das in der Modernisierung
der Stromnetze steckt, erheblich. Nur rund
die Hälfte der Unternehmen im produzierenden Gewerbe
ist ausreichend gegen Netzstörungen sowie Schadsoftware
und Hackerangriffe gewappnet. Das Bewusstsein
für die Angreifbarkeit von intelligenten Netzen ist
kaum vorhanden und Schutzmaßnahmen sind Mangelware.
Das sind Ergebnisse der Studie „Security & Safety
in einer smarten Energiewelt“ des TÜV Süd, für die Entscheidungsträger
bei großen Energieversorgern, Stadtwerken
und Fertigungsbetrieben befragt wurden.
Die Energiewende führt zu einem Umbau der Stromversorgung
in Deutschland und in Europa. Neben dem
weiteren Ausbau der erneuerbaren Energien und dem Bau
von „Stromautobahnen“ werden die Mittel- und Niederspannungsnetze
mit Intelligenz ausgestattet, um einen
optimalen Abgleich zwischen Erzeugung und Verbrauch
zu erreichen und die Netzstabilität zu gewährleisten. Dafür
ist es erforderlich, dass die einzelnen Netzteilnehmer
und die Netzbetreiber die nötigen Informationen austauschen
und dass dieser Austausch sowie die Regelung des
Netzes einen hohen Automatisierungsgrad aufweisen.
Die vermehrte Einspeisung von Strom aus erneuerbaren
Energien und der Umbau der Stromnetze zu Smart
Grids stellen Herausforderungen für die Versorgungssicherheit
und die Netzstabilität dar. Zum einen reagieren
viele moderne Produktionsanlagen aufgrund zeitkritischer
Prozesse empfindlich auf Netzschwankungen oder
Stromausfälle. Zudem wächst durch die mit den Smart
Grids einhergehende Vernetzung die Bedrohung durch
Schadsoftware und Hacker-Attacken, von denen sowohl
Produktionsanlagen, als auch die gesamte Versorgungsinfrastruktur
betroffen sein könnten.
SENSIBILITÄT FÜR SICHERHEITSFRAGEN FEHLT
Die Studie „Security & Safety in einer smarten Energiewelt“
beleuchtet die Situation in der Energiewirtschaft
und im produzierenden Gewerbe. Eines der wichtigsten
Ergebnisse: Bei Sicherheitsfragen gibt es noch erheblichen
Nachholbedarf.
Und dies, obwohl für alle Befragten die Qualität der
Stromversorgung von überragender Bedeutung ist: 89
Prozent der großen Energieversorger, 99 Prozent der
Stadtwerke und 95 Prozent der Fertigungsbetriebe messen
ihr einen „hohen Stellenwert“ bei. Die größten un-
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ternehmerischen Schäden in allen drei Marktsegmenten
werden in der Regel nicht durch Stromausfälle verursacht,
sondern durch Schwankungen in der Netzfrequenz
und in der Netzspannung. Am problematischsten
sind solche Störungen für die Produktion, die IT und
andere kritische Verbraucher wie Prozesssteuerungen
oder Geräte zur medizinischen Versorgung.
VERTRAUENSVORSCHUSS STATT ABSICHERUNG
Die meisten Unternehmen gehen davon aus, dass die
Energiewende einen mittleren bis großen Einfluss auf die
Qualität der Stromversorgung haben wird. Das meinen
85 Prozent der Befragten bei den großen Energieversorgern,
91 Prozent bei den Stadtwerken und 80 Prozent im
produzierenden Gewerbe. Dennoch ist die Hälfte der
Entscheidungsträger in allen drei Marktsegmenten überzeugt,
dass die Versorgungsqualität durch die Energiewende
nicht beeinträchtigt wird. Ein nicht unerheblicher
Teil der Befragten – 20 Prozent bei den Stadtwerken
bis 28 Prozent im produzierenden Gewerbe – geht sogar
davon aus, dass die Zahl von Netzschwankungen und
Stromausfällen in Zukunft zurückgehen wird.
Auch die Einführung von intelligenten Netzen wird
nach Einschätzung der meisten Befragten zu keinen
merklichen Beeinträchtigungen der Versorgungsqualität
führen. Besonders stark ausgeprägt ist diese Meinung
mit 50 Prozent in den Fertigungsbetrieben, was vom großen
Vertrauen in die Energieversorger und Netzbetreiber
zeugt. Auffallend bei dieser Frage ist, dass ein Viertel
der Entscheidungsträger keine Meinung dazu hat. Das
könnte ein Zeichen dafür sein, dass die Thematik der
Smart Grids noch nicht überall angekommen ist beziehungsweise
noch nicht ausreichend reflektiert wurde.
SAFETY UND SECURITY MÜSSEN GESTÄRKT WERDEN
Das Vertrauen in die Versorgungsqualität hat zur Folge,
dass im produzierenden Gewerbe nur die Hälfte der befragten
Unternehmen ausreichend gegen Störungen bei
der Stromversorgung geschützt ist. 32 Prozent bewerten
ihre Situation als „sicher“ und 17 Prozent als „sehr sicher“.
Dieser Selbsteinschätzung entspricht auch die
Tatsache, dass mehr als die Hälfte der Fertigungsbetriebe
im Fall von Netzstörungen über keinerlei technische
oder organisatorische Gegenmaßnahmen verfügt. Mehr
für die Sicherheit will auch in Zukunft nur eine Minderheit
der befragten Unternehmen tun: 28 Prozent bei den
Energieversorgern, 45 Prozent bei den Stadtwerken und
22 Prozent im produzierenden Gewerbe.
Wenig überzeugend ist zudem der Schutz vor Schadsoftware
oder Hacker-Angriffen. Nur 48 Prozent der Befragten
im produzierenden Gewerbe sind davon überzeugt,
in dieser Hinsicht „sicher“ oder „sehr sicher“ zu
sein. Bei den großen Energieversorgern halten sich immerhin
57 Prozent der Befragten für gut gewappnet gegen
solche Attacken, und bei den Stadtwerken sind es
54 Prozent. In dieses Bild passen auch die Aussagen, dass
62 Prozent der Energieversorger über keine Gesamtverantwortlichen
für die IT Security verfügen. Auch bei
33 Prozent der Stadtwerke und bei 42 Prozent der Fertigungsbetriebe
gibt es keinen solche Verantwortlichen.
Vor allem die Aussagen zur IT Security sieht der TÜV
Süd mit großer Sorge. Denn durch die zunehmende Ausstattung
der Stromnetze mit Intelligenz und die Kommunikationsfähigkeit
von Smart Grids erhöht sich auch
das Risiko für feindliche Angriffe. Durch solche Attacken
können nicht nur Daten von Unternehmen und
Verbrauchern ausspioniert, sondern auch gesamte Versorgungsinfrastrukturen
lahmgelegt werden.
Insgesamt zeigen die Ergebnisse der Studie, dass die
Marktteilnehmer über den Umbau der Stromnetze zu
Smart Grids und die möglichen Folgen noch nicht ausreichend
informiert sind. Es zeigt sich ein eklatanter Widerspruch
zwischen der hohen Bedeutung, die die Stromqualität
für alle Befragten hat, und den fehlenden Vorkehrungen,
um sich gegen mögliche Störungen abzusichern.
Dabei stellt die Um- und Aufrüstung der Netze zu
Smart Grids ganz neue Anforderungen an alle Marktteilnehmer
– Energieversorger, Energieverbraucher und
Netzbetreiber. In intelligenten Stromnetzen wird der
Bereich der Informationssicherheit, der Schutz vor feindlichen
Angriffen immer wichtiger. Nur durch eine ganzheitliche
Herangehensweise und durch die Verbindung
von funktionaler Sicherheit und Informationssicherheit,
von Safety und Security kann die hohe Versorgungsqualität
in Deutschland auch in Zukunft garantiert werden.
STUDIE
„Security & Safety in einer smarten Energiewelt“
Für die Studie „Security & Safety in einer smarten Energiewelt“ hat der
Marktforschungsspezialist Technomar GmbH im Auftrag von TÜV Süd im
Januar und Februar 2013 insgesamt 255 Geschäftsführer und andere
Entscheidungsträger bei großen Energieversorgern, Stadtwerken und
Fertigungsbetrieben in ganz Deutschland befragt. Im produzierenden
Gewerbe konzentrierte sich die Studie auf kleine und mittlere Firmen, das
Spektrum der Branchen reichte vom Maschinenbau bis zu Nahrungs- und
Genussmitteln und von Autoherstellern bis zu IKT/Elektro/Elektronik.
AUTOR
Dr. KAI STRÜBBE ist Leiter des Bereichs
Embedded Systems der TÜV Süd AG.
TÜV Süd AG,
Westendstr. 199,
D-80686 München,
Tel. +49 (0) 89 57 91 16 27,
E-Mail: kai.struebbe@tuev-sued.de
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PRAXIS
Pneumatische Komplettlösung bei Infusionshersteller
verringert Komplexität und spart Kosten
Standardisierte Automatisierungslösung bei B. Braun Melsungen AG steigert die Anlagenverfügbarkeit
STANDARDISIERTE SCHALT-
SCHRÄNKE erleichtern
durch ihre Modularität die
Wartung und Diagnose.
DIE B. BRAUN
MELSUNGEN AG
stellt unter anderem
Infusionslösungen her. Sie
stammen aus einer der modernsten
Fertigungsanlagen in Europa.
IN DER LEADING INFUSION FACTORY
EUROPE nutzt B. Braun das Potenzial von
Single Sourcing und Standardisierung.
ie B. Braun Melsungen AG hat eine der modernsten
D Fertigungen von Infusionslösungen: Die umfassenden
Analyse der Automatisierungstechnik durch Experten
von Festo und B. Braun erreichte eine standardisierte
Pneumatik. Sie spielt bei dem Hersteller entlang der
ganzen Wertschöpfungskette nun ihre Vorteile aus. „Das
Senken der Instandhaltungskosten und das Verringern
der Stillstandzeiten waren für uns die überzeugendsten
Argumente für die Standardisierung“, erklärt Klaus
Sonntag, Leiter Instandhaltung bei B. Braun.
KOMPLETTLÖSUNG VERRINGERT KOMPLEXITÄT
Die B. Braun Melsungen AG liefert weltweit Produkte für
Anästhesie, Intensivmedizin und Kardiologie aus. Sie
ist gleichzeitig Anbieter von Blutkonserven und Dienstleister
für Kliniken, niedergelassene Ärzte oder den
Homecare-Bereich.
Die Life-Nutrition-Anlage im neuen B. Braun-Werk stellt
Infusionslösungen in neuartigen Drei-Kammer-Beuteln
her, ist dabei hoch automatisiert und jetzt auch hoch standardisiert.
Automatisierungsspezialisten von Festo förderten
das Verbesserungspotenzial von der Primär- über die
Sekundärproduktion zutage. Automatisierungsprodukte
von bis zu sechs unterschiedlichen Pneumatik-Lieferanten
waren bis dato in der Anlage verbaut. Die vielen verschiedenen
Ersatzteile erhöhten die Komplexität und damit die
Kosten für Wartung und Instandhaltung.
Das Ziel war klar: Möglichst viele Maschinen und Anlagen
entlang der Wertschöpfungskette – vom Ansatzsystem
über die Abfüllung, Sterilisatoren und Inspektionsmaschinen
bis hin zur Verpackung – sollten standardisiert
werden. Gleiche oder ähnliche pneumatische
Automatisierungslösungen und Produkte sollten den
Ablauf erleichtern. Die Vorteile: verminderte Ersatzteilhaltung,
weniger Komplexität in der Instandhaltung und
nur noch ein Ansprechpartner für die Pneumatik. Letzteres
beschleunigt die Prozesse und führt aufgrund höherer
Bestellmengen von gleichen Ersatzteilen zu Skaleneffekten
und damit geringeren Einstandskosten.
„Wir können Personal und Ersatzteile besser planen,
unser Personal gezielter schulen und haben dabei deutlich
weniger Aufwand“, freut sich Sonntag. Die Kosten
für die Lager- und Instandhaltung gingen zurück. Zusätzlich
erhöhte der Pharmahersteller seine Effizienz, indem
er Personal und Ersatzteile einfacher planen kann.
SINGLE-SOURCING SPART GELD
Zu Projektbeginn analysierte ein Team von Festo zusammen
mit Spezialisten des Pharmaherstellers die bei B.
Braun bisher verwendeten Typen der Komponenten. Das
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Projektteam definierte einen Standard und erstellte eine
Betriebsmittelempfehlung. Dadurch vereinfachte sich
die Instandhaltung und Wartung. In dieser Engineering-
Phase erbrachten die Experten von Festo die Beratungsleistung
vom 3-D-Modell bis zur Designabstimmung.
In der Logistik- und Ausführungsphase koordinierten
die Automatisierer die Umsetzung der Standards mit
den beteiligten Maschinen- und Anlagenbauern. Das so
erreichte Single-Sourcing sparte Kosten und erhöhte
die Effizienz im Einkauf. Der Anbieter projektierte, baute
und lieferte in dieser Phase der Wertschöpfungskette
45 einbaufertige Ventilinselschränke direkt an die
Anlagenbauer.
Fix und fertig zusammengebaut und geprüft, entlasteten
die Komplettlösungen das Fachpersonal, hielten den
Konstruktionsaufwand gering, erleichterten den Beschaffungsprozess
und senkten die Prozesskosten.
„Einbauen und vergessen ist dabei das Ziel für unsere
Kunden“, erklärt Jürgen Weber, Leiter Key Account Management
Prozessautomatisierung bei Festo Deutschland.
Für die Anwender ergeben sich Vorteile in der
Phase der Installation und Inbetriebnahme.
Von den Prozessanlagen bis zur Verpackungsmaschine
verlässt sich B. Braun auf eine einheitliche Produkttechnologie.
Kernstück der Automatisierung auf der
Sensor-Aktor-Ebene ist die Ventilinsel CPX/MPA im
Schaltschrank. Dank ihres flexiblen Steuerungskonzepts
konnten an der busangesteuerten Ventilinsel als
E/A-Baugruppe alle Rückmelder, Antriebe und Prozessventile
angeschlossen werden. Heute steuert sie 4.000
Membran- und andere Prozessventile in der pharmazeutischen
Produktion an.
SICHERHEIT DER PRODUKTE GARANTIERT
In der Produktfreigabeliste für Pneumatik fasste B. Braun
während des Projekts die pneumatischen Komponenten
und Subsysteme zusammen – von der Ventilinsel CPX/
MPA über die Druckluftaufbereitung der MS-Reihe, den
Durchflusssensor MS6-SFE bis hin zu den einbaufertigen
Schaltschränken. Zur Vervollständigung der pneumatischen
Steuerkette enthielt die Liste aber auch Normzylinder,
Drosselrückschlagventile, Verschraubungen,
Schläuche und Zylinderschalter.
Dank der globalen Vertriebs- und Servicestruktur stellte
Festo sicher, dass die Lieferungen aus den verschiedenen
Ländern dem Projektstandard entsprachen.
AUTOR
Festo AG & Co. KG,
Ruiter Straße 82, D-73734 Esslingen,
Tel. +49 (0) 711 34 75 21 92,
E-Mail: thss@de.festo.com
THOMAS SCHULZ ist Head
of Industry Segment and
Key Account Management
Biotech/Pharma. Er ist
verantwortlich für die
Marktentwicklung des
Industriesegments Biotech/
Pharma weltweit.
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Schwimmerschalter
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PRAXIS
Doppelstocktanks und ein Verteil-Igel sorgen im
Mars-Werk für Reinigungspower auf engstem Raum
Maßgeschneiderte Turn-Key-Anlage in Viersen ersetzt altes CIP-System für Schokoriegel-Produktion
BILD 1: Die Konstruktionszeichnung
diente dem Projektteam als Vorschau.
Bild: Gebr. Rieger
BILD 3: Um kurze Umstellzeiten bei
Mars einzuhalten, wurde die Anlage fertig
montiert geliefert. Bild: Gebr. Rieger
BILD 5: Turn-Key-CIP-Anlage: auf
engstem Raum maßgeschneidert am
Platz der Altanlage untergebracht.
Bild: Ing. Büro Täschner
BILD 2: Der Schlüssel zur Lösung der
Platzprobleme: die Ventile im „Verteil-Igel“
leiten die CIP-Medien auf engstem Raum
in die Reinigungskreise. Bild: Mars
BILD 4: Die Anlieferung der
Turn-Key-CIP-Anlage bei Mars.
Bild: Endress+Hauser
BILD 6: In der Mars-Produktion. Bild: Mars
Lägen alle Mars-Schokoriegel, die die Deutschen im
Jahr verspeisen, in einer Reihe hintereinander, so würden
sie zweimal die Welt umspannen. Alle werden am
Standort Viersen am Niederrhein hergestellt, 10 000
Snacks pro Minute. Für die dort seit den 80er Jahren betriebe
CIP (Cleaning-in-Place)-Reinigungsanlage fand
sich kein Ersatz von der Stange. Nur 16 m 2 standen für
die Turn-Key-Lösung zur Verfügung, die der Prozessautomatisierer
Endress+Hauser gemeinsam mit dem Ingenieurbüro
Täschner aus Hamm und dem Ventilspezialisten
Gebr. Rieger aus Aalen erarbeitete und realisierte.
Mars Deutschland ist eine Tochterfirma des amerikanischen
Familienunternehmens Mars Incorporated, das
zu den weltweit führenden Markenartikelherstellern gehört.
Mit den Geschäftsbereichen Schokolade, Heimtiernahrung,
Lebensmittel, Getränke, Kaugummi und Süßwaren,
sowie Pflanzenpflege erzielte Mars in Deutschland
2012 einen Umsatz von rund 1,8 Milliarden Euro und
beschäftigt etwa 2200 Mitarbeiter. Im Werk Viersen werden
die bekannten Schokoriegel Twix und Balisto, sowie
die Komponenten Maltesers Teasers und Dove für Celebrations
hergestellt. Bereits in der Vergangenheit gab es
Kooperationen mit Endress+Hauser, aus denen zahlreiche
Projekte hervorgegangen sind. Von der Standardisierung
der Messtechnik mit einem schlanken Ersatzteilkonzept
über das Instandhaltungs-Management bis zum Energiemonitoring
nutzten die Mitarbeiter in Viersen das Knowhow
des Prozessautomatisierers. Zu den erfolgreichen
Projekten zählen beispielsweise anspruchsvolle Applikationen,
wie etwa die Funktionsüberwachung einer
Gleitringdichtung in einem Produktionsmischer durch
den glasfreien Trübungssensor Ousaf 11.
DIE HERAUSFORDERUNGEN DES TURN-KEY-PROJEKTS
Die alte CIP-Anlage besaß einen geringen Bedienkomfort
und wurde in der Wartung immer zeitintensiver.
Gleichzeitig stieß sie durch den jahrzehntelangen Erfolgskurs
der Mars-Schokoriegel-Marken an ihre Kapazitätsgrenzen.
Die Produktionskapazitäten ließen sich
nicht weiter steigern, da die Reinigungseffizienz des
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atp edition
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Geräts kein Optimierungspotenzial bot. Dies galt auch
für den Energie- und Reinigungsmittelverbrauch: Die
Anlage war insgesamt nicht zeitgemäß. Eine Modernisierung
war das Nadelöhr auf dem Weg in die effiziente
Zukunft. Ein internes Projektteam stellte den Anforderungskatalog
im Hinblick auf Arbeitssicherheit, Ökologie
und Wirtschaftlichkeit zusammen. Bei der Überprüfung
der Altanlage wurde deutlich, dass eine
Überarbeitung beziehungsweise Modernisierung weit
mehr kosten würde als eine Neuanlage.
Um Platz, Zeit und Kosten zu sparen, entschieden sich
die Planer, eine Neuanlage exakt am alten Platz auf 16m 2
(8 m x 1,75 m) unterzubringen. Das Mars-Projektteam
fand am Markt niemanden, der sich diesen Herausforderungen
stellte. Entweder waren die Unternehmen aus
Platzmangel nicht in der Lage, die CIP-Standardanlagen
an alle bestehenden Rohrleitungssysteme anzubinden
oder die angebotenen Leistungspakete enthielten nicht
alle Anforderungen eines Turn-Key-Projekts: Aufbau,
Inbetriebnahme, Einweisung, Zertifikate und Erstanlagenkalibration
mit Validierung des Reinigungsprozesses.
Dieser Aufgabe stellte sich Endress+Hauser (Projektverantwortung)
gemeinsam mit dem Ingenieurbüro Täschner
und der Firma Gebr. Rieger.
KONZEPT DER TURN-KEY-CIP-ANLAGE
War die Altanlage das Nadelöhr hinsichtlich der Leistungsfähigkeit,
so erwies sich der alte Aufstellungsort als
Nadelöhr für die Neuanlage. Die Lösung für das Problem
boten Doppelstocktanks und ein sogenannter Reinigungsverteil-Igel.
Der Reinigungsverteil-Igel ist eine besondere
Ventilkonstruktion. Er ermöglicht, alle im CIP-Prozess
benötigten Medien auf engstem Raum intelligent in die
bestehenden Produktionsbereiche zu leiten. Diese lassen
sich in vier Reinigungskreise einteilen: die Teigabteilung,
die Karamellbühne, den Rohstoff- und den Milchbereich.
Drei dieser Verteil-Igel sind nun in dieser neuen CIP-Anlage
in Betrieb. Statt der „verlorenen Reinigung“, bei der
die gebrauchten CIP-Medien verworfen wurden, erfolgte
die Umstellung auf eine Stapelreinigung; diese ist aus ökologischen
und wirtschaftlichen Gründen sinnvoller. Insgesamt
besteht die Neuanlage aus drei Tanks: ein Vorlagebehälter
für Lauge/Desinfektionsmittel, ein Frischwasserund
ein Stapelwassertank. Das neue verfahrenstechnische
Konzept erlaubt es nun, zeit- und kostenoptimal zu reinigen.
Trotz der kompakten Bauweise der CIP-Neuanlage
sind alle sicherheitstechnischen und wartungsrelevanten
Komponenten frei und schnell zugänglich. Die Projektbeteiligten
integrierten außerdem Anlagenkomponenten von
Drittlieferanten wie Plattenwärmetauscher, Dosierstation,
Pumpen und weitere Ventile. Aufgrund der kurzen Umstellungszeit
in dem Werk in Viersen, erfolgte die Montage
der kompletten Anlage in den Werkshallen der Firma Gebr.
Rieger in Aalen. 3D-Modelle und Konstruktionszeichnungen
dienten dabei als Grundlage, um dem Mars-Projektteam
eine Vorschau auf die Gesamtanlage zu ermöglichen.
Letztendlich lieferte das Projektteam die CIP-Anlage vormontiert
auf zwei Grundgestellen aus.
TECHNISCHE AUSSTATTUNG
Um die Durchflussmengen und die erforderlichen Strömungsgeschwindigkeiten
der CIP-Medien sowie die Dosierung
von Lauge und Desinfektionsmittel zu erfassen,
kommen insgesamt drei magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte
Promag P zum Einsatz. Die Chemievorratsbehälter
werden wiegetechnisch überwacht, um die
Leermeldung rechtzeitig vorausbestimmen und entsprechenden
Nachschub planen zu können. Die Leitfähigkeitsmessung
der Medien im Vor- und Rücklauf übernimmt
der Smartec S. Zusätzlich sorgt der Trübungssensor
Ousaf 11 für die optimale Phasentrennung im Rücklauf.
Die Druck- und Füllstandmessungen führen
Deltapilot S und Cerabar M aus, die Temperaturmessungen
vier Omnigad M Sensoren. Für die Grenzstandmessung
und Überfüllsicherung sind acht Liquiphant T
verbaut. Die Messwerte werden am Memograph M visualisiert
und gespeichert. Die Steuerung übernimmt ein
Controllogix-System von Rockwell Automation. Der gesamte
Projektumfang beinhaltete neben dem Basic Engineering,
die Hardware- und Softwareplanung, die
Visualisierung (HMI/Scada-Software Cimplicity) und
die Schaltschrankfertigung. Zum Turn-Key-Paket gehörte
neben Montage und Inbetriebnahme der Software-
Acceptance-Test (SAT) und die Anlagenoptimierung
nach vorangegangener Kalibration.
FAZIT
Das Familienunternehmen Mars hat fünf Prinzipien als
Eckpfeiler seines Handelns, die Antrieb geben, etwas zu
bewirken: Qualität, Verantwortung, Gegenseitigkeit, Effizienz
und Freiheit. Diese Prinzipien befolgte das Projektteam.
Alle von Mars gestellten Anforderungen konnten
im gesteckten Zeitrahmen mit hoher Qualität erfüllt
werden. Die Zusammenarbeit zwischen allen Projektbeteiligten
basierte auf Vertrauen. Die neue CIP-Anlage
erreichte alle kalkulierten Einsparungspotenziale in
Bezug auf Zeit, Chemikalien-, Wasser- und Energieeinsatz
und arbeitet deutlich effizienter. Letztlich war das
Projekt deshalb erfolgreich, weil die Planer sich die Freiheit
nahmen, einen kreativen Lösungsvorschlag zu unterbreiten
und sich nicht durch die äußerst beengten
Platzverhältnisse entmutigen ließen.
AUTOR
TIM SCHRODT ist Branchenmanager Lebensmittel
bei Endress+Hauser in Weil am Rhein.
Endress+Hauser Messtechnik GmbH+Co. KG,
Colmarer Straße 6,
D-79576 Weil am Rhein,
Tel. +49 (0) 7621 97 57 51,
E-Mail: tim.schrodt@de.endress.com
atp edition
7-8 / 2013
27

PRAXIS
Sensibel und stabil: Schwingender Einstab misst
Füllstand von PVC-Granulat bei Recyclinganlage
MBA 700 vibriert bei 290 Hz und ertastet auch sehr leichte Materialien
IN MARL übernimmt der schwingende Einstab die zuverlässige
Füllstandmessung von PVC-Granulat. Bilder: MBA Instruments
DER GRENZSCHALTER
MBA 700 ertastet
auch sehr leichte
Materialien mit einem
Schütt gewicht bis
10 Gramm pro Liter.
Bei Schüttgütern spielt die Füllstandmessung eine entscheidende
Rolle. In Recyclingprozessen wird die Herausforderung
für entsprechende Geräte samt der Systemanforderung
deutlich. Für das mittelständische Unternehmen
Arbeitsgemeinschaft PVC-Bodenbelag Recycling
(AgPR), ist reibungslos funktionierende Füllstandmessung
die Basis für Sicherheit und Verlässlichkeit im gesamten
Recyclingverfahren. Mit dem Vibrations-Einstab-Verfahren
des Grenzstandschalters MBA 700 der MBA Instruments
aus Quickborn erreichte der Betrieb dieses Ziel.
AUS ALT MACH NEU
Im Zentrum des Wiederaufbereitungsprozesses der
AgPR stehen gebrauchte PVC-Beläge, deren Verarbeitung
durch verschiedene Arbeitsschritte erfolgt, sogenannte
Recylats. „Diese dienen dann Herstellern von PVC-Belägen
als Grundlage“, erklärt Heinz-Ahlerich Lübben, Betriebsleiter
der AgPR, den Recyclingvorgang und ergänzt:
„Dabei besteht die Herausforderung darin, die Fremdstoffe
aus dem zerkleinerten Werkstoff herauszufiltern.“
DISKONTINUIERLICHE PROZESSE
Das Recycling alter PVC-Bodenbeläge benötigt ein zuverlässiges
Instrument. „Nach dem Schreddern alter Bodenbeläge
füllt ein Dosierbehälter das entstandene Schüttgut in eine
Kühlschnecke“, berichtet Lübben. „Dieser Vorgang findet
diskontinuierlich statt, weshalb wir auf sensible Füllstandsensorik
angewiesen sind.“ Vor dem Wechsel zum Vibrations-Grenzstandschalter
MBA 700, wurde der Füllstand
mit einem Drehflügelmelder überwacht. Dieses Messverfahren
zeichnet sich dadurch aus, dass ein Motor einen Flügel
über eine Welle kontinuierlich dreht. Sobald das Füllgut
den Messflügel berührt und ihn in seiner Drehung behindert,
gibt das Messgerät ein Signal ab, das den Befüllvorgang
unterbricht. Nachteil dieses Konzeptes: Bei besonders feinen
und leichten Füllgütern muss der Flügel entsprechend
groß sein, damit die Schaltung schnell genug ausgelöst
wird. Ist der Einsatz eines großen Flügels systembedingt
nicht möglich, kann es zu Fehlmeldungen kommen, da die
feinen Substanzen die Flügelrotation erst verspätet stoppen.
Dieses Problem stellte sich auch der AgPR und so fiel die
Wahl auf den Einstab-Vibrationsschalter MBA 700.
SENSIBEL UND ZUVERLÄSSIG
Im Vergleich zu anderen Schwingstäben stellt der patentierte
Grenzschalter MBA 700 einen echten, schwingenden
Einstab dar. Während Schwinggabeln und unechte
Schwingstäbe schon seit längerem im Wettbewerb stehen,
ist der schwertförmige Sensor, auch als Schwingflügel
bekannt, bisher einzigartig. Er vibriert bei 290 Hz mit geringer
Energie, sodass er sich selbst nicht „freischaufelt“;
Fehlmessungen durch eigene Hohlraumbildung werden
somit vermieden. Vielmehr kann der MBA 700 mit dem
Schwingflügel-Verfahren auch extrem leichte Materialien
mit einem Schüttgewicht bis 10 Gramm pro Liter ertasten.
Bei der Entwicklung des Einstab-Schwingflügels stand
die Schwinggabel Pate. Sie wurde immer wieder modifiziert
und verbessert, bis daraus ein massiver, vibrierender
Stab aus Edelstahl entstand. Für die maximale messtechnische
Sicherheit erhielt der Stab einen Querschnitt
in Form einer abgeflachten Raute, die zu der einzigartigen
Schwertform führte. Diese verhindert das Anbacken
von Pulver, wenn das Gerät in Richtung Materialfluss
eingebaut ist. Damit wurden die gewünschten Eigen-
28
atp edition
7-8 / 2013

schaften erreicht: hohe Sensibilität, um sehr leichte Pulver
zu detektieren, und gleichzeitig maximale mechanische
Stabilität, um in schweren oder zäh fließenden
Schüttgütern eingesetzt zu werden. Wird der vibrierende
Schwingflügel doch einmal durch mechanische Einwirkung
verbogen, schwingt er weiter.
Das Messverfahren beruht darauf, einen Stab aus Stahl
mithilfe eines Piezoelements zum Schwingen zu bringen.
Besser noch zum Vibrieren, weil das Schwingen mit einer
hohen Frequenz stattfindet. Kommt das vibrierende Element
mit einem flüssigen oder festen Stoff in Berührung,
so dämpft das die Schwingung. Das erkennt die Elektronik,
schaltet die Vibration ab und sendet ein Signal.
KEINE PROBLEME BEI DER SYSTEMINTEGRATION
Da das Messverfahren nachträglich in den Recyclingprozess
der AgPR integriert wurde, bestand die Herausforderung
darin, das Gerätesignal in die Speicherprogrammierte
Steuerung (SPS) der Anlage zu integrieren. „Diese
dient dazu, die Ablaufsteuerung über unser digitales
System zu kontrollieren“, erklärt Lübben. „Bei der Implementierung
des MBA 700 gab es diesbezüglich keine
Probleme und mittlerweile verfügt die Anlage über zwei
Geräte, die zuverlässig und schnell reagieren und ein
sicheres Schalten gewährleisten.“
AUTOR
HANS-HEINRICH WESTPHAL
ist Geschäftsführer der
MBA Instruments GmbH.
MBA Instruments GmbH,
Friedrich-List-Straße 3-7,
D-25451 Quickborn,
Tel. +49 (0) 4106 123 88 80,
E-Mail:
westphal@mba-instruments.de
SIL
Sprechstunde
5. SIL-Sprechstunde
Funktionale Sicherheit
17. + 18.9.2013, Mannheim, Pepperl+Fuchs GmbH
www.sil-sprechstunde.de
Programm
SIL und Ex-Schutz
Moderation:
Anne Hütter, atp edition
SIL von elektronischen Komponenten
Diagnose durch automatisches Testen
Funktionale Sicherheit bei Nieder- & Mittelspannungsschaltanlagen
Sicherheitstechnische Bewertung ohne Probabilistik
PFD-Berechnung bei nichtkonstanten Ausfallraten
Referenten
Thomas Gabriel, Bayer Technology Services GmbH
Dirk Hablawetz, BASF SE
Martin Herrmann, Infracor GmbH
Dr. Andreas Hildebrandt, Pepperl+Fuchs GmbH
Udo Hug, BImSchG § 29a Sachverständiger
Dr. Thomas Karte, Samson AG
Dr. Gerold Klotz-Engmann, Endress+Hauser Messtechnik GmbH + Co. KG
Josef Kuboth, Landesamt für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz NRW
Patrick Lerévérend, Pepperl+Fuchs GmbH
Dr. Bernd Schrörs, Bayer Technology Services
Heiko Schween, HIMA Paul Hildebrandt GmbH + Co KG
Peter Sieber, Bilfinger alpha msr GmbH
Johann Ströbl, TÜV Süd Industrie Service GmbH
Wann und Wo?
Weitere Informationen und Online-Anmeldung unter www.sil-sprechstunde.de
nicht nach
Schema F
Termin
Dienstag, 17.09.2013
Veranstaltung (11:30 – 17:15 Uhr)
„Get-Together“ mit Abendessen (ab 18:00 Uhr)
Mittwoch, 18.09.2013
Veranstaltung (9:00 – 15:00 Uhr)
Ort
Mannheim, Pepperl+Fuchs GmbH
Thema
Sicherheit nicht nach Schema F
Teilnahmegebühr
atp edition-Abonnenten 540 € zzgl. MwSt.
Firmenempfehlung 590 € zzgl. MwSt.
reguläre Teilnahmegebühr 690 € zzgl. MwSt.
Studenten
kostenlos
Im Preis enthalten sind die Tagungsunterlagen
sowie die Verpflegung während der Veranstaltung
(inkl. gemeinsames Abendessen).

PRAXIS
IT-Infrastruktur von Rittal schützt Datenbestände
der Vatikanischen Apostolischen Bibliothek
Rechenzentrum sichert antiken Bestand und verbindet Energieeffizienz mit Flexibilität
IN DER ERSTEN PROJEKTPHASE wurden zwei der vier geplanten Bereiche
mit IT-Infrastruktur von Rittal ausgestattet. Bilder: Rittal
DIE VATIKANISCHE APOSTOLISCHE BIBLIOTHEK
beherbergt zirka 180 000 Manuskripte,
8 600 Inkunabeln sowie 1,6 Millionen Bücher
und 300 000 Münzen und Medaillen.
Die Vatikanische Apostolische Bibliothek enthält die
weltweit größte Sammlung an antiken und handgeschriebenen
Texten. Mit der vollständigen Digitalisierung
der zirka 180 000 Manuskripte leistet die Bibliothek
einen wertvollen Beitrag zur Kulturgeschichte.
Heimat der digitalisierten Dokumente ist künftig ein
Rechenzentrum von Rittal, das Energieeffizienz und
Flexibilität vereint.
Bei dem Digitalisierungsprojekt, das auf vier Jahre
ausgelegt ist, entstehen 40 Millionen erfasste Seiten. Das
Rückgrat bildet die IT-Infrastruktur von Rittal. Bei der
Entscheidung für ein Rechenzentrum spielten Energieeffizienz
und maximale Flexibilität eine große Rolle.
Spätere Erweiterungen sollten bei höherem Archivierungsbedarf
jederzeit möglich sein. Die Gründung der
Vatikanischen Apostolischen Bibliothek geht auf den
Heiligen Stuhl im 15. Jahrhundert zurück. Sie enthält
etwa 180000 Manuskripte sowie 1,6 Millionen Bücher
und 300 000 Münzen und Medaillen.
HÖCHSTE SICHERHEIT
Das Rechenzentrum befindet sich direkt neben den Büros
der Angestellten der Vatikanischen Apostolischen
Bibliothek. Damit das Rechenzentrum stets verfügbar
ist, sind alle vier Bereiche durch eine durchgängige
Stromversorgung abgesichert. Für die Klimatisierung
der Server-Racks vertraut Rittal auf bewährte Technik:
Luft-/Wasser-Wärmetauscher transportieren warme Luft
ab. Damit wird gewährleistet, dass die Server in den
IT-Racks nicht überhitzen. Für die Sicherheit der archivierten
Daten installierte das Unternehmen außerdem
Systeme für die Sicherheits-, Videoüberwachungs- und
Zugangskontrolle. Das Monitoring-System Rittal CMC
III (Computer Multi Control) sorgt für einen reibungslosen
Betrieb des Rechenzentrums, indem es Störungen
wie einen plötzlichen Temperaturanstieg im Server-
Rack sofort meldet.
AUTOR
PATRICIA SPÄTH
ist Referentin bei der
Unternehmenskommunikation
in der
Rittal GmbH & Co. KG.
Rittal GmbH & Co. KG,
Auf dem Stützelberg, D-35745 Herborn,
Tel. +49 (0) 2772 505 23 46,
E-Mail: spaeth.p@rittal.de
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atp edition
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Wahrung der Widerrufsfrist genügt die rechtzeitige Absendung des Widerrufs oder der Sache an den Leserservice atp, Postfach
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PRAXIS
Fräsmaschine aus den USA auf Sicherheitslevel
PL d nach EN ISO 13849-1 nachgerüstet
LKE GmbH stattet Kunststoff-Fräsmaschine Haas GR 712 mit Komponenten von ABB Stotz-Kontakt aus
BILD 1: Die Fräsmaschine Haas GR 712 für
Filterplatten-Rohlinge aus Polypropylen wurde
mit einer Komplettlösung von ABB Stotz Kontakt
nachgerüstet. Bilder: ABB
BILD 2: Günther Bissle und Rainer Fasel vor einer 3 m x 3 m großen
Polypropylen-Platte für Minenfilteranlagen.
Die aus den USA importierte 3-achsige Kunststoff-
Fräsmaschine Haas GR 712 bearbeitet bei der Klinkau
GmbH + Co. KG bis zu 3 m x 1,8 m große Filterplatten-
Rohlinge aus Polypropylen. Mit der sicherheitstechnischen
Nachrüstung dieser fabrikneuen Fräsmaschine
beauftragte Klinkau die LKE GmbH & Co. KG. Entsprechend
der Risikobeurteilung und den aktuellen Sicherheitsnormen,
wurde die Anlage mit einer kompletten
Sicherheitslösung von ABB Stotz Kontakt (Jokab Safety)
ausgestattet. Alle Sicherheitsfunktionen erreichen den
Performance Level PL d nach EN ISO 13849-1.
Das Sicherheitspaket umfasst die Schutzumhausung
Quick-Guard, vier Sicherheitscontroller Vital, einen
Unfallschutz-Lichtvorhang Focus II, zwei berührungslos
wirkende Türüberwachungssensoren Eden und Not-Halt-
Taster Smile Tina sowie Sicherheitsrelais RT9 und BT51.
VON DER RISIKOBEURTEILUNG ZUR
SICHERHEITSLÖSUNG
Die CNC-Fräsmaschine Haas GR712 (Bild 1) wurde vom
künftigen Betreiber Klinkau aus den USA importiert und
damit erstmalig in Europa in Verkehr gebracht. Um die
geltende Richtlinie zu erfüllen, muss die Maschine von
der LKE GmbH & Co. KG mit einer Schutzumhausung
ergänzt und mit einer EG-Konformitätserklärung sowie
CE-Kennzeichnung in Betrieb genommen werden.
Gleichzeitig sollten zwei weitere, bereits in Betrieb
befindliche Maschinen mit je einem Unfallschutz-Lichtvorhang
für den Zugang zur Maschinenbestückung umgerüstet
werden. Die Kapselung des Fräswerkzeugs soll
nun ohne die üblichen Kevlar-Lamellen ausgeführt werden.
Klinkau benötigte also eine Lösung, die es ermöglicht,
den Fräsvorgang zu beobachten.
Da die Maschine für die Bearbeitung von Kunststoff und
Holz bestimmt ist, legte man die Typ-C-Norm EN 848-3
„Sicherheit von Holzbearbeitungsmaschinen – Fräsmaschinen
für einseitige Bearbeitung mit drehendem Werkzeug
– Teil 3: NC-Bohr- und Fräsmaschinen“ zugrunde.
Zusätzlich unternahm die LKE GmbH & Co. eine Risikobeurteilung
nach EN ISO 12100, um die von der Norm
abweichenden Punkte zu untersuchen. Für das Rückstellen
der sicheren Antriebsabschaltung wurde der zur Absicherung
der Schutzzaun-Öffnung dienende Lichtvorhang
Focus II mit einem Rückstelltaster Smile ausgestattet.
ABB Stotz Kontakt rüstete die CNC-Steuerung der Maschine
mit dem getrennten Sicherheitscontroler Vital
aus. Mit der Berechnung der erreichten Werte in Sistema
dokumentierte die LKE, dass Performance Level d der
einzelnen Sicherheitsfunktionen eingehalten wird. Bau,
Inbetriebnahme und Prüfung der Steuerung übernahm
die Firma Klinkau selbst. Abschließend wurde die gesamte
Sicherheitssteuerung durch LKE im Rahmen einer
Validierung nach EN ISO 13849-2 überprüft und mit einem
detaillierten Funktionstest abgenommen.
Die Filterplatten aus Polypropylen (Bild 2) werden aus
verschiedenen Vorbauteilen als Rohlinge vorgefertigt
und mit diesen rohen Geometrien an die Fräsmaschine
angeliefert. Sind die Rohlinge einzeln auf die Maschine
aufgelegt, werden sie mit einem präzisen Fräsprogramm
auf die kundenspezifischen Maße und Geometrien zu-
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atp edition
7-8 / 2013

Mit Sicherheit
kompetent
BILD 3: Die Vital-Lösung ermöglicht es, bis zu 49
dynamische Sicherheits sensoren zu überwachen.
geschnitten. Danach werden die vorgefrästen Platten
von der Fräsmaschine abgenommen und in weiteren
sehr unterschiedlichen Fertigungsschritten um projektbezogene
Anfertigungen ergänzt. Danach geht es
für die Platten erneut auf die Fräsmaschine. Sie fräst
die Platten im Feinfräsarbeitsgang soweit fertig, dass
sich in einer nachträglichen Montageroutine alle restlichen
Bauteile anbringen lassen. Danach werden die
Filterplatten für den Versand fertig verpackt.
DIE AUSRÜSTUNG DER SICHEREN FRÄSMASCHINE
Für die erforderliche Risikominderung der Fräsanlagen
musste Klinkau erheblich in die vorhandenen
Maschinen eingreifen. Dabei erwies sich der langjährige
Partner ABB Stotz Kontakt GmbH mit elektrischen
Sicherheitsprodukten und dem Sicherheitszaun
Quick Guard als guter Partner.
Die Schutzumhausung Quick Guard besteht aus verschiedenen
Komponenten, wie Aluminiumprofilen,
patentierten Montageteilen, Gitter-Verriegelungen,
Punktschweißgittern, Polycarbonat- und Schallabsorptions-Platten.
Dadurch sind die Kosten für Zusammenbau
und Änderung des Systems gering. Dank des patentierten
Schraubverriegelungssystems sind alle Beschläge
vormontiert mit Befestigungsschrauben und
Muttern lieferbar.
Die Software Safecad vereinfacht es, praxisgerechte
Sicherheitslösungen schnell und bequem anzupassen.
Es handelt sich dabei um das „Plug-in“-Programm
für Auto Cad. Der Anwender nutzt eine einfache Skiz-
A01039DE
Mit den Stellventilen Typ 3241 von
SAMSON sind Sie immer auf der
sicheren Seite. Dank ihrer hohen
MTBF brauchen Sie sich um einen
Ausfall nicht zu sorgen.
Noch mehr Sicherheit garantieren die
Stellungsregler der Bauarten 3730 und
3731. Mit ihrem zertifizierten Magnetventil
und dem induktiven Grenzkontakt
führen sie die Sprung antworttests
automatisch durch und dokumentieren
die Ergebnisse.
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PRAXIS
BILD 4: Der Unfallschutz-Lichtvorhang Focus
misst einen Querschnitt von 37 mm x 48 mm
und einer Schutzfeldhöhe von 1500 mm.
Dahinter der Not-Halt-Taster Smile 11 EA Tina
mit M12-Stecker und LED-Anzeige.
ze des erforderlichen Schutzsystems und gibt die Position
von Türen und Klappen sowie die Wahl von Wellengitter,
Polycarbonat-, Aluminium-, Stahl- oder schallabsorbierenden
Platten ein. Die Software erstellt dann 3D-
Zeichnungen sowie Komponenten- und Schnittlisten. Die
Zeichnungen werden schließlich genutzt, um die Teile
zusammenzubauen und die Anlage zu errichten.
Der Sicherheitscontroller Vital (Bild 3) ermöglicht es,
unterschiedliche, an die gleiche Sicherheitsschaltung angeschlossene
Unfallschutzgeräte zu installieren und trotzdem
den Performance Level PL e gemäß EN ISO 13849-1
zu erreichen. Vital ist nur 22,5 mm breit und überwacht
die angeschlossenen Unfallschutzgeräte dynamisch. Er
verfügt über automatische oder manuelle Rückstellung,
Überwachung nachgeschalteter Schütze, zweifache
Schließer-Sicherheitsausgänge und einen Informationsausgang
für Rückstellanzeige und Zustandsinformation
für die SPS. Die Module haben eine LED-Anzeige für
Spannung EIN, Anwesenheit von dynamischen Signalen
sowie Ausgangszustand. Abnehmbare Klemmenleisten
erleichtern Fehlersuche und Modulaustausch. Vital kann
bis zu 49 Geräte dynamisch überwachen.
Der Unfallschutz-Lichtvorhang Focus II (Bild 4) hat
einen Querschnitt von nur 37 mm x 48 mm, eine Auflösung
von 14 oder 30 mm und eine Schutzfeldhöhe
von bis zu 2400 mm. Die parallel angeordneten Infrarotstrahlen
mit einer Reichweite von 0,2 bis 14 m lösen
beim Eindringen in den Gefahrenbereich einen Abschaltbefehl
aus.
Das nach den Sicherheitsnormen EN 61496-1 und
IEC 61496-2 zertifizierte Gerät vom Typ 4 lässt sich leicht
konfigurieren und installieren.
Es besitzt Eingänge zum teilweisen oder vollständigen
Muten der Lichtstrahlen. Zu den besonderen Merkmalen
zählen Eintakt-/Zweitakt-Betrieb, optionales Floating
oder Fixed Blanking, Pre-Reset-Funktion, manuelle,
überwachte oder automatische Rückstellung, zwei überwachte
PNP-Sicherheits-Ausgänge mit Querschluss-
Überwachung (OSSD) und M12-Anschlüsse. LEDs sorgen
für einfache Ausrichtung und Anzeige von Verschmutzung,
Betriebsspannung und Ausgangszustand.
An jeder Wartungstür ist ein berührungsloses Sicherheits-Sensorpaar
Eden angebracht. Es besteht aus dem
aktiven, elektrisch verdrahteten Teil Adam und dem
passiven, als Betätiger wirkenden Teil Eva. Ein kodiertes
Signal wird von einem Sicherheitscontroller Vital oder
Pluto über Adam an Eva übertragen, die das Signal verändert
und wieder zurücksendet. Der Sensor ist nur bei
geschlossener Tür aktiviert, wenn sich Adam und Eva
gegenüber stehen. Dabei gewährleistet die große Toleranz
für Abstand und Versatz zwischen Adam und Eva und
die als Justierhilfe dienende Blinkfrequenz der LED eine
einfache Montage.
Der wartungs- und verschleißfreie Sensor hat einen
Schaltabstand von 0 bis 15 mm und lässt sich unter einem
Winkel von 0 bis 360 Grad betätigen. Dank des speziellen
dynamischen Ein- und Ausgangssignals kann
man bis zu 49 berührungslose Sensoren mit einem Sicherheitscontroller
Vital einkanalig überwachen. Dabei
kann der höchste Performance Level PL e gemäß EN ISO
13849-1 erreicht werden, und ein Informationssignal gibt
Aufschluss über den Zustand jeder einzelnen Tür.
Der leicht zu installierende Not-Halt-Taster Smile
11 EA Tina mit 5-poligem M12-Stecker (Bild 4) ist für
den Anbau an Aluminiumprofile oder Maschinenoberflächen
bestimmt. Der Anschluss von Not-Halt-Tastern
Smile an Vital, Pluto oder ein Sicherheitsrelais erfolgt
über eine 5-polige M12-Steckverbindung, und die eingebaute
LED zeigt den aktuellen Zustand des Tasters an.
Leuchtet die LED grün, ist der Not-Halt-Taster nicht aktiviert.
Ein rotes Licht weist dahingegen darauf hin, dass
der Taster betätigt wurde.
Binkt die LED, wurde einer der vorgeschalteten Not-
Halt-Taster betätigt. So lässt sich schnell feststellen, welcher
Not-Halt-Taster betätigt wurde. Smile entspricht der
Schutzart IP 65 und ist in verschiedenen Varianten für
dynamische und für statische Schaltkreise erhältlich.
Das nur 22,5 mm breite Universal-Sicherheitsrelais
RT9 (Bild 3) überwacht Sicherheitsvorrichtungen und
interne Maschinensicherheit. Da dieses Relais über fünf
Eingangsvarianten verfügt, kann es in den verschiede-
34
atp edition
7-8 / 2013

Programm
nen Anwendungen eingesetzt werden und somit viele
andere Relais ersetzen. Außerdem kann man zwischen
manueller und automatischer Rückstellung wählen.
Fünf Leuchtdioden dienen der Anzeige von Stromversorgung,
Ein- und Ausgängen, Kurzschluss und zu geringer
Spannung.
Die abnehmbaren Anschlussklemmen erleichtern die
Wartung und den notfalls erforderlichen Geräteaustausch.
Das Sicherheitsrelais RT9 eignet sich für Not-
Halt-Taster, Lichtvorhänge, Dreistufen-Zustimmungstaster,
Sicherheitsschalter, Magnetschalter, Lichtschranken,
Schaltmatten, Schaltleisten und Fußschalter.
PRODUKTIVITÄT UM FÜNF PROZENT GESTEIGERT
Bei Ausrüstung und Anpassung der Fräsmaschinen an
geltende Sicherheitsbestimmungen arbeiteten Dipl.-Ing.
Rainer Fasel, Produktionsleiter von Klinkau sowie Günther
Bissle von ABB Stotz Kontakt und Leonhard Kastl,
Geschäftsführer der LKE erfolgreich zusammen. Rainer
Fasel und Leonhard Kastl schätzen bei der Schutzumhausung
Quick Guard die einfache Montage mit patentierten
Schraubverriegelungen, vormontierten Beschlägen
und der Computer-Software Safecad sowie die um
über 5 Prozent gestiegene Produktivität.
Moderation:
Anne Hütter, atp edition
eCl@ss-PROLIST und FDI für die automatisierte
Geräteintegration mit Ausblick auf Industrie 4.0
Explosionsschutz
Funktionale Sicherheit
Redundanzkonzept
Engineering von Feldbussystemen
Geräteintegration mit GSD, EDD, FDT und FDI
Referenten
BUS
Sprechstunde
Ronny Becker, Prüflabor MSR u. Analysentechnik, BIS Prozesstechnik GmbH
Jürgen George, Pepperl+Fuchs GmbH
Dr. Andreas Hildebrandt, Pepperl+Fuchs GmbH
Thomas Klatt, Pepperl+Fuchs GmbH
Sven Seintsch, Prüflabor MSR u. Analysentechnik, BIS Prozesstechnik GmbH
Oliver Weigel, BASF AG
Thomas Westers, Pepperl+Fuchs GmbH
BUS
3. Feldbus-Sprechstunde
Feldbus in der Prozessindustrie
19. + 20.09.2013, Mannheim, Pepperl+Fuchs GmbH
www.feldbus-sprechstunde.de
Die kompetente Beratung, die verständliche technische
Dokumentation, die einfache Bedienung und die
zeitsparenden abnehmbaren Anschlussklemmen der
Relais überzeugte sie schließlich.
AUTOR
Wann und Wo?
Dipl.-Ing. GÜNTHER BISSLE
(42) ist Key Account
Manager bei der ABB Stotz
Kontakt GmbH.
ABB Stotz Kontakt GmbH,
Max-Planck-Straße 21, D-78549 Spaichingen,
Tel. +49 (0) 7424 95 86 50,
E-Mail: buero.spaichingen@de.abb.com
Termin
Donnerstag, 19.09.2013
Veranstaltung (11:30 – 17:00 Uhr)
„Get-Together“ mit Abendessen (ab 18:00 Uhr)
Freitag, 20.09.2013
Veranstaltung (9:00 – 15:00 Uhr)
Ort
Mannheim, Pepperl+Fuchs GmbH
Thema
Engineering und Geräteintegration
unterstützt
durch
BIS-Prüflabor
Teilnahmegebühr
atp edition-Abonnenten 540 € zzgl. MwSt
Firmenempfehlung 590 € zzgl. MwSt
reguläre Teilnahmegebühr 690 € zzgl. MwSt
Studenten
kostenlos
Im Preis enthalten sind die Tagungsunterlagen
sowie die Verpflegung während der Veranstaltung
(inkl. gemeinsames Abendessen).
Weitere Informationen und Online-Anmeldung unter www.feldbus-sprechstunde.de

HAUPTBEITRAG | AUTOMATION 2013
Bus-ID: Orientierung
für Blinde an der Haltestelle
RFID unterstützt Mobilität im ÖPNV
Blinde und sehbehinderte Menschen werden im Alltag mit vielen Arten von Barrieren
konfrontiert. Das Forschungsprojekt Bus-ID zeigt durch eine RFID-basierte Orientierungshilfe
eine Lösung für die barrierefreie Gestaltung von Verkehrsanlagen im öffentlichen
Raum auf. Erste Feldtests des Prototypen an einer Bushaltestelle sowie an einem signalisierten
Fußgängerüberweg wurden in Zusammenarbeit mit sehbehinderten und blinden
Testteilnehmern durchgeführt, um die Gebrauchstauglichkeit zu überprüfen. Die wichtigsten
Erkenntnisse der technischen und sozialwissenschaftlichen Erhebungen werden
in diesem Beitrag vorgestellt.
SCHLAGWÖRTER Mobilitätsunterstützung / RFID-Lokalisierung / Feldtest / Steuerung im
Verkehr
Bus-ID: better access to public transport for people with impaired vision –
RFID technology supports barrier-free mobility
People with impaired vision encounter a variety of obstacles in everyday situations. The
Bus-ID project offers an orientation aid based on RFID for the barrier-free use of public
transport facilities. Initial field tests of the prototypes with regard to usability at a bus
stop and at a pedestrian crossing were conducted with participants with impaired vision.
The most important findings and results of the technical and socio-scientific surveys are
presented.
KEYWORDS supported mobility / RFID localization / guidance in traffic
36
atp edition
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RANDO MEISTER, ALEXANDER FAY, Helmut-Schmidt-Universität/Universität der Bundeswehr Hamburg
DENNIS CORY, Deutscher Blinden- und Sehbehindertenverband
CHRISTIAN EHRING, RTB
Zur Orientierung im Alltag nimmt ein Mensch
nahezu 90 Prozent des Informationsgehalts der
Umgebung mithilfe seiner visuellen Wahrnehmung
auf. Infolge der stark verminderten oder
nicht vorhandenen Sehfähigkeit sind sehbehinderte
und blinde Personen bei ihren Bewegungsabläufen
besonders auf kompensierende, auditive und taktile Orientierungspunkte
angewiesen [1]. Ein wichtiger Baustein
zur Teilhabe am gesellschaftlichen Leben und zur Sicherung
der Lebensqualität Blinder und Sehbehinderter ist
es, eine eigenständige Mobilität zu realisieren. Dabei
sind viele Betroffene auf die Nutzung öffentlicher Verkehrsmittel
sowie die Bewältigung von Wegen zu Fuß
angewiesen, wobei sie mit unterschiedlichen Arten von
Barrieren konfrontiert werden.
Mit der Absicht, eine selbstbestimmte Lebensführung
zu ermöglichen, trat im Jahr 2002 das Behindertengleichstellungsgesetz
(BGG) in Kraft. Durch das BGG werden
die Verkehrsträger bundesweit verpflichtet, öffentliche
Anlagen, Verkehrsmittel sowie andere Lebensbereiche
barrierefrei zu gestalten. Barrierefreiheit dieser Bereiche
ist entsprechend BGG dann gegeben, „wenn sie für behinderte
Menschen in der allgemein üblichen Weise,
ohne besondere Erschwernis und grundsätzlich ohne
fremde Hilfe zugänglich und nutzbar sind“ [2]. Trotz dieser
klaren Gesetzeslage und gesteigerten Bemühungen
seitens der Verkehrsunternehmen, gehören der barrierefreie
Zugang sowie die barrierefreie Nutzung des öffentlichen
Verkehrs (ÖV) derzeit noch nicht zum Alltag blinder
und sehbehinderter Menschen.
Ziel des Forschungsverbunds Bus-ID ist es, durch die
Entwicklung einer Radio Frequency Identification
(RFID)-basierten Orientierungshilfe die offenen Fragen
zur barrierefreien Gestaltung für Blinde und Sehbehinderte
im ÖPNV aufzugreifen und zukunftsweisende Lösungen
aufzuzeigen. Zur Umsetzung haben sich vier
Verbundpartner zusammengeschlossen: der Deutsche
Blinden- und Sehbehindertenverband (DBSV) für die
Nutzerexpertise, das Institut für Automatisierungstechnik
der Helmut-Schmidt-Universität/Universität der Bundeswehr
Hamburg (HSU) für die Systementwicklung, das
Ingenieurbüro KramerAlbrecht (K&A) mit dem Fachwissen
für Stadtverkehrsplanung und die Firma RTB für die
Herstellerexpertise im Bereich Verkehrstechnik.
1. DAS BUS-ID-SYSTEM
Um die Zugänglichkeit im öffentlichen Personennahverkehr
(ÖPNV) für Blinde und Sehbehinderte zu verbessern,
sind in den vergangenen Jahrzehnten in Deutschland
sowie in anderen Ländern Europas und der Welt
zunehmend Bodenindikatoren (siehe DIN 32984 sowie
Bild 1) an Haltestellen und in deren Umfeld verlegt worden.
Diese bewährten sich zwar als Warnsignale, haben
aber nur eine begrenzte Funktionalität als Orientierungshilfe
und geben keine Auskünfte über Fahrpläne, Fahrtziele
und Linien. Nichtsdestotrotz sind die taktilen Bodenelemente
wichtige Hilfsmittel für Blinde und Sehbehinderte
bei der Bewegung im öffentlichen Raum und
sollten daher von neuen Orientierungssystemen vor allem
ergänzt und nicht ersetzt werden.
In Expertengesprächen und Voruntersuchungen an
einer Experimentierhaltestelle auf dem Gelände der HSU
wurden die Benutzeranforderungen und die daraus resultierenden
technischen Anforderungen an ein Blindenorientierungssystem
für den ÖPNV detailliert ermittelt.
Dabei stellte sich heraus, dass es für blinde und
sehbehinderte Menschen vor allem wichtig ist, die Zugangspunkte
zum ÖPNV (Bushaltestellenmast, Zugänge
zu U-Bahnstationen) entlang ihrer Wegekette sicher aufzufinden.
Um dies generell zu ermöglichen, muss das
Assistenzsystem sowohl auf Freiflächen als auch in unterirdischen
und überdachten Verkehrsanlagen zuverlässig
funktionieren. Des Weiteren sind Sehbehinderte
bei der Bewegung im öffentlichen Raum speziell auf ihre
Hände (Langstock, Blindenhund) und Ohren (Schallreflexionen,
Geräuscherkennung) angewiesen.
Hände und Ohren sind frei zu lassen. Dies führt zu
einer Präferenz für passiv mitgeführte Systeme mit minimalem
Interaktionsaufwand. Weiterhin ist bekannt,
dass sich blinde Personen ohne Hilfsmittel meist mit
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HAUPTBEITRAG | AUTOMATION 2013
einer individuellen Abdrift (engl. veering) fortbewegen
[3]. Daher ist es ohne kontraststarke visuelle oder taktile
Orientierungspunkte immens schwierig, richtungsgebenden
Orientierungsinformationen zielgerichtet zu
folgen (siehe Bild 2). Eine sinnvolle Kompensation ist
durch die Fähigkeit des Richtungshörens gegeben, die
es Menschen ermöglicht, sich deutlich besser auf akustische
Quellen hin zu bewegen.
Zudem ist es den Anwendern wichtig, die Anschaffungskosten
möglichst gering zu halten. Ein kostengünstiges
Nutzergerät besitzt zudem den Vorteil, die Nutzung
des Orientierungssystems einer breiten Interessengruppe
zu ermöglichen. Die Erkenntnisse der Voruntersuchungen
[4] berücksichtigt, verfolgt Bus-ID den Ansatz eines
infrastrukturbasierten Akustikkonzepts.
1.1 Aufbau und Orientierungskonzept
Das Bus-ID-System ist so konzipiert, dass es sich mit der
gleichen Basis-Technologie in verschiedenen Anwendungsfällen
entlang einer Mobilitätskette einsetzen lässt.
Der kleine, leichte und kostengünstige Transponder wird
von den Nutzern getragen, idealerweise am Handgelenk.
Diese konzeptionelle Entscheidung basiert auf den gewonnenen
Nutzeranforderungen und grenzt das Bus-ID-Systemkonzept
gegenüber anderen Forschungsansätzen [5, 6,
7] ab, welche aufwendigere Nutzergeräte (Bedienaufwand,
Preis, Gewicht) voraussetzten. Darüber hinaus werden an
relevanten Infrastrukturpunkten, wie etwa ÖPNV-Zugängen,
ortsfeste Lesegeräte mit integrierten Akustiken installiert.
Bus-ID kann dabei sowohl als eigenständiges System
installiert oder als Add-on-Modul in bestehende Technik,
wie beispielsweise an Lichtsignalanlagen, integriert
werden. Zur Veranschaulichung zeigt Bild 3 das Orientierungskonzept
für eine einfache Bushaltestelle.
Grundsätzlich befinden sich die akustischen Infrastrukturpunkte
des Bus-ID-Konzepts in einem Wartemodus.
Bei Erfassung eines aktivierten Nutzergeräts im
Empfangsbereich beginnt zunächst eine automatische
Distanzmessung im Hintergrund. Im Falle einer Annäherung
des Benutzergeräts wird bei Eindringen in einen
parametrierbaren Arbeitsbereich (optimale Entfernung:
kleiner 15 m) ein unauffälliger aber markanter Orientierungston
(OT) mit adaptivem Lautstärkepegel gestartet.
Durch die Fähigkeit des Richtungshörens ist der OT (ein
markierendes Tock‐Geräusch) an wichtigen Infrastrukturpunkten
von den Blinden und Sehbehinderten zur
intuitiven Verortung und unterstützenden Orientierung
im öffentlichen Raum gut nutzbar. Versuche zeigten dabei
einen akustischen Orientierungsbedarf zum sicheren
Auffinden von Zugangspunkten ab einer Entfernung von
zirka 10 m. Zusätzliche Informationen und mobilitätsunterstützende
Assistenzfunktionen stellt das Bus-ID-System
auf akustischem Wege im parametrierbaren Nahbereich
(optimale Entfernung kleiner 3 m) zur Verfügung.
Aufgrund der geringen Distanz im Nahbereich fallen
unerwünschte akustische Wechselwirkungen mit Umgebungsgeräuschen
gering aus, insbesondere, wenn die
Lautstärke der Ausgaben automatisch an den Geräuschpegel
der Umgebung angepasst wird.
1.2 Funktechnologie
Der Einsatz von RFID-Technologie ermöglicht eine berührungslose
sowie automatische Erfassung von Objekten
und Personen mittels Funkübertragung. Ein RFID-System
setzt sich im Wesentlichen aus drei Komponenten zusammen:
dem Lesegerät (Reader), dem Transponder (Tag) sowie
einem weiterverarbeitenden Computersystem [8].
RFID-Systeme unterscheiden sich grundsätzlich hinsichtlich
ihrer Übertragungsfrequenz, Energieversorgung sowie
der Bauform des Transponders. Diese physikalischen
Ausprägungen von RFID-Systemen beeinflussen weiterhin
Leistungsparameter wie die maximale Erfassungsreichweite
und die erreichbaren Datenübertragungsraten.
Aufgrund der heterogenen Systemcharakteristiken ergeben
sich vielfältige Einsatzmöglichkeiten (zum Beispiel
in der Automobilindustrie und der Logistik).
Um mittels RFID-Technik größere Funkbereiche abdecken
zu können, ist der Einsatz aktiver Transpondertechnologie
notwendig. Die HSU analysierte und testete unter
anwendungsnahen Bedingungen verschiedene proprietäre
feldstärke- und laufzeitbasierte Real Time Location Systeme
(RTLS). Basierend auf den Evaluationsergebnissen [9]
wird in Bus-ID ein kommerzielles laufzeitbasiertes RFID-
System mit einer Übertragungsfrequenz von 2,45 GHz im
Industrial, Scientific and Medical (ISM)-Band eingesetzt.
Dieses Echtzeit-Lokalisierungssystem nutzt das Chirp
Spread Spectrum (CSS)-Modulationsverfahren, welches
im Standard IEEE 802.15.4a als offizielles Kommunikationsprotokoll
normiert ist [10]. Das Verfahren verwendet
frequenzmodulierte Impulse (Chirps) entlang der Funkstrecke
und eine reversible Überführung in Sinc-Impulse
im Transceiver, siehe Bild 6. Jeder Chirp-Impuls hat
eine feste Zeitdauer von einer Mikrosekunde und überstreicht
in dieser Zeit eine HF-Bandbreite von 80 MHz
im 2,4‐GHz Band. Startet ein Chirp-Impuls am unteren
Ende des 80‐MHz‐Spektrums, um seine Frequenz stetig
zu erhöhen, handelt es sich um einem Up-Chirp. Beginnt
er hingegen am oberen Ende und verringert seine Frequenz,
wird von einem Down-Chirp gesprochen. Über
diese Up- und Down-Chirps lassen sich die Informationsbits
(0 und 1) modulieren. Im empfangenden Transceiver
(Basisband) werden diese Impulse anschließend
durch Oberflächenfilter in nadelförmige Sinc-Impulse
für die weitere Verarbeitung umgewandelt.
Der Sinc-Impuls ist der kürzeste Impuls im Zeitbereich,
der bei einer vorgegebenen Bandbreite realisierbar ist.
Dieser füllt die Bandbreite (B) so über die Zeit (δ), dass
B x δ = 1 (1)
als Bandbreite-Zeit-Produkt gilt. Das bedeutet, dass die
Sinc-Impulse im Transceiver maximal dicht aneinander
gepackt und mit hoher Geschwindigkeit verarbeitet werden
können. Diese schmalen Impulse ermöglichen es dem
System, hochgenaue Zeitmessungen durchzuführen und
große Datenmengen (bis zu 2 Mbit/s) zu übertragen. Bei
der Transformation von Sinc- zu Chirp-Impulsen vergrößert
sich das Bandbreite-Zeit-Produkt. Ein Chirp-Impuls
füllt die gleiche Bandbreite aus, dieser liegt jedoch mit
konstanter Amplitude für die Zeitdauer T >> δ an, sodass
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LOGO des Bus-ID
Verbundprojekts
BILD 1: Bodenindikatoren nach DIN 32984
BILD 3: Orientierungskonzept an einer einfachen Bushaltestelle
BILD 2: Abdriftverhalten
auf gerader Strecke [3]
BILD 4: Grundprinzip des CSS-Modulationsverfahrens [6]
B x T >> 1(2)
1.3 Verhaltensadaptive Funktionalitäten
gilt. Durch die Vergrößerung des Bandbreite-Zeit-Produktes
sinkt die Empfindlichkeit des Systems gegenüber
schmalbandigen Störungen entlang der Funkstrecke,
und gleichzeitig steigt die Robustheit gegen Mehrwegausbreitung.
Mittels Autokorrelation wird der Peak (Signalplateau)
des Sinc-Impulses im Transceiver bestimmt
und anschließend ein Zeitstempel in der Software gesetzt.
Als Messmethodik wird von Bus-ID ein symmetrisches
Zwei-Wege-Verfahren eingesetzt, wodurch bereits
ein Transceiver-Paar imstande ist, eine einfache
Distanzmessung mit einer Genauigkeit von rund einem
Meter, also etwa einer Schrittlänge, vorzunehmen.
Die Kompensation der eingeschränkten oder nicht vorhandenen
visuellen Orientierungsfähigkeit erfordert
beim Bewältigen einer alltäglichen Wegekette von sehbehinderten
und blinden Menschen einen hohen sensormotorischen
sowie kognitiven Aufwand. Daher wurde
das Funktionsdesign von Bus-ID derart gestaltet, dass es
Nutzern eine intuitive, natürliche und sichere Interaktion
mit dem Assistenzsystem ermöglicht. Um ein benutzeradaptives
Systemverhalten zu realisieren und aufwendige
Eingaben zu vermeiden, wertet das Bus-ID-System
die individuellen Bewegungstrajektorien im Erfassungsbereich
am Point of Interest (POI) aus und aktiviert be-
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HAUPTBEITRAG | AUTOMATION 2013
darfsgerecht die gewünschten Assistenzfunktionalitäten.
Durch das passive Tragen des eingeschalteten Transponders
werden dabei kontextsensitiv folgende automatisierte
Anwendungsszenarien unterschieden:
Nutzer nähert sich einem POI:
(parametrierbar, derzeit Distanz < 15m)
lautstärkenadaptive Aktivierung des
Orientierungssignals, ein Tocken.
Nutzer passiert den POI beziehungsweise
entfernt sich von einem POI:
Deaktivierung des Orientierungssignals
Nutzer verweilt im Nahbereich
(parametrierbar, derzeit > 3sec und < 3m):
Aktivierung der Assistenzfunktion
(beispielsweise Sprachausgabe)
Befinden sich mehrere Lesegeräte im Arbeitsbereich,
wird jeweils nur das dem Benutzer am nächsten gelegene
aktiv. Sind mehrere Transponder einem einzigen Lesegerät
zugeordnet, kann die Orientierungsfunktion sowie
die spezifische Assistenzfunktion unabhängig voneinander
durch das Lesegerät gesetzt werden. Die Unterscheidung
der Transponder erfolgt im Sinne des Datenschutzes
anhand einer anonymen Identifikationsnummer
(ID). Auf Wunsch des Nutzers können dem Transponder
jedoch zusätzlich individuelle Merkmalsklassen (Grad
der Hörfähigkeit, gewünschte Sprache, Umfang des Informationswunsches)
aufgeprägt werden. Die im Lesegerät
zunächst gespeicherte ID des Transponders wird gelöscht,
wenn der Transponder den Empfangsbereich
längere Zeit (einige Sekunden) verlässt.
Der akustische Ausgabepegel des Bus-ID-Systems lässt
sich abhängig vom Geräuschpegel im direkten Umfeld und
entfernungsabhängig steuern. Um den Lautstärkepegel des
Systems optimal adaptieren zu können, wird der aktuelle
Pegel des Umgebungslärms vor einer Ausgabe permanent
bestimmt. Somit können die Orientierungsinformationen
so laut wie nötig, aber so leise wie möglich ausgegeben werden.
Darüber hinaus sind im Bus-ID-System verschiedene
Parameter, wie eine untere beziehungsweise obere Pegelbegrenzung,
hinterlegbar, wobei zusätzlich eine tageszeitabhängige
Abstimmung der Parameter erfolgen kann.
2. FELDTEST UND ERGEBNISSE
Bei der Entwicklung eines komplexen Systems sind verschiedene
Arten von Tests unverzichtbar. In der fortgeschrittenen
Phase von Bus-ID sind die Korrektheit der
algorithmischen Implementierung sowie deren Performanz
von Bedeutung. Ebenso spielen der funktionale Nutzen
und die Zufriedenheit der Nutzer mit dem System eine
zunehmend größere Rolle. Dazu werden im Forschungsverbund
Bus‐ID im Rahmen umfangreicher Feldtests solche
Anwendungsszenarien betrachtet, bei denen ein Nutzen
für den Menschen in seiner Mobilität und individuellen
Situation besteht. Die Szenarien repräsentieren typische
Handlungsabläufe in Abhängigkeit von spezifischen
Merkmalen der jeweiligen Untersuchungsumgebung (beispielsweise
Haltestelle mit und ohne Wartehäuschen als
Orientierungspunkt). Der große Vorteil der Feldtests gegenüber
den vorangegangenen Labortests besteht darin,
das interaktive Bus-ID-System in einem realen Kontext
und mit natürlichen Störungseinflüssen (Lärm, Verkehr,
Witterung) vollständig testen zu können. Solche Störungen
weisen einen stark zufälligen Charakter auf und wären
in Labortests nur sehr aufwendig zu simulieren.
In der gerade abgeschlossenen Feldtestphase wurden
eine Bushaltestelle und eine Lichtsignalanlage (LSA) in
Hamburg ausgewählt und temporär mit dem Bus-ID-System
ausgerüstet. Zusätzlich konnten Tests zur Überprüfung
des Orientierungskonzepts in einer U-Bahn-Haltestelle
durchgeführt werden. Allein an der Bushaltestelle,
siehe Bild 5, konnten an 3 Tagen insgesamt 68 Messreihen
von 24 Probanden aufgenommen werden. Das durchschnittliche
Alter der Testpersonen lag bei 54 Jahren,
wobei der Jüngste 27 Jahre und der älteste Teilnehmer 77
Jahre alt waren. Weitere Eigenschaften der Testgruppe
sind in Tabelle 1 exemplarisch angegeben und zeigten
sich beim LSA-Feldtest ähnlich. Die ausgewählte Versuchsumgebung
der Bushaltestelle Wandsbeker Straße
eignete sich besonders gut für den Feldversuch, da sie
vom Aufbau (Haltebucht, Wartehäuschen) einer typischen
Bushaltestelle entspricht und das Umfeld (laute,
mehrspurige Hauptstraße, hoch frequentierter Fußgängerweg)
zur Orientierung für Blinde und Sehbehinderte
sehr anspruchsvoll ist. Die ebenfalls untersuchte LSA-
Kreuzung Bramfelder Chaussee/Wandsbeker Straße befindet
sich im direkten Laufweg zur Haltestelle.
Die Gebrauchstauglichkeit (siehe DIN/ISO 9241, Teil
11) wurde mit subjektiven Urteilen (Ratingskalen) und
direkten Beobachtungen bewertet. Messungen zur Lokalisierungsgenauigkeit
und Überprüfung der Schaltlogiken
ergänzten die Datenerhebung.
Ziel der technischen Evaluierung des RFID-Prototypen
war, die Aktivierung und bedarfsgerechte Anpassung eines
Orientierungssignals (abhängig von der ermittelten
Distanz zwischen dem Transponder und der Infrastrukturkomponente)
zu prüfen, sodass blinde und sehbehinderte
Menschen den Einstiegspunkt zum Bus sowie den
LSA-Überweg leichter auffinden konnten. Darüber hinaus
war das System in der Lage, dem Probanden automatisch
Zusatzinformationen zur Bushaltestelle und zu einfahrenden
Bussen auszugeben, insofern sich der Proband mit
seinem aktivierten Transponder längere Zeit in der Nähe
oder unterhalb des Prototypen befand. In Abhängigkeit
von der ermittelten Distanz sollte es entweder zu einer
Lautstärkeanpassung des Orientierungstons oder im Nahbereich
zur Anforderung einer Sprachinformation beziehungsweise
eines Freigabesignals kommen. Bild 6 zeigt
einen Versuchsverlauf. Die Distanzen der Infrastrukturkomponente
zum Transponder sind in der Grafik über die
Zeit aufgetragen. Die blauen Messpunkte im Diagramm
entsprechen den ermittelten Distanzwerten und die grüne
(horizontale) Linie der Ausgabepegelanpassung des Orientierungstons
beziehungsweise der automatisch angeforderten
Sprachinformation direkt am Haltestellenmast. Die
distanzabhängige Lautstärkeanpassung erfolgt dreistufig.
In dem in Bild 6 dargestellten Versuch nähert sich ein
Proband der Bushaltestelle und verweilt am Bushaltestellenmast,
um weiterführende Sprachinformation abzuru-
40
atp edition
7-8 / 2013

fen. Die Messung zeigt einen robusten Signalverlauf zwischen
dem mobilen Nutzergerät und der Infrastrukturkomponente
der Bushaltestelle. Dennoch traten in einzelnen
Versuchen auch kurze Signalabrisse durch
Abschattungs- und Mehrwegeeffekte auf, welche jedoch
aufgrund ihrer geringen zeitlichen Dauer die korrekten
Systementscheidungen nicht beeinflussten. Der grün dargestellte
kontinuierliche Verlauf lässt erkennen, dass der
Orientierungston korrekt bei etwa 15 m aktiviert worden
ist. Mit Durchschreiten der weiteren parametrierten Arbeitsbereiche
erfolgte die entsprechende Lautstärkeanpassung,
bis abschließend die automatische Anforderung
einer Sprachinformation nach entsprechender Verweildauer
im Nahbereich vom Bus-ID-System gesetzt wurde.
Die Auswertung der sozialwissenschaftlichen Erhebungen
zeigte, dass nahezu alle Testteilnehmer ohne
Hilfe und Schwierigkeiten den Haltestellen- sowie LSA-
Mast auffinden konnten, obwohl ihnen vor den Versu-
BILD 5: Feldtestversuch
Bushaltestelle
Distanz vs. Zeit
Distanz (m)
dB-Level 1
Distanzmessungen
Lautstärkeanpassung
dB-Level 2
Relative Zeit (ms)
dB-Level 3
Testversuch:
03-22_L1-P16
Sprachansage
BILD 6:
Messverlauf der
Distanzwerte
zum Transponder
Dauer der Erblindung Seit Geburt ≥ 30 Jahre 6-30 Jahre ≤ 5 Jahre
N 11 4 5 4
Persönliche Orientierungshilfen
(Mehrfachnennungen möglich)
Langstock Hund Monokular
N 19 2 4 5
Ohne sehende Begleitung unterwegs (Fast) Täglich Häufig Gelegentlich Nie
N 15 4 4 1
Smartphone
App / Navi
Allein unterwegs Nur auf bekannten Wegen Auch auf weniger bekannte Wegen
N 11 13
TABELLE 1:
Eigenschaften der
Testteilnehmer
Hörreichweite OT
Gesamtzufriedenheit
früher
25%
90%
80%
70%
Bushaltestelle
Lichtsignalanlage
gerade richtig
71%
4%
später
60%
50%
40%
30%
20%
BILD 7: Bewertung der
Hörreichweite von 11-15m
10%
0
deutlich
besser
eher
besser
eher
schlechter
deutlich
schlechter
BILD 8:
Gesamtzufriedenheit
der Testteilnehmer
atp edition
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41

HAUPTBEITRAG | AUTOMATION 2013
REFERENZEN
chen die örtlichen Gegebenheiten weitgehend unbekannt
waren und teilweise starker Umgebungslärm herrschte,
der generell die Orientierung und die Konzentration erschwert.
Das Orientierungssignal wurde durchschnittlich
im Bereich zwischen 11 m und 15 m das erste Mal
von den Testteilnehmern gehört. Dieser Wertebereich
wurde von der deutlichen Mehrheit der Befragten als geeignete
Entfernung zur Orientierungs-Unterstützung beurteilt,
siehe Bild 7. Den Informationsumfang der Haltestellenansage
(Name der Haltestelle, Liniennummern,
Endhaltestellen) empfanden 20 von 24 Testteilnehmern
als gerade richtig. Allerdings muss die Lautstärkeanpassung
noch optimiert werden, um auch den Pegel von laufenden
Ansagen optimal adaptieren zu können. Alle
Testteilnehmer hielten die Information zum einfahrenden
Bus für eine sehr wichtige (N=17) oder zumindest
wichtige (N=6) Systemfunktion, die auf jeden Fall Bestandteil
der Endversion des Systems sein sollte. Die implementierte
Abbruchfunktionalität von Sprachansagen
hatte für die Blinden und Sehbehinderten eine etwas
geringere Bedeutung.
Die Abschlussfrage nach der Gesamtzufriedenheit, siehe
Bild 8, zeigte eine positive Resonanz: 21 von 24 Testteilnehmern
fanden die Versuchshaltestelle deutlich
besser als normale Haltestellen, 3 Personen fanden sie
eher besser. Eine ähnliche Meinungsverteilung zeigte
auch der Feldtest an einer mit dem Bus-ID-System ausgerüsteten
Lichtsignalanlage: Von insgesamt 19 Befragten
fanden 14 Probanden die Blindenakustik mit RFID-Zusatzsystem
deutlich besser und 5 Teilnehmer eher besser
im Vergleich zu einer herkömmlichen Blindenakustik.
ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK
Insgesamt hat sich das Bus-ID-System bei den ersten
Feldtests zur Prüfung der Gebrauchstauglichkeit bewährt.
Die Testteilnehmer bewältigten in nahezu allen
Fällen ohne Hilfe und ohne große Schwierigkeiten die
ihnen vorher unbekannten Wege. Auch unter schwierigen
Bedingungen für eine erfolgreiche Orientierung
(starker Verkehrslärm, schräge oder gewundene Wegverläufe)
wurden die jeweiligen Ziele erreicht.
Darüber hinaus konnten im Sinne einer partizipativen
Forschung und Entwicklung unter kontinuierlicher
Einbindung der Nutzergruppen wichtige Anregungen
für die weitere Systemgestaltung gewonnen werden.
Signifikante Nennungen waren unter anderem der
Wunsch nach einer akustischen Hervorhebung (beispielsweise
ein Gong) zu Beginn von Sprachansagen
sowie eine Bevorzugung der Trageweise am Handgelenk
gegenüber dem Mitführen am Schlüsselbund oder dem
Tragen um den Hals. Die frühzeitige Partizipation der
Nutzer im Entwicklungsprozess fördert eine natürliche
und sichere Interaktion der blinden und sehbehinderten
Menschen mit dem Bus-ID-System und erhöht somit
das individuelle Komfortempfinden sowie die kollektive
Nutzerakzeptanz.
AUTOREN
[1] Meltlitzky, N.: Barrierefrei Städte bauen - Orientierungssysteme im öffentlichen
Raum. Fraunhofer IRB Verlag 2008
[2] Gesetz zur Gleichstellung behinderter Menschen: Behindertengleichstellungsgesetz
vom 27. April 2002 (BGBl. I S. 1467, 1468), zuletzt geändert durch Artikel 12
des Gesetzes vom 19. Dezember 2007 (BGBl. I S. 3024)
[3] Kallie, C. S., Schrater, P. R., Legge, G. E.: Variability in Stepping Direction Explains
the Veering Behavior of Blind Walkers. Journal of Experimental Psychology:
Human Perception and Performance 33(1), S. 183–200, 2007
[4] Vogel, C., Fay, A., König, A., Cory, D., Usadel, J.: BUS-ID - Barrierefreier Zugang
blinder und sehbehinderter Menschen zum öffentlichen Nahverkehr durch
Einsatz von RFID. In: Tagungsband IMC International Mobility Conference 2009,
[CD]. Blista 2009
[5] Kiers, M., Sovec, T.: Ways4all - Indoor navigation for visually impaired and blind
people. In: REAL CORP 2010 Proceedings/Tagungsband, S. 1353-1358. CORP 2010
[6] Noor, M. Z. H., Ismail, I., Saaid, M. F.: Bus Detection Device for the Blind Using
RFID Application. In: Proc. 5th International Colloquium on Signal Processing
& Its Applications, S. 247-249. Universiti Teknologi MARA 2009
[7] Biader Ceipidor, U., Medaglia, C. M., Azzalin, G., et al.: A RFID System to Help
Visually Impaired People in Mobility. In: Proc. EU RFID Forum 2007, Brussels,
S. 248-253. Springer 2007
[8] Finkenzeller, K.: RFID - Handbuch. Carl Hanser Verlag, 2008
[9] Maisner, A.: Bus-ID - RFID Technology eases Access to various Means of Trans -
portation for Blind and Low Vision Persons. In: TAR Conference Band, [CD]. 2011
[10] Nanotron Technologies GmbH: nanoNET Chirp Based Wireless Networks. White
Paper (Version 1.04), 2007 http://www.nanotron.com/EN/pdf/WP_CSS.pdf
Dipl.-Ing. RANDO MEISTER (geb. 1985) studierte von
2004 bis 2010 Verkehrsingenieurswesen an der TU
Dresden, Vertiefungsrichtung Verkehrstelematik. Seit
2010 ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut
für Automatisierungstechnik und hat die technische
Projektleitung im Verbundprojekt Bus-ID inne.
Helmut-Schmidt-Universität/
Universität der Bundeswehr, Hamburg,
Holstenhofweg 85, D-22043 Hamburg,
Tel. +49 (0) 40 65 41 35 50, E-Mail: Rando.Meister@hsu-hh.de
Prof. Dr.-Ing. ALEXANDER FAY (geb. 1970) ist
Professor für Automatisierungstechnik an der
Fakultät für Maschinenbau der Helmut-Schmidt-
Universität/Universität der Bundeswehr, Hamburg.
Sein Forschungsschwerpunkt sind Beschreibungsmittel,
Methoden und Werkzeuge für einen effizienten
Entwurf von Automatisierungssystemen.
Institut für Automatisierungstechnik,
Helmut-Schmidt-Universität/
Universität der Bundeswehr, Hamburg,
Holstenhofweg 85, D-22043 Hamburg
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atp edition
7-8 / 2013

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Das Bus-ID-System wird konzeptionell sowie technisch
für komplexere Verkehrssituationen entlang der
Wegekette, wie unterirdische Verkehrsanlagen, Mehrfachhaltestellen,
Busbahnhöfe und LSA-Knotenpunkte
weiterentwickelt. Dabei wird das akustische Orientierungskonzept
auf die neuen situativen Anforderungen
angepasst und eine Integration von dynamischen
Verkehrsdaten erforscht. Parallel dazu wird in Zusammenarbeit
mit kommunalen Kooperationspartnern
(Landesbetrieb Straßen, Brücken und Gewässer Hamburg
sowie Vattenfall Europe Verkehrsanlagen GmbH)
ein funktioneller Langzeittest sowie eine erste Testinstallation
des Bus-ID-Systems an Lichtsignalanlagen
im Hamburger Stadtgebiet vorbereitet.
Künftig ist geplant, auch weiteren Anwendergruppen
(zum Beispiel Senioren) zu ermöglichen, mit dem
Bus-ID-System selbständig mobil zu bleiben. Zudem
wird die Entwicklung von Schnittstellen zu etablierten
Assistenzsystemen geprüft.
MANUSKRIPTEINGANG
01.04.2013
Im Peer-Review-Verfahren begutachtet
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DANKSAGUNG
Das Forschungsprojekt Bus-ID wird mit Mitteln des
Bundesministeriums für Bildung und Forschung
unter dem Förderkennzeichen 13EZ1120 gefördert.
M.A. DENNIS CORY (geb. 1944) ist Orientierungs-
und Mobilitätslehrer für Blinde und
Sehbehinderte (i.R.). Von 1979 bis 2009 war er
Leiter des Instituts für Rehabilitation und
Integration Sehgeschädigter (IRIS) in Hamburg
mit dem Schwerpunkt Ausbildung von Rehabilitationslehrern.
Deutscher Blinden- und
Sehbehindertenverband e.V.,
Rungestraße 19, D-10179 Berlin
Dipl.-Wirtsch.-Ing. CHRISTIAN EHRING (geb. 1968)
ist Technischer Leiter bei Firma RTB GmbH & Co.
KG in Bad Lippspringe. Sein Arbeitsschwerpunkt
sind Produktkonzeption und Projektplanung
für Produktentwicklungen von elektronischen
Geräten für die Anwendungsfelder „Schutz von
besonders gefährdeten Fußgängern im Straßenverkehr“
und „Verkehrsdetektoren“.
RTB GmbH & Co. KG,
Schulze-Delitzsch-Weg 10,
D-33175 Bad Lippspringe
atp edition erscheint in der DIV Deutscher Industrieverlag GmbH, Arnulfstr. 124, 80636 München

HAUPTBEITRAG | AUTOMATION 2013
Simulationsmodule
methodisch identifizieren
Besseres Aufwand-Nutzen-Verhältnis bei Modellerstellung
Die Qualität von Maschinenabläufen lässt sich durch die Anwendung einer maschinennahen
Simulation verbessern und die Entwicklungs‐ und Engineeringzeiten durch frühzeitige
Tests verkürzen. Trotz zahlreicher Simulationswerkzeuge am Markt wird das
Aufwand‐Nutzen‐Verhältnis bei der Simulation bemängelt. Insbesondere wird gefordert,
den Modellierungsaufwand zu reduzieren, um Simulationsmodelle schneller erstellen zu
können. Dieser Beitrag zeigt die Möglichkeit zur Aufwandsreduzierung durch die Verwendung
von Simulationsmodulen auf. Er beschreibt dazu ein methodisches Vorgehen
zur Identifizierung und Modellierung.
SCHLAGWÖRTER Maschinensimulation / Modularisierung / Simulationsmodellierung
Identification of simulation modules –
Improved cost-benefit ratio for modelling
The quality of machine processes can be improved by machine simulation, and the development
time can be shortened with early testing. But despite the availability of various
simulation tools, the cost-benefit ratio is often unsatisfactory. In order to speed up the
simulation modelling process, the model creation process has to be improved. A modular
approach for simulation modelling is presented and a methodology for the identification
and modelling is discussed.
KEYWORDS machine simulation / modularization / simulation modelling
44
atp edition
7-8 / 2013

MICHAEL WEYRICH, Universität Stuttgart
FRANK STEDEN, Universität Siegen
Hersteller komplexer Produktionssysteme sehen
sich mit immer kürzeren Entwicklungs- und
Lieferzeiten und zusätzlich spezifischen Kundenanforderungen
konfrontiert. In Bezug auf
flexible Anwendungsfunktionen durch die
Automatisierungstechnik ist es daher nötig, Prozessschritte
im Entwicklungs- und Herstellungsprozess zu
parallelisieren und Maschinen‐ und Steuerungskonzepte
frühzeitig zu testen [1]. Dabei ist die maschinennahe
Simulation ein wichtiges Hilfsmittel [2]. Durch die Simulation
können an virtuellen Maschinenmodellen
schon vor Montage und Inbetriebnahme Tests durchgeführt
werden. Die Anwendungsfelder der maschinennahen
Simulation reichen von der frühen Konzeptabsicherung
über die virtuelle Inbetriebnahme der Maschinen
und Anlagen bis hin zur Serviceunterstützung bei
der Planung von Umbaumaßnahmen [3]. Dazu ist am
Markt eine Vielzahl von allgemeinen und anwendungsspezifischen
Simulationswerkzeugen verfügbar.
Aktuelle Befragungen unter Herstellern von Produktionsmaschinen
zeigen, dass trotz anerkanntem Nutzen
der Simulationsanwendung und der Bekanntheit der
Simulationswerkzeuge, die Integration der Simulation
in die Engineering-Prozesse nicht weit fortgeschritten
ist [4, 5]. Die potenziellen Anwender, insbesondere die
Hersteller kundenspezifischer Maschinen, fordern ein
besseres Aufwand-Nutzen-Verhältnis der Simulation.
Neben einer besseren Prozessintegration zur Vergrößerung
des Nutzens muss der Aufwand zur Simulationsmodellierung
vereinfacht werden [4]. In diesem Zusammenhang
besteht die Forderung nach wiederverwendbaren
Simulationsmodellen. Im Folgenden werden
Bestrebungen für ein besseres Aufwand-Nutzen-Verhältnis
als methodische Anwendung der Simulation
verstanden.
1. METHODISCHE SIMULATIONSANWENDUNG
Die methodische Anwendung der Simulation und damit
eine Verbesserung des Aufwand-Nutzen-Verhältnisses
beim Einsatz von Simulationstechniken lässt sich durch
bessere Prozessintegration und prozessübergreifenden
Simulationseinsatz und durch die Verringerung des Modellierungsaufwands
erreichen. Im Bereich der Prozessintegration
der Simulation haben [6] und [7] in Verbindung
mit der Stärkung der interdisziplinären Zusammenarbeit
methodische Vorgehensweisen und neue Simulationswerkzeuge
entwickelt.
Zur Reduzierung des Modellierungsaufwands existieren
Methoden für die Anlagenautomatisierung, die
die automatisierte oder teilautomatisierte Simulationserstellung
thematisieren [8, 9, 10, 11]. Die zur Modellerstellung
notwendigen Daten werden in eine
Beschreibungssprache transformiert. Nach Auswahl
der benötigten Daten können diese für die Simulation
automatisch extrahiert und genutzt werden, um das
Simulationsmodell zu erstellen. Diese Ansätze eignen
sich primär für komplette Neukonstruktionen mit
vollständig vorliegenden Daten zum Simulationszeitpunkt
[9].
In Richtlinien, wie der VDI 3633 zur Durchführung
von Simulationsprojekten, wird auf die Wiederverwendung
von Simulationsmodellen hingewiesen, um den
Nutzen der Modellerstellung zu erhöhen [12]. Allerdings
bleibt die Frage offen, was die Wiederverwendbarkeit
von Simulationsmodellen ausmacht. In [13] wird die
werkzeugübergreifende Wiederverwendung von Simulationsmodellen
erörtert und ein automatisches Mapping
zur Modelltransformation entwickelt.
Die Modellerstellung aus Modulen verspricht, das
Engineering durch einfache und schnelle Modellierung
zu beschleunigen. Das Verfahren eignet sich für den
kundenspezifischen Maschinen‐ und Anlagenbau mit
hohen Anteilen an Anpassungskonstruktionen bzw.
baukastenorientierter Entwicklung [4, 9]. Um ein methodisches
Vorgehen zur Identifizierung von Modulen
für die maschinennahe Simulation zu entwickeln, wird
in diesem Beitrag untersucht, welche Moduleigenschaften
für die Simulation relevant sind und wie die Wiederverwendbarkeit
von Simulationsmodulen beeinflusst
werden kann.
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HAUPTBEITRAG | AUTOMATION 2013
2. EIGENSCHAFTEN VON SIMULATIONSMODULEN
Für die Modularisierung der Simulationsmodelle ist ein
methodisches Vorgehen sowie die Kenntnis notwendiger
Modulmerkmale nötig. Bestehende Ansätze zur Modularisierung
von Produkten lassen sich nur eingeschränkt
auf die Modularisierung von Simulationsmodellen übertragen
[14]. Die Gründe liegen in der Individualität der
Lösungen und der Komplexität der abzubildenden Systeme.
Eine ähnliche Komplexität, wie in der Simulation
von Maschinen und Anlagen, findet sich in der Entwicklung
von Softwareprogrammen. Für die modulbasierte
Programmierung benennt [15] wesentliche Merkmale
von Softwaremodulen. Entsprechend können Modulmerkmale
aus dem Software-Engineering für die Simulation
adaptiert werden. In Tabelle 1 werden zehn wichtige
Modulmerkmale benannt und erläutert.
Zur Adaption dieser Modulmerkmale für Simulationsprojekte
ist die Kenntnis ihrer Relevanz und ihres Einflusses
auf Simulationsmodule nötig. In der folgenden
Untersuchung (siehe Bild 1) wird daher mit Hilfe einer
Einflussmatrix die wechselseitige Relevanz der genannten
Merkmale untereinander analysiert. Dazu wird für
jedes Merkmal der direkte Einfluss auf die übrigen Merkmale
zahlenmäßig bewertet. Ergebnis dieser Bewertung
sind die zwei Kennwerte Aktivsumme und Passivsumme,
die das Verhalten der Merkmale beschreiben. Die
Aktivsumme gibt an, wie stark der Einfluss des Merkmals
auf andere Merkmale ausstrahlt. Die Passivsumme
zeigt umgekehrt an, wie stark die Einwirkung auf ein
Merkmal durch andere Merkmale ist. Um ein objektives
Ergebnis aus der Analyse mit der Einflussmatrix zu generieren,
wurde das Ergebnis in Experteninterviews
diskutiert und teilweise korrigiert. Bild 1 zeigt als Ergebnis
die Einflussmatrix für die zehn Merkmale guter Modularisierung
in Bezug auf Simulationsprojekte.
Mit den ermittelten Kennwerten lassen sich die Merkmale
vier Gruppen zuordnen:
Unabhängige Merkmale
Merkmale mit Indikatorfunktion
Merkmale mit Hebelwirkung
Merkmale mit Schlüsselfunktion
Unabhängige Merkmale haben einen geringen Einfluss
auf andere und werden von anderen Merkmalen nur
geringfügig beeinflusst. Zu diesen Merkmalen werden
die Modulhierarchie und die Verwendungszahl zugeordnet.
Während die Verwendungszahl für die Modularisierung
der Simulation nicht weiter betrachtet wird,
kann die Hierarchie der Module nach der Modulidentifikation
unabhängig von den anderen Merkmalen festgelegt
werden.
Zu den Merkmalen mit Indikatorfunktion zählen die
Importzahl, die Modulbindung, die Modulgröße und die
Testbarkeit. Diese besitzen einen geringen aktiven Einfluss,
werden jedoch durch andere Module stark beeinflusst.
Aus diesen Merkmalen mit Indikatorfunktion
können für den methodischen Identifizierungsprozess
Bewertungskriterien für die Module abgeleitet werden.
Die Merkmale mit Hebelwirkung weisen einen starken
aktiven Einfluss auf andere Merkmale aus. Durch besondere
Berücksichtigung dieser Merkmale während der
Identifizierung und Modellierung kann die Qualität der
Module maßgeblich beeinflusst werden. Dies gilt für die
Modulgeschlossenheit und für die Minimalität der
Modulmerkmal
Importzahl
Interferenzfreiheit
Minimalität
der Schnittstelle
Modulbindung
Modulgeschlossenheit
Modulgröße
Modulhierarchie
Modulkopplung
Testbarkeit
Verwendungszahl
Beschreibung
Anzahl zusätzlich benötigter Module
für die Implementierung
Aussage über unerwünschte
Nebenwirkungen auf andere Module
Einfache, klar dokumentierte Schnittstellen
(Daten, Informationen, Parameter)
Summe der Beziehungen einzelner
Operationen eines Moduls
Modul hat eine in sich geschlossene Aufgabe
Anteil vom Gesamtsystem,
Funktionsumfang und Granularität
Ebeneneinteilung und Struktur der Module
Stärke der Bindung zwischen Modulen
Korrektheit ohne Kenntnis
des Gesamtsystems
Anzahl der Nutzung durch andere Module
TABELLE 1: Merkmale einer guten Modularisierung nach [15]
BILD 1: Einflussmatrix zur Analyse der
Modularisierungsmerkmale
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Schnittstellen. Aus diesen Merkmalen ergeben sich elementare
Regeln für die Gestaltung der Module.
Neben diesen Merkmalen gibt es Schlüsselmerkmale,
die einen starken aktiven Einfluss ausüben und durch
andere Module stark beeinflusst werden. Dies sind die
Modulkopplung und die Interferenzfreiheit. Gemeinsam
mit den Merkmalen mit Hebelfunktion haben diese
Merkmale eine besondere Relevanz bei der Modularisierung
von Simulationsmodellen. Diese Merkmale werden
bei der Abgrenzung und Modellierung der Module berücksichtigt
und lassen sich in einem methodischen
Vorgehen auch als Bewertungskriterien verwenden. In
Bild 2 sind die Ergebnisse der Analyse dargestellt.
Die so gruppierten Merkmale lassen sich in Bezug auf
ihre Wichtigkeit in der Anwendung für Simulationsmodule
weiter unterteilen. Dazu wurden die Merkmale mit einem
paarweisen Vergleich untersucht. Dieser Vergleich
wurde durch erfahrene Anwender von Simulationswerkzeugen
unterstützt. Als Ergebnis wurden zwei Klassen
gebildet und fünf Merkmale als sehr wichtig, die übrigen
fünf Merkmale als weniger wichtig eingestuft. Dabei sind
alle Merkmale mit Hebelwirkung und mit Schlüsselfunktion
auch als sehr wichtig eingestuft. Mit diesen vier Merkmalen
kann die Qualität der Module aktiv beeinflusst werden.
Hinzu kommt mit der Testbarkeit ein weiteres sehr
wichtiges Merkmal, welches durch seine Indikatorfunktion
wichtige Aussagen zur Qualität der Module liefert.
3. WIEDERVERWENDUNG SYSTEMATISCH GESTALTEN
Die Wiederverwendung von Modulen hängt von dem
jeweiligen nächsten Verwendungszweck ab und kann
im Hinblick auf werkzeug-, prozess- und projektübergreifende
Verwendung betrachtet werden. Eine werkzeugübergreifende
Wiederverwendung hat die Verwendung
der Modelle in unterschiedlichen Simulationswerkzeugen
zum Ziel. Mit prozessübergreifender Wiederverwendung
ist die Nutzung der Modelle über den
Entwicklungs- und Herstellungsprozess einer Maschine
von frühen Grobkonzepten bis zur virtuellen Inbetriebnahme
gemeint. Dagegen bezieht sich die projektübergreifende
Wiederverwendung auf die Nutzung
vorhandener Modelle für anschließende Kundenprojekte.
Im Folgenden wird insbesondere die prozess- und
projektübergreifende Wiederverwendung betrachtet.
Ähnlich den Merkmalen der Simulationsmodule können
zur Gestaltung und Wiederverwendung der Module
Arbeiten aus der objektorientierten Softwareentwicklung
adaptiert werden [15].
Die maschinennahe Simulation besteht aus Verhaltensmodellen
und zugehörigen Visualisierungen. Um
eine Wiederverwendung über den Engineering-Prozess
hinweg zu erleichtern, müssen sich die Modelle auf die
unterschiedlichen Anwendungszwecke anpassen lassen.
Hierzu zählen beispielsweise das Einstellen einzelner
Parameter der Module für Konzeptanalysen oder die Anpassung
des Modelldetailgrades in späteren Prozessphasen.
Die projektübergreifende Verwendung stellt Anforderungen
an die Modulgeschlossenheit und an die Kopplung
der Module, da die Module aus vorangegangenen
Projekten zu neuen Modellen kombiniert werden. Obwohl
eine direkte Wiederverwendung ohne Anpassung
der Module wünschenswert ist, wird der Begriff der
Wiederverwendung erweitert auf solche Module, die
einfach anpassbar sind.
BILD 2: Gruppierung
der Merkmale guter
Modularisierung aus
Simulationssicht
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HAUPTBEITRAG | AUTOMATION 2013
Beispiele zur einfachen Anpassung von Simulationsmodulen
zeigt Bild 3. Bei diesen Modulen sind die Eingangs-
und Ausgangsschnittstellen x und y sowie das
Modulverhalten, dargestellt durch mathematische Funktionen,
nach außen erkennbar. Für alle Modulformen
wird die Gestaltung als Blackbox empfohlen. Dazu bleibt
der detaillierte innere Aufbau des Moduls dem Anwender
verborgen, wobei jedoch das Verhalten und die Anpassungsmöglichkeiten
dokumentiert und transparent
gestaltet sind. Dies reduziert die Komplexität in der Anwendung
und Kopplung der Module zu spezifischen
Simulationsmodellen.
Bei parametrierbaren Modulen sind zusätzlich zu den
Eingangs- und Ausgangsschnittstellen die einstellbaren
Parameter (a, b) als Schnittstelle vorhanden. Diese parametrierbaren
Module eignen sich besonders für die Erstellung
wiederverwendbarer Verhaltensmodule, die
zum Beispiel das Bewegungsverhalten kinematischer
Achsen abbilden, bei denen die Einflussgrößen des Systems
angepasst werden. Wichtig ist, für die Parameter
sinnvolle Wertebereiche anzugeben, für die das Modul
auch validiert ist. Zusätzlich muss auf die Unabhängigkeit
der Parameter geachtet werden.
Die Skalierung als Unterform der Parametrierung ist
die lineare Änderung eines Parameters. Mit Hilfe der
Skalierung können beispielsweise die Visualisierungen
der Simulation angepasst werden, zum Beispiel die Längenabmaße
eines Hydraulikzylinders zur Visualisierung
der Verfahrposition.
Bei faktorisierbaren Modulen handelt es sich um eine
Modul-in-Modul-Lösung zur einfachen Anpassung. Module
enthalten hierzu Submodule. Das Submodul umfasst
einen abgeschlossenen Funktionsumfang und
Schnittstellen zu den Modulen. Zur Anpassung des Moduls
kann das Submodul gelöscht oder durch andere
Submodule ausgetauscht werden. Diese Modulkombinationen
mit Submodulen sind aufwendiger in der Modellierung
als die zuvor genannten Varianten. Durch Austausch
eines Submoduls lässt sich beispielsweise der
Detailgrad einer Funktion von einem rein zeitbasierten
Verhalten auf ein physikalisches Verhalten anpassen,
um damit steigenden Anforderungen an den Detailgrad
des Modells im Laufe des Engineering-Prozesses gerecht
zu werden. Im Sinne einer projektübergreifenden Wiederverwendung
kann durch die Faktorisierung das Modul
durch alternative Funktionen angepasst werden.
Die drei kategorisierten Modularten erleichtern durch
die einfache Anpassung die projekt- und prozessübergreifende
Wiederverwendung der Module.
4. STEUERUNGSKOPPLUNG DER SIMULATIONSMODULE
Aus den Anwendungsfeldern der kinematischen Maschinensimulation
ergibt sich die Schnittstelle zur Steuerungstechnik
als eine wichtige Komponente für die
kinematische Maschinensimulation. Die funktionsorientierte
Programmierung erschwert die Kopplung mit
den Simulationsmodulen. Der Grund liegt in der Struktur
des Steuerungsprogramms. Einzelne Funktionen des
Gesamtsystems werden programmiert und durch Verknüpfung
dieser Einzelfunktionen entsteht ein betriebsbereites
Steuerungsprogramm. Wie in Bild 4 dargestellt,
ergeben sich bei der Kopplung von Simulation und Steuerungsprogramm
zahlreiche Verbindungen auf Steuerungsebene
und auf Simulationsebene. Wichtige Merkmale
wie Modulgeschlossenheit oder Minimalität der
Schnittstellen können so nicht umgesetzt werden.
Neue Entwicklungen in der Steuerungstechnik basieren
auf einer Lebenszyklusbetrachtung von Maschinen
und Anlagen mit dem Ziel neuer Konzepte zur Standardisierung
und Modularisierung der Steuerungsprogramme
[16, 17]. Hierbei steht die modulbasierte Steuerungsprogrammentwicklung
im Vordergrund. Passend zu den
realen Maschinenmodulen werden in sich abgeschlossene
Steuerungsprogramme als Module entwickelt. Die
einzelnen Steuerungsprogrammmodule sind nicht direkt
verknüpft, sondern auf einer höheren Koordinationsebene.
Die Schnittstellen sind klar erkennbar und auf
ein Minimum reduziert. Im Idealfall gibt es nur eine
Schnittstelle zwischen Steuerungsprogramm‐ und Simulationsmodul
(Bild 4). Hierdurch können wichtige
Merkmale, wie die Interferenzfreiheit, Modulgeschlossenheit
und Minimalität der Schnittstellen, besser umgesetzt
werden und die Wiederverwendung der Module
wird positiv beeinflusst. Eine Vorabinbetriebnahme der
Maschinenmodule sowie der Austausch einzelner Module
ohne direkte Auswirkung auf die Funktion des Gesamtsystems
wird ermöglicht.
5. METHODISCHE IMPLEMENTIERUNG DER MODULE
Zur Abgrenzung und Implementierung der Simulationsmodule
wird ein strukturiertes und möglichst objektives
Vorgehen empfohlen, um die Wiederverwendbarkeit und
die Eignung für das spezifische Simulationsprojekt sicherzustellen.
Das dazu entwickelte Vorgehen gliedert
sich in die drei Phasen:
1 | Identifikation und Bewertung der Module
2 | Modellierung, Validierung und abschließende
Bewertung der Module
3 | Implementierung der Module
In der ersten Phase erfolgt die Abgrenzung und abstrakte
Beschreibung der Module. Grundlage bilden die bereits
realisierten Maschinenreferenzen. Diese werden
hinsichtlich wiederkehrender und funktional ähnlicher
Komponenten untersucht, um daraus mögliche Module
für die Simulation abzuleiten. Als Startregel sollen möglichst
funktionsumfassende und gleichzeitig im Prozess
der Maschine abgeschlossene Module identifiziert werden.
Diese identifizierten Module werden abstrakt hinsichtlich
ihres Verhaltens beschrieben. Elemente dieser
Beschreibung sind die Funktionen, Schnittstellen und
das Prozessverhalten. Zur Bestimmung der Eignung der
Module werden diese auf Basis einer Nutzwertanalyse
bewertet. Die hierzu benötigten Kriterien werden, vorbereitet
durch ein interdisziplinäres Team, aus den Modulmerkmalen
abgeleitet und können in einem Kriterienkatalog
ausgewählt werden. Erst nach positiver Bewertung
wird das Modul in die Modellierung übergeben.
Erfüllt das Modul nicht die gewünschten Merkmale,
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BILD 3: Schematische
Darstellung wiederverwendbarer
Simulationsmodule
BILD 4: Verknüpfung der
Simulationsmodule bei
funktionsorientierter und
modulbasierter
Steuerungsprogrammstruktur
BILD 5: Übersicht
zur methodischen
Modulimplementierung
muss das Modul hinsichtlich Funktionen und Schnittstellen
neu aufgeteilt werden und eine erneute Bewertung
durchlaufen. Durch diese iterativen Bewertungsschleifen
ergibt sich die Modulgröße. Die erste Phase
vermeidet vor allem einen unnötigen Modellierungsaufwand
für ungeeignete Simulationsmodule.
In der zweiten Phase findet die Modellierung und Validierung
der Module für die anwendungsspezifische
Simulationsplattform statt. Zur Modellierung wiederverwendbarer
Module wird die Modellierung durch einen
Leitfaden unterstützt. An die folgende Modulvalidierung
schließt sich eine erneute Bewertung an. Grund
ist die unvollständige Bewertungsmöglichkeit in der
ersten Phase mit der abstrakten Modulbeschreibung. Einige
Modulkriterien wie beispielsweise die Testbarkeit
lassen sich erst nach Modellierung und Validierung vollständig
bewerten. Auch in dieser Phase kommt es je nach
Bewertungsergebnis zu einer weiteren Iterationsschleife
aus Neumodellierung und Bewertung oder der Weitergabe
in die nächste Phase.
Die dritte Phase ist die Implementierung der Module.
Die Module werden strukturiert und dokumentiert in
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HAUPTBEITRAG | AUTOMATION 2013
© Hekuma GmbH, Eching
BILD 6:
Implementierungsbeispiele
für wiederverwendbare
Simulationsmodule
eine Datenbank abgelegt. Die abschließende Dokumentation
ist entscheidend für die spätere Nutzung der Simulationsmodule.
Die implementierten Module werden
zum Aufbau der spezifischen Simulationsmodelle genutzt.
Die einzelnen Module werden dazu kombiniert
und das entstehende Modell mit Blick auf die Realsituation
konfiguriert. Das Vorgehen zur Identifizierung und
Implementierung von wiederverwendbaren Simulationsmodulen
ist in Bild 5 zusammenfassend dargestellt.
6. ANWENDUNGSBEISPIEL PRODUKTIONSSYSTEM
Die beschriebene methodische Vorgehensweise wurde
beispielhaft umgesetzt und analysiert. In Bild 6 ist das
zu simulierende Produktionssystem dargestellt. Hierbei
handelt es sich um eine kundenspezifische Kunststoffmaschine,
die vollautomatisiert Kunststoffprodukte in
unterschiedlichen Prozessschritten herstellt. Dazu werden
Komponenten wie Kunststoffspritzpressen, Transportachsen,
sensorische Qualitätskontrollen oder Robotersysteme
kombiniert. Die Anlagen entstehen in
einem Mix aus Neu- und Anpassungskonstruktionen,
die Einzelkomponenten werden durch den Maschinenhersteller
teils fremdbezogen und teils in Eigenleistung
hergestellt. Der Engineering-Prozess folgt einem sequenziellen
Verlauf mit teilweise parallelen Arbeitsschritten
der Disziplinen Mechanik, Elektrik und Softwareentwicklung.
Durch Einsatz der Maschinensimulation
werden frühzeitige Tests von Steuerungsprogrammen
und die virtuelle Vorabinbetriebnahme des
Produktionssystems ermöglicht. Die Phase der Inbetriebnahme
wird dadurch zeitlich entlastet und mit
einem voroptimierten Steuerungsprogramm verbessert
sich die Qualität der Maschinenabläufe.
Die Umsetzung der Maschinensimulation erfolgt mit
der Simulationssoftware Winmod. Zur Simulationsmodellierung
wird das Maschinenverhalten mit grafischen
Grundelementen modelliert und mit 2‐ oder 3‐dimensionalen
Visualisierungen verbunden. Für den Steuerungstest
sind Schnittstellen für unterschiedliche SPS-
Systeme integriert. Hierzu lassen sich eine reale und
eine emulierte SPS-Steuerung mit der Simulationssoftware
verbinden.
Mit der beispielhaften Umsetzung wurden die einzelnen
methodischen Schritte zur Implementierung der
Simulationsmodule erprobt und die Eignung der in Abschnitt
1 und 3 analysierten Merkmale und Gestaltungsformen
untersucht.
Auf Modellierungsebene sind in Bild 6 typische implementierte
Simulationsmodule, wie die Spritzpresse
und ein Scara-Roboter, und Beispiele für die Wiederverwendung
dieser Module durch einfache Anpassung
abgebildet. Bei der Modellierung der Module werden
die Geschlossenheit und Minimalität der Schnittstellen
besonders berücksichtigt. Die gewählte Modulgestalt
zur einfachen Anpassung verbessert die Wiederverwendung
der Module.
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atp edition
7-8 / 2013

Die einstellbaren Parameter des Moduls Spritzpresse
sind wie die Schnittstellen außerhalb des Moduls transparent
angeordnet. So dokumentiert schon die Modulgestalt
Anpassungsmöglichkeiten des Moduls für den Anwender.
Hierbei handelt es sich um das Verhalten der
Werkzeugkinematik der Spritzpresse. Die einstellbaren
Parameter sind die Zeiten für Öffnen und Schließen der
Werkzeuge und der Auswerfer. Diese lassen sich schnell
anpassen, um beispielsweise Konzeptvarianten gegenüberzustellen
oder das Verhalten im Fehlerfall zu simulieren.
Das faktorisierbare Modul Entnahmegreifer kann
durch das integrierte Submodul in seinem Verhalten
verändert werden. Im Beispiel in Bild 6 ist das Verhalten
eines Entnahmegreifers faktorisierbar ausgeführt. So
kann zum Beispiel der Detailgrad des kinematischen
Modulverhaltens durch Austausch des Submoduls geändert
werden, während Schnittstellen und weitere Modulfunktionen
gleich bleiben. Während für frühe Steuerungstests
ein einfaches Zeitverhalten ausreicht, kann
das Modul für die virtuelle Inbetriebnahme durch ein
Submodul mit detailliertem physikalischen Verhalten
angepasst werden. Auch in diesem faktorisierbaren Modul
muss deutlich erkennbar und dokumentiert sein,
welche Auswirkungen das Löschen oder Ersetzen des
Submoduls hat und welche Submodule sich für die
Kopplung eignen.
7. ERGEBNISSE DER IMPLEMENTIERUNG
Die beispielhafte Anwendung der methodischen Vorgehensweise
zeigt, dass wiederverwendbare Simulationsmodule
identifiziert und implementiert werden können.
Die adaptierten und gruppierten Modulmerkmale werden
dabei für den Identifikationsprozess herangezogen.
Aus den Merkmalen werden Bewertungskriterien für die
Güte der Module abgeleitet. Dabei zeigt sich im Beispiel,
dass die passiven Merkmale, also die Merkmale mit Indikatorfunktion,
bereits in der frühen abstrakten Identifikationsphase
als Bewertungsmerkmal herangezogen
und beurteilt werden können. Diese Vorabbewertung der
Module sichert die allgemeine Eignung zur Umsetzung
im Simulationsprojekt ab und vermeidet den Modellierungsaufwand
für ungeeignete Module.
Die aktiven Merkmale, also die Merkmale mit Hebelund
Schlüsselfunktion, geben wichtige Aussagen zur
Wiederverwendung der Module. Das Beispiel zeigt, dass
diese Merkmale in der Modellierungsphase stark beeinflusst
werden können. Daher wird in der methodischen
Vorgehensweise eine weitere Bewertung nach Modellierung
und Validierung vorgeschlagen. So ist zum Beispiel
die tatsächliche Modulgeschlossenheit oder die Minimalität
der Schnittstellen erst nach der Modellierung in
der Simulationssoftware bewertbar. Somit können die
Faktoren mit Hebelfunktion und die Schlüsselmerkmale
sowohl für die Bewertung als auch zur aktiven Gestaltung
der Module herangezogen werden.
Durch die bewusste Gestaltung der Module während
der Modellierung wird die Wiederverwendung stark beeinflusst.
Insbesondere die Modul‐in‐Modul‐Lösung
kann zur prozess- und projektübergreifenden Wiederverwendung
genutzt werden. Im Beispiel lässt sich der
Detailgrad in einem Verhaltensmodell durch Austausch
eines Submoduls ändern. Der zeitliche Aufwand zur
Modellierung dieser Module ist durchschnittlich höher
als bei einer Modellierung ohne Berücksichtigung der
Anpassbarkeit. Dieser Aufwand amortisiert sich in vielen
Fällen schon nach der ersten Wiederverwendung.
Um den Engineering-Prozess der Maschinenhersteller
effektiv zu unterstützen, ist zwischen einem Modellierer
und einem Anwender der Simulationsmodule zu unterscheiden.
Während der Modellierer als Simulationsexperte
über tiefgreifende Kenntnisse in der Simulationssoftware
verfügt, darf der Anwender nicht durch unnötige
Details, zum Beispiel zum inneren Aufbau, verunsichert
werden. Dieser testet an den Modulen
Steuerungsteilprogramme oder koppelt sie zu Maschinenmodellen.
Wichtig für den Anwender ist daher die
Dokumentation der Schnittstellen, des grundlegenden
funktionellen Verhaltens und der Möglichkeiten zur
schnellen Anpassung der Module. Während der detaillierte
funktionale Aufbau der Module als Blackbox ausgeführt
werden kann, empfiehlt sich für die Darstellung
der Anpassungsmöglichkeiten und Schnittstellen eine
transparente Modellierung und Modulbeschreibung.
Entsprechend wichtig sind für den Aufbau der Moduldatenbank
und die anschließende Verwendung der Module
die anwendungsgerechte Dokumentation und die
strukturelle und hierarchische Einteilung.
Die strukturelle Einteilung der Module wird in der
ersten Phase der abstrakten Modulidentifizierung bereits
vorbestimmt. Die Module werden im Beispiel nach deren
Handhabungs‐ und Bearbeitungsfunktionen entlang der
Maschinenprozesse eingeteilt. Die Modulhierarchie
wurde mit der Untersuchung durch die Einflussmatrix
als unabhängiges Merkmal identifiziert. In der beispielhaften
Anwendung wurden die Schnittstellen zur hierarchischen
Einteilung der Module herangezogen. Die
Simulationsmodule können über Schnittstellen zum
Steuerungssystem und zu anderen Simulationsmodulen
verfügen. Im Beispiel erfolgte die Bildung von zwei Klassen.
Eine Klasse von Modulen verfügt über Schnittstellen
zur Steuerungstechnik und zu weiteren Simulationsmodulen.
Die zweite Klasse hat ausschließlich Schnittstellen
zu Modulen der ersten Klasse. In diese Klasse
werden beispielsweise die Submodule zur Faktorisierung
eingruppiert. Die Anpassung und Auswahl der
Module wird für den Anwender vereinfacht.
Die vorgeschlagene Methodik wurde auch auf die Eignung
zur Einbindung der Methoden zur automatisierten
Modellerstellung analysiert. Grundsätzlich können die
Identifizierung, die Modellierung und der Aufbau der
Simulationsmodelle durch Kopplung der Module durch
eine (Teil-) Automatisierung unterstützt werden. Wie bei
der Simulationserstellung selbst ist bei der Unterstützung
durch Automatismen auf das Aufwand-Nutzen-
Verhältnis zu achten. Als Ergebnis hat vor allem die
teilautomatisierte Kopplung der Module zum Simulationsmodell
ein gutes Aufwand-Nutzen-Verhältnis. Der
Anwender wählt hierzu lediglich die gewünschten Module
aus, die Modellerstellung durch Kopplung der Module
erfolgt dann automatisiert. Dies beschleunigt den
Modellaufbau und erleichtert die Anwendung für unerfahrene
Nutzer.
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HAUPTBEITRAG | AUTOMATION 2013
AUTOREN
ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK
Der Einsatz modulbasierter Simulationsmodelle reduziert
den Aufwand bei der Simulationserstellung und erleichtert
Änderungen an einem Simulationsmodell. Zur Identifikation
und Bewertung wiederverwendbarer Simulationsmodule
wurde ein methodisches Vorgehen entwickelt
und beispielhaft implementiert. Damit lassen sich Module
schnell zu Simulationsmodellen verknüpfen und in den
unterschiedlichen Testszenarien gegen alternative Module
austauschen. Eine Integration der Ansätze zur automatisierten
Simulationsmodellerstellung ist durch Implementierung
der Module in Datenbanksysteme möglich.
Durch Beachtung wichtiger Modulmerkmale während der
Modulidentifizierung und -modellierung kann der Grad
der Wiederverwendung stark beeinflusst werden.
Die Methodik eignet sich besonders für kundenspezifische
Produktionssysteme, die auf Baukastenplattformen
basieren oder durch einen hohen Anteil an Anpassungskonstruktionen
erstellt werden. Durch das modulare Vorgehen
werden die Systemlieferanten der Maschinenhersteller
besser in die Simulationserstellung eingebunden.
Prof. Dr.-Ing. MICHAEL WEYRICH (geb. 1967)
leitet seit April 2013 das Institut für Automatisierungstechnik
und Softwaresysteme
(IAS) an der Universität Stuttgart. Zuvor war
er für vier Jahre Leiter des Lehrstuhls für
Fertigungsautomatisierung an der Universität
Siegen sowie wissenschaftlicher Direktor
am Automotive Center Südwestfalen.
Universität Stuttgart,
Institut für Automatisierungstechnik und Softwaresysteme (IAS),
Pfaffenwaldring 47, D-70569 Stuttgart,
Tel. +49 (0) 711 68 56 73 21,
E‐Mail: michael.weyrich@ias.uni-stuttgart.de
Universität Siegen,
Department Maschinenbau,
Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung,
Paul-Bonatz-Str. 9‐11, D-57068 Siegen
MANUSKRIPTEINGANG
05.04.2013
Im Peer-Review-Verfahren begutachtet
Dipl.-Wirt.-Ing. FRANK STEDEN (geb. 1978)
ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am
Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung
der Universität Siegen mit folgenden
Schwerpunkten: Modulare Maschinensimulation
und Steuerungstests sowie
Produktionsprozesssimulation und
‐optimierung.
REFERENZEN
[1] Hees, A., Backhaus, J., Reinhart, G.: Wandlungsfähige
Montagesysteme in KMU. wt Werkstattstechnik online 102(9),
S. 30-36, 2012
[2] Weyrich, M., Steden, F.: Prozessintegration von Maschinensimulation
zur Steuerungsinbetriebnahme bei Maschinenherstellern.
In: Tagungsband Automation 2011, S. 339-342.
VDI 2011
[3] Weyrich, M., Steden, F.: Produktionssysteme modulbasiert
simulieren. wt Werkstattstechnik online 103(2), S. 162-167, 2013
[4] Weyrich, M., Steden, F.: Automated configuration of a machine
simulation based on a modular apprach. In: Abramovici, A.,
Stark, R. (Hrsg) Smart Product Engineering, S. 603-612.
Springer 2013
[5] Bierschenk, S., Kuhlmann, T., Ritter, A.: Stand der digitalen
Fabrik bei kleinen und mittelständischen Unternehmen.
Fraunhofer IRB Verlag 2005
[6] VDMA: Aquimo. Adaptierbares Modellierungswerkzeug und
Qualifizierungsprogramm für den Aufbau firmenspezifischer
mechatronischer Engineeringprozesse - Ein Leitfaden für
Maschinen- und Anlagenbauer. VDMA-Verl., Frankfurt a.M.
2010
[7] Denkena, B., Ammermann, C., Hoppe, P.: Ramp-Up/2
– Verkürzung von Fertigungsanläufen. Anlaufoptimierung
durch Einsatz virtueller Fertigungssysteme. In: wt Werkstatttechnik
online 98(3), S. 143-148, 2008
[8] Barth, M.: Automatisch generierte Simulationsmodelle
verfahrenstechnischer Anlagen für den Steuerungstest.
VDI 2011
[9] Kufner, A.: Automatisierte Erstellung von Maschinenmodellen
für die Hardware-in-the Loop-Simulation von Montagemaschinen.
Dissertation Universität Stuttgart, 2011
[10] Lindworsky, A.: Teilautomatische Generierung von
Simulationsmodellen für den entwicklungsbegleitenden
Steuerungstest. Herbert-Utz-Verlag 2011
[11] Schob, U.: Methode zur frühen virtuellen Inbetriebnahme von
Steuerungsprogrammen durch halbautomatische Maschinenmodellbildung.
Verlag Wissenschaftliche Scripten 2012
[12] VDI 3633: Simulation von Logistik-, Materialfluss- und
Produktionssystemen. Berlin: Beuth-Verlag 2005
[13] Voss, V.: Wiederverwendbare Simulationsmodelle für die
domänen- und disziplinenübergreifende Produktentwicklung.
Jost-Jetter Verlag 2012
[14] Weyrich, M., Klein, P.: Modulbasiertes Engineering von
Produktionsanlagen – Wissensbasierte Konzeption mit
funktionsorientierter Modularisierung. wt Werkstattstechnik
online 102(9), S. 592-597, 2012
[15] Pomberger, G., Blaschek,G.: Software Engineering – Prototyping
und objektorientierte Software-Entwicklung. München:
Carl Hanser Verlag 1996
[16] Fuchs, J., Vogel-Heuser, B.: Metriken und Methoden zur
Umstrukturierung einer modularen Steuerungssoftware im
Sondermaschinenbau. In: Tagungsband Automation 2012,
S.29-32. VDI 2012
[17] Obst, M., Holm, T., Bleuel, S., Claussnitzer, U., Evertz, L.,
Jäger, T., Nekolla, T., Pech, S., Schmitz, S., Urbas, L.: Automatisierung
im Life Cycle modularer Anlagen. Welche Veränderungen
und Chancen sich ergeben. atp edition - Automatisierungstechnische
Praxis 55(1-2), S. 888-895, 2013
52
atp edition
7-8 / 2013

KNOWLEDGE
for the FUTURE
Qualified reading
for automation
experts
Process Control Systems Engineering
Process Control Systems (PCS) are distributed control systems
(DCS) that are specialized to meet specific requirements of the
process industries.
The text book focuses on PCS engineering basics that are common
to different domains of the process industries. It relates to an
experimental research plant which serves for the exploration
of the interaction between process modularization and process
automation methods. This permits to capture features of highly
specialized and integrated mono-product plants as well as
application areas which are dominated by locally standardized
general-purpose apparatus and multi-product schemes. While
the text book’s theory is applicable for all PCS of different
suppliers, the examples refer to Siemens’ control system PCS 7.
Focusing on a single PCS enables readers to use the book in basic
lectures on PCS engineering as well as in computer lab courses,
allowing students to gain hands-on experience.
Editor: L. Urbas
1 st edition 2012, 204 pages, content in English * , hardcover
*
German language version coming soon
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1 st edition 2012 (ISBN: 978-3-8356-3198-4)
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PAPCSE2012

HAUPTBEITRAG | AUTOMATION 2013
Automatische Fehlerdiagnose
SPS-gesteuerter Anlagen
Von der Beobachtung zu den Fehlerkandidaten
Fehlerdiagnose wird in Anlagen mit speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) eingesetzt,
um fehlerhafte Komponenten zu erkennen und zu lokalisieren. In diesem Beitrag
wird ein modellbasiertes Diagnoseverfahren vorgestellt, das besonders für große industrielle
Anlagen geeignet ist. Die Modellerstellung erfolgt automatisch und erfordert neben
dem im laufenden Betrieb beobachteten Anlagenverhalten kein Expertenwissen. Das Fehlerdiagnoseverfahren
wird am Beispiel eines Fertigungssystems mit 390 SPS-Eingängen
und SPS-Ausgängen (E/A-Signale) verdeutlicht.
SCHLAGWÖRTER Fehlererkennung und -lokalisierung / Automatische Modellidentifikation /
SPS-gesteuerte Anlagen
Automatic fault diagnosis of PLC controlled plants –
From observations to a fault short-list
Fault diagnosis is applied to plants with programmable logic controllers (PLC) in order to
detect and isolate faulty components. A model based fault diagnosis approach is presented
for large industrial systems. The model is obtained automatically while no expert knowledge
is required besides the observed system behaviour. The presented fault diagnosis
approach is applied to an industrial manufacturing system with 390 controller inputs and
outputs.
KEYWORDS fault detection and isolation / automatic model identification / PLC controlled
plants
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STEFAN SCHNEIDER, LOTHAR LITZ, TU Kaiserslautern
Die Fehlerdiagnose von industriellen Anlagen
findet in der Theorie und in der Praxis große
Beachtung. Ziel der Fehlerdiagnose ist es, die
Anlagenverfügbarkeit zu erhöhen, indem die
Zeit zur Lokalisation eines Fehlers verkürzt
wird. Die daraus resultierenden Einsparungen ergeben
einen hohen wirtschaftlichen Nutzen bei gleichzeitig
nur geringen Zusatzinvestitionen.
Die Fehlerdiagnose von Fertigungsanlagen mit speicherprogrammierbaren
Steuerungen (SPS) bringt zahlreiche
Herausforderungen mit sich: Die Anzahl der SPS-
Eingänge und SPS-Ausgänge (E/A-Signale) ist üblicherweise
sehr hoch (>100) und geht mit komplexen Fertigungsabläufen
einher. Anlagen sind oftmals individuell
geplant und ihre Dokumentation ist nicht unbedingt
vollständig beziehungsweise auf dem aktuellen Stand.
Über mögliche Fehlerfälle sind keine Information abrufbar
und Eingriffe in den laufenden Fertigungsbetrieb
zum Zweck der Diagnose sind unerwünscht.
Die Ansätze aus der Literatur zum Thema Fehlerdiagnose
lassen sich in die Kategorien wissensbasierte, signalbasierte
und modellbasierte Verfahren einordnen. Es
zeigt sich, dass sich zur Fehlerdiagnose von SPS-gesteuerten
Fertigungsanlagen vor allem modellbasierte Methoden
eignen. Sie bieten die Möglichkeit, das Verhalten
der betrachteten Systeme in einem Modell abzubilden
und sinnvoll für Fehlerdiagnosezwecke einzusetzen.
In [1] ist eine Übersicht von Diagnoseverfahren für die
betrachtete Problemstellung gegeben. In [2] wird ein modellbasiertes
Verfahren auf der Basis eines Diagnosers vorgestellt.
Dort wird gezeigt, wie ein manuell erstellter Automat,
der das fehlerfreie und fehlerhafte Verhalten der Anlage
abbildet, sich verwenden lässt, um das beobachtete
Anlagenverhalten zu erklären. Anhand der im Modell
hinterlegten Fehlerinformation können alle modellierten
Fehler, die auftreten, erkannt und lokalisiert werden. In [3]
wurde dieses Verfahren mit zwei weiteren, modellbasierten
Fehlerdiagnoseverfahren verglichen. Betont wird, dass das
Modell den entscheidenden Faktor bei modellbasierter Fehlerdiagnose
darstellt und eine automatische Modellierung
für praktische Anwendungen vorteilhaft ist. Ein anderer
Ansatz, der in [4] veröffentlicht ist, beschäftigt sich mit der
Verwendung von Petri-Netzen als Anlagenmodelle, wobei
der Fokus auf einer verteilten Modellierung liegt.
Die Diagnoseverfahren in der Literatur eignen sich für
den praktischen Einsatz an speziell SPS-gesteuerten Fertigungsanlagen
nur bedingt, da Modelle manuell erstellt
werden müssen, kaum verfügbare Information benötigt,
Zeiten nicht modelliert oder Nebenläufigkeiten außer Acht
gelassen werden. In diesem Beitrag wird ein neuartiges
Fehlerdiagnoseverfahren vorgestellt, das diesen Herausforderungen
gerecht wird. Das Verfahren basiert auf einem
automatisch gewonnenen Modell der Fertigungsanlage,
welches in der Lage ist, das akzeptierte Anlagenverhalten
wiederzugeben. Ein Fertigungszyklus wird als akzeptiert
bezeichnet, wenn das darin gefertigte Produkt den vorgegebenen
Qualitätsanforderungen genügt. Auf Basis des
Modells des akzeptierten Anlagenverhaltens werden Fehler
online im Fertigungsbetrieb erkannt und anschließend
anhand ermittelter Fehlerkandidaten lokalisiert. Die Modellerstellung,
Fehlererkennung und Fehlerdiagnose erfolgen
automatisch; Expertenwissen wird nicht benötigt.
1. ANLAGEN ALS EREIGNISDISKRETE SYSTEME
Die betrachteten Fertigungsanlagen bestehen aus einer
SPS und einer Anlage nach Bild 1. In der Anlage werden
die relevanten Prozessgrößen über Sensoren als binäre
Werte erfasst und der Steuerung über die SPS-Eingangssignale
zur Verfügung gestellt. Die SPS berechnet auf
Basis des Steuerungsprogramms und den aktuellen Sensormessungen
die diskreten Stellgrößen und führt diese
über die SPS-Ausgangssignale den Aktuatoren der Anlage
zu. Typische Vertreter von Sensoren in Anlagen sind
Kontaktschalter, Reed-Kontakte und Füllstandsensoren.
Typische Vertreter von Aktuatoren sind Relais, pneumatische
und hydraulische Ventile. Die E/A-Signale der SPS
haben in dieser Arbeit einen binären Wertebereich, nehmen
also entweder den Wert 0 oder 1 an.
Der geschlossene Kreis aus SPS und Anlage, wie in
Bild 1 gezeigt, stellt ein ereignisdiskretes System dar. Es
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55

HAUPTBEITRAG | AUTOMATION 2013
56
erzeugt diskrete Ereignisse, die zu bestimmten asynchronen
Zeitpunkten auftreten und das Verhalten des industriellen
Fertigungssystems charakterisieren. Jedes in der
Fertigungsanlage aufgetretene Ereignis (zum Beispiel das
Starten eines Fließbandes) äußert sich in der Werteänderung
eines oder mehrerer E/A-Signale. Für einen Produktionszyklus
bestehend aus einer Sequenz von Ereignissen
ergibt sich eine Sequenz unterschiedlicher E/A-Belegungen.
Die logische Reihenfolge und die Auftrittszeitpunkte der
Ereignisse werden durch die Systemdynamik bestimmt,
welche a priori unbekannt ist. Das ereignisdiskrete System
wird daher zu Beginn als Blackbox betrachtet.
2. ANWENDUNGSBEISPIEL
1)
Als Anwendung wird ein industrieller Längsschneider
für Vliesstoffe betrachtet. Die Aufgabe des Längsschneiders
ist es, das produzierte Vlies auf die vom Kunden
gewünschten Längen- und Breitenmaße zuzuschneiden.
Dieser Arbeitsschritt erfolgt zum Ende des gesamten Herstellungsprozesses.
2)
Der Längsschneider arbeitet zyklisch im 24-Stunden-
Betrieb und wird von insgesamt vier mit Ethernet-Kommunikationsmodulen
ausgestatteten Simatic-S7-SPS
gesteuert. Die vier SPS sind über insgesamt 390 E/A-Signale
mit der Anlage verbunden, um die Sensorsignale
zu erfassen und die Aktuatorsignale auszugeben.
In Bild 2 ist der Warenlauf des Vliesstoffes im Längsschneider
dargestellt. Von einer Masterrolle wird der
Vliesstoff abgewickelt und über mehrere Transportwalzen
1)
durch die Schneidevorrichtung geführt. Anschließend
3)
wird das in Längsrichtung zugeschnittene Material bis zu
einer gewünschten Länge auf eine vorbereitete Hülse zur
Produktrolle aufgewickelt, versandfertig verpackt und
von der Vorrichtung entfernt. Bereits während des Verpackens
wird eine neue Hülse dem Aufwickler 2) zugeführt
und der Prozess beginnt von Neuem. Der gesamte Schneide-
und Wickelvorgang ist vollständig automatisiert.
Im Beitrag werden zur besseren Übersicht die Ergebnisse
für einen Teil des Längsschneiders mit 56 E/A-Signalen
präsentiert. In den folgenden Abschnitten werden
anhand dieses Anlagenteils die Vorgehensweise sowie
die praktischen Ergebnisse der Modellierung 4) 8) und Fehlerdiagnose
beispielhaft erläutert.
3)
3. DATENERFASSUNG
5)
Für die automatische Modellierung und Online-Fehlerdiagnose
einer industriellen Fertigungsanlage ist es entscheidend,
das System zu beobachten. Dazu wird das
Verhalten der Anlage in jedem SPS-Zyklus über die Belegung
der Steuerungsein- und Steuerungsausgänge erfasst.
Diese Daten werden im laufenden Fertigungsbetrieb
an einen PC übermittelt, wo sie aufgezeichnet und
weiterverarbeitet werden. Die Beobachtung der Fertigungsanlage
erfolgt passiv, das heißt, es findet kein Eingriff
in den Fertigungsprozess statt. 4) 8)
In Bild 3 ist das Prinzip der Datenverbindung von SPS
zu PC dargestellt. Im ersten Abschnitt des SPS-Zyklus
werden die Steuerungseingänge der SPS eingelesen und
dem Steuerungsprogramm zur Verfügung gestellt. Anschließend
erfolgt die Ausführung des Programms und
5)
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die Berechnung der Stellsignale. Im Abschnitt Datenübermittlung
wird ausgewertet, ob ein neues Ereignis aufgetreten
ist, das heißt, ob sich die aktuelle Wertebelegung
der E/A-Signale in Bezug auf den vergangenen SPS-Zyklus
geändert haben. Ist dies der Fall, werden die neuen Werte
und der Ereigniszeitpunkt, in Form eines Zeitstempels,
über eine Ethernet-Verbindung an den PC übermittelt und
zum Zweck der Modellierung aufgezeichnet beziehungsweise
zur Fehlerdiagnose verwendet. Der SPS-Zyklus
wird mit dem Setzen der Steuerungsausgänge beendet
und anschließend erneut ausgeführt.
Der Aufbau der Daten, die von der SPS übermittelt
werden, ist anhand einer Beispielsequenz dreier E/A-
Signale in Bild 4 dargestellt. Der Ereignisvektor
u( j) =
ea 1 ( j)
ea 2 ( j)
...
(1)
entspricht den Werten der Steuerungsein- und Steuerungsausgänge
der SPS im j-ten Ereignisschritt. Er enthält
die Wertebelegung aller E/A-Signale zu diesem Ereignisschritt.
Der u( zugehörige j) Auftrittszeitpunkt des j-ten Ereig-
u t ( j) = t( j)
nisses wird als Zeitattribut t( j) bezeichnet. Hierbei handelt
es sich um eine fortlaufende Zeit, die angibt, wann
der Ereignisvektor beobachtet wurde. Die Anzahl der
Elemente im Ereignisvektor u( j) entspricht der Anzahl
der
part
E/A-Signale
i ⊆ E/A
des zugrundeliegenden Fertigungssystems.
Bei großen Fertigungsanlagen mit bis zu mehreren
hundert E/A-Signalen enthält der Ereignisvektor demnach
bis zu mehrere hundert Elemente. Im Folgenden gilt,
dass die Vektoren von aufeinanderfolgenden Ereignissen
ea
sich im Wert 1 ( j)
A Bvon Dmindestens C einem E/A unterscheiden
u( σ j)
1 = = ea 2 ,( j)
und die , , ,
31 Werte 41 der 165zugehörigen 193 Zeitattribute monoton
steigend sind. Der Ereignisvektor u( j) und das zugehörige
σZeitattribut 2 = , , , , und
A C B D E
310 364 t( 374 j) werden
486 512
zusammengefasst zum
zeitattributierten Ereignisvektor
A B D F A
σ 3 = , , , ,
u 664u( j) 679 810 969 984
t ( j) = t( j) (2)
...
Aufgrund der Systemdynamik und äußeren Einflüssen,
die auf das gesteuerte Fertigungssystem einwirken,
ergeben sich für einen Produktionsprozess viele unterschiedliche
part i ⊆ E/AEreignissequenzen σ h . Diese Daten sind für
die automatische 1 Modellierung während der zeitlich
u = 1
begrenzten Beobachtungsphase zu erfassen. Die beobachteten
akzeptierten Ereignissequenzen werden als
1
∑ = {σ 1 , σ 2 , ...} bezeichnet, mit der h-ten Ereignissequenz
σ A B D C
h σ= 1 = (u t,h (1),, u , , ,
31 41 t,h (2), ...).
165 193
Im Anwendungsbeispiel 1
des 1 Längsschneiders ist die
Datenverbindung λ (x 2 ) = A 0 CundB
λ (xD
3 ) = E1
σ 2 = , ,
zwischen
, ,
SPS
und
und PC auf Basis des
UDP-Protokolls 310 0 364realisiert. 374 486 Für 512 0 die folgende automatische
Modellierung A Bwurden D 200 F akzeptierte A Fertigungszyklen
aufgezeichnet.
σ 3 = , , , ,
664 679 810 969 984
4. MODELLIERUNG
Zur Inbetriebnahme eines modellbasierten Diagnoseverfahrens
1ist es zunächst erforderlich, ein geeignetes Modell
u = des 1zugrundeliegenden ereignisdiskreten Systems
zu erstellen. 1 Dafür werden im Folgenden die beiden
neuen Verfahren zur Partitionierung und Identifikation
entwickelt, die eine automatische Ermittlung des Modells
auf Basis der beobachteten akzeptierten Ereignissequenzen
ermöglichen. Die automatisierten Verfahren
1
1
λ (x 2 ) = 0 und λ (x 3 ) = 1
0
0

BILD 1: SPS-gesteuerte Anlage als
ereignisdiskretes System
BILD 2: Warenlauf im Längsschneider
BILD 3:
Datenverbindung
von SPS zu PC
BILD 4: Beispielsequenz von
Ereignisvektoren mit Zeitattributen
BILD 5: Modellierung eines
ereignisdiskreten Systems
treten anstelle einer manuellen Modellierung, die für
praktische Anwendungen in der Regel zu zeit- und kostenintensiv
ist.
Erfahrungsgemäß gibt es in automatisierten industriellen
Anlagen mehrere miteinander verkoppelte Teilanlagen,
auf denen Teilprozesse ablaufen. Diese können
nebenläufig sein und auch bis zu einem gewissen Grad
unabhängig voneinander laufen. Nebenläufige Teilprozesse
führen im Allgemeinen dazu, dass sich der Gesamtprozess
in einer akzeptablen Zeit nicht vollständig
beobachtet lässt. Die Ursache liegt in dem vielfältigen
Verhalten, das nebenläufige Teilprozesse hervorbringen
können. Mit dem Ansatz der verteilten Modellierung
wird die Bestimmung eines vollständigen Modells schon
nach vergleichsweise kurzer Beobachtungszeit ermöglicht,
da jedes Teilmodell einen sequenziell ablaufenden
Prozessteil abbildet. Dies führt in der Regel zu einem
vereinfachten Modell, mit dem nur sehr wenige Fehlalarme
bei der Fehlerdiagnose zu erwarten sind.
Der Ablauf der verteilten Modellierung ist in Bild 5
aufgezeigt. Im ersten Schritt wird eine automatische Partitionierung
aller E/A-Signale in Partitionen PART =
{part 1 , part 2 , ...} vorgenommen. Es geht darum, eine verteilte
Modellstruktur zu ermitteln, sodass jedes Teilmodell
einen nebenläufigen Teilprozess repräsentiert. Liegen
keine nebenläufigen Teilprozesse vor, wird mit einer
einzelnen, der monolithischen Partition (alle E/A-Signale
in einer Partition) weitergearbeitet.
Im Anschluss erfolgt die automatische Identifikation
auf Basis der zuvor ermittelten Partitionen. Ziel ist die
Bestimmung der zeitbehafteten Automaten zur Modellierung
sowohl des logisch sequenziellen als auch des
zeitlichen Verhaltens jedes Teilprozesses. Das Ergebnis
der Modellierung bildet das identifizierte, verteilte Automatenmodell
AUT = {aut 1 , aut 2 , ...} für die gesamte
Fertigungsanlage. Zur Partitionierung und Identifikation
wird kein Expertenwissen verlangt; eine kostenintensive
manuelle Modellierung ist nicht nötig.
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HAUPTBEITRAG | AUTOMATION 2013
4.1 Partitionierung
Ausgehend von allen E/A-Signalen und dem akzeptierten
Anlagenverhalten werden bei der Partitionierung
eine Menge an Partitionen PART = {part 1 , part 1 , ...} bestimmt,
wobei part i ⊆ E/A gilt, das heißt, jede Partition
ist eine Teilmenge aller E/A-Signale. Es ist möglich, dass
E/A-Signale in mehr als einer Partition vertreten sind,
was auf eine Verkopplung der Teilprozesse zurückzuführen
ist. Das Verfahren ermittelt die Partitionierung
PART so, dass auf Basis der verfügbaren Daten jedes
resultierende Teilmodell mit hoher Wahrscheinlichkeit
vollständig beobachtet wird und die Anzahl der Teilmodelle
klein bleibt. Ob ein Teilmodell vollständig beobachtet
ist, wird anhand der Entwicklung des Verhaltens
einer Partition part i bestimmt. Konvergiert der Verhaltensumfang
|V parti | über den Beobachtungshorizont, so
ist davon auszugehen, dass das Modell vollständig beobachtet
ist.
In [9] wurde die Problemstellung der Partitionierung
im Rahmen einer Optimierung gelöst. Mittels eines heuristischen
Optimierungsverfahrens werden solche Partitionierungen
ermittelt, die eine hohe Verhaltenskonvergenz
aufweisen und somit vollständig identifizierbar
sind. Die Heuristik ermöglicht die zielgerichtete Suche
möglicher Lösungen und reduziert dadurch den Rechenaufwand
signifikant gegenüber einer vollständigen
Durchsuchung des Lösungsraumes.
4.2 Partitionierung im Anwendungsbeispiel
Die Partitionierung des betrachteten Anwendungsbeispiels
mit 56 E/A-Signalen erfolgte automatisch unter
Verwendung des obigen Verfahrens. Das Ergebnis: die
Partitionierung PART = {part 1 , part 2 , part 3 }, wobei in
part 1 20 E/A-Signale, in part 2 26 E/A-Signale und in part 3
26 E/A-Signale enthalten sind. Das Resultat zeigt, dass
bestimmte E/A-Signale aufgrund der Verkopplung von
Teilprozessen mehreren Partitionen zugewiesen 1) worden
sind und somit im Verhalten von mehr als einem Teilautomat
eine Rolle spielen werden.
In Bild 6 ist der Umfang des Verhaltens |V mon| der monolithischen
Partition auf Basis von 200 beobachteten,
akzeptierten Fertigungszyklen dargestellt. Die
2)
beobachteten
Fertigungszyklen stammen aus der laufenden Produktion
über fünf Tage und sind repräsentativ für das
Gesamtverhalten der Anlage. Bild 7 zeigt die Entwicklung
des Verhaltensumfangs |V part2 | für die verteilte Partition
part 2 . Das Verhalten einer Partition bestimmt sich über
die unterschiedlichen Ereignisfolgen, die sich anhand der
berücksichtigten E/A-Signale und der beobachteten Daten
ergeben.
Die ermittelten Verhaltensentwicklungen ermöglichen
nun Rückschlüsse darauf, ob die resultierenden
3)
Modelle das Verhalten der Fertigungsanlage vollständig
wiedergeben können oder nicht. Das Ergebnis der
monolithischen Partition zeigt, dass zum 180. Fertigungszyklus
neues Verhalten auftritt. Es ist somit davon
auszugehen, dass mit hoher Wahrscheinlichkeit
diese Partition nach dem 200. Fertigungszyklus noch
nicht vollständig beobachtet wurde und zukünftig
noch weiteres akzeptiertes Verhalten auftreten wird.
Da zukünftiges Verhalten nicht modelliert ist, würde
es von der Fehlerdiagnose als fehlerhaftes Verhalten
interpretiert werden.
Für die verteilte Partition part 2 zeigt sich, dass für alle
betrachteten Längen von Ereignisfolgen schon nach wenigen
Fertigungszyklen kein neues Verhalten mehr hinzukommt.
Es ist zu erwarten, dass ein Modell basierend
auf der Partition part 2 mit hoher Wahrscheinlichkeit
vollständig beobachtet ist und somit kaum Fehlalarme
mit diesem Modell bei der Fehlerdiagnose zu erwarten
sind. Das Ergebnis der Partition part 2 ist auch repräsentativ
für alle anderen, nicht abgebildeten Partitionen.
Um störende Fehlalarme bei der Fehlerdiagnose zu
vermeiden, ist diejenige Partitionierung zu wählen, die
bei den gegebenen Beobachtungen die Fertigungsanlage
vollständig abzubilden vermag. Das Ergebnis zeigt, dass
dies im Anwendungsbeispiel nur mit dem verteilten Modell
möglich ist.
4.3 Identifikation
Bei der verteilten Modellierung der Fertigungsanlage
werden nach der Partitionierung alle Teilautomaten
aut i ∈ AUT des Gesamtmodells identifiziert. Zu diesem
Zweck wurde ein Identifikationsverfahren auf Basis der
formalen Sprachentheorie entwickelt, das sich besonders
für ereignisdiskrete Systeme eignet.
Im ersten Schritt wird die logisch sequenzielle Struktur
des Automaten ermittelt. Ausgehend von den erfassten
Daten werden die Zustände, Zustandsübergänge und
die Ausgaben der Zustände bestimmt, die notwendig
sind, um die beobachteten Folgen von Ereignisvektoren
wiederzugeben. Der resultierende logisch sequenziell
identifizierte Automat kann das logisch sequenzielle
Verhalten des Fertigungssystems simulieren.
Das zeitliche Verhalten des Automaten wird im zweiten
Schritt identifiziert. Auf Basis des zuvor logisch sequenziell
identifizierten Automaten und den beobachteten
Daten eawerden 1 ( j) die zulässigen Schaltzeiten der Zustandsübergänge
u( j) = ea 2 ( j) in Form von Intervallen ermittelt. Sie
beschränken das Schaltverhalten des Automaten so, dass
Zustandsübergänge nur zu Zeiten erlaubt sind, die innerhalb
der zulässigen Schaltintervalle liegen. Der vollständig
identifizierte Automat kann so neben dem beobachteten
logisch u( j)
u
sequenziellen Verhalten zusätzlich das
zeitliche t ( j) =
Verhalten
t( j)
der Fertigungsanlage abbilden.
Eine detaillierte Beschreibung der Verfahren zur logisch
sequenziellen und zeitlichen Identifikation haben
die Autoren in [5] und [7] veröffentlicht. Das Verfahren
zur part Modellidentifikation soll anhand des folgenden Beispiels
veranschaulicht werden:
i ⊆ E/A
Gegeben seien die folgenden beobachteten Ereignissequenzen
∑ = {σ 1 , σ 2 , σ 3 } mit
...
A B D C
σ 1 = , , , ,
31 41 165 193
σ 2 =
A
310
C B D
, , , ,
364 374 486
E
512
A B D F A
σ 3 = , , , ,
664 679 810 969 984
und
(3)
Jeder Buchstabe A, B, C, D, E, F repräsentiert einen
unterschiedlichen Ereignisvektor u( j), dessen Zusam-
58
atp edition
7-8 / 2013
4) 8)
u =
1
1
1

mensetzung aus Nullen und Einsen hier nicht interessiert.
Diese Form der Darstellung wurde lediglich zur
besseren Übersicht eingeführt.
Der resultierende identifizierte Automat ist in Bild 8
dargestellt. Jeder Zustand enthält eine eindeutige Bezeichnung
x i und eine zugehörige Zustandsausgabe λ (x i ),
die im Bild hervorgehoben ist. Die Zustandsausgaben
entsprechen den beobachteten Ereignisvektoren und dienen
dazu, das logisch sequenzielle Verhalten der Fertigungsanlage
wiederzugeben. An den Transitionen befinden
sich die zulässigen Schaltintervalle, die das zeitliche
Verhalten der Anlage modellieren.
Mit diesem identifizierten Automaten nach Bild 8 ist
es nun möglich, alle beobachteten Ereignissequenzen
∑ = {σ 1 , σ 2 , σ 3 } zu reproduzieren und somit das logisch
sequenzielle und das zeitliche Verhalten des zugrundeliegenden
Fertigungssystems zu simulieren.
4.4 Identifikation im Anwendungsbeispiel
Basierend auf der Partitionierung PART = {part 1 , part 2 ,
part 3 } und den beobachteten 200 akzeptierten Fertigungszyklen
wurde das verteilte Automatenmodell
AUT = {aut 1 , aut 2 , aut 3 } für das Anwendungsbeispiel
identifiziert. Ein Ausschnitt des identifizierten Teilautomaten
aut 2 zeigt Bild 9. Der Übersichtlichkeit wegen
sind die Zustandsausgaben nicht dargestellt.
5. FEHLERDIAGNOSE
Das identifizierte Modell der Fertigungsanlage wird nun
zum Zweck der Fehlerdiagnose eingesetzt. Bild 10 veranschaulicht
die Struktur der modellbasierten Fehlererkennung
und -lokalisierung. Im laufenden Fertigungsbetrieb
wird online ein Vergleich des beobachteten Anlagenverhaltens
mit dem Modellverhalten vorgenommen. Falls das
beobachtete Verhalten vom modellierten Verhalten abweicht,
wird ein Fehler erkannt und anschließend lokalisiert.
Ziel der Fehlerdiagnose ist die Ermittlung von
Fehlerkandidaten anhand der beobachteten Fehlersymptomatik,
das heißt, die Erkennung von E/A-Signalen, die
im Zusammenhang mit dem aufgetretenen Fehler stehen.
Diese Kandidatenliste ermöglicht, eine defekte Komponente
innerhalb der Anlage schnell zu lokalisieren.
5.1 Fehlererkennung
Die Aufgabe der Fehlererkennung ist es, auf Basis des modellierten
und aktuell beobachteten Anlagenverhaltens
zu ermitteln, ob ein Fehler in der Anlage aufgetreten ist
oder nicht. Arbeitet die Anlage innerhalb des akzeptierten
Rahmens, kann das Modell das beobachtete Verhalten der
Fertigungsanlage reproduzieren was Fehlerfreiheit bedeutet.
Weicht das beobachtete Verhalten vom Modellverhalten
ab, wird dagegen auf einen Fehler geschlossen. Dabei
BILD 6: Verhalten der
monolithischen Partition
BILD 7: Verhalten der
verteilten Partition part 2
BILD 8: Identifizierter Beispielautomat
BILD 10: Modellbasierte Fehlererkennung
und -lokalisierung
BILD 9: Ausschnitt des Teilautomaten
aut 2 mit insgesamt 80 Zuständen
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59

HAUPTBEITRAG | AUTOMATION 2013
1)
1)
2)
2)
3)
3)
4)
4)
8)
8)
5)
5)
60
ea
ea 1 ( j)
1 j)
u(
u(
j)
j) = ea
ea 2 ( j)
2 j)
kann es sich um ein logisch sequenzielles, zeitliches oder
blockierendes Fehlverhalten der Anlage handeln.
Ein logisch A Bsequenzielles D C Fehlverhalten liegt vor, wenn
das σ 1 beobachtete = , , logisch ,
sequenzielle ,
31 41 165 193
Verhalten von dem
31 41 165 193
logisch sequenziellen Modellverhalten abweicht, das
A C B D E
heißt, σ 2 das Modell ist nicht in der Lage, den aufgetretenen
=
,
, , ,
und
und
310 364 374 486 512
Ereignisvektor 310 364u( j) 374 mittels 486 der 512 Zustandsausgaben λ (x) zu
reproduzieren. A BDie Erkennung D F Alogisch sequenzieller Fehler
wird σ 3 = ausführlich ,
, in [6] , diskutiert, ,
664 679 810 969 984
664 679 810 969 984 die Fehlerkriterien sind
dort angegeben. Das folgende Beispiel veranschaulicht 4) 8) die
Erkennung eines logisch sequenziellen Fehlverhaltens:
Gegeben sei das Modell nach Bild 11 mit der Annahme,
dass ausgehend vom Zustand x 1 der folgende neue Ereignisvektor
beobachtet wird:
1
u = 1
5)
1
.(4)
Ausgehend von x 1 existieren im Modell die beiden Folgezustände
x 2 und x 3 , deren Zustandsausgaben
1
1
λ
(x
(x 2 ) = 0
und
und
λ
(x
(x 3 ) = 1
(5)
0
0
das logisch sequenziell modellierte Verhalten repräsentieren.
Zur Erkennung von logisch sequenziellem Fehlverhalten
wird der neue Ereignisvektor u mit den Ausgaben
der Zustände x 2 und x 3 verglichen. Da in diesem
Beispiel sowohl u ≠ λ (x 2 ) und u ≠ λ (x 3 ) gilt, kann das Modell
die logisch sequenzielle Beobachtung nicht reproduzieren
und den Fehler nicht erkennen.
Ein zeitliches Fehlverhalten liegt vor, wenn der beobachtete
Ereignisvektor prinzipiell vom Modell wiedergegeben
werden kann, er allerdings zu früh oder zu spät bezogen
auf das zulässige Schaltintervall aufgetreten ist. Die Blockierung
(Deadlock) ist ein Spezialfall von zeitlichem Fehlerverhalten.
Eine Blockierung wird erkannt, wenn innerhalb
der maximal zulässigen Schaltzeit des Automaten
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... ...
u( j)
u u( j)
t t (
j)
j) = t( j)
t( j)
part
part i ⊆
i E/A
E/A
BILD 11:
Automatenmodell
zu den Beispielen
1)
2)
BILD 12: Aufbau der
Online-Fehlerdiagnose
3)
kein neuer Ereignisvektor beobachtet wurde. In diesem Fall
muss dann davon ausgegangen werden, dass die Anlage in
der Zukunft kein neues Verhalten mehr hervorbringen
kann und somit blockiert ist. Weiterführende Information
zur zeitlichen Fehlerdetektion sind in [8] zu finden.
5.2 Fehlerlokalisierung
ea
Im Anschluss
1 ( j)
u( j) = ea an die Fehlererkennung erfolgt die Fehlerlokalisierung.
Sie erzeugt mittels speziell für ereignisdiskre-
2 ( j)
te Systeme entwickelter Residuen automatisch eine Liste
von Fehlerkandidaten. Die Berechnung der Residuen erfolgt
unter Berücksichtigung des modellierten Verhaltens
und der Beobachtung,
u( j)
die zur Fehlererkennung führte.
uZur t ( j) Lokalisierung = t( j) von logisch sequenziellem Fehlverhalten
werden zwei Residuen berechnet. Das erste Residuum
beschreibt das unerwartete Verhalten Res u , das
zweite das ausgebliebene Verhalten Res a . Das unerwartete
Verhalten
part i ⊆ E/A
Res u ≠ B \ M(6)
...
entspricht dem Verhalten B, das beobachtet wurde, vermindert
um das Verhalten M, das modelliert ist. Berechnet wird
das Residuum durch Bildung der Differenzmenge B vermindert
σ 1 = (Symbol , \) um , M. , Bei dem , ausgebliebenen Verhalten
A B D C
31 41 165 193
Res a ≠ M \ B(7)
A C B D E
σ 2 = , , , , und
handelt 310 es sich 364um 374 das 486 Verhalten 512 M, das modelliert wurde,
vermindert A B um Ddas Verhalten F A B, das beobachtet wurde.
σ 3 Die = logisch
,
sequenziellen
, , ,
664 679 810 969 984Residuen werden ausführlich
in [6] diskutiert. Das folgende Beispiel erläutert exemplarisch
die Berechnung des Residuums zur Ermittlung
des unerwarteten Verhaltens:
Gegeben sei erneut das Modell nach Bild 11 und der
beobachtete Ereignisvektor
1
u = 1 ,(8)
1
der zur Erkennung eines logisch sequenziellen Fehlverhaltens
führte. Das Residuum für unerwartetes Verhalten
berechnet nun, ausgehend vom aktiven Modellzustand
1
1
x 1 , das beobachtete
λ (x 2 ) = 0 und
Verhalten,
λ (x 3 ) = 1
vermindert um das modellierte
Verhalten. 0 Das beobachtete 0 Verhalten
B = {ea 1 , ea 2 , ea 3 } (9)
entspricht hier der Änderung aller E/A-Signale, da ausgehend
von Zustand x 1 hin zur neuen Beobachtung aller
E/A-Signale ihren Wert von 0 auf 1 (als Symbol ) ändern.
Das modellierte Verhalten
M = {ea 1 , ea 2 } (10)
entspricht den Werteänderungen der E/A-Signale, die bei
den Zustandsübergängen von x 1 nach x 2 oder von x 1 nach
x 3 auftreten würden, hier also der Werteänderungen der
ersten beiden E/A-Signale. Als Fehlerkandidat ergibt sich
somit anhand des Ergebnisses für das Residuum
Res u = {ea 2 }(11)
das dritte E/A-Signal, da es unerwartet seinen Wert von
0 auf 1 geändert hat. Diese beobachtete Werteänderung
lässt sich durch das Modell nicht erklären.
Zur Lokalisierung von zeitlichem Fehlverhalten
und Blockierungen wurden weitere Residuen entwickelt.

Detaillierte Beschreibungen dieser Verfahren sind von
den Autoren dieses Beitrags in [8] veröffentlicht worden.
5.3 Online-Fehlerdiagnose im Anwendungsbeispiel
Die Fehlerdiagnose erfolgt online während der laufenden
Fertigung. Den implementierten Aufbau zeigt Bild
12. Nach Erkennung und Lokalisierung eines Fehlers
werden die ermittelten Fehlerkandidaten in einer Fehlerdatenbank
eingetragen. Von der Leitwarte aus kann
über einen Webserver auf die Datenbank zugegriffen
werden.
ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK
Ein neuartiger modellbasierter Ansatz zur Online-Fehlerdiagnose
von industriellen Fertigungsanlagen wurde
vorgestellt. Die Fehlererkennung und -lokalisierung ermittelt
anhand logisch sequenzieller und zeitlicher Fehlersymptome
eine Liste von Fehlerkandidaten, die eine
schnelle Lokalisierung von fehlerhaften Komponenten
in der Anlage ermöglicht. Das zur Diagnose erforderliche
Modell wird ohne Expertenwissen durch automatische
Partitionierung und Identifikation erstellt. Die Verwendung
einer verteilten Modellstruktur ermöglicht, geeignete
Modelle für Fertigungsanlagen mit nebenläufigem
Verhalten zu ermitteln. Die Verfahren zur automatischen
Modellierung und Fehlerdiagnose wurden erfolgreich
auf industriellen Fertigungsanlagen mit vielen E/A-Signalen
angewendet.
Zukünftige Arbeiten werden sich mit weiterführenden
Methoden zur Ermittlung optimaler Partitionierungen,
mit verkoppelten Partitionen und der Bestimmung quantitativer
Gütekriterien zur Bewertung verteilter Modelle
beschäftigen.
MANUSKRIPTEINGANG
27.03.2013
Im Peer-Review-Verfahren begutachtet
REFERENZEN
AUTOREN
[1] Zaytoon, J., Sayed-Mouchaweh, M.: Discussion on fault
Diagnosis methods of Discrete Event Systems. In:
Workshop of Discrete Event Systems (WODES’12), S.
9-12. Elsevier 2012
[2] Sampath, M., Sengupta, R., Lafortune, S., Sinnamohideen,
K., Teneketzis, D.: Diagnosability of Discrete
Event Systems. IEEE Transactions on Automatic
Control 40(9), S. 1555-1575, 1995
[3] Danancher, M., Roth, M.. Lesage, J.-J., Litz, L.: A
comparative study of three model-based FDI approaches
for Discrete Event Systems. In: 3rd Int. Workshop
on Dependable Control of Discrete Systems (DCDS'11),
S. 29-34. IEEE 2011
[4] Genc, S., Lafortune, S., van der Aalst, W., Best, E.
(Eds.): Distributed Diagnosis of Discrete-Event Systems
Using Petri Nets. In: Applications and Theory of Petri
Nets, S. 316-336, Springer 2003
[5] Roth, M., Schneider, S., Lesage, J.-J., Litz, L.: Fault
detection and isolation in manufacturing systems with
an identified discrete event model. Int. J. of Systems
Science 43(10), S. 1826-1841, 2012.
[6] Roth, M., Lesage, J.-J., Litz, L.: The concept of residuals
for fault localization in discrete event systems. Control
Engineering Practice 19(9), S. 978-988, 2011.
[7] Schneider, S., Litz, L., Lesage, J.-J.: Determination of
Timed Transitions in Identified Discrete-Event Models
for Fault Detection. In: Proc. 51th Conf. Decision and
Control (CDC’12), S. 5816-5821. IEEE 2012
[8] Schneider, S., Danancher, M., Litz, L.: Timed residuals
for fault detection and isolation in discrete event
systems. In: 3rd Int. Workshop on Dependable Control
of Discrete Systems (DCDS'11), S. 35-40. IEEE 2011
[9] Roth, M., Lesage, J.-J., Litz, L.: Black-box identification
of discrete event systems with optimal partitioning of
concurrent subsystems. In: 2010 American Control
Conference (ACC2010), S. 2601-2606. IEEE 2010
Dipl.-Ing. STEFAN
SCHNEIDER (geb. 1985) ist
wissenschaftlicher Mitarbeiter
am Lehrstuhl für
Automatisierungstechnik
der Technischen Universität
Kaiserslautern. Sein Forschungsschwerpunkt
liegt
im Bereich der Identifikation
und Fehlerdiagnose von industriellen Fertigungssystemen.
TU Kaiserslautern,
Lehrstuhl für Automatisierungstechnik,
Erwin-Schrödinger-Str. 12,
D-67653 Kaiserslautern,
Tel. +49 (0) 631 205 44 52,
E-Mail: sschneider@eit.uni-kl.de
Prof. Dr.-Ing. habil. LOTHAR
LITZ (geb. 1949) leitet den
Lehrstuhl für Automatisierungstechnik
und bekleidet
das Amt des Vizepräsidenten
der Technischen Universität
Kaiserslautern. Hauptarbeitsgebiete:
Process
Safety, Networked Control
Systems, Design and Analysis of Discrete Event
Systems, Ambient Assisted Living.
TU Kaiserslautern,
Lehrstuhl für Automatisierungstechnik,
Erwin-Schrödinger-Str. 12,
D-67653 Kaiserslautern
atp edition
7-8 / 2013
61

HAUPTBEITRAG | AUTOMATION 2013
Benutzungsschnittstellen
durchgängig entwerfen
Eine systematische Lösung für Fertigungssysteme
Obwohl Engineeringdaten bereits wesentliche Information, zum Beispiel zur Anlagentopologie,
enthalten, werden die Benutzungsschnittstellen zur Bedienung und Beobachtung
von Fertigungsanlagen im Wesentlichen zu einem späteren Zeitpunkt manuell neu entworfen
und implementiert. Der Beitrag beschreibt eine modellbasierte Methode zur automatisierten
Erzeugung von Benutzungsschnittstellen, die im Rahmen des Projektes Autoprobe
entwickelt wird. Autoprobe untersucht, ob direkte Transformationen zwischen
den Engineeringdaten und den Bedienoberflächen möglich und zielführend sind.
SCHLAGWÖRTER Modellbasiertes Vorgehen / Benutzungsschnittstellen / durchgängiger
Entwurf
Continuous HMI design –
A systematic solution for manufacturing systems
The available engineering data of manufacturing plants includes extensive information
about features such as the system topology. Nevertheless, user interfaces for operation and
monitoring are still primarily designed and implemented manually later in the design
process. A model-based approach is described for the automated generation of user interfaces
which are being developed within the Autoprobe project. The project examines
whether direct transformations between the engineering data and the user interfaces are
possible and effective.
KEYWORDS model-based methods / user interfaces / consistent design
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atp edition
7-8 / 2013

CHRISTOPHER MARTIN, ANNEROSE BRAUNE, TU Dresden
RALF-ERIK EBERT, MATTHIAS PLESSOW, GFaI e.V. Berlin
SVEN SEVERIN, OLIVER STERN, RIF e.V. Dortmund
Beim Entwurf von Benutzungsschnittstellen
(HMI/Human-Machine Interface) für Fertigungsanlagen
werden Daten aus dem Engineeringprozess
meist nicht direkt wiederverwendet.
Unterschiedliche Werkzeuge und proprietäre
Datenformate verhindern dabei eine durchgängige
Nutzung. So werden die Benutzungsschnittstellen zu
einem späteren Zeitpunkt im Entwurfsprozess im Allgemeinen
manuell neu entworfen und implementiert.
Systeme wie WinCC von Siemens [1] oder Intouch von
Wonderware [2] bieten zwar leistungsfähige Bibliotheken
und Werkzeuge für den Entwurf von Benutzungsschnittstellen,
erzwingen aber deren interaktiven, das
heißt manuellen, Entwurf, der dann auf bestimmte Plattformen
und Visualisierungsgeräte zugeschnittene Lösungen
erzeugt.
Der hohe Aufwand vergrößert sich, wenn unterschiedliche
Visualisierungsgeräte unterstützt werden sollen,
wie PCs, Tablets oder eingebettete Systeme, die sich
durch ihre Hard- und Software sowie durch ihre Bedienkonzepte
unterscheiden. Selbst wenn die verschiedenen
Visualisierungslösungen die gleiche Funktionalität beinhalten,
müssen oftmals alle Lösungen spezifisch für
ihre Plattform neu implementiert werden.
Um die Effizienz der HMI-Erstellung zu erhöhen,
werden bereits Ansätze verfolgt, die das Generieren
der Benutzungsschnittstelle aus der Kenntnis der Engineeringdaten
ermöglichen sollen. Das in [3] vorgeschlagene
Konzept geht davon aus, dass Anlagenkomponenten
ihre Visualisierungselemente mitbringen
und diese nur noch zu integrieren und zu konfigurieren
sind. In [4] werden Ansätze zur automatisierten
Projektierung von Visualisierungen fertigungstechnischer
Anlagen unter Nutzung von AutomationML als
Zwischenformat vorgestellt. Die Informationsauswertung
basiert dort auf kompakten internen Modellen zur
Datenfusion sowie zur Bilderzeugung und ist somit
nur bedingt nachnutzbar.
Im Unterschied dazu stellt dieser Beitrag eine allgemeingültige,
modellbasierte Vorgehensweise vor, die
Teilinformation aus Engineeringdaten auswertet und
daraus die jeweils relevante Information zur Bildung von
Benutzungsschnittstellen in formalisierten Abbildungsvorschriften
notiert. Da sich mit dieser Vorgehensweise
bereits zu einem frühen Zeitpunkt im Entwurfsprozess
automatisiert oder teilautomatisiert eine Benutzungsschnittstelle
entwerfen lässt, ist diese bereits für eine
virtuelle Inbetriebnahme nutzbar.
Dazu wird im Forschungsvorhaben Autoprobe (Automatisierte
Projektierung von Bedien- und Beobachtungslösungen
für Produktionsanlagen) untersucht,
welche Engineeringdaten für den Entwurf von Benutzungsschnittstellen
relevant sind und daher in einem
Anlagenmodell formalisiert werden sollten. Im Folgenden
werden allgemeine Abbildungen zwischen dem
Anlagenmodell und der Benutzungsschnittstelle definiert.
Dieser Ansatz wird anhand eines Demonstrators
verifiziert.
1. MODELLBASIERTE VORGEHENSWEISE
Für eine projektierte Anlage soll eine passende Visualisierung
erzeugt werden. Da die Visualisierung in einer
Simulationsumgebung und auf verschiedenen Zielplattformen
zur Betriebszeit lauffähig sein muss, ist das zugehörige
Visualisierungsmodell zwingend plattformunabhängig
zu entwerfen.
Lösungsmethoden dazu bietet die modellgetriebene
Softwareentwicklung (Model Driven Software Development,
MDSD) an. Kerngedanke der MDSD ist die Trennung
der fachlichen Inhalte von der technischen Realisierung
[5]. Unterschiedlich abstrakte Modelle werden
durch Modelltransformationen in jeweils konkretere
Modelle überführt. Wenn die jeweiligen Quell- und
Zielmodelle allgemeinen Bildungsvorschriften genügen,
können die Modellelemente durch eine Modell-zu-
Modell-Transformation aufeinander abgebildet werden.
So kann unter anderem in einer solchen Transformationsvorschrift
festgelegt werden, dass ein Element Motor
Typ A von Hersteller Y immer auf das passende
Visualisierungselement Motor Typ A abzubilden ist.
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7-8 / 2013
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HAUPTBEITRAG | AUTOMATION 2013
Das so entstandene Visualisierungsmodell lässt sich
dann durch einen Codegenerator in Quellcode für eine
spezifische Zielplattform umwandeln. Notwendige Änderungen
werden nur in den plattformunabhängigen
Modellen vorgenommen, da die jeweiligen Zielmodelle
beziehungsweise der Zielcode automatisiert wieder erzeugt
werden können. Für den Modellaustausch und
als technische Basis für Modelltransformationen wird
die XML-Technologie benutzt, um eine von der konkreten
Implementierungstechnologie unabhängige Beschreibung
zu ermöglichen.
Im beschriebenen Fall wird diejenige Information aus
den Engineeringdaten in Form eines Anlagenmodells
extrahiert, die die Strukturierung und Gestaltung der
Benutzungsschnittstelle beeinflusst. Zunächst wird die
Grundstruktur der Benutzungsschnittstelle als Hierarchie
einzelner Bedienbilder und deren Navigation untereinander
festgelegt. In Bild 1 wird das Ergebnis als
Strukturmodell der Visualisierung bezeichnet. In einem
nachfolgenden Schritt werden die Bedienbilder konfiguriert,
indem grafische oder textuelle Visualisierungselemente
ausgewählt, auf dem Bedienbild platziert und mit
Prozessdaten verknüpft werden. Wegen der geforderten
Plattformunabhängigkeit beschreibt dieses Visualisierungsmodell
noch keine Implementierungstechnologie.
Die lauffähige Lösung wird erst durch eine nachfolgende
Codegenerierung erzeugt.
2. VISUALISIERUNGEN DER FERTIGUNGSINDUSTRIE
Die Projektierung der Benutzungsschnittstelle für eine
Fertigungsanlage wird heute zum größten Teil händisch
durchgeführt. Aufgrund seines Wissens über die Produktionsanlage
und über den Fertigungsprozess entwirft
und konfiguriert ein Projektierer Visualisierungslösungen
entsprechend der Erwartungen künftiger Nutzer
oder aufgrund von Konventionen der Anwendungsbranche.
Obwohl multimodale Bedienkonzepte zunehmend
für Benutzungsschnittstellen in der Automatisierung
interessant sind, werden überwiegend grafische Oberflächen
genutzt. Deshalb liegt es nahe, Konzepte aus diesem
Umfeld zu betrachten.
Die Vielfalt der darzustellenden Information führt
dazu, dass eine Benutzungsschnittstelle aus mehreren
Einzelbildern besteht. Durch die vorgegebene Anlagenstruktur
entsteht meist eine natürliche Navigationshierarchie
als Baumstruktur für die Einzelbilder, in der
interaktiv navigiert werden kann. Ausgehend von Übersichtsbildern
steigt der Detailgrad mit zunehmender
Tiefe im Navigationsbaum. Je nach Kontext enthalten
Einzelbilder wechselnde Sichten auf einzelne Fertigungsstationen
oder Prozesse, Meldungen oder Benutzerinteraktionsprotokolle.
Die Darstellungen reichen dabei von einer realitätsnahen
oder schematisierten grafischen Darstellung der Anlage
(Bild 2) bis zu eher minimalistischen alphanumerischen
Oberflächen, in denen beispielsweise ausgewählte Steuerungsfunktionen
zur Verfügung gestellt werden (Bild 3).
Die Einzelbilder bestehen aus Grundelementen (vergleiche
Bild 4) mit Repräsentationseigenschaften, unter
anderem zu Größe oder Position auf dem Bildschirm.
Verwendet werden dabei typische Elemente allgemeiner
Bedienoberflächen wie Buttons, Checkboxen oder Eingabefelder
ebenso wie einfache und komplexe, zusammengesetzte
Grafiken, wie etwa ein Transportband, auf
welchem sich Werkstücke bewegen. Komplexe Elemente
werden aus mehreren Einzelkomponenten zusammengesetzt
und repräsentieren etwa ganze Anlagen
oder Teilanlagen. Diesen mehr oder weniger komplexen
Grundelementen lassen sich Prozessdaten zuordnen,
deren aktuelle Werte durch Animationen verdeutlicht
werden. Beispiele sind die Änderung der Größe, der
Farbe oder der Bildschirmposition. Die Grundelemente
können darüber hinaus über Interaktionseigenschaften
verfügen, die einem Benutzer, zum Beispiel per Mausklick
oder Tastatureingabe, die Möglichkeit zur Interaktion
geben.
Das Design der einzelnen Bedienbilder sowie der Navigation
für eine bestimmte Anlage ist immer abhängig
von den Visualisierungsstrategien des Herstellers und
des Anwenders. Ein Beispiel für die mögliche Aufteilung
eines Einzelbildes in Funktionsbereiche zeigt:
Navigationsbereich (mit Navigationsbuttons)
Informationsbereich (Statusmeldungen)
Bereich für die verschiedenen Sichten
zum Beispiel in den Varianten:
Prozess- und Anlagendarstellung
(Übersichten, Details)
Meldungen und Alarme
Der wesentliche Anteil des Einzelbildes besteht aus den
unterschiedlich detaillierten Sichten auf Prozesse und
Anlagen.
3. DAS ANLAGENMODELL
Als Ausgangspunkt für die Erzeugung der Visualisierung
wird ein Modell benötigt, das die Information aus
den Engineeringdaten enthält, die für die resultierende
Visualisierung relevant ist. Im Regelfall setzen sich die
Engineeringdaten aus den Datenbasen der benutzten
Engineeringwerkzeuge sowie dem Know-how der verantwortlichen
Ingenieure zusammen. Die Engineeringdaten
liegen somit weder explizit noch konsistent vor
[6]. Um dennoch diese Daten für die Werkzeugkette
nutzen zu können, ist es unabdingbar, diese in einem
generalisierten Anlagenmodell zu integrieren. So kann
beispielsweise geometrische Information über Aussehen,
Größe und Lage aller Bauteile und die daraus zusammengesetzten
Baugruppen und Stationen aus den
CAD-Daten entnommen werden. Die hierarchische Anordnung
einzelner Stationen zueinander erfordert – im
Gegensatz zum internen Aufbau einer Station – zusätzliche
Engineeringdaten aus weiteren Quellen, wobei
sich insbesondere Product-Lifecycle-Management
(PLM)- und Simulationswerkzeuge anbieten. Dort wird
zusätzliche Information hinterlegt, wie die Spezifikation
der Kommunikation innerhalb des Prozessleitsystems.
Es werden beispielsweise Prozesssignale benannt,
64
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BILD 1: Anwendung der modellgetriebenen
Softwareentwicklung
BILD 4: Klassifikation dynamischer Visualisierungselemente
in Bezug auf ihre grafische Komplexität
BILD 2: Anlagenübersicht (mit freundlicher
Genehmigung von Tectrion GmbH, 2013)
BILD 5: Illustration der Elemente des
HMI einer Fertigungsanlage in Form eines
abstrakten Bedienpanels
BILD 3: SPS-Informationen (mit freundlicher
Genehmigung von Tectrion GmbH, 2013)
BILD 6: Anlagenmetamodell
(vereinfachte Darstellung)
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7-8 / 2013
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HAUPTBEITRAG | AUTOMATION 2013
die auf dem jeweiligen Einzelbild darzustellen sind,
ebenso wie Funktionen, die aufgrund eines Benutzerbefehls
ausgeführt werden sollen.
Insgesamt kann das Anlagenmodell Information aus
folgenden Bereichen enthalten (siehe Bild 6):
Stationen, Baugruppen, Bauteile einschließlich
ihrer Hierarchie und Geometrie,
eventuell vorhandene Transportsysteme
einschließlich deren Verbindung mit Stationen,
Prozessleitsystem (Steuerungsschnittstelle
beschrieben durch die Kommunikationskanäle
der Netzwerke sowie die Funktionen und Parameter
der Sensorik und Aktorik.
4. ERZEUGEN VON VISUALISIERUNGSMODELLEN
Das Strukturmodell beschreibt die Aufteilung der Visualisierungslösung
in Einzelbilder, gegebenenfalls in
Sichten, sowie deren Navigationshierarchie (vergleiche
Abschnitt 2).
Ein wertvolles Kriterium für die Gliederung in Einzelbilder
bietet die Anlagenhierarchie (siehe Bild 6),
indem jeder Station und all ihren Teilen Einzelbilder
zugeordnet werden. Damit ergeben sich die naheliegenden
Hierarchieebenen: Anlage, Station, Baugruppe und
Komponenten. Bei einer automatisierten Generierung
der Visualisierung aus dem Anlagenmodell würde sich
bei diesem Vorgehen allerdings eine Abbildung aller
Anlagenteile in allen verfügbaren Detailgraden ergeben.
Dies ist nicht immer gewünscht, das heißt, es ist
notwendig zu beschreiben, welche Elemente entfallen
oder auf höherer Ebene zusammengefasst werden können.
Dazu müsste das Anlagenmodell um eine entsprechende
Information erweitert werden. Ein solches Importance-Attribut
kann für jede Komponente des Anlagenmodells
eine vom Projektierer vergebene Wichtigkeit
festlegen.
Die so erstellten Einzelbilder müssen dann zu einem
Navigationsgraphen verknüpft werden (Bild 7). Entsprechende
Information bietet erneut das Anlagenmodell,
sodass ein Navigationsbaum entsprechend der Anlagenhierarchie
entsteht, welcher durch Nutzereingriffe angepasst
werden kann. So kann es beispielsweise gewünscht
sein, dass auf Stationsebene eine horizontale
Navigation möglich ist, auf den restlichen Ebenen allerdings
nicht (vgl. Bild 7).
Zur Erzeugung der Einzelbilder müssen passende Visualisierungselemente
für den jeweiligen Inhalt bestimmt
und auf der Oberfläche angeordnet werden. Die
entsprechend Bild 5 erforderlichen Navigationsbuttons
ergeben sich aus der Position des zu erzeugenden Einzelbildes
innerhalb der Navigationsstruktur, das heißt,
für jeden Navigationslink (vergleiche Bild 7) wird ein
Navigationsbutton erzeugt.
Für die Darstellung von Alarmen und Meldungen haben
sich allgemein anerkannte Darstellungen etabliert,
zum Beispiel in tabellarischer Form. Im Unterschied
dazu müssen die Prozess- und Anlagendarstellungen
jeweils spezifisch konfiguriert werden. Es ist festzulegen,
welche Anlagen- oder Prozesselemente mithilfe
welcher Visualisierungselemente wo auf der Oberfläche
platziert werden. Information über die Anlagenelemente
lässt sich aus der nächst tieferen Ebene der Anlagenhierarchie
unter Beachtung des Importance-Attributes
gewinnen. Das zugehörige Visualisierungselement kann
aus dem in Abschnitt 3 vorgestellten Anlagenmodell allerdings
nicht konkret abgeleitet werden. Die hierfür
erforderliche Zusatzinformation sollte nicht zwingend
in das Anlagenmodell integriert werden, da sie gegebenenfalls
nutzerspezifisch ist.
Anhaltspunkte darüber, welche Visualisierungselemente
die realen Anlagen abbilden könnten, können aber
unter Umständen bereits aus den Funktionsbeschreibungen
und Parametern gewonnen werden. So ließen sich
zum Beispiel die Art der statischen Präsentation oder
auch die Dynamisierung aus dem Typ der Prozessdaten
und derenEigenschaften bestimmen. Des Weiteren ist
beispielsweise im Falle eines read-only-Parameters eine
Interaktion nicht sinnvoll. Die konkrete Art der Darstellung
richtet sich allerdings nicht nur nach dem Typ der
Prozessdaten und der Funktion, sondern insbesondere
nach gängigen Designrichtlinien (Corporate Design,
Usability-Aspekte) oder dem gewählten Visualisierungsgerät
oder -werkzeug. Manuelle Zuordnungen und zusätzliche
Bibliotheken sind dabei als weitere Informationsquellen
denkbar.
Für die Positionierung der Visualisierungselemente
auf der Oberfläche werden die Geometriedaten aus dem
Anlagenmodell genutzt. Wie die 3D-Geometriedaten
dazu verwendet werden, wird unter anderem in [4] dargestellt.
Bild 8 zeigt beispielhaft Platzhalter in Form
umschließender Rechtecke, die durch die Projektion
der Draufsicht auf die Anlagenkomponenten entstanden
sind. Diese Platzhalter müssen nachfolgend durch Visualisierungskomponenten
ersetzt werden. Dazu können
spezifisch zum konkreten Gerät passende komplexe
Visualisierungselemente aus einer Visualisierungsbibliothek
genutzt oder auf die im Anlagenmodell spezifizierte
Geräteklasse zurückgegriffen werden, um
entsprechende Elemente auszuwählen. Zusätzlich
muss für den Nutzer die Möglichkeit vorgesehen sein,
diesen Prozess und die Positionierung der Objekte zu
beeinflussen.
Erst mithilfe von Information über das Prozessleitsystem
kann die Kommunikation der Benutzungsschnittstelle
konfiguriert werden. Diese definiert die Kommunikationskanäle,
das verwendete Kommunikationsprotokoll
und die Adressen der Prozesswerte.
5. DEMONSTRATOR
Ein Demonstrator verdeutlicht die vorgestellte Vorgehensweise
(Bild 9). Durch die Festlegung auf das in Abschnitt
3 vorgestellte Anlagenmodell muss das zu verwendende
Engineeringwerkzeug in der Lage sein, die
Engineeringdaten zu exportieren, sodass ein Modell nach
dem in Bild 6 gezeigten Anlagenmetamodell erstellt werden
kann. Als Quelle für die Engineeringdaten wird dabei
im Demonstrator das Simulationswerkzeug Ciros [7]
66
atp edition
7-8 / 2013

verwendet, wobei das Anlagenmodell als angereicherte
XML-Datenstruktur aus dem Werkzeug exportiert wird.
Die erzeugte Visualisierung lässt sich auch mit einer Simulation
koppeln, sodass für eine virtuelle Inbetriebnahme
bereits die finale Visualisierung genutzt werden kann.
Wegen der gewünschten Plattformunabhängigkeit der
Visualisierungslösung wird die Modellierungssprache
Movisa [8] genutzt. Diese Sprache ist speziell auf Benutzungsschnittstellen
der industriellen Automatisierungstechnik
zugeschnitten. Diese werden zunächst mithilfe
von grafischen und textuellen Editoren plattformunabhängig
beschrieben und anschließend in lauffähigen Code
überführt. Durch die Codegeneratoren kann unter anderem
eine lauffähige Lösung innerhalb eines Webbrowsers
erzeugt werden. Die finale lauffähige Visualisierungslösung
kommuniziert über OPC UA mit einer herkömmlichen
Fertigungssteuerung oder mit der Simulation.
Das gewählte Anlagenmodell beschreibt eine Fertigungsanlage
(Bild 10) bestehend aus verschiedenen Bearbeitungsstationen,
die durch ein Transportsystem
miteinander verbunden sind. Diese Anlage erzeugt aus
verschiedenen eingelagerten Materialien und Halbfertigteilen
fertige Produkte. Der Transport der zu bearbeitenden
Materialien erfolgt über Werkstückträger auf einem
Transportsystem.
Das Anlagenmodell beschreibt, welche Stationen in
welcher Detailtiefe vorhanden sind. Bild 11 zeigt einen
Ausschnitt des Anlagenmodells für einen Roboterarm
einer Drehmaschine. Aus den Importance-Attributen
ergibt sich, dass nur die ersten beiden Detailebenen in
Einzelbildern dargestellt werden sollen.
Zur Erzeugung des Strukturmodells wird, wie in Abschnitt
4 beschrieben, die Anlagentopologie genutzt.
Bild 12 zeigt auszugsweise die resultierende Navigati-
BILD 7: Schematische Darstellung
einer möglichen Navigationsstruktur
BILD 9: Schema des Demonstrators
BILD 8: Prozessbild als einfache
Visualisierung der Anlagen-Topologie
BILD 10: Fertigungsanlage für den Demonstrator
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7-8 / 2013
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HAUPTBEITRAG | AUTOMATION 2013
BILD 11: Auszug aus
dem Anlagenmodell
des Demonstrators
BILD 12: Auszug aus dem erzeugten Navigationsmodell
BILD 13: Abstrakte Visualisierung mit Navigations-Buttons
für die Prozessbildnavigation
onsstruktur für das Teilelager (StockDouble) und die
Drehmaschine (Turn55) der Fertigungsanlage. Beide Maschinen
werden in einer weiteren Detailebene in ihre
Teilkomponenten zerlegt. Für die Darstellung der Navigationsstruktur
bieten sich State Charts (vergleiche
SCXML [9]) an, da sich die Navigation ähnlich einem
Zustandsautomaten verhält, wobei die Einzelbilder
durch die Zustände repräsentiert werden.
Der Aufbau der zugehörigen Anlagen-/Prozesssichten
erfolgt gegenwärtig allein durch Nutzung der vom Engineeringmodell
bereitgestellten Geometrieinformation.
Dabei werden entsprechende Platzhalter aus der
Draufsicht auf die Anlagenkomponenten verwendet
(Bild 13). Buttons dienen als Navigationselemente und
sind entsprechend dem in Bild 5 vorgestellten Aufbau
platziert.
ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK
Der Beitrag zeigt erste Konzepte zur Nutzung formalisierter
Engineeringdaten zur automatisierten Entwicklung
von Benutzungsschnittstellen in der Fertigungstechnik.
Vorgestellt wird, welche Information des Anlagenmodells
sich nutzen lässt, um unterschiedliche
Aspekte der Visualisierung abzuleiten. Dieses Vorgehen
erfordert allerdings Werkzeuge, die ein formalisiertes
Anlagenmodell exportieren beziehungsweise ein vorkonfektioniertes
Visualisierungsmodell importieren
können. Abhängig von Art und Umfang der zur Verfügung
stehenden Engineeringdaten werden ein Strukturmodell
und ein Modell der Einzelbilder unterschiedlich
detailliert erzeugt.
In weiteren Arbeiten ist zu prüfen, ob ein einzelnes
Importance-Attribut ausreicht um darzustellende Oberflächenelemente
auszuwählen. Ferner muss in künftigen
Veröffentlichungen ein Vergleich mit ähnlichen
Ansätzen (siehe zum Beispiel [10] und [11]) in der Prozessleittechnik
vorgenommen werden. Eine besondere
Herausforderung besteht darin, das Layout der Prozessbilder
zu erzeugen, weshalb sich weitere Arbeiten unter
anderem auf diesen Sachverhalt konzentrieren werden.
Ein Demonstrator platziert die Visualisierungsobjekte
derzeit unter Nutzung der Geometrieinformation aus
dem Anlagenmodell und zeigt bereits die Zweckmäßigkeit
des Ansatzes.
MANUSKRIPTEINGANG
09.04.2013
Im Peer-Review-Verfahren begutachtet
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atp edition
7-8 / 2013

DANKSAGUNG
Das IGF-Vorhaben 16606 BG der Forschungsvereinigung
Gesellschaft zur Förderung angewandter
Informatik e.V. - GFaI, Volmerstraße 3,
12489 Berlin wird über die AiF im Rahmen des
Programms zur Förderung der Industriellen
Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft und
Technologie aufgrund eines Beschlusses des
Deutschen Bundestages gefördert.
AUTOREN
Dipl.-Ing. CHRISTOPHER MARTIN (geb. 1986) ist wissenschaftlicher
Mitarbeiter am Institut für Automatisierungstechnik an der
TU Dresden und beschäftigt sich mit der Anwendung der Modellgetriebenen
Softwareentwicklung in der Automatisierung.
TU Dresden,
Institut für Automatisierungstechnik, D-01062 Dresden,
Tel. +49 (0) 351 46 33 22 37, E-Mail: christopher.martin@tu-dresden.de
REFERENZEN
[1] Siemens: Visualisierungssoftware WinCC,
http://www.automation.siemens.com/mcms/humanmachine-interface/de/visualisierungssoftware/
scada-wincc/simatic-wincc/Seiten/Default.aspx, 2013
[2] Wonderware: Visualisierungssoftware InTouch,
http://global.wonderware.com/DE/Pages/WonderwareInTouchHMI.aspx,
2013
[3] Brecher, C., Kolster, D., Herfs, W., Pleßow, M., Jensen,
S.: Plug & Play - Geräteintegration für selbstkonfigurierende
Visualisierungen flexibler Automatisierungssysteme.
In: Tagungsband Automation 2010, S.
349-352. VDI 2010
[4] Schleipen, M., Okon, M., Enzmann, T, Wie, J.:
IDA - Interoperable, semantische Datenfusion zur
automatisierten Bereitstellung von sichtenbasierten
Prozessführungsbildern. In: Tagungsband Automation
2011, S. 83-86, VDI 2011
[5] Stahl, S., Völter, M., Efftinge, S., Haase, A.: Modellgetriebene
Softwareentwicklung: Techniken,
Engineering, Management. Dpunkt-Verlag, 2007
[6] Zuehlke, D.: SmartFactory - From vision to reality
in factory technologies. In: Proc. 17th IFAC World
Congress, S. 82-89. IFAC 2008
[7] Roßmann, J., Wischnewski, R., Stern, O.: A Comprehensive
3-D Simulation System for the Virtual
Production. In: Proc. 8th Int. Industrial Simulation
Conference (ISC), S. 109-116. EUROSIS-ETI 2010
[8] Hennig, S., Braune, A.: Sustainable Visualization
Solutions in Industrial Automation with Movisa –
a Case Study. In: Proc. 9th IEEE Int. Conf. Industrial
Informatics (INDIN), S. 634-639. IEEE 2011
[9] W3C: State Chart XML (SCXML): State Machine
Notation for Control Abstraction.
http://www.w3.org/TR/scxml/ W3C, 2012
[10] Urbas, L., Hennig, S., Hager, H., Doherr, F., Braune, A.:
Towards context adaptive HMIs in process industries.
In: Proc. 9th IEEE Int. Conf. on Industrial Informatics
(INDIN), S. 244-249. IEEE 2011
[11] Doherr, F., Drumm, O., Franze, V., Urbas, L: Bedienbilder
auf Knopfdruck - Modellbasierte Erstellung
von Fließbilddarstellungen. atp edition – Automatisierungstechnische
Praxis 53(11), S. 30-39, 2011
PD Dr.-Ing. ANNEROSE BRAUNE (geb. 1954) ist Mitarbeiterin am
Institut für Automatisierungstechnik an der TU Dresden. Sie
leitet die Arbeitsgruppe Informationsbasierte Automatisierung,
in der die Anwendung moderner Informationstechnologien in
der Automatisierungstechnik untersucht wird.
TU Dresden,
Institut für Automatisierungstechnik, D-01062 Dresden
Math.-Techn. Ass. RALF-ERIK EBERT (geb. 1966) ist im Forschungsbereich
Graphische Ingenieursysteme der GFaI neben anderen
Projekten zu Graph-basierten Engineering- und Modellierungskonzepten
der Automatisierungs- und Umwelttechnik für die Konzeption
und Entwicklung des Applikationsframeworks ForGE zuständig.
GFaI – Gesellschaft zur Förderung angewandter Informatik e.V.,
Volmerstr. 3, D-12489 Berlin
Dr. rer. nat. Dipl. Math. MATTHIAS PLEßOW (geb. 1953) leitet den
Forschungsbereich Graphische Ingenieursysteme der GFaI. Er
beschäftigt sich mit der Entwicklung und dem Einsatz von
Graph-basierten Engineering- und Modellierungskonzepten mit
Anwendungen in der Automatisierungs- und Umwelttechnik.
GFaI – Gesellschaft zur Förderung angewandter Informatik e.V.,
Volmerstr. 3, D-12489 Berlin
Dipl.-Ing. SVEN SEVERIN (geb. 1978) ist wissenschaftlicher
Mitarbeiter in der Abteilung Robotertechnik von RIF e.V. – Institut
für Forschung und Transfer. Sein Arbeitsgebiet ist insbesondere
die 3D-Echtzeitsimulation komplexer Fertigungssysteme.
RIF e.V. Robotertechnik,
Joseph-von-Fraunhofer-Str. 20, D-44227 Dortmund
Dipl.-Inform. OLIVER STERN (geb. 1969) leitet die Abteilung
Robotertechnik von RIF e.V. – Institut für Forschung und Transfer.
Er beschäftigt sich hauptsächlich mit der Integration von
Steuerungs- und Robotersimulationssystemen.
RIF e.V. Robotertechnik,
Joseph-von-Fraunhofer-Str. 20, D-44227 Dortmund
atp edition
7-8 / 2013
69

HAUPTBEITRAG | AUTOMATION 2013
Energieeffizienz in der
Fertigung bewerten
Ontologiebasierte Beschreibung und Simulation
Um energietechnische Aspekte eines automatisierten Produktionssystems zu betrachten
und zu bewerten, bedarf es eindeutiger semantischer Zuordnungen. Der Beitrag schildert,
wie hierfür, basierend auf ausgewählten Begriffen und Zusammenhängen, die Energie-
Ontologie OntoEnergy entwickelt wurde. Diese erlaubt in Verbindung mit dem formalisierten
Prozessmodell des Produktionssystems ein energieorientiertes Prozessmodell
abzuleiten. Mit dem energieorientierten Prozessmodelle und einem Simulationsmodell
wurde der Energiebedarf einer realen Versuchsplattform untersucht. Der Energiebedarf
lässt sich anhand zweier Kennzahlen differenziert betrachten und bewerten.
SCHLAGWÖRTER Ontologie / Formalisierte Prozessbeschreibung / Simulation /
Energieeffizienz
Evaluating the energy efficiency of manufacturing processes –
Ontology-based modelling and simulation
Evaluating energy-related issues of an automated system requires a clear semantic basis.
For this purpose an energy ontology has been developed on the basis of important terms
and their relationships. By combining this with a formalized model of the production
system an energy-specific process model has been established. In combination with a
simulation model the energy consumption of an experimental platform was investigated.
By means of two parameters it is possible to monitor and evaluate the energy demands of
the system.
KEYWORDS ontology / formalized process description / simulation / energy efficiency
70
atp edition
7-8 / 2013

LARS CHRISTIANSEN, TOBIAS LINNENBERG, ALEXANDER FAY,
Helmut-Schmidt-Universität/Universität der Bundeswehr Hamburg
CHRISTIAN SEITZ, ANDREAS W. MÜLLER, Siemens
Aufgrund steigender Energiekosten kommt
den Themen Energieeffizienz und Ressourcenschonung
in Produktionsanlagen hohe
Bedeutung zu. Um die Energieeffizienz von
Systemen in Verbindung mit der Verbrauchsreduzierung
der eingesetzten Ressourcen zu erhöhen,
sind langfristig neue und bessere Methoden in der
Systementwicklung erforderlich [1]. Wie in [2] beschrieben,
lässt sich durch den „Einsatz neuer Produkte, Systeme
und Lösungen“ ein enormes Energieeinsparpotenzial
in der Prozessautomatisierungstechnik umsetzen.
Allerdings müssen „alle produktionstechnischen Prozesse
und Vorgänge möglichst energieoptimal“ ausgerichtet
sein. Diese Aussage ist im Wesentlichen auch
auf die Fertigungsautomation übertragbar, wo Prozesse
ein energietechnisches Optimierungspotenzial von 10
bis 25 Prozent bieten [3]. Um dieses Potenzial zu erschließen
und Maßnahmen umzusetzen, liegt die Herausforderung
in der Erfassung und Beschreibung existierender
und zukünftiger Energieverbräuche von Prozessen
[4]. Allgemein kann auf zwei Ansätze zurückgegriffen
werden: Die Optimierung während der
Produktionsphase oder die direkte Beeinflussung bereits
in der Planungsphase [5]. Typische Ansätze zur
Effizienzsteigerung zum Beispiel durch Verfahrensoptimierung,
Integration von Wärmerückgewinnungskonzepten
sowie Anpassung der Prozessregelung und -steuerung
[6] finden sich hauptsächlich in der Prozessindustrie
wieder.
Mit welchen Methoden und Beschreibungsmitteln
kann Energieeffizienz bereits im Engineering
berücksichtigt werden?
Wie können energietechnische Defizite eines
Prozesses bereits in der Planungssphase ermittelt
werden?
Welche Indikatoren eignen sich, den Energieverbrauch
eines Prozesses zu bewerten?
In welchem Zustand verbraucht der Prozess wie
viel Energie und in welchen Energieformen?
Ein Grund, warum Energieeffizienz und Ressourcenschonung
während der Planungsphase noch zu wenig
Beachtung finden, liegt im Mangel an Know-how [6] und
am Fehlen geeigneter Methoden und Modelle für eine
energieeffiziente Auslegung des Systems [7]. Nach [8]
müssen Engineering-Modelle, die als Grundlage für energietechnische
Betrachtungen genutzt werden sollen,
Information darüber enthalten, wie hoch der statische
Energiebedarf einer Komponente in einem bestimmten
Zustand ist und wie hoch der variable Energiebedarf zur
Ausführung des Prozesses ist. Weiterhin ist es notwendig,
dass Abhängigkeiten zwischen Prozessausführung,
darin beteiligten Ressourcen und energierelevanten Prozessgrößen
bekannt sind, die den Energieverbrauch wesentlich
beeinflussen [9]. Energieeffizienz wird ein wesentlicher
Schlüssel sein, um die Wettbewerbsfähigkeit
deutscher Unternehmen und deren Produktionsstandorte
in Deutschland zu sichern.
1. MOTIVATION
Die frühe Einbeziehung von Faktoren wie Energieeffizienz
und Ressourcenschonung in der Planungsphase automatisierungstechnischer
Systeme ist effektiver, als die
nachträgliche Optimierung im Betrieb [7]. Um diese Optimierungspotenziale
möglichst früh im Engineering
aufzuzeigen, zu identifizieren und geeignete Maßnahmen
zu definieren, müssen folgende Fragestellungen
beantwortet werden können:
1.1 Stand der Technik
Im Kontext von Energiemanagement-Systemen wird in
[10] durchgängige Datenintegration gefordert, basierend
auf einer eindeutigen Semantik und die Möglichkeit zur
Simulation des Energieverbrauchs während der Planungsphase
als ein erster Schritt gesehen. Für ein einheitliches
Informationsmodell werden im Folgenden
unter anderem Ontologien [11] als geeignetes Hilfsmittel
betrachtet. Arbeiten zu energiebezogenen Ontologien fin-
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71

HAUPTBEITRAG | AUTOMATION 2013
den sich zwar in verschiedenen Anwendungsdomänen,
jedoch entstanden diese zumeist vor dem Hintergrund
konkreter Anwendungsziele. Weiterhin wird die Domäne
der Produktionsautomatisierung (Fertigungs- und Prozessindustrie)
hiervon nicht universell bedient. So definiert
[12] bereits 1995 eine sehr umfangreiche Ontologie,
die physikalische und energetische Zusammenhänge
beschreibt, wohingegen [13] sich auf Energieumwandlungen
in Gebäuden und Infrastruktureinrichtungen beschränkt.
Die in [4] beschriebene Ontologie bietet die
Möglichkeit, diskrete Fertigungsprozesse unter Einbeziehung
energetischer Aspekte zu modellieren. All diesen
Ansätzen sind jedoch zwei Defizite gemein: Sie sind nur
bedingt skalierbar und lassen sich nicht generalisiert, das
heißt auf verschiedene Domänen, anwenden.
In [8] wird eine Methode zur Beschreibung des Energieverbrauchs
von Werkzeugmaschinen in Abhängigkeit
der Betriebszustände behandelt. Die einnehmbaren Zustände
werden dabei in ein Automatenmodell beziehungsweise
einen Zustandsgraph überführt. Jeder Zustand
wird mit einem die zustandsbezogene Energiemenge
beschreibenden Energieverbrauchsprofil verknüpft.
Der Energieverbrauch wird aus dem Energiebedarf der
Betriebszustände basierend auf deren Reihenfolge und
Dauer berechnet. Um ein automatisierungstechnisches
System oder einzelne Komponenten je nach Anlagenauslastung
temporär in einen energieoptimalen Zustand zu
überführen, wird in [15] eine Methode für ein Start-
Stopp-System beschrieben, welches auf einem Automatenmodell
basiert. Eine Erreichbarkeitsanalyse gibt Auskunft,
wie lange das System in einem energiesparenden
Zustand verweilen kann, ohne die Systemleistung, das
heißt den Prozess, zu beeinträchtigen.
Auf der Basis eines lernenden Ansatzes wird in [16]
eine Methode vorgestellt, um während des Anlagenbetriebs
Anomalien, das heisst Abweichungen hinsichtlich
des vorher ermittelten Energieverbrauchs, zu detektieren.
Die Prognose des hierfür genutzten lernenden Mo-
BILD 1: Hierarchie
der OntoEnergy
Energiebedarf fix
• Energieform
• Prozessenergie: Transport
• Elektrische Energie
• Menge
O_Transport
T_-001
Energiebedarf fix
• Energieform
• Ressourcenenergie: Versorgung
• Elektrische Energie
• Menge
Energiebedarf variabel
• Energieform
• Ressourcenenergie: Transport
• Elektrische Energie
• Menge
BILD 2:
Schematische
Beschreibung
energietechnischer
Aspekte
Varianten
• Energiesparend
• Energieform
• Prozessenergie
• Elektrische Energie
• Normale Produktion
• Energieform
• Prozessenergie
• Elektrische Energie
• Volllast
• Energieform
• Prozessenergie
• Elektrische Energie
O_Transport
T_-001
Zustände
• Initialisieren
• Energieform
• Ressourcenenergie
• Elektrische Energie
• Produzierend
• Energieform
• Ressourcenenergie
• Elektrische Energie
• Stand-By
• Energieform
• Ressourcenenergie
• Elektrische Energie
BILD 3:
Erweiterung des
Prozessmodells
auf der Basis von
Varianten (li.) und
Zuständen (re.)
72
atp edition
7-8 / 2013

dells dient als Basis des Vergleichs mit dem realen Prozess.
In [17] wird ein Ansatz zur Modellierung des Betriebsverhaltens
automatisierungstechnischer Module
hinsichtlich Energieaufnahme, -abgabe und -wandlung
beschrieben. Basierend auf einem SysML-Modell können
die energietechnischen Zusammenhänge innerhalb verschiedener
Zustände erklärt werden.
Den erwähnten Ansätzen ist gemein, dass sie nicht auf
einer einheitlichen Terminologie basieren; somit ist eine
einfache und systematische Übertragbarkeit auf andere
Domänen beziehungsweise Anwendungsfälle nur schwer
möglich.
2. ONTOENERGY
Die eindeutige Definition der grundlegenden Begriffe einer
Domäne sowie die Formalisierung ihrer Beziehungen
untereinander ist für eine präzise Kommunikation, das
Verständnis von Systemen, fundierte Analysen und die
Identifikation von Optimierungspotenzialen essenziell.
Dies ist eine Kernaufgabe von Ontologien. Mit ihnen kann
Wissen maschinen- und menschenlesbar strukturiert,
verteilt und automatisiert verarbeitet werden. Die hier
entwickelte OntoEnergy stellt Strukturen zur universellen
Beschreibung beliebiger energietechnischer Aspekte
innerhalb eines Systems beliebiger Ausprägung bereit.
Die in einem System nutzbaren Energieformen können,
wie in Bild 1 oben links (orange unterlegt) dargestellt,
vielfältiger Natur sein. Hierbei kann zum einen – orientiert
an der physikalischen Sichtweise – mechanische,
chemische, thermische oder elektrische Energie genutzt
werden [18], zum anderen kann aus industrieller Sicht
eine Unterscheidung in Primär- und Sekundärenergie
erfolgen. Des Weiteren lässt sich Energie aus automatisierungstechnischer
Sicht in Prozess-, Produkt-, Ressourcenund
Systemenergie unterteilen [19]. Eine weitere Differenzierungsmöglichkeit
besteht in der Trennung zwischen
variablen und fixen Energieanteilen. Diese grundlegenden
Unterscheidungen bilden die Basis für eine eindeutige
semantische Zuordnung von Energie. Durch eine quantitative
Zuordnung kann auch eine Bewertung verschiedener
Faktoren erfolgen. Dies ermöglicht es zum Beispiel
den Energiebedarf (hellgrau in Bild 1) zu ermitteln beziehungsweise
den tatsächlichen Energieverbrauch (grün in
Bild 1) eines Systems zu berechnen. Da eine grundlegende
und einheitliche Definition des Begriffs Energieverbrauch
nicht existiert, wird in Anlehnung an [18] Energieverbrauch
als die im realen System aufgewandte Menge
bestimmter Energieformen zur Deckung des Energiebedarfs
beschrieben. Der Energiebedarf wird als die
Menge an Energie definiert, die zur Erstellung einer bestimmten
(Energiedienst-)Leistung unter definierten
Randbedingungen benötigt wird [18]. Analog zu den Energieformen
können Energiebedarf und Energieverbrauch
in variable und fixe Anteile unterteilt werden. Hinsichtlich
des Begriffs Energieeffizienz (lila in Bild 1) eines
Systems wird dieser als Verhältnis von Ertrag zu Aufwand
bezeichnet, was die Realisierung eines energietechnischen
(Einsparungs-)Ziels mit möglichst geringem Aufwand
bedeutet. Ein weiterer Aspekt zur Systembewertung
ist der Begriff Energieverschwendung, der als Differenz
von Soll-Verbrauch (also des theoretisch ermittelten Energiebedarfs)
und Ist-Verbrauch betrachtet wird.
Diese strikte Trennung der Begrifflichkeiten unterstützt
eine domänenunabhängige Anwendung von OntoEnergy
und erlaubt somit, die Nische der anwendungsfallbezogenen
Ontologien zu verlassen und ein geeignetes, skalierbares
Beschreibungsmittel für Systeme und Prozesse zu
definieren. Für eine verständliche und übersichtliche Hierarchisierung
dienten die in [19] eingeführten Sichtweisen
auf den Energiebegriff (Physical, Industrial und Automation),
die Interpretation von Energieverschwendung
(Dissipation) als Form eines – nicht zielführenden – Verbrauchs
(Consumption), sowie die Zusammenhänge zwischen
den Termini als wesentliche Gliederungsmerkmale.
Im Zuge des Designprozesses wurden Gruppen von
Begrifflichkeiten und Konzepten gebildet, die eine effektive
Hierarchisierung erlauben. Ähnliche Konzepte wurden
in eine Hierarchie überführt, die eine mehrfache
Instanziierung der unterschiedlichen Konzepte ermöglicht.
Für die Erstellung und praktische Anwendung von
OntoEnergy wurde die Web Ontology Language (OWL),
eine vom W3C [20] spezifizierte Sprache zur Handhabung
von Ontologien, als Gestaltungsmittel gewählt.
Bild 1 zeigt die hierarchische Einordnung der Konzepte
sowie die mathematischen Operatoren zur Berechnung
verschiedener Faktoren (hellblau unterlegt). Eine ausführlichere
Darstellung der strukturellen Zusammenhänge
der Ontologie findet sich im Tagungsband des
Automationskongresses [19].
3. ENERGIEORIENTIERTES PROZESSMODELL
Für die Analyse und Optimierung automatisierungstechnischer
Systeme, zugehöriger Anlagenkomponenten
und darauf ausgeführter Prozesse bedarf es eines Prozessmodells,
das die benötigten Daten und Information
geeignet bereitstellt. Aus Sicht der Autoren bietet sich
als Beschreibungsmittel die VDI/VDE-Richtlinie 3682
zur formalisierten Prozessbeschreibung an.
3.1 Formalisierte Prozessbeschreibung
Die formalisierte Prozessbeschreibung (FPB) nach [21] ist
ein universelles Beschreibungsmittel für technische Prozesse.
Neben der grafischen Modellierung des Prozessablaufs
ermöglicht die FPB, den Prozess mittels eines Informationsmodells
detailliert zu beschreiben. Für die grafische
Modellierung stehen Prozessoperatoren (PO), technische
Ressource (TR) sowie Zustände (Produkt, Energie)
zur Verfügung. Das Informationsmodell lässt zu, Operatoren
und Zustände gewerkespezifisch und allgemein zu
spezifizieren. Hierunter fällt zum Beispiel die erforderliche
Menge an Produkten oder die zur Ausführung eines
Prozessschritts benötigte Menge an Energie. Diese werden
als Attribute des jeweiligen Objekts realisiert.
Energietechnische Aspekte eines Prozesses können in
der FPB durch den Zustand Energie modelliert werden.
Ein wesentliches Defizit dieses Ansatzes besteht darin,
dass nicht eindeutig definiert ist, wie energietechnische
Aspekte mit der FPB modelliert werden können, um die
in [22] beschriebenen Ideen zur Ableitung von Optimierungspotenzialen
während der Planungsphase zu identifizieren.
Um diese Lücke zu schließen, schlagen die Autoren
für eine energieorientierte Beschreibung des Pro-
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73

HAUPTBEITRAG | AUTOMATION 2013
zesses vor, die in OntoEnergy definierten Konzepte mit
der FPB zu verknüpfen.
3.2 Qualitative Modellierung
Um das FPB-basierte Prozessmodell als Grundlage für
frühzeitige Energieabschätzungen und -einsparpotenziale
zu nutzen, wird das Prozessmodell mittels der in
OntoEnergy vorgestellten energietechnischen Terminologie
attributiert. Bild 2 zeigt die schematische Zuordnung
von fixen und variablen Anteilen des Energiebedarfs
für PO (O_Transport) und TR (T_-001) in Verbindung
mit der Beschreibung der Energieformen Prozessund
Ressourcenenergie. Hierbei handelt es sich im ersten
Schritt um eine qualitative Zuordnung der Energieformen,
die aber bereits jetzt eine eindeutige semantische
Differenzierung des Aspektes Energie ermöglicht.
Basierend auf den Konzepten von OntoEnergy zur Berechnung
des Energiebedarfs kann unabhängig voneinander
entweder der Energiebedarf des Prozessablaufs
oder der Ressourcen betrachtet werden kann. Somit besteht
die Möglichkeit, das System hinsichtlich des Energieverbrauchs
von Prozessen und Ressourceneinheiten
getrennt zu analysieren und anschließend zu optimieren.
Die zugehörigen quantitativen Energiemengen lassen sich
entweder durch die direkte Messung des Energieverbrauchs
von Ressourcen oder durch die Simulation des
Prozesses mittels eines geeigneten Simulationsmodells
bestimmen. Die in der Simulation ermittelten Energiemengen
können im Anschluss in das Prozessmodell integriert
werden. Somit stehen die Informationen später
weiteren Gewerken und Tätigkeiten zur Verfügung.
3.3 Erweiterung des energieorientierten Prozessmodells
Wie in [9] beschrieben, hängt der Energieverbrauch eines
Systems beziehungsweise einer Anlage von deren Zuständen
ab. Im Falle einer technischen Ressource können
dies Zustände wie Standby, Produzierend oder Initialisieren
sein, für Prozessoperatoren hingegen Varianten
wie Energiesparend, Normale Produktion oder Volllast.
Die verschiedenen Prozessvarianten können zum
Beispiel abhängig von aktueller Anlagenauslastung oder
zukünftigem Auftragsbestand ausgeführt werden. Sollen
in dem Prozessmodell nun die verschiedenen Zustände
und Varianten dem jeweiligen Objekt (PO oder TR) zugeordnet
werden, erfolgt dies mittels Attributen im Informationsmodell,
welche die spezifischen fixen und
variablen Energieverbräuche und -bedarfe beschreiben.
Bild 3 zeigt dies mittels der FPB schematisch auf.
Neben der Spezifizierung der Zustände und Varianten
ist es sinnvoll, wechselseitige prozessinterne Abhängigkeiten
zu beschreiben. Soll der Energieverbrauch eines
Systems durch eine veränderte Prozessfahrweise, zum
Beispiel Energiesparend, reduziert werden, hat dies direkte
Auswirkungen auf den Prozess. Für die Reduzierung
des Energieverbrauchs eines Transportprozesses wird die
Transportgeschwindigkeit reduziert. Dies bewirkt eine
geringere Ausbringung des Gesamtprozesses aufgrund der
direkten Abhängigkeit von der Fördergeschwindigkeit.
Das Wissen darüber, dass wechselseitige Abhängigkeiten
zwischen einzelnen Varianten Einfluss auf das Endergebnis
eines Prozesses haben, bildet eine wesentliche Grundlage
für die energietechnische Bewertung und Optimierung
eines Systems. Diese können in der FPB mittels des
beziehungsherstellenden Bestandteils eines Merkmales,
welcher im normativen Teil der FPB nach [21] steht, als
Verweis zwischen Merkmalen innerhalb des Informationsmodells
beschrieben werden.
3.4 Anwendungsmöglichkeit im Engineering
Die grundlegende Beschreibung eines Prozesses mithilfe
der in OntoEnergy definierten Konzepte führt zu einem
energieorientierten, als Basis für weitere Engineering-Aktivitäten
sowie für Dritt-Applikationen und deren
Anwendungsfälle auf gleichbleibender semantischer
Basis nutzbaren Prozessmodell. Die Integration verschiedener
Zustände von Ressourcen und Prozessvarianten
in das energieorientierte Prozessmodell kann zum Beispiel
als Informationsgrundlage für das in [15] vorgestellte
Start-Stopp-System dienen.
Enthält das Prozessmodell bereits Information über
die Energieverbräuche von Prozessoperatoren und Ressourcen,
kann dieses während der Betriebsphase genutzt
werden, um beispielsweise den Ist-Verbrauch des aktuellen
Prozesses mit dem in der Planungsphase spezifizierten
Soll-Verbrauch zu vergleichen und basierend auf
den in der OntoEnergy definierten Zusammenhängen
eine Aussage hinsichtlich der Energieverschwendung zu
ermöglichen. Aufgrund von zum Beispiel Modellierungsungenauigkeiten
sowie Fehlern durch Abstraktion
innerhalb des Simulationsmodells wird der Soll-Verbrauch
in der Simulation approximiert. Um eine konkrete
Aussage bezüglich Energieverschwendung machen zu
können, muss ein ausreichend großer Wert im Verhältnis
zum Einfluss der Ungenauigkeiten definiert werden.
Die Simulation einer realen Versuchsplattform, auf der
ein hybrider Prozess abläuft, verdeutlicht den Einsatz
des energieorientierten Prozessmodells zum Zeitpunkt
der Anlagenplanung.
4. ABSCHÄTZUNG DES ENERGIEVERBRAUCHS
Für das Simulationsmodell wurde die Software Plant
Simulation [23] verwendet. Basierend auf einem modularen
Ansatz zur Simulation und Auswertung wurde
anhand zweier Kennzahlen der Energieverbrauch des
Prozesses bewertet.
4.1 Aufbau des Simulationsmodells
Die reale Versuchsplattform umfasst vier Module (jeweils
bestehend aus Förderbändern mit Zusatzkomponenten
wie Antrieb, Frequenzumrichter und so weiter), die basierend
auf einer Kombination von Bandbewegungen
Plättchen so zusammenschieben, dass sich ein beliebiger
Fließtext, ähnlich einem LED-basierten Lauftext, ergibt
[19]. Bild 4 zeigt die reale Versuchsplattform und das Simulationsmodell.
Neben der Standardfunktionalität von
PlantSimulation wurden benutzerspezifische Funktionen
und Module integriert, die es unter anderem ermöglichen,
den Energiebedarf zu ermitteln und zu bewerten.
74
atp edition
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Lagermodul
Abtransportmodul
Spaltenlegemodul
BILD 4: Reale Versuchsplattform
(li.) und
Simulationsmodell (re.)
Textmodul
Steuerungsblock
BILD 5: Zustandsbezogener
Modulanteil
25,9% 25,9%
31,0%
1%
73,1%
43,1%
BILD 6: Modulbezogener Zustandsanteil vor (li.) und
nach (re.) der Optimierung des Spaltenlegermoduls
Prozess
Standyby
Leerlauf
Für die Ermittlung des für den Prozess anfallenden Energiebedarfs
wurde der Energieverbrauch an der realen Versuchsplattform
gemessen und anschließend in das Simulationsmodell
sowie das energieorientierte Prozessmodell
integriert. Zur Differenzierung zwischen prozessbedingtem
Energieverbrauch und dem Energieverbrauch der Ressourcen
wurden die Werte anhand verschiedener Zustände
ermittelt. Dazu wurde der Verbrauch der Ressourcen
während der Initialisierung und im Standby gemessen und
ebenso der Verbrauch während der Prozessausführung,
also bei der Erstellung eines beliebigen Fließtextes. Hinsichtlich
des Prozesses wurden die Varianten Produzierend
und Leerlauf verwendet. Diese beschreiben im ersten
Schritt eine allgemeine Sicht auf den Prozess, wobei Leerlauf
den Zustand der Ressource repräsentiert, das heißt,
dass zum Beispiel die Lüfter der Umrichter aktiv sind, aber
der Prozess gerade nicht ausgeführt wird. Im Vergleich
dazu bezeichnet Produzierend den Vorgang der Bandbewegung,
also die konkrete Ausführung eines Prozesses.
Wie in Abschnitt 3.3 erläutert, wurden die genannten
Zustände und Varianten in das Prozessmodell integriert.
Um den Aufwand für das Simulationsmodell zu reduzieren,
könnten Daten und Information aus dem Prozessmodell
(gegebenenfalls (teil)-automatisiert) basierend auf
einer geeigneten Schnittstelle extrahiert werden. Das gilt
zum Beispiel für die Erstellung der Methoden- und Ressourcenmodule,
Vorparametrierung von Antriebsmethoden
sowie die zeitliche Ausführung einer Methode, die
einen Prozessschritt repräsentiert.
4.2 Simulationsstudie und Auswertung
In einer Produktionsanlage ergibt sich der Gesamtenergieverbrauch
über die Teilverbräuche der einzelnen Ressourcen
und Prozesse. Um Spitzenverbraucher zu identifizieren,
erfolgt ein Vergleich der Verbräuche. Anhand
der daraus gewonnenen Ergebnisse kann entweder die
Ressource optimiert werden oder der auf dieser Ressource
ausgeführte Prozess. Für letzteres reicht ein einfacher
Verbrauchsvergleich nicht mehr aus. Vielmehr wird Information
benötigt, in welchen Betriebszuständen die
Ressource welchen Verbrauch hat und in welchem Verhältnis
dieser zu anderen Ressourcen der Anlage steht.
Hinsichtlich der Interpretation und Auswertung der
Energiesimulationen wurden daher zwei Kennzahlen
definiert: zustandsbezogener Modulanteil und modulbezogener
Zustandsanteil.
Zustandsbezogener Modulanteil
Der zustandsbezogene Modulanteil beschreibt den prozentualen
Anteil des Energieverbrauchs eines Moduls,
das heißt der Ressource (Zustand: Leerlauf und Standby)
sowie der Prozessausführung (Zustand: Prozess), im Verhältnis
zum Energieverbrauch des Gesamtsystems. Dies
ist jeweils zustandsbezogen zu untersuchen. Wie in
Bild 5 dargestellt, wird ersichtlich, dass das Abtransportmodul
(beige) zu über 60 % für den Energieverbrauch im
Zustand Prozess verantwortlich ist. Der Grund: Dieses
Band läuft im Vergleich zu den anderen Bändern konti-
atp edition
7-8 / 2013
75

HAUPTBEITRAG | AUTOMATION 2013
nuierlich. Lager- (rot), Spaltenleger- (grün) und Textmodul
(blau) werden diskret ein- und ausgeschaltet, das
heißt nur zur Erstellung beziehungsweise Anzeige der
Spalte genutzt, und haben daher einen geringen Anteil
im Zustand Prozess. Zu jeweils etwa 30-35 % tragen die
drei letztgenannten Module zum Energieverbrauch im
Zustand Leerlauf bei. Der Anteil am Energieverbrauch
des Abtransportmoduls im Zustand Leerlauf ist deshalb
so gering, da sich dieses Modul nur selten in diesem Zustand
befindet. Auf Grund der gleichen Hardware aller
vier Module ist der Anteil am Energieverbrauch im Zustand
Standby nahzu gleich bei zirka 25 %.
Eine erste Optimierungsmaßnahme könnte in einer
Reduzierung der Bandgeschwindigkeit des Abtransportmoduls
liegen, um damit den Anteil am Energiebedarf
im Zustand Prozess zu verringern. Dabei ist zu beachten,
dass in gleicher Zeit weniger Plättchen abtransportiert
und wieder dem Lagermodul zugeführt werden können.
Diese Maßnahme kann mit der Simulation hinsichtlich
zweier Aspekte untersucht werden: Erstens lässt sich der
Effekt der Geschwindigkeit bezüglich der Verbrauchsreduzierung
quantifizieren, zweitens kann langfristig ermittelt
werden, ob die kontinuierliche Versorgung mit
Plättchen des Lagermoduls zur Erstellung des Fließtextes
sichergestellt ist.
Modulbezogener Zustandsanteil
Der modulbezogene Zustandsanteil beschreibt, wie lange
sich ein Modul anteilig in einem bestimmten Zustand
während der Erstellung eines gewünschten Fließtextes
befindet. Wie im linken Teil von Bild 6 dargestellt, befindet
sich das Spaltenlegermodul zu über 70 % der Zeit
im Zustand Leerlauf, in dem es Energie zum Beispiel für
Umrichter, Lüfter und Steuerungskomponen, verbraucht,
ohne produktiv zu sein. Der Zustand Standby,
in dem weniger Leistung aufgenommen wird, wird nur
zu 1 % der Zeit eingenommen. Als Optimierungsmaßnahme
lässt sich durch eine prozesszustands-orientierte
Teilabschaltung der zeitliche Anteil im Zustand Leerlauf
deutlich verringern (rechter Teil von Bild 6). Gleichzeitig
erhöht sich dadurch der zeitliche Anteil im Zustand
Standby um diesen Zeitanteil, da das Modul somit
länger beziehungsweise häufiger in diesem Zustand
verweilt. Der Anteil des Energiebedarfs im Zustand Prozess
bleibt konstant.
Jedoch ist zu beachten, dass bei Optimierung eines
einzelnen Moduls stets der Gesamtprozesses zu berücksichtigen
ist.
ZUSAMMENFASSUNG
Die Nutzung eines Simulationsmodells während des Engineerings
bietet zwei wesentliche Vorteile. Das Simulationsmodell
lässt sich in Langzeitsimulationen dazu
nutzen, den zukünftigen Energieverbrauch abzuschätzen.
Ebenso können geplante Prozessänderungen oder
der Einsatz energieeffizienterer Komponenten und Antriebe
hinsichtlich der Optimierung des Energieverbrauchs
anhand der Simulation untersucht werden, ohne
die reale Versuchsplattform zu verändern. Um die Thematik
der Energie innerhalb eines Systems differenziert
zu betrachten, bedarf es einer geeigneten und eindeutigen
Terminologie sowie Definition der energietechnischen
Zusammenhänge. Mit der Entwicklung von OntoEnergy
konnte diesen Anforderungen entsprochen
werden. Um die unterschiedlichen energietechnischen
Aspekte innerhalb eines Prozesses beschreiben zu können,
wurde mit der Formalisierten Prozessbeschreibung
eine Vorgehensweise gewählt, die die qualitative und
quantitative Zuordnung von Energieformen ermöglicht
und als durchgängiges Informationsmodell im Engineering
genutzt werden kann.
MANUSKRIPTEINGANG
03.04.2013
Im Peer-Review-Verfahren begutachtet
REFERENZEN
[1] DECHEMA E.V.: Chemieanlagen: ‚Operational Excellence‘ ist
das Ziel: Trendbericht Nr. 3: Chemieanlagen-Konzepte. 2009
[2] Weissbuch Energie-Intelligenz: Energie intelligent erzeugen,
verteilen und nutzen. 2. Aufl. Frankfurt, M: ZVEI, 2010
[3] ZVEI: Mehr Energieeffizienz durch Prozessautomation: Wirtschaftlichkeit
überprüfen, Verbesserungen umsetzen. 2012
[4] Krellner, B., Kunis, R., Runger, G.: Modeling of energysensitive
manufacturing processes. In: Proc. 9th IEEE
International Conference on Industrial Informatics (INDIN),
S. 334–340. IEEE 2011
[5] Schrems, S., Eisele, C., Abele, E.: Methodology for an
Energy and Resource Efficient Process Chain Design. In:
Glocalized Solutions for Sustainability in Manufacturing, S.
299–304. Springer 2011
[6] Kahrs, O., Hoffmann, S.: Energieeffizienz: Kurzbericht aus
dem Namur Arbeitskreis 4.17 Energieeffizienz. atp edition -
Automatisierungstechnische Praxis 52 (1-2), S. 22–23, 2010
[7] Müller, E., Engelmann, J., Strauch, J.: Energieeffizienz
als Zielgröße in der Fabrikplanung: Energieeffizienz-
orientierte Planung von Produktionsanlagen am Beispiel
der Automobilindustrie. In: wt Werkstatttechnik online 98
(7/8), S. 634–639, 2008
[8] Dietmair, A., Verl, A., Wosnik, M.: Zustandsbasierte Energieverbrauchsprofile:
Eine Methode zur effizienten Erfassung des
Energieverbrauchs von Produktionsmaschinen. In: wt
Werkstatttechnik online 98 (7/8), S. 640–645, 2008
[9] Verl, A., Westkämper, E., Abele, E., Dietmair, A., Schlechtendahl,
J.F., Haag, H., Schrems, S.: Architecture for Multilevel Monitoring
and Control of Energy Consumption. In: Globalized Solutions
for Sustainability in Manufacturing. S. 347–352. Springer 2011
[10] Niemann, K.-H.: Energiemanagement in Automatisierungssystemen:
Stand der Technik und künftige Anforderungen. In:
Tagungsband Automation 2012, S. 99-102. VDI 2012
[11] Staab, S., Studer, R: Handbook on Ontologies. Springer 2004
[12] Borst, P., Akkermans, J.M., Pos, A., Top, J.: The PhysSys
ontology for physical systems. In: Working Papers 9th Int.
Workshop on Qualitative Reasoning QR, S. 11–21. University of
Amsterdam 1995
76
atp edition
7-8 / 2013

AUTOREN
Dipl.-Ing. (FH) LARS CHRISTIANSEN
(geb. 1984) ist wissenschaftlicher
Mitarbeiter an der Professur für
Auto matisierungstechnik an der
Helmut-Schmidt-Universität/Universität
der Bundeswehr, Hamburg.
Sein Forschungsschwerpunkt ist die
Unterstützung der Anlagen diagnose
mittels Modellen aus dem Engineering-
Prozess.
Institut für Automatisierungstechnik,
Helmut-Schmidt-Universität/
Universität der Bundeswehr,
Holstenhofweg 85, D-22043 Hamburg,
Tel. +49 (0) 40 65 41 23 26,
E-Mail: lars.christiansen@hsu-hh.de
Dipl.-Ing., M.S. TOBIAS LINNENBERG
(geb. 1985) ist wissenschaftlicher
Mitarbeiter an der Professur für
Automatisierungstechnik an der
Helmut-Schmidt-Universität/Universität
der Bundeswehr, Hamburg.
Seine Forschungsschwerpunkte sind
die dezentrale Energienetzsteuerung
und Lastoptimierung.
Institut für Automatisierungstechnik,
Helmut-Schmidt-Universität/
Universität der Bundeswehr,
Holstenhofweg 85, D-22043 Hamburg
Prof. Dr.-Ing. ALEXANDER FAY (geb. 1970) ist Professor für
Automatisierungstechnik an der Fakultät für Maschinenbau
der Helmut-Schmidt-Universität/Universität der Bundeswehr,
Hamburg. Sein Forschungsschwerpunkt sind Beschreibungsmittel,
Methoden und Werkzeuge für einen effizienten
Entwurf von Automatisierungssystemen.
Institut für Automatisierungstechnik,
Helmut-Schmidt-Universität/
Universität der Bundeswehr,
Holstenhofweg 85, D-22043 Hamburg
Dr. CHRISTIAN SEITZ (geb. 1975) ist Entwicklungsingenieur bei
der Siemens AG in der Abteilung Advanced Technologies &
Standards, Nürnberg. Seine Forschungsschwerpunkte sind neue
Ansätze im Umfeld Maintenance & Service von Fertigungsanlagen.
Siemens AG,
Advanced Technologies & Standards, I IA ATS 4,
Gleiwitzer Str. 555, D-90475 Nürnberg
Dipl.-Inf. (FH) ANDREAS W. MÜLLER (geb. 1972) ist Entwicklungsingenieur
bei der Siemens AG in der Abteilung
Advanced Technologies & Standards, Nürnberg.
Seine Forschungsschwerpunkte sind semantische Technologien,
Wissensengineering, Diagnose und Systemarchitekturen
im Kontext von Maintenance & Service-Anwendungen.
Siemens AG,
Advanced Technologies & Standards, I IA ATS 4,
Gleiwitzer Str. 555, D-90475 Nürnberg
[13] Zeiler, W., van Houten, R., Boxem, G., Savanovic, P., van der Velden,
J., Wortel, W., Haan, J.-F., Kamphuis, R., Hommelberg, M.,
Broekhuizen, H.: Flexergy: An ontology to couple decentralised
sustainable comfort systems with centralized energy infrastructure.
In: Proc. 3rd Int. Conf. Smart and Sustainable Built Environments
(SASBE), S. 1 – 8. Delft University of Technology 2009
[14] Wicaksono, H., Rogalski, S., Ovtcharova, J.: Towards Ontology
Driven Approach for Intelligent Energy Management in Discrete
Manufacturing. In: Proc. of 4th Int. Conf. Knowledge Engineering
and Ontology Development, S.108-114. SciTePress 2012
[15] Mechs, S., Lamparter, S., Peschke, J.: Steigerung der Energieeffizienz
in Automatisierungssystemen durch Start-Stopp-Automatik.
In: Tagungsband Automation 2012, S. 251-254. VDI 2012
[16] Maier, A., Schetinin, N., Pethig, F., Niggemann, O., Vodencarevic,
A., Kleine Büning, H.: Analyse und Visualisierung des
Energieverbrauchs in Produktionsanlagen. In: Tagungsband
Automation 2012, S.103-106. VDI 2012
[17] Schütz, D., Vogel-Häuser, B.: Modellierung der Verhaltensaspekte
automatisierungstechnischer Module von Produktionsanlagen
unter Berücksichtigung der energetischen
Zusammenhänge. In: Tagungsband Entwurf komplexer
Automatisierungssysteme: Beschreibungsmittel,
Methoden, Werkzeuge und Anwendungen, S. 89–97.
ifak e.V. 2010
[18] VDI-Richtlinie 4661: Energiekenngrößen Definitionen
– Begriffe – Methodik. 2003
[19] Christiansen, L., Linnenberg, T., Fay, A., Seitz, C., Müller,
A. W.: Energietechnische Beschreibung fertigungstechnischer
Prozesse zur Bewertung der Energieeffizienz. In
Tagungsband Automation 2013, S. 175-178. VDI 2013
[20] http://www.w3.org/TR/owl-ref/
[21] VDI/VDE 3682: Formalisierte Prozessbeschreibung. 2005
[22] Polke, B., Polke, R., Rauprich, G.: Erweiterung des
Phasenmodells zur integrierten Beschreibung von
Material- und Energieströme. In: atp - Automatisierungstechnische
Praxis 37 (9), S. 28–33, 1995
[23] Siemens: Plant Simulation. http://www.plm.automation.
siemens.com
atp edition
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IMPRESSUM / VORSCHAU
IMPRESSUM
VORSCHAU
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(VDI/VDE-Gesell schaft Messund
Automatisierungs technik)
und der NAMUR
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Automatisierungs technik der
Prozessindustrie).
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Aljona Hartstock (aha)
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Einreichung von Hauptbeiträgen:
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(Chefredakteur, verantwortlich
für die Hauptbeiträge)
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Fakultät Elektrotechnik
und Informationstechnik
Professur für Prozessleittechnik
D-01062 Dresden
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Fachredaktion:
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Prof. Dr.-Ing. Jürgen Jasperneite
Dr.-Ing. Bernhard Kausler
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Dr.-Ing. Stefan Runde
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„atp edition – Automatisierungstechnische
Praxis“ erscheint
monatlich mit Doppelausgaben im
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Die atp wurde 1959 als „Regelungstechnische
Praxis – rtp“ gegründet.
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DIE AUSGABE 9 / 2013 DER
ERSCHEINT AM 04.09.2013
MIT DEM SCHWERPUNKT
„WIRELESS COMMUNICATION“
Bewertung industrieller
Funklösungen - Standardtests
und Performance-Klassen
Das BSI-Smart Meter Gateway:
Grundlage auch für die
Automatisierungstechnik?
StandardaktorenprofileIEC
61131 Funktionsbausteinkonzept
für Elektrische Geräte
Energiesparpotenzial
überdimensionierter geregelter
Pumpensysteme
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78
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7-8 / 2013

5. SIL-Sprechstunde
Funktionale Sicherheit
17. + 18.9.2013, Mannheim, Pepperl+Fuchs GmbH
www.sil-sprechstunde.de
Veranstaltungskonzept
Haben Sie Fragen zur Anwendung der Normen IEC 61508,
IEC 61511 oder VDI / VDE 2180? Dann sind Sie hier richtig!
Reichen Sie Ihre Fragen rund um SIL ein. Diskutieren Sie mit
Experten über die aktuellen Themen der Funktionalen Sicherheit
am 17. und 18. September 2013 in Mannheim!
Termin & Ort
Termin: Di., 17.9.2013 + Mi., 18.9.2013
Ort: Pepperl+Fuchs GmbH
Lilienthalstr. 200
68307 Mannheim
Teilnahmegebühren
■ atp edition-Abonnenten 540 € zzgl. MwSt.
■ Firmenempfehlung 590 € zzgl. MwSt.
■ reguläre Teilnahmegebühr 690 € zzgl. MwSt.
■ Studenten kostenlos
(Universität, Fachhoch- / Duale Hochschule – Vorlage des
Studentenausweises bei der Anmeldung erforderlich)
100 € Frühbucherrabatt
Programm & Anmeldung
Detaillierte Informationen zur Veranstaltung,
das vollständige Programm sowie die Online-
Anmeldung finden Sie im Internet unter
www.sil-sprechstunde.de
3. Feldbus-Sprechstunde
Feldbus in der Prozessindustrie
19. + 20.9.2013, Mannheim, Pepperl+Fuchs GmbH
www.feldbus-sprechstunde.de
Veranstaltungskonzept
Haben Sie Fragen zum Einsatz von Feldbussystemen in der
Prozessindustrie? Dann sind Sie hier richtig! Reichen Sie Ihre
Fragen zur Planung, Installation und Inbetriebnahme von
Feldbussen ein. Diskutieren Sie mit Experten Ihre aktuellen
Anliegen am 19. und 20. September 2013 in Mannheim!
Termin & Ort
Termin: Do., 19.9.2013 + Fr., 20.9.2013
Ort: Pepperl+Fuchs GmbH
Lilienthalstr. 200
68307 Mannheim
Teilnahmegebühren
■ atp edition-Abonnenten 540 € zzgl. MwSt.
■ Firmenempfehlung 590 € zzgl. MwSt.
■ reguläre Teilnahmegebühr 690 € zzgl. MwSt.
■ Studenten kostenlos
(Universität, Fachhoch- / Duale Hochschule – Vorlage des
Studentenausweises bei der Anmeldung erforderlich)
100 € Frühbucherrabatt
Programm & Anmeldung
Detaillierte Informationen zur Veranstaltung,
das vollständige Programm sowie die Online-
Anmeldung finden Sie im Internet unter
www.feldbus-sprechstunde.de

4. Explosionsschutz-Sprechstunde
Explosionsschutz
18. + 19.11.2013, Mannheim, Pepperl+Fuchs GmbH
www.explosionsschutz-sprechstunde.de
Veranstaltungskonzept
Haben Sie Fragen zur Umsetzung der Betriebssicherheitsverordnung
oder zur Anwendung der einschlägigen Normen zum
Explosionsschutz? Dann sind Sie hier richtig! Reichen Sie Ihre
Fragen rund um den Explosionsschutz ein. Diskutieren Sie mit
Experten Ihre aktuellen Themen am 18. und 19. November
2013 in Mannheim!
Termin & Ort
Termin: Mo., 18.11.2013 + Di., 19.11.2013
Ort: Pepperl+Fuchs GmbH
Lilienthalstr. 200
68307 Mannheim
Teilnahmegebühren
■ atp edition-Abonnenten 540 € zzgl. MwSt.
■ Firmenempfehlung 590 € zzgl. MwSt.
■ reguläre Teilnahmegebühr 690 € zzgl. MwSt.
■ Studenten kostenlos
(Universität, Fachhoch- / Duale Hochschule – Vorlage des
Studentenausweises bei der Anmeldung erforderlich)
100 € Frühbucherrabatt
Programm & Anmeldung
Detaillierte Informationen zur Veranstaltung,
das vollständige Programm sowie die Online-
Anmeldung finden Sie im Internet unter
www.explosionsschutz-sprechstunde.de

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